面向双能CT成像的医用X射线能谱重构解析方法

发布时间：2021-03-24 19:32

　　现有能谱CT在不同的扫描过程中有效能量窗口通常固定不变,限制了CT成像系统的动态范围.为了提高能谱CT成像精度,提出了一种面向双能CT成像的重构解析医用X射线能谱的方法.利用不同能量的X射线光子在硅半导体中吸收的差异,通过积分不同深度的半导体内的光生电荷并重构解析方程,经一次辐射可以获得同一物体在不同能量组合下的投影信息并用于图像重建.仿真结果表明:图像重建质量受有效能量窗口、待测物质成分及尺寸影响,方法在降低辐射剂量的同时获得了物质在不同能量组合下的成像结果,并可以针对不同物体选择最优能量组合进行成像. 

【文章来源】：南开大学学报(自然科学版). 2020,53(03)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

可变双能能谱探测及重构解析示意图

文献[9]提出了一种应用于医学X射线能谱探测的Edge-on分层探测器像素单元,其基本的二维结构如图1所示.像素单元采用了金属-氧化物-半导体的MIS结构,穿过人体的待测多色X射线自探测器像素的侧边缘入射,射线光子在P型硅半导体中由于光电效应及康普顿散射作用,将会在硅衬底的不同深度激发产生电子空穴对,通过对顺序排布的正面电极施加合适的正偏压,光生电荷将会被收集到就近的势阱中存储.在该探测器像素单元中,定义沿X射线入射方向上3个相邻的电极所覆盖的探测器深度为"一层",各层之间没有实质的物理隔离.当X射线曝光时,各层中的中间电极V2设置为高电平20 V,V1和V3设置为0电平.为了获得各层势阱中的电荷信息,探测器像素单元采用三相电荷耦合转移方式,将收集的电荷包串行转移至读出电路后分别存储(如图1所示),供后续重构解析能谱使用,具体实现:相邻的两个多晶硅电极V1和V2均施加正高电平(0.1μs),在两个电极下都会生成势阱,而且相邻电极间隔很窄,两个势阱将会耦合在一起,原本存储在所有V2电极下的电荷包将由V1和V2之下的耦合势阱共享;然后降低V2上的电压并保持V1高电平不变(0.1μs),电荷包将会完全转移到V1下的势阱中,通过控制电压周期性变化重复上述过程,可以将存储在各层单元中的电荷包逐次读出.基于半导体器件仿真工具实现的探测器像素器件建模、光电响应及具体的电荷收集-转移分析详见文献[9].2 基于Edge-on分层探测器的能谱重构解析方法

在医用X射线能量范围内,光电效应和康普顿散射是两种主要的光电转化机制[12].光电效应是半导体中的电子完全吸收入射光子的能量后跃迁到导带形成自由电子,并碰撞激发出更多的电子-空穴对,光生电荷数与光子能量(光强)之间存在良好的线性关系;而在康普顿散射过程中单光子能量只被电子吸收了一部分而产生了能量较低的二次散射光子,随机向各个方向散射的二次光子增加了光电转化的不确定性,降低了探测器像素的空间分辨率.硅相比于其他的半导体材料(碲锌镉、碲化镉等)具有更高的电子迁移率,但是其较低的原子序数也意味着随着光子能量的升高,康普顿散射所占概率将会逐渐上升.因此,为了降低硅探测器中高能光子康普顿散射带来的误差影响,将针对最大球管电压为80 ke V的射线能谱进行探测与重构解析,在低于80 ke V的能量范围内,光子康普顿散射始终保持较低的概率(散射系数稳定在0.3/cm-1左右),光电效应占据主导地位,保证了光生电荷与光子能量之间较好的线性关系[13].较低能量的X射线对人体胸腹等部位穿透能力较弱,但可被应用于人体肢端及小动物的扫描成像.基材料分解理论.基于基材料分解模型的双能CT图像重建可以获得待测物体的有效原子序数Zeff及电子密度,其基本假设是光子在物体中的线性衰减系数μ(E)能表示成两个已知线性衰减系数材料的线性组合[14]

【参考文献】：
期刊论文
[1]双能CT成像的数值仿真[J]. 王丽新,孙丰荣,仲海,周镇镇,秦娇娇.  航天医学与医学工程. 2015(05)
[2]基于投影匹配的X射线双能计算机层析成像投影分解算法[J]. 李保磊,张耀军.  光学学报. 2011(03)



本文编号：3098269