專利名稱：一種快速x射線熒光ct方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種X射線成像方法，特別涉及一種快速X射線熒光CT方法。
背景技術(shù)：
X射線熒光計算機斷層成像(CT)方法是X射線CT和X射線熒光分析兩種技術(shù)有 機結(jié)合的產(chǎn)物，是一種無損檢測技術(shù)，通過測量特征X射線熒光，重構(gòu)出非放射性元素(如 鈣、鐵等)在樣品內(nèi)部的三維分布圖像，可同時測量樣品中多種元素的分布而不需要對樣 品進行破壞性的切片處理。主要實驗設(shè)備如圖1所示，主要包括單色器2、微束裝置3、兩個 X射線強度探測器4、熒光探測器6、樣品臺5 (可轉(zhuǎn)動可平動)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9、10、11。在傳統(tǒng)的X射線熒光CT方法中，同步光1經(jīng)單色器2和微束裝置3單色和限束后 得到單色的X射線微束13，微束13照射到樣品5'上，微束照射過程中樣品5'被激發(fā)出的 X射線熒光為熒光探測器6所記錄，然后樣品沿如圖1中箭頭7所示方向平移掃描，一次掃 描過程結(jié)束后，樣品沿如圖1中箭頭8所示方向轉(zhuǎn)動一個角度(如每次旋轉(zhuǎn)1° )，然后再 重復(fù)平移掃描過程，直至在整個180°圓周上掃描一遍；這樣我們就得到一組X射線熒光能 譜9，通過解X射線熒光能譜得到一組某元素的熒光強度數(shù)據(jù)即X射線熒光CT的投影數(shù)據(jù) 10 ；最后根據(jù)投影數(shù)據(jù)，計算機就可以按照設(shè)計好的圖像重構(gòu)程序11來重構(gòu)出關(guān)于探測平 面的二維元素分布圖像12 (圖像的灰度值與元素濃度分布相對應(yīng))。在傳統(tǒng)的X射線熒光CT實驗中，數(shù)據(jù)采集采用大面積的熒光探測器6，探測到的熒 光強度為元素濃度沿X射線入射方向(如圖2所示的AB)的積分，數(shù)據(jù)采集采用掃描加旋 轉(zhuǎn)樣品的方法。由于數(shù)據(jù)采集時采用點掃描的方式，要獲得一套二維或三維的實驗數(shù)據(jù)要 花費很長的時間，限制了該方法的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種快速X射線熒光CT成像方法，提高X射線熒 光CT的數(shù)據(jù)采集速度。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種快速X射線熒光CT方法，包括(1)將單色光照射到樣品上，所述樣品被平移和轉(zhuǎn)動，同時被激發(fā)出特征X射線熒 光；(2)利用熒光探測器采集所述X射線熒光，得到X射線熒光能譜；(3)解析所述X射線熒光能譜，得到X射線熒光CT的投影數(shù)據(jù)；(4)利用X射線強度探測器采集所述樣品的透射CT的投影數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)所述X射線熒光CT的投影數(shù)據(jù)和所述透射CT的投影數(shù)據(jù)，重構(gòu)出所述樣 品的元素分布圖像。其中，所述的單色光的光斑直徑大于所述樣品的寬度；所述的熒光探測器是加裝 鉛準直器的陣列熒光探測器。所述平移是將所述樣品沿所述單色光的入射方向平移一次， 所述平移的距離為所述鉛準直器的壁厚。所述轉(zhuǎn)動是將所述樣品繞垂直于所述單色光的入射方向和進入所述鉛準直器的線方向的軸每次旋轉(zhuǎn)1°，直至在整個180°圓周上掃描一 遍。所述的熒光探測器是64X64或32X32或其他元數(shù)的陣列熒光探測器。所述的陣列熒 光探測器采集垂直于所述單色光的入射方向的所述鉛準直器區(qū)域內(nèi)的所有X射線熒光。所 述透射CT的投影數(shù)據(jù)進一步包括各熒光能量段的透射CT的投影數(shù)據(jù)，計算所述樣品對熒 光X射線的吸收系數(shù)，修正X射線自吸收。所述的修正是沿進入所述鉛準直器的線方向進 行。所述的元素分布圖像的分辨率由所述鉛準直器的水平開口決定。其中，所述的鉛準直 器是平行排列的正方孔的準直器，鉛準直器的水平開口大小即是正方孔的邊長，鉛準直器 的壁厚和正方孔的邊長相等。本發(fā)明的優(yōu)點包括用大光斑照射樣品，不需要對大光斑進行聚焦或限束得到微 束，簡化了實驗設(shè)備；同時采用加裝鉛準直器的陣列熒光探測器代替大面積熒光探測器，通 過沿入射光方向平移一次樣品代替對樣品的逐點掃描步驟，可實現(xiàn)全場成像，大大提高了 數(shù)據(jù)采集速度；重構(gòu)出的元素分布圖像的空間分辨率由探測器前的鉛準直器的水平開口大 小決定，而傳統(tǒng)的元素分布圖的空間分辨率由入射光斑的截面決定；另外由于數(shù)據(jù)采集的 方法改變，對于X射線吸收的修正變的較容易。


結(jié)合以下對當前優(yōu)選實施例的具體描述和所附附圖，本發(fā)明的這些和其它特征和 優(yōu)點將會被更容易理解，其中相似的特征用相似的數(shù)字表示，其中圖1是傳統(tǒng)X射線熒光CT實驗裝置和過程示意圖；圖2是傳統(tǒng)X射線熒光CT數(shù)據(jù)采集示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的快速X射線熒光CT實驗裝置和數(shù)據(jù)采集示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖3給出本發(fā)明的具體實施方式
。根據(jù)本發(fā)明的快速X射線熒光CT實驗中，采用如圖3所示的實驗裝置圖。實驗設(shè) 備主要包括單色器20、兩個X射線強度探測器41和42、加裝鉛準直器14的陣列熒光探測 器60、樣品臺50及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)90、100、110。根據(jù)本發(fā)明的快速X射線熒光CT方法的工作原理如下同步輻射光10經(jīng)單色器20單色化，形成的單色大光斑130不經(jīng)過微束裝置限束 直接照射到樣品50'上，激發(fā)出樣品50'內(nèi)部的特征X射線熒光，上述熒光為陣列熒光探 測器60所記錄，這樣就得到一組X射線熒光能譜90，通過解X射線熒光能譜得到某元素的 一組熒光強度數(shù)據(jù)，即X射線熒光CT的投影數(shù)據(jù)100。最后根據(jù)投影數(shù)據(jù)，計算機就可以按 照設(shè)計好的圖像重構(gòu)程序110來重構(gòu)出關(guān)于探測平面的二維元素分布圖像120 (圖像的灰 度值與元素濃度分布相對應(yīng))。本發(fā)明根據(jù)測得投影數(shù)據(jù)描繪出元素分布的圖像，其理論公式參考文獻GF Rust and J ffeigelt. IEEE Trans. Nucl. Sci. ,1998,45(10) :75_88。根據(jù)本發(fā)明的快速X射線熒光CT方法，主要操作包括(1)同步光10經(jīng)單色器20 單色后得到單色大光斑130，照射在樣品50'上，樣品 沿入射光方向平移一次，其平移的方向如圖3中的箭頭70所示，其平移的距離為鉛準直器的壁厚；掃描過程結(jié)束后，樣品將繞垂直于入射光和樣品平移方向的軸旋轉(zhuǎn)一個角度，其方向如圖3中的箭頭80所示，其每次旋轉(zhuǎn)角度示例為Γ，然后再重復(fù)平移掃描過程，直至完 成180°范圍的掃描。掃描過程中樣品50'被激發(fā)出特征X射線熒光。(2)利用加裝鉛準直器14的陣列熒光探測器60采集上述X射線熒光，得到一組X 射線熒光能譜90。(3)解析上述X射線熒光能譜90，得到一組某元素的熒光強度數(shù)據(jù)即熒光CT的投 影數(shù)據(jù)100a。(4)樣品50'前的X射線強度探測器41用于探測入射到樣品50'上的光強；樣 品50'后的X射線強度探測器42用于測量透射CT的投影數(shù)據(jù)IOOb ；(5)將全部投影數(shù)據(jù)100a，IOOb輸入計算機，計算機就可以按照設(shè)計好的圖像重 構(gòu)程序110來重構(gòu)出關(guān)于探測平面的二維元素分布圖像120。其中，單色大光斑130的直徑大于樣品50'的寬度。其中，有時還需要額外測量各個熒光能量段的透射投影數(shù)據(jù)，用于計算樣品對熒 光X射線的吸收系數(shù)，修正X射線自吸收。即圖像重構(gòu)110進一步包括修正樣品對所述X射 線熒光的自吸收。所述的修正是沿進入所述鉛準直器中的線方向(如圖3中EF所示)進 行。其中，元素分布圖像120的分辨率由所述鉛準直器14的水平開口決定。其中，陣列熒光探測器示例為64X64。但是應(yīng)該理解，其他元數(shù)的陣列熒光探測器 都可用于本發(fā)明，例如32X32。探測器元越多，采集速度提高的倍數(shù)越多，但同時陣列熒光 探測器的價格越高。本發(fā)明采用加裝鉛準直器14的陣列熒光探測器60采集熒光信號，只有沿鉛準直 器方向(圖3中EF)的熒光X射線才能被探測器的某個單元接收，如圖3所示的第i個單 元采集到的信號為元素濃度沿直線EF的積分。其中，鉛準直器14的作用是限定樣品一定 區(qū)域發(fā)射的熒光到達對應(yīng)的陣列熒光探測器60的探測元，而阻止其它區(qū)域的熒光進入該 探測器元。其中，由于采用陣列熒光探測器采集熒光數(shù)據(jù)，通過較少的掃描步驟代替對樣品 的逐點掃描步驟，即只需沿入射光方向平移一次樣品，平移的距離為鉛準直器的壁厚，即可 完成一個角度的數(shù)據(jù)采集，然后樣品轉(zhuǎn)到下一角度再采用相同的方法采集數(shù)據(jù)，直到在180 度的圓周上采集數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供一種實驗裝置的改進方案由于采用大光斑照射樣品，省略了傳統(tǒng)X 射線熒光CT的微束裝置；由于采用加裝鉛準直器的陣列熒光探測器，一次可采集多個投影 數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)熒光CT 一次只可獲得一個投影數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供一種采集時間的改進方案陣列熒光探測器可在固定投影角下一次采 集多個投影，數(shù)量主要取決于探測器元的數(shù)目，而傳統(tǒng)熒光CT則需要根據(jù)樣品大小和入射 光斑尺寸平動掃描多次；本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集速度與傳統(tǒng)的X射線熒光CT方法相比可提高很 多倍，數(shù)據(jù)采集速度提高的倍數(shù)與陣列熒光探測器的陣列數(shù)相當，例如對于一個64X64陣 列熒光探測器數(shù)據(jù)采集速度可提高約64X64倍，從而實現(xiàn)快速、原位X射線熒光CT實驗。本發(fā)明提供一種熒光吸收修正的改進方案由于樣品對X射線的吸收，在圖 像重構(gòu)的過程中加入樣品對X射線吸收的修正，其具體修正算法參見文獻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. Nuc1. Sci. , 1997,4454-62 ；Rust G-F and Weigelt J. .IEEE Trans. Nucl. Sci. 1998,45 75-88 ；C GSchroer. Appl. Phys. Lett. , 2001, 79 (12) 1912-1914。本發(fā)明的熒光CT方法的熒光自吸收修正(如對于Q點)只需要沿著圖3中的 進入鉛準直器中的線方向(EF)進行修正即可，而傳統(tǒng)熒光CT方法的熒光吸收修正(如對 于P點)需要沿著圖2中所有的從P點到探測器表面方向進行修正，過程比較復(fù)雜，并且很 容易引入誤差。 以上所述的，是根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例，并 非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的 上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作 的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍。本發(fā)明未詳盡描述的技術(shù)內(nèi) 容為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識。
權(quán)利要求
一種快速X射線熒光CT方法，包括(1)將單色光照射到樣品上，所述樣品被平移和轉(zhuǎn)動，同時被激發(fā)出特征X射線熒光；(2)利用熒光探測器采集所述X射線熒光，得到X射線熒光能譜；(3)解析所述X射線熒光能譜，得到X射線熒光CT的投影數(shù)據(jù)；(4)利用X射線強度探測器采集所述樣品的透射CT的投影數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)所述X射線熒光CT的投影數(shù)據(jù)和所述透射CT的投影數(shù)據(jù)，重構(gòu)出所述樣品的元素分布圖像；其特征在于，所述的單色光的光斑直徑大于所述樣品的寬度；所述的熒光探測器是加裝鉛準直器的陣列熒光探測器。
2.如權(quán)利要求1所述的快速X射線熒光CT方法，其特征在于，所述平移是將所述樣品 沿所述單色光的入射方向平移一次，所述平移的距離為所述鉛準直器的壁厚。
3.如權(quán)利要求2所述的快速X射線熒光CT方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動是將所述樣品 繞垂直于所述單色光的入射方向的軸每次旋轉(zhuǎn)1°，直至在整個180°圓周上掃描一遍。
4.如權(quán)利要求1所述的快速X射線熒光CT方法，其特征在于，所述的熒光探測器是 64 X 64或32 X 32元陣列熒光探測器。
5.如權(quán)利要求1所述的快速X射線熒光CT方法，其特征在于，所述的陣列熒光探測器 采集垂直于所述單色光的入射方向的所述鉛準直器區(qū)域內(nèi)的所有X射線熒光。
6.如權(quán)利要求1所述的快速X射線熒光CT方法，其特征在于，所述透射CT的投影數(shù)據(jù) 進一步包括各熒光能量段的透射CT的投影數(shù)據(jù)，計算所述樣品對熒光X射線的吸收系數(shù)， 修正X射線自吸收。
7.如權(quán)利要求6所述的快速X射線熒光CT方法，其特征在于，所述的修正X射線自吸 收是沿進入鉛準直器的線方向進行。
8.如權(quán)利要求1所述的快速X射線熒光CT方法，其特征在于，所述的元素分布圖像的 分辨率由所述鉛準直器的水平開口決定。
全文摘要
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提高傳統(tǒng)X射線熒光CT的數(shù)據(jù)采集速度。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是提供一種快速X射線熒光CT方法，具體包括用大光斑照射樣品，采用加裝鉛準直器的陣列熒光探測器記錄熒光能譜。該方法的數(shù)據(jù)采集速度與傳統(tǒng)的X射線熒光CT方法相比可提高很多倍，數(shù)據(jù)采集速度提高的倍數(shù)與陣列熒光探測器的陣列元相當，例如對于一個64×64陣列熒光探測器，數(shù)據(jù)采集速度可提高約64×64倍，可實現(xiàn)快速、原位X射線熒光CT實驗。
文檔編號A61B6/03GK101862200SQ20101017198
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者杜國浩, 楊群, 肖體喬, 謝紅蘭, 鄧彪 申請人:中國科學院上海應(yīng)用物理研究所