[发明专利]多能量X射线显微镜数据采集及图像重建系统及方法

说明书

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相关申请

本申请要求申请号为No.13/768,689，申请日为2013年2月15日的美国专利申请的优先权，该申请以引用形式以其整体并入本文。

背景技术

高分辨率X射线成像系统，又称为X射线成像显微镜(“XRM”)，为诸多产业和研究应用，如材料科学、临床研究以及故障分析提供了样品内部结构的高分辨率/高倍放大的无损图像。XRM不需要切割开样品，就可以显现样品内的特征。XRM为X射线显微镜学领域的一部分。

XRM通常用于执行样品的计算机断层(“CT”)扫描。CT扫描为通过一系列不同角度的投影生成三维断层体的过程。XRM通常以二维截面图或三维断层体数据集的“片”表示这些断层体。利用基于背部投影的软件重建算法及其他图像处理技术，该断层体由投影数据生成，以揭示并分析样品内部的特征。

操作者选择扫描参数，如X射线能量值、曝光时间以及滤光镜设置，并指示XRM执行CT扫描“运转”。对于每次运转，操作者或自动装载器将样品安装在X射线源和X射线检测系统之间，并使样品曝光于X射线的光束中。XRM使样品在X射线光束中旋转，并且其检测系统在样品的每个旋转角度检测透射过样品并被样品调制的X射线。

在运转过程中，在X射线到达X射线检测系统之前，样品会吸收或散射一些X射线。该X射线检测系统接收穿过样品并被样品空间调制的X射线衰减光子通量。该检测系统以像素为单位，创建与该检测系统产生反应的X射线光子的图像再现。X射线吸收随样品密度和厚度的增加而增加，并且对于内部具有在元素周期表中原子序数(“Z”)更高的元素的样品，通常还会更高。

操作者使用标准操作程序和最公知的方法(“BKM”)选择最优化“运转”环境。BKM为帮助操作者确定最优化X射线源电压设置、光束预滤器以及与特定样品相关的检测器设置的工作流程的书面指示。处理后生成的样品三维图像再现又被称为重建断层体数据集。

操作者通常使用软件控制操作XRM。对于每一个扫描运转，又称为单能扫描，操作者都设置扫描参数。扫描参数包括变量，如X射线源电压设置、曝光时间以及源滤光镜设置。

XRM的一相关技术为X射线荧光(“XRF”)显微术。XRF显微术使用X射线的方式与XRM不同。操作者使用与XRF相关的次级X射线能量发射或荧光，以唯一地识别样品内的每个原子元素(“Z”)。

在XRM中，用于在样品中衰减的对比度装置在感兴趣的X射线能量区域具有两个主要成分，称为光电吸收成分以及康普顿散射成分。在光电吸收过程中，X射线被原子的束缚电子完全吸收，并使电子从原子中发射出去。在康普顿散射过程中，入射X射线损失部分能量，并通过分散电子被重定向。由于照亮的X射线光束的衰减造成的两成分的影响均促成了XRM中的图像。

光电吸收和康普顿散射过程的相对强度为入射X射线的能量和与该X射线相互作用的原子的原子序数Z的强函数。因光电效应产生的吸收通常占据较低的能量并且与X射线能量的四次方成反比，大量衰减。因康谱顿散射效应产生的吸收占据较高的能量，并且X射线能量衰减更慢(与能量的一次方成反比)。

光电和康普顿散射吸收的临界点被称为“拐点”，在该拐点处吸收的衰减从与能量的四次方成反比变化为与能量的一次方成反比。该拐点为原子的原子序数Z的特征并随Z增加。

发明内容

样品X射线吸收的变化为X射线能量与原子序数的函数。当包含具有不同原子序数的物质的样品暴露于不同能量的X射线时，会表现出不同的吸收特征。因此，对样品进行两种不同的X射线能量的测量可将样品的吸收特征或X射线衰减分离为其基本成分。这种类型的测量被称为“双能量(DE)”扫描。

操作者通常会采用不同的扫描参数对样品进行不止一次扫描，从而利用双能量扫描原则揭示更多关于样品的信息。现有XRM及其相关的成像方法的一个限制在于，在创建该样品的能量的重建体数据集之后，没有方便的方法去组合和分析数据。

本发明提供了一种如双能量的多能量X射线成像系统数据采集及图像重建系统及方法，用于组合分离的承受多种能量的重建体，并允许操作者利用DE效应操作并最优化样品的图像对比度。操作者使用该系统和方法以实现比现有XRM数据采集和图像重建系统和方法更优的图像质量和对比度，并基于样品成分的原子序数Z生成对比度。