發(fā)布時間：2021-03-24 19:32

　　現(xiàn)有能譜CT在不同的掃描過程中有效能量窗口通常固定不變,限制了CT成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍.為了提高能譜CT成像精度,提出了一種面向雙能CT成像的重構(gòu)解析醫(yī)用X射線能譜的方法.利用不同能量的X射線光子在硅半導體中吸收的差異,通過積分不同深度的半導體內(nèi)的光生電荷并重構(gòu)解析方程,經(jīng)一次輻射可以獲得同一物體在不同能量組合下的投影信息并用于圖像重建.仿真結(jié)果表明:圖像重建質(zhì)量受有效能量窗口、待測物質(zhì)成分及尺寸影響,方法在降低輻射劑量的同時獲得了物質(zhì)在不同能量組合下的成像結(jié)果,并可以針對不同物體選擇最優(yōu)能量組合進行成像. 

【文章來源】：南開大學學報(自然科學版). 2020,53(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

可變雙能能譜探測及重構(gòu)解析示意圖

文獻[9]提出了一種應(yīng)用于醫(yī)學X射線能譜探測的Edge-on分層探測器像素單元,其基本的二維結(jié)構(gòu)如圖1所示.像素單元采用了金屬-氧化物-半導體的MIS結(jié)構(gòu),穿過人體的待測多色X射線自探測器像素的側(cè)邊緣入射,射線光子在P型硅半導體中由于光電效應(yīng)及康普頓散射作用,將會在硅襯底的不同深度激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對,通過對順序排布的正面電極施加合適的正偏壓,光生電荷將會被收集到就近的勢阱中存儲.在該探測器像素單元中,定義沿X射線入射方向上3個相鄰的電極所覆蓋的探測器深度為"一層",各層之間沒有實質(zhì)的物理隔離.當X射線曝光時,各層中的中間電極V2設(shè)置為高電平20 V,V1和V3設(shè)置為0電平.為了獲得各層勢阱中的電荷信息,探測器像素單元采用三相電荷耦合轉(zhuǎn)移方式,將收集的電荷包串行轉(zhuǎn)移至讀出電路后分別存儲(如圖1所示),供后續(xù)重構(gòu)解析能譜使用,具體實現(xiàn):相鄰的兩個多晶硅電極V1和V2均施加正高電平(0.1μs),在兩個電極下都會生成勢阱,而且相鄰電極間隔很窄,兩個勢阱將會耦合在一起,原本存儲在所有V2電極下的電荷包將由V1和V2之下的耦合勢阱共享;然后降低V2上的電壓并保持V1高電平不變(0.1μs),電荷包將會完全轉(zhuǎn)移到V1下的勢阱中,通過控制電壓周期性變化重復(fù)上述過程,可以將存儲在各層單元中的電荷包逐次讀出.基于半導體器件仿真工具實現(xiàn)的探測器像素器件建模、光電響應(yīng)及具體的電荷收集-轉(zhuǎn)移分析詳見文獻[9].2 基于Edge-on分層探測器的能譜重構(gòu)解析方法

在醫(yī)用X射線能量范圍內(nèi),光電效應(yīng)和康普頓散射是兩種主要的光電轉(zhuǎn)化機制[12].光電效應(yīng)是半導體中的電子完全吸收入射光子的能量后躍遷到導帶形成自由電子,并碰撞激發(fā)出更多的電子-空穴對,光生電荷數(shù)與光子能量(光強)之間存在良好的線性關(guān)系;而在康普頓散射過程中單光子能量只被電子吸收了一部分而產(chǎn)生了能量較低的二次散射光子,隨機向各個方向散射的二次光子增加了光電轉(zhuǎn)化的不確定性,降低了探測器像素的空間分辨率.硅相比于其他的半導體材料(碲鋅鎘、碲化鎘等)具有更高的電子遷移率,但是其較低的原子序數(shù)也意味著隨著光子能量的升高,康普頓散射所占概率將會逐漸上升.因此,為了降低硅探測器中高能光子康普頓散射帶來的誤差影響,將針對最大球管電壓為80 ke V的射線能譜進行探測與重構(gòu)解析,在低于80 ke V的能量范圍內(nèi),光子康普頓散射始終保持較低的概率(散射系數(shù)穩(wěn)定在0.3/cm-1左右),光電效應(yīng)占據(jù)主導地位,保證了光生電荷與光子能量之間較好的線性關(guān)系[13].較低能量的X射線對人體胸腹等部位穿透能力較弱,但可被應(yīng)用于人體肢端及小動物的掃描成像.基材料分解理論.基于基材料分解模型的雙能CT圖像重建可以獲得待測物體的有效原子序數(shù)Zeff及電子密度,其基本假設(shè)是光子在物體中的線性衰減系數(shù)μ(E)能表示成兩個已知線性衰減系數(shù)材料的線性組合[14]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]雙能CT成像的數(shù)值仿真[J]. 王麗新,孫豐榮,仲海,周鎮(zhèn)鎮(zhèn),秦嬌嬌.  航天醫(yī)學與醫(yī)學工程. 2015(05)
[2]基于投影匹配的X射線雙能計算機層析成像投影分解算法[J]. 李保磊,張耀軍.  光學學報. 2011(03)



本文編號：3098269