面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法技术

本发明专利技术涉及利用半导体探测器进行X射线能谱探测及解析领域，为提出一种面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法，可以解析获得不同能量段的投影信息并用于图像重建，可以在降低辐射剂量并实现多能动态组合成像，提升CT系统成像的动态范围。为此，本发明专利技术，面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法，步骤如下：Step1：定义用于扫描成像的动态双能窗口；Step2：X射线曝光及光生电荷收集、存储；Step3：分组累加半导体中的光生电荷信息；Step4：实现在一次射线曝光的情况下求解出多种不同的高低能谱组合的投影结果并用于成像。本发明专利技术主要应用于X射线能谱探测场合。

【技术实现步骤摘要】
面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法
本专利技术涉及利用半导体探测器进行X射线能谱探测及解析领域，尤其涉及对医用双能量能谱CT(ComputedTomography，电子计算机断层扫描)X射线能谱的探测及解析。
技术介绍
医用能谱CT精准成像的关键是提升探测器对不同能量X射线光子的辨别能力，提高能谱解析计算的精度。双层探测器和单光子计数探测器是目前主流的两大类X射线能谱探测器，上述两种X射线能谱探测器都是通过预先设定有效能量窗口(能谱段)的方式进行扫描投影，不同物体的图像重建都是基于相同能谱段的衰减信息。但是，厚度及组成成分不同的待测物体在不同的双能量组合下成像精度存在差异，固定的能谱分段限制了CT成像的动态范围，难以满足在单次辐射剂量下获得可变能谱段的投影数据，从而进行多能动态组合成像的需求。通常，医用X射线光子能量为0keV～120keV，随着光子能量的升高，光子在物体中线性衰减系数将会呈指数下降，对于利用两个能量段成像的双能能谱CT，表现为低能段X射线将在半导体较浅处被完全吸收并产生电子-空穴对，而能量较高的X射线完全吸收则需要更厚的半导体。射线光子在硅半导体中被吸收时释放出的能量绝大部分都用于激发产生电子-空穴对，光生电子数与淀积的光子能量之间具有良好的线性关系。不同能量的X射线光子在半导体中吸收位置的差异以及光子能量与光生电荷之间的线性关系，为X射线能谱探测及重构解析提供了依据。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，针对于上述能谱CT射线探测及解析中存在的弊端，本专利技术旨在提出一种面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法。经过一次X射线螺旋扫描，通过积分不同位置及深度的半导体内光生电荷，便可以解析获得不同能量段的投影信息并用于图像重建，可以在降低辐射剂量并实现多能动态组合成像，提升CT系统成像的动态范围。为此，本专利技术采用的技术方案是，面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法，步骤如下：Step1：定义用于扫描成像的动态双能窗口，基于双能CT成像的数据需求，通过人体后待解析的能谱被划分为两个能量窗口，其中El是低能窗口，能量区间固定为0keV-EMax；Eh为高能窗口，其能量范围为Eb-EMax，EMax为射线源的光谱的最高能量，Eb为高低能谱分界能量点；Step2：X射线曝光及光生电荷收集、存储：X射线自硅半导体的侧边缘入射，能量不同的射线光子将会在不同深度的半导体中被完全吸收并产生光生电荷，曝光时收集并分别存储不同位置产生的光生电荷信息；Step3：分组累加半导体中的光生电荷信息，解析计算高低能谱投影，针对选定的双能量窗口，将半导体中的光生电荷分为两组累加，其中l0为X射线射入半导体起始位置，lp和lh是根据Lambert-Beers定律获得的理论值，分别代表完全吸收能量为Eb和EMax的射线光子所需的半导体厚度，lp随Eb的改变而变化；根据电荷累加信息解析计算高低能谱投影，对于双能CT成像，待求的可变高低能谱的投影表示为：其中和分别代表穿过人体后待测的高能窗口和低能窗口的光强，和为高、低能窗口原始光强，Q(li)和Q′(li)分别代表了在正常扫描和空扫描下探测器像素中单位厚度内收集到的光生电荷数，Qlow和Q′low分别代表了两次扫描下低能能谱段产生的光生电荷总数；能量低于Eb的光子将会在lp之前被完全吸收，Qhigh和Q′high是两种扫描下高能能谱段产生的光生电荷总数；Step4：调整Eb位置，重新定义高低能谱，针对于不同的探测器像素、扫描过程及投影需求，通过调整边界Eb，改变高能能谱的宽度及平均能量，选定Eb后重新回到Step2，实现在一次射线曝光的情况下求解出多种不同的高低能谱组合的投影结果并用于成像。在一个实例中，Eb的取值分别为45keV，68keV和75keV为例，所对应的三组能量组合分别为：(45-80,0-80keV)，(68-80,0-80keV),(75-80,0-80keV)，lp位置分别为：3.9cm，7.9cm，9.0cm。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术提出了一种面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法。通过积分不同深度的半导体内的光生电荷并重构解析方程，经一次辐射获得了同一物体在不同能量组合下的投影信息，降低了扫描时间和射线剂量，提高了时间和空间的分辨率，降低了辐射剂量并提升了成像系统的动态范围，为能谱CT成像提供了更具体、多样的投影信息。附图说明：图1X射线能谱探测及重构解析流程图。图2可变双能能谱探测及重构解析示意图。图中：a动态能量分段；b探测器像素内电荷分组累加。具体实施方式本专利技术提出了一种面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法，流程图如图1所示，具体实施方案如下：Step1：定义用于扫描成像的动态双能窗口。基于双能CT成像的数据需求，如图2(a)所示，通过人体后待解析的能谱被划分为两个能量窗口，其中El是低能窗口，能量区间固定为0keV-EMax；Eh为高能窗口，其能量范围为Eb-EMax，EMax为射线源的光谱的最高能量，Eb为高低能谱分界能量点。Step2：X射线曝光及光生电荷收集、存储。如图2(b)所示，以整块硅半导体作为探测器为例(但不仅限于硅)，X射线自硅半导体的侧边缘入射，能量不同的射线光子将会在不同深度的半导体中被完全吸收并产生光生电荷，曝光时收集并分别存储不同位置产生的光生电荷信息。Step3：分组累加半导体中的光生电荷信息，解析计算高低能谱投影。如图2(b)所示，针对选定的双能量窗口，将半导体中的光生电荷分为两组累加。其中l0为X射线射入半导体起始位置，lp和lh是根据Lambert-Beers定律获得的理论值，分别代表完全吸收能量为Eb和EMax的射线光子所需的半导体厚度，lp随Eb的改变而变化。根据电荷累加信息解析计算高低能谱投影。对于双能CT成像，待求的可变高低能谱的投影可以表示为：其中和分别代表穿过人体后待测的高能窗口和低能窗口的光强，和为高、低能窗口原始光强(空扫描)，Q(li)和Q′(li)分别代表了在正常扫描和空扫描下探测器像素中单位厚度内收集到的光生电荷数，Qlow和Q′low分别代表了两次扫描下低能能谱段产生的光生电荷总数；能量低于Eb的光子将会在lp之前被完全吸收，Qhigh和Q′high是两种扫描下高能能谱段产生的光生电荷总数。Step4：调整Eb位置，重新定义高低能谱。针对于不同的探测器像素、扫描过程及投影需求，通过调整边界Eb，可以改变高能能谱的宽度及平均能量。选定Eb后重新回到Step2，可以实现在一次射线曝光的情况下求解出多种不同的高低能谱组合的投影结果并用于成像。下面通过实例进一步说明本专利技术，但并不因此将本专利技术限制于所述的实例范围内，本领域普通技术人员根据本专利技术构思，而做出的简单变化，应当在本专利技术所要求保护的范围内。以下结合附图，具体说明如下：本专利技术所采用的X射线光源由GEMaxiray125产生，其中峰值管电压和电流分别设置为EMax＝80keV和1mAs，其它参数均为默认设置。为了完全吸收最高能量为80keV的射线光子，每个探测器像素的厚度lh均设置为9.6cm。如表1所示，通过调整高低能谱分界点Eb的位置，获得了三组不同的能量组合，此处以Eb的取值分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法，其特征是，步骤如下：Step1：定义用于扫描成像的动态双能窗口，基于双能CT成像的数据需求，通过人体后待解析的能谱被划分为两个能量窗口，其中E1是低能窗口，能量区间固定为0keV‑EMax；Eh为高能窗口，其能量范围为Eb‑EMax，EMax为射线源的光谱的最高能量，Eb为高低能谱分界能量点；Step2：X射线曝光及光生电荷收集、存储：X射线自硅半导体的侧边缘入射，能量不同的射线光子将会在不同深度的半导体中被完全吸收并产生光生电荷，曝光时收集并分别存储不同位置产生的光生电荷信息；Step3：分组累加半导体中的光生电荷信息，解析计算高低能谱投影，针对选定的双能量窗口，将半导体中的光生电荷分为两组累加，其中l0为X射线射入半导体起始位置，lp和lh是根据Lambert‑Beers定律获得的理论值，分别代表完全吸收能量为Eb和EMax的射线光子所需的半导体厚度，lp随Eb的改变而变化；根据电荷累加信息解析计算高低能谱投影，对于双能CT成像，待求的可变高低能谱的投影表示为：

【技术特征摘要】
1.一种面向双能CT成像的X射线能谱探测及重构解析方法，其特征是，步骤如下：Step1：定义用于扫描成像的动态双能窗口，基于双能CT成像的数据需求，通过人体后待解析的能谱被划分为两个能量窗口，其中E1是低能窗口，能量区间固定为0keV-EMax；Eh为高能窗口，其能量范围为Eb-EMax，EMax为射线源的光谱的最高能量，Eb为高低能谱分界能量点；Step2：X射线曝光及光生电荷收集、存储：X射线自硅半导体的侧边缘入射，能量不同的射线光子将会在不同深度的半导体中被完全吸收并产生光生电荷，曝光时收集并分别存储不同位置产生的光生电荷信息；Step3：分组累加半导体中的光生电荷信息，解析计算高低能谱投影，针对选定的双能量窗口，将半导体中的光生电荷分为两组累加，其中l0为X射线射入半导体起始位置，lp和lh是根据Lambert-Beers定律获得的理论值，分别代表完全吸收能量为Eb和EMax的射线光子所需的半导体厚度，lp随Eb的改变而变化；根据电荷累加信息解析计算高低能谱投影，对于双能CT成像，待求的可变高低能谱的投影表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：史再峰，孟庆振，李杭原，黄泳嘉，李金卓，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12