CN111366982A - 一种双能ct系统的探测器装置、双能ct系统及图像重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双能CT系统的探测器装置、双能CT系统及图像重建方法，其方法包括：采集用于重建所述被扫描物品的CT图像的高/低能衰减数据；根据所述低能探测器和高能探测器相间排布的情况，采用插值算法对所述高/低能衰减数据进行插值得到高/低能投影数据；利用所述高/低能投影数据重建所述被扫描物体的CT图像。低成本、高效率、有效地实现了双能CT系统的图像重建。
Description
技术领域
本发明涉及双能CT系统的图像重建领域，尤指一种双能CT系统的探测器装置、双能CT系统及图像重建方法。
背景技术
随着科技的发展，基于X射线辐射成像的计算机断层扫描技术(简称“CT”技术)被广泛应用，尤其是安检系统。现有技术中，包括多能量X射线安全检查系统和单能量X射线安全检查系统。其中，多能量X射线安全检查系统，是在单能量X射线安全检查系统的基础上开发的新型安检系统。它根据高/低能探测器获取的高/低能数据，不仅能提供扫描物品的形状和内容，还能有效检测扫描物品有效原子序数的信息，从而区分被检物是有机物还是无机物，并用不同的颜色在彩色监视器上显示出来，帮助操作人员进行判别。
目前，常用双能CT系统采用双层探测器结构，获取双能投影数据，以对被检测物体进行分辨。但是，传统的双能CT系统中的双层探测器结构增加了探测器的数量进而增加了成本。
(CN201811542627.4)CT系统和用于CT系统的探测装置公开的低能探测器组件，与高能探测器组件层叠设置，低能探测器组件包括沿预定轨迹间隔排布的多排低能探测器的技术方案，虽然在一定程度上提高了对材料的分辨能力，但还是存在成本高的问题。
传统的探测器装置一般包括双层探测器和交错排布的高低能探测器，但是高能探测器价格昂贵，还是无法从根本上解决成本问题，所以需要解决如何在保持图像质量的情况下，降低双能CT系统的成本的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双能CT系统的探测器装置、双能CT系统及图像重建方法，实现低成本、高效率、有效地进行双能CT系统的图像重建。
本发明提供的技术方案如下：
本发明提供的一种双能CT系统的探测器装置，包括：
多个探测条按预设间距进行平行排布组成一个探测板，其中，所述探测条由多个探测器紧密排列形成；
其中，沿X射线的入射方向观察时，每个所述探测板上至少具有一个高能探测条和低能探测条相间排布；所述低能探测条上方覆盖介质层形成高能探测条。
可选的，所述探测条的排列方向垂直于被扫描物体的传动方向。
可选的，沿X射线的入射方向观察时至少具有一个所述高能探测条与所述至少一个低能探测条相间排布在相同的探测板上。
可选的，所述多个探测板以所述扫描通道中心为圆心以探测板的预设间距排布；其中，相邻的所述探测板以所述探测板的预设间距相隔，所述探测板的预设间距等于单个探测条宽度的N/2倍，其中N为正整数。
可选的，所述探测板的中心高度和X射线放射源的中心高度相等；X射线放射源的中心射线沿竖直方向经过中心探测板的宽度中心。
本发明还提供一种双能CT系统，包括:扫描通道，X射线源，以及设置在所述扫描通道相对一侧的探测臂架，所述探测臂架上安装有所述的探测器装置。
可选的，所述的双能CT系统，还包括：
预处理模块，所述预处理模块被配置用于执行预处理过程，所述预处理模块包括选取不同厚度的两种基材料的组合创建高/低能衰减网格；采集数据信号模块，用于采集用于重建被扫描物品的CT图像的高/低能数据信号；数据处理模块，用于根据所述低能探测器和高能探测器相间排布的情况，采用插值算法得到高/低能投影数据；图像重建模块，利用所述高/低能投影数据比对扫描利用两种所述基材料创建的衰减网格，获得体素的电子密度和原子序数，进行被扫描物物品的CT图像重建。
本发明提供一种双能CT系统进行图像重建的方法，包括步骤：采集用于重建所述被扫描物品的CT图像的高/低能衰减数据；根据所述低能探测器和高能探测器相间排布的情况，采用插值算法对所述高/低能衰减数据进行插值得到高/低能投影数据；利用所述高/低能投影数据重建所述被扫描物体的CT图像。
可选的，所述利用所述高/低能投影数据重建所述被扫描物体的CT图像，包括步骤：
利用所述高/低能投影数据比对扫描利用两种所述基材料创建的高/低能衰减网格，获得体素的电子密度和原子序数；利用所述体素的电子密度和原子序数重建所述被扫描物体的CT图像。
可选的，所述的双能CT系统进行图像重建的方法，所述获得体素的电子密度和原子序数，包括步骤：将所述高/低能投影数据转换成对应的基材料厚度；基于背投影方法进行图像重建，获得每个体素对应的基材料厚度；利用所述每个体素对应的基材料厚度计算得到所述体素的电子密度和原子序数。
可选的，所述的双能CT系统进行图像重建的方法，在所述采集用于重建被扫描物品的CT图像的所有高/低能衰减数据之前包括步骤：
选取不同厚度的两种基材料的组合，创建高/低能衰减网格。
通过本发明提供的一种双能CT系统的探测器装置、双能CT系统及图像重建方法，能低成本、高效率、有效地进行双能CT系统的图像重建。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种双能CT系统的探测器装置、双能CT系统及图像重建方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明提供的一种双能CT系统的探测器装置的位置示意图；
图2是本发明提供的一种双能CT系统的探测器装置的结构示意图；
图3是本发明中关于探测条与X射线源的位置的示意图；
图4是本发明一种双能CT系统的结构示意图；
图5是本发明提供的一种双能CT系统进行图像重建方法的一个实施例的流程示意图；
图6是本发明提供的一种双能CT系统进行图像重建方法的另一实施例的流程示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明的一个实施例，如图1所示，一种双能CT系统的探测器装置，包括：多个探测条按预设间距进行平行排布组成一个探测板，其中，所述探测条由多个探测器紧密排列形成；其中，沿X射线的入射方向观察时，每个所述探测板上至少具有一个高能探测条和低能探测条相间排布；所述低能探测条上方覆盖介质层形成高能探测条。其中，被扫描物品位于X射线源与所述探测器装置之间。
根据上述技术方案，由于是多个探测条按预设间距进行平行排布组成一个探测板，减少了探测条的使用数量，从而降低了成本。其中，沿X射线的入射方向观察时，每个所述探测板上至少具有一个高能探测条和低能探测条相间排布，高能探测条和低能探测条是双能CT系统获取不同维度的数据的装置，通过高能探测条和低能探测条采集的数据使得双能CT系统能够清晰、完善的进行图像重建。
同时，由于现有技术中的高能探测器的成本远高于低能探测器的成本，此方案中，通过所述低能探测条上方覆盖介质层形成高能探测条，使得探测成本大大的降低了。
示例性的，如图2所示的一种高能探测条140与低能探测条130相间排布的情况，其中，高能探测条140和低能探测条130的数量不做具体限制。具体的，所有探测器都位于探测板的一侧，低能探测器先紧密地组成一个低能探测条130后，然后每条低能探测器130再按照一定间隔排布在板上，所述间隔等于探测器本身的宽度。
进一步地，将长度、宽度略大于探测条尺寸、厚度约为0.6mm的介质层覆盖在特定探测条上形成高能探测条140，其中，所述介质层包括金属介质层，例如铜片。由于X射线的低能部分经过铜片后会大大衰减，而高能部分则衰减较小。所以，穿过铜片的X射线中，高能部分的占比相较之前得到了很大的提升。因此，我们把铜片覆盖下的探测器称为“高能探测器”；相对地，没有经过铜片覆盖的探测器称为“低能探测器”。
示例中，将偶数条的探测器覆盖了铜片，那么偶数条的探测器就被称为“高能探测器”，奇数条的探测器称为“低能探测器”。所述高能探测条并不限于偶数条方式，还可以包括每隔两条或者三条进行放置。对应地，高能探测条的分布可以包括每隔两条或每隔三条。
通过这样的技术方案，我们在修改方案时就可以不改变探测器本身的构造，而是改变介质层的覆盖位置来实现。这样的不仅可以使探测器的制造更加简单，更免去了方案变化后需要重新设计探测器的麻烦，大大降低了探测器的相关成本，使得操作更加简便。
可选的，正如以上所述的技术方案，由于低能探测器的成本远远低于高能探测探测器的成本，可以通过提高低能探测器数量来提高三维图像清晰度，同时由于物质识别准确率对探测器数量的要求远远小于三维图像清晰度对探测器数量的要求，因此可以设置少量的高能探测器。以此实现探测成本的最优化，在满足物质识别准确率的同时，又能确保高的CT图像重建的空间分辨率。
此外，由于此方案中的高能探测器仅仅为低能探测器覆盖介质层组成，成本远低于传统意义上的高能探测器，高能探测器的数量可以增加，高能探测器的数量的增加并不影响整体的成本。本方案很大程度上，从根本上降低了成本。
进一步的，所述双能CT系统的探测器装置包括：所述探测条的排列方向垂直于被扫描物体的传动方向。
进一步的，沿X射线的入射方向观察时至少具有一个所述高能探测条与所述至少一个低能探测条相间排布在相同的探测板上。
具体的，所述探测板至少包括一个高能探测条和一个低能探测条，这样可以通过高低能探测器采集数据来提高三维图像清晰度，还可以包括多个高能探测条和多个低能探测条。
通过提高低能探测器数量来提高三维图像清晰度，运用此方案形成的高能探测条时，并不需要考虑成本问题，此方案中的高能探测条的成本远低于现有技术中的高能探测条的成本。
进一步的，所述多个探测板以所述扫描通道中心为圆心以探测板的预设间距排布；其中，相邻的所述探测板以所述探测板的预设间距相隔，所述探测板的预设间距等于单个探测条宽度的N/2倍，其中N为正整数。
根据以上方案，所述相邻的所述探测板以所述探测板的预设间距相隔，这样通过所述探测板采集的数据便于后续的算法对于数据的处理，而且所述探测板之间的间距相等在采集数据时，可以避免数据的丢失。同时，后续要进行插值算法和背投影，所以需要采集均一分布的数据，通过所述探测的布置可以获得空间上离散分布的相对可知的位置。
进一步的，所述探测板的中心高度和X射线放射源的中心高度相等；X射线放射源的中心射线沿竖直方向经过中心探测板的宽度中心。
通过以上方案，由于所述X射线源需要进行垂直投影，所以需要保持所述探测板的中心高度和X射线放射源的中心高度相等且X射线放射源的中心射线沿竖直方向经过中心探测板的宽度中心，通过这样的方式可以使X射线源进行垂直投影，以使投影数据不发生倾斜。
示例性的，探测板之间的排列方式如图3所示，探测板的中心高度和放射源高度一致，所有探测板的宽度中心皆位于以放射源为圆心的同心圆上，相邻探测板以一定间距相隔，间距等于单个探测单元宽度的N/2倍(N为正整数)。而且，放射源的中心射线的竖直方向正好经过中心探测板的宽度中心。探测板和放射源之间为刚性连接，在扫描物体期间以特定速度进行旋转，且探测器的“条状”排列方向垂直于物体行进方向(或称物体的传动方向)。探测板依次铺开，直到视野区域(FOV,Field Of Vision)覆盖目标扫描区域。
本发明提供的另一实施例，一种双能CT系统，包括:扫描通道，X射线源，以及设置在所述扫描通道相对一侧的探测臂架，所述探测臂架上安装有所述探测器装置。
具体的，其中被扫描物品(例如，行李物品)沿传送方向通过所述扫描通道进出所述双能CT系统；设置在扫描通道一侧的X射线源；以及设置在所述扫描通道相对一侧的探测臂架，所述探测臂架上安装有如前所述的探测器装置。
进一步的，如图4所示，所述的双能CT系统，还包括：
预处理模块410，所述预处理模块被配置用于执行预处理过程，所述预处理模块包括选取不同厚度的两种基材料的组合创建高/低能衰减网格。
采集数据信号模块420，用于采集用于重建被扫描物品的CT图像的高/低能数据信号。
数据处理模块430，用于根据所述低能探测器和高能探测器相间排布的情况，采用插值算法得到高/低能投影数据。
图像重建模块440，利用所述高/低能投影数据比对扫描利用两种所述基材料创建的衰减网格，获得体素的电子密度和原子序数，进行被扫描物物品的CT图像重建。
本发明另一实施例，如图5所示，本发明提供的一种双能CT系统进行图像重建的方法，包括：
S510采集用于重建所述被扫描物品的CT图像的高/低能衰减数据。
S520根据所述低能探测器和高能探测器相间排布的情况，采用插值算法对所述高/低能衰减数据进行插值得到高/低能投影数据。
S530利用所述高/低能投影数据重建所述被扫描物体的CT图像。
其中，利用所述高/低能投影数据重建所述被扫描物体的CT图像，包括：利用所述高/低能投影数据比对扫描利用两种所述基材料创建的高/低能衰减网格，获得体素的电子密度和原子序数；利用所述体素的电子密度和原子序数重建所述被扫描物体的CT图像。
其中，所述获得体素的电子密度和原子序数，包括：将所述高/低能投影数据转换成对应的基材料厚度；基于背投影方法进行图像重建，获得每个体素对应的基材料厚度；利用所述每个体素对应的基材料厚度计算得到所述体素的电子密度和原子序数。
具体的，所述体素的电子密度和原子序数可以用于进行物质识别，从而检测处诸如毒品、炸药等违禁物，或者用于检测并区分有机物和无机物。
其中，在所述采集用于重建被扫描物品的CT图像的所有高/低能衰减数据之前包括：选取不同厚度的两种基材料的组合选取不同厚度的两种基材料的组合创建高/低能衰减网格，创建高/低能衰减网格。
具体的，选定两种材料作为实验的基材料，记作基材料1和基材料2，然后分别用不同厚度的基材料1，2的组合来测试X射线的投影信号，记为PH/L(d1，d2)。
其中，
然后，获取对于不同基材料厚度组合的衰减信息：PH/L(d1，d2)，其中，H代表高能，L代表低能，d1，d2代表基材料1，2的厚度。
由于通过所述双能CT系统获得的所述被扫描物品的高/低能衰减数据是相间分布的，且只有一部分高/低能衰减数据，即我们在几个特定高度下得到了特定投影路径下的高/低能衰减数据，并不是连续的。为了得到整个投影平面的高/低能数据，利用插值算法对高/低能数据进行插值，获得整个平面上每个点对应的高/低能投影数据，记为
具体的，利用代价函数进行凸优化问题求解：
根据以上方案，可以获得该投影路径对应的基材料1的等穿厚度d1和基材料2的等穿厚度d2。例如，如果某一投影路径对应的高/低能投影数据是
那么根据上面的计算公式，此次X射线源的衰减相当于是经过了厚度为d1的基材料1和厚度为d2的基材料2。
然后利用FBP(Filtered Back-projection,背投影)方法分别对等穿基材料1的厚度d1和等穿基材料2的厚度d2进行三维重建。这样，我们得到了三维重建图像内的每个体素所对应的基材料1厚度b1和基材料2厚度b2。
最后，利用下面的公式进行计算每个体素对应的原子序数Z和等效电子密度ρe，具体公式为：
ρe＝b1*ρe，1+b2*ρe，2。
其中，ρe，1为基材料1的电子密度，ρe，2为基材料2的电子密度。
本发明提供的另一实施例，如图6所示，一种双能CT系统进行图像重建的方法，包括：
S610选取不同厚度的两种基材料的组合，创建高/低能衰减网格。
S620利用所述低能探测器和高能探测器相间排布的双能CT系统扫描物品，采集用于重建所述被扫描物品的CT图像的高/低能衰减数据。
S630利用插值算法将所述高/低能衰减数据进行空间上的插值。
S640将插值后的高/低能投影值转换成对应的基材料厚度。
S650使用FBP方法进行图像重建，得到每个体素对应的基材料厚度。
S660计算所述每个体素对应的原子序数和电子密度。
基于上述实施例，运用所述插值算法对数据进行插值，应用插值技巧将大量的具有相关性的乘法运算转换为加法运算，在理论上将算法总的乘法运算量减少了两个数量级，从而加快了传统的FBP(Filtered Back-projection，背投影)方法的速度。提高图像重建的效率，以实现高效率的图像重建。
通过以上方案，可以实现采集用于重建所述被扫描物品的CT图像的高/低能衰减数据；根据所述低能探测器和高能探测器相间排布的情况，采用插值算法对所述高/低能衰减数据进行插值得到高/低能投影数据；利用所述高/低能投影数据重建所述被扫描物体的CT图像。
根据上述技术方案，由于是多个探测条按预设间距进行平行排布组成一个探测板，减少了探测条的使用数量，从而降低了成本。其中，沿X射线的入射方向观察时，每个所述探测板上至少具有一个高能探测条和低能探测条相间排布，高能探测条和低能探测条是双能CT系统获取不同维度的数据的装置，通过高能探测条和低能探测条采集的数据使得双能CT系统能够清晰、完善的进行图像重建。同时，由于现有技术中的高能探测器的成本远高于低能探测器的成本，此方案中，通过所述低能探测条上方覆盖介质层形成高能探测条，使得探测成本大大的降低了。而且，运用插值算法对所述高/低能衰减数据进行插值，可以节省探测时间，提高了图像重建的效率。利用本方案可以低成本、高效率、有效地进行双能CT系统的图像重建。
需要说明的是，上述示例的双能CT系统的实施方式中，各模块/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明前述方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明前述方法实施例相同，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
此外，上述示例的双能CT系统的实施方式中，各功能模块的逻辑划分仅是举例说明，实际应用中可以根据需要，例如出于相应硬件的配置要求或者软件的实现的便利考虑，将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述双能CT系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。其中各功能模既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，作为独立的产品销售或使用。所述程序在执行时，可执行如上述各方法的实施例的全部或部分步骤。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。可以理解，其中所使用的术语“第一”、“第二”等在本文中用于区分对象，但这些对象不受这些术语限制。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不违背本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (11)
1.一种双能CT系统的探测器装置，其特征在于，包括：
多个探测条按预设间距进行平行排布组成一个探测板，其中，所述探测条由多个探测器紧密排列形成；
其中，沿X射线的入射方向观察时，每个所述探测板上至少具有一个高能探测条和低能探测条相间排布；所述低能探测条上方覆盖介质层形成高能探测条。
2.根据权利要求1所述的双能CT系统的探测器装置，其特征在于，包括：所述探测条的排列方向垂直于被扫描物体的传动方向。
3.根据权利要求1所述的双能CT系统的探测器装置，其特征在于，包括：沿X射线的入射方向观察时至少具有一个所述高能探测条与所述至少一个低能探测条相间排布在相同的探测板上。
4.根据权利要求1所述的双能CT系统的探测器装置，其特征在于，包括：
所述多个探测板以所述扫描通道中心为圆心以探测板的预设间距排布；
其中，相邻的所述探测板以所述探测板的预设间距相隔，所述探测板的预设间距等于单个探测条宽度的N/2倍，其中N为正整数。
5.根据权利要求1所述的双能CT系统的探测器装置，其特征在于，包括：
所述探测板的中心高度和X射线放射源的中心高度相等；
X射线放射源的中心射线沿竖直方向经过中心探测板的宽度中心。
6.一种双能CT系统，其特征在于，包括:扫描通道，X射线源，以及设置在所述扫描通道相对一侧的探测臂架，所述探测臂架上安装有如权利要求1-5中任一项所述的双能CT系统的探测器装置。
7.根据权利要求6所述的双能CT系统，其特征在于，还包括：
预处理模块，所述预处理模块被配置用于执行预处理过程，所述预处理模块包括选取不同厚度的两种基材料的组合创建高/低能衰减网格；
采集数据信号模块，用于采集用于重建被扫描物品的CT图像的高/低能数据信号；
数据处理模块，用于根据所述低能探测器和高能探测器相间排布的情况，采用插值算法得到高/低能投影数据；
图像重建模块，利用所述高/低能投影数据比对扫描利用两种所述基材料创建的衰减网格，获得体素的电子密度和原子序数，进行被扫描物物品的CT图像重建。
8.一种双能CT系统进行图像重建的方法，其特征在于，包括步骤：
采集用于重建所述被扫描物品的CT图像的高/低能衰减数据；
根据所述低能探测器和高能探测器相间排布的情况，采用插值算法对所述高/低能衰减数据进行插值得到高/低能投影数据；
利用所述高/低能投影数据重建所述被扫描物体的CT图像。
9.根据权利要求8所述的双能CT系统进行图像重建的方法，其特征在于，所述利用所述高/低能投影数据重建所述被扫描物体的CT图像，包括步骤：
利用所述高/低能投影数据比对扫描利用两种所述基材料创建的高/低能衰减网格，获得体素的电子密度和原子序数；
利用所述体素的电子密度和原子序数重建所述被扫描物体的CT图像。
10.根据权利要求9所述的双能CT系统进行图像重建的方法，其特征在于，所述获得体素的电子密度和原子序数，包括步骤：
将所述高/低能投影数据转换成对应的基材料厚度；
基于背投影方法进行图像重建，获得每个体素对应的基材料厚度；
利用所述每个体素对应的基材料厚度计算得到所述体素的电子密度和原子序数。
11.根据如权利要求8所述的双能CT系统进行图像重建的方法，其特征在于，在所述采集用于重建被扫描物品的CT图像的所有高/低能衰减数据之前包括步骤：
选取不同厚度的两种基材料的组合选取不同厚度的两种基材料的组合创建高/低能衰减网格，创建高/低能衰减网格。
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