CN106405624B - 面向医用ct的重构解析x射线能谱的方法 - Google Patents

面向医用ct的重构解析x射线能谱的方法 Download PDF

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Abstract

本发明主要涉及半导体光电探测及X射线能谱解析领域，为解决现有的能谱解析计算方法主要是通过光电流脉冲的幅值确定X射线光强(光子数)信息，解析结果受射束硬化或电荷堆叠等影响严重，提供一种高精度的重构求解X射线能谱的方法。本发明采用的技术方案是，面向医用CT的重构解析X射线能谱的方法，利用不同厚度的半导体内的光生电荷总数递推得到入射光子数，并根据预设方案调整能谱分段区间及半导体分段区间来重构方程组，进而解析获得多个连续的不同能量段的X射线透过人体后衰减信息。本发明主要应用于半导体光电探测及X射线能谱解析相关设备设计制造场合。

Description

面向医用CT的重构解析X射线能谱的方法
技术领域
本发明主要涉及半导体光电探测及X射线能谱解析领域。主要是针对医用能谱CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)成像，提出了一种软X射线能谱解析计算的方法。具体讲,涉及面向医用CT的重构解析X射线能谱的方法。
背景技术
能谱CT能够利用多种不同能量的X射线光子衰减信息进行成像，理论上可以确定被扫描物质的原子序数，进行更加精确的物质分离和鉴定，弥补了传统CT单纯依赖平均CT值差异成像的不足。利用能谱CT成像的关键是提升探测器对X射线能谱分段探测能力，提高能谱解析计算的精度。本发明所提到的能谱解析主要指的是通过计算、推导的方式获得透过人体后不同能量X射线对应的光强信息(光子数)。双能CT通常是将高、低两个能量段的X射线通过闪烁体转化为可见光进行探测，并通过输出光电流脉冲的幅度解析得到原能谱。此种方法只能完成两个能量段X射线的探测，且由于高低能射线之间存在较明显的能量混淆而限制了双能CT的临床应用。利用单光子计数探测器的能谱CT主要通过设定能量选通阈值去选择性地记录不同能量X射线光电流脉冲，从而解析得到多个能量段内的X射线光子分布。利用单光子计数探测器理论上能够解析得到每个入射光子的能量信息，但其解析精度对射线源剂量及专用集成电路性能要求都比较高，且受电荷堆叠、重复计数等带来的误差影响较严重，目前最大光子计数率达到108光子/mm2/s，仍然无法满足实际临床的需求。因此，面向能谱CT成像领域，研究并提出一种高精度X射线能谱分段解析计算的方法，就是本发明所关注的问题。
发明内容
现有的能谱解析计算方法主要是通过光电流脉冲的幅值确定X射线光强(光子数)信息，解析结果受射束硬化或电荷堆叠等影响严重。为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种高精度的重构求解X射线能谱的方法。本发明采用的技术方案是，面向医用CT的重构解析X射线能谱的方法，利用不同厚度的半导体内的光生电荷总数递推得到入射光子数，并根据预设方案调整能谱分段区间及半导体分段区间来重构方程组，进而解析获得多个连续的不同能量段的X射线透过人体后衰减信息。
具体步骤是：
Step1：确定X射线能谱分段数及相应区间：假设待解析的医用X射线能量范围为(0-E)Kev，将能谱划分为n个待解析的能量段，进而求解每个能量段范围内X射线的平均光强信息；
Step2：确定半导体衬底分段区间：根据待解析的n个X射线能量段在半导体内的平均衰减情况分别确定相应的n处半导体分段位置。将选取每个能量段内最大能量的X射线光子被完全吸收的位置作为分界点，假设一整块半导体衬底的厚度为Sn，并有(0-S1),(S1-S2),(S2-S3),…(Sn-1-Sn)分别表示各个分段区间，S1，S2，S3，…Sn-1，Sn分别对应着能量为E1，E2，E3，…En-1，E的光子被完全吸收的位置；
Step3：确定半导体各分段区间内光生电荷总数：以S1，S2，S3，…Sn-1，Sn作为边界，分别将(0-S1),(S1-S2),(S2-S3),…(Sn-1-Sn)各个半导体区间内的光生电荷组合累加，得到各段范围内光生电荷总数，分别记为Q1，Q2，Q3，…Qn-1，Qn；
Step4：标定方程组系数矩阵kij及误差因子dj(i,j<＝n)，建立kij、dj与半导体位置和厚度相关的详细查找表：与Step2中划分的不同厚度的半导体区间相对应，kij表示在各个半导体区间内，不同能量段的X射线平均光子数与产生的电子数之间的线性比例系数；dj表示在相应厚度半导体内，由于暗电流、射束硬化等带来的误差影响；
Step5：联立方程组，解析分段能谱。利用各个不同厚度的半导体内光生电荷总数及kij、dj的查找表，解析对应的分段能谱的方程式如(1)所示，其中I1，I2，I3，…In-1，In分别代表待解析的各个能量区间内的平均光强即光子数：
通过求解上述方程，得到不同能量区间内的平均光强I1，I2，I3，…In-1，In后，一次完整的分段能谱解析计算过程结束；
Step6：通过调整半导体分段区间实现能谱重构解析，具体重构计算方法如下：
Step6.1：保持能谱分段区间不变，按预设方案调整半导体分段的边界位置，m种半导体衬底分段方案指的是：半导体分段边界S1，S2，S3…Sn-1分别在(S1 1-S1 m),(S2 1-S2 m),(S3 1-S3 m)…(Sn-1 1-Sn-1 m)的范围内调整m次；
Step6.2：每整体调整一次S1，S2，S3…Sn-1的位置，将重新跳回到Step2，重新确定半导体衬底分段区间，完成一次完整的能谱解析过程；
Step6.3：判断是否重构计算m次，当所有的m种半导体分段方案都被实施后，得到保持能谱分段区间不变的情况下的m组能谱求解结果，完成第一阶段的能谱重构解析过程，否则将继续循环；
Step7：通过调整能谱分段区间实现能谱重构解析，具体重构计算方法如下：
Step7.1：调整能谱分段的边界位置。如图5所示，p种能谱分段方案指的是：能谱的分段边界E1，E2，E3…En-1可以分别在(E1 1-E1 p),(E2 1-E2 p),(E3 1-E3 p)…(En-1 1-En-1 p)的范围内调整p次；
Step7.2：每整体调整一次E1，E2，E3…En-1的位置，将重新跳回到Step1，重新确定X射线能谱分段数及相应区间，循环完成m次能谱解析的过程；
Step7.3：判断对能谱的动态分段是否实施了p次。当所有的p种能谱分段方案都被实施后，得到改变能谱分段区间的情况下的m*p组能谱求解结果，完成全部的能谱重构解析过程，否则将继续循环。
通过在软件仿真中分别改变各能量段的入射光强，测定相应区间的半导体内光电响应的方法来标定kij和dj，记录标定结果，建立kij、dj与半导体位置和厚度相关的详细查找表。
本发明的特点及有益效果是：
利用本发明所提出的重构求解X射线能谱的方法，通过不同厚度半导体内光生电荷的总数，可以同时解析得到多个能量段的X射线的衰减信息，并且可以通过数据的重构不断地调整优化能谱解析的精度，有效地解决了现有的医用能谱CT解析方法存在的能量分辨率不足的问题。
附图说明：
图1能谱解析方法流程示意图。
图2 X射线能谱分段示意图。
图3半导体分段示意图。
图4调整半导体分段位置示意图。
图5调整能谱分段位置示意图。
图6 X射线能谱分段示例图。
图7 X射线在Si半导体内的吸收曲线及半导体分段示例图。
具体实施方式
本发明所提出的能谱解析计算方法理论基础是：不同能量的X射线在半导体材料中遵循不同的指数型吸收规律；对于同一能量的X射线，光子数越多(光强越大)，则在固定厚度的半导体内产生的光生电荷也就越多；并且不同能量的X射线产生的光子数是可以相互叠加的。因此，利用不同厚度的半导体内的光生电荷总数即可递推得到入射光子数，进而解析获得多个连续的不同能量段的X射线透过人体后衰减信息。本发明还可以根据预设方案调整能谱分段区间及半导体分段区间来重构方程组，提升能谱解析计算的精度。
本发明所提出的医用X射线能谱重构解析计算的方法流程如图1所示，具体实施步骤如下：
Step1：确定X射线能谱分段数及相应区间。假设待解析的医用X射线能量范围为(0-E)Kev，可将能谱划分为n个待解析的能量段，进而求解每个能量段范围内X射线的平均光强信息。如图2所示，(0-E1),(E1-E2),(E2-E3),…(En-1-E)等分别代表拟划分的能量区间。n值及每个能量段的区间位置由射线源发射光子的泊松分布情况及实际被探测物体对X射线的吸收特性决定。
Step2：确定半导体衬底分段区间。根据待解析的n个X射线能量段在半导体内的平均衰减情况分别确定相应的n处半导体分段位置。为了最大程度的避免不同能量段X射线的相互交叠，保证解析方程组系数矩阵为严格的上三角矩阵，将选取每个能量段内最大能量的X射线光子被完全吸收的位置作为分界点。如图3所示，假设一整块半导体衬底的厚度为Sn，并有(0-S1),(S1-S2),(S2-S3),…(Sn-1-Sn)分别表示各个分段区间，S1，S2，S3，…Sn-1，Sn等分别对应着能量为E1，E2，E3，…En-1，E的光子被完全吸收的位置。
Step3：确定半导体各分段区间内光生电荷总数。如图3所示，以S1，S2，S3，…Sn-1，Sn作为边界，分别将(0-S1),(S1-S2),(S2-S3),…(Sn-1-Sn)各个半导体区间内的光生电荷组合累加，得到各段范围内光生电荷总数，分别记为Q1，Q2，Q3，…Qn-1，Qn。
Step4：标定方程组系数矩阵kij及误差因子dj(i,j<＝n)，建立kij、dj与半导体位置和厚度相关的详细查找表。与Step2中划分的不同厚度的半导体区间相对应，kij表示在各个半导体区间内，不同能量段的X射线平均光子数与产生的电子数之间的线性比例系数；dj表示在相应厚度半导体内，由于暗电流、射束硬化等带来的误差影响。可通过在软件仿真中分别改变各能量段的入射光强，测定相应区间的半导体内光电响应的方法来标定kij和dj，但不仅局限于此种标定方法。记录标定结果，建立kij、dj与半导体位置和厚度相关的详细查找表。
Step5：联立方程组，解析分段能谱。利用各个不同厚度的半导体内光生电荷总数及kij、dj的查找表，解析对应的分段能谱的方程式如(1)所示，其中I1，I2，I3，…In-1，In分别代表待解析的各个能量区间内的平均光强(光子数)。
通过求解上述方程，得到不同能量区间内的平均光强I1，I2，I3，…In-1，In后，一次完整的分段能谱解析计算过程结束。接下来是重构求解分段能谱的过程，主要是通过调整半导体分段区间和能谱分段区间两种方式实现，目的是提高解析计算的精度。
Step6：通过调整半导体分段区间实现能谱重构解析。为了保证最优的成像效果，降低由于射束硬化及部分光子吸收的随机性带来的误差影响，本发明针对每一种能谱分段的情况，事先提供了m种可重构的半导体衬底分段方案。具体重构计算方法如下：
Step6.1：保持能谱分段区间不变，按预设方案调整半导体分段的边界位置。如图4所示，m种半导体衬底分段方案指的是：半导体分段边界S1，S2，S3…Sn-1可以分别在(S1 1-S1 m),(S2 1-S2 m),(S3 1-S3 m)…(Sn-1 1-Sn-1 m)的范围内调整m次。
Step6.2：每整体调整一次S1，S2，S3…Sn-1的位置，将重新跳回到Step2，完成一次完整的能谱解析过程。
Step6.3：判断是否重构计算m次。当所有的m种半导体分段方案都被实施后，得到保持能谱分段区间不变的情况下的m组能谱求解结果，完成第一阶段的能谱重构解析过程，否则将继续循环。
Step7：通过调整能谱分段区间实现能谱重构解析。调整能谱分段区间的主要目的是减小在Step1中由于能谱分段位置选取不准确而对图像重建造成的误差影响。本发明事先提供了p种可重构的能谱分段方案。具体重构计算方法如下：
Step7.1：调整能谱分段的边界位置。如图5所示，p种能谱分段方案指的是：能谱的分段边界E1，E2，E3…En-1可以分别在(E1 1-E1 p),(E2 1-E2 p),(E3 1-E3 p)…(En-1 1-En-1 p)的范围内调整p次。
Step7.2：每整体调整一次E1，E2，E3…En-1的位置，将重新跳回到Step1，循环完成m次能谱解析的过程。
Step7.3：判断对能谱的动态分段是否实施了p次。当所有的p种能谱分段方案都被实施后，得到改变能谱分段区间的情况下的m*p组能谱求解结果，完成全部的能谱重构解析过程，否则将继续循环。
通过以上七个步骤，便可以通过数据重构高效地解析出m*p组X射线分段能谱信息，为能谱CT提供更多的图像重建参数，提升成像精度。
本发明所提出的重构解析X射线能谱的方法，利用不同厚度半导体内的光生电荷总数递推得到入射光强，理论上可求解医用软X射线(0-120Kev)的全能谱信息。下面通过实例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
假设探测器以Si(硅)为衬底材料(也可采用碲化镉、碲锌镉等其他半导体材料)；假设射线源发射的光子能量范围为(0-40Kev)，射线能谱如图6所示。可把待解析的射线能谱划分为三段求解(n＝3)，分别为(0-20Kev)，(20-30Kev)，(30-40Kev)。
根据不同能量的X射线在Si半导体内的指数型吸收规律，能量为20Kev、30Kev、40Kev的光子将分别在厚度为0.5cm、1.5cm和3cm的Si半导体内被完全吸收。如图7所示，对应的半导体最佳分段区间分别为A(0-0.5cm)、B(0.5-1.5cm)、C(1.5-3.0cm)，最后分别将A、B、C三段内的光生电荷累加得到Q1，Q2，Q3。
在软件仿真中，分别改变三个能量段的入射光强，测定相应区间的半导体内光电响应的方法标定了kij和dj，记录标定结果，建立的kij、dj与半导体位置和厚度相关的简单查找表如表1所示。
表1
建立并求解方程，如式(2)所示，得到各段能量区间内的平均光强。
接下来是通过调整半导体分段位置重构解析方程。假设事先提供了2种半导体衬底分段方案(m＝2)，如图7所示，保持能谱分段区间不变，将半导体分段边界由0.5和1.5分别调整为0.65和1.7，继续跳回Step2,再重构解析一次方程。
最后通过调整能谱分段位置重构解析方程。假设事先提供了2种能谱分段方案(p＝2)，如图6所示，将把能谱分段边界由20Kvp和30Kvp分别调整为22Kvp和31Kvp，得到的分段能谱为：(0-22Kev)，(22-31Kev)，(31-40Kev)。对应的两种半导体分段方案分别为(0-0.8cm)，(0.8-1.75cm),(1.75-3.0)或(0-0.85cm)，(0.85-1.80cm),(1.80-3.0cm)。针对每一种能谱分段方案，都将从Step1开始顺序执行一遍，当所有的2*2种方案都被实施后，完成重构求解分段能谱的过程，最终得到2*2组能谱解析结果，可用于图像重建。

Claims (2)

1.一种面向医用CT的重构解析X射线能谱的方法，其特征是，利用不同厚度的半导体内的光生电荷总数递推得到入射光子数，并根据预设方案调整能谱分段区间及半导体分段区间来重构方程组，进而解析获得多个连续的不同能量段的X射线透过人体后衰减信息；具体步骤细化如下：
Step1：确定X射线能谱分段数及相应区间：假设待解析的医用X射线能量范围为(0-E)Kev，将能谱划分为n个待解析的能量段，进而求解每个能量段范围内X射线的平均光强信息；
Step2：确定半导体衬底分段区间：根据待解析的n个X射线能量段在半导体内的平均衰减情况分别确定相应的n处半导体分段位置，将选取每个能量段内最大能量的X射线光子被完全吸收的位置作为分界点，假设一整块半导体衬底的厚度为Sn，并有(0-S1),(S1-S2),(S2-S3),…(Sn-1-Sn)分别表示各个分段区间，S1，S2，S3，…Sn-1，Sn分别对应着能量为E1，E2，E3，…En-1，E的光子被完全吸收的位置；
Step3：确定半导体各分段区间内光生电荷总数：以S1，S2，S3，…Sn-1，Sn作为边界，分别将(0-S1),(S1-S2),(S2-S3),…(Sn-1-Sn)各个半导体区间内的光生电荷组合累加，得到各段范围内光生电荷总数，分别记为Q1，Q2，Q3，…Qn-1，Qn；
Step4：标定方程组系数矩阵kij及误差因子dj(i,j<＝n)，建立kij、dj与半导体位置和厚度相关的详细查找表：与Step2中划分的不同厚度的半导体区间相对应，kij表示在各个半导体区间内，不同能量段的X射线平均光子数与产生的电子数之间的线性比例系数；dj表示在相应厚度半导体内，由于暗电流、射束硬化等带来的误差影响；
Step5：联立方程组，解析分段能谱，利用各个不同厚度的半导体内光生电荷总数及kij、dj的查找表，解析对应的分段能谱的方程式如(1)所示，其中I1，I2，I3，…In-1，In分别代表待解析的各个能量区间内的平均光强即光子数：
通过求解上述方程，得到不同能量区间内的平均光强I1，I2，I3，…In-1，In后，一次完整的分段能谱解析计算过程结束；
Step6：通过调整半导体分段区间实现能谱重构解析，具体重构计算方法如下：
Step6.1：保持能谱分段区间不变，按预设方案调整半导体分段的边界位置，m种半导体衬底分段方案指的是：半导体分段边界S1，S2，S3…Sn-1分别在(S1 1-S1 m),(S2 1-S2 m),(S3 1-S3 m)…(Sn-1 1-Sn-1 m)的范围内调整m次；
Step6.2：每整体调整一次S1，S2，S3…Sn-1的位置，将重新跳回到Step2，重新确定半导体衬底分段区间，完成一次完整的能谱解析过程；
Step6.3：判断是否重构计算m次，当所有的m种半导体分段方案都被实施后，得到保持能谱分段区间不变的情况下的m组能谱求解结果，完成第一阶段的能谱重构解析过程，否则将继续循环；
Step7：通过调整能谱分段区间实现能谱重构解析，具体重构计算方法如下：
Step7.1：调整能谱分段的边界位置，p种能谱分段方案指的是：能谱的分段边界E1，E2，E3…En-1可以分别在(E1 1-E1 p),(E2 1-E2 p),(E3 1-E3 p)…(En-1 1-En-1 p)的范围内调整p次；
Step7.2：每整体调整一次E1，E2，E3…En-1的位置，将重新跳回到Step1，重新确定X射线能谱分段数及相应区间，循环完成m次能谱解析的过程；
Step7.3：判断对能谱的动态分段是否实施了p次，当所有的p种能谱分段方案都被实施后，得到改变能谱分段区间的情况下的m*p组能谱求解结果，完成全部的能谱重构解析过程，否则将继续循环。
2.如权利要求1所述的面向医用CT的重构解析X射线能谱的方法，其特征是，通过在软件仿真中分别改变各能量段的入射光强，测定相应区间的半导体内光电响应的方法来标定kij和dj，记录标定结果，建立kij、dj与半导体位置和厚度相关的详细查找表。
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