[发明专利]一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于X射线荧光CT成像领域，具体涉及一种利用X射线源激发样本内部特定的纳米粒子，对激发后所产生的特征X射线荧光进行快速采集以及利用简便方法对纳米粒子的浓度及分布情况进行超分辨率重建的方法。

背景技术

X射线荧光CT(X-rayFluorescenceComputedTomography:XFCT)是X射线荧光分析法与CT的有机结合，它利用入射X射线激发样本内部待测高原子序数元素发出荧光，通过对出射荧光的探测，结合特定的重建方法，不仅能够辨别所测元素种类，同时准确重构待测元素的空间分布和浓度。然而，限于普通X射线源的焦点尺寸、射线通量、能谱特性以及与物质作用时Compton散射所造成的影响，同时采取平移——旋转的一代扫描方式，为获得较高质量的成像效果，XFCT的扫描时间通常达到数小时量级，射线剂量率约为3.4mGy/min，导致活体成像不可行。进而，现有探测器对出射荧光、干扰射线及散射X射线一并接受，并未从能谱上加以区分，亦降低了信噪比，导致空间分辨率与浓度分辨率较低，无法达到精确定量分析。即传统方法存在的问题是：为测量样本内纳米粒子的分布与浓度，传统X射线荧光CT需通过多次平移和旋转的方法采集不同角度，不同位置条件下所激发的特征荧光X射线，从而实现对样本的完备重构。此类方法虽精度较高，但采集时间长，样本受X射线照射时间久，辐射剂量大。

因此，如何设计一种X射线荧光CT的快速成像方法，在降低成像时间的同时保持或提高成像分辨率，成为本发明关注的问题。

发明内容

本发明的目的在于设计一种X射线荧光CT的快速成像及重构系统及方法，通过多次低分辨率成像，达到间接实现CT图像的超分辨率重建。

本发明的目的通过以下手段实现：

一种快速X射线荧光CT成像及重构系统，它包括源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台。其中X射线源，滤波器，前准直器构成源模块；后准直器与平板探测器构成成像模块；高性能计算机构成处理模块；含纳米粒子的待测样本放于放置于源模块与成像模块之间。X射线源所产生的X射线经滤波器滤波，前准直器准之后入射待测样本，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，荧光X射线经后准直器准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重构。

所述源模块中，X射线源所产生X射线能谱主要位于20keV～120keV之间。

所述滤波器是由不同厚度的铅片、锡箔、铜片组合而成，负责将X射线中的低能部分滤除；基于不同的纳米粒子，需选择不同的组合，以避免高于特征激发能的X射线被滤除。具体地，滤波器是一片厚度为1.35mm的锡箔，用于滤除能量低于50keV的X射线，抑制Compton散射效应。

所述前准直器紧贴滤波器放置，是一铅制矩形框，用于限制X射线的范围，使其成为较薄的扇形射线束。

所述成像模块中，后准直器由若干微准直器拼接而成，形成阵列，每个微准直器是一个铅制正方形框，拼接后的后准直器同样是一个正方形区域。后准直镜与平板探测器的法向面相接。透过每一个微准直器的特征荧光X射线被其后对应区域内的平板探测器所探测，并依据荧光X射线的光子数和能量进行区分。

所述X射线平板探测器能够区分所探测X射线的能量，并能依据入射X射线能谱范围调节能量敏感窗口大小，以保证特征荧光X射线与Compton散射X射线、背景噪声等尽可能区分，提高所采集信号的信噪比。

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阵列、平板探测器精密移动进行控制的平台，其与样品台（放置样品的平台）以及后准直器阵列、平板探测器相连。

快速X射线荧光CT成像系统各部分之间的相对位置关系如图1所示。其中，为避免透射X射线与Compton散射的影响，平板探测器位于待测样本的正上方，其法向面垂直于扇束X射线面。

快速成像系统工作时，X射线源释放出X射线，经低通滤波器滤波，前准直器准之后，形成一扇束X射线，照射于待测样本上。待测样本内部所含纳米粒子受到X射线照射后，释放出特征荧光X射线，该射线以受激发点为球心向四周均匀传播，向样本正上方传播的荧光X射线经后准直器阵列准之后被平板探测器所探测。由于平板探测器与后准直器阵列相连，因此平板探测器被分成若干个小区域，每个小区域对应输出图像中的一个像素；譬如平板探测器有效探测面积为S×Smm²，后准直器阵列为N×N个，则每个准直器所对应的探测面积为(S/N)²mm，探测器的输出为N×N的图像。