CN109490944B - x射线能谱探测器的能量解析方法 - Google Patents

x射线能谱探测器的能量解析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及计算机断层成像领域，为减少解析过程中的散射噪声误差，保证所选用的能量窗口的解析结果的可靠性，消除解析过程中的统计误差、随机噪声(泊松噪声)误差，以及因为平均能量选取不当而造成的误差，为临床应用中提供高质量，高对比度，低噪声的图像。为此，本发明采取的技术方案是，x射线能谱探测器的能量解析方法，包括两个部分：第一部分：面向边缘入射型层析式能谱探测器的能量积淀系数模拟；第二部分：动态调整探测器分组的可重构能量解析。本发明主要应用于计算机断层成像场合。

Description

x射线能谱探测器的能量解析方法
技术领域
本发明涉及计算机断层成像领域(Computed Tomography,CT)，尤其在层析式多能谱X射线探测器的应用中，针对不同类型的探测物体，通过动态调节探测器分组来优化能量解析的结果。具体讲,涉及x射线能谱探测器的能量解析方法。
背景技术
近年来，X射线探测技术迅猛发展。由于X射线源是多光子能量的集合，收集不同能量窗口的探测信息，有利于提高CT探测器对物质的区分能力。单光子计数探测器可以实现对256个能量区间的精确探测。但是，由于光源的计数速率和信号堆叠等技术问题，导致单光子计数的探测器无法实用于临床应用中。
层析式探测器作为多能谱探测器另一个种类，可以根据探测物体更改能谱分组，保证重建图像的对比度。尽管在能量分辨率上，单光子计数探测器仍然处在优势地位，但是层析式能量积分型探测器受到光源和信号堆叠的影响较小，减少了临床应用上的难度。但是现有的能量解析方法仅仅适用于低能量X射线的探测，并且对于减小解析方程组中的随机误差考虑也不够全面。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出适用于层析式能谱探测器的可重构能谱解析方法，能够减少解析过程中的散射噪声误差，保证所选用的能量窗口的解析结果的可靠性，消除解析过程中的统计误差、随机噪声(泊松噪声)误差，以及因为平均能量选取不当而造成的误差，为临床应用中提供高质量，高对比度，低噪声的图像。为此，本发明采取的技术方案是，x射线能谱探测器的能量解析方法，包括两个部分：第一部分：面向边缘入射型层析式能谱探测器的能量积淀系数模拟；第二部分：动态调整探测器分组的可重构能量解析；
面向边缘入射型层析式能谱探测器的能量积淀系数模拟包含两个步骤：第一，对于单光子的层间能量分布的蒙特卡洛MC(Monte Carlo)模拟；第二，忽略多光子之间碰撞，利用单光子能量积淀结果进行多光子层间能量分布的快速耦合；其中，单光子精确模拟的过程：1、确定光子的能初始状态，包含位置，速度，能量的信息；2、通过自由程的分布函数，见式(1)和(2)，计算下次能量交互事件发生的位置；3、确定能量交互事件的类别：光电效应和康普顿散射；4、根据事件确定光子积淀的能量大小和位置；5、计算经过能量交互事件之后光子的状态；6、判断光子是否已经被完全吸收，如果是则这个光子的模拟过程结束，否则返回步骤2继续模拟，多光子快速耦合则是不断地重复单光子精确模拟，将每个光子的运动看作是独立的。大量模拟后得到沿探测器深度方向上，在l至l+δ厚度内积淀的能量数值Ed(l)，其中l代表探测器的深度，δ是一个微小的正值，则深度在l至l+δ厚度内能量积淀系数Dl,l+δ(E)为Ed(l)/(E×N)，其中E表示光子的能量，N表示模拟的光子数，光子在两次碰撞之间的自由程L的分布函数如下：
Figure BDA0001876354660000021
其中，
λ＝μp(E)-1 (2)
其中，μp(E)表示能量为E的光子在探测器像素中的衰减系数；
对于可重构的能量解析过程包含五个步骤，第一，对能谱进行划分，将整个X射线能谱分成任意不交叠的M个能量窗口，对于每个能量区间以如下公式计算均值能量：
Figure BDA0001876354660000022
其中，Emin和Emax分别为该能量区间的端点，Em表示第m个区间的平均能量，m≤M；第二，将探测器任意分成K组，对于每一组，列出解析方程：
Figure BDA0001876354660000023
其中，
Figure BDA0001876354660000024
表示通过光子模拟技术得到的，能量为Em的光子在第t组中积淀的能量的百分比，lt-1表示第t组的左边界在像素中的深度,lt表示第t组的右边界在像素中的深度,Im表示第m个能量区间的光子能量总和，
Figure BDA0001876354660000025
表示探测器中收集到的第t组的能量，t≤K；第三，对探测器像素的分组方式进行重构，列出该分组下的能谱解析方程组；第四，解出各种分组方式下的能谱解析方程组；第五，将所有解求平均值作为该能谱分组模式下的能量解析结果。
本发明的特点及有益效果是：
1.克服了传统层析探测器的能量解析只适用于低能量X射线的缺点，使用能量积淀系数代替能量衰减系数，减少了高能量段因为散射噪声造成的误差。
2.通过能谱解析方程组的动态重构，减少了能谱解析过程中存在的统计噪声和随机噪声等误差，提高了层析式X射线探测器的能谱解析精度。
附图说明：
图1单光子层间能量分布计算机模拟流程图。
图2面向层析式x射线能谱探测器的能量解析方法示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种适用于层析式能谱探测器的可重构能谱解析方法：1、使用能量积淀系数代替传统解析方程中的能量衰减系数，减少解析过程中的散射噪声误差；2、针对特定的探测任务和选用的能量窗口，通过重构探测器像素单元的分组模式和解析方程组，保证所选用的能量窗口的解析结果的可靠性，消除解析过程中的统计误差、随机噪声(泊松噪声)误差，以及因为平均能量选取不当而造成的误差，为临床应用中提供高质量，高对比度，低噪声的图像。
技术方案主要包含两部分的内容：面向边缘入射型层析式能谱探测器的能量积淀系数模拟方法；第二，动态调整探测器分组的可重构能量解析方法。
对于层析式探测器的多光子能量积淀过程的快速模拟主要包含两个步骤：第一，对于单光子的层间能量分布的蒙特卡洛(Monte Carlo，MC)模拟；第二，忽略多光子之间碰撞，利用单光子能量积淀结果进行多光子层间能量分布的快速耦合。其中，单光子精确模拟的过程：1、确定光子的能初始状态，包含位置，速度，能量的信息；2、通过自由程的分布函数，见式(1)和(2)，计算下次能量交互事件发生的位置；3、确定能量交互事件的类别：光电效应(包含光致俄歇效应)和康普顿散射；4、根据事件确定光子积淀的能量大小和位置；5、计算经过能量交互事件之后光子的状态；6、判断光子是否已经被完全吸收，如果是则这个光子的模拟过程结束，否则返回步骤2继续模拟。详细的计算机模拟流程图见图1所示。多光子快速耦合则是不断地重复单光子精确模拟，将每个光子的运动看作是独立的。大量模拟后得到沿探测器深度方向上，在l至l+δ厚度内积淀的能量数值Ed(l)，其中l代表探测器的深度，δ是一个微小的正值，则深度在l至l+δ厚度内能量积淀系数Dl,l+δ(E)为Ed(l)/(E×N)，其中E表示光子的能量，N表示模拟的光子数，光子在两次碰撞之间的自由程L的分布函数如下：
Figure BDA0001876354660000031
其中，
λ＝μp(E)-1 (2)
其中，μp(E)表示能量为E的光子在探测器像素中的衰减系数。
对于可重构的能量解析过程主要包含五个步骤，第一，对能谱进行划分，将整个X射线能谱分成任意不交叠的M个能量窗口，对于每个能量区间以如下公式计算均值能量：
Figure BDA0001876354660000032
其中，Emin和Emax分别为该能量区间的端点，Em表示第m个区间的平均能量，m≤M；第二，将探测器任意分成K组，对于每一组，列出解析方程：
Figure BDA0001876354660000033
其中，
Figure BDA0001876354660000034
表示通过光子模拟技术得到的，能量为Em的光子在第t组中积淀的能量的百分比，lt-1表示第t组的左边界在像素中的深度,lt表示第t组的右边界在像素中的深度,Im表示第m个能量区间的光子能量总和，
Figure BDA0001876354660000035
表示探测器中收集到的第t组的能量，t≤K；第三，对探测器像素的分组方式进行重构，列出该分组下的能谱解析方程组；第四，解出各种分组方式下的能谱解析方程组；第五，将所有解求平均值作为该能谱分组模式下的能量解析的结果。
设计的面向层析式能量积分型X射线能谱探测器的能量解析方法，结合可重构的理念提高能谱解析的精确度和可靠性。影响结果因素主要包含两个方面：1、层间积淀能量的模拟精度直接决定着能谱解析方程中系数矩阵的准确性；2、解能谱解析方程最优化方法影响着能谱计算的精度。在多光子快速耦合的过程中，应保证模拟的单能量光子的数量：当探测器层厚度在毫米数量级时，模拟的光子数量应在1×103数量级。对于能谱解析方程的解法，应选择在硬件条件和计算时间允许情况下的最精确的方法。另外，在实际的解析过程中，对于入射能谱的分组数目应大于所需要的能谱区间数量，对于探测器的分组数目应不小于能谱区间数量。

Claims (1)

1.一种x射线能谱探测器的能量解析方法，其特征是，包括两个部分：第一部分：面向边缘入射型层析式能谱探测器的能量积淀系数模拟；第二部分：动态调整探测器分组的可重构能量解析；
面向边缘入射型层析式能谱探测器的能量积淀系数模拟包含两个步骤：第一，对于单光子的层间能量分布的蒙特卡洛MC模拟；第二，忽略多光子之间碰撞，利用单光子能量积淀结果进行多光子层间能量分布的快速耦合；其中，单光子精确模拟的过程：1、确定光子的能初始状态，包含位置，速度，能量的信息；2、通过自由程的分布函数，见式(1)和(2)，计算下次能量交互事件发生的位置；3、确定能量交互事件的类别：光电效应和康普顿散射；4、根据事件确定光子积淀的能量大小和位置；5、计算经过能量交互事件之后光子的状态；6、判断光子是否已经被完全吸收，如果是则这个光子的模拟过程结束，否则返回步骤2继续模拟，多光子快速耦合则是不断地重复单光子精确模拟，将每个光子的运动看作是独立的； 大量模拟后得到沿探测器深度方向上，在l至l+δ厚度内积淀的能量数值Ed(l)，其中l代表探测器的深度，δ是一个微小的正值，则深度在l至l+δ厚度内能量积淀系数Dl,l+δ(E)为Ed(l)/(E×N)，其中E表示光子的能量，N表示模拟的光子数，光子在两次碰撞之间的自由程L的分布函数如下：
Figure FDA0003834473580000011
其中，
λ＝μp(E)-1 (2)
其中，μp(E)表示能量为E的光子在探测器像素中的衰减系数；
对于可重构能量解析过程包含五个步骤，第一，对能谱进行划分，将整个X射线能谱分成任意不交叠的M个能量窗口，对于每个能量区间以如下公式计算均值能量：
Figure FDA0003834473580000012
其中，Emin和Emax分别为该能量区间的端点，Em表示第m个区间的平均能量，m≤M；第二，将探测器任意分成K组，对于每一组，列出解析方程：
Figure FDA0003834473580000013
其中，
Figure FDA0003834473580000014
表示通过光子模拟技术得到的，能量为Em的光子在第t组中积淀的能量的百分比，lt-1表示第t组的左边界在像素中的深度,lt表示第t组的右边界在像素中的深度,Im表示第m个能量区间的光子能量总和，
Figure FDA0003834473580000015
表示探测器中收集到的第t组的能量，t≤K；第三，对探测器像素的分组方式进行重构，列出该分组下的能谱解析方程组；第四，解出各种分组方式下的能谱解析方程组；第五，将所有解求平均值作为该能谱分组模式下的能量解析结果。
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