CN114295652A - 一种双能滤过器和双能ct - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双能滤过器和双能CT，包括第一射线过滤层和第二射线过滤层，第一射线过滤层和第二射线过滤层用于将放射源发出的宽谱射线输出为两种不同平均能量的射线供探测器接收，且两种不同平均能量的射线照射于探测器的接收面的不同区域。通过在放射源与探测器之间设置两种射线过滤层，放射源发出的宽谱射线穿过第一射线过滤层和第二射线过滤层后形成两种不同的平均能量的射线，两种平均能量不同的射线到达探测器的不同区域，探测器在不同位置接收两种射线，探测器同时实现了双能探测。基于以上方案，在不对现有CT技术方案进行明显改造的情况下，实现了对两种不同平均能量的X射线的扫描采集。

Description

一种双能滤过器和双能CT

技术领域

本发明涉及射线成像技术领域，尤其涉及一种双能滤过器和双能CT。

背景技术

CT(Computed Tomography)双能量成像是使用两种能量的X射线束对被扫描物体进行扫描的成像技术。

目前是双能CT成像设计具备多种方案，如双源双探测器方案、双层探测器方案、快速kVp切换方案、双圈序列扫描方案等。

双源双探测器和双层探测器方案有别于一般的CT方案，需要增加放射源和/或探测器，对成像系统结构或者核心部件进行了大幅度的升级改造，设计和成本要求较高；快速kVp切换方案需要具备快速kVp切换能力的高压部件和快速响应能力的宝石探测器，设计和成本要求较高；双圈序列扫描方案不需要改变现有CT结构或核心部件，通过在一个kVp下完成一床或多床扫描后，切换kVp后进行重复扫描，但是得到的双能图像在时域上匹配度较差。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种双能滤过器和双能CT，解决现有技术中如何在不增加放射源和探测器的情况下得到匹配度较好的双能图像的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种双能滤过器，包括第一射线过滤层和第二射线过滤层，所述第一射线过滤层和第二射线过滤层用于将放射源发出的宽谱射线输出为两种不同平均能量的射线供探测器接收，且两种不同平均能量的射线照射于所述探测器的接收面的不同区域。

在其中的一个实施例中，所述第一射线过滤层和第二射线过滤层为内径相等且材料不同的圆弧结构，所述第一射线过滤层和所述第二射线过滤层沿圆弧的轴向设置。

在其中的一个实施例中，所述第一射线过滤层和第二射线过滤层的弧长相等，所述第二射线过滤层靠近所述放射源的一侧与所述第一射线过滤层靠近所述放射源的一侧平齐，且所述第二射线过滤层与所述第一射线过滤层两端平齐。

在其中的一个实施例中，还包括支撑层，所述支撑层连接于所述第一射线过滤层和第二射线过滤层。

在其中的一个实施例中，所述支撑层设置于所述第二射线过滤层远离所述放射源的一侧，所述支撑层远离所述放射源的一侧与所述第一射线过滤层远离所述放射源的一侧平齐。

在其中的一个实施例中，所述第一射线过滤层沿周向各处的径向厚度相等，所述第二射线过滤层沿周向各处的径向厚度相等。

在其中的一个实施例中，所述第二射线过滤层沿径向的厚度小于所述第一射线过滤层沿径向的厚度。

在其中的一个实施例中，所述第二射线过滤层中材料的原子序数高于所述第一射线过滤层中材料的原子序数。

在其中的一个实施例中，还包括用于屏蔽射线的屏蔽层，所述屏蔽层设置于所述第一射线过滤层和所述第二射线过滤层之间。

在其中的一个实施例中，所述第一射线过滤层的数量为两个，两个所述第一射线过滤层分别设置于所述第二射线过滤层的两侧并与第二射线过滤层均并列设置。

本发明还涉及一种双能CT，包括放射源、探测器及上述的双能滤过器，所述双能滤过器设置于所述放射源和所述探测器之间，所述双能率滤过器设置于所述放射源与所述探测器之间，所述第一射线过滤层和所述第二射线过滤层的轴线穿过放射源焦点。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过在放射源与探测器之间设置两种射线过滤层，放射源发出的宽谱射线穿过第一射线过滤层和第二射线过滤层后形成两种不同的平均能量的射线，两种平均能量不同的射线到达探测器的不同区域，探测器在不同位置接收两种射线，探测器同时实现了双能探测。基于以上方案，在不对现有CT技术方案进行明显改造的情况下，实现了对两种不同平均能量的X射线的扫描采集。然后通过修改螺旋扫描pitch(螺旋扫描中的归一化螺距)值或者进床等方式，实现对承载床同一位置的双能扫描，就获得了对同一区域扫描的双能图像。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的双能滤过器、放射源及探测器工作时的三维示意图；

图2是本发明一实施例提供的双能滤过器的三维示意图；

图3是射线经过本发明一实施例提供的双能滤过器滤过后的发射谱；

图4是射线经过本发明一实施例提供的不同厚度的第一射线过滤层和第二射线过滤层滤过后的发射谱；

图5是本发明一实施例提供的探测器工作时第一扫描区域和第二扫描区域的扫描轨迹；

图6是本发明一实施例提供的探测器另一工作状态时第一扫描区域和第二扫描区域的扫描轨迹；

图7是本发明另一实施例提供的双能滤过器的三维示意图；

图8是本发明一实施例提供的放射源焦点与过滤层圆心不重合时X射线在各个角度下的穿透过滤层的深度最大偏差示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，本发明提供了一种双能滤过器，包括第一射线过滤层3和第二射线过滤层4，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4用于将放射源1发出的宽谱射线输出为两种不同平均能量的射线供探测器2接收，且两种不同平均能量的射线照射于探测器2的接收面的不同区域。

放射源1发出的宽谱射线穿过第一射线过滤层3和第二射线过滤层4后形成两种不同的平均能量的射线，两种平均能量不同的射线到达探测器2的不同区域，探测器2在不同位置接收两种射线，探测器2同时实现了双能探测。基于以上方案，在不对现有CT技术方案进行明显改造的情况下，实现了对两种不同平均能量的X射线的扫描采集。然后通过进床等方式，实现对承载床同一位置的双能扫描，就获得了对同一区域扫描的双能图像。

可以理解的，放射源1发出的射线可以为X射线。

在其中的一个实施例中，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4为内径相等且材料不同的圆弧结构，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4沿圆弧的轴向设置，即沿Z向设置，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4以放射源1焦点为圆心。其中，Z向为进床方向，垂直于Z向的水平方向为X向，垂直于Z向的竖直方向为Y向。

在其中的一个实施例中，第二射线过滤层4中材料的原子序数高于第一射线过滤层3中材料的原子序数。通过上述设置，使得第一射线过滤层3和第二射线过滤层4形成两种不同材质的过滤层，可以对X射线实现两种不同的衰减滤过。

在其中的一个实施例中，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4的材质不同。

当射线穿过不同材质的第一射线过滤层3和第二射线过滤层4时，不同材质对射线的衰减不同，从而得到两种不同平均能量的射线。

可以理解的，构成第一射线过滤层3的材质可以为锂、铍、钠、镁、铝、钾、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、铷、锶、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铯、钡及镧中的一种或多种。

可以理解的，构成第二射线过滤层4的材质可以为钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、铷、锶、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铯、钡及镧中的一种或多种。

在其中的一个实施例中，第一射线过滤层3沿周向各处的径向的厚度相等，第二射线过滤层4沿周向各处的径向厚度相等。由于滤过厚度对X射线衰减影响明显，本申请将第一射线过滤层3沿周向各处的径向厚度设置为相等，将第二射线过滤层4沿周向各处的径向厚度设置为相等，以保障各个方向的X射线穿过的滤过厚度相同，使得各个方向的X射线沿过滤层径向穿过过滤层后的形成的X射线谱是一致的。

在其中的一个实施例中，第二射线过滤层4沿径向的厚度小于第一射线过滤层3沿径向的厚度。由于第二射线过滤层4中材料的原子序号大于第一射线过滤层3中材料的原子序号，将第二射线过滤层4沿径向的厚度设计为小于第一射线过滤层3沿径向的厚度，能减小第二射线过滤层4对射线的拦截，能避免原子序号更高的第二射线过滤层4完全阻隔射线穿过。

在其中的一个实施例中，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4的弧长相等，第二射线过滤层4靠近放射源1的一侧与第一射线过滤层3靠近放射源1的一侧平齐，且第二射线过滤层4与第一射线过滤层3两端平齐。

可以理解的，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4可以并列设置，并列设置指的是，在第一射线过滤层3和第二射线过滤层4沿圆弧的轴向设置的基础上第一射线过滤层3与第二射线过滤层4相贴合；其中，第二射线过滤层4与第一射线过滤层3两端平齐指的是第二射线过滤层4的两端部分别与第一射线过滤层3的两端部平齐。

在其中的一个实施例中，第一射线过滤层3的数量为两个，两个第一射线过滤层3分别设置于第二射线过滤层4的两侧并与第二射线过滤层4均并列设置。通过在原子序号相对较高的第二射线过滤层4的两侧设置原子序号相对较低的两个第一射线过滤层3后可用于单床位非螺旋连续扫描协议，其使用方法与双圈序列扫描类似，第一圈采用第二射线过滤层4及其一侧的第一射线过滤层3进行扫描；第二圈切换滤过为第二射线过滤层4和及其另一侧的第一射线过滤层3进行扫描。该扫描方案与双圈序列扫描方案的双能图像时域匹配度相当。

在其中一个实施例中，双能滤过器还包括支撑层5，支撑层5连接于第一射线过滤层3和第二射线过滤层4。通过设置支撑层5，通过支撑层5可以固定第一射线过滤层3和第二射线过滤层4，形成具备良好工程可靠性的滤片。

在其中一个实施例中，支撑层5设置于第二射线过滤层4远离放射源1的一侧并沿第二射线过滤层4的周向设置，支撑层5远离放射源1的一侧与第一射线过滤层3远离放射源1的一侧平齐。由于第二射线过滤层4的厚度比第一射线过滤层3薄，将支撑层5安装于第二射线过滤层4远离放射源1的一侧，充分利用的空余的间隙，使得装置更紧凑；由于第一射线过滤层3、第二射线过滤层4的内圈平齐且并列设置，当支撑层5贴合第二射线过滤层4的外侧并与第一射线过滤层3并列设置，实现了对第一射线过滤层3、第二射线过滤层4的定位和固定。

在其中的一个实施例中，支撑层5的内部空心，支撑层5的材质为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，又称作亚克力或有机玻璃)。将支撑层5设置为空心的PMMA，能降低支撑层5自重，并能减小支撑层5对射线的阻隔。

在其中的一个实施例中，双能滤过器还包括用于屏蔽射线的屏蔽层6，屏蔽层6设置于第一射线过滤层3和第二射线过滤层4之间。通过设置屏蔽层6，用于间隔第一射线过滤层3和第二射线过滤层4中两种不同频率的X射线散射。

在其中的一个实施例中，构成屏蔽层6的材质为钨或原子序号更高的材料，且质量占比高于90％的合金材料，厚度在100um或以上。

在其中的一个实施例中，第一射线过滤层3的两侧均设置有屏蔽层6。当第一射线过滤层3的两侧均设置有第二摄像过滤层4时，第一射线过滤层3的两侧的屏蔽层6能避免第二射线过滤层4散射的射线射入第一射线过滤层3。

本发明的具体工作原理：通过本申请的双能滤过器进行扫描成像时，放射源1发射出的射线射向第一射线过滤层3和第二射线过滤层4，射线穿过第一射线过滤层3和第二射线过滤层4时，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4对射线进行两种不同的衰减滤过，得到平均能量不同的出射谱，两种不同能量的射线穿过待检测的物体并作用于探测器2，由探测器2接收透过待检测的物体的射线，并将射线转变成可见光，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理得到待测物体的重建图像。

由于不同物质对于不同能量的射线有不同的、特异性的吸收系数。当物质的比例未知时，可以分别利用两种不同能量的射线对物体进行成像，通过类似解线性方程的方法得到物质的构成比例。

如图3和图4所示，在140kVp下，当第一射线过滤层3为4mm厚度的Al，第二射线过滤层4为0.6mm厚度的Cu时，其基于蒙特卡洛模拟的出射谱线如图3所示。图中，曲线分别为射线穿过4mm厚度的Al的出射谱、射线穿过0.6mm厚度的Cu的出射谱以及射线穿过Cu的出射谱与射线穿过Al的出射谱相减的相减谱，纵轴数值为X射线源电流1mA，探测器距离1m下每平方毫米每秒测量到的光子数能量分布。实际使用中，将使用Cu的出射谱和相减谱分别进行图像重建，以获得更高的能量分离度。Al的出射谱的平均能量为75.8keV，Cu的出射谱的平均能量为47.0keV，二者剂量之比为1.68:1，光子数之比为1.04:1，可以用于双能成像应用。根据实际电压和扫描场景可以设计不同的双滤过组合，来满足多种使用场景的需求，在使用中进行切换即可。

本发明还提供了一种双能CT，包括放射源1与探测器2及上述的双能滤过器，双能滤过器设置于放射源1与探测器2之间，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4的轴线穿过放射源1焦点。

在其中的一个实施例中，双能CT还包括承载床(现有技术附图未示出)，放射源1和探测器2设置于承载床的两侧，第一射线过滤层3和第二射线过滤层4设置于放射源1与承载床之间，且第一射线过滤层3和第二射线过滤层4的轴线与承载床的移动方向相互平行。

本设计中不使用蝶形滤过设计，主要是考虑到双能CT对于X射线谱的准确度要求较高，因而需要射线过滤层滤过之后的出射谱较为纯净。如图4所示，分别为射线穿过0.3mm厚度的Cu、0.6mm厚度的Cu、2mm厚度的Al及4mm厚度的Al的出射谱，通过该出射谱可以看出，射线穿过不同厚度的过滤层后得到的能谱相差较大。在蝶形滤过设计中，由于蝶形滤过设置中射线过滤层的厚度不均匀，不同发散角的X射线穿过的射线过滤层的厚度不同，不同位置的厚度差别可达2倍以上。而X射线穿过同一材料的不同厚度，将引起X射线谱的形状变化，从而导致射线谱偏移，形成不同发散角度对应的不同谱形状，进一步降低双能成像的能量分离度，且将导致系统对同一材料不同位置的衰减系数的测量出现偏移和失真，影响双能重建图像对比度的准确性。本申请中射线过滤层使用圆弧设计，且不同发散角的X射线均穿过同样厚度的滤过，其出射的射线谱是一致的，双谱的纯净度更高，双能成像图像对比度也会降低失真水平。

此外，当圆弧设计的过滤层出现装配偏差时，即焦点与过滤层圆心不重合时，会引起不同角度的X射线穿透滤过深度不同的情况。假设过滤层圆弧的内径为R(无装配偏差时即为焦点至过滤层内表面距离)，考虑到焦点FOD和有效射线扇角的存在，R一般大于100mm，过滤层的厚度为r在垂直于进床方向的XY平面上，焦点与圆弧圆心偏移距离为dr，则其X射线在任意角度范围穿透过滤层最大深度为

最小深度为r。以过滤层的厚度r为4mm为例，R参数范围为100-150mm，dr参数范围为0-2mm，通过实测得知，X射线在各个角度下的穿透过滤层的深度最大偏差(偏离r的差值)如图8所示。在上述参数范围下，穿透深度最大偏差值均在0.8um以下。这种穿透深度偏差，对于过滤层X射线谱的影响可以忽略不计。

在双滤过的双能扫描中，需要配合扫描场景进行扫描协议的修改，来实现双能图像的采集。在正常的pitch(螺旋扫描中的归一化螺距)值为1的螺旋扫描中，承载床移动与探测器2和放射源1转动同时进行，目前扫描得到的图像一般呈螺旋状，如图5所示，探测器2的第一扫描区域2a和第二扫描区域2b分别扫描承载床的一部分区域，单个能量区不能遍历承载床所有区域。现在通过修改螺旋扫描的pitch值，使得探测器2和放射源1转动一圈得到的图像与出发位置的图像重合；无屏蔽层时，螺旋pitch值为0.5，(如使用屏蔽层6，则可根据屏蔽层6厚度略微减小承载床的移动速度或者加快快探测器2和放射源1的转数)，如图6所示，即可使探测器2的两个能量探测区均能遍历承载床。此时，CT系统相当于使用进床方向长度减半的探测器2进行螺旋扫描。X射线穿过第一射线过滤层3和第二射线过滤层4后形成两种能量不同的第一X射线7a和第二X射线7b，同一床位在两种能量的第一X射线7a和第二X射线7b扫描下的时间间隔，即探测器2从第一扫描区域2a和第二扫描区域2b的时间，也就是一个床位的扫描时间。由于螺旋扫描速度非常快，一个临床CT床位扫描时间可以短至0.25s，因而该方案下采集的两种X射线能量对应的图像时间间隔为0.25s，甚至可以降低呼吸造成的运动伪影。而双圈序列扫描方案中，完成一次高能量扫描后，再进行低能量的扫描，这种扫描场景下n个床位的双能图像时间间隔至少为n×0.25s(不包含kVp切换时间和退床时间，后者时间更长)。相较而言，本发明设计方案的时域匹配度更高，可以显著降低运动伪影等问题的影响。

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 (11)

1.一种双能滤过器，其特征在于，包括第一射线过滤层(3)和第二射线过滤层(4)，所述第一射线过滤层(3)和第二射线过滤层(4)用于将放射源(1)发出的宽谱射线输出为两种不同平均能量的射线供探测器(2)接收，且两种不同平均能量的射线照射于所述探测器(2)的接收面的不同区域。

2.根据权利要求1所述的双能滤过器，其特征在于，所述第一射线过滤层(3)和第二射线过滤层(4)为内径相等且材料不同的圆弧结构，所述第一射线过滤层(3)和所述第二射线过滤层(4)沿圆弧的轴向设置。

3.根据权利要求2所述的双能滤过器，其特征在于，所述第一射线过滤层(3)和第二射线过滤层(4)的弧长相等，所述第二射线过滤层(4)靠近所述放射源(1)的一侧与所述第一射线过滤层(3)靠近所述放射源(1)的一侧平齐，且所述第二射线过滤层(4)与所述第一射线过滤层(3)两端平齐。

4.根据权利要求2所述的双能滤过器，其特征在于，还包括支撑层(5)，所述支撑层(5)连接于所述第一射线过滤层(3)和第二射线过滤层(4)。

5.根据权利要求4所述的双能滤过器，其特征在于，所述支撑层(5)设置于所述第二射线过滤层(4)远离所述放射源(1)的一侧，所述支撑层(5)远离所述放射源(1)的一侧与所述第一射线过滤层(3)远离所述放射源(1)的一侧平齐。

6.根据权利要求2所述的双能滤过器，其特征在于，所述第一射线过滤层(3)沿周向各处的径向厚度相等，所述第二射线过滤层(4)沿周向各处的径向厚度相等。

7.根据权利要求6所述的双能滤过器，其特征在于，所述第二射线过滤层(4)沿径向的厚度小于所述第一射线过滤层(3)沿径向的厚度。

8.根据权利要求1所述的双能滤过器，其特征在于，所述第二射线过滤层(4)中材料的原子序数高于所述第一射线过滤层(3)中材料的原子序数。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的双能滤过器，其特征在于，还包括用于屏蔽射线的屏蔽层(6)，所述屏蔽层(6)设置于所述第一射线过滤层(3)和所述第二射线过滤层(4)之间。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的双能滤过器，其特征在于，所述第一射线过滤层(3)的数量为两个，两个所述第一射线过滤层(3)分别设置于所述第二射线过滤层(4)的两侧。

11.一种双能CT，其特征在于，包括放射源(1)、探测器(2)及权利要求1至10中任一项所述的双能滤过器，所述双能滤过器设置于所述放射源(1)和所述探测器(2)之间。

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