[發明專利]基于平行孔準直器的三維康普頓散射成像方法和系統

在審

• 申請號: 202211347893.8
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115553794A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 葛欣;牛田野;羅辰;江陽康
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: A61B6/00
• 分類號: A61B6/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 曹兆霞

1.一種基于平行孔準直器的三維康普頓散射成像系統，其特征在于，包括康普頓成像設備和成像計算器；

所述康普頓成像設備包括沿著X射線光軸設置的X射線源和透射探測器，X射線源和透射探測器之間設有用于承載被測物品的旋轉平臺，且保證被測物品被X射線照射且于透射探測器內完整成像，沿著與光軸的垂直方向且在旋轉平臺的兩側設有兩組散射探測組件，每組散射探測組件包括散射探測器以及處于散射探測光路上的平行孔準直器，且保證兩組散射探測組件能夠探測到完整被測物品；

所述成像計算器實現三維康普頓散射成像計算，包括以下步驟：

步驟1，獲取透射探測器對空場掃描的透射空場投影圖像；

步驟2，獲取兩組散射探測組件和透射探測器同時對旋轉一周的被測物品掃描得到的兩組散射投影圖像集合和透射投影圖像集合；

步驟3，根據透射空場投影圖像和透射投影圖像集合進行濾波反投影重建，獲得被測物品的線性衰減系數分布圖像集合；

步驟4，基于線性衰減系數分布圖像集合計算正向投影的系統矩陣；

步驟5，根據兩組散射投影圖像集合并結合正向投影的系統矩陣，進行電子密度圖像重建，以獲得被測物品的電子密度圖像集合，實現三維康普頓散射成像。

2.根據權利要求1所述的基于平行孔準直器的三維康普頓散射成像系統，其特征在于，所述透射探測器、兩個散射探測器的中心到旋轉平臺的旋轉軸的距離相等。

3.根據權利要求1所述的基于平行孔準直器的三維康普頓散射成像系統，其特征在于，在每組散射探測組件中，平行孔準直器貼附于散射探測器的探測面。

4.根據權利要求1所述的基于平行孔準直器的三維康普頓散射成像系統，其特征在于，步驟4中，采用以下公式基于線性衰減系數分布圖像集合計算正向投影的系統矩陣：

其中，E表示散射光子能量，θ表示光子散射角，I₀表示入射光子數量，l是光子經過被測物品內的路徑長度，μ_p和μ_s為入射射束和散射射束能量下的線性衰減系數值，該線性衰減系數值從線性衰減系數分布圖像集合中獲得，表示與散射光子能量E和光子散射角θ有關的Klein-Nishina微分截面的數值，ΔΩ表示散射面積，ρ_e表示電子密度，M表示需要求解的正向投影的系統矩陣。

5.根據權利要求1所述的基于平行孔準直器的三維康普頓散射成像系統，其特征在于，步驟5包括：

步驟5-1，根據兩組散射投影圖像集合并結合正向投影的系統矩陣，建立電子密度圖像重建的目標函數，表示為：

其中，表示向量化后的兩組散射投影圖像集合，M是正向投影的系統矩陣，是待重建的電子密度圖像集合，表示最優的重建電子密度圖像集合，Σ是一個對角矩陣，且對角線上的第i個元素為中第i個像素的方差估計‖·‖_TV為空間梯度圖像的L1范數，λ是正則化項系數，argmin(·)表示滿足目標函數的值最小時自變量的取值。

步驟5-2，使用帶有線性搜索的快速迭代閾值收縮算法對目標函數進行最小化處理，以獲得最優的重建電子密度圖像集合。

6.根據權利要求5所述的基于平行孔準直器的三維康普頓散射成像系統，其特征在于，步驟5-2包括：

步驟5-2-1，根據目標函數構建凸函數和凸函數

步驟5-2-2，根據凸函數和凸函數將目標函數改成為：

步驟5-2-3，計算凸函數的梯度

步驟5-2-4，對凸函數進行近似操作，得到的近似函數

其中，P₊(·)是在非負象限的投影函數，是圖像集合的像素值和0之間的最大值；

步驟5-2-5，根據梯度和近似函數對步驟5-2-2所示的目標函數進行迭代求解，獲得到最優的重建電子密度圖像。