面向CT成像的可重构X射线能谱探测与解析技术研究

发布时间：2020-07-19 22:37

【摘要】：医学CT以非侵入的方式获得人体内部组织断层影像,对疾病的早期预防和无创诊疗发挥了重要作用。能谱CT采用两种及以上的能谱对同一物质进行扫描投影,结合双能重建算法可以获得被扫描物质的原子序数及电子密度,相对于传统CT可以实现更加精确的物质分离和定性。目前,应用于临床的能谱CT系统都是通过预先设定有效能量段的方式进行扫描投影。针对于不同种类的待测物体,单一固定的能量段组合限制了CT成像的动态范围。本文针对于双能CT成像的投影数据需求,提出了一种Edge-on型可分层的X射线能谱探测器像素结构,利用能量积分的方式实现X射线能谱的分段探测,并借鉴电荷耦合器件信号传输方式实现光生电荷高效转移读出;基于上述探测器像素的结构基础,提出了一种能谱分段探测及重构解析的方法,通过积分不同位置及深度的半导体内光生电荷并重构解析方程,可以获得不同能量段组合的投影信息;针对于探测器像素中存在的“高能拖尾”现象,本文提出了一种能谱校正技术,可以近似估算并且移除由于高能段光子在半导体探测器浅层位置吸收时产生的冗余电荷,提高两个能谱之间的分离度。本文通过数值仿真实验验证了Edge-on型探测器像素结构及能谱重构解析-校正方法的有效性。首先利用半导体器件仿真工具对像素建模并模拟了X射线探测及光生电荷转移过程;然后利用解析后的动态双能能谱对自定义的体模进行了图像重建。结果表明:利用不同深度的层内产生的光生电荷信息,该探测器可以在一次X射线曝光的情况下获得多个能量段的X射线衰减信息;对于动态双能组合,能谱校正方法的平均误差为7.31%,该方法可以被用来近似估计高能段光子在浅层半导体中激发的光生电荷量;在不同的能量组合下,体模图像重建质量存在差异,可重构调整的能量窗口不仅降低了病人辐射剂量,丰富了投影数据,而且可以针对不同的物体选择最优化的能谱段进行图像重建,提升了CT成像系统的动态范围及精度。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O434.1;R312
【图文】：

原理图,连续能谱,X射线产生,原理

图 2-1 连续能谱 X 射线产生原理X 射线衰减规律医用 X 射线能量范围内，X 射线与物质的相互作用主要有以下三、康普顿散射效应及相干散射（电子对效应只会发生于光子能V 的情况）[40]。通常，光电效应主要发生于入射光子能量较低且物小的情况下。在光电吸收过程中，入射光子与核外电子发生非弹消失其全部能量都被用于激发出一个电子。内壳层生成的空穴将会充并产生平均自由程极小的特征 X 射线光子。康普顿散射是一种通常发生于光子能量大于电子结合能的情况。光子与原子发生相分能量用于激发出一个电子，光子仍然存在但是波长发生变化，散般还具有较高能量，将会向 0o-180o 的任意角度偏转。相干散射也，这种相互作用不发生电离，没有光子能量与电子动量之间的相用 X 射线的探测没有贡献。

线性衰减系数,单色X射线,物质

图 2-2 单色 X 射线穿过不同线性衰减系数的物质其中 ln / 定义为投影，透射型成像中投影指的是射线扫描时通过所有体素衰减系数的累加和[2]。如果已知 d，，，则物体的线性衰减系数总和可以通过式(2-6)获得。CT 成像的最终目的是利用线性衰减系数总和获得每个体素各自的线性衰减系数，即图像重建。基于射线投影信息的图像重建算法主要分为两大类：一类是以 Radon 变换为基础的解析类重建算法，另一类是以解方程为主要思想的迭代类重建算法[1]。图像重建并非本文的研究重点，在此简单介绍一种目前应用较广泛的基于Rradon变换的滤波反投影（Filtered Back Projection, FBP）重建思想[43]。Fourier 变换及其逆运算是一对共轭运算，图像函数 f(x,y)可以通过它的Fourier 变换 F(u,v)作逆变换得到：j2π(ux+vy)- -f(x, y) = F(u, v) dudv e∞ ∞∞ ∞(2-7)将 Cartesian 坐标系(u,v)转换到 Polar 坐标系(ω,θ)得：

示意图,电荷转移,时序,示意图

电荷转移原理（a）光生电荷转移-收集时序（b）光生电荷转移示意图

【参考文献】