CN112730479B - 一种双能ct探测器、ct检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双能CT探测器、CT检测系统及检测方法，涉及CT检测技术领域，用以解决现有技术中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。双能CT探测器包括：探测器阵列和射线过滤单元；所述探测器阵列的每一个阵元为一个探测器；所述探测器阵列包括：第一直线阵列和第二直线阵列；沿着射线光子信号的传播方向，所述射线过滤单元设置在所述第一直线阵列的前面；所述射线过滤单元用于除去所述射线光子信号中的低能射线；所述第一直线阵列主要用于检测所述射线光子信号中的高能射线；所述第二直线阵列主要用于检测所述射线光子信号中的低能射线。本发明提供的技术方案能在降低成本的同时保证成像精度。
Description
技术领域
本发明属于CT检测技术领域，特别涉及一种双能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。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供一种双能CT探测器、CT检测系统及检测方法，用以解决现有技术中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。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种双能CT探测器，包括：探测器阵列和射线过滤单元；
所述探测器阵列的每一个阵元为一个探测器；
所述探测器阵列包括：第一直线阵列和第二直线阵列；
所述射线过滤单元覆盖所述第一直线阵列，且射线光子信号依次穿过所述射线过滤单元和所述第一直线阵列；
所述射线过滤单元用于除去所述射线光子信号中的低能射线；
所述第一直线阵列用于检测所述射线光子信号中的高能射线；
所述第二直线阵列用于检测所述射线光子信号中的低能射线。
进一步地，所述第一直线阵列和所述第二直线阵列相互平行且任意相邻的所述第二直线阵列间设置有多个所述第一直线阵列或者任意相邻的所述第一直线阵列间设置有多个所述第二直线阵列。
进一步地，所述第一直线阵列和所述第二直线阵列相互平行，且在所述低能探测器阵列上相互交替排列。
进一步地，所述CT探测器的第一检测方向上的阵元排布密度小于所述CT探测器的第二检测方向上的阵元排布密度；
所述第一检测方向平行于所述第一直线阵列所在的直线和所述第二直线阵列所在的直线；
所述第二检测方向垂直于所述第二直线阵列所在的直线。
进一步地，相邻的所述第一直线阵列间第二直线阵列数量为1-10个；
进一步地，相邻的所述第二直线阵列间第一直线阵列数量为1-3个。
进一步地，所述射线过滤单元包括：铜片或银片。
第二方面，本发明实施例提供了一种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；
所述CT探测装置包括射线源、旋转盘和第一方面任一项所述的CT探测器；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。
第三方面，本发明实施例提供了一种CT检测方法，采用第二方面所述的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；
数据处理计算机从第一直线阵列采集第一检测数据，从第二直线阵列采集第二检测数据；
所述数据处理计算机根据所述第一检测数据和所述第二检测数据，确定物体的密度和原子序数信息。
进一步地，所述数据处理计算机根据所述第一检测数据和所述第二检测数据，确定物体的密度和原子序数信息，包括：
所述数据处理计算机根据所述第一检测数据，确定第一函数；
所述数据处理计算机根据所述第一函数，确定高能投影值集合；
所述数据处理计算机根据所述第二检测数据，确定第二函数，所述第二函数以所述第二直线阵列对应的像素间距为自变量，低能投影值为因变量；
所述数据处理计算机根据所述第二函数，确定低能投影值集合；
所述数据处理计算机根据所述低能投影值集合和所述高能投影值集合，确定所述物体的密度和所述原子序数信息。
进一步地，所述第一检测数据，包括：所述第一直线阵列对应的像素间距和所述第一直线阵列对应的高能投影值；
所述数据处理计算机以所述第一直线阵列对应的像素间距为自变量和以所述第一直线阵列对应的高能投影值为因变量，确定所述第一函数。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：
1)在不使用高能检测器的同时，通过设置射线过滤单元，使得部分低能探测器可以起到高能探测器的作用，以维持原有的检测体系，从而实现在保证降低成本的同时，还能保证测量结果的精度。
2)在本发明中，由于射线过滤单元遮挡了部分低能探测器，使得低能探测器阵列采集到的低能数据的数量减小，进而降低了低能探测器阵列对应的低能检测数据准确度。因此，通过增加低能探测器在第二检测方向上的阵元排布密度，以同时提高低能探测器阵列采集到的低能数据和高能数据的数量，从而保证低能探测器阵列对应的低能检测数据和高能检测数据的准确度。
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1是本发明实施例提供的一种CT探测装置(16排)；
图2是本发明实施例提供的一种CT检测系统；
图3是本发明实施例提供的高低能投影值及高能投影值补偿示意图；
图4是本发明对比例1的图像质量图；
图5是本发明实施例1的图像质量图。
附图标记：
1-低能探测器；2-铜片；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双能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，探测识别所需的双能投影数据远小于显示投影所需的双能数据。因此，在工程上，CT探测器中高能探测器和低能探测器通常是按照显示投影的标准去布置的，例如每设置一个低能探测器，必须对应地设置一个高能探测器。然而，实际工作中，使用探测识别的场景不比使用显示投影场景的场景少，这意味着单纯按照显示投影的标准去布置CT探测器会提高CT探测器的成本。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种双能CT探测器，如图1和图2所示，包括：低能探测器阵列1和铜片2；其中，每一个低能探测器中设置有闪烁体和二极管，铜片2为射线过滤单元，还可以用银片代替铜片。本发明中提到的低能探测器阵列1是指排成行和列的低能探测器的排列，例如，如图1中所示的排布方式的所有低能探测器的排列。低能探测器阵列1的每一个阵元为一个低能探测器。
具体地，低能探测器阵列1包括：第一直线阵列和第二直线阵列。沿着射线光子信号的传播方向，铜片2设置在第一直线阵列的前面，以除去射线光子信号中的低能射线。其中，第一直线阵列用于检测射线光子信号中的高能射线，第二直线阵列用于检测射线光子信号中的低能射线。需要说明的是，在本发明实施例中低能探测器既可以接收高能射线，又能接收低能射线，因此通过设置铜片2能让低能探测器阵列1同时检测低能射线和高能射线的能力。
在本发明实施例中，低能探测器阵列1是指排成行和列的低能探测器的排列，图1中的x方向即为低能探测器阵列的行方向，y方向即为低能探测器阵列的列方向，定义阵元沿x方向排布为一排，即x方向为排方向(对应阵列的行方向)，阵元沿y方向排布为一列，即列方向(对应阵列的列方向)，则第一直线阵列和第二直线阵列均沿排方向排布。同时设定x方向为第一检测方向，即排方向为第一检测方向，y方向为第二检测方向，即列方向为第二检测方向。
在图1中，由于铜片2的存在，使得部分低能探测器用于检测高能射线，因而在第二检测方向上低能探测器的密度变小，从而降低了低能探测器阵列1对应的低能检测数据的检测精度。因此，需要增加低能探测器在第二检测方向上低能探测器的阵元排布密度。例如，可以减小低能探测器在y方向的尺寸，在各列总长不变的情况下，增加了图1中各列上设置的低能探测器的数量，以提高低能探测器在第二检测方向上低能探测器的阵元排布密度。或者减小低能探测器在y方向的尺寸，各列上设置的低能探测器的数量维持不变，但各列的总体长度减小，也能提高低能探测器在第二检测方向上低能探测器的阵元排布密度。
上述方式可以提高低能检测数据的检测精度。同时，增加低能探测器在第二检测方向上低能探测器的阵元排布密度也间接增加了用于接收高能射线的低能探测器的密度，从而提高低能检测数据的检测精度。
此外，对于安检CT，在第一检测方向上对物质识别和物质外形构建的精度要求低于第二检测方向。因此，增加低能探测器在第二检测方向上低能探测器的阵元排布密度，还有助于保证第二检测方向的检测精度。
如果第二直线阵列间第一直线阵列数量过多或者第一直线阵列总数量过多，会降低低能数据的采集数量，降低重构图像的质量，从而极大地降低低能数据的检测精度，因此在本发明实施例中，相邻的所述第二直线阵列间第一直线阵列数量通常为1-3个或者相邻的第一直线阵列间第二直线阵列数量为1-10个。作为优选方案，如图1所示，第一直线阵列和第二直线阵列相互平行，且在低能探测器阵列上相互交替排列，以兼顾节省成本和保证检测精度。
具体地，图1为16排的布置形式，每排16个低能探测器，排号为1，3，5，7，9，11，13，15的低能探测器的上面设置有铜片，用于过滤低能射线数据，采集高能射线数据。而其他排的低能探测器的上面未设置铜片，用于采集低能射线数据。其中，图1中上数第一行的排号为1，从上到下其他行的排号依次为2-16。
通过上述排布方式并结合双能CT探测器的测试原理，可以保证CT探测器的检测精度。
其中，双能CT探测器的测试原理为：
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μ(E)，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
α＝E/510.975KeV，E是指200keV以内的射线能量，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
l1、l2为两常数，ρ为物质密度，Z为原子序数，A为原子量，n为常数，取值范围4-5；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
SL(E)、SH(E)分别为高、低能系统能谱，PL、PH分别为高、低能投影。SL(E)、SH(E)、PL和PH均需要通过双能CT探测器获得。之后，利用双能CT探测器获得的SL(E)、SH(E)、PL和PH，求方程组(7)或者方程组(8)的解，即根据式(7)、式(8)求解Ac、Ap、B1、B2。
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Zeff和电子密度信息ρe，以完成材料的探测识别。计算公式如下＝：
ρe＝K2ac (10)
(K1、K2为两常数，n的取值范围为3-4)和
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。
由此可知，只要能得到精确的PL和PH，就能在减少高能探测器的前提下，保证双能CT探测器的检测精度。利用上述排布方式得到精确的PL和PH具体方法为；
假设低能探测器有16排，每一排设置有16个探测器，在垂直于排的方向(即第一检测方向)上L1-L16为低能投影值，H1-H16为高能投影值。D1-D16为高低能投影值的差值。根据图1的探测器和铜片排布，L2、L4、L6、L8、L10、L12、L14、L16可以直接采集到，根据L2、L4、L6、L8、L10、L12、L14、L16的数据做曲线拟合(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L1、L3、L5、L7、L9、L11、L13、L15。
根据图1的探测器和铜片排布，H1、H3、H5、H7、H9、H11、H13、H15可以根据数据采集直接得到，根据H1、H3、H5、H7、H9、H11、H13、H15的数据做曲线拟合(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H2、H4、H6、H8、H10、H12、H14、H16。
具体的如图3所示，利用L2、L4、L6拟合得到图中实线，利用H1、H3、H5、H7拟合得到图中虚线。再根据L2、L4、L6的位置在虚线中补充H2、H4、H6。同时根据H1、H3、H5、H7的位置，在实线中补充L1、L3、L5、L7。
得到高低能投影数据以后，依据下公式进行投影分解：
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。
由此可知，在本发明实施例中的优选方案里，第一直线阵列和第二直线阵列相互平行，且在低能探测器阵列上相互交替排列是为了得到分布趋势良好的数据点，以便于根据数据点，得到拟合程度较高的拟合曲线，从而保证检测精度。
本发明实施例提供了一种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02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。
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。
本发明实施例提供了一种CT检测方法，包括以下步骤：
步骤1、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。
步骤2、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。
步骤3、数据处理计算机90从第一直线阵列采集第一检测数据，从第二直线阵列采集第二检测数据；
步骤4、数据处理计算机90根据第一检测数据和第二检测数据，确定物体的密度和原子序数信息。
步骤5、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。
在本发明实施例中，数据处理计算机根据第一检测数据和第二检测数据，确定物体的密度和原子序数信息，具体为：
数据处理计算机根据第一检测数据，确定第一函数。
数据处理计算机根据第一函数，确定高能投影值集合。
数据处理计算机根据第二检测数据，确定第二函数。
数据处理计算机根据第二函数，确定低能投影值集合。
数据处理计算机根据低能投影值集合和高能投影值集合，确定物体的密度和原子序数信息。
在本发明实施例中，数据处理计算机根据所述第一检测数据，确定第一函数，具体为：
第一检测数据，包括：第一直线阵列间的间距和第一直线阵列对应的低能值投影；
数据处理计算机以第一直线阵列间的间距为自变量和以第一直线阵列对应的低能值为因变量，确定第一函数；
第一函数以阵列间距为自变量，高能投影值为因变量。
为了说明本申请提供的技术方案的可行性，给出下述实施例，排号和列号的定义请参考图1。
实施例1
一种CT探测器，设置有低能探测器16排，排间距6mm,每一排有16个探测器；每一排的第1、3、5、7、9、11、13、15个探测器的上表面设置有铜片。
对比例1
一种CT探测器，设置有低能探测器16排，排间距6mm；设置有高能探测器8排，排间距12mm，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4-5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，排间距6mm,每一排有16个探测器；每一排的第1、3、5、7、9、11、13、15个探测器的上表面设置有银片。
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 (10)
1.一种双能CT探测器，其特征在于，包括：低能探测器阵列和射线过滤单元；
所述探测器阵列的每一个阵元为一个探测器；所述探测器既能接收高能射线，又能接收低能射线；
所述探测器阵列包括：第一直线阵列和第二直线阵列；
所述射线过滤单元覆盖所述第一直线阵列，且射线光子信号依次穿过所述射线过滤单元和所述第一直线阵列；所述第一直线阵列用于检测射线光子信号中的高能射线；
所述射线过滤单元用于除去所述射线光子信号中的低能射线；
所述第一直线阵列用于检测所述射线光子信号中的高能射线；
所述第二直线阵列用于检测所述射线光子信号中的低能射线；
所述CT探测器的第一检测方向上的阵元排布密度小于所述CT探测器的第二检测方向上的阵元排布密度，所述第一检测方向为排方向，所述第二检测方向为列方向。
2.根据权利要求1所述的CT探测器，其特征在于，
所述第一直线阵列和所述第二直线阵列相互平行且任意相邻的所述第二直线阵列间设置有多个所述第一直线阵列或者任意相邻的所述第一直线阵列间设置有多个所述第二直线阵列。
3.根据权利要求2所述的CT探测器，其特征在于，
所述第一直线阵列和所述第二直线阵列相互平行，且在所述低能探测器阵列上相互交替排列。
4.根据权利要求3所述的CT探测器，其特征在于，
所述第一检测方向平行于所述第一直线阵列所在的直线和所述第二直线阵列所在的直线；
所述第二检测方向垂直于所述第二直线阵列所在的直线。
5.根据权利要求2所述的CT探测器，其特征在于，
相邻的所述第一直线阵列间第二直线阵列数量为1-10个；
或者，
相邻的所述第二直线阵列间第一直线阵列数量为1-3个。
6.根据权利要求1所述的CT探测器，其特征在于，
所述射线过滤单元包括：铜片或银片。
7.一种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1-6任一项所述的CT探测器；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。
8.一种CT检测方法，其特征在于，采用权利要求7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；
数据处理计算机从第一直线阵列采集第一检测数据，从第二直线阵列采集第二检测数据；
所述数据处理计算机根据所述第一检测数据和所述第二检测数据，确定物体的密度和原子序数信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述数据处理计算机根据所述第一检测数据和所述第二检测数据，确定物体的密度和原子序数信息，包括：
所述数据处理计算机根据所述第一检测数据，确定第一函数；
所述数据处理计算机根据所述第一函数，确定高能投影值集合；
所述数据处理计算机根据所述第二检测数据，确定第二函数，所述第二函数以所述第二直线阵列对应的像素间距为自变量，低能投影值为因变量；
所述数据处理计算机根据所述第二函数，确定低能投影值集合；
所述数据处理计算机根据所述低能投影值集合和所述高能投影值集合，确定所述物体的密度和所述原子序数信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述第一检测数据，包括：所述第一直线阵列对应的像素间距和所述第一直线阵列对应的高能投影值；
所述数据处理计算机以所述第一直线阵列对应的像素间距为自变量和以所述第一直线阵列对应的高能投影值为因变量，确定所述第一函数。
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