一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法技术

本发明专利技术公开了一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，利用X射线源阵列微焦点和多射线源的特点，实现快速高分辨率X射线成像，同时大大缩小X射线成像系统体积，其中，适应待检测物体组装成像模块使得X射线成像能适应更多的应用场景，辐射泄露降低，而利用锥束射线空间重排的图像恢复方法，结合分时和同时扫描能够实现快速高分辨率X射线成像。

A projection image restoration method based on X ray source array imaging

The invention discloses a recovery method of projection image array imaging X ray source based on the characteristics of the X ray source array and micro focus X-ray source, to achieve fast and high resolution X ray imaging, and greatly reduce the volume, X ray imaging system which adapt to the object to be detected assembly imaging module makes X ray imaging suitable for more scenarios, the radiation leak decreased, and the recovery method using image cone beam space rearrangement, combined with time and at the same time can realize fast scanning high resolution X ray imaging.

【技术实现步骤摘要】
一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法
本专利技术涉及一种X射线成像方法，具体涉及一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法。
技术介绍
随着X射线成像在医学、安检、无损检测、工业探伤等领域的应用越来越广泛，人们对于降低X射线成像的剂量、提高成像分辨率和成像速度的要求也愈加迫切。传统的X射线成像受制于单点源X射线锥角的限制，需要射线源与被探测物体有足够远的距离才能覆盖待检测区域，加之对机械扫描速度的追求，使得X射线成像系统复杂、体积较大、成本高昂，应用范围受到了局限。其中，成像系统体积较大的问题还导致在对部件进行检测或对病人进行临床检查时，难以避免地使得成像目标区域之外的部分受到X射线辐射，可能对待测部件或人体产生不必要的损伤。当前，X射线源正开始朝着冷阴极和平板化的方向发展，其可以实现一个器件内单独寻址大量微X射线源阵列，同时，由于X射线源能够与被测目标紧密耦合，避免对相关区域的辐射，有望依此降低X射线剂量、减少辐射泄露，并缩小成像系统体积。自2001年日本名古屋工业大学最先报导了以碳纳米管(CNT)作为电子源的X射线管以来，微焦X射线源及其在动态成像和分布式X光源CT系统的研究成为热点，其中美国北卡罗来纳大学研制的分布式冷阴极X射线管乳腺CT原理型样机已经进入临床验证阶段。而到了2015年，中山大学已报导了较大面积的氧化锌纳米冷阴极平板X射线源，并实现了小于25微米的静态成像。等等一系列研究成果都为利用X射线源阵列探索新的成像模式与图像恢复方法奠定了基础。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提出一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，能够利用X射线源阵列微焦点和多射线源的特点，实现快速高分辨率X射线成像，同时大大缩小X射线成像系统体积，其中，适应待检测物体形状大小来组装成像模块使得X射线成像能满足更多的应用场景的要求，辐射泄露降低，而利用锥束射线空间重排的图像恢复方法，结合分时和同时扫描能够实现快速高分辨率X射线成像，具有很好的实用前景。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案为：包括以下步骤：1)使用X射线源单元组成线阵或面阵的X射线成像扫描结构，依据被检测对象的形状规格来组合射线源单元与平板探测器模块；2)使用X射线源阵列上的多个射线源单元分时或同时发出锥束射线穿过被检测物体，平板探测器模块接收被检测物的锥束投影图像，得到投影数据；3)根据投影数据建立被检测物的分时或同时投影物理模型；4)利用锥束射线空间插值重排法在分时或同时投影物理模型下，将锥束投影图像恢复为平行X光束投影图像，完成投影图像恢复。所述步骤2)中得到投影数据的具体过程为：首先X射线源阵列上的Q个射线源单元，依照顺序先后发出锥束X射线穿过被检测物体，其中第q个射线源在探测器单元p上得到光子强度I′pq，然后利用对应路径空扫数据Ipq，依据Beer定理，分别得到Q个源中射线穿过物体路径上衰减系数的线积分投影，其中第q个射线源在探测器单元p上得到投影值为ypq。所述步骤2)中得到投影数据的具体过程为：首先将X射线源阵列上的Q个射线源单元中发出锥束在空间上无重合部分的分为同一组，得到K个射线源组，依照组号先后发出射线穿过被检测物体，其中第k个射线源组在探测器单元p上得到光子强度I′kq，然后利用对应路径空扫数据Ipq，依据Beer定理，得到K个射线源组中射线穿过物体路径上衰减系数的线积分投影，其中第q个射线源在探测器单元p上得到投影值为ykq。所述步骤2)中得到投影数据的过程为：X射线源阵列上的Q个射线源单元，同时发出锥束穿过被检测物体，探测器单元p上得到光子强度yp，其为各射线源发出射线穿过不同衰减路径之后到达p处光子强度之和。所述步骤3)中分时投影物理模型建立过程：射线源阵列上的Q个射线源单元依次发出射线，结合空扫描数据得到Q个线积分投影图，或者将射线源阵列上的Q个射线源单元分为锥束覆盖空间不重合的K个射线源组，每组依次发出射线，结合对应空扫描数据，根据Beer定理得到K个线积分投影图；然后根据下列公式(1)建立分时投影物理模型：其中，q表示射线源的位置，f∈RN表示待成像物体的线性衰减系数，apqn表示由射线源q和探测器p形成的X线光束与体素fn之间交集的体积，npq表示线积分投影图上对应点处的噪声分量。所述步骤3)中同时投影物理模型建立过程：射线源阵列上的Q个射线源单元同时发出射线，平板探测器接收穿过被检测物体的X射线强度，然后根据下列公式(2)建立同时投影物理模型：其中，q表示射线源的位置，f∈RN表示待成像物体的线性衰减系数，apqn表示由射线源q和探测器p形成的X线光束与体素fn之间交集的体积，Ipq表示射线源q对应于探测器p方向的入射光子强度，sp与np分别表示位置为p的探测器接收到的散射分量和噪声分量。所述步骤4)中空间插值重排法的具体过程如下：(a)定义从点源q射线到探测器单元p的射线途径上，成像物体f的线性衰减系数线积分为：即为函数f关于路径pq的Radon变换；(b)定义虚拟射线源阵列，其所在平面与实际射线源阵列平面重合，平行于探测器平面，相距为d，虚拟平板射线源上存在与探测器单元数目P相同的射线源单元，各自发出垂直于对应探测器的强度为I′的笔形射线束，穿过成像物体f被衰减后只到达对应探测器单元，即虚拟射线源p′发出的射线穿过物体，在对应探测器单元p处接收到的虚拟点源信号为：其中，bp′pn为笔形束射线p’p与体素fn相交的体积，同时定义点源p′到探测器p形成的笔形束射线穿过成像物体，在穿过路径上对该虚拟射线进行衰减的线性衰减系数总和为：由于位置p′和p是一一对应的，式(5)可表示为：(c)定义从g′p计算gpq的线性变换矩阵wpq，为虚拟投影g′i向路径pq投影gpq的线性加权系数，于是有：(d)对于分时投影物理模型，有：ypq＝wpqig′i+npq(8)建立优化目标函数，有：求解目标函数，得到分时投影模型下基于空间插值重排法的图像恢复结果；对于同时投影物理模型，采用矩阵D∈RP×(P×Q)表示Ipq产生的效果，有：建立优化目标函数，有：式中，λ表示权重因子，表示散射信号的梯度，β表示正则化因子，R表示正则项，Y为投影信号，S为散射信号；求解目标函数，得到同时投影模型下基于空间插值重排法的图像恢复结果。所述步骤4)中已知射线源单元q，探测器单元p，取p、q线的中点M，沿M作阵列射线源平面和探测器平面的垂线，对应射线路径p′p为虚拟射线源到对应探测器单元的笔形束，由公式(3)得从点源q到探测器单元p的射线途径上成像物体f的线性衰减系数线积分gpq，考虑pq间的欧氏距离为‖p-q‖，探测器平面与射线源阵列平面间距d，则相应虚拟射线路径对应的衰减系数线积分为：gpq表示为：所述步骤d)中采用加速迭代法求解目标函数：令Ψ(x)表示目标函数，x为求解目标，t表示加速因子，z表示加速项，初始化重建目标及加速项x(0)＝z(0)，t0＝1；根据上述公式，并设定收敛条件，迭代求解目标函数得到图像恢复结果。所述步骤d)中采用基于泰勒展开法求解目标函数，采用下列公式：式中g′0为求解目标g′某一次迭代的更新值，wpq为对于射线路径pq，从理想投影恢复实际投影值的变换矩阵，对于同时投影的情况，依照公式(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：1)使用X射线源单元组成线阵或面阵的X射线成像扫描结构，依据被检测对象的形状规格来组合射线源单元与平板探测器模块；2)使用X射线源阵列上的多个射线源单元分时或同时发出锥束射线穿过被检测物体，平板探测器模块接收被检测物的锥束投影图像，得到投影数据；3)根据投影数据建立被检测物的分时或同时投影物理模型；4)利用锥束射线空间插值重排法在分时或同时投影物理模型下，将锥束投影图像恢复为平行X光束投影图像，完成投影图像恢复。

【技术特征摘要】
1.一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：1)使用X射线源单元组成线阵或面阵的X射线成像扫描结构，依据被检测对象的形状规格来组合射线源单元与平板探测器模块；2)使用X射线源阵列上的多个射线源单元分时或同时发出锥束射线穿过被检测物体，平板探测器模块接收被检测物的锥束投影图像，得到投影数据；3)根据投影数据建立被检测物的分时或同时投影物理模型；4)利用锥束射线空间插值重排法在分时或同时投影物理模型下，将锥束投影图像恢复为平行X光束投影图像，完成投影图像恢复。2.根据权利要求1所述的一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，其特征在于，所述步骤2)中得到投影数据的具体过程为：首先X射线源阵列上的Q个射线源单元，依照顺序先后发出锥束X射线穿过被检测物体，其中第q个射线源在探测器单元p上产生光子强度I′pq，然后利用对应路径空扫数据Ipq，依据Beer定理，分别得到Q个源中射线穿过物体路径上衰减系数的线积分投影，其中第q个射线源在探测器单元p上得到投影值为ypq。3.根据权利要求1所述的一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，其特征在于，所述步骤2)中得到投影数据的具体过程为：首先将X射线源阵列上的Q个射线源单元中发出锥束在空间上无重合部分的分为同一组，得到K个射线源组，依照组号先后发出射线穿过被检测物体，其中第k个射线源组在探测器单元p上得到光子强度I′kq，然后利用对应路径空扫数据Ipq，依据Beer定理，得到K个射线源组中射线穿过物体路径上衰减系数的线积分投影，其中第q个射线源在探测器单元p上得到投影值为ykq。4.根据权利要求1所述的一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，其特征在于，所述步骤2)中得到投影数据的过程为：X射线源阵列上的Q个射线源单元，同时发出锥束穿过被检测物体，探测器单元p上得到光子强度yp，其为各射线源发出射线穿过不同衰减路径之后到达p处光子强度之和。5.根据权利要求1所述的一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，其特征在于，所述步骤3)中分时投影物理模型建立过程：射线源阵列上的Q个射线源单元依次发出射线，结合空扫描数据得到Q个线积分投影图，或者将射线源阵列上的Q个射线源单元分为锥束覆盖空间不重合的K个射线源组，每组依次发出射线，结合对应空扫描数据，根据Beer定理得到K个线积分投影图；然后根据下列公式(1)建立分时投影物理模型：其中，q表示射线源的位置，f∈RN表示待成像物体的线性衰减系数，apqn表示由射线源q和探测器p形成的X线光束与体素fn之间交集的体积，npq表示线积分投影图上对应点处的噪声分量。6.根据权利要求1所述的一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，其特征在于，所述步骤3)中同时投影物理模型建立过程：射线源阵列上的Q个射线源单元同时发出射线，平板探测器接收穿过被检测物体的X射线强度，然后根据下列公式(2)建立同时投影物理模型：其中，q表示射线源的位置，f∈RN表示待成像物体的线性衰减系数，apqn表示由射线源q和探测器p形成的X线光束与体素fn之间交集的体积，Ipq表示射线源q对应于探测器p方向的入射光子强度，sp与np分别表示位置为p的探测器接收到的散射分量和噪声分量。7.根据权利要求1所述的一种基于X射线源阵列成像的投影图像恢复方法，其特征在于，所述步骤4)中空间插值重排法的具体过程如下：(a)定义从点源q射线到探测器单元p的射线途径上，成像物体f的线性衰减系数线积分为：即为函数f关于路径pq的Radon变换；(b)定义虚拟射线源阵列，其所在平面与实际射线源阵列平面重合，平行于探测器平面，相距为d，虚拟平板射线源上存在与探测器单元数目P相同的射线源单元，各自发出垂直于对应探测器的强度为I′的笔形射线束，穿过成像物体f被衰减后只到达对应探测器单元，即虚拟射线源p′发出的射线穿过物体，在对应探测器单元p处接收到的虚拟点源信号为：

【专利技术属性】
技术研发人员：牟轩沁，王凯，程海涛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61