CN111157555B - 一种高能稀疏的ct探测器、ct检测系统及检测方法 - Google Patents

一种高能稀疏的ct探测器、ct检测系统及检测方法 Download PDF

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    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2985—In depth localisation, e.g. using positron emitters; Tomographic imaging (longitudinal and transverse section imaging; apparatus for radiation diagnosis sequentially in different planes, steroscopic radiation diagnosis)

Abstract

本发明公开了一种高能稀疏的CT探测器、CT检测系统及检测方法，属于CT检测技术领域，解决了现有技术中CT探测装置成本高、不利于设备的推广应用，降低成本不能保证成像精度等问题。本发明CT探测器，包括高能探测器和低能探测器，所述高能探测器和低能探测器采用背靠背式排列，每个高能探测器上方均设置有一个低能探测器；所述高能探测器和低能探测器均设置有多排，低能探测器排数大于高能探测器排数，至少部分高能探测器集中分布。本发明CT探测器部分高能探测器集中排布，降低成本的同时成像精度较高。

Description

一种高能稀疏的CT探测器、CT检测系统及检测方法
技术领域
本发明属于CT检测技术领域，特别涉及一种高能稀疏的CT探测器、CT检测系统及检测方法。
背景技术
在基于X射线的爆炸物检查技术中，X射线计算机断层扫描成像技术(简称“CT技术”)因其自身特有的优势，在安全检查领域被高度重视。在美国交通安全局(TSA,Transportation Security Administration)唯一认证的EDS(Explosive DetectionSystem)型安检设备就是CT设备，可见X射线CT技术在安全检查领域的地位。
X射线CT安检技术是通过对CT数据进行重建得到被扫描物体的断层图像，通过对断层图像中的特征数据进行分析，实现对被扫描物体中危险物品的识别。为了提高CT识别的精度，通常采用双能CT成像方式，双能成像的实现方式可以有射线源高低能快速切换，双源成像，双层探测器等多种模式，其中，针对安检应用，双层探测器模式应用最为普遍，按照高低能的排布模式，主要分为“背靠背”和“骑马式”两种。
上述两种模式，需要一个低能探测器像素对应一个高能探测器像素，成本较高，不利于设备的推广应用。本着降低探测器成本的目的，本发明设计了一种CT探测装置以及具有该装置的CT系统。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供一种高能稀疏的CT探测器、CT检测系统及检测方法，用以解决CT探测装置成本高、不利于设备的推广应用，降低成本不能保证成像精度等问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明公开了一种CT探测器，包括高能探测器和低能探测器，高能探测器和低能探测器采用背靠背式排列，每个高能探测器上方均设置有一个低能探测器；
高能探测器和低能探测器均设置有多排，低能探测器排数大于高能探测器排数，至少部分高能探测器集中分布；
所述高能探测器和低能探测器之间设置有铜片，所述铜片用于过滤经过了低能探测器以后的射线。
在一种可能的设计中，集中分布的多排高能探测器设置在多排低能探测器的中间位置。
在一种可能的设计中，少数高能探测器设置在多排低能探测器的两侧。示例性的，少数低能探测器为2～6排。
在一种可能的设计中，集中分布的多排高能探测器设置在多排低能探测器的一侧。
在一种可能的设计中，少数高能探测器设置在多排低能探测器的另一侧。示例性的，少数低能探测器为2～6排。
在一种可能的设计中，铜片的厚度0.3-1mm之间。
在一种可能的设计中，高能探测器包括闪烁体和二极管；低能探测器包括闪烁体和二极管。
另一方面，本发明还提供了一种CT检测系统，包括CT探测装置、传送带、数据处理计算机、传送带电机、滑环电机和运动控制计算机；
CT探测装置包括射线源、旋转盘和CT探测器。
在一种可能的设计中，射线源和CT探测器设置于旋转盘上，CT探测器与数据处理计算机连接，传送带电机和滑环电机均与运动控制计算机连接；
运动控制计算机控制传送带电机带动传送带匀速运动，运动控制计算机控制滑环电机匀速转动。
另一方面，本发明还提供了一种CT检测方法，包括以下步骤：
被检测物体放置在传动带上，传送带带动被检测物体进入检测通道，旋转盘围绕传送带匀速转动；
射线源发射射线，CT探测装置接收来自于射线源的射线光子信号，由数据处理计算机完成CT投影数据的采集、存储和所有的数据处理工作；
当高能探测器全部集中排布时，双能数据重建断层用来做识别，而相对较为完备的数据重建断层用来做显示；
当高能探测器部分集中排布时，稀疏部分根据高低能投影值的差值做曲线拟合，根据拟合的曲线求取无高能探测器部分的高能数据，再进行双能投影分解，利用进行了投影分解的数据进行双能图像重建，得到物体的密度和原子序数信息。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：
1)低能探测器排数大于高能探测器排数，至少部分高能探测器集中分布。首先降低高能探测器排数，可以明显降低设备成本。其次本发明中高能探测器集中排布可以在降低成本的情况下保证双能成像的精度。特别在低螺距扫描条件下，由于部分高能探测器集中排布，排间距小，因此重建的精度就高，风车伪影较小。本发明部分高能探测器集中排布可以保证其在低螺距时的成像清晰度。
2)本发明在高能探测器集中分布之外的部分还可分散设置少量高能探测器，从而在提高螺距时，尽管所需投影数据在排方向上的范围加大，但很大一部分反投影是由高能探测器集中分布部分的数据贡献的，同时为了保证在排方向有足够的数据范围，外侧的探测器采用较大的排间距，这样也能一定程度上保证重建精度。这种排布和高能探测器均匀稀疏排布相比，更能兼顾低螺距和高螺距下的成像质量。而且降低了探测器的成本。
3)高能探测器和低能探测器之间设置有铜片，铜片用于过滤经过了低能探测器以后的射线。铜片的厚度0.3-1mm之间，设置这样厚度的原因是为了能够尽量把高低能信号区分开，但又不至于高能信号太低。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及说明书附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1CT探测装置1；
图2CT探测装置2；
图3CT探测装置3；
图4CT探测装置4；
图5CT检测系统。
图6高低能投影值及高能投影值补偿示意图；
图7高低能投影差值及曲线拟合示意图；
图8实施例1的图像质量图；
图9对比例1的图像质量图；
图10实施例2的图像质量图；
图11对比例2的图像质量图。
附图标记：
1-低能探测器；2-PCB板；3-铜片；4-高能探测器；10-射线源；20-旋转盘；30-CT探测器；40-被检测物体；50-传送带；60-传送带电机；70-运动控制计算机；80-滑环电机；90-数据处理计算机。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种高能稀疏的CT探测器、CT检测系统及检测方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
双能CT成像中，用来探测识别的双能投影数据和用来显示的投影数据相比而言，工程上，实际需求要少很多，因此可以利用下面的策略来降低探测器的成本：一种能量的数据相对较为完备，而第二种能量的数据相对较少。
一种CT探测器，包括高能探测器和低能探测器，高能探测器和低能探测器采用背靠背式排列，每个高能探测器上方均设置有一个低能探测器；高能探测器和低能探测器均设置有多排，低能探测器排数大于高能探测器排数，至少部分高能探测器集中分布。
现有的双能CT安检技术中，需要一个低能探测器像素对应一个高能探测器像素，成本较高，不利于设备的推广应用。在双能CT安检检查应用中，识别所需的投影数据量，低于显示所需的投影数据量。基于此，本发明对高能探测器、低能探测器的排布方式进行了优化，部分高能探测器集中放置既能保证双能成像的探测精度，又能保证CT成像的图像质量，同时降低探测器的成本。
优选的，集中分布的多排高能探测器设置在多排低能探测器的中间位置，其余少数高能探测器设置在多排低能探测器的两侧。集中分布的多排高能探测器也可以设置在多排低能探测器的一侧，其余少数高能探测器设置在多排低能探测器的另一侧。
图1-图4为本发明不同的实施例，图中从左到右的方向为排方向。1为低能探测器，2为PCB板，3为铜片，4为高能探测器；图1中，高能探测器全部集中排布，并位于多排低能探测器的中间位置，两侧均没有布局高能探测器。图2中，高能探测器全部集中排布，并位于多排低能探测器的一侧位置，其余部位没有布局高能探测器。图3中，除了集中排布的多排高能探测器在中间位置，两侧位置还有少数排的高能探测器。图4中，除了集中排布的多排高能探测器在一侧位置，其他位置还有少数排的高能探测器。
当高能探测器全部集中排布时，双能数据重建断层用来做识别，而相对较为完备的数据重建断层用来做显示。
当高能探测器部分集中排布时，对于高能探测器未集中分布的部分，根据高低能投影值的差值做曲线拟合，根据拟合的曲线求取无高能探测器部分的高能数据，再进行双能投影分解，利用进行了投影分解的数据进行双能图像重建，得到物体的密度和原子序数信息。
高能探测器和低能探测器之间设置有铜片，所述铜片用于过滤经过了低能探测器以后的射线。优选的，铜片的厚度0.3-1mm之间，设置这样厚度的原因是为了能够尽量把高低能信号区分开，但又不至于高能信号太低。
高能探测器和低能探测器均设置有闪烁体和二极管；
为了进一步节省成本，CT探测器的全部低能探测器可设置为间隙设置，每个高能探测器上方均设置有一个低能探测器，至少部分高能探测器集中分布。
一种CT检测系统，如图5所示，该CT检测系统包括CT探测装置、传送带50、数据处理计算机90、传送带电机60、滑环电机80和运动控制计算机70。其中，
CT探测装置包括射线源10、旋转盘20和CT探测器30；
射线源10和CT探测器30设置于旋转盘20上，CT探测器30与数据处理计算机90连接，传送带电机60和滑环电机80均与运动控制计算机70连接。
一种CT检测方法，包括以下步骤：
运动控制计算机70控制传送带电机60带动传送带匀速运动，运动控制计算机70控制滑环电机80匀速转动；
被检测物体40放置在传动带50上，传送带50带动被检测物体40进入检测通道，旋转盘20围绕传送带匀速转动；
射线源10发射射线，CT探测器30接收来自于CT射线源10的射线光子信号，由数据处理计算机90完成CT投影数据的采集、存储和所有的数据处理工作。
当高能探测器全部集中排布时，双能数据重建断层用来做识别，而相对较为完备的数据重建断层用来做显示。
当高能探测器部分集中排布时，对高能探测器未集中分布的部分中既有高能又有低能的位置计算高低能差值，然后对高低能的差值做B样条曲线拟合或多项式曲线拟合，根据拟合的曲线，得到估计的只有低能没有高能的位置的高低能之间的差值。
作为本发明的一个具体实施例，高能探测器未集中分布的部分，低能探测器高能有7排，高能探测器有4排，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7为低能投影值，H1、H3、H5、H7为高能投影值。D1、D3、D5、D7为高低能投影值的差值。
D1＝L1-H1；
D3＝L3-H3；
D5＝L5-H5；
D7＝L7-H7；
根据D1、D3、D5、D7做曲线拟合(可以是B样条曲线拟合，也可以是多项式曲线拟合)，根据拟合的曲线可以求取D2、D4、D6，如图7所示。
根据D2、D4、D6，得到高能投影值H2、H4、H6，如图6所示
H2＝L2-D2；
H4＝L4-D4；
H6＝L6-D6；
得到高低能投影数据以后，依据下公式进行投影分解
Figure BDA0002329328260000091
求解Ac、Ap，根据CT重建的原理，利用滤波反投影图像重建算法，计算出ac、ap，由此可以计算材质的等效原子序数和电子密度信息，以完成材料的探测识别。ap表示光电效应系数，ac为康普顿散射效应系数，Ac、Ap、为ac、ap的线积分投影值。
具体原理为：
在200keV以内的射线能量范围内，射线与物质的相互作用由康普顿散射和光电效应支配。而对于物质的线性衰减系数，有如下的模型
μ(E)＝acfKN(E)+apfp(E) (1)
其中fp(E)、fKN(E)为只与能量有关而与材质无关的分解系数。且有
Figure BDA0002329328260000092
Figure BDA0002329328260000093
α＝E/510.975KeV，ap表示光电效应系数，ac为康普顿散射效应系数，ap、ac是独立于能量只与材质有关的物理量，且有
Figure BDA0002329328260000094
l1、l2为两常数，ρ为物质密度，Z为原子序数，A为原子量；此模型表示在一定的射线能量范围内，物质的衰减可由光电效应和康普顿散射两种作用共同组成。此模型通为基效应模型。
与基效应模型对应的还有一种关于物质衰减系数的物理模型－基材料模型。模型公式如下：
μ(E)＝b1μ1(E)+b2μ2(E) (5)
μ1(E)、μ2(E)分别为两种基材料的线性衰减系数。b1、b2为对应两种基材料的分解系数，对于某一固定的物质，b1、b2是两个常数。公式(5)表示任何一种物质的线性衰减系数都可由两种基材料的线性衰减系数线性叠加而成。基效应和基材料两种物理模型是统一的，由基效应模型可以推导出基材料模型。
依据上文所述两种衰减系数分解模型，记
Ac＝∫acdl,Ap＝∫apdl；B1＝∫b1dl,B2＝∫b2dl (6)
根据宽能谱射线条件下的BEER定律有
Figure BDA0002329328260000101
Figure BDA0002329328260000102
SL(E)、SH(E)，PL、PH分别为高低能系统能谱和高低能投影。基于投影分解的双能CT预处理重建算法的核心即为方程组(7)或者方程组(8)的求解，即根据式(7)、式(8)求解Ac、Ap、B1、B2，这个过程为投影分解过程。
由于Ac、Ap、B1、B2为ac、ap、b1、b2的线积分投影值，求解出Ac、Ap、B1、B2后，根据CT重建的原理，利用滤波反投影图像重建算法，便可计算出ac、ap、b1、b2，由此可以计算材质的等效原子序数和电子密度信息，以完成材料的探测识别。计算公式如下：
Figure BDA0002329328260000111
ρe＝K2ac (10)
K1、K2为两常数，n＝3～4。
Figure BDA0002329328260000112
ρe＝b1ρe1+b2ρe2 (12)
式(11)和式(12)中Z1、Z2分别为两种基材料的原子序数；ρe1、ρe2分别为两种基材料的电子密度。
实施例1
一种CT探测器，设置有低能探测器24排，排间距6mm；设置有高能探测器12排，全部集中排布，并设置在低能探测器中间位置，排间距6mm。
对比例1
一种CT探测器，设置有低能探测器24排，排间距6mm；设置有高能探测器12排，全部均匀稀疏排列，相邻排间距12mm，即每隔一排低能探测器，相邻排的低能探测器上设置有高能探测器。
在低螺距条件下，螺距设为0.5，Clock模型进行仿真，仿真结果如图8-9所示，可以看出低螺距条件下，本发明方案的重建结果明显优于对比例方案。对比例中高能探测器均匀稀疏设置的方案风车伪影严重，而本发明风车伪影很弱。本发明部分高能探测器集中分布的方案相较于高能探测器均匀稀疏排布的方案图像质量明显更优。
实施例2
一种CT探测器，设置有低能探测器16排，相邻两排低能探测器的中心距6mm；设置有高能探测器10排，其中8排集中排布，并设置在低能探测器中间位置，其余两排高能探测器设置在探测器的两侧，且与其最邻近的高能探测器的中心距为24mm。
对比例2
一种CT探测器，设置有低能探测器16排，两排低能探测器的中心距6mm；设置有高能探测器8排，全部均匀稀疏排列，两排高能探测器的中心距12mm，即每隔一排低能探测器，相邻排的低能探测器上设置有高能探测器。
在低螺距条件下，螺距设为0.5，Clock模型进行仿真，仿真结果如图10-11所示，可以看出低螺距条件下，本发明方案的重建结果明显优于对比例方案。对比例中高能探测器均匀稀疏设置的方案风车伪影严重，而本发明风车伪影很弱。本发明部分高能探测器集中分布的方案相较于高能探测器均匀稀疏排布的方案图像质量明显更优。
实施例3
一种CT探测器，设置有低能探测器16排，两排低能探测器的中心距6mm；设置有高能探测器8排，集中排布，并设置在低能探测器一侧位置。
实施例4
一种CT探测器，设置有低能探测器16排，两排低能探测器的中心距6mm；设置有高能探测器10排，其中8排集中排布，并设置在低能探测器一侧位置，其余两排高能探测器设置在探测器的另一侧，这两排高能探测器与其最邻近的高能探测器的中心距为24mm。
用来探测识别的双能投影数据和用来显示的投影数据相比而言，工程上，实际需求要少很多，本发明减少高能探测器的排数同时至少部分高能探测器集中排布，既降低了成本，又能保证成像精度，满足检测需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高能稀疏的CT探测器，其特征在于，包括高能探测器、低能探测器和PCB板，所述高能探测器和低能探测器采用背靠背式排列，每个高能探测器上方均设置有一个低能探测器；
所述高能探测器和低能探测器均设置有多排，低能探测器排数大于高能探测器排数，至少部分高能探测器集中分布；
所述高能探测器和低能探测器之间设置有铜片，所述铜片用于过滤经过了低能探测器以后的射线；铜片的厚度0.3-1mm之间；
当部分高能探测器集中分布时，集中分布的多排高能探测器设置在多排低能探测器的中间位置；少数高能探测器设置在多排低能探测器的两侧；
或集中分布的多排高能探测器设置在多排低能探测器的一侧；少数高能探测器设置在多排低能探测器的另一侧。
2.根据权利要求1所述的高能稀疏的CT探测器，其特征在于，所述高能探测器包括闪烁体和二极管；所述低能探测器包括闪烁体和二极管。
3.一种CT检测系统，其特征在于，包括CT探测装置、传送带、数据处理计算机、传送带电机、滑环电机和运动控制计算机；
所述CT探测装置包括射线源、旋转盘和权利要求1-2任一项所述的CT探测器；
射线源和CT探测器设置于旋转盘上，CT探测器与数据处理计算机连接，传送带电机和滑环电机均与运动控制计算机连接；
运动控制计算机控制传送带电机带动传送带匀速运动，运动控制计算机控制滑环电机匀速转动。
4.一种CT检测方法，其特征在于，采用权利要求3所述的CT检测系统，包括以下步骤：
被检测物体放置在传动带上，传送带带动被检测物体进入检测通道，旋转盘围绕传送带匀速转动；
射线源发射射线，CT探测装置接收来自于射线源的射线光子信号，由数据处理计算机完成CT投影数据的采集、存储和所有的数据处理工作；
当高能探测器全部集中排布时，双能数据重建断层用来做识别，而相对较为完备的数据重建断层用来做显示；
当高能探测器部分集中排布时，高能探测器未集中分布的部分根据高低能投影值的差值做曲线拟合，根据拟合的曲线求取无高能探测器部分的高能数据，再进行双能投影分解，利用进行了投影分解的数据进行双能图像重建，得到物体的密度和原子序数信息；
具体步骤如下：
对高能探测器未集中分布的部分中既有高能又有低能的位置计算高低能差值，然后对高低能的差值做B样条曲线拟合或多项式曲线拟合，根据拟合的曲线，得到估计的只有低能没有高能的位置的高低能之间的差值；
得到高低能投影数据以后，依据下公式进行投影分解
Figure FDA0002734560260000021
求解Ac、Ap，根据CT重建的原理，利用滤波反投影图像重建算法，计算出ac、ap，由此计算材质的等效原子序数和电子密度信息，以完成材料的探测识别；
计算公式如下：
Figure FDA0002734560260000031
ρe＝K2ac
K1、K2为两常数，n＝3～4；
Figure FDA0002734560260000032
ρe＝b1ρe1+b2ρe2
式中Z1、Z2分别为两种基材料的原子序数；ρe1、ρe2分别为两种基材料的电子密度；ap表示光电效应系数，ac为康普顿散射效应系数，Ac、Ap为ac、ap的线积分投影值；SL(E)、SH(E)，PL、PH分别为高低能系统能谱和高低能投影。
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