一种基于孔径编码技术的射线散射成像系统技术方案

一种基于孔径编码技术的射线散射成像系统，包括射线源、前准直器、阵列探测器、孔径编码掩模、信号处理器、控制器和移动装置，前准直器设置于射线源与被测物间，与射线源相对静止，将射线源的射线准直成一射线束；阵列探测器的中心法线面与射线束的交线为扫描线；孔径编码掩模为一维孔径编码掩模，由多个编码单元排列而成，置于阵列探测器与被测物之间，与阵列探测器相对静止；信号处理器将阵列探测器获得的模拟信号转为数字信号；控制器对数字信号重组解码，获得扫描线上各个体素对应的散射图像；移动装置使射线源与阵列探测器作为一个整体与被测物发生相对移动。本发明专利技术集成现有技术优点，又不会大幅减低散射射线透过率，具有高信噪比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像检测
，尤其涉及一种基于孔径编码技术的射线散射成像系统。
技术介绍
X射线散射成像技术(以下简称散射成像)是一种基于康普顿散射效应的新型非侵入性成像技术。它和传统的透射成像技术在成像原理，装置安排，适用目标上有明显区别。传统的透射成像是通过透射射线的强弱来获取被测物体于透射方向的总衰减系数，得到物体图像。它的射线源与探测器必须分别置于样品两侧，它对衰减系数大的物质(如重金属)比对衰减系数小的物质(如有机物)更敏感，图像空间分辨好。而散射成像是通过散射射线的强弱以获取被测物体于散射方向的散射截面得到物体图像。它的射线源与探测器位置摆放灵活，尤其是可以同时放置于被测物体同侧，射线无需完全穿透被测物体，适合地下、墙体内部的检测和厚重大块物体的检测。散射成像对散射截面大的物质(如有机物)比对散射截面小的物质(如重金属)更敏感，图像对比度高。因此散射成像与透射成像作为一对互补的成像技术，在工业探伤、国防安检、埋藏物搜索、科研考古等领域的应用前景广泛。 当前，商用的散射成像系统多采用笔形射线束进行“飞点扫描”，如美国AS&E公司的SmartCheck人体安检系统、德国YXLON公司的Comscan160II系统等。“飞点扫描”散射成像系统的原理可如中国专利(CN101113960B)中的一种背散射探测装置所述：X射线源发射的射线束经过切轮准直器形成笔形射线束；旋转驱动装置带动该切轮准直器绕X射线源旋转，使光斑周而复始的从下到上或从上到下扫描，当一个角度扫描完成，下一个准直孔正好进入入射面，同时被测物平行于切轮准直器的轴向方向前进，由此实现连续地逐点扫描过程；其背散射探测器组包含一个或多个背散射探测器单元，并被放置于射线源与被测物之间用以接收被物体散射后形成的背散射X射线；根据该切轮准直器的旋转速率和被测物的前进速率可以唯一计算出“飞点”的时间序列以及所对应的物体上的具体位置，因此通过计算机处理后就可以得到物体的背散射图像。“飞点扫描”方式虽然技术成熟，但存在以下缺陷：(1)对X射线的利用率低，需要先将射线束准直成笔形；(2)信噪比和空间分辨率无法兼顾，射线束需逐点扫描每个体素，如果体素分割较小，则射线束的停留时间很短，探测单元往往因接受信号不足而显著降低信噪比，而如果体素分割较大，则空间分辨率显著降低；(3)扫描速度慢，受限于图像信噪比的要求和机械旋转驱动装置，不适合高通量场合的应用；(4)机械结构复杂，需要专门的旋转驱动装置带动切轮准直器才能工作，故障率高。 近期，部分研究中的散射成像系统直接采用扇形射线束进行“推扫扫描”，如中国专利(CN1325025A)中一种针孔反散射成像装置所述：X射线源发射的射线束经过扇形准直器形成扇形射线束；扇形射线束直接照射运动中的被测物体，形成连续地线扫描；散射射线通过针孔准直器被线阵列探测器接收。该方案可充分利用X射线源，提高成像速度和分辨率，同时机械结构简单，稳定性高。虽然散射射线的收集效率不如“飞点扫描”，但由于X射线源利用率高，总探测效率并不低于“飞点扫描”。此外，中国专利(CN102854208A)采用平行孔准直器替代针孔准直器进行“推扫扫描”，可以提高散射射线的收集效率。尽管如此，传统准直装置(针孔准直器或平行孔准直器)仍只允许特定方向的散射射线通过，限制了系统探测效率和灵敏度的提高。因此，进一步提高散射射线的收集效率，是提高散射成像系统的探测效率，改善图像信噪比的关键所在。 近来，在相关成像领域中，有学者采用孔径编码掩模替代传统准直装置以大幅提高射线通过率的设计以提高系统探测效率，改善图像信噪比的设计，如中国专利(CN102279287A)所述的光学显微成像，中国专利(CN102890974A)所述的γ相机。孔径编码技术实质上是一种多通道复用的两步成像技术。不同于传统准直装置使目标源与探测单元形成一一对应关系，孔径编码技术采用适当的孔径编码掩模使目标源与探测单元形成一多对应关系；处于不同位置上的目标源的对应关系不同，所有目标源的投影图像叠加成编码图像；通过与孔径编码掩模结构相对应的解码算法，对所有探测单元接收的信号重新组合，可得到目标源的原始图像。在探测单元的动态范围许可的前提下，信号强度大幅增加，而噪声水平基本保持不变，图像信噪比明显改善。 下面以3个探测单元为例简述孔径编码的过程：假定3个目标源真实强度为I1、I2、I3，3路探测单元的噪声水平一致为σ，如果采用传统准直装置一对一测量，得到实际信号强度为A1、A2、A3，误差为e1、e2、e3。由误差理论可知： E[(Aj-Ij)]＝E[ej]＝0  (1) E[(Aj-Ij)2]＝E[ej2]＝σ2  (2) 如果采用下列编码组合测量，得到实际信号强度为A1、A2、A3，则 A1＝I2+I3+e1  (3) A2＝I1+I3+e2  (4) A3＝I1+I2+e3  (5) 从测量结果解码得到，每个目标源的估计强度为B1、B2、B3，则 B1＝(-A1+A2+A3)/2＝I1+(-e1+e2+e3)/2  (6) B2＝(A1-A2+A3)/2＝I2+(e1-e2+e3)/2  (7) B3＝(A1+A2-A3)/2＝I1+(e1+e2-e3)/2  (8) 此时，测量误差的平均值和均方差如下 E[(Bj-Ij)]＝0  (9) E [ ( B j - I j ) 2 ] = 3 4 σ 2 - - - ( 10 ) ]]> 对于N个探测单元，采用类似编码，可以得到均方误差为 ϵ = 4 N 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于孔径编码技术的射线散射成像系统，其特征在于，该射线散射成像系统包括射线源、前准直器、阵列探测器、孔径编码掩模、信号处理器、控制器和移动装置，以对被测物进行成像；该前准直器，设置于该射线源与该被测物之间，该前准直器与该射线源相对静止，并将该射线源发射的射线准直成一射线束；该阵列探测器，该阵列探测器的中心法线面与该射线束的交线为扫描线，该中心法线面与该射线束的射线面所成的二面角为散射角；该孔径编码掩模为一维孔径编码掩模，由多个编码元素排列而成，该孔径编码掩模置于该阵列探测器与该被测物之间，与该阵列探测器相对静止；该信号处理器，将该阵列探测器获得的模拟信号转换为数字信号；该控制器对该数字信号重组解码，获得该扫描线上各个体素对应的散射图像；该移动装置使该射线源与该阵列探测器作为一个整体与该被测物发生相对移动。

【技术特征摘要】
1.一种基于孔径编码技术的射线散射成像系统，其特征在于，该射线散
射成像系统包括射线源、前准直器、阵列探测器、孔径编码掩模、信号处理
器、控制器和移动装置，以对被测物进行成像；
该前准直器，设置于该射线源与该被测物之间，该前准直器与该射线源
相对静止，并将该射线源发射的射线准直成一射线束；
该阵列探测器，该阵列探测器的中心法线面与该射线束的交线为扫描线，
该中心法线面与该射线束的射线面所成的二面角为散射角；
该孔径编码掩模为一维孔径编码掩模，由多个编码元素排列而成，该孔
径编码掩模置于该阵列探测器与该被测物之间，与该阵列探测器相对静止；
该信号处理器，将该阵列探测器获得的模拟信号转换为数字信号；
该控制器对该数字信号重组解码，获得该扫描线上各个体素对应的散射
图像；
该移动装置使该射线源与该阵列探测器作为一个整体与该被测物发生相
对移动。
2.根据权利要求1所述的射线散射成像系统，其特征在于，该孔径编码
掩模至少包括对射线阻止能力不同的两类编码元素。
3.根据权利要求2所述的射线散射成像系统，其特征在于，该阵列探测
器的有效探测单元的数目...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏龙，刘彦韬，章志明，李道武，帅磊，王宝义，马创新，黄先超，柴培，唐浩辉，李婷，王英杰，庄凯，王晓明，朱美玲，姜小盼，张译文，周魏，孙世峰，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11