基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置及成像系统的制作方法

本实用新型涉及能谱探测技术领域，尤其涉及一种基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置及成像系统。

背景技术：

CT成像因其分辨率高、扫描速度快已经成为医疗常规设备，在临床诊疗过程中起着不可替代的作用。但在临床诊断中还存在很多局限性，无法满足临床诊疗的需求和医生的期待。目前常规CT中存在射束硬化伪影、辐射剂量较高、软组织区分能力差，以及仅能提供形态信息、无法提供物质和功能信息等问题。随着双能CT的出现，有效地解决了上述一部分问题。X射线具有连续的能谱，穿过物质后的射线中包含着丰富的被照射物体的衰减信息。能谱CT就是充分利用X射线中丰富的衰减信息，可以有效的提高图像质量，获得物质成分信息，降低辐射剂量，增强软组织对比度，全方位提升CT成像质量。

能谱CT成像的关键技术是对于X射线能谱的探测。目前，能谱CT常用的探测器是X射线光子计数探测器。光子计数(photon counting)技术最早应用于弱光的检测，通过对微弱信号的放大、甄别和处理，实现对于极弱入射光子的探测。光子计数探测器具有光子增益高、动态范围宽、输出亮度高、响应速度快、畸变小和空间分辨率高等优势。光子计数探测器通过设置多个电子学阈值，识别入射光子的能量信息并将其对应到不同的能区分别进行计数，将较宽能谱分布的X射线分能区进行计数，得到不同能区的成像结果。光子计数探测器需要将每个入射光子作为一个独立事件进行分析，并判断其所属能量区间，因此，光子计数率较高时不同光子与物质相互作用会产生叠加。同时，受到电子学处理速度的限制，光子计数探测器的能区数量有限，并且在入射光子数很大时，无法得到理想的结果。

带有N个能量阈值光子计数探测器的单个像素通道基本结构如图1所示。其工作原理如下：首先，当X射线光子到达光子计数探测器时，探测器接收到X射线光子，产生光子事件，具有一定能量的X射线光子通过光子事件使探测器产生电子电荷。然后，电子电荷在探测器内部向电极运动，产生脉冲信号。之后，脉冲高度与一个给定的能量阈值相比较。如果脉冲高度大于能量阈值，那么，计数器进行计数，否则，计数器不进行计数。最后，数模转换单元将N个能量阈值通道计数器的计数值转换为数字信号，分别读出。从而，单个像素通道探测器接收到X射线后，就会得到具有N个能量阈值的X射线投影数据。若M*M个像素单元的光子计数探测器每个探测器通道都具有图1所示的结构，就会得到M*M的光子计数探测器。

虽然光子计数探测器的优势越来越被人们认可，但是针对医学应用的需求仍然存在着某些技术难题。在X射线/CT医用成像系统中，短时间内需要捕获大量的光子，需要有大量的信息进行转换并传输存储至计算机中，对于电子学(ASIC)有很高要求。具有N个能量阈值的X射线光子计数探测器存在以下缺点：脉冲堆积效应。

脉冲堆积总是存在于光子计数探测器系统中。它反映探测器计数率和死时间的一个性能。在光子计数探测器以高速率记录每个光子的能量时，区分X射线谱的不同能段，光子数过多时，有些响应一致的光子也会被探测器认为是同一个光子，从而导致计数率丢失和空间分辨率扭曲，这种现象被称为“脉冲堆积效应”。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供一种基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置及成像系统，基于压缩感知理论，产生X射线能谱随机采样阈值，在设定的采样时间下对各个随机采样阈值的X射线进行光子计数，使用压缩感知迭代重建算法重建要探测的X射线能谱，能有效避免直接用光子计数探测器进行采集时会发生的脉冲堆积效应，为使用光子计数器进行X射线全能谱采集提供了可能。。

一方面，本实用新型提供一种基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置，包括探测器阵列、放大器、能量校准器、单像素阈值产生器、阈值设置器、比较器和脉冲计数器；

探测器阵列为包括若干个像素的平板型探测器，对于各像素通道均设有相应的放大器、能量校准器、比较器和脉冲计数器，各像素通道的输出端均连接各自对应的放大器，每个探测器像素均能探测穿过被扫描物衰减后的X射线光子，并生成所探测到的辐射信号；

放大器的另一端连接能量校准器的一端；放大器将探测器阵列生成的微弱辐射信号进行放大，得到幅值较大的信号；

能量校准器的另一端连接比较器的一个输入端；能量校准器校准标准能量阈值脉冲高度与经放大器放大后的X射线能量之间的对应关系，然后将校准后的信号发送给比较器；

单像素阈值产生器连接阈值设置器的一端；单像素阈值产生器根据压缩感知原理产生单像素随机稀疏采样阈值矩阵；

阈值设置器的另一端连接各像素通道对应的比较器的另一个输入端；阈值设置器将单像素阈值产生器产生的单像素随机稀疏采样阈值矩阵施加到各个探测器像素通道对应的比较器中；

比较器的输出端连接脉冲计数器；对于每个探测器像素通道，以阈值设置器输出的阈值为基准，比较器比较探测器探测到的脉冲信号的幅值高度与阈值高度，如果两者相等，则将该信号经过比较器输出到一个高电平脉冲，否则，比较器输出低电平脉冲；

脉冲计数器将比较器输出的高电平脉冲进行计数，其输出为光子能量，等于阈值的X射线光子的数量。

另一方面，本实用新型还提供一种基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测成像系统，包括电脑PC、辐照X射线源、旋转载物装置和上述的基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置；所述电脑PC通过网线与基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置的单像素阈值产生器和脉冲计数器连接，探测装置处于成像系统的X射线所照视野的被扫描物之后。

由上述技术方案可知，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的一种基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置及成像系统，能重建理想的X射线能谱，加快采集速度的同时，能有效避免直接用光子计数探测器进行采集时会发生的脉冲堆积效应，为使用光子计数器进行X射线全能谱采集提供了可能。

附图说明

图1为带有N个能量阈值的单个像素光子计数探测器基本结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测成像系统结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的X射线能谱探测流程图；

图5为本实用新型实施例提供的X射线能谱重建结果曲线图。

图中：1、电脑PC；2、辐照X射线源；3、旋转载物装置；4、探测装置；5、网线；6、被扫描物。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

一种基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置，如图2所示，包括探测器阵列、放大器、能量校准器、单像素阈值产生器、阈值设置器、比较器和脉冲计数器和。

探测器阵列是一个由512*512个直接转换探测器像素构成的平板型探测器，每个像素均可探测穿过被扫描物衰减后的X射线光子，并生成所探测到的辐射信号。对于各像素通道均设有相应的放大器、能量校准器、比较器和脉冲计数器，各像素通道的输出端均连接各自对应的放大器。

放大器的另一端连接能量校准器的一端；放大器用于将探测器阵列生成的微弱辐射信号进行放大，得到幅值较大的信号。

能量校准器的另一端连接比较器的一个输入端；能量校准器用于校准标准能量阈值脉冲高度与经放大器放大后的X射线能量之间的对应关系，然后将校准后的信号发送给比较器。

单像素阈值产生器连接阈值设置器的一端；单像素阈值产生器用于根据压缩感知原理产生单像素随机稀疏采样阈值矩阵。

阈值设置器的另一端连接各像素通道对应的比较器的另一个输入端；阈值设置器用于将单像素阈值产生器产生的单像素随机稀疏采样阈值矩阵施加到各个探测器像素通道对应的比较器。

比较器的输出端连接脉冲计数器；比较器用于对于每个探测器像素通道，以阈值设置器输出的阈值为基准，比较探测器探测到的脉冲信号的幅值高度与阈值高度，如果两者相等，则将该信号经过比较器输出到一个高电平脉冲，否则，比较器输出低电平脉冲。

脉冲计数器用于将比较器输出的高电平脉冲进行计数，计数器的输出为光子能量，等于阈值的X射线光子的数量。

一种包括上述基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置的锥束CT成像系统，如图3所示，包括电脑PC 1、辐照X射线源2、旋转载物装置3和上述的基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置4。其中，电脑PC通过网线5与基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置4的单像素阈值产生器和脉冲计数器连接，探测器阵列处于成像系统的X射线照着视野的被扫描物6之后。

具体实施中，PC产生随机性阈值传输到探测器的单像素阈值产生器中，将被扫描物6(模体或小动物)放置于旋转载物装置3上，调节转台位置，使被扫描物6处于X射线扫描视野中。启动转台转动，开启X射线源2和探测装置4，X射线穿过物体6照射到探测装置4上，探测装置4根据PC端1传输来的阈值信息进行数据采集，采集被扫描物6转动360度的投影数据，后将采集得到的数据发送到PC端1，经过锥束CT重建算法，进行X射线能谱的重建，重建出断层图像。

2004年，由Donoho与Candes等人提出的压缩感知理论是一个充分利用信号稀疏性或可压缩性的全新信号采集、编解码理论。该理论指出，在信号获取的同时就对数据进行适当地压缩，与传统的信号获取和处理过程相比，在压缩感知理论框架下，采样速率不再取决于信号的带宽，而是决定于信号中信息的结构与内容，这使得传感器的采样和计算成本大大降低，而信号回复过程是一个优化计算的过程。

压缩感知理论的前提条件是信号具有稀疏性或可压缩性。设长度为N的被采样信号X，记为X(n)，n∈[1，2，...，N]，给定一组稀疏基X可以表示为ψ^T的线性组合，则

其中，s与X是N×1维矩阵，ψ是N×N矩阵。式(1)表明信号X在ψ上是稀疏的。信号在稀疏基上只有k个非零系数，这样情况属于严格稀疏。大多数情况下信号无法满足，但只要信号具有可压缩性，信号就可以用近似系数表示。稀疏基的选择，尽可能使信号的稀疏系数个数少，这样有利于提高信号采集速度。常用的稀疏基有离散余弦变换、傅里叶变换、小波变换等。

在压缩感知理论中，并不是直接测量信号稀疏变化的重要关系，而是将信号的稀疏变换稀疏投影到变换基ψ不相关的测量矩阵φ上的到采样值y，即设计一个与ψ不相关的M×N维的观测矩阵φ，其中M＜N，那么，较低维的观测数据y就有：

y＝φX (2)

其中，y是M×1维列向量，测量矩阵φ为M×N(M＜N)的矩阵。

运用压缩感知理论，对于光子计数探测器的单个像素通道，通过阈值产生器产生M个X射线光子能量阈值，探测器采样X射线M个阈值能量的光子数，就能得到M个能量阈值的采样点。根据阈值产生器，探测器直接获取的是M次随机线性测量值，而不是原始信号的N(M＜N)个能量阈值，为X射线全能谱采样提供了可能。

根据压缩感知理论，式(2)可以转化为一个l1范数最优化问题式(3)的题解。

argin||ψ^TX||₁s.t.y＝φX (3)

基于式(3)的优化问题，目前为止出现的重建算法主要有：匹配追踪算法、凸松弛法和组合算法。本实施例中采取正交匹配追踪的重构算法来重建得到X射线能谱。利用压缩感知的理论进行X射线能谱重建不仅提高了采集效率，而且避免了直接用光子计数探测器进行采集时会发生的脉冲堆积效应，为使用光子计数器进行X射线全能谱采集提供了可能。

利用上述的基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测系统进行X射线能谱重建的方法，如图4所示，具体包括如下步骤：

步骤1：根据压缩感知的理论基础，用PC产生一个高斯分布的随机矩阵作为测量矩阵，根据该矩阵进行数据采集；

步骤2：将上一步中由PC得到的测量矩阵输入光子计数探测装置的能量阈值产生器中，产生的阈值信号经能量阈值设置器调节之后输入各像素的比较器中，对输入各像素的X射线进行信号采集；

步骤3：将上一步采集得到的信号传输到PC中，采用正交匹配追踪法进行X射线能谱重建。

得到的重建结果如图5所示，图中带点的密集曲线为重建得到的X射线能谱，较光滑的曲线为理想的原X射线能谱，重建结果较为理想，并且此方法加快了采集速度又有效的避免了光子计数探测器的脉冲堆积效应。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。