锥束CT动态Bowtie滤波器仿真及设计
发布时间：2020-11-22 06:32
在计算机层析成像(computed tomography,简称CT)中,一个前置于病人的蝴蝶结型射线滤波器(bowtie filter或bowtie)能够根据病人的检测部位和尺寸有选择性地衰减X射线来平衡到达探测器的光子通量,同时降低病人所受的辐射剂量、减小散射与射线硬化对成像的影响。传统的静态Bowtie在CT扫描过程中对X射线的调制不发生变化,因而探测器上的光子通量不能被动态调制。为此,中国重庆大学的刘丰林教授和美国伦斯乐理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的王革教授联合提出一种能够动态调制X射线且适用于锥束CT扫描的动态Bowtie,本文中称之为锥束CT动态Bowtie。此动态Bowtie是由填充衰减液的高衰减模块(highly attenuating bowtie,简称HB)和位于HB衰减液中的低衰减模块(weakly attenuating bowtie,简称WB)组成。当投影范围内(field of view,简称FOV)没有检测对象时HB使到达探测器的光子通量一致,当检测对象被放入FOV内时,WB取代高衰减液体中的一部分来线性地弥补检测对象对X射线的衰减,从而使得到达探测器上的光子通量被有效平衡。在CT检测过程中,WB随着CT扫描同步转动以保持线性弥补关系不变,而使探测器上的光子通量被动态地调制。本文对锥束CT动态Bowtie进行蒙特卡罗仿真和设计,在此基础上分析锥束CT动态Bowtie对辐射剂量、CT重建图像质量、射线散射与射线硬化的影响,并进一步研究了锥束CT动态Bowtie的应用。本文的主要研究工作包括:(1)研究锥束CT动态Bowtie的原理。以锥束CT扫描中间平面为基础,根据射线穿过动态Bowtie并透射均匀衰减的对象时到达探测器的光子通量一致的条件推导出锥束CT动态Bowtie的设计理论。(2)构建锥束CT系统的蒙特卡罗仿真框架。基于蒙特卡罗仿真软件MCNP5,搭建了一个包含有反射靶X射线源、目标试样和锥束CT动态Bowtie的CT系统的仿真框架,以及选取CeCl_3溶液为HB衰减液。(3)基于蒙特卡罗仿真的锥束CT动态Bowtie设计。为了使到达探测器的光子通量平衡,设计了HB的外形,以及确定出CeCl_3溶液浓度为33.6%。蒙特卡罗仿真结果表明,当动态Bowtie作用于设计试样时,X射线的动态范围压缩了1293倍,设计试样的辐射剂量减少了76%和CT重建图像标准差从0.086降低到0.059,当动态Bowtie作用于目标试样时,X射线的动态范围被压缩了111倍和CT重建图像的加性零均值高斯噪声方差由0.079降低到了0.027。(4)分析锥束CT动态Bowtie对射线硬化和散射的影响。蒙特卡罗仿真结果表明,锥束CT动态Bowtie可以有效减小射线硬化影响,减少到达探测器的散射光子数。(5)对锥束CT动态Bowtie的应用进行展望。设计了病体腹部的锥束CT动态Bowtie结构,并展望了其在圆周CT扫描和直线CT扫描中的应用。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;TN713
【部分图文】：
重庆大学硕士学位论文形的截面形状对应，静态 Bowtie 能更多地衰减远离中心区域的 X 射线，测器的光子通量平衡而减少病人所遭受的辐射剂量[12]，同时由于低能谱线被过滤，保留了不易产生射线硬化和散射的高能谱段 X 射线，从而 C像质量能被提高[13, 14]。
2图 1.2 静态 BowtieFig.1.2 Static Bowtie以圆周扇束扫描模式为例，整个 CT 扫描运动过程可以看成是物体相对探测器相对转动的过程。由于人体横截面形状为近椭圆型，因此 X 射两边的衰减路径较短，穿过人体中间的衰减路径较长，导致到达探测器通量较大，而到达探测器中间的光子通量较小(图 1.3(a))。虽然在一些owtie 使到达探测器的光子通量范围变得狭窄(图 1.3(b))，但是静态 Bo CT 构架转动过程中，随着与病人身体截面相对位置的变化其形状尺寸因此，在某些投影位置时，静态 Bowtie 不能有效调制 X 射线导致到达
(a) (b) (c)图 1.3 静态 Bowtie 对 X 射线的调制Fig. 1.3 The modulation of X-ray by static bowtie在整个 CT 扫描过程中，一个能使到达探测器的光子通量平衡的 Bowtie 不但可以有效地减少病人所受的辐射剂量而且能更好地提高 CT 重建图像质量[15]。由于静态 Bowtie 的缺点，能更加有效压缩 X 射线的动态 Bowtie 被提出。在 CT 扫描过程中，随着病人身体截面位置相对射线源位置的变化，X 射线在病人中的衰减也会发生变化，动态 Bowtie 会通过动态地改变其衰减曲面来动态地调整 X 射线的衰减长度，从而协调 X 射线在病人中的衰减变化。因此，在整个 CT 扫描过程中，动态 Bowtie 可以使到达探测器的光子通量更加一致。一个理想的动态 Bowtie 会使整个 CT 扫描过程中到达探测器的光子通量始终维持在一个常值，这样的动态 Bowtie一直是此领域研究者们追求的目标。1.2 课题研究意义
【参考文献】
本文编号：2894280
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;TN713
【部分图文】：
重庆大学硕士学位论文形的截面形状对应，静态 Bowtie 能更多地衰减远离中心区域的 X 射线，测器的光子通量平衡而减少病人所遭受的辐射剂量[12]，同时由于低能谱线被过滤，保留了不易产生射线硬化和散射的高能谱段 X 射线，从而 C像质量能被提高[13, 14]。
2图 1.2 静态 BowtieFig.1.2 Static Bowtie以圆周扇束扫描模式为例，整个 CT 扫描运动过程可以看成是物体相对探测器相对转动的过程。由于人体横截面形状为近椭圆型，因此 X 射两边的衰减路径较短，穿过人体中间的衰减路径较长，导致到达探测器通量较大，而到达探测器中间的光子通量较小(图 1.3(a))。虽然在一些owtie 使到达探测器的光子通量范围变得狭窄(图 1.3(b))，但是静态 Bo CT 构架转动过程中，随着与病人身体截面相对位置的变化其形状尺寸因此，在某些投影位置时，静态 Bowtie 不能有效调制 X 射线导致到达
(a) (b) (c)图 1.3 静态 Bowtie 对 X 射线的调制Fig. 1.3 The modulation of X-ray by static bowtie在整个 CT 扫描过程中，一个能使到达探测器的光子通量平衡的 Bowtie 不但可以有效地减少病人所受的辐射剂量而且能更好地提高 CT 重建图像质量[15]。由于静态 Bowtie 的缺点，能更加有效压缩 X 射线的动态 Bowtie 被提出。在 CT 扫描过程中，随着病人身体截面位置相对射线源位置的变化，X 射线在病人中的衰减也会发生变化，动态 Bowtie 会通过动态地改变其衰减曲面来动态地调整 X 射线的衰减长度，从而协调 X 射线在病人中的衰减变化。因此，在整个 CT 扫描过程中，动态 Bowtie 可以使到达探测器的光子通量更加一致。一个理想的动态 Bowtie 会使整个 CT 扫描过程中到达探测器的光子通量始终维持在一个常值，这样的动态 Bowtie一直是此领域研究者们追求的目标。1.2 课题研究意义
【参考文献】
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7 王玉霞，郭亦超;纪念伦琴发现X射线100周年[J];中华放射医学与防护杂志;1995年06期
本文编号：2894280
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