CN101862200B - 一种快速x射线荧光ct方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所要解决的技术问题是提高传统X射线荧光CT的数据采集速度。本发明采取的技术方案是提供一种快速X射线荧光CT方法，具体包括用大光斑照射样品，采用加装铅准直器的阵列荧光探测器记录荧光能谱。该方法的数据采集速度与传统的X射线荧光CT方法相比可提高很多倍，数据采集速度提高的倍数与阵列荧光探测器的阵列元相当，例如对于一个64×64阵列荧光探测器，数据采集速度可提高约64×64倍，可实现快速、原位X射线荧光CT实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种X射线成像方法，特别涉及一种快速X射线荧光CT方法。
背景技术
X射线荧光计算机断层成像(CT)方法是X射线CT和X射线荧光分析两种技术有机结合的产物，是一种无损检测技术，通过测量特征X射线荧光，重构出非放射性元素(如钙、铁等)在样品内部的三维分布图像，可同时测量样品中多种元素的分布而不需要对样品进行破坏性的切片处理。主要实验设备如图1所示，主要包括单色器2、微束装置3、两个X射线强度探测器4、荧光探测器6、样品台5(可转动可平动)以及数据处理系统9、10、11。
在传统的X射线荧光CT方法中，同步光1经单色器2和微束装置3单色和限束后得到单色的X射线微束13，微束13照射到样品5′上，微束照射过程中样品5′被激发出的X射线荧光为荧光探测器6所记录，然后样品沿如图1中箭头7所示方向平移扫描，一次扫描过程结束后，样品沿如图1中箭头8所示方向转动一个角度(如每次旋转1°)，然后再重复平移扫描过程，直至在整个180°圆周上扫描一遍；这样我们就得到一组X射线荧光能谱9，通过解X射线荧光能谱得到一组某元素的荧光强度数据即X射线荧光CT的投影数据10；最后根据投影数据，计算机就可以按照设计好的图像重构程序11来重构出关于探测平面的二维元素分布图像12(图像的灰度值与元素浓度分布相对应)。
在传统的X射线荧光CT实验中，数据采集采用大面积的荧光探测器6，探测到的荧光强度为元素浓度沿X射线入射方向(如图2所示的AB)的积分，数据采集采用扫描加旋转样品的方法。由于数据采集时采用点扫描的方式，要获得一套二维或三维的实验数据要花费很长的时间，限制了该方法的广泛应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种快速X射线荧光CT成像方法，提高X射线荧光CT的数据采集速度。
本发明所采用的技术方案是提供一种快速X射线荧光CT方法，包括：
(1)将单色光照射到样品上，所述样品被平移和转动，同时被激发出特征X射线荧光；
(2)利用荧光探测器采集所述X射线荧光，得到X射线荧光能谱；
(3)解析所述X射线荧光能谱，得到X射线荧光CT的投影数据；
(4)利用X射线强度探测器采集所述样品的透射CT的投影数据；
(5)根据所述X射线荧光CT的投影数据和所述透射CT的投影数据，重构出所述样品的元素分布图像。
其中，所述的单色光的光斑直径大于所述样品的宽度；所述的荧光探测器是加装铅准直器的阵列荧光探测器。所述平移是将所述样品沿所述单色光的入射方向平移一次，所述平移的距离为所述铅准直器的壁厚。所述转动是将所述样品绕垂直于所述单色光的入射方向和进入所述铅准直器的线方向的轴每次旋转1°，直至在整个180°圆周上扫描一遍。所述的荧光探测器是64×64或32×32或其他元数的阵列荧光探测器。所述的阵列荧光探测器采集垂直于所述单色光的入射方向的所述铅准直器区域内的所有X射线荧光。所述透射CT的投影数据进一步包括各荧光能量段的透射CT的投影数据，计算所述样品对荧光X射线的吸收系数，修正X射线自吸收。所述的修正是沿进入所述铅准直器的线方向进行。所述的元素分布图像的分辨率由所述铅准直器的水平开口决定。其中，所述的铅准直器是平行排列的正方孔的准直器，铅准直器的水平开口大小即是正方孔的边长，铅准直器的壁厚和正方孔的边长相等。
本发明的优点包括：用大光斑照射样品，不需要对大光斑进行聚焦或限束得到微束，简化了实验设备；同时采用加装铅准直器的阵列荧光探测器代替大面积荧光探测器，通过沿入射光方向平移一次样品代替对样品的逐点扫描步骤，可实现全场成像，大大提高了数据采集速度；重构出的元素分布图像的空间分辨率由探测器前的铅准直器的水平开口大小决定，而传统的元素分布图的空间分辨率由入射光斑的截面决定；另外由于数据采集的方法改变，对于X射线吸收的修正变的较容易。
附图说明
结合以下对当前优选实施例的具体描述和所附附图，本发明的这些和其它特征和优点将会被更容易理解，其中相似的特征用相似的数字表示，其中：
图1是传统X射线荧光CT实验装置和过程示意图；
图2是传统X射线荧光CT数据采集示意图；
图3是根据本发明的快速X射线荧光CT实验装置和数据采集示意图。
具体实施方式
下面结合附图3给出本发明的具体实施方式。
根据本发明的快速X射线荧光CT实验中，采用如图3所示的实验装置图。实验设备主要包括单色器20、两个X射线强度探测器41和42、加装铅准直器14的阵列荧光探测器60、样品台50及数据处理系统90、100、110。
根据本发明的快速X射线荧光CT方法的工作原理如下：
同步辐射光10经单色器20单色化，形成的单色大光斑130不经过微束装置限束直接照射到样品50′上，激发出样品50′内部的特征X射线荧光，上述荧光为阵列荧光探测器60所记录，这样就得到一组X射线荧光能谱90，通过解X射线荧光能谱得到某元素的一组荧光强度数据，即X射线荧光CT的投影数据100。最后根据投影数据，计算机就可以按照设计好的图像重构程序110来重构出关于探测平面的二维元素分布图像120(图像的灰度值与元素浓度分布相对应)。
本发明根据测得投影数据描绘出元素分布的图像，其理论公式参考文献GF Rust and J Weigelt.IEEE Trans.Nucl.Sci.，1998，45(10)：75-88。
根据本发明的快速X射线荧光CT方法，主要操作包括：
(1)同步光10经单色器20单色后得到单色大光斑130，照射在样品50′上，样品沿入射光方向平移一次，其平移的方向如图3中的箭头70所示，其平移的距离为铅准直器的壁厚；扫描过程结束后，样品将绕垂直于入射光和样品平移方向的轴旋转一个角度，其方向如图3中的箭头80所示，其每次旋转角度示例为1°，然后再重复平移扫描过程，直至完成180°范围的扫描。扫描过程中样品50′被激发出特征X射线荧光。
(2)利用加装铅准直器14的阵列荧光探测器60采集上述X射线荧光，得到一组X射线荧光能谱90。
(3)解析上述X射线荧光能谱90，得到一组某元素的荧光强度数据即荧光CT的投影数据100a。
(4)样品50′前的X射线强度探测器41用于探测入射到样品50′上的光强；样品50′后的X射线强度探测器42用于测量透射CT的投影数据100b；
(5)将全部投影数据100a，100b输入计算机，计算机就可以按照设计好的图像重构程序110来重构出关于探测平面的二维元素分布图像120。
其中，单色大光斑130的直径大于样品50′的宽度。
其中，有时还需要额外测量各个荧光能量段的透射投影数据，用于计算样品对荧光X射线的吸收系数，修正X射线自吸收。即图像重构110进一步包括修正样品对所述X射线荧光的自吸收。所述的修正是沿进入所述铅准直器中的线方向(如图3中EF所示)进行。
其中，元素分布图像120的分辨率由所述铅准直器14的水平开口决定。
其中，阵列荧光探测器示例为64×64。但是应该理解，其他元数的阵列荧光探测器都可用于本发明，例如32×32。探测器元越多，采集速度提高的倍数越多，但同时阵列荧光探测器的价格越高。
本发明采用加装铅准直器14的阵列荧光探测器60采集荧光信号，只有沿铅准直器方向(图3中EF)的荧光X射线才能被探测器的某个单元接收，如图3所示的第i个单元采集到的信号为元素浓度沿直线EF的积分。其中，铅准直器14的作用是限定样品一定区域发射的荧光到达对应的阵列荧光探测器60的探测元，而阻止其它区域的荧光进入该探测器元。
其中，由于采用阵列荧光探测器采集荧光数据，通过较少的扫描步骤代替对样品的逐点扫描步骤，即只需沿入射光方向平移一次样品，平移的距离为铅准直器的壁厚，即可完成一个角度的数据采集，然后样品转到下一角度再采用相同的方法采集数据，直到在180度的圆周上采集数据。
本发明提供一种实验装置的改进方案：由于采用大光斑照射样品，省略了传统X射线荧光CT的微束装置；由于采用加装铅准直器的阵列荧光探测器，一次可采集多个投影数据，而传统荧光CT一次只可获得一个投影数据。
本发明提供一种采集时间的改进方案：阵列荧光探测器可在固定投影角下一次采集多个投影，数量主要取决于探测器元的数目，而传统荧光CT则需要根据样品大小和入射光斑尺寸平动扫描多次；本发明的数据采集速度与传统的X射线荧光CT方法相比可提高很多倍，数据采集速度提高的倍数与阵列荧光探测器的阵列数相当，例如对于一个64×64阵列荧光探测器数据采集速度可提高约64×64倍，从而实现快速、原位X射线荧光CT实验。
本发明提供一种荧光吸收修正的改进方案：由于样品对X射线的吸收，在图像重构的过程中加入样品对X射线吸收的修正，其具体修正算法参见文献J P Hogan，R A Gonsalves，A S Krieger.IEEE Trans.Nuc.Sci.，1991，38：1721-1727；T Yuasa，M Akiba，T Takeda，et al.IEEE Trans.Nucl.Sci.，1997，44：54-62；Rust G-F and Weigelt J..IEEE Trans.Nucl.Sci.1998，45：75-88；C GSchroer.Appl.Phys.Lett.，2001，79(12)：1912-1914。本发明的荧光CT方法的荧光自吸收修正(如对于Q点)只需要沿着图3中的进入铅准直器中的线方向(EF)进行修正即可，而传统荧光CT方法的荧光吸收修正(如对于P点)需要沿着图2中所有的从P点到探测器表面方向进行修正，过程比较复杂，并且很容易引入误差。
以上所述的，是根据本发明的最佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的技术内容为本领域技术人员的公知常识。
Claims (8)
1.一种快速X射线荧光CT方法，包括：
(1)将单色光照射到样品上，所述样品被平移和转动，同时被激发出特征X射线荧光；
(2)利用荧光探测器采集所述X射线荧光，得到X射线荧光能谱；
(3)解析所述X射线荧光能谱，得到X射线荧光CT的投影数据；
(4)利用X射线强度探测器采集所述样品的透射CT的投影数据；
(5)根据所述X射线荧光CT的投影数据和所述透射CT的投影数据，重构出所述样品的元素分布图像；
其特征在于，所述的单色光的光斑直径大于所述样品的宽度；所述的荧光探测器是加装铅准直器的阵列荧光探测器。
2.如权利要求1所述的快速X射线荧光CT方法，其特征在于，所述平移是将所述样品沿所述单色光的入射方向平移一次，所述平移的距离为所述铅准直器的壁厚。
3.如权利要求2所述的快速X射线荧光CT方法，其特征在于，所述转动是将所述样品绕垂直于所述单色光的入射方向的轴每次旋转1°，直至完成180°范围的扫描。
4.如权利要求1所述的快速X射线荧光CT方法，其特征在于，所述的荧光探测器是64×64或32×32元阵列荧光探测器。
5.如权利要求1所述的快速X射线荧光CT方法，其特征在于，所述的阵列荧光探测器采集垂直于所述单色光的入射方向的所述铅准直器区域内的所有X射线荧光。
6.如权利要求1所述的快速X射线荧光CT方法，其特征在于，所述透射CT的投影数据进一步包括各荧光能量段的透射CT的投影数据，计算所述样品对荧光X射线的吸收系数，修正X射线自吸收。
7.如权利要求6所述的快速X射线荧光CT方法，其特征在于，所述的修正X射线自吸收是沿进入铅准直器的线方向进行。
8.如权利要求1所述的快速X射线荧光CT方法，其特征在于，所述的元素分布图像的分辨率由所述铅准直器的水平开口决定。
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