CN113476067B - 一种基于计算编码的csxi轮盘式编码孔径设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算编码的CSXI轮盘式编码孔径设计方法，包括：步骤1：确定编码孔径的编码方式；步骤2：构建对应编码孔径轮盘；步骤3：设计轮盘随CT扫描***的运动方式；步骤4：在与CT扫描***的X射线源对应位置设置编码孔径轮盘，编码孔径轮盘通过随扫描视角的变化切换用于调制X射线能谱的滤波器，完成CSXI的计算编码。与现有技术相比，本发明具有有效实现CSXI***的编码扫描、成像精度高等优点。

Description

一种基于计算编码的CSXI轮盘式编码孔径设计方法

技术领域

本发明涉及X射线成像技术领域，尤其是涉及一种基于计算编码的CSXI轮盘式编码孔径设计方法。

背景技术

X射线计算断层成像(X-ray computed tomography，XCT)能够在无损地获取扫描截面的内部结构信息，目前已广泛地用于医学诊断和工业检测领域。而能谱X射线断层成像(Spectral X-ray computed tomography，SXCT)能利用不同化学组分的物质对X射线的能谱衰减特性不同，进一步获得扫描物体的材料组分信息，可用于鉴别CT图像上具有相似灰度的物质。用于临床诊断时可区分造影和钙化；用于工业检测时可给出扫描件的材料组成；用于机场、火车站安检时可筛选出可疑的违禁物品。因此SXCT具有巨大的应用潜力。

传统的获取SXCT的方式是采用多个具有不同管电压的X射线源进行扫描，或者采取具有X光子能量分辨能力的探测器，但是它们一方面需要多次扫描，这会增加扫描时间和X射线剂量；另一方面，它们都造价昂贵，会极大的增加***的制造成本。一种低成本的SXCT的实现方式是采用对射线源的能谱进行编码的方式，获取类似于多电压扫描的测量。如图1所示，它将具有X射线能谱调制作用的编码孔径与传统CT相结合，经过编码的X射线穿过被扫描物体(人体)后，被探测器以积分测量的方式获取测量值，然后用于能谱CT图像重建。由于能谱测量信息是被探测器在整个能谱域上进行积分(压缩)后记录的，这种SXCT的实现方式也称为压缩能谱X射线成像(Compressive spectral X-ray imaging，CSXI)。能谱调制的编码方式有四种，包括均匀视角编码(Uniform view，UV)、随机视角编码(Random view，RV)、均匀探测器编码(Uniform detector，UD)和随机探测器编码(Random detector，RD)。其中，UV编码中所选的滤波器组按照一定顺序依次放置在不同的投影视角上；RV编码中所选的滤波器组随机放置在不同投影视角上；UD编码中所有编码视角上的编码孔径模式相同；RD编码中所有投影路径上的编码是随机产生的。在UV和RV设计模式下，对于共计P个投影CT扫描，则需要P个对应滤波器。而在UD和RD设计模式下，对于具有M个像元的线列探测器，编码孔径则共计具有MP个滤波器需要制作和安装。

虽然研究者们提出了CSXI***的模型，受限于***的复杂性，目前并没有CSXI***的具体实现方式。如果直接采取如图1所示的方式，在每个投影路径前放置相应的K-edge滤波器，由于整个CT***内部扫描区域空间有限，用于不同投影视角的滤波器在空间上互相干涉，因此是无法基于CSXI原理图搭建CSXI***的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效实现CSXI***的编码扫描、成像精度高的基于计算编码的CSXI轮盘式编码孔径设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于计算编码的CSXI轮盘式编码孔径设计方法，所述的设计方法包括：

步骤1：确定编码孔径的编码方式；

步骤2：构建对应编码孔径轮盘；

步骤3：设计轮盘随CT扫描***的运动方式；

步骤4：在与CT扫描***的X射线源对应位置设置编码孔径轮盘，编码孔径轮盘通过随扫描视角的变化切换用于调制X射线能谱的滤波器，完成CSXI的计算编码。

优选地，所述步骤1中的编码方式包括均匀视角编码UV、随机视角编码RV、均匀探测器编码UD和随机探测器编码RD。

更加优选地，所述的编码方式为均匀视角编码UV时，步骤2具体为：

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，首先将F种滤波材料分别制作成滤波器箔片，然后将F个滤波器箔片依次嵌入到编码轮盘的F个不同辐角上。

更加优选地，所述的编码方式为均匀视角编码UV时，步骤3具体为：

CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，UV编码孔径以角速度Pω/F匀速转动即可实现匹配的能谱编码调制。

更加优选地，所述的编码方式为随机视角编码RV时，步骤2具体为：

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，首先将F种滤波材料分别制作成滤波器箔片，然后将F个滤波器箔片依次嵌入到编码轮盘的F个不同辐角上。

更加优选地，所述的编码方式为随机视角编码RV时，步骤3具体为：

CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，RV编码孔径通过步进的形式，在F种滤波器之间切换，以匹配预定的编码。

更加优选地，所述的编码方式为均匀探测器编码UD时，步骤2具体为：

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，首先将F种滤波材料分别制作成与探测器像元数对应的M个滤波器箔片，然后将M个滤波器箔片按照既定顺序排列制成编码带，编码带上每个像素和投影路径上的探测器像素一一对应。

更加优选地，所述的编码方式为均匀探测器编码UD时，步骤3具体为：

保证编码带上每个像素和投影路径上的探测器像素一一对应，当CT扫描***进行扫描时，编码带随X射线源一起转动。

更加优选地，所述的编码方式为随机探测器编码RD时，步骤2具体为：

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，首先将F种滤波材料分别制作成与探测器像元数对应的M个滤波器箔片，然后为每个投影视角制作各自的编码带，并安装在轮盘上对应的角位置。

更加优选地，所述的编码方式为随机探测器编码RD时，步骤3具体为：

CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，RD编码孔径以角速度ω匀速转动即可实现匹配的能谱编码调制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、有效实现CSXI***的编码扫描：本发明中的CSXI轮盘式编码孔径设计方法将编码的滤波器组集成在一个轮盘上，通过随扫描视角变化切换用于调制X射线能谱的滤波器，有效实现CSXI***的编码扫描。

二、成像精度高：本发明中的CSXI轮盘式编码孔径设计方法设计的编码孔径轮盘将F种选定的滤波材料分别制作成滤波器片，然后安装在编码轮盘的不同扇区上，在CT扫描的过程中，当CT***的X射线源转到一定角度时，编码盘也转到相应的扇区，对射线的能谱进行调制，实现编码照明，有效提高了CSXI***的成像精度。

附图说明

图1为现有技术中基于计算编码的压缩能谱X射线成像***示意图；

图1(a)为UV编码方式示意图；图1(b)为RV编码方式示意图；图1(c)为UD编码方式示意图；图1(d)为RD编码方式示意图；

图2为本发明中基于计算编码的CSXI轮盘式编码孔径设计方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中UV编码的轮盘式编码孔径俯视图；

图4为本发明实施例中UV编码的轮盘式编码孔径和X射线源安装关系的侧视图；

图5为本发明实施例中UD编码带以及它和射线源安装关系的侧视图；

图6为本发明实施例中RD编码的轮盘式编码孔俯视图；

图7为本发明实施例中RD编码轮盘和X射线源安装关系的侧视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明涉及一种基于计算编码的CSXI轮盘式编码孔径设计方法，其流程如图2所示，包括：

步骤1：确定编码孔径的编码方式；

步骤2：构建对应编码孔径轮盘；

步骤3：设计轮盘随CT扫描***的运动方式；

步骤4：在与CT扫描***的X射线源对应位置设置编码孔径轮盘，编码孔径轮盘通过随扫描视角的变化切换用于调制X射线能谱的滤波器，完成CSXI的计算编码。

本实施例中的编码方式包括均匀视角编码UV、随机视角编码RV、均匀探测器编码UD和随机探测器编码RD。

下面分别描述四种编码对应的编码孔径轮盘构建方法以及对应的运动方式设计方法：

一、均匀视角编码UV

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，在UV编码中它们按照一定顺序依次放置在不同的投影视角上。具体的轮盘式UV编码孔径实施如下：

(1)将F种滤波材料分别制作成滤波器箔片；

(2)如图3所示，将F个滤波器箔片依次嵌入到编码轮盘的F个不同辐角上；

(3)如图4所示，将其固定在CSXI***的X射线源附近，当CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，UV编码孔径以角速度Pω/F匀速转动即可实现匹配的能谱编码调制。

二、随机视角编码RV

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，在RV编码中它们按照预定的顺序依次放置在不同的投影视角上。具体的轮盘式RV编码孔径实施如下：

(1)将F种滤波材料制作成滤波器箔片；

(2)和RV编码方式相同，将它们依次嵌入到编码轮盘的不同辐角。

(3)将其固定在CSXI的X射线源附近，当CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，轮盘式RV编码孔径通过步进的形式，在F种滤波器之间切换，以匹配预定的编码。也就是，RV和UV具有相同的编码轮盘，而不同之处在于和CT旋转扫描的同步。

三、均匀探测器编码UD

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，在UD编码中它们一定的顺序首先生成用于单一视角的编码带，编码带上每个元素和投影路径上的探测器一一对应。不同的投影视角具有相同的滤波器排列的编码带。具体的轮盘式UD编码孔径实施如下：

(1)将F种滤波材料制作成与探测器像元数对应的M个滤波器箔片；

(2)将M个滤波器箔片按照既定顺序排列，制作成编码带；

(3)如图5所示，将编码带固定在CSXI的X射线源前方，使得编码带的每个像素和投影路径上的探测器像素一一对应，当CT扫描***扫描时，它随射线源一起转动。

四、随机探测器编码RD

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，在RD编码随投影路径随机编码。具体的轮盘式RD编码孔径实施如下：

(1)如图6所示，将F种滤波材料制作成与探测器像元数对应的M个滤波器箔片，然后将它们编码轮盘的的径向排列，形成用于某个视角的投影的编码带；

(2)以同样的方式为每个投影视角制作各自的编码带，并装在对应的角位置。

(3)如图7所示，将RD编码轮盘固定在CSXI的X射线源附近，当CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，轮盘式RV编码孔径也以角速度ω匀速转动即可实现匹配的能谱编码调制。

上述编码孔径轮盘设计的整体思路为：将F种选定的滤波材料分别制作成滤波器片，然后安装在编码轮盘的不同扇区上。在CT扫描的过程中，当CT***的X射线源转到一定角度时，编码盘也转到相应的扇区，对射线的能谱进行调制，实现编码照明。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于计算编码的CSXI轮盘式编码孔径设计方法，其特征在于，所述的设计方法包括：

步骤1：确定编码孔径的编码方式；

步骤2：构建对应编码孔径轮盘；

步骤3：设计轮盘随CT扫描***的运动方式；

步骤4：在与CT扫描***的X射线源对应位置设置编码孔径轮盘，编码孔径轮盘通过随扫描视角的变化切换用于调制X射线能谱的滤波器，完成CSXI的计算编码；

将编码的滤波器组集成在一个轮盘上，通过随扫描视角变化切换用于调制X射线能谱的滤波器；编码孔径轮盘将F种选定的滤波材料分别制作成滤波器片，然后安装在编码轮盘的不同扇区上，在CT扫描的过程中，当CT***的X射线源转到一定角度时，编码盘也转到相应的扇区，对射线的能谱进行调制；

所述步骤1中的编码方式包括均匀视角编码UV、随机视角编码RV、均匀探测器编码UD和随机探测器编码RD；

所述的编码方式为均匀视角编码UV时，步骤2具体为：

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，首先将F种滤波材料分别制作成滤波器箔片，然后将F个滤波器箔片依次嵌入到编码轮盘的F个不同辐角上；

所述的编码方式为均匀视角编码UV时，步骤3具体为：

CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，UV编码孔径以角速度Pω/F匀速转动即可实现匹配的能谱编码调制；

所述的编码方式为随机视角编码RV时，步骤2具体为：

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，首先将F种滤波材料分别制作成滤波器箔片，然后将F个滤波器箔片依次嵌入到编码轮盘的F个不同辐角上；

所述的编码方式为随机视角编码RV时，步骤3具体为：

CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，RV编码孔径通过步进的形式，在F种滤波器之间切换，以匹配预定的编码；

所述的编码方式为均匀探测器编码UD时，步骤2具体为：

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，首先将F种滤波材料分别制作成与探测器像元数对应的M个滤波器箔片，然后将M个滤波器箔片按照既定顺序排列制成编码带，编码带上每个像素和投影路径上的探测器像素一一对应；

所述的编码方式为均匀探测器编码UD时，步骤3具体为：

保证编码带上每个像素和投影路径上的探测器像素一一对应，当CT扫描***进行扫描时，编码带随X射线源一起转动；

所述的编码方式为随机探测器编码RD时，步骤2具体为：

给定F种滤波材料用于对射线源进行能谱编码，首先将F种滤波材料分别制作成与探测器像元数对应的M个滤波器箔片，然后为每个投影视角制作各自的编码带，并安装在轮盘上对应的角位置；

所述的编码方式为随机探测器编码RD时，步骤3具体为：

CT扫描***计划测量角度数为P，并以角速度ω转动时，RD编码孔径以角速度ω匀速转动即可实现匹配的能谱编码调制。