TWI781381B - Ｘ射線照影方法及其系統 - Google Patents
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Abstract
一種X射線照影方法，包含複數個步驟：(a)執行一第一物體照影，藉由偵測穿過一第一物體的一X射線，獲得一第一物體強度訊號；(b)執行一基準照影，藉由偵測該第一物體不在一照影範圍時該X射線，獲得一基準強度訊號；以及(c)由該第一物體強度訊號、該基準強度訊號及該第一物體的一第一衰減係數進行運算，獲得該第一物體的一第一厚度。
Description
本發明是關於一種X射線照影方法及系統，特別是利用X射線測量物體厚度、質量、以及吸收劑量的方法及系統。
一般而言，現行用於X光影像對於物體進行輻射劑量量測時，皆須使用特定的劑量量測儀器，如：游離腔、比例偵測器等高價設備，此等設備價格昂貴，若於二維影像或電腦斷層影像上配備此些劑量量測設備則會增加材料成本。
此外，若採用熱發光劑量器(Thermo Luminescent Dosimeter，TLD)進行量測，則可能因為其原理限制無法獲得即時劑量。另外，亦有其他估算輻射劑量之方式，例如應用蒙地卡羅模擬，但使用蒙地卡羅進行模擬以計算劑量與物體體厚之方式，須使用高階電腦進行運算，其運算相當耗時。
為了解決上述的問題，本揭露內容之一態樣提供了一種X射線照影方法，包含複數個步驟：(a)執行一第一物體照影，藉由偵
測穿過一第一物體的一X射線，獲得一第一物體強度訊號；(b)執行一基準照影，藉由偵測該第一物體不在一照影範圍時該X射線，獲得一基準強度訊號；以及(c)由該第一物體強度訊號、該基準強度訊號及該第一物體的一第一衰減係數進行運算，獲得該第一物體的一第一厚度。
本發明之又一態樣係於提供一種X射線照影方法，包含複數個步驟：(a)執行一第一物體照影，藉由偵測穿過一第一物體的一X射線，獲得一第一物體強度訊號；(b)執行一基準照影，藉由偵測該第一物體不在一照影範圍中時該X射線，獲得一基準強度訊號；以及(c)執行一第二物體照影，藉由偵測穿過一第二物體的該X射線，獲得一第二物體強度訊號；(d)由該第一物體強度訊號與該第二物體強度訊號進行運算，獲得一樣本強度訊號，其中該第一物體係一載台，該第二物體包含一樣本及該載台；以及(e)由該樣本強度訊號、該基準強度訊號及一樣本衰減係數進行運算，獲得一樣本厚度。
本發明之再一態樣係於提供一種X射線照影系統包含一X射線源、一偵測器以及一處理器。X射線源配置於產生一X射線。偵測器配置於偵測該X射線。處理器，耦接於該偵測器，該處理器配置於執行X射線照影方法。
本發明所示之X射線照影系統及估算物體資訊的方法，透過偵測器上之訊號數值進行物體體厚運算以及輻射劑量計算，藉由此運算能夠直接從影像上得知物體厚度以及物體內所吸收之輻射劑量，此技術可以應用至即時提供當下X射線源給予的劑量率、累積劑量以及物體所吸收之平均劑量，於實際應用中操作者能
夠透過X光拍攝的當下得知物體體厚且無須另外加裝昂貴的輻射偵測器即可得知目前輻射劑量率以及物體所吸收之平均劑量。
100、200:X射線照影方法
110~130、210~220、620~640、910~950:步驟
x:樣本厚度
k:像素
OBJ:樣本
DT:偵測器
SRX:射線源
PC:處理器
IMG:二維投影影像
TB:載台
GRY:灰階區塊
600:應用X射線估計物體厚度的方法
900:計算樣本吸收劑量方法
第1圖係依照本發明一實施例繪示X射線照影方法之流程圖。
第2圖係依照本發明一實施例X射線照影方法之流程圖。
第3A~3C圖係依照本發明一實施例繪示X射線照影系統之示意圖。
第4圖係依照本發明一實施例繪示X射線能量-光子數之示意圖。
第5圖係依照本發明一實施例繪示厚度特徵曲線之示意圖。
第6圖係依照本發明一實施例繪示應用X射線運算物體厚度的方法之流程圖。
第7圖係依照本發明一實施例繪示衰減係數之示意圖。
第8圖係依照本發明一實施例繪示樣本吸收係數之示意圖。
第9圖係依照本發明一實施例繪示計算樣本吸收劑量方法之示意圖。
以下說明係為完成發明的較佳實現方式，其目的在於描述本發明的基本精神，但並不用以限定本發明。實際的發明內容必須參考之後的權利要求範圍。
必須了解的是，使用於本說明書中的”包含”、”包括”等詞，係用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。
於權利要求中使用如”第一”、"第二"、"第三"等詞係用來修飾權利要求中的元件，並非用來表示之間具有優先權順序，先行關係，或者是一個元件先於另一個元件，或者是執行方法步驟時的時間先後順序，僅用來區別具有相同名字的元件。
請一併參照第1、2、3A~3C圖，第1圖係依照本發明一實施例繪示X射線照影方法100之流程圖。第2圖係依照本發明一實施例繪示X射線照影方法200之流程圖。第3A~3C圖係依照本發明一實施例繪示X射線照影系統之示意圖。
請先參閱第3A圖，於第3A圖中，X射線照影系統至少包含X射線源SR、偵測器DT及處理器PC。
於一實施例中，X射線源SR用以產生X射線。
於一實施例中，偵測器DT對應配置於X射線源SR發射出X射線方向，用以偵測穿過介質(如氣體、固體、液體)的X射線。
於一實施例中，處理器PC用以進行運算，處理器PC亦可為微控制單元(microcontroller)、微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor)、特殊應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)或邏輯電路實現之，但並不限於此。
以下透過第1圖，敘述X射線照影方法100的流程。
於步驟110中，X射線源SR執行物體照影，偵測器DT藉由偵測穿過物體的X射線，以獲得物體強度訊號。
於一實施例中，X射線源SR執行物體照影時，偵測器DT接收到X射線，產生物體強度訊號，並將物體強度訊號傳送到處理器PC，物體強度訊號可為X光影像，X光影像可由二維投影影像IMG的方式呈現之。
於一實施例中，處理器PC耦接於偵測器DT，用以接收由偵測器DT產生的物體強度訊號，此物體強度訊號與偵測到的X射線相關。
於步驟120中，X射線源SR執行基準照影，偵測器DT藉由偵測物體不在照影範圍時的X射線，獲得基準強度訊號。
於步驟130中，處理器PC基於物體強度訊號和基準強度訊號，估計物體的厚度。
於一實施例中，第1圖所述的物體可以為載台。於另一實施例中，第1圖所述的物體可以為載台及樣本的組合(換言之，載台上放置樣本的組合視為第1圖中所述的物體)。於一實施例中，步驟120所述的物體不在照影範圍內，代表照影範圍內沒有放置載台及樣本，X射線直接打到偵測器DT上的空拍情況，為基準照影。
以下詳細敘述空拍情況(下稱物體不在照影範圍)、物體為載台TB(下稱第一物體)、物體為載台TB及樣本OBJ的組合(下稱第二物體)此三種類型的照影情形。然，本發明對於第一物體及第二物體的定義並不限於此。
於步驟210中，X射線源SR執行基準照影，偵測器DT藉由偵測第一物體不在一照影範圍時的X射線，獲得基準強度訊號。
於一實施例中，如第3A圖所示，照影範圍內不放任何物體，偵測器DT偵測物體不在照影範圍中時偵測X射線，如偵測器DT上沒有放置載台TB也沒有放置樣本，並由X射線照影系統進行基準照影(baseline imaging)程序，獲得基準強度訊號(baseline intensity signal)。基準強度訊號亦稱為空拍影像(blank image)。X射線光子數在X射線源能量範圍內分布狀況稱為X光能譜(如圖4)，可透過已知查找表、量測或計算得到X光能譜。偵測器DT獲得的基準強度訊號本身是數值，為X光能譜下偵測器DT收到的X射線總和。
於步驟212中，將第一物體(如載台TB)進入照影範圍，如第3B圖所示，X射線源SR執行第一物體照影，偵測器DT藉由偵測穿過第一物體的X射線，以獲得第一物體強度訊號。
更具體而言，X射線源SR提供X射線，並針對第一物體進行照影。然後由偵測器DT偵測到第一物體強度訊號(object intensity signal)，將此第一物體強度訊號傳給處理器PC。
於步驟214中，如第3C圖所示，將第二物體(如載台TB及樣本OBJ的組合)進入照影範圍，X射線源SR執行第二物體照影，偵測器DT藉由偵測穿過第二物體的X射線，獲得第二物體強度訊號。
更具體而言，將樣本OBJ設置於載台TB上，X射線源SR提供X射線束，並針對載台TB及樣本OBJ進行照影。然後由偵
測器DT偵測並獲得第二物體強度訊號，將此第二物體強度訊號傳給處理器PC。其中，第一物體強度訊號與第二物體強度訊號為X射線光子訊號，如第3C圖之二維投影影像IMG的方式呈現之，二維投影影像IMG中的灰階區塊GRY代表穿過第二物體的X射線區塊。
於一實施例中，例如偵測器DT的像素k接收到最低量的X射線，代表像素k對應到樣本OBJ之體厚最厚的位置。
上述的步驟210~214無先後順序的限制。於一實施例中，偵測器DT接收到X射線的區域稱為照影範圍。
於步驟220中，處理器PC將第一物體強度訊號與第二物體強度訊號運算後得到樣本強度訊號，並依據樣本厚度特徵曲線，以取得對應樣本強度訊號的樣本厚度x。於一實施例中，處理器PC將第一物體強度訊號與第二物體強度訊號相減後得到樣本強度訊號。
於一實施例中，處理器PC根據基準強度訊號、X光能譜、樣本的衰減係數得出樣本厚度特徵曲線。
於一實施例中，厚度特徵曲線包含樣本厚度特徵曲線、第一厚度特徵曲線、第二厚度特徵曲線皆可以由下述函式(1)比爾定律(Beer-Lambert Law)計算而得。
於一實施例中，基於基準強度訊號、X光能譜及衰減係數運算而獲得厚度特徵曲線。其中，運算包含離散(discrete)後各自相乘所得結果，再將各結果加總的運算。
於一實施例中，某一造影參數(包含X射線源能量與X射線源管電流，或可加上不同種類之濾片…等)於不放置任何物體時先空拍一張二維投影影像，爾後放上任一已知材質之物體，已知
材質例如：水、實驗動物、壓克力…等，使用相同造影參數進行二維投影影像之物體(下述的物體可以是指第一物體或第二物體)拍攝，並由偵測器DT上獲得二維投影影像訊號，透過下列函式(1)計算，可由偵測器DT上的訊號強度值推算所放置物體厚度之關係式。
更具體而言，上述函式(1)可以展開為函式(2)，第4圖係依照本發明一實施例繪示X射線能量-光子數之示意圖，處理器PC將X光能譜資訊導入比爾定律(Beer's Law)。如第4圖所示，第4圖的橫軸為X射線能量，縱軸為光子數，其中X光能譜資訊會根據濾片材質、厚度以及X光球管最大管電壓而有不同光子通量分布。如第4圖中實線代表X光球管最大管電壓數值為50keV不附加濾片的能譜資訊，虛線為最大管電壓數值為50keV加上0.5mm鋁濾片的能譜資訊，處理器PC根據選擇之參數包含X光球管能量、X光球管管電流或加裝濾片之搭配，可由模擬、計算或實際量測之X光能譜
推估像素之能譜分布。更具體而言，藉由以下函式(2)，可得到如第5圖所示之物體厚度與物體強度訊號的曲線(厚度特徵曲線)。第5圖係依照本發明一實施例繪示厚度特徵曲線之示意圖。
第5圖係依照本發明一實施例繪示厚度特徵曲線之示意圖，第5圖中的實線為由函式(2)估算厚度特徵曲線，第5圖的橫軸為物體強度訊號，縱軸為單位厚度(單位例如為公分)。因此，處理器PC從偵測到的物體強度訊號，可以透過厚度特徵曲線換算得到物體厚度。藉由函式(2)可以算出220步驟所述的物體厚度x。
請參閱第6圖，第6圖係依照本發明一實施例繪示應用X射線運算物體厚度的方法600之流程圖，第6圖中的步驟610、612、614分別與第2圖中的步驟210、212、214相同，因此不再贅述之。
於一實施例中，處理器PC執行基於第一物體強度訊號和基準強度訊號，估計第一物體的第一厚度。更具體而言，於步驟620中，處理器PC根據基準強度訊號的X光能譜及第一物體的第一衰減係數進行運算而獲得第一厚度特徵曲線，並且根據第一厚度特徵曲線及物體強度訊號估算第一物體的第一厚度。
於一實施例中，處理器PC執行基於第二物體強度訊號和基準強度訊號，估計第二物體的第二厚度。更具體而言，於步驟630中，處理器PC根據基準強度訊號的X光能譜及第二物體的第二衰減係數進行運算而獲得第二厚度特徵曲線，並根據第二厚度特徵曲線及第二物體強度訊號運算獲得第二物體的第二厚度。
於步驟640中，處理器PC將第二厚度減去第一厚度，以得到樣本厚度x。其中，第一物體包含載台TB，第二物體包含樣本OBJ及載台TB。
於一實施例中，在已知拍攝材料之物質(如樣本OBJ)時，即可得知其密度od，且由上述函式獲得樣本OBJ的體厚x，再加上偵測器DT上的像數所代表的樣本大小(pixel size)，可以透過以下函式(3)計算此拍攝樣本之照影範圍質量。
wk=(psL*psW)*x * od..............(3)
基於上述步驟，處理器PC基於樣本厚度x、樣本的密度及樣本在照影範圍中所佔的面積，以估計照影範圍中的樣本的質量。
舉例而言，當處理器PC收到基準強度訊號(空拍影像)之後，利用上述函式(1)導入X光能譜、樣本的衰減係數(linear attenuation coefficient)及基準強度訊號，得出樣本厚度特徵曲線。其中，衰減係數如第7圖所示，第7圖係依照本發明一實施例繪示衰減係數之示意圖，其橫軸為X射線能量(keV)，縱軸為衰減係數(μ)。衰減係數的單位為cm-1。X射線照影系統透過上述步驟220的方法得到樣本厚度特徵曲線，並依據樣本厚度特徵曲線以取得對應樣本強度訊號的樣本厚度x，將樣本厚度x帶入函式(3)與樣本密度及影像上灰階區塊所代表的樣本像素面積進行運算，可算出此像素面積代表的樣本質量(樣本像素面積x樣本厚度x樣本密度=樣本質量)，當有多個樣本像素面積時，將所有樣本質量相加，即為樣本質量。
於一實施例中，X射線照影系統算出樣本質量後，可進一步計算物體吸收劑量。下述以計算樣本吸收劑量為例，然而當下述函式(5)、(6)所帶入的數值為載床TB及/或樣本OBJ的參數時，則會對應算出載床TB及/或樣本OBJ的吸收劑量。
於一實施例中，可以由以下函式(5)~(6)計算出樣本吸收光子數：
其中，
為X光能譜之特定能量i之X光穿過樣本厚度x且被樣本吸收後的剩餘光子數，單位為光子數(count)。
為一像素(pixel)的基準強度訊號，單位為光子數(count)，此像素例如為第3C圖中的像素k，i為X光能譜之特定能量，最大值為E單位
(keV)。
為X光為穿過樣本厚度x，於特定X光能量i該樣本的吸收光子數。
為樣本之吸收係數(absorption coefficient)，i為X光能譜之特定能量，其μ en 根據X光能量i有不同之數值。關於樣本之吸收係數，請參閱第8圖，第8圖係依照本發明一實施例繪示樣本吸收係數之示意圖。第8圖的橫軸為X射線能量(keV)，縱軸為樣本之吸收係數(μ en )。據此，處理器PC可依據基準強度訊號、樣本之吸收係數及樣本厚度運算得到被樣本吸收後剩餘光子數，將基準強度訊號減去被樣本吸收後剩餘光子數，藉此得知樣本的吸收光子數。
於一實施例中，X射線照影系統計算樣本強度訊號的像素k(如第3C圖所示)上方X光穿過樣本厚度x，於此樣本厚度x路徑中將X光能譜之特定能量i的吸收光子數轉換成吸收能量可以由函式(7)計算，再經由函式(8)可算出物體的平均吸收劑量Object Dose(單位：Gy,J/kG)：
於一實施例中，請參閱第9圖，第9圖係依照本發明一實施例繪示計算樣本吸收劑量方法900之流程圖。
於步驟910中，處理器PC接收基準強度訊號。
於步驟920中，處理器PC根據樣本厚度x以及樣本吸收係數計算於X光能譜之特定能量i之X光穿過樣本厚度x且被樣本吸收後的剩餘光子數。於一實施例中，處理器PC應用函式(3)以計算出於X光能譜之特定能量i之X光穿過樣本厚度x且被樣本吸收後的剩餘光子數。
於步驟930中，處理器PC計算樣本厚度x於X光能譜之特定能量i該樣本的吸收光子數。於一實施例中，處理器PC應用函式(6)以計算出樣本厚度x於X光能譜之特定能量i該樣本的吸收光子數。
於步驟940中，處理器PC將X光能譜之特定能量i下的吸收光子數轉換成吸收能量。於一實施例中，處理器PC應用函式(7)以計算出吸收能量。
於步驟950中，處理器PC將偵測器DT上所有像素上方樣本厚度所吸收的能量相加後，除以樣本質量，以算出樣本的平均吸收劑量。於一實施例中，處理器PC應用函式(8)以計算出樣本的平均吸收劑量。
於一實施例中，X射線照影系統可藉由方法900計算出X射線源SR發出的X射線劑量率，如樣本模擬為輻射偵測器(圖未示)，輻射偵測器的游離腔中例如充滿空氣，於函式(3)至(8)帶入已
知的游離腔厚度x及樣本吸收係數(空氣吸收係數)，據此獲得輻射偵測器的平均吸收劑量，即為X射線源SR發出的X射線劑量率。
本發明所示之X射線照影方法及系統，透過偵測器上之訊號數值進行物體體厚運算以及輻射劑量計算，藉由此運算能夠直接從影像上得知物體厚度、質量以及物體內所吸收之輻射劑量，此技術可以應用至即時提供當下X射線源給予的劑量率、累積劑量以及物體所吸收之平均劑量，於實際應用中操作者能夠透過X光拍攝的當下得知物體體厚且無須另外加裝昂貴的輻射偵測器即可得知當下的X射線劑量率以及物體所吸收之平均劑量。
本發明之方法，或特定型態或其部份，可以以程式碼的型態存在。程式碼可以包含於實體媒體，如軟碟、光碟片、硬碟、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體，亦或不限於外在形式之電腦程式產品，其中，當程式碼被機器，如電腦載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。程式碼也可以透過一些傳送媒體，如電線或電纜、光纖、或是任何傳輸型態進行傳送，其中，當程式碼被機器，如電腦接收、載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。當在一般用途處理單元實作時，程式碼結合處理單元提供一操作類似於應用特定邏輯電路之獨特裝置。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:X射線照影方法
110~130:步驟
Claims (8)
- 一種X射線照影方法，包含複數個步驟：(a)執行一第一物體照影，藉由偵測穿過一第一物體的一X射線，獲得一第一物體影像；(b)執行一基準照影，藉由偵測該第一物體不在一照影範圍時該X射線，獲得一基準影像；以及(c)由該第一物體影像、該基準影像及該第一物體的一第一衰減係數進行運算，獲得該第一物體的一第一厚度；其中獲得該第一厚度之步驟(c)包含：(c-1)由該基準影像的一X光能譜及該第一衰減係數進行運算而獲得一第一厚度特徵曲線；以及(c-2)由該第一厚度特徵曲線及該第一物體影像進行運算，獲得該第一厚度；(d)執行一第二物體照影，藉由偵測穿過一第二物體的該X射線，獲得一第二物體影像；以及(e)由該第二物體影像、該基準影像及該第二物體的一第二衰減係數進行運算，獲得該第二物體的一第二厚度；(f)將該第二厚度減去該第一厚度，獲得一樣本厚度；(g)由該基準影像、該樣本厚度及一樣本吸收係數進行運算，獲得一剩餘光子數；其中該第一物體係一載台，該第二物體包含一樣本及該載台；以及 (h)由該基準影像與該剩餘光子數進行運算，獲得該樣本的一吸收光子數。
- 如申請專利範圍第1項所述之X射線照影方法，其中，該第一厚度特徵曲線經由一函式獲得，該函式包含：
- 如申請專利範圍第1項所述之X射線照影方法，其中獲得該第二厚度之步驟(e)包含：(e-1)由該基準影像的一X光能譜及該第二衰減係數進行運算而獲得一第二厚度特徵曲線；以及(e-2)由該第二厚度特徵曲線及該第二物體影像進行運算，獲得該第二厚度。
- 如申請專利範圍第3項所述之X射線照影方法，其中，該第二厚度特徵曲線經由一函式獲得，該函式為：
- 一種X射線照影方法，包含複數個步驟：(a)執行一第一物體照影，藉由偵測穿過一第一物體的一X射線，獲得一第一物體影像；(b)執行一基準照影，藉由偵測該第一物體不在一照影範圍中時該X射線，獲得一基準影像；以及(c)執行一第二物體照影，藉由偵測穿過一第二物體的該X射線，獲得一第二物體影像；(d)由該第一物體影像與該第二物體影像進行運算，獲得一樣本影像，其中該第一物體係一載台，該第二物體包含一樣本及該載台；以及(e)由該樣本影像、該基準影像及一樣本衰減係數進行運算，獲得一樣本厚度；其中獲得該樣本厚度之步驟(e)包含：(e-1)由該基準影像的一X光能譜及該樣本衰減係數進行運算，獲得一樣本厚度特徵曲線；以及(e-2)由該樣本厚度特徵曲線及該樣本影像，獲得該樣本厚度；(f)由該基準影像、該樣本厚度及一樣本吸收係數進行運算，獲得一剩餘光子數；以及 (g)由該基準影像與該剩餘光子數進行運算，獲得該樣本的一吸收光子數。
- 如申請專利範圍第5項所述之X射線照影方法，更包含步驟(h)：該樣本的該吸收光子數經由一函式運算獲得該樣本的一吸收能量，該函式為：其中，符號E為一X光射源的一最大管電壓，符號i為一X光能譜之特定能量，符號為該X光射源穿過該樣本厚度，於該X光能譜之特定能量i的該吸收光子數。
- 如申請專利範圍第5項所述之X射線照影方法，更包含步驟(i)：由該樣本厚度、該樣本的一密度及該樣本在該照影範圍中所佔的一面積進行運算，獲得該樣本在該照影範圍中的一質量。
- 一種X射線照影系統，包含：一X射線源，配置以產生一X射線；一偵測器，配置以偵測該X射線；以及一處理器，耦接於該偵測器，該處理器配置於執行如申請專利範圍第1至7項中任一者。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010249691A (ja) * | 2009-04-16 | 2010-11-04 | Nittetsu Elex Co Ltd | 校正曲線の作成方法 |
| TW201435301A (zh) * | 2013-03-14 | 2014-09-16 | Tokyo Electron Ltd | Ｘ射線非破壞檢查裝置 |
| CN104136885A (zh) * | 2012-09-10 | 2014-11-05 | 株式会社东芝 | X射线厚度计 |
| CN109997029A (zh) * | 2016-11-29 | 2019-07-09 | 莱特拉姆有限责任公司 | 对输送机上的异物进行探测的多能量x射线吸收成像 |
-
2020
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