CN112748133B - 一种高能稀疏的ct探测器、ct检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能稀疏的CT探测器、CT检测系统及检测方法，涉及CT检测技术领域，用于解决CT探测器成本高的问题，高能稀疏的CT探测器包括：高能探测器阵列和低能探测器阵列；所述低能探测器阵列的每一个阵元上设置有低能探测器；所述高能探测器阵列包括：第一直线阵列和第二直线阵列；所述第一直线阵列的每一个阵元上设置有高能探测器；所述第二直线阵列上设置有高能探测器，且第二直线阵列上设置的高能探测器数量小于所述第一直线阵列上设置的高能探测器数量。本发明提供的技术方案在降低成本的同时保证检测精度。
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。虽然减少高能探测器的数量，能够降低成本，但其测试精度必然下降，从而极大限制了CT探测器和CT检测系统的适用范围。
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高能稀疏的CT探测器，包括：高能探测器阵列和低能探测器阵列；
所述低能探测器阵列的每一个阵元上设置有低能探测器；
所述高能探测器阵列包括：第一直线阵列和第二直线阵列；
所述第一直线阵列的每一个阵元上设置有高能探测器；
所述第二直线阵列上设置有高能探测器，且第二直线阵列上设置的高能探测器数量小于所述第一直线阵列上设置的高能探测器数量。
进一步地，所述第一直线阵列为多个，所述第二直线阵列为多个；
所述第二直线阵列分布在所述第一直线阵列之间。
进一步地，多个所述第一直线阵列等间距分布。
进一步地，所述第二直线阵列均匀分布在所述第一直线阵列之间。
进一步地，相邻所述第一直线阵列之间的第二直线阵列的数量为1-10个。
进一步地，所述高能探测器阵列和所述低能探测器阵列之间设置有射线过滤单元，所述射线过滤单元包括铜片或银片；
每一个所述高能探测器对应一个所述低能探测器。
进一步地，所述低能探测器阵列包括：第三直线阵列；
所述第一直线阵列和所述第二直线阵列的数量之和等于所述第三直线阵列的数量。
进一步地，所述第二直线阵列上的高能探测器数量为1-5个。
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；
数据处理计算机从低能探测器阵列采集第一检测数据，从第一直线阵列采集第二检测数据，从第二直线阵列采集第三检测数据；
所述数据处理计算机根据所述第一检测数据、所述第二检测数据和所述第三检测数据，确定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)在减少高能检测器的同时，保持高能检测器的排数不变，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)在高能检测器阵列中，第二直线阵列中高能检测器的数量以及第一直线阵列之间的第二直线阵列的数量也可以根据测量的精度、测量物品的种类，进行调整，从而最大限度地实现兼顾检测成本和检测精度。
3)多个第一直线阵列等间距分布以及多个第二直线阵列均匀分布在第一直线阵列之间，以便于数据测量时得到分布趋势良好的数据点，最终得到拟合程度较高的拟合曲线。再根据拟合曲线和第二直线阵列得到的数据，可以反推得到缺失的高能投影值。上述方法的高能投影值与实际高能投影值偏差较小，因而能够保证探测器的检测精度。
4)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1是本发明实施例提供的一种CT探测装置(24排)的仰视图；
图2是本发明实施例提供的一种CT探测装置2(16排)的仰视图；
图3是本发明实施例提供的一种CT检测系统；
图4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5是本发明实施例提供的高低能投影差值及曲线拟合示意图；
图6是本发明对比例1的图像质量图；
图7是本发明实施例1的图像质量图。
附图标记：
1-低能探测器阵列；2-PCB板；3-铜片；4-高能探测器阵列；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，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CT探测器，如图1和图2所示，包括：低能探测器阵列1、PCB板2、铜片3和高能探测器阵列4；其中，高能探测器和低能探测器均设置有闪烁体和二极管。需要说明的是，本发明中提到的高能探测器阵列4是指排成行和列的高能探测器的排列，如图1或图2中所示的排布方式的所有高能探测器的排列，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，如图1或图2中所示的排布方式的所有低能探测器的排列。本申请中提到的阵元是指阵列中的单个元素。在低能探测器阵列1中，一个阵元对应一个低能探测器的安装位置。在高能探测器阵列4中，一个阵元对应一个高能探测器的安装位置。相应地，位于同一列的阵元组成一个直线阵列。
低能探测器阵列1的每一个阵元上设置有低能探测器，且包括多个直线阵列，命名为第三直线阵列。高能探测器阵列4包括：第一直线阵列和第二直线阵列。需要说明的是，在本发明实施例中，定义阵元沿x方向排布为一行，阵元沿y方向排布为一排，则第一直线阵列、第二直线阵列和第三直线阵列均为图1或图2中的一排。可以理解的是，沿x方向，设置有直线阵列，沿y方向(即排方向)的直线阵列含有一个或多个阵元。
第一直线阵列的每一个阵元上均设置有高能探测器。第二直线阵列上设置有一个或多个高能探测器，且高能探测器数量小于第一直线阵列上设置的高能探测器数量。具体地，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，低能探测器排数等于高能探测器排数，均等于阵列的列数。在第一直线阵列上，高能探测器和低能探测器是一一对应的。而在第二直线阵列上，高能探测器的数量小于第一直线阵列上高能探测器的数量，即在第二直线阵列高能探测器相对于第一直线阵列是稀疏的。因此，在低能探测器阵列1的每一个阵元上都设置有低能探测器的情况下，在第二直线阵列中，高能探测器和低能探测器不是一一对应的。例如，第一直线阵列有16个高能探测器，第一直线阵列正上方的第三直线阵列有16个低能探测器。第二直线阵列有4个高能探测器，第二直线阵列正上方的第三直线阵列有16个低能探测器。显而易见的，第一直线阵列上，高能探测器和低能探测器是一一对应的，而在第二直线阵列上，每一个高能探测器上方对应设置有一个低能探测器，但高能探测器和低能探测器不是一一对应的。
具体地，在图1和图2中，虚线阵元表示该阵元中的低能探测器没有与之对应的高能探测器，则图中虚线阵元所在的列或排为第二直线阵列。实线阵元表示该阵元中的低能探测器存在与之相对应的高能探测器，则图中实线阵元所在的列或排为第一直线阵列。
在实际使用的过程中，射线源10发出的射线会穿过被检测物体40。由于物体会吸收部分射线的能量，因此穿过被检测物体40后，射线分解成产生低能射线和高能射线，其中低能探测器用于检测低能射线，高能探测器用于检测高能射线。为了降低低能射线对高能探测器的检测结果产生的干扰，在低能探测器阵列1和高能探测器阵列4之间设置有铜片3，以使低能射线无法穿过铜片，从而提高高能探测器的检测精度。需要说明的是，可以用银片代替铜片作为射线过滤单元。
此外，为了进一步降低成本，第二直线阵列上的高能探测器数量为1-5个。通过上述方式，可以降低高能探测器的数量，从而节省成本。
为了兼顾节省成本和保证探测精度，在本发明实施例中，根据CT探测器的测试原理进一步优化第一阵列和第二阵列的排布方式，具体方式如下：
多个第二直线阵列分布在多个第一直线阵列之间，且满足如下条件。
1.多个第一直线阵列等间距分布。
2.多个第二直线阵列均匀分布在等间距分布的第一直线阵列之间。
其中，第一直线阵列间距越大，检测精度越低。
具体地，图1为24排的布置形式，每排16个探测器，排号为1，4，7，10，13，16，19，22的排为第一直线阵列，高能探测器和低能探测器一一对应。而其他排的16个低能探测器位置下面只有行号为1和9的位置设置高能探测器。其中，图1中左数第一排的排号为1，从左到右其他排的排号依次为2-24，图1中上数第一行的行号为1，从上到下其他行的行号依次为2-24。
图2为16排的布置形式，每排16像素，排号为1，4，7，10，13，16的排为第一直线阵列，高能探测器和低能探测器一一对应。而其他排的16个低能探测器位置下面只有行号为1和9的位置设置高能探测器。其中，图2中左数第一排的排号为1，从左到右其他排的排号依次为2-16，图2中上数第一行的行号为1，从上到下其他行的行号依次为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，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，取值范围为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)
Ac、Ap、B1、B2为ac、ap、b1、b2的线积分投影值。
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为常数，其取值范围为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为高低能投影值和低能投影值的差值。
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5所示。其中，横坐标为直线阵列的间距。
根据D2、D4、D6，得到高能投影值H2、H4、H6，如图4所示。
H2＝L2-D2；
H4＝L4-D4；
H6＝L6-D6；
对应低能L2、L4、L6排的高能探测器实际测得的高能影值为H2’、H4’、H6’。将H2、H4、H6和H2’、H4’、H6’值进行对比，得到修正后的高能数据H2、H4、H6。
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，多个第一直线阵列等间距分布以及多个第二直线阵列均匀分布在第一直线阵列之间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。而第二直线阵列可以对缺失的数据进行修正以进一步提高检测精度。相邻第一直线阵列之间的第二直线阵列的数量为1-10个。优选地，第一直线阵列之间的第二直线阵列的数量为1-4个。
需要说明的是，第二直线阵列均匀分布在第一直线阵列之间是为了提高计算精度。但在实际测量中，被检测物体各部分对检测精度要求并不一致，此时可以根据实际情况，调整相邻第一直线阵列之间的第二直线阵列的数量。例如，沿着靠近高能探测器阵列边缘的方向，相邻第一直线阵列之间的第二直线阵列的数量逐渐减少。
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从低能探测器阵列采集第一检测数据，从第一直线阵列采集第二检测数据，从第二直线阵列采集第三检测数据；
步骤4、数据处理计算机90根据第一检测数据、第二检测数据和第三检测数据，确定得到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。
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，排号和行号的定义请参考图1和图2。
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24排，第1、4、7、10、13、16、19、22排高能探测器和低能探测器一一对应。而其他排的16个低能探测器位置下面只有行号为1和9的位置存在高能像素。
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，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6-7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。
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 (9)
1.一种高能稀疏的CT探测器，其特征在于，包括：高能探测器阵列和低能探测器阵列；
所述低能探测器阵列的每一个阵元上设置有低能探测器；
所述高能探测器阵列包括：第一直线阵列和第二直线阵列；多个第一直线阵列等间距分布以及多个第二直线阵列均匀分布在第一直线阵列之间；
所述第一直线阵列的每一个阵元上设置有高能探测器；
所述第二直线阵列上设置有高能探测器，且第二直线阵列上设置的高能探测器数量小于所述第一直线阵列上设置的高能探测器数量，第二直线阵列高能探测器相对于第一直线阵列是稀疏的；
第一直线阵列上，高能探测器和低能探测器是一一对应的，在第二直线阵列上，每一个高能探测器上方对应设置有一个低能探测器，但高能探测器和低能探测器不是一一对应的；
每一个所述高能探测器对应一个所述低能探测器；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，低能探测器排数等于高能探测器排数，均等于阵列的列数。
2.根据权利要求1所述的CT探测器，其特征在于，
所述第一直线阵列为多个，所述第二直线阵列为多个；
所述第二直线阵列分布在所述第一直线阵列之间。
3.根据权利要求2所述的CT探测器，其特征在于，
所述第二直线阵列均匀分布在所述第一直线阵列之间。
4.根据权利要求2所述的CT探测器，其特征在于，
相邻所述第一直线阵列之间的第二直线阵列的数量为1-10个。
5.根据权利要求1所述的CT探测器，其特征在于，
所述高能探测器阵列和所述低能探测器阵列之间设置有射线过滤单元，所述射线过滤单元包括铜片或银片。
6.根据权利要求1所述的CT探测器，其特征在于，
所述低能探测器阵列包括：第三直线阵列；
所述第一直线阵列和所述第二直线阵列的数量之和等于所述第三直线阵列的数量。
7.根据权利要求1所述的CT探测器，其特征在于，
所述第二直线阵列上的高能探测器数量为1-5个。
8.一种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1-7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。
9.一种CT检测方法，其特征在于，采用权利要求8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；
数据处理计算机从低能探测器阵列采集第一检测数据，从第一直线阵列采集第二检测数据，从第二直线阵列采集第三检测数据；
所述数据处理计算机根据所述第一检测数据、所述第二检测数据和所述第三检测数据，确定得到物体的密度和原子序数信息。
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