CN104898159A - 一种能量分辨ct探测器的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量分辨CT探测器的校准方法，包括：步骤1)构建探测器的校准系统；步骤2)对探测器每个像素接收到的光子进行计数，以一定的电压间隔逐渐改变每个像素对应读出电路中比较器的阈值电压，作每个像素累计接收光子数对所述阈值电压的函数，即得到每个像素对X射线响应的能谱图；步骤3)通过递归拟合的方法对每个像素对应能谱图形状的特征值进行提取，并设定一个基准能谱图；步骤4)调整读出电路的增益值使得每个像素对应能谱图进行放缩，同时调整本底噪声使得每个像素对应能谱图平移，最后使得每个像素对应的能谱图与基准能谱图一致，本发明的校准方法方便实用，避免采用放射源。

Description

一种能量分辨CT探测器的校准方法

技术领域

本发明涉及一种探测器的校准方法，特别是一种能量分辨CT探测器的校准方法。

背景技术

近年来,能谱CT因其卓越的物质分辨能力,引起了业界广泛的兴趣，被称为彩色CT，世界上首台商业产品(Philips IQon)也于2013年推出。其优势体现在能够对单个光子的能量进行分辨，多个能量窗的图像可以通过一次扫描而获得，不仅可以消除暗计数的影响，还可以通过加权组合光子的能量大幅提升信噪比，有效降低辐射剂量，充分利用X射线的能谱信息。而传统CT探测器(黑白CT)只能对某个时间段所有光子能量的总合做出反应，在X光源能谱分布很宽的情况下，丢失了宝贵的能谱信息。对能量分辨探测器来说,理论上每个光子产生的电荷量正比于其能量，光谱信息可以通过与不同能量阈值的比较获得。但是目前的能量分辨材料如CZT等尚存在不少缺点，如晶格缺陷密度较高，导致探测器的每个像素对X光的响应有较大差别，如图2所示，探测器的能量分辨能力受到严重制约，削弱了物质分辨带来的好处。因此，精确量化每个像素的光谱响应是非常必要的。传统校准流程采用放射性源如^99mTc和⁵⁷Co等，射线能量是已知的固定值，通过标定特征谱峰产生的电荷量，调整增益和本底噪声，校准每个象素点的响应，如图3所示。校准流程大体为：使用放射源照射探测器-〉根据特征谱峰对应的阈值寻找每个像素的电荷产出/光子能量比值-〉调整增益和本底。

但这种校准方法的不足之处在于：放射源并不容易获得，需要购买者有特殊资质。对于开发探测器材料和后续电子电路产品的实验室来说，频繁的探测器校准很有必要，使用放射源既不经济，也特别麻烦。

发明内容

针对上述技术问题，本发明中提出了一种采用商用的X射线发生器对探测器的能谱响应进行校准的方法，利用特征图像形状分析和增益调整，对所有像素响应的光谱进行缩放，使得每个像素对同样通量的X射线光子响应均匀。

本发明还有一个目的是提高探测器校准的准确和高效性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种能量分辨CT探测器的校准方法，其为基于CT探测器各像素对商用X射线发生器的同一发射能谱的各响应能谱图之间的形状差异来进行的，包括以下步骤：

步骤1)构建探测器的校准系统，将探测器的能量接收面划分为由若干个像素组成的阵列，所述阵列覆盖设置在X射线发生器的出射线束中，将所述阵列通过读出电路与显示终端连接；

步骤2)对探测器每个像素接收到的光子进行计数，以一定电压间隔逐渐改变每个像素对应读出电路中比较器的阈值电压，作每个像素累计接收光子数对所述阈值电压的函数，即得到每个像素对X射线响应的能谱图；

步骤3)通过递归拟合的方法对每个像素对应能谱图形状的特征值进行提取，并设定一个基准能谱图；

步骤4)根据特征值的大小和增益值正比于阈值电压的关系，相应调整读出电路的增益值使得每个像素对应能谱图进行放缩，同时调整本底噪声使得每个像素对应能谱图平移，最后使得每个像素对应的能谱图与基准能谱图一致，从而使得探测器每个像素间的响应一致。

优选的，所述读出电路包括依次连接的电荷放大器、可调增益放大器、比较器、计数器，电荷放大器的输入端与探测器像素的信号输出端连接，计数器的输出端与显示终端连接。

优选的，所述步骤2)中，以0.01V的电压间隔从0V开始逐渐增加所述比较器的阈值电压，同时通过计数器读取每个像素接收到的累计光子数，作累计光子数对阈值电压变化的函数，得到像素响应的能谱图，所述能谱图呈高斯分布。

优选的，所述步骤3)中，所述特征值包括平均值和方差，通过递归拟合的方法提取能谱图的平均值和方差，所述平均值是能谱图峰位对应的阈值电压，即能谱图的偏移参数δ，其与本底噪声相关，所述方差即为能谱图的拉伸参数S，其正比于能谱图的宽度，拉伸参数S越大，能谱图宽度越大，像素分辨率越高。

优选的，所述递归拟合方法具体包括以下步骤：

步骤A)在[-0.2,0.2V]电压区间内、以0.01V为步进梯度选取一个阈值电压作为能谱图的预设偏移参数shift；

步骤B)根据该shift值计算归一化参数C＝1-erf(-shift)；

步骤C)对累计光子数b进行归一化b_norm＝b/max(b)*C；

步骤D)对b_norm进行erfinv变换，同时拟合能谱图的拉伸参数S和偏移参数δ；

步骤E)拟合的偏移参数δ与预设偏移参数shift值对比，采用递归的方式选择|δ-shift|最小的预设偏移参数shift值，该shift值和对应的拉伸参数S即为最佳拟合特征值参数。

优选的，根据步骤9)中得到的最佳shift值，调整每个像素对应的本底噪声，使能谱图平移到与基准能谱图的平移值一致的位置。

优选的，根据拉伸参数S的大小调整所述可调增益放大器的增益值，能谱图得到放缩，使得能谱图与基准能谱图的形状一致，最终每个像素完成调整，探测器校准完毕。

优选的，当待校准像素对应能谱图的拉伸参数S小于基准能谱图拉伸参数时，增大所述可调增益放大器的增益值，使得待校准像素对应能谱图变宽，当待校准像素对应能谱图的拉伸参数S大于基准能谱图拉伸参数时，减小所述可调增益放大器的增益值，使得待校准像素对应能谱图变窄。

优选的，本底噪声和增益值的调整同步进行。

本发明至少包括以下有益效果：

1、采用商用X射线发生器来代替放射源对探测器进行校准，价格便宜，使用方便；

2、采用新颖的能谱拟合方法对探测器不同像素的响应进行标定，有效降低误差，提高拟合精度，缩短校准时间。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为能谱图特征值提取过程的递归拟合方法流程示意图；

图2为同样X光子通量下探测器计数的不均匀性示意图；

图3为采用放射源的探测器能谱校正方法，a)使用放射源的探测能谱图b)放射源特征X光子能量与对应脉冲高度关系图c)调整增益使得探测器像素间响应一致的示意图；

图4理论模拟的X射线管能谱和实测能谱的关系示意图；

图5两个不同像素的对应能谱形状的示意图；

图6校准前后同样X光子通量下探测器计数不均性的对比示意图，a)为校准前，b)为校准后。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本方案的具体计算流程基于NOVARAD公司的IMELDA能量分辨探测器系统，对能谱形状不同的系统，可以参考该流程，不一定完全一致。X射线发生器与放射源最大的不同在于，X射线管阳极被电子轰击产生的射线能量是连续的，有一定分布，而电子跃迁需要遵守量子定律，产生的射线能量是离散的。100keV的电子轰击钨靶产生的能谱形状见图4所示。

由于脉冲重叠，串扰和拖尾效应，能量分辨探测器测得的能谱与实际能谱有较大的差距，实测能谱接近高斯分布。而由于对增益的响应和本底噪声不同，两个不同像素的能谱形状不同，如图5所示。高斯分布最主要的特征值是平均值和方差，如知道这两个参数，高斯分布的形状就基本确定，可以通过平移(改变平均值)和拉伸(改变方差)，使得所有像素点的响应达到一致。本发明的关键点是基于能谱形状的关键特征提取，然后进行增益和本底噪声的调整。

本发明提供了一种能量分辨CT探测器的校准方法，其为基于CT探测器各像素对商用X射线发生器的同一发射能谱的各响应能谱图之间的形状差异来进行的，具体包括以下步骤：

步骤1)构建探测器的校准系统，本实施例采用CZT光子计数探测器(eV2500,eV Microelectronics Inc.,Saxonburg,PA)，将探测器的能量接收面划分为由16x16个像素组成的阵列，将所述阵列覆盖设置在X射线发生器(MONOBLOCK E-40HF DF-151SB-T L-EMD,IMD GENERATORS vialeMatteotti 28/a-24050Grassobbio(BG)Italy)的出射线束中，阵列与X射线发生器的距离为85cm，X射线束经过2mm厚的铝进行预过滤，将所述阵列的信号输出端通过读出电路与显示终端连接，所述读出电路(IMELDA^TM,NOVARAD R&D)采用的是32个信号采集通道的集成电路，每个通道具有8个能量接收器，这种读出电路的最大计数率达到2x10⁶/秒/通道；

步骤2)X射线发生器以一定的能量激光出X射线，探测器激发出的电荷量跟X射线的强度相关，读出电路根据探测器每个像素接收到的电量信号转换成累计光子计数，同时以一定的电压间隔逐渐改变每个像素对应的读出电路中比较器的阈值电压，作每个像素累计接收光子数对所述阈值电压的函数，即得到每个像素对X射线响应的能谱图，能谱图横坐标为累计光子数，纵坐标为阈值电压；

步骤3)能谱图形状呈高斯分布，通过递归拟合的方法对每个像素对应能谱图形状的特征值进行提取，并设定一个基准能谱图作为校准参考，由于能谱呈高斯分布，主要的特征值包括平均值和方差，通过递归拟合的方法提取能谱图的平均值和方差，本实施例中所述平均值是能谱图峰位对应的阈值电压，即能谱图的偏移参数δ，其与本底噪声相关，所述方差即为能谱图的拉伸参数S，其正比于能谱图的宽度，拉伸参数S越大，能谱图宽度越大，像素分辨率越高；

步骤4)读出电路的增益值与阈值电压基本上成线性正比关系，根据拟合得到的拉伸参数S和偏移参数δ与基准能谱形状的差异，相应调整读出电路的增益值使得每个像素对应能谱图进行放缩，具体的，当待校准像素对应能谱图较基准能谱图窄时，根据拉伸参数S的大小增加增益值，使相应能谱相应变宽，当待校准像素对应能谱图较基准能谱图宽时，根据拉伸参数S的大小减小增益值，使相应能谱相应变窄，同时调整本底噪声使得每个像素对应能谱图平移，具体是，当待校准像素对应能谱图较基准能谱图往横坐标增大方向偏移时，根据偏移参数δ的大小减小本底噪声，使得相应能谱向横坐标减小方向移动，当待校准像素对应能谱图较基准能谱图往横坐标减小方向偏移时，根据偏移参数δ的大小增大本底噪声，使得相应能谱向横坐标增大方向移动，最后使得每个像素对应的能谱图与基准能谱图一致，从而使得探测器每个像素间的响应一致。

上述技术方案中，所述读出电路具体包括依次连接的电荷放大器、可调增益放大器、比较器、计数器，电荷放大器的信号输入端与探测器像素的信号输出端连接，每个像素由读出电路单独的计数通道进行计数，计数器的信号输出端与显示终端连接，由自带软件处理后即可显示能谱图。

上述技术方案中，所述步骤2)中，本实施例中具体以20μs为时间间隔、0.01V的电压间隔从0V开始逐渐增加所述比较器的阈值电压，X射线发生器的出射能量不变，同时通过计数器读取每个像素接收到的累计光子数，作累计光子数对阈值电压变化的函数，得到像素响应的能谱图，记录的光谱长度为0.69V，显示结果可以得出所述能谱图呈高斯分布。

所述递归拟合方法具体包括以下步骤：

步骤A)在[-0.2,0.2V]电压区间内、以0.01V为步进梯度随意选取一个阈值电压作为能谱图的预设偏移参数shift，在一定时间内对每个像素的接收光子数进行对时间的积分处理，得到累计光子数b；

步骤B)根据该shift值计算归一化参数C＝1-erf(-shift)；

步骤C)对实验得出的累计光子数b进行归一化b_norm＝b/max(b)*C；

步骤D)对b_norm进行erfinv变换，根据变换处理后的数据同时拟合能谱图的拉伸参数S和偏移参数δ；

步骤E)拟合得到的偏移参数δ与预设偏移参数shift值进行对比，采用递归的方式选择|δ-shift|最小的预设偏移参数shift值，该shift值和对应的拉伸参数S即为最佳拟合特征值参数。也就是根据上一次拟合得到的|δ-shift|值的大小来相应调整预设偏移参数shift，经过多次的比对寻优，最终使得预设偏移参数shift与拟合得出的偏移参数δ相差量最小，该预设偏移参数shift即为最准确的特征值。

上述技术方案中，根据步骤9)中得到的最佳shift值，调整每个像素对应的本底噪声，使能谱图平移到与基准能谱图的平移值一致的位置。具体是，当待校准像素对应能谱图较基准能谱图往横坐标增大方向偏移时，根据最佳shift值的大小减小本底噪声，使得相应能谱向横坐标减小方向移动，当待校准像素对应能谱图较基准能谱图往横坐标减小方向偏移时，根据最佳shift值的大小增大本底噪声，使得相应能谱向横坐标增大方向移动，使得每个像素对应能谱图与基准能谱图峰位一致。

上述技术方案中，根据最佳的拉伸参数S的大小调整所述可调增益放大器的增益值，能谱图得到放缩，具体的，当待校准像素对应能谱图的拉伸参数S小于基准能谱图拉伸参数时，也就是带校准像素的能谱较窄时，根据拉伸参数S的大小增加增益值，使相应能谱相应变宽，当待校准像素对应能谱图较基准能谱图宽时，根据拉伸参数S的大小减小增益值，使相应能谱相应变窄。同步调整本底噪声和增益值，经过多次逼近调整，最终使得能谱图与基准能谱图的形状一致，依次类推调整每个像素，使得探测器的每个像素对同样强度的X射线响应一致，校准完毕，校准前后的探测器各个像素对X光的响应如图6所示，对比可知，校准后探测器各像素对同一光通量的X光子的响应一致性显著提高，从而提高了探测器的物质分辨率。

由上所述，本发明采用商用X射线发生器来代替放射源对探测器进行校准，校准精度较高，校准后，探测器各像素对同一X射线的相应相对一致，此种校准方法采用的校准设备价格便宜，使用方便；采用新颖的能谱拟合方法对探测器不同像素的响应进行标定，有效降低误差，提高拟合精度，缩短校准时间，具有巨大的实用价值。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种能量分辨CT探测器的校准方法，其为基于CT探测器各像素对商用X射线发生器的同一发射能谱的各响应能谱图之间的形状差异来进行的，包括以下步骤：

步骤1)构建探测器的校准系统，将探测器的能量接收面划分为由若干个像素组成的阵列，所述阵列覆盖设置在X射线发生器的出射线束中，将所述阵列通过读出电路与显示终端连接；

步骤2)对探测器每个像素接收到的光子进行计数，以一定的电压间隔逐渐改变每个像素对应读出电路中比较器的阈值电压，作每个像素累计接收光子数对所述阈值电压的函数，即得到每个像素对X射线响应的能谱图；

步骤3)通过递归拟合的方法对每个像素对应能谱图形状的特征值进行提取，并设定一个基准能谱图；

步骤4)根据特征值的大小和增益值正比于阈值电压的关系，相应调整读出电路的增益值使得每个像素对应能谱图进行放缩，同时调整本底噪声使得每个像素对应能谱图平移，最后使得每个像素对应的能谱图与基准能谱图一致，从而使得探测器每个像素间的响应一致。

2.如权利要求1所述的能量分辨CT探测器的校准方法，其特征在于，所述读出电路包括依次连接的电荷放大器、可调增益放大器、比较器、计数器，电荷放大器的输入端与探测器像素的信号输出端连接，计数器的输出端与显示终端连接。

3.如权利要求2所述的能量分辨CT探测器的校准方法，其特征在于，所述步骤2)中，以0.01V的电压间隔从0V开始逐渐增加所述比较器的阈值电压，同时通过计数器读取每个像素接收到的累计光子数，作累计光子数对阈值电压变化的函数，得到像素响应的能谱图，所述能谱图呈高斯分布。

4.如权利要求3所述的能量分辨CT探测器的校准方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述特征值包括平均值和方差，通过递归拟合的方法提取能谱图的平均值和方差，所述平均值是能谱图峰位对应的阈值电压，即能谱图的偏移参数δ，其与本底噪声相关，所述方差即为能谱图的拉伸参数S，其正比于能谱图的宽度，拉伸参数S越大，能谱图宽度越大，像素分辨率越高。

5.如权利要求4所述的能量分辨CT探测器的校准方法，其特征在于，所述递归拟合方法具体包括以下步骤：

步骤A)在[-0.2,0.2V]电压区间内、以0.01V为步进梯度选取一个阈值电压作为能谱图的预设偏移参数shift；

步骤B)根据该shift值计算归一化参数C＝1-erf(-shift)；

步骤C)对累计光子数b进行归一化b_norm＝b/max(b)*C；

步骤D)对b_norm进行erfinv变换，同时拟合能谱图的拉伸参数S和偏移参数δ；

步骤E)拟合的偏移参数δ与预设偏移参数shift值对比，采用递归的方式选择|δ-shift|最小的预设偏移参数shift值，该shift值和对应的拉伸参数S即为最佳拟合特征值参数。

6.如权利要求5所述的能量分辨CT探测器的校准方法，其特征在于，根据步骤9)中得到的最佳shift值，调整每个像素对应的本底噪声，使能谱图平移到与基准能谱图的平移值一致的位置。

7.如权利要求6所述的能量分辨CT探测器的校准方法，其特征在于，根据拉伸参数S的大小调整所述可调增益放大器的增益值，能谱图得到放缩，使得能谱图与基准能谱图的形状一致，最终每个像素完成调整，探测器校准完毕。

8.如权利要求7所述的能量分辨CT探测器的校准方法，其特征在于，当待校准像素对应能谱图的拉伸参数S小于基准能谱图拉伸参数时，增大所述可调增益放大器的增益值，使得待校准像素对应能谱图变宽，当待校准像素对应能谱图的拉伸参数S大于基准能谱图拉伸参数时，减小所述可调增益放大器的增益值，使得待校准像素对应能谱图变窄。

9.如权利要求1所述的能量分辨CT探测器的校准方法，其特征在于，本底噪声和增益值的调整同步进行。