[發(fā)明專利]基于平行孔準(zhǔn)直器的三維康普頓散射成像方法和系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115553794A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葛欣;牛田野;羅辰;江陽康
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: A61B6/00
• 分類號: A61B6/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 曹兆霞

本發(fā)明公開的基于平行孔準(zhǔn)直器的三維康普頓散射成像方法和系統(tǒng)，根據(jù)散射光子的正向傳輸模型構(gòu)建康普頓成像設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用康普頓成像設(shè)備采集散射投影圖像和投射投影圖像，然后構(gòu)建散射問題求解模型，并集合集散射投影圖像和投射投影圖像求解，得到高精度的電子密度圖像集合，實現(xiàn)三維康普頓散射成像，這方式拓寬了透射式CT成像的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了CT成像技術(shù)在低劑量診斷中的臨床應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于平行孔準(zhǔn)直器的三維康普頓散射成像方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線在醫(yī)學(xué)診斷、國防工業(yè)、安全檢測、材料開發(fā)和藥物篩選等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著X射線影像技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的日益廣泛，常規(guī)透射式成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個相當(dāng)完善的階段。近年來，隨著探測技術(shù)和并行計算能力的不斷提升，X射線散射成像技術(shù)的發(fā)展迎來了新的契機(jī)。

在診斷和治療能量(20keV至10MeV)范圍內(nèi)，X射線與物質(zhì)的相互作用主要包括：光電吸收、散射(湯普森散射和康普頓散射)和電子對效應(yīng)。其中，康普頓散射和光電吸收是診斷成像中最重要的兩種作用機(jī)制。常規(guī)的透射式成像是基于比爾-朗伯定律的簡化指數(shù)衰減模型，即假設(shè)射線從源到探測器是直線傳播，并且測量X射線透過物體后的透射率。誠然，X射線計算機(jī)斷層成像(CT)技術(shù)的飛速發(fā)展在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了巨大的成功，但是這類成像模態(tài)也具有明顯的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)為：(1)離線數(shù)據(jù)的處理，需要后續(xù)CT重建；(2)需要較高的輻射劑量以維持圖像質(zhì)量；(3)圖像對比度差，不足以區(qū)分腫瘤邊界。這些與劑量和速度有關(guān)的問題，本質(zhì)上是由于透射式成像忽略了非直線傳播的散射光子。從物理機(jī)制上看，光子的散射過程也同樣承載著物質(zhì)內(nèi)部信息，可以發(fā)展成散射CT成像。散射成像技術(shù)有望突破照射與探測路徑之間的依賴關(guān)系。作為透射衰減成像的有效補(bǔ)充手段，散射成像可以充分利用光與物質(zhì)的相互作用信息，從而最小化輻射劑量的同時最大化診斷信息。因此，深入研究散射成像機(jī)制，構(gòu)建散射路徑重建算法，實現(xiàn)康普頓散射成像，將從根本上改變CT技術(shù)框架，從源頭上提升CT設(shè)備的技術(shù)水平，為探索物質(zhì)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)開辟一條新的道路，具有重要的理論和實踐意義。

根據(jù)不同的CT診療需求，入射X射線在人體內(nèi)散射的比例高達(dá)30％-60％。在透射式CT的架構(gòu)下，這部分輻射劑量會在探測器面形成模糊背景，降低圖像信噪比。因此，通常將散射光子視為“噪聲”污染，采用物理阻擋、算法修正或深度學(xué)習(xí)散射偽影校正。反散射柵格通常放置在探測器前面，以阻擋被身體散射的光子。通過模擬和測量散射光子統(tǒng)計模型，可以有效地抑制這種“噪聲”。不幸的是，散射抑制技術(shù)也丟棄了相當(dāng)一部分非散射光子。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述，本發(fā)明的目的是提供基于平行孔準(zhǔn)直器的三維康普頓散射成像方法和系統(tǒng)，通過充分利用透射式CT掃描中X射線的散射光子來實現(xiàn)物體的散射成像。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，實施例提供的基于平行孔準(zhǔn)直器的三維康普頓散射成像系統(tǒng)，包括康普頓成像設(shè)備和成像計算器；

所述康普頓成像設(shè)備包括沿著X射線光軸設(shè)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(shè)有用于承載被測物品的旋轉(zhuǎn)平臺，且保證被測物品被X射線照射且于透射探測器內(nèi)完整成像，沿著與光軸的垂直方向且在旋轉(zhuǎn)平臺的兩側(cè)設(shè)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(zhǔn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(jù)透射空場投影圖像和透射投影圖像集合進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的錐束CT濾波反投影重建，獲得被測物品的線性衰減系數(shù)分布圖像集合；

步驟4，基于線性衰減系數(shù)分布圖像集合計算正向投影的系統(tǒng)矩陣；