般来说，当X射 线透过特定被检测物质的时候，原子序数越高的物质对X光子的低能部分吸收越多，低能 级X光子通过的概率就越低，对应在该个位置上的像素捕获到高能X光子的几率较高。反 之，X射线透过原子序数较低的物质时，低能的X光子被检出的几率较高。当入射物质的X 射线能量比较单一的情况时，与不同原子序数的物质作用后的X光子也将携带能量发生差 异的信息。通过像素的能量鉴别功能，可W检测到该种差异变化。该差异变化就属于下文 中提到的能量信息。
[0062] 在传统的能量积分探测技术中，探测器测量的是单一像素在一段时间内获得X光 子能量的总和，而本发明所采用的光子计数探测器可W对每个到达像素的光子进行能量鉴 另IJ，从而获得多个级别的能量信息。由于采用了光子计数探测技术，可W使得本X射线相 衬成像系统在极低的亮度下完成图像采集，所获得的强度信息可W用于相衬成像的图像还 原；所获得的能量信息上携带了被检测样品的原子量和物质密度信息，可W用于图像的数 字染色。该种数字染色是基于物质密度和原子量进行的，所包含的信息量巨大，远远超过了 目前组织学和病理学常用的肥染色(因其仅基于酸碱度进行染色)。
[0063] 需要强调的是，本发明中的数字染色不同于通常意义上的数字染色。在现有技术 中，所说的数字染色是基于一个量纲（强度）实现的。重建使用的量纲和染色使用的量纲为 同一个(都是吸收值或称为强度，也可W叫做CT值)。而本发明所说的数字染色是基于不同 的量纲(强度、能量、强度与能量的比值或差值或乘积等多种因素混合关系)实现的。由于是 不同的量纲，所W必须用不同的量纲进行二维投影图的采集(包含相衬图像信息、能量信息 等)，并且用不同的量纲分别进行重建，将重建出来的不同量纲之间的体素参数进行数学运 算，得到新的染色参量。
[0064] 对于N*M个像素构成的光子计数探测器，每峽数据都包含了 N*M个吸收衰减或相 移信息和N*M* (K+1)组的能量信息。光子计数探测器的成像平面上采集的X射线光子 强度信息，通过计数器获得每个像素点的光子累加值形成投影图，通过能级鉴别比较器获 得能量分布图。其中，投影图用于样品内部的H维结构重建，能量分布图用于样品的物质成 分识别。从二维角度来看，二维重建可W得到能量减影图像，即将低能级和高能级两个图像 相减可W获得一幅能量相关的图像。由此类推，H维重建也一样可W得到蕴含能量差异的 H维体素块。
[0065] 由于本发明所形成的H维体素块具有多个参量，其作用与传统病理学所制作的 "组织蜡块"具有相同的意义。在后期处理过程中，我们将该种包含多参数信息的H维体素 块称为"数字蜡块"，它也可W与传统病理学的切片方法一样被分解成二维的切片图像，并 且可W超越切片的概念，进行多种实体绘制图像的数字图像重构，包括但不限于表面特征 绘制、内窥镜图像绘制、特定结构巧日细胞膜、线粒体、细胞核、染色体、W及其它细胞器）的 提取和绘制等，并且可W按照独特的多参量(至少包括了被检测物质的吸收衬度、相位衬度 和能量鉴别等）染色技术进行数字染色。
[0066] H维重建系统根据光子计数探测器的投影图和能量分布图对样品内部的相位衬 度信息进行恢复，利用锥形束H维重建算法对具有复杂内部结构的样品进行重建；根据能 量分布图的重建结果，对样品的内部结构的各个部分进行数字染色，得到样品内部的物质 成分信息。H维重建系统所生成的数字蜡块（即H维体素块）将样品的内部结构和物质成 分可视化并通过显示器直观地进行展示。下面对本发明所提供的H维重建算法进行具体说 明。
[0067] 载有样品的扫描平台在每次X射线曝光时旋转一定的角度，光子计数探测器采集 一组投影W及能量数据。样品依次完成180°?360°旋转曝光后，光子计数探测器获得样 品的各个角度的投影图和能量分布图。该些投影图和能量分布图构成序列图集。对该序列 图集进行H维重建，可W获得具有样品物质吸收、相移和能量信息的体素数据。光子计数探 测器的成像平面上X射线光子强度信息，通过计数器获得每个像素点的光子累加值形成投 影图。投影图是相位衬度经过拉普拉斯变换后的分布，即边缘衬度图像。图8显示了相位 衬度成像的基本工作原理。
[0068]
【主权项】
1. 一种基于光子计数的X射线相衬成像系统，其特征在于包括： X射线源、用于承载样品的扫描平台、光子计数探测器和三维重建系统； 所述X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，所述X射线在穿透所述样品时，产生携 带空间位置中材料特征信息的光子，所述光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，获 得入射光子的投影数据和能量数据，并传输至三维重建系统； 所述三维重建系统根据所述投影数据和所述能量数据重建样品内部的三维结构和物 质成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的物质成分进行识别。
2. 如权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于： 所述X射线源的阳极靶面为钨，所述过滤片为铝、钥、铑或者铍中的任意一种。
3. 如权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于： 所述X射线源与所述样品之间的距离Rl = Ls*Fs/ λ ; 其中，Ls为空间相干长度，Fs为焦点大小，λ为X射线波长。
4. 如权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于： 所述样品与所述光子计数探测器之间的距离R2?δ * δ *Μ/ λ ; 其中，λ是X射线波长，M是放大倍数，M= (R1 + R2)/R1，δ是样品需要分辨的细节。
5. -种光子计数探测器，用在如权利要求1所述的X射线相衬成像系统中，其特征在 于： 所述光子计数探测器是由多个像素构成的面阵探测器，其中每个所述像素包括光电转 换层、前置放大器、事件检出单元、能级鉴别比较器、脉冲整形器、计数器、累加器以及输出 总线；其中，光电转换层将单光子转换为电信号，传输至到前置放大器将信号放大；事件检 出单元将放大信号中噪声滤除并发送至能级鉴别比较器；能级鉴别比较器对有效信号分级 进入脉冲整形器进行脉冲整形；计数器对脉冲信号计数并输入累加器和输出总线。
6. 如权利要求5所述的光子计数探测器，其特征在于： 每个像素对捕获的光子进行强度测量，通过对特定时间窗口内所捕获的光子总数的记 录获得该像素位置上的强度信息；像素通过对每个被捕获的X光子进行阈值比较，测量出 该X光子所具有的能量级别。
7. -种基于光子计数的X射线相衬成像方法，基于权利要求1所述的X射线相衬成像 系统实现，其特征在于包括如下步骤： ⑴X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，所述X射线在穿透所述样品时，产生携带 空间位置中材料特征信息的光子； ⑵光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，获得入射光子的投影数据以及能量数 据，并传输至三维重建系统； ⑶所述三维重建系统根据所述投影数据和能量数据重建样品内部的三维结构和物质 成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的成分进行识别。
8. 如权利要求7所述的X射线相衬成像方法，其特征在于： 所述步骤⑴中，所述X射线源采用轫致辐射方式发射X射线，所述X射线经过滤片滤除 低能部分和高能部分后，获得近似单色的X射线。
9. 如权利要求7所述的X射线相衬成像方法，其特征在于： 所述步骤⑴中，所述光子计数探测器通过计数器获得每个像素点的光子累加值形成投 影图，通过能级鉴别比较器获得能量分布图；其中，所述投影图用于样品的三维结构的重 建，所述能量分布图用于样品内部的物质成分识别。
10.如权利要求7所述的X射线相衬成像方法，其特征在于： 所述步骤⑶中，所述数字染色是基于不同的量纲实现的；在数字染色的过程中，用不同 的量纲进行二维投影图的采集和重建，并将重建出来的不同量纲之间的体素参数进行数学 运算，得到新的染色参量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于光子计数的X射线相衬成像系统，同时还公开了该系统实现X射线相衬成像的方法及其关键设备。在该系统中，X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，X射线在穿透样品时，产生携带空间位置中材料特征信息的光子，光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，获得入射光子的投影数据和能量数据，并传输至三维重建系统；三维重建系统根据投影数据和能量数据重建样品内部的三维结构和物质成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的物质成分进行识别。本发明通过光子计数技术、相衬成像技术和三维重建技术对弱吸收物质进行无损伤检测，可以获得具有能量鉴别能力、微米级或纳米级空间分辨能力的数字蜡块。
【IPC分类】G01N23-083, G01N23-04
【公开号】CN104569002
【申请号】CN201310504035
【发明人】曹红光, 李运祥, 郑海亮
【申请人】北京纳米维景科技有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月23日