CN106955118B - Ct形状过滤器缺陷的单能矫正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CT形状过滤器缺陷的单能矫正方法，其通过下列方式获得X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度：以同一CT机，使用相同的X射线源球管电压，分别在安装好形状过滤器状态下和不安装形状过滤器状态下进行空气扫描，依据同一个探测器单元在两种所述状态下获得的测量数据，推算出达到该探测器单元的X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度,所述空气扫描优选为等视角间距的360度扫描。本发明能够对CT机形状过滤器缺陷进行矫正，大幅度降低了形状过滤器的加工难度和制备成本，方便了使用，降低了维护费用，并且相关计算方式和计算过程也较为简便。

Description

CT形状过滤器缺陷的单能矫正方法
技术领域
本发明涉及一种CT形状过滤器缺陷的单能矫正方法，主要可用于人体计算机断层扫描的医用CT机中的形状过滤器(例如，bowtie filter)缺陷的单能矫正，通过计算获得形状过滤器的有效几何尺寸或相关数据，以实现在数据处理中对形状过滤器缺陷的矫正。
背景技术
形状过滤器(例如，bowtie filter)是医用CT机中的核心部件之一，用于X射线射束硬化校正以获得良好、稳定的图像质量，为了获得形状过滤器几何尺寸的精确数据，或更准确地讲，为了获得X射线在从源达到各探测器单元之前在形状过滤器中所穿行的路径长度，一种直截了当的方法是使用高品质材料和精加工工艺使得实际的形状过滤器与设计的形状过滤器高度一致，这样做无疑会提高产品成本，另一种方式是通过后续复杂的矫正技术并配合额外的模体在投影数据中进行补偿，这同样会在很大程度上导致最终用户成本的增加以及后期维护的难度。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种CT形状过滤器缺陷的单能矫正方法，采用这种方法，可以方便地获得有效的形状过滤器的几何尺寸数据或相关数据，进而减小用户成本和维护难度。
本发明所采用的技术方案：一种CT形状过滤器缺陷的单能矫正方法，通过下列方式获得X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度：以同一CT机，使用相同的X射线源球管电压，分别在安装好形状过滤器状态下和不安装形状过滤器状态下进行空气扫描，依据同一个探测器单元在两种所述状态下获得的测量数据，推算出达到该探测器单元的X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度。
对于探测器单元n，可以采用下列公式计算相应X射线(到达该探测器单元的X射线)在形状过滤器中所穿行的路径长度lb(n)：
Figure GDA0001294360880000021
其中，
Figure GDA0001294360880000022
Figure GDA0001294360880000023
代表到达探测器单元n的X射线在传播过程中在除形状过滤器外的其他材料中经历的衰减。上面公式假定，在做空气扫描时，能量为E的光子在从x射线源到探测器单元n的传输过程中，除了形状过滤器外，还要穿过Q种物质，其中第q种物质对能量为E的光子的线性衰减系数为μq(E)(单位为cm-1)，可以通过查表或理论计算获得，而达到探测器单元n的x射线在第q种物质所穿行的路径长度为lq(n)(单位为cm)，可以通过计算获得；
lb(n)为X光在从X射线源球管达到探测器单元n之前在形状过滤器中所穿行的路径长度，为本发明的计算路径长度；
in(kV)为安装有形状过滤器的状态下进行空气扫描，探测器单元n被X射线照射后产生的光电流测量值，当采用多个不同视角进行空气扫描时，可以以各视角下的光电流测量值的平均值(通常可以为算术平均)作为光电流测量值，探测器单元n被X射线照射后产生的光电流可依据探测器单元n上的读数，单位可采用纳安(10-9安培)；
i’n(kV)为不安装形状过滤器的状态下进行空气扫描，探测器单元n被X射线照射后产生的光电流测量值，当采用多个不同视角进行空气扫描时，可以以各视角下的光电流测量值的平均值(通常可以为算术平均)作为光电流测量值，探测器单元n被X射线照射后产生的光电流可依据探测器单元n上的读数，单位可采用纳安(10-9安培)；
itube为安装有形状过滤器状态下扫描所用的X射线源球管电流，单位可采用毫安；
i’tube为不安装形状过滤器状态下扫描所用的X射线源球管电流，单位可采用毫安；
E代表X射线源球管产生的光子的能量，单位可为千电子伏；
NkV(E)为光子数能谱，NkV(E)dE代表每个打在X射线源球管阳极上的电子能产生的能量在E到E+dE范围内的光子数或几率；
μb(E)为形状过滤器材料的线性衰减系数，可通过查表或理论计算获得；
ηn(E)为探测器单元n的能量探测效率，可通过理论计算获得；
kV是进行空气扫描时给定的X射线源球管电压，两种状态下采用相同的X射线源球管电压；
n为探测器单元编号，编号为n的探测器单元可称为探测器单元n。
优选的，所述空气扫描为等视角间隔的360度扫描，分别获得各视角下探测器单元n被X射线照射后产生的光电流的测量值，并以各状态下探测器单元n在各视角的光电流测量值的平均值作为相应状态下的光电流测量值in(kV)和i’n(kV)。
本发明的有益效果：能够方便地实现对形状过滤器的单能矫正，在不改变现有工艺、材料品质以及设备附件的前提下，只需要在设置和不设置形状过滤器的两种状态下进行同样X射线源球管电压下的空气扫描，由于装有形状过滤器与不装形状过滤器的两种状态下进行空气扫描，测量数据的差异主要源于形状过滤器的设置，由此通过两种状态下的测量数据之间的比对，就能够揭示出形状过滤器对测量数据的影响，计算出X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度，进而获得有效的形状过滤器的几何尺寸数据或将相应的路径长度数据用于其他相关数据的运算，实现对形状过滤器缺陷的单能矫正，相应路径长度数据的计算可以依据X射线的传播规律以及实际中的各影响因素，采用任意适宜的现有技术或其他可能的技术实现，由此无需要求将形状过滤器加工得与设计完全一致，省略了现有技术下矫正补偿模体的相关设计、加工及使用和维护，由此大幅度降低了形状过滤器的加工难度和制备成本，方便了使用，降低了维护费用，并且计算方式和计算过程也较为简便。
附图说明
图1是一种形状过滤器在整个探测器范围的计算路径长度曲线、实际路径长度曲线和理论设计路径长度曲线，在该图的显示分辨率下，三条曲线几乎完全重叠；
图2是与图1对应的形状过滤器在探测器中心区域范围的计算路径长度曲线、实际路径长度曲线和理论设计路径长度曲线，在该图的显示分辨率下，计算路径长度曲线和实际路径长度曲线基本重叠。
具体实施方式
本发明用于计算X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度lb(n)的公式可以通过下列方式推导出：
探测器单元n被X射线照射后光电流的产生机理，可知：
Figure GDA0001294360880000051
Figure GDA0001294360880000052
其中αn是公式推导过程中引入的只与探测器性质有关的比例系数，单位可为毫安-1·千电子伏-1，
AD为相应探测器单元在垂直于X射线入射方向的投影面积；
dSD为X射线源球管到相应探测器单元的距离。
依据公式(1)和(2)可得：
Figure GDA0001294360880000053
上述积分的范围为实际中有效的光子能量E的范围，可以依据具体的计算精度要求通过试验或理论分析确定。获得路径长度lb(n)，即可用于涉及形状过滤器各种计算，实现对其缺陷的矫正。
进行空气扫描时，优选以等视角间距进行360度扫描，并以各视角下的电流测量值的平均值用作计算路径长度lb(n)。
具体可以为：
(1)用带有形状过滤器的CT机进行一次空气扫描，获得检测数据in(kV)；
(2)去掉形状过滤器后，在同样X射线源球管电压kV下用不带有形状过滤器的CT机进行一次空气扫描，获得检测数据i’n(kV)；
(3)利用已知的CT机参数和探测器参数，分别计算CT机中形状过滤器外的其他材料引起的衰减
Figure GDA0001294360880000061
和探测器单元的能量探测效率ηn(E)；
(4)将上述n(kV)、i’n(kV)、NkV(E)、
Figure GDA0001294360880000062
ηn(E)以及已知的X射线源球管空气扫描电流itube和i’tube，以及形状过滤器材料的线性衰减系数μb(E)，代入相应方程，求解出达到探测器单元n的X射线在形状过滤器中穿行的路径长度lb(n)。
图1和图2显示了在相应情形下(所用X射线源球管电压为120kVp,X射线源球管电流均为50mA)，依据本发明计算出的计算路径长度曲线与实际路径长度曲线和理论设计路径长度曲线之间的对比。结果表明，用本发明的方法,在假设修正TBC模型光谱的额外的铝当量为0.175mm的情况下，计算得出的X射线在形状过滤器中的路径长度与真实路径长度的平均误差为0.01mm，最大误差为0.018mm。由此可以看出，本发明能够较准确地计算出达到各探测器单元的X射线在形状过滤器中的路径长度。
本发明涉及X射线的路径或路径长度均指相应X射线的实际路径(光路)长度。
本发明所称X射线源球管泛指CT机所用的用于产生X射线的任意形式的X射线源，可以采用常见的球管形式，也可以采用其他形式。
本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

Claims (3)

1.一种CT形状过滤器缺陷的单能矫正方法，其特征在于通过下列方式获得X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度：以同一CT机，使用相同的X射线源球管电压，分别在安装好形状过滤器状态下和不安装形状过滤器状态下进行空气扫描，依据同一个探测器单元在两种所述状态下获得的测量数据，推算出达到该探测器单元的X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度，对于探测器单元n，采用下列公式计算相应X射线在形状过滤器中所穿行的路径长度lb(n)：
Figure FDA0002364941160000011
其中，
Figure FDA0002364941160000012
Figure FDA0002364941160000013
代表到达探测器单元n的X射线在传播过程中在除形状过滤器外的其他材料中经历的衰减，该公式假定，在做空气扫描时，能量为E的光子在从x射线源到探测器单元n的传输过程中，除了形状过滤器外，还要穿过Q种物质，其中第q种物质对能量为E的光子的线性衰减系数为μq(E)，而达到探测器单元n的x射线在第q种物质所穿行的路径长度为lq(n)；
in(kV)为在安装有形状过滤器状态下扫描，探测器单元n被X射线照射后产生的光电流测量值；
i’n(kV)为在不安装形状过滤器状态下扫描，探测器单元n被X射线照射后产生的光电流测量值；
itube为安装有形状过滤器状态下扫描所用的X射线源球管电流；
i′tube为不安装形状过滤器状态下扫描所用的X射线源球管电流；
E为X射线源球管产生的光子的能量；
NkV(E)为X射线源球管的光子数能谱，NkV(E)dE代表每个打在X射线源球管阳极上的电子能产生的能量在E到E+dE范围内的光子数或几率；
μb(E)为形状过滤器的材料的线性衰减系数；
ηn(E)为探测器单元n的能量探测效率；
kV为进行空气扫描时所用的X射线源球管电压；
n为探测器单元编号，编号为n的探测器单元称为探测器单元n。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述空气扫描为等视角间隔的360度扫描，分别获得各视角下探测器单元n被X射线照射后产生的光电流测量值，并以各状态下探测器单元n在各视角的光电流测量值的平均值作为相应状态下的光电流测量值in(kV)和i’n(kV)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于具体采用下列步骤：
(1)用带有形状过滤器的CT机进行一次空气扫描，获得检测数据in(kV)；
(2)在同样X射线源球管电压kV下，用去掉形状过滤器后的同一CT机进行一次空气扫描，获得检测数据i’n(kV)；
(3)利用CT机的已知相关参数，分别计算CT机中除形状过滤器外的其他材料引起的衰减
Figure FDA0002364941160000021
和各探测器单元的能量探测效率ηn(E)；
(4)将上述in(kV)、i’n(kV)、NkV(E)、
Figure FDA0002364941160000031
ηn(E)、各状态下的X射线源球管电流itube和itube以及形状过滤器材料的线性衰减系数μb(E)代入相应方程，求解出达到探测器单元n的X射线在形状过滤器中穿行的路径长度lb(n)。
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