若干因素对同步辐射微束X射线荧光 CT图像质量的影响研究.pdfVIP

第 27 卷 第 2 期 核电子学与探测技术 VOI. 27 NO. 2 2007 年 3 月 NucIear EIectrOnics DetectiOn TeclnOIOgy Marcl 2007 若干因素对同步辐射微束 X 射线荧光 CT 图像质量的影响研究 邓 彪，余笑寒，徐洪杰 （中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800） 摘要：借助计算机模拟成像，通过分析不同情况下的图像重构，研究了抽样间距和投影数、重构算 法、荧光测量等若干因素对图像重构质量的影响，并得出了一些有益的结果，对实际应用具有一定的参 考意义。 关键词：荧光 CT；图像重构；图像质量 中图分类号： 0411. 3 文献标识码： A 文章编号： 0258 0934（2007）02 0260 05 收稿日期：2006 09 01 作者简介：邓彪（1981 ），男，安徽淮北人，中国科学 院上海应用物理研究博士研究生，研究方向为荧光 CT 成像研究 同步辐射微束 X 射线荧光 CT［1 3］（ SR- XFMT）是一种能无损、高空间分辨和高灵敏地 探测样品内部元素含量和分布的新技术，是同 步辐射微束 X 射线荧光分析（ SRXRF）和计算 机断层成像技术（ CT）有机结合发展起来的一 种无损检测手段。它采用第一代 CT 的原理， 通过测量特征 X 射线荧光，重构出元素在样品 内部的分布图像而不需要对样品进行破坏性的 切片处理。自 SR-XFMT 这种方法提出以来，它 已经应用到很多领域，并取得了很大的成果。 仅以近年来开展的研究工作为例，就涉及到地 球科学、环境科学、材料科学和医学等学科领 域［4 9］，有望解决生命科学、地球和环境科学、 考古、材料科学和医学等学科领域的一些重要 科学问题。 SR-XFMT 是在建的上海光源（ SSRF）硬 X 射线微聚焦及应用光束线站上将要实现的实验 技术之一，本文针对这个目标，借助计算机模拟 成像，通过分析不同情况下的图像重构，研究了 若干因素对 SR-XFMT 重构图像质量的影响，得 出了一些有益的结果，对实际应用具有一定的 参考意义。 ! SR-XFMT 的原理 典型的 SR-XFMT 实验装置和实验过程示 意图如图 1 所示，主要实验装置包括两个 X 射 线强度探测器（ 如电离室）、荧光探测器（ 如 Si （Li）探测器）、样品台（ 可转动和平动）以及数 据处理系统。实验过程采用第一代 CT 的扫描 方式，荧光 X 射线和透射 X 射线分别由荧光探 测器和强度探测器记录，最终得到了二组投影 数据：荧光 CT 投影数据（荧光强度）和透射 CT 投影数据。最后把全部投影数据输入计算机， 计算机就可以按照设计好的图像重构程序来重 构出关于探测平面的二维元素分布图像（ 图像 的灰度值与元素浓度分布相对应）。 图 1 SR XFMT 实验装置和实验过程示意图 062 如图 2 所示为 SR-XFMT 实验的几何示意 图，（x，y）系为固定在样品上的坐标系，（ r，S） 为实验坐标系可由（x，y）旋转得到，它们之间 的关系可以表示为： ( ) r S = cos ! - sin ! sin ! cos ( ) ! ( ) x y （1） 图 2 SR XFMT实验的几何示意图 X 射线微束与样品发生相互作用时，会激 发样品内部一些元素的特征 X 射线荧光，假设 I iv 用表示测得的元素 i 的 1 线的荧光强度，I iv 即 为与元素在物质内部分布 P iv 有关的投影数据。 I iv 可以表示为： I iv （ r， ! ）= C det I 0 ! f（ ! ，S，r， 0 ） p iv ［x（ S，r），y（ S，r）］g iv （ ! ，S，r， iv ）dS （2） 其中：I 0 为入射 X 射线的强度，P iv （x，y）为 元素 i 在样品内部的浓度分布，C det 为探测器的 探测参数， 0 为样品对入射 X 射线的衰减系 数， iv 为样品对特征 X 射线荧光的衰减系数，f （ ! ，S，r， 0 ）为入射 X 射线被样品吸收而衰减 的部分，g iv （ ! ，S，r， iv ）为 X 射线荧光在样品内 部被吸收的部分。SR-XFMT 的目的就是根据 测得投影数据 I iv 描绘出元素分布 P iv （ x，y）的 图像，也就是图像重构。 ! 数值模拟 考虑到将来在 SSRF 实验站上的实际应 用，以微小的生物样品为模拟对象，重构重金属 元素在生物组织中的分布。为简化计算，假设 线性吸收系数 ! 0 和 ! iv 在生物组织中是均匀分 布的，模拟样品及其中的元素分布采用了规则 的几何。定义如下的一个模型样品：以碳氢氧 氮等轻元素为主的生物基底，生