使用Alvarez-Macovski衰减模型在断层摄影重建中进行X射线束硬化校正制造技术

使用Alvarez‑Macovski衰减模型在断层摄影重建中进行X射线束硬化校正。本文所公开的方法和设备使用对Alvarez‑Macovski衰减模型的简化为断层摄影重建提供射束硬化校正。实例方法包括简化前向投影模型，所述前向投影模型基于Alvarez‑Macovski(AM)衰减模型，其中所述简化所述前向投影模型针对仅光电效应、恒定密度、恒定原子序数和密度与原子序数成比例中的一种简化了所述AM衰减模型；以及使用所述简化的前向投影模型执行样品的迭代重建，所述迭代重建通过第一光谱加权，其中在第一能量下获得在所述迭代重建中使用的所述样品的测量图像数据，并且其中所述迭代重建的反向操作非伴随于所述简化前向投影模型。

【技术实现步骤摘要】
使用Alvarez-Macovski衰减模型在断层摄影重建中进行X射线束硬化校正
本申请一般涉及计算机断层摄影，并且更具体地涉及断层摄影重建的射束硬化校正。
技术介绍
断层摄影或计算机断层摄影(CT)是通过组合通常通过使用任何类型的穿透粒子或波获得的感兴趣对象的2D投影来形成对象的三维模型的过程。断层摄影是一种快速发展的成像技术，在如但不限于医学、牙科学、生物学、环境学、毒理学、矿物学和电子学的各种领域中具有广泛的应用。断层摄影过程使用各种工具，如x射线系统、透射电子显微镜(TEM)和/或扫描透射电子显微镜(STEM)来获得各种类型的信息，例如原子结构和样品的化学分析。通常通过以不同角度反投影通过样品获取的一系列2D图像来获得3D断层摄影数据组。在过去的三十年中，CT被常规地应用于研究地质样品(如化石、储集岩和土壤)作为非破坏性图像技术。可能的应用数量随着分辨率的增加而增长，其中计算机显微断层摄影(μCT)成像技术现在能够达到亚微米分辨率。随着这种增加的用途，特别是关于所谓的射束硬化效应的校正，新的挑战和机会呈现出来。射束硬化效应至少部分是由于在所采用的特定CT过程中可能未适当考虑的被扫描材料与扫描射束的相互作用。更具体地，射束硬化效应可以是由于缺乏对扫描射束的光谱性质的考虑，并且还可以是由于未检测低能量扫描射束分量。未检测低能量扫描射束分量可以是由于被扫描材料中的低能量扫描射束分量在较高能量扫描射束分量上的衰减。通常，没有足够的信息来从来自单次扫描的多色衰减数据执行断层摄影重建。因此，除非可以对样品做出假设，否则射束硬化存在似乎在计算上不可解决的问题。虽然已经提出了针对特定病例(如骨和组织的成像)或需要大量计算开销的许多方法，但是没有方法已经广泛采用μCT成像。因此，近年来随着x射线成像的其它伪影大幅减少，射束硬化已成为许多情况下成像伪影的主要来源之一，并且仍然是基于实验室的x射线断层摄影的关键挑战之一。本文提供了用于射束硬化校正的技术，所述技术在对μCT成像广泛感兴趣的情况下工作。附图说明图1A和图1B是根据本公开的实施例的用于获得样品的CT扫描和校正射束硬化伪影的CT系统的图示。图2是用于迭代重建的方法的实例流程图。图3是根据本公开的实施例的使用Alvarez-Macovski(AM)模型的双能量迭代重建方法的实例。图4是根据本公开的实施例的用于使用简化的AM模型来实施断层摄影重建以获得射束硬化校正重建的实例方法。图5是根据本公开的实施例的用于估计参数值的实例方法。图6是根据本公开的实施例的用于确定应该在图4的方法中实施哪种简化的实例方法。图7是根据本公开的实施例的使用方差数据的双能量方法的实例。图8是根据本公开的实施例的CT系统的实例功能框图。图9和图10示出使用本文公开的技术的重建以及非射束硬化校正实例重建。贯穿附图的若干视图，相似的参考标记是指对应的部分。具体实施方式下面在断层摄影成像设备的背景下描述本专利技术的实施例，所述断层摄影成像设备用于使用锥形x射线束和圆形或螺旋形扫描(样品)轨迹对小对象，特别是圆柱形样品进行微米尺度或纳米尺度计算机断层摄影。然而，应当理解的是，本文描述的方法通常可适用于各种不同的断层摄影方法和设备(包括锥形射束和平行射束系统两者)，并且不限于任何特定的设备类型、射束类型、对象类型、长度尺度或扫描轨迹。如在本申请书和权利要求书中所使用的，除非上下文中另外明确指明，否则单数形式“一”、“一个”以及“所述”包括复数形式。另外，术语“包括”意指“包含”。进一步地，术语“耦合”不排除耦合项目之间存在中间元件。本文所描述的系统、设备以及方法不应以任何方式被解释为限制性的。相反，本公开涉及各种公开的实施例(单独的所述实施例以及所述实施例彼此的各种组合和子组合)的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法以及设备不限于任何具体方面或特征或其组合，所公开的系统、方法以及设备也不要求存在任何一个或多个具体优点或问题被解决。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法以及设备不限于这类操作理论。尽管所公开的方法中的一些的操作以用于方便呈现的特定顺序次序描述，但是应当理解的是，此描述方式涵盖重新布置，除非特定排序是在下面所阐述的具体语言所要求的。举例来说，在某些情况下，可重新布置或并发执行按顺序描述的操作。此外，为简明起见，附图可未示出所公开的系统、方法以及设备可与其它系统、方法以及设备结合使用的各种方式。另外，本说明书有时使用例如“产生”和“提供”的术语来描述所公开的方法。这些术语是被执行的实际操作的高级抽象。与这些术语相对应的实际操作将取决于特定实时方式而变化，并且易于由本领域普通技术人员辨别。在一些实例中，数值、程序或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。将认识到的是，这类描述旨在表明可在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这类选择不需要更好、更小或以其它方式优选于其它选择。如以上简要所述的，3D计算机断层摄影是用于研究对象的内部结构的主要技术，并且其吸引力源于其便利性、多功能性和非破坏性。然而，从一系列2DX射线照片进行的断层摄影重建在重建中产生不期望的特征或伪影。这些伪影是用于从射线照片构建体积数据的反演技术的缺陷所引起的。这些伪影的主要原因是无法准确地对物理扫描过程建模。具有不正确的几何形状、差的噪声模型以及未对相关部件(或样本)运动的补偿的重建技术通常产生不期望的结果。在基于实验室的断层摄影中，通常此类别中最可观察的伪影是由忽略从X射线源发射的多色光谱产生的伪影。在反演中假设简单单色模型导致射束硬化伪影。X射线辐射的光谱在其透射通过样本时硬化。较低能量(或软)X射线优先于较高能量(或硬)X射线衰减，因此所得X射线束的平均能量较高。对于较硬的X射线束，样本似乎衰减较少，并且产生一组不一致的测量数据。如果在重建中不考虑光谱效应，则射束硬化产生特征性的杯状结构和条纹伪影，参见例如图9和图10。这些不期望的特征引起重建中的灰度级衰减的变化。结果，如果两个对象都是由相同的材料制成，则可能不清楚，并且基于阈值的自动分割变得不可能。射束硬化伪影通过使单一材料的衰减值取决于其周围环境而破坏投影过程的线性。这防止材料的简单和稳健识别，严重阻碍了X射线成像在如以下的应用中的用途：i)发现牙釉质的不规则以用于牙科CT，以及ii)在微CT中识别多孔岩石的成分以用于岩石物理建模。可理解的是，已经付出了巨大的努力来消除这些伪影。方法可大致分为三类：1)线性化、2)光谱过滤，和3)迭代重建技术。对于能量E的单色X射线，根据比尔-朗伯定律(下面的等式(1))对具有衰减系数μ(E)和厚度t的单一材料进行的衰减建模。基于比尔-朗伯定律，具有强度I0的初始X射线的透射率I是I＝I0e-μ(E)t.(1)因此，投影衰减-log(I/I0)应随材料厚度线性增加。线性化技术依赖于恢复此线性关系，如对楔形体成像并且沿着楔形体校准衰减随材料厚度的变化。此方法对于单一材料是有效的，但由于每种材料都具有唯一的校正曲线，因此对于多材料样品，它仍然是近似法。因此，对多材料样本的校正可减少伪影，但是永远不能完全消除它们。通过在X射线源和样本之间插入恒定厚度的一些已知材料来实现光谱的物理过滤(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于断层摄影图像重建的方法，所述方法包括：简化前向投影模型，所述前向投影模型基于Alvarez‑Macovski(AM)衰减模型，其中所述简化所述前向投影模型针对仅光电效应、恒定密度、恒定原子序数和密度与原子序数成比例中的一种简化了所述AM衰减模型；和使用所述简化的前向投影模型执行样品的迭代重建，所述迭代重建通过第一光谱加权，其中在第一能量下获得在所述迭代重建中使用的所述样品的测量图像数据，并且其中所述迭代重建的反向操作非伴随于所述简化前向投影模型。

【技术特征摘要】
2018.04.19 US 62/6598871.一种用于断层摄影图像重建的方法，所述方法包括：简化前向投影模型，所述前向投影模型基于Alvarez-Macovski(AM)衰减模型，其中所述简化所述前向投影模型针对仅光电效应、恒定密度、恒定原子序数和密度与原子序数成比例中的一种简化了所述AM衰减模型；和使用所述简化的前向投影模型执行样品的迭代重建，所述迭代重建通过第一光谱加权，其中在第一能量下获得在所述迭代重建中使用的所述样品的测量图像数据，并且其中所述迭代重建的反向操作非伴随于所述简化前向投影模型。2.根据权利要求1所述的方法，其中针对仅光电效应的所述前向投影模型的所述简化包含忽略在所述AM衰减模型中的康普顿散射效应项，使得仅实施所述光电效应项。3.根据权利要求1所述的方法，其中针对恒定密度的所述前向投影模型的所述简化包含利用设定为常数的密度投影所述AM衰减模型。4.根据权利要求1所述的方法，其中针对恒定原子序数的所述前向模型的所述简化包含利用设定为常数的原子序数投影所述AM衰减模型。5.根据权利要求1所述的方法，其中针对密度与原子序数成比例的所述前向模型的所述简化包含将原子序数设定为所述密度样品参数，所述密度样品参数通过比例常数加权，并且代替所述AM衰减模型中的原子序数。6.根据权利要求1所述的方法，其中简化前向投影模型包含将多个变量从两个减少到一个，其中所述两个变量包括密度和原子序数，并且其中减少变量的数量包括使密度成为原子序数的函数或使原子序数成为密度的函数。7.根据权利要求1所述的方法，其还包括：基于确定在执行所述迭代重建中最小化残余误差的所述简化来确定所述AM衰减模型的所述简化。8.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述简化的前向投影模型执行所述样品的所述迭代重建减少了所述重建中的射束硬化伪影。9.根据权利要求1所述的方法，其中从高能量低分辨率扫描获得的所述样品的高能量数据用于确定在所述迭代重建中使用的所述简化和开始rho和原子序数值。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品的低能量高分辨率数据在所述迭代重建使用。11.一种系统，其包含：用于安装样品的平台；耦合以提供用于对所述样品成像的x射线的x射线源；耦合以在穿过所述样品后接收所述x射线的检测器；和至少耦合到所述x射线源和所述检测器的控制器，所述控制器包括或耦合到一个或多个处理器，所述处理器被配置为执行存储在存储器上的代码，所述代码在被执行时使得所述控制器：简化前向投影模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：Q杨，GR梅尔斯，SJ莱瑟姆，AP谢泼德，A金斯敦，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
国别省市：美国,US