一種能量分辨ct探測器的校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種探測器的校準(zhǔn)方法，特別是一種能量分辨CT探測器的校準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，能譜CT因其卓越的物質(zhì)分辨能力，引起了業(yè)界廣泛的興趣，被稱為彩色CT，世界上首臺(tái)商業(yè)產(chǎn)品(Philips IQon)也于2013年推出。其優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠?qū)蝹€(gè)光子的能量進(jìn)行分辨，多個(gè)能量窗的圖像可以通過一次掃描而獲得，不僅可以消除暗計(jì)數(shù)的影響，還可以通過加權(quán)組合光子的能量大幅提升信噪比，有效降低輻射劑量，充分利用X射線的能譜信息。而傳統(tǒng)CT探測器(黑白CT)只能對某個(gè)時(shí)間段所有光子能量的總合做出反應(yīng)，在X光源能譜分布很寬的情況下，丟失了寶貴的能譜信息。對能量分辨探測器來說，理論上每個(gè)光子產(chǎn)生的電荷量正比于其能量，光譜信息可以通過與不同能量閾值的比較獲得。但是目前的能量分辨材料如CZT等尚存在不少缺點(diǎn)，如晶格缺陷密度較高，導(dǎo)致探測器的每個(gè)像素對X光的響應(yīng)有較大差別，如圖2所示，探測器的能量分辨能力受到嚴(yán)重制約，削弱了物質(zhì)分辨帶來的好處。因此，精確量化每個(gè)像素的光譜響應(yīng)是非常必要的。傳統(tǒng)校準(zhǔn)流程采用放射性源如99mTc和57Co等，射線能量是已知的固定值，通過標(biāo)定特征譜峰產(chǎn)生的電荷量，調(diào)整增益和本底噪聲，校準(zhǔn)每個(gè)象素點(diǎn)的響應(yīng)，如圖3所示。校準(zhǔn)流程大體為:使用放射源照射探測器_〉根據(jù)特征譜峰對應(yīng)的閾值尋找每個(gè)像素的電荷產(chǎn)出/光子能量比值-〉調(diào)整增益和本底。
[0003]但這種校準(zhǔn)方法的不足之處在于:放射源并不容易獲得，需要購買者有特殊資質(zhì)。對于開發(fā)探測器材料和后續(xù)電子電路產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室來說，頻繁的探測器校準(zhǔn)很有必要，使用放射源既不經(jīng)濟(jì)，也特別麻煩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明中提出了一種采用商用的X射線發(fā)生器對探測器的能譜響應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，利用特征圖像形狀分析和增益調(diào)整，對所有像素響應(yīng)的光譜進(jìn)行縮放，使得每個(gè)像素對同樣通量的X射線光子響應(yīng)均勻。
[0005]本發(fā)明還有一個(gè)目的是提高探測器校準(zhǔn)的準(zhǔn)確和高效性。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種能量分辨CT探測器的校準(zhǔn)方法，其為基于CT探測器各像素對商用X射線發(fā)生器的同一發(fā)射能譜的各響應(yīng)能譜圖之間的形狀差異來進(jìn)行的，包括以下步驟:
[0007]步驟I)構(gòu)建探測器的校準(zhǔn)系統(tǒng)，將探測器的能量接收面劃分為由若干個(gè)像素組成的陣列，所述陣列覆蓋設(shè)置在X射線發(fā)生器的出射線束中，將所述陣列通過讀出電路與顯示終端連接；
[0008]步驟2)對探測器每個(gè)像素接收到的光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，以一定電壓間隔逐漸改變每個(gè)像素對應(yīng)讀出電路中比較器的閾值電壓，作每個(gè)像素累計(jì)接收光子數(shù)對所述閾值電壓的函數(shù)，即得到每個(gè)像素對X射線響應(yīng)的能譜圖；
[0009]步驟3)通過遞歸擬合的方法對每個(gè)像素對應(yīng)能譜圖形狀的特征值進(jìn)行提取，并設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)能譜圖；
[0010]步驟4)根據(jù)特征值的大小和增益值正比于閾值電壓的關(guān)系，相應(yīng)調(diào)整讀出電路的增益值使得每個(gè)像素對應(yīng)能譜圖進(jìn)行放縮，同時(shí)調(diào)整本底噪聲使得每個(gè)像素對應(yīng)能譜圖平移，最后使得每個(gè)像素對應(yīng)的能譜圖與基準(zhǔn)能譜圖一致，從而使得探測器每個(gè)像素間的響應(yīng)一致。
[0011]優(yōu)選的，所述讀出電路包括依次連接的電荷放大器、可調(diào)增益放大器、比較器、計(jì)數(shù)器，電荷放大器的輸入端與探測器像素的信號(hào)輸出端連接，計(jì)數(shù)器的輸出端與顯示終端連接。
[0012]優(yōu)選的，所述步驟2)中，以0.0lV的電壓間隔從OV開始逐漸增加所述比較器的閾值電壓，同時(shí)通過計(jì)數(shù)器讀取每個(gè)像素接收到的累計(jì)光子數(shù)，作累計(jì)光子數(shù)對閾值電壓變化的函數(shù)，得到像素響應(yīng)的能譜圖，所述能譜圖呈高斯分布。
[0013]優(yōu)選的，所述步驟3)中，所述特征值包括平均值和方差，通過遞歸擬合的方法提取能譜圖的平均值和方差，所述平均值是能譜圖峰位對應(yīng)的閾值電壓，即能譜圖的偏移參數(shù)I其與本底噪聲相關(guān)，所述方差即為能譜圖的拉伸參數(shù)S，其正比于能譜圖的寬度，拉伸參數(shù)S越大，能譜圖寬度越大，像素分辨率越高。
[0014]優(yōu)選的，所述遞歸擬合方法具體包括以下步驟:
[0015]步驟A)在[-0.2，0.2V]電壓區(qū)間內(nèi)、以0.0lV為步進(jìn)梯度選取一個(gè)閾值電壓作為能譜圖的預(yù)設(shè)偏移參數(shù)shift;
[0016]步驟B)根據(jù)該shift值計(jì)算歸一化參數(shù)C = l_erf (-shift)；
[0017]步驟C)對累計(jì)光子數(shù)b進(jìn)行歸一化bnOTm= b/max(b)*C ；
[0018]步驟D)對bnOTm進(jìn)行erfinv變換，同時(shí)擬合能譜圖的拉伸參數(shù)S和偏移參數(shù)δ ；
[0019]步驟Ε)擬合的偏移參數(shù)δ與預(yù)設(shè)偏移參數(shù)shift值對比，采用遞歸的方式選擇δ -shift I最小的預(yù)設(shè)偏移參數(shù)shift值，該shift值和對應(yīng)的拉伸參數(shù)S即為最佳擬合特征值參數(shù)。
[0020]優(yōu)選的，根據(jù)步驟9)中得到的最佳shift值，調(diào)整每個(gè)像素對應(yīng)的本底噪聲，使能譜圖平移到與基準(zhǔn)能譜圖的平移值一致的位置。
[0021]優(yōu)選的，根據(jù)拉伸參數(shù)S的大小調(diào)整所述可調(diào)增益放大器的增益值，能譜圖得到放縮，使得能譜圖與基準(zhǔn)能譜圖的形狀一致，最終每個(gè)像素完成調(diào)整，探測器校準(zhǔn)完畢。
[0022]優(yōu)選的，當(dāng)待校準(zhǔn)像素對應(yīng)能譜圖的拉伸參數(shù)S小于基準(zhǔn)能譜圖拉伸參數(shù)時(shí)，增大所述可調(diào)增益放大器的增益值，使得待校準(zhǔn)像素對應(yīng)能譜圖變寬，當(dāng)待校準(zhǔn)像素對應(yīng)能譜圖的拉伸參數(shù)S大于基準(zhǔn)能譜圖拉伸參數(shù)時(shí)，減小所述可調(diào)增益放大器的增益值，使得待校準(zhǔn)像素對應(yīng)能譜圖變窄。
[0023]優(yōu)選的，本底噪聲和增益值的調(diào)整同步進(jìn)行。
[0024]本發(fā)明至少包括以下有益效果:
[0025]1、采用商用X射線發(fā)生器來代替放射源對探測器進(jìn)行校準(zhǔn)，價(jià)格便宜，使用方便；
[0026]2、采用新穎的能譜擬合方法對探測器不同像素的響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定，有效降低誤差，提高擬合精度，縮短校準(zhǔn)時(shí)間。
[0027]本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研宄和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
【附圖說明】
[0028]圖1為能譜圖特征值提取過程的遞歸擬合方法流程示意圖；
[0029]圖2為同樣X光子通量下探測器計(jì)數(shù)的不均勻性示意圖；
[0030]圖3為采用放射源的探測器能譜校正方法，a)使用放射源的探測能譜圖b)放射源特征X光子能量與對應(yīng)脈沖高度關(guān)系圖C)調(diào)整增益使得探測器像素間響應(yīng)一致的示意圖；
[0031]圖4理論模擬的X射線管能譜和實(shí)測能譜的關(guān)系示意圖；
[0032]圖5兩個(gè)不同像素的對應(yīng)能譜形狀的示意圖；
[0033]圖6校準(zhǔn)前后同樣X光子通量下探測器計(jì)數(shù)不均性的對比示意圖，a)為校準(zhǔn)前，b)為校準(zhǔn)后。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0035]應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個(gè)或多個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。
[0036]本方案的具體計(jì)算流程基于NOVARAD公司的MELDA能量分辨探測器系統(tǒng)，對能譜形狀不同的系統(tǒng)，可以參考該流程，不一定完全一致。X射線發(fā)生器與放射源最大的不同在于，X射線管陽極被電子轟擊產(chǎn)生的射線能量是連續(xù)的，有一定分布，而電子躍迀需要遵守量子定律，產(chǎn)生的射線能量是離散的。10keV的電子轟擊鎢靶產(chǎn)生的能譜形狀見圖4所示。
[0037]由于脈沖重疊，串?dāng)_和拖尾效應(yīng)，能量分辨探測器測得的能譜與實(shí)際能譜有較大的差距，實(shí)測能譜接近高斯分布。而由于對增益的響應(yīng)和本底噪聲不同，兩個(gè)不同像素的能譜形狀不同，如圖5所示。高斯分布最主要的特征值是平均值和方差，如知道這兩個(gè)參數(shù)，高斯分布的形狀就基本確定，可以通過平移(改變平均值)和拉伸(改變方差)，使得所有像素點(diǎn)的響應(yīng)達(dá)到一致。本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)是基于能譜形狀的關(guān)鍵特征提取，然后進(jìn)行增益和本底噪聲的調(diào)整。
[0038]本發(fā)明提供了一種能量分辨CT探測器的校準(zhǔn)方法，其為基于CT探測器各像素對商用X射線發(fā)生器的同一發(fā)射能譜的各響應(yīng)能譜圖之間的形狀差異來進(jìn)行的，具體包括以下步驟:
[0039]步驟I)構(gòu)建探測器的校準(zhǔn)系統(tǒng)，本實(shí)施例采用CZT光子計(jì)數(shù)探測器(eV2500，eVMicroelectronics Inc., Saxonburg, PA)，將探測器的能量接收面劃分為由16x16個(gè)像素組成的陣列，將所述陣列覆蓋設(shè)置在X射線發(fā)生器(MONOBLOCK E-40HF DF-151SB-TL-EMD, IMD GENERATORS viale Matteotti 28/a-24050Grassobb1 (BG) Italy)的出射線束中，陣列與X射線發(fā)生器的距離為85cm，X射線束經(jīng)過2_厚的鋁進(jìn)行預(yù)過濾，將所述陣列的信號(hào)輸出端通過讀出電路與顯示終端連接，所述讀出電路(MELDA?，NOVARAD R&D)采用的是32個(gè)信號(hào)采集通道的集成電路，每個(gè)通道具有8個(gè)能量接收器，這種讀出電路的最大計(jì)數(shù)率達(dá)到2x107秒/通道；
[0040]步驟2)X射線發(fā)生器以一定的能量激光出X射線，探測器激發(fā)出的電荷量跟X射線的強(qiáng)度相關(guān)，讀出電路根據(jù)探測器每個(gè)像素接收到的電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成累計(jì)光子計(jì)數(shù)，同時(shí)以一定的電壓間隔逐漸改變每個(gè)像素對應(yīng)的讀出電路中比較器的閾值電壓，作每個(gè)像素累計(jì)接收光子數(shù)對所述閾值電壓的函數(shù)，即得到每個(gè)像素對X射線響應(yīng)的能譜圖，能譜圖橫坐標(biāo)為累計(jì)光子數(shù)，縱坐標(biāo)為閾值電壓；
[0041]步驟3)能譜圖形狀呈高斯分布，通過遞歸擬合的方法對每個(gè)像素對應(yīng)能譜圖形狀的特征值進(jìn)行提取，并設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)能譜圖作為校準(zhǔn)參考，由于能譜呈高斯分布，主要的特征值包括平均值和方差，通過遞歸擬合的方