多能量X射线显微镜数据采集及图像重建系统及方法 |
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申请号 | CN201480008362.3 | 申请日 | 2014-01-15 | 公开(公告)号 | CN104995690B | 公开(公告)日 | 2017-11-17 |
申请人 | 卡尔蔡司X射线显微镜公司; | 发明人 | 托马斯·A·凯斯; 苏珊·坎德尔; 斯里瓦特桑·瑟哈德里; 保罗·麦吉尼斯; | ||||
摘要 | 一种多 能量 ,如双能量(DE), X射线 成像系统 数据采集 和图像重建系统和方法可最优化样本的图像 对比度 。使用该DE X射线成像系统及其相关 用户界面 应用程序,操作者可对利用相同量的样品进行低能(LE)和高能(HE)X射线扫描。该系统通过低能投影创建低能重建 断层 体数据集,并通过高能投影创建高能重建断层体数据集。这使得操作者可控制被选择片的 图像对比度 ,并将与所述最优化该被选择片的对比度的相关信息应用到断层体数据集的所有片中。这创建了来自LE和HE体数据集的组合体数据集。 | ||||||
权利要求 | 1.一种X射线成像系统,包括: |
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说明书全文 | 多能量X射线显微镜数据采集及图像重建系统及方法[0001] 本专利文件的部分公开内容包含受版权保护的内容。由于该专利文件或专利公开内容出现在专利和商标局专利文件或档案中,版权所有人对任何人复制本专利文件或专利公开内容无异议,然而,依然保留所有版权。 [0002] 相关申请 [0003] 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[0004] 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。 [0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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。 [0008] 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。 [0009] 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。 [0010] 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”)。 [0011] 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。 [0012] 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)。 [0014] 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。 [0015] 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。 [0016] 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。 [0017] 使用DE X射线成像系统及其相关用户界面应用程序,操作者可对样品中相同的或重叠的兴趣体执行低能(“LE”)和高能(“HE”)X射线扫描。该系统通过低能投影集创建单独的低能重建断层体数据集,并通过高能投影集创建单独的高能断层体数据集。 [0019] 根据本发明的思想,操作者然后在断层体中选择显示有操作者感兴趣的特征的期望的片。然后,操作者例如利用二维直方图工具最优化该被选择片的组合(混合)双能量图像的图像对比度。 [0021] 采用这一直方图工具,用户交互式地选择二维直方图中的一个点。该被选择的点被称为枢轴点。在直方图工具的辅助下,操作者控制二维直方图中通过该枢轴点的线的斜率,以确定低能和高能扫描的混合参数。通常,枢轴点不会影响低能和高能扫描的配比,而只会影响输出构成或合成片的缩放比。2-D直方图中的线斜率决定了LE和HE片的混合配比(即用于组合LE和HE数据的系数)。枢轴点决定偏移值。即,合成亮度值=x*LE值+(1-x)*HE值+偏移值。斜率决定x,而枢轴点决定偏移值。 [0022] 以这种方式对单一的片进行对比度最优化之后,与最优化被选择片的对比度相关的同样的混合操作应用到低能和高能断层数据集的所有片。通过全部具有最优化图像对比度的LE和HE体数据集,创建组合(混合)体数据集。 [0023] 除了为样品中的特征最优化图像对比度以外,使用双能量比为某些样品执行标准吸收技术可获得更短的采集和重建总时间。 [0024] 总体上,本发明一方面重点描述了X射线成像系统的数据采集和图像重建的方法。该方法包括利用由采用低能X射线设置的X射线源生成的X射线光束执行样品的低能扫描,利用由采用高能X射线设置的X射线源生成的X射线光束执行该样品的高能扫描,生成来自低能扫描的低能重建断层体数据集,生成来自高能扫描的高能重建断层体数据集,配准,并优选地配比和缩放该低能和高能断层数据集,呈现来自低能和高能重建断层体数据集的片的视图,以及组合该低能和高能数据。 [0025] 在一些实施例中,该数据采集和图像重建方法在不同的实施方式中会分别在基于物镜的X射线成像系统和基于投影的X射线成像系统中操作。低能和高能数据采集会利用不同的X射线检测器、X射线透镜、源、目标或源滤光镜执行。 [0026] 总体上,本发明另一方面重点描述了在X射线成像系统中的计算机系统上执行的多能量,如双能量,对比度调节工具,包括用于显示来自低能重建断层体数据集的低能片的低能窗口,用于显示来自高能重建断层体数据集的高能片的高能窗口,具有二维片选择交互图的用于从样品中选择片的片选择窗口,显示低能体素密度比高能像素亮度值的二维直方图,位于该二维直方图工具内的枢轴点和线斜率选择工具,以及显示根据该二维直方图工具中选择的枢轴点和线斜率通过组合低能重建断层体数据集和高能重建断层体数据集生成的合成(混合)片的结果窗口。 [0027] 在一些实施例中,操作者利用计算机系统上的用户界面应用程序与XRM成像系统及其组件交互,并控制该XRM成像系统及其组件,并且执行样品的数据采集、图像重建,以及对比度最优化。通常,计算机系统具有一组应用程序,如侦察和扫描数据采集应用程序,用于选择扫描参数并创建样品的LE和HE断层体数据集,以及DE对比度调节工具应用程序,用于通过该样品的已选择的LE和HE断层体数据集创建DE对比度-最优化体数据集。该用户界面应用程序显示在连接到计算机系统的显示设备上。 [0028] 总体上,本发明另一方面重点描述了X射线成像系统的数据采集和图像重建方法,该方法包括:将样品加载到X射线成像系统的样品支撑物上,通过在来自X射线成像系统的X射线源系统的低能光束中旋转样品执行低能扫描,通过在来自X射线源系统的高能X射线光束中旋转样品执行高能扫描,生成来自计算机系统中的低能扫描的低能重建断层体数据集,生成来自计算机系统中的高能扫描的高能重建断层体数据集,并将来自低能和高能重建断层体数据集的片的视图呈现在计算机系统的显示设备上。 [0029] 本发明另一方面通过与DE对比度-最优化体数据集相关的信息提供最优化单扫描参数,以最好地估计DE对比度-最优化体数据集的操作者选择的设置。以这种方式,操作者可以运行随后的单能扫描,并且与现有单能扫描方法创建的体数据集相比,提供了改进的对比度和图像质量。 [0030] 本发明的另一目的在于提供一种DE XRM数据采集和重建系统,以及类似于X射线荧光(“XRF”)显微术的在给定样品基本成分的先验知识下提供该样品中的元素或混合物间的元素识别的方法。如果操作者具有存在于该样本的有限范围的混合物的先验知识,则直方图中的X射线像素亮度图案揭示了元素间的不同,同时也提供了区分微孔隙和化学构成的能力。为了达到这一目的,使用利用特定K边吸收特征的专业化源滤光镜。 [0031] 另一方面通过该直方图计算样品内元素的摩尔浓度和有效原子序数。通过这种方式,可通过计算相关有效原子序数的原子摩尔浓度估计该样品的微孔隙。 [0032] 本发明的上述特征及其他特征包括对部分的重建和组合及其他优势,该特征会参考附图被进一步详细描述,并且在权利要求书中指出。本发明实施的特定方法和设备应该理解为仅作描述目的,不作为本发明的限制。本发明的思想和特征可应用于多个不同的实施例中,均在本发明保护范围之内。 附图说明[0033] 在下述附图中,同一附图标记在所有不同视图中的表示同样的部件。附图不必要是成比例的,重点在于描述本发明的思想。其中: [0034] 图1为根据本发明一实施例的基于透镜的X射线成像系统的示意图; [0035] 图2为根据本发明另一实施例的基于投影的X射线成像系统的示意图; [0039] 图6a为图5中的双能量对比度调节工具的放大视图,显示了低能窗口和高能窗口的细节; [0040] 图6b为图5中双能量对比度调节工具的放大视图,显示了片选择窗口和直方图窗口的细节; [0041] 图6c为图5中的双能量对比度调节工具的放大视图,显示了最优化单扫描参数选择过程中的结果窗口和日志窗口的细节; [0042] 图7a-7c图示了双能量对比度调节工具的图形用户界面,显示了与含有铂和铅的样品相关的示例性最优化对比度信息,选择的对比度最优化角度分别为153度、137度以及115度; [0043] 图7d图示了双能量对比度调节工具134环境内的双能量悬停工具770; [0044] 图8示意性地图示了一种具有两种元素的样品的高能X射线吸收比低能X射线像素亮度的示例性直方图; [0045] 图9为根据本发明的思想,用于X射线成像系统的数据采集的图像重建的方法的流程图; [0046] 图10a为图9所示流程图中步骤细节的流程图;以及 [0047] 图10b为根据本发明的思想,用于计算最优化单扫描参数的方法的流程图。 具体实施方式[0048] 图1为基于透镜的X射线成像系统的示意图(“基于透镜的系统”)。 [0049] 基于透镜的系统100具有产生X射线光束103的X射线源系统102,带有用于过滤X射线光束103的滤光轮104的滤光镜切换器装置106,以及带有用于支撑样品114的样品支撑物112的旋转台110。放置于X射线源系统102和样品114之间的聚光镜108将X射线光束103聚焦在该样品114上。 [0050] 基于透镜的系统100还具有检测系统118,以及放置在该样品114和该检测系统118之间的物镜116。当样品114曝光于X射线光束103时,该样品114吸收并透射与该X射线光束103相关的X射线光子。穿过样品114透射的X射线光子形成衰减的X射线光束105;物镜使该衰减的X射线光束105在检测系统118中成像。 [0051] 检测系统118以像素为单位创建X射线光子的图像表示,该X射线光子源自与检测系统118相互作用的衰减的X射线光束105。 [0052] 在检测系统118形成的图像还被称为X射线投影,或者X射线投影图像。 [0053] 该基于透镜的系统100还具有计算机系统124,该计算机系统124包括图像处理器120、控制器122,以及用户界面应用程序126。与该计算机系统124连接的显示设备136显示来自用户界面应用程序126的信息和图形用户界面。该计算机系统124加载来自与计算机系统124连接的数据库150的信息,并将信息存储到与计算机系统124连接的数据库150。控制器122具有控制接口130,该控制接口130允许操作者通过计算机系统124在软件的控制下控制并管理基于透镜的系统100中的组件。 [0054] 操作者通过控制器122,并利用用户界面应用程序126配置并管理基于透镜的系统100中的组件。用户界面应用程序126包括侦察和扫描应用程序132以及双能量对比度调节工具134。该控制器122控制具有控制器接口130的组件。在一个实施方式中,该具有控制器接口130的组件包括图像处理器120、检测系统118、旋转台110、X射线源系统102,以及滤光镜切换器装置106。 [0055] 为了选择扫描参数,操作者通常采用侦察和扫描应用程序132来配置X射线源系统102的X射线电压设置以及曝光时间,以及滤光镜切换器装置106的滤光轮104的滤光设置。 操作者还会选择其他设置,如X射线光束103入射到样品114的视场、创建的样品114的X射线投影图像或片的数量,以及用于在X射线光束103中旋转样品114的旋转台110的旋转角度。 [0056] 在样品114的多能量X射线成像中,操作者至少对样品114执行低能扫描和高能扫描。操作者为该低能和高能扫描选择与样品114中化合物的已知的X射线吸收系数相关的扫描参数。 [0057] 操作者采用若干技术,为该两种扫描生成高低能X射线光束。在一个示例中,X射线源系统102利用低能X射线源生成低能X射线光束,并利用高能X射线源生成高能X射线光束。在另一示例中,X射线源系统利用X射线源的低能设置生成低能X射线光束,并利用该X射线源系统的高能设置生成高能X射线光束。在其他示例中使用滤光镜,X射线源系统利用X射线源的低能滤光镜生成低能X射线光束,并利用该X射线源的高能滤光镜生成高能X射线光束。 在又一示例中,使用不同的X射线源阳极靶,以使X射线源系统使用X射线源的低能阳极靶生成低能X射线光束,并使用该X射线源的高能阳极靶生成高能X射线光束。最后,X射线源可利用X射线源低能曝光时间生成低能X射线光束,并利用该X射线源的高能曝光生成高能X射线光束。总之,低能曝光时间和高能曝光时间彼此不同,并被选择用于产生具有足够信噪比的数据集。 [0058] 一些设置,如每次扫描的扫描参数以及投影数量,在低能和高能扫描间存在差异。然而某些设置,如视场、起点角度和终点角度,对于低能和高能扫描必须相同或部分重叠。 这些设置有助于由其各自扫描创建的低能和高能重建断层数据集的后续对齐和配准。这是图9所示的图像最优化方法900的要求,关于图9的详细描述会在下文中讨论。 [0059] 侦察和扫描应用程序132具有一个或多个双能量模板133。该侦察和扫描应用程序132根据样品114的类型提供不同的双能量模板133。该双能量模板133在图9中图像最优化方法900的要求的低能和高能扫描间提供相同的设置,同时允许操作者针对低能和高能扫描选择扫描参数和其他设置。 [0060] 使用双能量模板133,操作者为低能和高能扫描提供相同的视场和相同的起点和终点角度。操作者然后确定低能和高能扫描相关的扫描参数,并确定在扫描间不同的其他设置,如投影的数量。双能量模板133然后提供配置,用于执行样品114的低能和高能扫描。 [0061] 扫描过程中,图像处理器120接收并处理来自检测系统118的每个投影。侦察和扫描应用程序132存储来自该图像处理器120的投影,用于之后生成样品114的重建断层体数据集。计算机系统124将来自每次扫描的断层数据集,以及其相关的扫描参数和设置保存到计算机系统124的本地存储器,或数据库150。计算机系统在计算用于低能扫描的低能断层体数据集,以及用于高能扫描的高能断层体数据集后,将其存储到本地存储器或者数据库150。 [0062] 操作者使用双能量对比度调节工具134最优化样品114的图像对比度。操作者使用该双能量对比度工具134加载低能断层体数据集152以及高能断层体数据集154。然后,操作者选择数据集内的片,并选择用于最优化被选择片的图像对比度的信息。然后,操作者将该信息用于最优化图像对比度,并创建组合或合成体数据集156。 [0063] 由于该组合体数据集156包含具有最优化图像对比度的片,因此该组合体数据集156又被称为最优化组合体数据集。 [0064] 一旦操作者创建组合体数据集156,操作者可选地使用双能量对比度调节工具134,以根据与创建组合体数据集156相关的扫描参数计算最优化单扫描参数158。如果操作者想要对多个样品执行测试,以产生相同的近似对比度结果时,这是尤其有用的。通过这种方式,操作者可以将最优化单扫描参数158应用到基于透镜的系统100中,以执行同一样品 114,或者具有类似元素构成的新样品的后续单能量扫描。 [0065] 关于最优化单扫描参数的计算会在下文出现的图10b所示的方法938相关的详细描述中进一步讨论。 [0066] 图2为根据本发明另一个实施例的基于投影的X射线成像系统200(“基于投影的系统”)的示意图。该基于投影的系统200在结构上类似于基于透镜的系统100,并且具有基本相同的运转表现,然而在放大级上通常性能较低。 [0067] 基于投影的系统200省略了基于透镜系统100中的聚光镜108和物镜116。除此之外,基于投影的系统200具有与基于透镜的系统100相同的组件,并且操作者以与基于透镜的系统100相同的方式使用基于投影的系统200及其组件,以创建X射线投影和样品114的重建断层体数据集。 [0068] 基于投影的系统200并不依赖透镜创建样品114的放大透射图像,而是通过采用投影到检测系统118的X射线源102的小X射线源点创建样品114的放大点投影图像。放大是通过将样品114放置在接近X射线源102的位置实现的,在这种情况下,基于投影的系统200的分辨率受X射线源的点尺寸的限制。该样品114的放大投影图像形成于检测系统118;该放大投影图像的放大倍数等于源到样品的距离202与样品到检测的距离204的比例。在基于投影的系统200上获得高分辨率的另一种方式为采用甚高分辨率检测系统118,并将样品114放置在接近于检测器的位置,在这种情况下,X射线图像的分辨率受检测系统114的分辨率的限制。 [0069] 为了调节图像的放大倍数,操作者采用计算机系统124上的用户界面应用程序124调节源到样本距离202以及源到检测器距离204。操作者通过控制器122移动旋转台100,从而调节这些距离,并获得期望的放大倍数。根据一些实施方式,X射线检测系统118还通过改变X射线检测系统118内的像素尺寸,提供调节在样品上视场的能力。 [0070] 图3A为图1中基于透镜的系统100和图2中基于投影的系统200采用的滤光镜切换器装置106的比例顶视图。滤光镜切换器装置106具有滤光轮104,该滤光轮104用于支撑位于该轮外缘周围排列的每个圆形端口104-1的滤光镜。 [0071] 图3B和图3C分别为滤光镜切换器装置10的比例前视图和侧视图。该滤光镜切换器装置106以精确调整控制装置302为特点,该精确调整控制装置302用于提高该滤光轮104的稳定性和定位精度。 [0072] 该滤光轮104具有端口104-1,该端口104-1通常包括用于过滤X射线光束103的滤光镜。操作者采用图1和图2所示的计算机系统124的用户界面应用程序126和控制器122,在软件的控制下选择不同的滤光镜。 [0073] 作为操作者对与孔104-1关联的滤光镜进行选择的响应,控制器122发出信号指示滤光镜切换器装置106将滤光轮104旋转至孔104-1,以响应该选择。当图1中的基于透镜的系统100和图2中的基于投影的系统200透射X射线光束103,该X射线光束103穿过与被选择的孔104-1关联的滤光镜。 [0074] 应该注意,在图1和图2中所示的滤光镜切换器装置106位于源102和样品114之间。在其他示例中,该滤光镜切换器装置106位于样品114和检测系统118之间。 [0075] 图4为低原子序数元素,如钙(Z=20)的典型的X射线吸收比X射线能量的绘图400(“吸收绘图”);该绘图为采用样品的双能量X射线成像以分离出样品内的性质提供了理论基础。两轴均利用对数比例绘制。当样品114在低能和高能X射线下受辐照时,样品的双能量X射线成像利用吸收和散射行为的交叉。 [0077] 低原子序数元素的吸收绘图400具有被拐点或转折点484隔开的LE吸收段480和HE吸收段482。该LE吸收段480与LE扫描范围486采用的X射线能量相关,而HE吸收段482与HE扫描范围488采用的X射线能量相关。 [0078] 对于给定的X射线能量和原子序数为Z的元素,LE吸收段480在LE扫描范围486上与Z4成反比;而HE吸收段482在HE扫描范围488上与Z线性反比。LE吸收段480中的X射线吸收通常归因于光电效应相关的吸收;而HE吸收段482中的X射线吸收通常归因于康普顿散射。 [0079] 对于所有的Z,其吸收绘图400的拐点484相关的X射线能量随Z的增大而增大。高原子序数元素的吸收绘图400与低原子序数元素的吸收绘图400相比,拐点可辨识度较低。其LE扫描范围486和HE扫描范围488随着Z的增大而增大,而K边吸收跃迁的因素影响也越大。然而,通过使用针对每个元素的扫描参数和滤光镜,DE X射线成像技术还可应用于高原子序数元素,如金和碘,该扫描参数和滤光镜限制或利用该高原子序数元素的吸收绘图400的K边效应。 [0080] 图5描述了双能量对比度调节工具134的图形用户界面500,界面显示了样品相关的示例性最优化对比度信息。该双能量对比度调节工具134具有高能窗口404,用于从样品中的高能断层体数据集154中选择和显示片,以及低能窗口406,用于从同一样品的低能断层体数据集152中选择和显示片。该高能断层体数据集154和低能断层体数据集152采用图1和图2中的X射线成像系统生成。 [0081] 高能窗口404具有高能断层体数据集选择键430,而低能窗口406具有低能断层体数据集选择键434。操作者使用高能断层体数据集选择键430打开文件浏览器对话框,以选择计算机系统124或数据库156中的高能断层体数据集154。操作者使用低能断层体数据集选择键434打开文件浏览器对话框,以选择计算机系统124或数据库156中的低能断层体数据集152。 [0082] 双能量对比度调节工具134还具有片选择窗口408、2-D直方图窗口410、显示合成或最优化片图像460的结果窗口412以及日志窗口414。片选择窗口408具有交互图423,用于显示操作者从低能断层体数据集152和高能断层体数据集154中选择的片。该交互图423具有片选择显示421。该片选择窗口408具有片选择器滑动条420以及片数量指示器418。 [0083] 2-D直方图窗口410包括2-D直方图429,2-D直方图429显示由LE片431像素亮度比HE片432像素亮度的绘图导致的体素和像素亮度。操作者使用2-D直方图窗口410交互式地确定LE片432和HE片431的混合参数。 [0084] 操作者通过选择2-D直方图429内的枢轴点427和角度交互式地确定LE片432和HE片431的混合参数。作为对枢轴点427和角度424的选择的响应,2-D直方图窗口410以2-D直方图429内的角度绘制通过枢轴点427的线的斜率。 [0085] 通常,枢轴点不会影响低能和高能扫描的配比,而只会影响输出构成或合成片的缩放比。2-D直方图429中的线斜率决定了LE和HE片的混合配比(即用于组合LE和HE数据的系数)。枢轴点427决定偏移值。即,合成亮度值=x*LE值+(1-x)*HE值+偏移值。斜率决定x,而枢轴点决定偏移值。 [0086] 操作者通过角度选择器滑动条422选择角度,并且角度数指示器424用角度反映选择角度的值。通过点击2-D直方图内的点选择枢轴点427。在给定LE片432的像素亮度比HE片431的像素亮度的情况下,2-D直方图429所示的亮度和亮度为片中体素数量的衡量。该2-D直方图亮度用用户可选择的颜色表显示,该用户可选择的颜色表确定表征不同亮度的颜色。 [0087] 2-D直方图密度为对数比例的,从而确保即使是单个像素在2-D直方图429中也能显示为点,进而确保对应于片上的微小特征也是可见的。操作者使用2-D直方图的像素分布作为启动引导,以选择线714的枢轴和角度。结果窗口412显示通过2-D直方图窗口410的线714的设置计算出的合成片460。日志窗口414显示与双能量对比度调节工具134操作相关的日志信息415。 [0088] 一旦操作者选择高能断层体数据集154和低能断层体数据集152,作为对该选择的响应,计算机系统124使该高能断层体数据集154和该低能断层体数据集152彼此自动对齐、配准并成比例放大。 [0089] 操作者然后利用片选择窗口408选择高能断层体数据集154和低能断层数据集152内的片。操作者利用片选择器滑动条420并借助交互图423选择片,而交互图形的片选择显示421提供被选择片相对于可获取片的总数量的视觉指示器。该片数量指示器418还显示被选择片的片数量。 [0090] 被选择片为双能量对比度调节工具134用来选择高能断层体数据集154和低能断层体数据集152中的共同片的抽象体或装置。计算机系统124利用与该被选择片相关的信息计算该被选择片的高能像素亮度比低能像素亮度的值的2-D直方图429。显示在该2-D直方图429上的点为被选择的切片形成了与样品中的元素相关的像素亮度的视觉上不同的集群。然后,操作者在直方图内选择枢轴点和角度,并且计算机系统124利用与该点和角度的选择相关的信息计算合成片图像460。这会在下文关于图8所示的示例性直方图800的详细描述中进一步讨论。 [0091] 当操作者从片选择窗口408中选择片,高能窗口404会显示来自与该片选择相关的高能断层体数据集154的高能(“HE”)片431,并且低能窗口406会显示来自与该片选择相关的低能断层体数据集152的低能(“LE”)片432。计算机系统124自动创建直方图429,并且作为对该片选择的响应,2-D直方图窗口410显示该直方图。 [0092] 2-D直方图窗口410具有角度选择滑动条422以及角度数指示器424。当2-D直方图窗口410显示直方图429时,操作者会选择直方图429内的兴趣点或者枢轴点427,用于对该被选择片进行图像对比度最优化。当操作者已选择兴趣点427,角度选择滑动条422就变得可操作。利用角度选择滑动条422,操作者在直方图429内选择角度,作为对该角度选择的响应,角度数指示器424以度数为单位显示该角度。 [0093] 计算机系统124在直方图429根据操作者选择的兴趣点427和角度绘制配比计算线714。该配比计算线714为操作者显示高能像素亮度与低能像素亮度的配比信息的视觉辅助,当最优化被选择片时,计算机系统124会通过2-D直方图中使用到该信息。作为对操作者在2-D直方图429中选择的兴趣点427和角度的响应,结果窗口412会显示计算机系统124计算的合成片460。 [0094] 以一种连续的方式,操作者任何时候在片选择窗口408中选择不同的片时,作为对该片选择的响应,高能窗口404就会更新高能片431的显示,并且低能窗口406就会更新低能片432的显示。以一种类似的方式,作为对操作者选择的在2-D直方图429中的兴趣点427和角度的响应,计算机系统124计算该被选择片的新的直方图429,2-D直方图窗口410显示该2-D直方图429,并且结果窗口412显示合成片460。 [0095] 合成片460为对比度最优化片。一旦操作者对该合成片460满意,操作者就会选择保存按钮463,以将与该合成片460关联的图像对比度信息应用到高能断层体数据集154和低能断层体数据集152中的所有片,创建一个新的组合断层体数据集。由于该组合的体数据集是利用与该合成片460关联的对比度信息生成的,该组合的体数据集又称为最优化组合断层体数据集156。该计算机系统124将该最优化组合断层体数据集156存储到本地存储器,或数据库156中。 [0096] 图6a为图5所示的双能量对比度调节工具的放大视图600,显示了低能窗口406和高能窗口404的细节。该高能窗口404还具有用于显示与该被选择的高能断层体数据集154关联的文件名的高能文件名指示器490。该高能窗口404还显示覆盖于该高能片431之上的高能扫描参数502。 [0097] 低能窗口406还具有用于显示与被选择的该低能断层体数据集152关联的文件名的低能文件名指示器492。该低能窗口406还显示覆盖于该低能片432之上的高能扫描参数504。 [0098] 图6b为图5中双能量对比度调节工具134的放大视图620,显示了片选择窗口408和直方图窗口410的细节。片选择窗口408具有分别增加和减少片选择的片选择键417-1和417-2。作为对该选择的响应,显示在片数量指示器418上的被选择片的数量被更新,交互图 423的片选择显示421被更新,并且片选择滑动条420被更新。 [0099] 直方图窗口410还具有分别用于增大和减小直方图429中被选择角度的角度选择器按键428-2和428-1。作为对该选择的响应,显示在角度数指示器424上的角度被更新,并且该角度选择滑动条422被更新。 [0100] 直方图窗口410还具有用于放大显示在直方图窗口410中的直方图429局部的放大/缩小按键425。这使得操作者可看到直方图429内部的每个点,以选择兴趣点427。 [0101] 图6c为图5所示的双能量对比度调节工具134的放大图660,显示了最优化单扫描参数选择过程中的结果窗口和日志窗口的细节。在操作者创建合成片460之后,结果窗口显示与操作者在直方图窗口410中的直方图429内执行的最优化行为相关的合成片。此外,结果窗口460可使用户选择合成片460上的最优化点562。利用与最优化点562相关的信息,计算机系统124创建最优单扫描参数,操作者可将该最优化单扫描参数应用于同一样品,或者具有类似元素构成的新样品。 [0102] 当操作者在合成片460中选择最优化点562,双能量对比度调节工具134使创建最优化单扫描参数按键452可选择。作为对该选择的响应,计算机系统创建与该最优化点562相关的最优化单扫描参数。计算机为该最优化单扫描计算扫描设置,以尽可能地估计该最优化点562的对比度。这由比较穿过LE和HE数据集中的最优化点562的透射值,以及从查询表中查找最优化单扫描值实现。 [0103] 双能量对比度调节工具134还具有注释面板560,用于执行统计操作,并且放大/缩小被选择的窗口。日志窗口还具有日志按键561,用于使日志信息415显示在日志窗口414中。双能量对比度调节工具134还具有退出按键496,用于退出该双能量对比度调节工具134。 [0104] 图7a-7c图示了双能量对比度调节工具134,显示了与含有铂和铅的样品相关的示例性最优化对比度信息,选择的对比度最优化角度分别为153度、137度以及115度。该图通过选择正确的枢轴点427和角度,从校准样品中将铅从铂中分离出来。作为对该选择的响应,该合成片460的对比度信息发生改变,不同的微粒从黑色变为白色。在这些图中,角度数指示器424-2为角度数指示器424-1的放大版本,以提高清晰度。计算机系统124根据被选择的兴趣点或枢轴点427和被选择的角度绘制配比计算线714。 [0105] 图7d图示了双能量对比度调节工具134环境内的双能量悬停工具770。该双能量悬停工具770提供了LE窗口404、HE窗口406及结果窗口412所显示的图像和2-D直方图窗口410之间的实时关联。 [0106] 当操作者使用定点设备,如鼠标,并悬停在LE片432或HE片431或合成片460中的像素或体素上,与2-D直方图中的体素对应的点就会加亮。这种交互特征可允许操作者查找样品中不同的成分在2-D直方图429中所处的位置。 [0107] 在一示例中,指针图标780指向操作者指示定点设备悬停操作的位置。该位置为HE片431中的一个点。在鼠标悬停事件过程中对点的选择又被称为指示。作为对该指示的响应,双能量悬停工具770计算并加亮LE片关联点782-1、2-D直方图关联点782-2,以及合成片关联点782-3。 [0108] 在另一示例中,操作者指示2-D直方图429中对应于LE和HE体素亮度的结合的点。作为对该指示的响应,LE片432、HE片431以及合成片460中具有对应LE和HE亮度的所有体素被加亮。这允许操作者从2-D直方图429中定位图像数据中的不同成分。 [0109] 图8示意性地图示了一样品114的高能X射线吸收比低能X射线像素亮度的示例性2-D直方图429。除空气之外,该样品114具有两种具有不同有效原子序数Z的成分。该2-D直方图429显示了与三个视觉上不同的与三种物质的X射线吸收相关的像素亮度集群相关的信息。该像素亮度集群包括:空气像素亮度集群706,低原子序数元素像素亮度集群702,以及高原子序数元素像素亮度集群704。 [0110] 操作者在直方图429中选择枢轴点427和角度,并且计算机系统124根据该枢轴点427和角度数指示器424指示的角度选择绘制出配比计算线714。当创建片选择窗口408中的操作者选择的片的合成片460时,该配比计算线714提供高能比低能像素亮度的配比,供计算机系统124使用。操作者使用该枢轴点427和角度选择分离样品114的特征。 [0111] 在本示例中,操作者希望在与低原子序数像素亮度集群702相关的低原子序数元素和与高原子序数元素像素集群704相关的高原子序数元素之间提供隔离。像素亮度集群中的每个点为一个体素712。 [0112] 2-D直方图429中的点的颜色为在这一容器中具有多少体素的衡量(即,体素具有相同的LE和相同的HE X射线像素亮度值)。当显示该2-D直方图时,该2-D直方图窗口410使用偏移对数比例,以确保2-D直方图429中出现的甚至单个点为可识别的点。 [0113] 计算机系统124通过2-D直方图429内的枢轴点427和角度选择计算合成片460。特别地,计算机系统124迭代2-D直方图429内的所有体素712,并计算每个体素712的体素偏移716,或者体素712之间的距离以及2-D直方图429内的配比计算线714。 [0114] 如果体素712位于配比计算线714的一侧,则体素偏移716视为正;如果体素712位于配比计算线714的相对侧,则体素偏移716视为负。通过该组体素偏移716,计算机系统714创建合成片460。 [0115] 当计算机系统124存储合成片460时,计算机系统124还存储其他相关信息,包括2-D直方图429,含有0和1值的二进制掩膜图,其中0和1表示体素与线的间隔(在其一侧还是另一侧),由二进制掩膜倍增的配准LE图像,由二进制掩膜倍增的配准HE图像,以及高能断层体数据集154和低能断层体数据集152。 [0116] 这些附加的数据集又被称为相关断层数据集,因为它们与最优化组合断层体数据集156的创建以及对最优化组合断层体数据集156的操作相关。在一示例中,操作者在后续的图像分析中使用这些附加的数据集,以从最优化组合断层体数据集156中分离出一种物质。 [0117] 图9为根据本发明的思想,用于X射线成像系统(“X射线成像系统”)的数据采集的图像重建的方法900的流程图。 [0118] 根据步骤902,操作者基于估计的样品构成确定低能(“LE”)扫描和(“HE”)高能扫描的X射线断层设置。在步骤910中,操作者选择LE扫描的滤光镜和/或曝光时间,并指定X射线源系统上的LE电压设置。在步骤912中,操作者获取样品兴趣体在LE设置下的断层数据集(投影)。在步骤914中,X射线成像系统通过LE投影生成LE断层体数据集。 [0119] 以类似的方式,操作者利用X射线成像系统对同一样本执行高能扫描。在步骤915中,操作者选择HE扫描的滤光镜和/或曝光时间,并指定X射线源系统上的HE电压设置。在步骤916中,X射线成像系统在LE设置中选择的相同量的样品中的HE设置下获取断层数据集(投影)。在步骤918中,X射线成像系统通过HE投影生成HE断层体数据集。在步骤919中,操作者保存HE和LE断层体数据集。 [0120] 对于上述步骤,操作者可以分别执行HE和LE扫描,或者利用侦察和扫描应用程序顺序执行该扫描。 [0121] 在步骤920中,操作者打开双能量对比度调节工具,在步骤922中,加载LE和HE断层体数据集。在步骤923中,计算机系统使LE和HD断层体数据集彼此对齐和配准,并放大以实现逐像素配准。 [0122] 在步骤924中,操作者选择LE和HE断层体数据集内的片。在步骤926中,计算机系统基于被选择片创建并显示HE X射线像素亮度值比LE X射线像素亮度值的直方图。 [0123] 在步骤928中,操作者选择直方图上的枢轴点和角度,以计算要使用的HE与LE的配比,并创建合成片。在步骤930中,操作者查看该合成片,并且在步骤932中,如果已实现期望的图像对比度,则操作者继续执行步骤934,将角度和枢轴点应用到LE和HD断层体数据集的所有片,并保存最优化的组合断层体数据集156。否则,操作者重复步骤930和步骤932,直到实现期望的图像对比度。 [0124] 在步骤934中一旦实现了期望的图像对比度,为了获得与其图像对比度最优化相关的信息,操作者选择合成片的点,并且在步骤938中,计算最优化单扫描参数,并执行最优化扫描。 [0125] 图10a为图9所示流程图中步骤902的细节流程图,以基于估计的样品构成决定低能(“LE”)扫描和(“HE”)高能扫描的X射线断层设置。在步骤904中,操作者选择与侦察和扫描应用程序上的样品相关的合适的双能量模板。在步骤906中,操作者将LE和HE扫描入射到样品上的X射线光束的视场(“FOV”)的位置和尺寸设置为相同的值。在步骤908中,操作者选择该LE和HE扫描的投影数量和角度。 [0126] 图10b为图9所示流程图中步骤938的细节流程图,根据本发明的思想,计算最优化单扫描参数。在步骤940中,计算机系统基于估计的样品构成,以及HE和LE扫描的采集设置,确定用于最优化单扫描设置的X射线断层设置。在步骤942中,操作者验证最优化单扫描的滤光镜、曝光时间,以及最优化电压设置。在步骤944中,X射线成像系统在样品的兴趣体的最优化单扫描设置下获取断层数据集(投影)。在步骤946中,X射线成像系统通过最优化单扫描投影生成最优化单扫描断层体数据集。 |