多重散射校正.pdf

根据本发明一个方面，对于多重散射辐射，可以提供对在能量解析衍射方法中测得的X射线强度的校正，而无需对已检查的对象的几何形状做出任何假设。根据本发明一个典型实施例，评估一级光谱中阳极材料的特征线，产生对已检测的光谱的成分分析，这可以允许校正其多重散射部分。

权利要求书
1.  一种用于检查感兴趣对象(107)的检查装置(100)，该检查装置(100)包括：
辐射源(104)，其适于发射电磁辐射；
检测器部件，其具有至少一个用于采集辐射强度数据的检测单元(123)；
预处理部件(125)，所述预处理部件(125)适于：
确定所述辐射强度数据的特征峰附近的第一多重散射强度；
基于所述第一多重散射强度校正所述辐射强度数据。

2.  根据权利要求1所述的检查装置(100)，
其中，所述检测器部件包括第一检测单元(123)和第二检测单元(123)；以及
其中，对所述第一检测单元(123)和所述第二检测单元(123)执行所述确定过程。

3.  根据权利要求1所述的检查装置(100)，
其中，所述检测器部件还包括第三检测单元(124)，其用于采集透射强度数据；
其中，基于对对于所述第一检测单元和所述第二检测单元中的每一个测得的全部能量范围的第二多重散射强度的估计，来执行所述校正；以及
其中，基于所述第一多重散射强度和所述透射强度数据执行所述估计。

4.  根据权利要求2所述的检查装置(100)，
其中，所述预处理部件(125)还适于对多个所述检测单元(123)的相邻检测单元的所述第一多重散射强度进行平滑。

5.  根据权利要求1所述的检查装置(100)，
其中，所述检查装置(100)适于作为计算机断层摄影装置、相干散射计算机断层摄影装置、吸收成像系统、或X射线散射检查装置中的一种。

6.  根据权利要求1所述的检查装置(100)，还包括：
准直仪(105)，其布置在所述辐射源(104)和所述检测单元(123)之间；
其中，所述准直仪(105)适于准直由所述辐射源(104)发射的电磁辐射，从而形成扇形束或锥形束中的一种。

7.  根据权利要求1所述的检查装置(100)，其中，所述检测单元(123、124)形成单层检测器阵列。

8.  根据权利要求1所述的检查装置(100)，其中，所述检测单元(123、124)形成多层检测器阵列(108)。

9.  根据权利要求1所述的检查装置(100)，配置为包括下列的组中的一种：行李检验装置、医疗应用装置、材料测试装置和材料科学分析装置。

10.  根据权利要求1所述的检查装置(100)，其中，所述辐射源(104)适于发射包括至少一个特征峰的多色X射线束。

11.  一种使用检查装置(100)检查感兴趣对象(107)的方法，该检查装置(100)包括适于发射电磁辐射的辐射源(104)、具有至少一个用于采集辐射强度数据的检测单元(123)的检测器部件，以及预处理部件(125)，所述方法包括如下步骤：
确定所述辐射强度数据的特征峰附近的第一多重散射强度；以及
基于所述第一多重散射强度校正所述辐射强度数据。

12.  一种使用检查装置检查感兴趣对象(107)的图像处理设备，该图像处理设备包括：
用于存储辐射强度数据的存储器；
预处理部件(125)，其适于：
确定辐射强度数据的特征峰附近的第一多重散射强度；以及
基于所述第一多重散射强度校正所述辐射强度数据。

13.  一种计算机可读介质(402)，其中存储了使用检查装置(100)检查感兴趣对象(107)的计算机程序，当由处理器(401)执行时，该计算机程序适于实施下列步骤：
确定辐射强度数据的特征峰附近的第一多重散射强度；以及
基于所述第一多重散射强度校正所述辐射强度数据。

14.  一种检查感兴趣对象(107)的程序单元，其当由处理器(401)执行时适于实施下列步骤：
确定辐射强度数据的特征峰附近的第一多重散射强度；以及
基于所述第一多重散射强度校正所述辐射强度数据。

说明书多重散射校正
本发明涉及X射线成像领域。尤其，本发明涉及用于检查感兴趣对象的检查装置、一种使用检查装置检查感兴趣对象的方法、一种图像处理设备、一种计算机可读介质和一种程序单元。
X射线散射技术通常目的在于检测材料或对象部分的散射功能。仅仅单一散射的光子有助于产生可评估信号。多重散射光子不包含有价值的信息，并且通常形成削弱测量的背景信号。对象越大，光子在对象中数次散射的可能性越高。因而，必须进行对多重散射强度的校正，尤其对于远远大于X射线光子的散射平均自由程的对象。
相干散射计算机断层摄影(CSCT)是一种基于相干散射X射线光子的新成像技术。从扇形平面微小发散出的准直扇形束辐照对象。测量两个信号：已透射的辐射强度和由对象中的散射过程引起的已散射的辐射强度。如在CT扫描仪中，测量旋转方向不同的大量投影。类似于在CT中重建图像，可以从测得的散射投影重建照射的对象区域中的每个点的散射函数。
根据Monte-Carlo模拟，通常多重散射了20cm厚的水体膜的CSCT投影中测得的散射强度的大约一半。多重散射辐射的量不仅取决于已穿刺的对象厚度和对象材料，还取决于对象垂直于扇形平面的延伸。因而，难以在无需对于对象的任何附加知识的情况下进行校正。
可能需要改善对多重散射强度的校正。
根据本发明一个典型实施例，可以提供一种用于检查感兴趣对象的检查装置，该检查装置包括适于发射电磁辐射的辐射源、具有至少一个用于采集辐射强度数据的检测单元的能量解析检测器部件以及预处理部件，该预处理部件适于确定辐射强度数据特征峰值附近的第一多重散射强度，并且适于基于该第一多重散射强度校正辐射强度数据。
然而，应当注意到，预处理部件可以与重建部件分离或者集成在重建部件中。
因而，根据本发明的该典型实施例，可以对使用用于多重散射辐射的能量解析检测器测得的X射线强度进行校正，而无需对感兴趣对象的几何形状的任何假设。
因而，可以提供多重散射校正，而无需对感兴趣对象的任何附加知识。该校正可以改善图像质量。
根据本发明另一典型实施例，检测器部件包括第一检测单元和第二检测单元，其中对第一检测单元和第二检测单元执行确定。
因而，为检测部件的多个单一能量解析检测单元可以仅执行一定能量的第一多重散射强度的各个第一确定。
根据本发明另一典型实施例，基于在检测器部件的各个第一和第二检测单元的完全测量能量范围上对第二多重散射强度的第二估计，执行校正。而且，检测器部件所采集的辐射强度数据包括已透射的强度数据，其中基于第一多重散射强度和已透射的强度数据执行估计。
同样在如X射线散射中的透射成像中，多重散射光子导致对检测器强度的贡献，所述检测器强度对于测量没有价值，但是会导致伪影。因而，对源自多重散射光子的强度的校正消除了相应伪影，并且提高了图像或数据质量。
根据本发明另一典型实施例，特征峰是辐射源的阳极材料的特征线。
因而，基于可以允许校正其多重散射部分的已检测光谱的成分分析，可以确定多重散射辐射的量。
根据本发明另一典型实施例，预处理部件还适于对多个检测单元的相邻检测单元的第一多重散射强度进行平滑(smoothing)。这可以通过例如平均化或计算中值来执行。
因而，可以减少已估计的多重散射强度的散射。
根据本发明另一典型实施例，检查装置适于作为计算机断层摄影装置、相干散射计算机断层摄影装置或吸收成像系统中的一种。
此外，检查装置可以包括布置在辐射源和检测单元之间的准直仪，其中准直仪适于准直辐射源发射的辐射束以形成扇形束。
根据本发明另一典型实施例，计算机断层摄影装置适于具有形成单层检测器阵列或多层检测器阵列的检测单元。
根据本发明的CT/CSCT装置可以应用作为行李检查装置、医疗应用装置、材料测试装置或材料科学分析装置。本发明的应用领域可以是行李检验，因为本发明的已定义功能允许安全和可靠地分析行李项的内容物，允许检测可疑内容物，甚至允许确定这种行李项内部的材料的类型。
根据本发明典型实施例的这种装置或方法可以创建高质量自动系统，其可以自动识别某种类型的材料，并且如果需要，当存在可疑材料时触发警报。
辐射源适于发射包括特征峰的多色X射线束。
根据本发明另一典型实施例，可以提供使用检查装置检查感兴趣对象的方法，该方法包括确定辐射强度数据的特征峰附近的第一多重散射强度和基于该第一多重散射强度校正辐射强度数据的步骤。
应当相信，这可以允许改进地校正在能量解析衍射方法中测得的强度，而无需对感兴趣对象的几何形状进行假设。
根据本发明另一典型实施例，可以提供使用检查装置用于检查感兴趣对象的图像处理设备，该图像处理设备包括用于存储辐射强度数据的存储器和适于实施上述方法步骤的预处理部件。
根据本发明另一典型实施例，可以提供一种计算机可读介质，其中存储了使用检查装置检查感兴趣对象的计算机程序，当由处理器执行时，其适于实施上述方法步骤。
本发明还涉及检查感兴趣对象的程序单元，当由处理器执行时，其适于实施上述方法步骤。该程序单元可以存储在计算机可读介质上，并且可以装载入数据处理器的工作存储器中。因而，可以配备数据处理器以实施本发明的方法的典型实施例。计算机程序可以以任何合适的编程语言书写，例如，C++，并且可以存储在CD-ROM上。同样，计算机程序可以从网络获得，诸如WorldWideWeb，从其可以将计算机程序下载至图像处理部件或处理器或任何合适的计算机中。
可以认为本发明典型实施例的要点是，利用由于多重散射引起的光谱改变，而用于估计部分多重散射强度。由于伴随X射线光子的Compton散射过程的能量变化，在多重散射辐射的能量谱中，在强度上大大减少了一级光谱(primary spectrum)中阳极材料的特征线。这可以允许对已检测的光谱进行成分分析，该光谱允许对其多重散射部分进行校正。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显然，并且将参考下文描述的实施例对其进行描述。
参考下列附图，将在下文中描述本发明的典型实施例。
图1示出了根据本发明典型实施例的CSCT扫描仪系统的简化示意图；
图2示出了散射辐射的Monte-Carlo模拟光谱的分解的示意图；
图3示出了根据本发明的方法的典型实施例的流程图；
图4示出了根据本发明的图像处理设备的典型实施例，用于执行根据本发明的方法的典型实施例。
附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，相似或相同的单元将以相同的附图标记来提供。
图1示出了根据本发明典型实施例的CSCT扫描仪系统的典型实施例。参考该典型实施例，将描述本发明用于在行李检验领域中的应用。然而，应当注意到，本发明不局限于该应用，而还可以应用于医疗成像的领域，或者其它工业应用，诸如材料测试。
图1中所示的计算机断层摄影装置100是扇形束CSCT扫描仪。然而，可以将本发明实施为具有锥形束几何形状。图1中所示的CSCT扫描仪包括台架101，其围绕旋转轴102可旋转。台架101借助于马达103驱动。附图标记104指示诸如X射线源的辐射源，其根据本发明一方面发射多色辐射。
附图标记105指示孔径系统，其将辐射源发射的辐射束形成为扇形辐射束106。引导扇形束106，从而使其穿透布置在台架101中心，即，在CSCT扫描仪的检查区域中的感兴趣对象107，并且撞击检测器108。如从图1中可以获得的，检测器108布置在台架101上，与辐射源104相对，从而检测器108的长度被扇形束106所覆盖。图1中所示的检测器108包括多个检测器单元124，每个检测器单元124可以检测已经穿透感兴趣对象107的X射线或各个光子。靠近扇形面的第二检测器，散射检测器，测量从扇形束散射出的辐射。其还包括多个检测器单元123，每个检测器单元123能够以能量解析方式检测已经穿透感兴趣对象107并且在感兴趣对象107中散射的X射线或各个光子。然而，第一和第二检测器可以布置为单一检测器108，其包括用于检测透射辐射的中间行检测器单元124和用于检测散射辐射的多行检测单元123。
在扫描感兴趣对象107期间，辐射源104、孔径系统105和检测器108在箭头116所示的方向上沿着台架101旋转。为了旋转具有辐射源104、孔径系统105和检测器108的台架101，将马达103连接至马达控制部件117，该马达控制部件117连接到计算或确定部件118。
在图1中，感兴趣对象107可以是放置在传送带119上的一项行李。在扫描期间，传送带119可以停止而由此测量单一层。作为提供传送带119的代替，例如，在感兴趣对象为患者的医疗应用中，可以使用可移动平台。然而，应当注意到，在所有所述的情况中，还可以执行圆周扫描，其中在平行于旋转轴102的方向上没有位移，而仅围绕旋转轴102旋转台架101。而且，可以执行其它扫描路径，诸如通过以源检测器装置频率的两倍频率，将平台周期性地来回移动的鞍形轨迹。
检测器108可以连接到计算部件118。计算部件118可以接收检测结果，即，来自检测器108的检测器单元123的读数，并且可以基于读数确定扫描结果。此外，计算部件118与马达控制部件117通信，以便使得台架101的移动与具有传送带119的马达103和120协调。
根据本发明一个典型实施例，通过确定辐射强度数据的特征峰附近的第一多重散射强度，并且基于该第一多重散射强度校正辐射强度数据，可以包括预处理部件的计算部件118可以适于从检测器108的读数中构建图像。由重建部件118产生的重建图像可以经由接口122输出到显示器(图1中未示出)。然而，在可以布置在台架上的单独的预处理部件125中，多重散射校正也是可行的。
计算部件118可以由数据处理器实现，以处理来自检测器108的检测器单元123的读数。
此外，如从图1中可获得的，重建部件118可以连接到扩音器121，例如，以在行李项107中检测到可疑物质的情况下自动输出警报，或者可以连接到开关，该开关触发该行李项与其它行李项的机械分离。
用于检查感兴趣对象107的相干散射计算机断层摄影装置100包括检测器108，其包括检测单元123和124，其中多个检测单元123以类似矩阵的方式布置，每个检测单元123适于以能量解析方式检测X射线。检测单元124沿着中心线布置，并且适于检测透射的辐射。此外，计算机断层摄影装置100包括确定部件或重建部件118，适于重建感兴趣对象107的图像。
计算机断层摄影装置100包括X射线源104，其适于将X射线发射至感兴趣对象107。设置在电磁辐射源104和检测单元124之间的准直仪105适于准直从电磁辐射源104发射出的电磁辐射束。此外，可以提供由垂直于扇形面的多个薄片构成并且聚焦在X射线焦点上的准直仪(图1中未示出)，布置在检测器108前。
在X射线成像中，测量主射线在感兴趣对象中的衰减。该情况中，单一散射和多重散射的辐射都是不必要的。在一些技术中，可以使用置于检测器前部的防散射栅格，以大量地减少到达检测器的散射辐射的量。在其它技术中，防散射栅格是不适用的。然后，取决于对象的厚度和照射区域的尺寸，散射辐射的强度可以相当可观地超过透射的主要强度。这例如在H.Chan和K.Doi，Med.Phys.12(2)，152-165(1985)的“Scattered radiationin diagnostic radiology”中所描述的。
如果符合要求，根据本发明一个典型实施例的方法还可以用于吸收成像，以校正多重散射部分。
根据本发明一方面的方法可以允许校正在能量解析衍射方法中测得的X射线强度，例如CSCT，用于多重散射辐射，而无需对感兴趣对象的几何形状的假设。可能存在用于校正来自散射(单一和多重散射)辐射的吸收成像中测得的信号的若干方法。然而，本发明的方法仅提供了对多重散射的量化或校正。
如果需要下文描述的要求，根据本发明一方面的方法可以应用于其它X射线成像技术，例如吸收成像。然而，在吸收成像中，多重散射辐射以及单一散射辐射都是不必要的。因而，根据本发明的方法可以校正至少一部分不必要的信号。
图3示出了根据本发明的一种方法的典型实施例的流程图，在下文中关于X射线成像装置对其进行描述。该方法从步骤0开始，其中执行对一级光谱的采集以及基于该一级光谱确定多重散射光谱。这是一个校准步骤，在真实测量之前需要仅对其执行一次。然后，在步骤1中，使用检测器部件执行对X射线强度的测量。然后，在步骤2中，对于多个检测器单元或者甚至对于每个检测器单元，通过评估在Echar处或其附近测得的强度，而确定阳极材料的特征线的能量Echar附近的多重散射强度。在此，使用一级光谱和从一级光谱(步骤0中)中获得的多重散射光谱用于校准。
此外，在步骤3中，可以执行对相邻检测器单元的多重散射强度分布的平均以便减少该信号的散射。然而，应当注意到，为了实施根据本发明的方法，步骤3并非必需的。
然后在步骤4中，对于每个检测器像素，执行范围从Echar处的值和从透射强度起的完全测量的能量的多重散射强度的估计。再次，使用在步骤0中获得的多重散射光谱用于校准。
其后，在步骤5中，执行由估计的多重散射强度对测得的强度的校正，由此获得几乎纯的单一散射强度。
下面将更详细地描述这些步骤。
根据本发明一个方面，这些复杂的计算可以由位于检测器附近的设备实时执行，或者可以首先存储测量数据，并且在测量之后在计算设备中执行多重散射校正。
对多重散射辐射的校正基于这一事实，即大部分多重散射光子已经经历了若干Compton散射过程，而具有相当大的和统计分布的能量损失。如果使用具有钨阳极(或者具有高原子序数的任何阳极材料)的常规X射线源，一级光谱可以包括阳极材料的连续轫致辐射谱和特征线。由于伴随Compton过程的能量改变，多重散射光子在特征能量处形成具有相当低的相对强度的光谱。这在图2中示出。
图2示出了散射辐射的Monte-Carlo模拟光谱的分解示意图。
水平轴204示出了单位为keV的散射辐射的能量。垂直轴205以任意单位示出了相应的散射强度。
曲线206示出了总散射强度，曲线207示出了单一散射强度，而曲线208示出了多重散射强度。
在模拟中已经实施具有非常平滑的散射功能的材料。因而，未产生散射峰，并且散射光谱类似于一级光谱。
如上所述，由于伴随Compton过程的能量改变，多重散射光子在特征能量处形成具有相当低相对强度的光谱(如图1中所示)。相反地，透射的以及由于小散射角的单一散射辐射未经历相当大的能量改变，而因而特征线的相对强度等于一级光谱中的值(参见图1的曲线207)。使用该事实确定多重散射辐射的量。
推荐的方法也可以与X射线光谱合作，X射线包括连续光谱和陡峭的峰，类似来自电子碰撞源的光谱。
为了能够应用该校正，可能需要使用高光谱分辨率测量将校正的x辐射。
可能需要估计对象的穿透厚度。一种解决其的方法是在散射强度之外测量一级辐射的衰减。
校准(图3中的步骤0)
该技术利用从X射线源中出现的一级光谱中的特征线。为了测量其强度，需要界定能量光谱中感兴趣的三个区域：远离特征线的两个能量间隔-一个在阳极材料的特征能量之下，而另一个在阳极材料的特征能量之上-以及包括特征能量的第三能量间隔。这在图2中示出。
根据uprim=Iprim(Echar)Iprim(Echar±ΔE),]]>需要估计一级光谱中与轫致辐射谱相关的特征线的强度。
在此，Iprim(Echar)是包含特征能量202的能量间隔中一级光谱的平均强度，而Iprim(Echar±ΔE)是图2中另外两个能量间隔201和203中的平均强度。
为了能够重新计算多重散射辐射的光谱分布，需要测量其光谱IMS，std或者用标准对象进行模拟。
可以对多重散射辐射的该光谱发现类似于uprim的值：
uMS=IMS(Echar)IMS(Echar±ΔE)]]>
由于所陈述的效应，该值近似为1。
当在数据采集期间或之后需要执行下列步骤时，需要仅执行一次这些测量和计算。
计算在特征能量处的IMS强度(图3中的步骤2)
从测得的数据中，需要计算检测器的每个能量解析像素i的特征线的相对强度：
umeasi=Imeasi(Echar)Imeasi(Echar±ΔE)]]>
假设，由于散射峰的强度变化对于umeasi没有相当大的影响，使用uprim(来自一级光谱)和uMS(来自参考多重散射光谱)，可以从这些值计算包含特征能量的能量间隔中的多重散射强度：
IMSi(Echar)=uMSumeasiuprim-umeasiuprim-uMSImeasi(Echar)]]>
平滑和内插(步骤3)
可能在一些检测器像素i处，散射峰干扰多重散射强度的计算。因而，并且由于多重散射辐射的强度分布相当光滑，其有利于使得来自用于相邻像素的之前等式的多重散射估计值平滑，例如，通过计算中间值。结果是对于所有检测器像素在特征能量处多重散射强度的已平滑估计值IMS，smoothi(Echar)。
外插为全能量光谱(步骤4)
如果将对于多重散射部分校正检测器的全能量解析输出，需要对全能量范围计算多重散射的光谱强度。为了实现该计算，预先测量的多重散射辐射的能量光谱适用于以每个检测器像素测量得到的衰减：
将从透射与一级辐射的比例中计算透射材料的厚度：
d=-1μabsln(IprimaryI0)]]>
在此，μabs是一级光谱的平均能量的衰减系数。
现在可以估计整个多重散射光谱：
IMSi(E)=IMS,smoothi(Echar)IMS,std(Echar,d0)exp(-μMS(Echar)(d-d0))·IMS,std(E,d0)exp(-μMS(E)(d-d0))]]>
在此，d0是在标准多重散射光谱IMS，std的测量或模拟中使用的体膜的材料厚度。而μMS(E)描述了多重散射辐射的衰减的能量相关性，其可以由下式进行描述：
μMS(E)=(C-0.0004EkeV)1cm]]>
校正测得的光谱(步骤5)
为了校正多重散射辐射测得的强度，需要减去计算得的多重散射强度：
Icorrectedi(E)=Imeasi(E)-IMSi(E)]]>
本发明可以应用在所有X射线散射和成像技术中，其满足对使用的X射线光谱和检测器的要求。
图5示出了根据本发明的图像处理设备的典型实施例，其用于执行根据本发明的方法的典型实施例。图5中所示的图像处理设备400包括中央处理部件(CPU)或图像处理器401，其连接至用于存储示出感兴趣对象的图像的存储器402，所述感兴趣对象诸如患者或行李项。数据处理器401可以连接至用于诸如CSCT设备的诊断设备的多个输入/输出网络。数据处理器401还可以连接至显示设备403，例如，计算机监视器，用于显示图像处理器401中计算的或适用的信息或图像。操作者或用户可以经由键盘404和/或其它输出设备而与数据处理器401互相作用，所述输出设备在图5中未示出。此外，经由总线系统405，也可以将图像处理和控制处理器401连接至例如运动监视器，其监视感兴趣对象的运动。例如，在对患者肺部成像的情况下，运动传感器可以是呼气传感器。在对心脏成像的情况下，运动传感器可以是心电图。
在任何X射线衍射方法中，仅单一散射的光子携带有价值的信息，然而多重散射辐射降低了数据质量。根据本发明一个方面，通过量化多重散射强度和减法策略可以提高图像质量。因为评估特征峰附近的光谱信息以量化多重散射辐射的量，这可以通过使用电子碰撞X射线源和能量解析检测器而提供。虽然已经详细描述了使用相干散射计算机断层摄影，但是该方法还可以应用于其它X射线技术。多重散射辐射可以导致重建的CSCT数据中的伪影。对其进行校正可以避免这些伪影，并且因而可以导致对测得的输出的相当大的改进。
本发明典型实施例可以出售为允许CT扫描仪控制台选择的软件或者作为适于在由重建部件重建之前预处理(并且因而校正)已检测的信号的独立预处理部件。
应当注意到，术语“包括”不排除其它单元或步骤，而“一”或“一个”不排除多个，并且单一处理器或系统可以实现权利要求中所述的数个装置或部件的功能。同样地，可以组合关于不同实施例描述的单元。
还应当注意到，权利要求中的所有附图标记不应当理解为限制权利要求的范围。