CN110108735B - 一种带有光栅结构的相干散射型x射线探测器及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器及探测方法，包括探测器像素阵列，以及用于以固定角度收集X射线相干散射光子的吸收光栅和互补光栅；所述吸收光栅设置在所述探测器像素阵列的上表面，所述吸收光栅为由方形实心单元和方形中空单元上下左右交错排列组成的网格状结构，所述吸收光栅内、位于每一个方形中空单元处设置有闪烁晶体；所述互补光栅设置在吸收光栅和所要探测的物体之间，并间隔所述吸收光栅一距离布置，所述互补光栅为由条形实心单元和条形中空单元上下交错排列组成的矩阵状结构。本发明通过一次曝光可获得多种能量组分的X射线散射信息，为CT的成像提供了更多的参数信息，使重建获得的图像更加完整与精确。
Description
技术领域
本发明涉及利用半导体探测器进行X射线探测领域，尤其涉及对医用相干散射CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)X射线散射信息的探测及解析。
背景技术
传统医用CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)的探测器基于X射线的平均衰减效应进行探测，但是对于化学元素组成相似的软组织对比度较差。大量文献表明，当X射线透射过人体时，X射线与人体组织之间会发生X射线的相干散射、非相干散射和光电效应三种相互作用。发生X射线相干散射的时候，X射线光子与原子的电子发生相互碰撞，发生碰撞时的光子传递给电子的能量远远地小于原子对电子的束缚能量。因此，原子既不会被电离,也不会被激发，所有的反冲动量完全被原子吸收。在这种情况下，被原子束缚的电子所散射出去的辐射的波长与入射线波长是一样的。散射光子之间都有一个固定的相位关系,所以可以发生结构干涉作用。在满足布拉格条件的情形下,会产生光学的干涉图案。在相对入射方向的前向小角度范围内主要的散射效应是相干散射，不同组织具有非常明显的相干散射曲线和不同的散射峰。因此，小角度散射成像技术在医用CT上的应用已经研究多年。直接相干散射系统具有很大的潜力来区分不同组织之间的相干散射所产生的微小差异。
近年来，Talbot干涉仪的出现证明，与传统吸收型CT相比，小角度散射成像可以有效地提取额外的信息。但是Talbot/Talbot-Lau成像系统均基于X射线的干涉原理，因此需要精心设计光栅的制作和精确的扫描控制，所以所获得的信息包括噪声、误差和背景信号的影响，不能可靠灵敏的捕获对应不同相干散射分布的不同组织的特征。当前基于散射的成像技术由准直器辅助的扫描来完成,相干散射系统以特征角收集散射信号，逐点或逐行获得2D材料图，但是实际上由于主通量光子的影响，捕获非常小角度的散射信号是不容易的。
发明内容
本发明面向X射线散射信号探测领域，提出了一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器，并基于此探测器提出了一种X射线散射信息探测方法，通过一次曝光可获得多种能量组分的X射线散射信息，为CT的成像提供了更多的参数信息，使重建获得的图像更加完整与精确。
本发明所采用的技术方案是：一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器，包括探测器像素阵列，所述探测器像素阵列包括多个用于光电信号转化和光生电荷的收集的探测器像素，所述探测器像素通过模数转换单元和数字信号处理单元连接至图像重建单元；还包括用于以固定角度收集X射线相干散射光子的吸收光栅和互补光栅；所述吸收光栅设置在所述探测器像素阵列的上表面，所述吸收光栅为由方形实心单元和方形中空单元上下左右交错排列组成的网格状结构，所述吸收光栅内、位于每一个方形中空单元处设置有用于将X射线转换为可见光的闪烁晶体；所述互补光栅设置在所述吸收光栅和所要探测的物体之间，并间隔所述吸收光栅一距离布置，所述互补光栅为由条形实心单元和条形中空单元上下交错排列组成的矩阵状结构。
网格状结构的所述吸收光栅的行由方形实心单元和方形中空单元左右交错排列组成，矩阵状结构的所述互补光栅的行为条形实心单元或条形中空单元；所述吸收光栅的每一行宽度和所述互补光栅的每一行宽度一一对应。
所述吸收光栅和互补光栅采用铅或钨制成。
所述探测器像素设置有若干个，并布置在所述吸收光栅的每一个方形中空单元处；所述述探测器像素的尺寸大于或等于方形中空单元的尺寸。
本发明所采用的另一技术方案是：一种X射线散射信息探测方法，借助于上述带有光栅结构的相干散射型X射线探测器实现，包括以下步骤：
Step1：加入互补光栅：在探测器像素阵列表面的吸收光栅与所要探测的物体之间加入一层互补光栅，根据所要探测的物体的组织成分确定散射光子的入射角度，计算出吸收光栅和互补光栅的尺寸以及吸收光栅和互补光栅的间隔距离；
Step2：采用具有能量分辨能力的探测器像素接收散射光子，进行光生电荷的收集；
Step3：电荷信号的读出与处理：利用模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，并利用数字信号处理单元进行分组与存储；
Step4：图像重建：根据探测器像素转移出的不同能量的光生电荷总数，倒推解析出不同体素的X射线相干散射信息，从而进行图像重建。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器，并提出了利用此探测器探测X射线相干散射信息的方法，实现了以特定角度收集X射线相干散射光子并使得重建图像更为精准。经过一次曝光，即可解析得到多种能量成分的X射线相干散射信息；并且能够针对不同射线源及不同的图像精度要求，动态地调整探测器接收散射光子的角度。本发明探测器及探测方法不仅降低了患者承受的辐射剂量，更提升了相干散射CT成像的质量，适用于医用X射线的多能量组分的相干散射信号的探测。
附图说明
图1：本发明一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器的结构示意图；
图2：本发明一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器的使用方式；
图3：本实施例中光栅几何参数图；
附图标注：101-吸收光栅；102-闪烁晶体；103-探测器像素阵列；104-探测器像素；105-模数转换单元；106-数字信号处理单元；107-图像重建单元；201-所要探测的物体；202-互补光栅；
w1、w2分别为吸收光栅、互补光栅中相邻行的宽度；h1为互补光栅的高度；h2为吸收光栅的高度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
X射线通过人体时会与人体组织发生相干散射，不同物质会形成不同的相干散射曲线和散射峰，因此要获得较为精准的图像需要尽可能做到以特定的角度收集散射光子。本发明提出了一种利用光栅的新型专用小角度散射成像技术，关键思想是，主要的X射线和康普顿散射光子基本被阻挡，只允许小角度散射X射线光子穿过成对的光栅并到达光栅后面的检测器，并提出了一种利用此探测器结构探测X射线散射信息的方法。
如附图1和图2所示，一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器，包括探测器像素阵列103，所述探测器像素阵列103包括多个用于光电信号的转化和光生电荷的收集的探测器像素104，所述探测器像素104通过模数转换单元105和数字信号处理单元106连接至图像重建单元107。
本发明一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器还包括用于以固定角度收集X射线相干散射光子的吸收光栅101和互补光栅202。所述吸收光栅101设置在所述探测器像素阵列103的上表面，所述吸收光栅101为由方形实心单元和方形中空单元上下左右交错排列组成的网格状结构，所述吸收光栅101内、位于每一个方形中空单元处设置有用于将X射线转换为可见光的闪烁晶体102。所述互补光栅202设置在所述吸收光栅101和所要探测的物体201之间，并间隔所述吸收光栅101一距离布置，所述互补光栅202为由条形实心单元和条形中空单元上下交错排列组成的矩阵状结构。
其中，网格状结构的所述吸收光栅101的行由方形实心单元和方形中空单元左右交错排列组成，矩阵状结构的所述互补光栅202的行为条形实心单元或条形中空单元；所述吸收光101的每一行宽度和所述互补光栅202的每一行宽度一一对应。设互补光栅202的条形实心单元的宽度为w2，条形中空单元的宽度为w1，则，吸收光栅101中与条形实心单元对应的所有行的宽均为w2，吸收光栅101中与条形中空单元对应的所有行的宽度均为w1。
其中，所述吸收光栅101和互补光栅202采用铅或钨制成。
其中，所述探测器像素104设置有若干个，并布置在所述吸收光栅101的每一个方形中空单元处；所述述探测器像素104的尺寸大于或等于方形中空单元的尺寸。
本发明基本的探测器结构如图1所示，其中吸收光栅101由铅或钨等对X射线有较强吸收作用的重金属材料制成，互补光栅202为与吸收光栅101互补的光栅，所有的平行于透射光线的X射线被完全阻挡，只有穿过物体并且以特定角度散射的那些光子才能到达光栅后面的探测器像素104，而不被光栅所衰减。光栅的尺寸可用于调制所接收散射光子的特定入射角。吸收光栅101包含两部分：方形实心单元和方形中空单元，相邻行的宽度分别为w1和w2，高度为h2；互补光栅202的条形实心单元和条形中空单元的宽度分别为w2和w1，高度为h1，两层光栅之间的距离为l1，具体参数要根据光栅的材质、工艺的水平以及所探测的物质等因素共同决定。图中闪烁晶体102将X射线转换为可见光，更利于探测。探测器像素阵列103包含多个探测器像素104，进行光电信号的转化，可以探测光生电荷数，通过模数转换单元105将电荷信号转换为数字信号，然后通过数字信号处理单元106部分进行存储，并在图像重建单元107进行图像的重建。探测器像素104的尺寸可以依据具体情况而定，但相较于常规的相干散射探测器的像素较大，工艺上更容易实现。
探测过程如图2所示，X射线经过所要探测的物体201部分发生散射，平行于透射光线和发生康普顿散射的X射线吸收光栅101和互补光栅202吸收，只有以特定角度发生散射的光子可以穿过光栅到达后面的探测器像素104。闪烁晶体102将X射线转化为可见光。探测器像素104为探测器的一个像素，可进行光电信号的转化，多个探测器像素104组成探测器阵列103。模数转换单元105将探测器像素104输出的电信号转换为数字信号，再由数字信号处理单元106进行存储，最后图像重建单元107完成图像重建过程。
基于上述带有光栅结构的相干散射型X射线探测器结构，本发明提出一种X射线散射信息探测方法，包括以下步骤：
Step1：加入互补光栅202。如图2所示，在探测器像素阵列103表面的吸收光栅101与所要探测的物体201之间加入一层互补光栅202，互补光栅202的条形实心单元和条形中空单元的宽度分别为w2和w1，吸收光栅101与互补光栅202之间的距离为l1。根据所要探测的物体201的组织成分确定散射光子的入射角度，计算出光栅单元的相关参数(即确定w1、w2、h1、h2的数值)，使得探测器能够以固定角度接收散射光子。
本实施例中，假设选用的光栅尺寸w1＝w2，h1＝h2，则图3中位于O(x,y)处的光子要想到达点P(a,0)处的探测器像素104，需满足等式：
上式(1)只代表光栅单元w1＝w2，h1＝h2时的相关参数，可根据具体要求进行调整。
Step2：光生电荷的收集。在吸收光栅101的间隙(即位于方形中空单元)制作探测器像素104，进行光电信号的转化，探测器像素104的尺寸取决于光栅参数以及X射线剂量等具体要求。可以在相邻两个方形实心单元之间使用一个探测器像素104，探测器像素104的尺寸与光栅间隙(即方形中空单元尺寸)相等，但不限于此方法。实际应用时根据所探测的物体组分选择合适的能量阈值，使用具有能量分辨能力的探测器像素104接收散射光子，进行光生电荷的收集。为了得到更优的成像效果，不同能量的光子生成的电荷将进行分组收集，分别处理。
Step3：电荷信号的读出与处理。利用模数转换单元105将模拟信号转换为数字信号，并利用数字信号处理单元106进行分组与存储；
Step4：图像重建。根据探测器像素104转移出的不同能量的光生电荷总数，倒推解析出不同体素的X射线相干散射信息，从而进行图像重建。
本发明所提出的带有光栅结构的相干散射型X射线探测器最佳实施方案以钨材料所制成的吸收光栅101为例，其中光栅宽度w1＝w2＝120μm，高度h1＝h2＝25μm，探测器像素104尺寸等于相邻光栅中空部分的宽度120μm。本发明提出的探测器结构并不仅限于此种材料及参数分布方案，还可以根据具体要求动态调整。
基于此结构的X射线探测如上所述，主要包括确定两层光栅之间的间隙、进行光生电荷的收集与处理和图像重建等。实际应用时可根据不同要求动态调整两层光栅的间隙，X射线曝光后，只有经过物体并以特定角度发生散射的光子可以穿过光栅到达后面的探测器像素104而不被光栅吸收，不同能量的射线对应于物质相干散射曲线不同的动量传递因子，探测器像素104能够分组收集不同能量的光子，进行光电转换后通过电路读出。根据不同能量的光子所生成的电荷数，对照相应物质的相干散射曲线推导出相关的散射信息。本发明提供的带有光栅结构的相干散射型X射线探测器及与其相适应的探测方法，能提供更多能量组分的X射线相干散射信息，可被应用于医用相干散射CT成像领域。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器，包括探测器像素阵列，所述探测器像素阵列包括多个用于光电信号转化和光生电荷的收集的探测器像素，所述探测器像素通过模数转换单元和数字信号处理单元连接至图像重建单元；其特征在于，还包括用于以固定角度收集X射线相干散射光子的吸收光栅和互补光栅；
所述吸收光栅设置在所述探测器像素阵列的上表面，所述吸收光栅为由方形实心单元和方形中空单元上下左右交错排列组成的网格状结构，所述吸收光栅内、位于每一个方形中空单元处设置有用于将X射线转换为可见光的闪烁晶体；
所述互补光栅设置在所述吸收光栅和所要探测的物体之间，并间隔所述吸收光栅一距离布置，所述互补光栅为由条形实心单元和条形中空单元上下交错排列组成的矩阵状结构；
其中，网格状结构的所述吸收光栅的行由方形实心单元和方形中空单元左右交错排列组成，矩阵状结构的所述互补光栅的行为条形实心单元或条形中空单元；所述吸收光栅的每一行宽度和所述互补光栅的每一行宽度一一对应；
所述探测器像素设置有若干个，并布置在所述吸收光栅的每一个方形中空单元处；所述探测器像素的尺寸大于或等于方形中空单元的尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种带有光栅结构的相干散射型X射线探测器，其特征在于，所述吸收光栅和互补光栅采用铅或钨制成。
3.一种X射线散射信息探测方法，其特征在于，借助于上述权利要求1或2所述的带有光栅结构的相干散射型X射线探测器实现，包括以下步骤：
步骤1：加入互补光栅：在探测器像素阵列表面的吸收光栅与所要探测的物体之间加入一层互补光栅，根据所要探测的物体的组织成分确定散射光子的入射角度，计算出吸收光栅和互补光栅的尺寸以及吸收光栅和互补光栅的间隔距离；
步骤2：采用具有能量分辨能力的探测器像素接收散射光子，进行光生电荷的收集；
步骤3：电荷信号的读出与处理：利用模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，并利用数字信号处理单元进行分组与存储；
步骤4：图像重建：根据探测器像素转移出的不同能量的光生电荷总数，倒推解析出不同体素的X射线相干散射信息，从而进行图像重建。
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