一种检测CT光子计数型探测器准确性的方法与流程

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种检测CT光子计数型探测器准确性的方法。

背景技术：
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典型的CT设备主要包括三大部分，即扫描部分、检查床、以及操作控制台。其中，CT扫描部分主要由X线球管、高压发生器、探测器、数据采集系统、控制计算机等组成。X线球管发出X射线束对所选择的层面进行扫描，而探测器则将收集到X线信号转变为电信号，经模/数(A/D)转换器转换成数字信号，输入计算机储存和处理，从而得到该层面各单位容积的CT值，并排列成数字矩阵。探测器是CT系统中的重要组成部分，传统的电荷积分型X射线探测器，不具有识别能量的能力，而光子计数探测器可以用光子数目代替光子能量沉积，其具备高能量分辨率，并能通过设置能量阈值的方式，将原本混合在一起的X射线能谱分成不同的能量段，再对分别每个能量段里的光子粒子数进行计数，这样就能够得到不同能量段下的X射线光子能量的衰减情况。

光子计数型探测器的准确性非常重要，如果探测器对衰减系数的测量不够准确，测量中的小误差可能被误认为信号的变化，直接影响成像质量和后续的处理。一般在CT设备出厂前，生产厂商都会对光子计数型探测器进行准确性检测，买家也需要对其准确性进行检验，评估探测器对CT成像的性能的影响，以便进行后续的校正及能量-阈值标定。所以有一个经济实用且操作方便的检验光子计数型探测器准确性的方法是非常有必要的。

CT成像系统的X射线能谱分布在双能谱CT成像、CT图像的硬化校正、CT图像的散射校正、CT图像的定量分析等众多领域扮演着重要的角色。由于CT系统中X光机产生的X射线的流强较大，利用X射线光谱仪直接测量比较困难，因此人们提出了多种间接的方法来估计CT系统的X射线能谱分布。目前，已有许多方法来获得较为准确的X射线能谱分布，如经验与半经验模型、康普顿散射法和衰减透射法等。其中，衰减透射法具有适应能量范围较广、计算相对简单等优点，在X射线能谱测量特别是MeV能量的高能X射线能谱重建中，得到较多的关注与研究。基于衰减透射原理的X射线能谱测量方法主要分为两个步骤：第一步是获得X射线随衰减材料厚度变化的直穿透射率曲线，第二步则是利用透射率与X射线能谱关联的方程进行解谱。现有的利用衰减透射原理重建X射线能谱的技术都是基于一种衰减材料，设计的扫描模体形状有楔形和截椎体等。这种设计的相同点是得到的方程会有高度的病态性，继而想通过解方程得到正确的离散能谱值会是一个难题，现有技术都是在着重寻找更有效的解病态方程的方法，例如迭代扰动法等，以求得较为正确的离散能谱值。

技术实现要素：
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针对现有技术的缺陷，本发明提供一种检测CT光子计数型探测器准确性的方法，通过设置三棱柱形双材料模体，基于衰减透射原理，利用两种衰减物质进行能谱测量，间接检测光子计数型探测器的准确性，在根源上有效改善待解的线性方程组的病态性，通过常见的线性方程求解算法求得相对准确的离散能谱值；模体结构简单，操作方便，扫描次数少，有效避免浪费资源，能谱测量的可靠性高，为光子计数型探测器的后续校正工作提供了强有力的依据，更有利于推进对光子计数型探测器的性能测试工作。

本发明提供一种检测CT光子计数型探测器准确性的方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建第一CT扫描系统，包括光源、模体和探测器，对模体扫描得到第一组扫描数据，具体包括：

步骤101、设置光源为X射线球管；

步骤102、模体设于光源与探测器之间，模体设置为三棱柱形双材料模体，三棱柱的上下底面为全等的等腰钝角三角形，以上下底面的底边上的高所在的矩形切面为界，将三棱柱模体均分为两个等大的楔形部分，一侧楔形为第一种衰减材料，另一侧楔形为第二种衰减材料；三棱柱中等腰钝角三角形的底边所在的矩形侧面作为入射面，另外两个矩形侧面分别为第一出射面和第二出射面，所述入射面正对光源放置；

步骤103、设置探测器为普通平板电荷积分型X射线探测器；

步骤104、利用第一CT扫描系统扫描三棱柱形双材料模体，启动X射线球管发射X射线，发出的X射线从入射面射入，同时穿过双材料模体的两种衰减材料，从第一出射面和第二出射面射出；

步骤105、探测器接收穿过模体后的X射线信号，得到第一组扫描数据；

步骤2、去掉第一CT扫描系统中的模体，其他参数和条件不变，形成第二CT扫描系统，启动光源，进行空扫，得到第二组扫描数据；

步骤3、基于衰减透射原理，进行X射线能谱测量，依据扫描得到的第一组扫描数据和第二组扫描数据对X射线能谱进行求解，得到X射线第一离散能谱；

步骤4、用待测的CT光子计数型探测器替换所述第二CT扫描系统中的普通平板探测器，光源的设置不变，进行空扫，得到X射线第二离散能谱；

步骤5、将X射线第二离散能谱与X射线第一离散能谱进行对比，如果两者一致或误差在预定误差范围内，则CT光子计数型探测器准确性达到要求，否则，准确性不足。

进一步地，步骤1中，模体的大小及设于光源与探测器之间的具体位置依据光源与探测器的距离、X射线覆盖到的角度和探测器工作面的大小设置，使光源发射的X射线覆盖整个模体，且被探测器工作面接收到。

进一步地，三棱柱形双材料模体的等腰钝角三角形的钝角角度依据X射线覆盖到的角度、光源与模体之间的距离及衰减材料的厚度设置，既要保证X射线能覆盖整个模体，又要保证模体的厚度不至于使光子数衰减过于严重而影响探测效果。

进一步地，步骤3中，基于衰减透射原理，进行X射线能谱测量的方法具体为：

步骤301、利用两次扫描得到的第一组扫描数据和第二组扫描数据，获得X射线透射率随衰减材料的厚度变化的线性方程组，线性方程的公式为：

$T\left(x_{s,i}\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}F\left(E_j\right)\exp \[-{\mathrm{\μ}}_s\left(E_j\right){\mathrm{\ρ}}_s{x}_{s,i}\]\mathrm{\Δ}E$

式中，x_s，i(i＝1，…，m，s＝1，2)表示第s种衰减材料的第i种厚度，s＝1表示为第一种衰减材料，s＝2表示为第二种衰减材料，m表示第s种衰减材料的厚度总个数，m的取值由探测器上划分的探测区域的个数决定；T(x_s，i)表示离散化的X射线透射率，T(x_s，i)＝I(x_s，i)/I(0_s)，I(x_s，i)为第一组扫描数据，表示经过厚度为x_s，i的衰减材料后的探测器接收信号强度，I(0_s)为第二组扫描数据，表示空扫得到的未经衰减的探测器接收信号强度；E_j(j＝1，…，n)表示离散光子能量，j表示不同离散光子能量的编号，n表示离散光子能量的总个数，n的取值在实际操作中依据实际操作条件并保证方程的个数大于等于n而设定，E₁＝E_min，表示光子能量下限，E_n＝E_max，表示光子能量上限；F(E_j)表示离散能谱值；μ_s(E_j)表示在每个离散能量下衰减材料s的质量衰减系数；ρ_s表示衰减材料s的密度；ΔE表示离散能量区间宽度，ΔE＝(E_max-E_min)/(n-1)；

步骤302、求解步骤301中的线性方程组，重建X射线能谱，利用最大期望算法求解线性方程，得到X射线第一离散能谱值F(E_j)。

进一步地，第一种衰减材料为铁，第二种衰减材料为铝。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种检测CT光子计数型探测器准确性的方法，利用基于衰减透射原理的能谱测量法去间接检测光子技术型探测器准确性的方法，在原有衰减透射原理的基础上，通过设置三棱柱形双材料模体，基于两种衰减物质进行能谱测量，在根源上有效减轻待求解的线性方程组的病态性，利用常见的线性方程求解算法即可求得相对准确的离散能谱值，具有高度的可靠性。本发明中的三棱柱形双材料模体，模体结构简单，可以同时放置两种材料并互相不产生影响，操作方便，扫描次数少，经过一次扫描就可以得到两种材料的衰减数据，不仅改善了方程的病态性，还节省了资源，能有效为光子计数型探测器的后续校正工作提供强有力的依据，更有利于推进对光子计数型探测器的性能测试工作。

附图说明：

图1为本发明实施例提供的方法流程图；

图2为本发明实施例中模体结构及其入射面示意图；

图3为本发明实施例中模体的出射面示意图；

图4为本发明实施例中第一CT扫描系统的结构示意图。

图中：1、光源；2、模体；201、第一种衰减材料；202、第二种衰减材料；203、入射面；204、第一出射面；205、第二出射面；3、探测器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明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发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的方法如下所述。

步骤1、搭建第一CT扫描系统，包括光源1、模体2和探测器3，如图4所示，对模体2扫描得到第一组扫描数据I(x_s，i)，具体方法如下。

步骤101、设置光源1为X射线球管，本实施例中，光源1设置一个10kev～130kev的离散能谱；

步骤102、模体2设于光源1与探测器3之间，模体2设置为三棱柱形双材料模体，如图2所示，三棱柱的上下底面为全等的等腰钝角三角形，以上下底面的底边上的高所在的矩形切面为界，将三棱柱模体均分为两个等大的楔形部分，一侧楔形为第一种衰减材料铁201，另一侧楔形为第二种衰减材料铝202；

三棱柱中等腰钝角三角形的底边所在的矩形侧面作为入射面203，另外两个矩形侧面分别为第一出射面204和第二出射面205，如图3所示，入射面203正对光源1放置；本实施例中，模体2的矩形入射面203为30×60厘米的矩形，两底面之间的厚度为1厘米；

选择铝和铁这两种衰减材料的原因为：一是铝和铁比较常见，容易制备，二是铝和铁的衰减性差别较大，铝衰减性相对温和，而铁衰减性较强，这样会使得到的线性方程的秩增大，条件数降低，从而有效减轻方程的病态性，得到更加准确的解；具体实施中，也可以采用三种或三种以上的衰减材料，利用相同的衰减透射原理进行能谱测量，选取得当也能得到上述效果，甚至优于上述效果，只是不能采取三棱柱形双材料模体，而是需要分别对不同材料的楔形模体进行扫描，然后进行方程的叠加，某种程度上增大了实验的复杂性和成本，所以综合考虑选取由铝和铁两种衰减材料组成的三棱柱形双材料模体，楔形模体的结构特点可以保证X射线经过一种衰减材料时，可以产生不同的厚度，得到一系列线性方程，对三棱柱形双材料模体进行扫描可以通过一次扫描分别实现对两种衰减材料的透射；

模体2的大小及设于光源1与探测器3之间的具体位置依据光源1与探测器3的距离、X射线覆盖到的角度和探测器3工作面的大小设置，使光源1发射的X射线覆盖整个模体2，且被探测器3工作面接收到；三棱柱形双材料模体的等腰钝角三角形的钝角角度依据X射线覆盖到的角度、光源1与模体2之间的距离及衰减材料的厚度设置，既要保证X射线能覆盖整个模体2，又要保证模体2的厚度不至于使光子数衰减过于严重而影响探测效果，所以，在具体实施中，钝角的角度需要综合考虑实际扫描系统决定。

步骤103、设置探测器3为普通平板电荷积分型X射线探测器；

步骤104、利用第一CT扫描系统扫描三棱柱形双材料模体2，启动X射线球管发射X射线，发出的X射线从入射面203射入，同时穿过模体2的两种衰减材料，从第一出射面204和第二出射面205射出；

步骤105、探测器3接收穿过模体2后的X射线信号，得到第一组扫描数据I(x_s，i)；

步骤2、去掉第一CT扫描系统中的模体2，其他参数和条件不变，包括球管的管电压、管电流，球管和探测器之间的相对位置等参数，形成第二CT扫描系统，启动光源1，进行空扫，得到第二组扫描数据I(0_s)。

步骤3、基于衰减透射原理，进行X射线能谱测量，依据扫描得到的第一组扫描数据和第二组扫描数据对X射线能谱进行求解，得到X射线第一离散能谱，具体方法为：

步骤301、利用两次扫描得到的第一组扫描数据和第二组扫描数据，获得X射线透射率随衰减材料的厚度变化的线性方程组，线性方程的公式为：

$T\left(x_{s,i}\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}F\left(E_j\right)\exp \[-{\mathrm{\μ}}_s\left(E_j\right){\mathrm{\ρ}}_s{x}_{s,i}\]\mathrm{\Δ}E$

式中，x_s，i(i＝1，…，m，s＝1，2)表示第s种衰减材料的第i种厚度，s＝1表示为第一种衰减材料铁201，s＝2表示为第二种衰减材料铝202，m表示第s种衰减材料的厚度总个数，m的取值由探测器3上划分的探测区域的个数决定；T(x_s，i)表示离散化的X射线透射率，T(x_s，i)＝I(x_s，i)/I(0_s)，I(x_s，i)为第一组扫描数据，表示经过厚度为x_s，i的衰减材料后的探测器接收信号强度，I(0_s)为第二组扫描数据，表示空扫得到的未经衰减的探测器接收信号强度；E_j(j＝1，…，n)表示离散光子能量，j表示不同离散光子能量的编号，n表示离散光子能量的总个数，n的取值在实际操作中依据实际操作条件并保证方程的个数大于等于n而设定，E₁＝E_min，表示光子能量下限，E_n＝E_max，表示光子能量上限；F(E_j)表示离散能谱值；μ_s(E_j)表示在每个离散能量下衰减材料s的质量衰减系数；ρ_s表示衰减材料s的密度；ΔE表示离散能量区间宽度，ΔE＝(E_max-E_min)/(n-1)；本实施例中，m取值为60，n取值为60，能量区间ΔE为2，得到60个线性方程，其中前30个线性方程为经过衰减材料铁后的方程，后30个线性方程为经过衰减材料铝后的方程；

步骤302、利用最大期望算法求解步骤301中的线性方程组，重建X射线能谱，得到X射线第一离散能谱值F(E_j)；由于X射线衰减系数随能量变化非常缓慢，线性方程组的系数矩阵具有高度病态性，无法利用矩阵求逆的传统方法进行解谱，经过两种衰减物质后的方程病态性相较与一种衰减物质已经大大降低，此时可以利用期望最大化求解病态方程的算法去求解方程，得到更加准确的X射线第一离散能谱值。

步骤4、用待测的CT光子计数型探测器替换所述第二CT扫描系统中的普通平板探测器，光源1的设置不变，进行空扫，得到X射线第二离散能谱。

步骤5、将X射线第二离散能谱与X射线第一离散能谱进行对比，如果两者一致或误差在预定误差范围内，则CT光子计数型探测器准确性达到要求，否则，准确性不足。预定误差可以通过计算相对误差得到，本实施例中预定的误差为相对误差小于2％，原则上误差越小越好，具体范围根据实际扫描系统人为选取。两能谱的对比结果可以指导探测器的下一步校正工作，例如坏点校正，从而对探测器进行更准确的性能测试，评估其对CT成像性能的影响。

本实施例提供的检测CT光子计数型探测器准确性的方法，利用基于衰减透射原理的能谱测量法去间接检测光子技术型探测器准确性的方法，在原有衰减透射原理的基础上，通过设置三棱柱形双材料模体，基于两种衰减物质进行能谱测量，在根源上有效减轻待求解的线性方程组的病态性，利用常见的线性方程求解算法即可求得相对准确的离散能谱值，具有高度的可靠性。本实施例中的三棱柱形双材料模体，模体结构简单，可以同时放置两种材料并互相不产生影响，操作方便，扫描次数少，经过一次扫描就可以得到两种材料的衰减数据，不仅改善了方程的病态性，还节省了资源，能有效为光子计数型探测器的后续校正工作提供强有力的依据，更有利于推进对光子计数型探测器的性能测试工作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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发明权利要求所限定的范围。