[发明专利]在容器中成像的样品微层析成像中的射束硬化伪像的校正

说明书

提供了改进的无参考多种材料射束硬化校正的方法，重点是保持地质材料真实成像的数据质量的同时实现了自动化。提供了一种无参考后重建(RPC)校正技术，其在积分衰减空间应用校正。也提供了仅有容器的预校正技术来允许射束硬化校正方法所需要的分割过程的自动化。

技术领域

本发明涉及校正层析成像中射束硬化效应的方法，尤其涉及能自动校正的无参考多材料射束硬化校正。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年8月16日提交的标题为“材料表征的层析重建”的临时申请号62/038,263的优先权。

背景技术

层析摄影术或计算机层析摄影术(CT)是通过结合感兴趣物体的2D投影来形成物体三维模型的过程，所述感兴趣物体的2D投影通过任意种类的渗透粒子或波的使用而得到。层析摄影术是迅速发展的成像技术，在这些不同的领域具有广泛应用，例如内科学、牙科学、生物学、环境学、毒物学、矿物学和电子学，但不限于此。层析过程使用各种工具，例如x射线系统、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)和/或原子探针显微镜(APM)来获得各种类型的信息，例如样品的原子结构和化学分析。3D层析扫描数据集通常通过向后投影样品处于不同角度时获取的一系列2D图像来获得，或者在原子探针显微镜的情况下通过重建撞击位置灵敏探测器的一系列场蒸发原子的体积来获得。

计算机层析摄影术(CT)在过去的三十多年已被作为无损图像技术应用至地质样品的研究，例如化石、储层岩石和土壤。随着分辨率的增加，可能的应用的数量也变大了，现在使用计算机微层析(μCT)成像技术可以达到亚微米的分辨率。应用越来越多的一种技术是多态成像，其中相同的样品在不同的条件下成像，如不同的压力、饱和状态和风化作用。当执行这样的分析时，需要圆柱形容器来保持压力或容纳饱和液体。对于高放大倍率、大展开角的成像，例如由本发明人在澳大利亚国立大学(ANU)操作的μCT设备，样品离X射线源极其近。在这种情况下容器被用来消散来自射线源的热辐射以防止样品移动。因此在μCT成像中容器使用越来越多。随着这种增加的使用，他们面临着新的挑战和机遇，特别是关于称之为“射束硬化”效应的校正。

这些有害效应是由于被扫描材料与特定场景中使用的特定CT过程中的扫描光束之间不合适的相互作用导致的。在层析重建之前执行的标准线性预处理步骤是基于比尔–朗伯定律(Beer-Lambert law)的，其假设光束强度与衰减路径长度之间为指数关系：

其中I₀为初始光束强度，x为进入材料的深度，μ(x)为深度x处的衰减系数且I(t)为穿过材料厚度t后的光束强度。这假设了材料对光束的唯一影响是减小它的强度；也就是说每个体积元内的衰减独立于光束已经穿透材料多深。然而，衰减系数μ也是x-ray光束能量的函数，即衰减逐渐随着能量降低。因为这个，多色光束(例如由基于实验室的微焦距x资源生产的)的较低能量组份优先被吸收，导致当光束穿过样品时在平均能量方面有所增加(变得更硬)。这种效应被称为射束硬化且能导致如杯状(样品边缘附近明显较高密度)和条纹(相对高密度区域之间的黑阴影)的伪像。这种伪像减小了图像保真度且对于接下来的定量分析具有巨大的影响，尤其是其中层析图像的区域被标记为表示不同材料的分割过程。

通常，即使当光束光谱和探测器响应非常清楚，从多色衰减数据中执行层析重建的信息也是不充分的。因此，射束硬化存在看起来计算机不能解决的问题，除非可以对样品作出假设。然而针对具体情况的许多方法已经被提出了(例如骨胳和组织的成像)，却没有看到广泛采用μCT成像方法。因此，随着近年来x射线成像的其它伪像已经极大减少了，射束硬化在许多情况中如今是成像伪像的主要来源，且它仍然是x射线层析摄影术的一个关键挑战。此文提供了射束硬化校正的自动方法，其在广泛关注μCT成像的情况下运作。