一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统及方法

摘要

本发明公开了一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统及方法，其采用源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台组成的成像系统探测样本内部所含高原子序数纳米粒子的浓度及分布；成像模块中后准直器阵列与X射线平板探测器相结合，每个微准直器与样本中特定区域内的纳米粒子相对应，一次成像即可获得样本内部纳米粒子的浓度及分布情况；并基于平板探测器与微准直器在位置以及分辨率方面的关系，进一步微调微准直器阵列的位置后再次成像，多次重复，通过方程求解以实现类似图像插值的结果，提高图像重构质量。

主权项

一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于：所述系统包括源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台；源模块与成像模块之间为放置待测样本的位置；所述源模块由X射线源、滤波器和前准直器组成，X射线源产生的X射线经滤波器滤波、前准直器准直后入射到待测样本，与待测样本中的纳米粒子发生作用，激发后者释放特征荧光X射线；所述成像模块由后准直器与X射线平板探测器构成，荧光X射线经后准直器准直之后被平板探测器探测后形成数据流，传输至高性能计算机进行处理和超分辨率重构；所述后准直器由多个微准直器组成阵列，并与平板探测器级联在一起；所述平板探测器、后准直器均与样本垂直，位于样本正上方，进入每个微准直器的特征荧光X射线恰好与样本内部纳米粒子的分布相对应；所述处理模块采用高性能计算机，对所述数据流进行处理和超分辨率重构；所述移动控制平台是一套通过计算机、运动控制机构实现对样品和后准直器、平板探测器精密移动进行控制的平台，其与样品台以及后准直器、平板探测器相连；所述系统进行快速X射线荧光CT成像及重构的方法步骤如下：1)将样本放置于源模块与成像模块之间，将成像模块与处理模块连接，将控制平台与样品以及成像模块的后准直器阵列、平板探测器相连；其中源模块内部部件保持中心线重合，样本与成像模块保持中心线重合，且样本位于成像模块的正下方；2)启动源模块，使X射线源所发出的X射线经滤波器滤波、前准直器准直后形成扇形束，该扇形束面与样本的中心线垂直，并直接穿过整个样品，与样本内部的纳米粒子相互作用，释放出特征荧光X射线；3)沿样本正上方传播的特征荧光X射线在穿过样本后，被后准直器阵列所准直，并与被X射线平板探测器所探测，探测器每个探测单元的输出与进入该单元的X射线数目成正比；4)探测器依据入射X射线能量的不同，按所属能量区域分别进行记录，设探测器所能探测的X射线能谱范围为E₁～E₂(keV)，有P×P个探测单元，能谱细分为K段，每段能谱间隔为相应会产生K幅P×P大小的图像数据I_k(m，n)：设所探测的特征荧光X射线能量为E_F(keV)，位于第Q个能量段，即(Q‑1)ΔE≤E_F≤E_F+QΔE，平板探测器以第Q幅图像数据I_Q(m，n)作为最终输出图像；5)超分辨率重构：基于平板探测器与微准直器在位置以及分辨率方面的关系，利用移动控制平台微调微准直器阵列的位置，后再次成像，多次重复，然后通过方程组求解，具体地：设微准直器的尺寸为L_s(mm)×L_s(mm)，平板探测器探测单元尺寸为R(mm)×R(mm)，单元个数为P×P，L_s＜R，则微型准直器阵列沿先行后列方向移动T²‑1次，移动的步长恰好为像元的边长，每移动一次后成一次像，设每次成像后输出图像为：其中T＝floor(R/L_s)重构高分辨率图像为：通过下式可进行重构：$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}{I}^{\mathrm{Re}c}\left(m+i,n+j\right)=I^1\left(m,n\right)\\ \underset{i=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}{I}^{\mathrm{Re}c}\left(m+i,n+j\right)=I^2\left(m,n\right)\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ \underset{i=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}{I}^{\mathrm{Re}c}\left(m+i,n+j\right)=I^T\left(m,n\right)\end{array}\right.$对上述方程组进行求解，所得I^Rec(m，n)，1≤m，n≤P即为高分辨率重构图像。