本發(fā)明涉及x射線成像領(lǐng)域，更具體地涉及一種x射線探測方法、和x射線探測器。

背景技術(shù)：

自倫琴發(fā)現(xiàn)x射線以來，基于x射線的ct成像技術(shù)飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、安全檢查等領(lǐng)域。目前，應(yīng)用于x射線成像的探測器主要采用以下兩種信號(hào)采集方式：能量積分和光子計(jì)數(shù)。近年來，由于多能譜成像在物質(zhì)組分區(qū)分等方面的優(yōu)勢，光子計(jì)數(shù)探測器成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國際上有多個(gè)研究單位和公司致力于研究和生產(chǎn)適用于x射線成像的光子計(jì)數(shù)探測器。光子計(jì)數(shù)探測器按照穿過物體的光子的能量不同，對(duì)光子進(jìn)行分能量計(jì)數(shù)。這樣，可以通過設(shè)置閾值來濾除低能端光子，降低噪聲和輻射劑量。同時(shí)，通過設(shè)置多個(gè)閾值，可以將較寬能譜分布的x射線分能區(qū)進(jìn)行計(jì)數(shù)，直接得到不同能區(qū)的成像結(jié)果。相比于能量積分探測器，光子計(jì)數(shù)探測器一方面可以消除低能噪聲對(duì)成像的影響，提高圖像質(zhì)量；另一方面可以較細(xì)地區(qū)分能量，降低用于x射線成像的采集數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。因而，使用光子計(jì)數(shù)探測器的x射線成像可以提高物質(zhì)識(shí)別精度、組分量化精度等。

光子計(jì)數(shù)探測器在x射線成像中發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，一方面其成本較高，另一方面它很大程度受到計(jì)數(shù)率、能窗通道數(shù)的限制，很難優(yōu)化數(shù)據(jù)采集效率。從理想情況分析，不同能量的x射線光子所攜帶的信息不同，如能對(duì)不同的光子按照足夠的能量區(qū)間細(xì)分，并按照能量進(jìn)行不同地處理，可以最大程度地優(yōu)化圖像質(zhì)量。應(yīng)用于x射線成像的探測器的上述兩種信號(hào)采集方式分別對(duì)應(yīng)于兩種“能量加權(quán)”的信號(hào)處理方式：能量積分探測器把能量作為權(quán)重進(jìn)行所有光子信號(hào)的加權(quán)累加得到輸出，光子計(jì)數(shù)探測器在設(shè)定能量區(qū)間范圍內(nèi)以常數(shù)為權(quán)重進(jìn)行光子按個(gè)累加后得到輸出。對(duì)于這兩種探測器的每個(gè)輸出而言，無法使用任何信號(hào)優(yōu)化策略。基于它們的ct成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量必然受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述的一個(gè)或多個(gè)問題，本發(fā)明提供了一種新穎的x射線探測方法、和x射線探測器。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測方法，包括：將x射線源所發(fā)射的光子的能量范圍劃分為n個(gè)能窗，n為大于0的整數(shù)；基于成像目標(biāo)的感興趣物質(zhì)和背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)，獲取n個(gè)能窗中的每個(gè)能窗的權(quán)重因子；基于n個(gè)能窗中的每個(gè)能窗的權(quán)重因子，獲取x射線探測器的m個(gè)輸出通道的權(quán)重因子矩陣，m為大于0的整數(shù)；以及基于能量范圍落入n個(gè)能窗中的每個(gè)能窗的光子的數(shù)目、以及權(quán)重因子矩陣，獲取m個(gè)輸出通道的輸出結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器，包括：n個(gè)能窗甄別器，每個(gè)能窗甄別器對(duì)x射線源所發(fā)射的能量范圍落入其甄別范圍的光子的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)；n組乘法器，每組包括m個(gè)乘法器，其中第i組乘法器中的第k個(gè)乘法器將由n個(gè)能窗甄別器中的第i個(gè)能窗甄別器計(jì)數(shù)得出的光子的數(shù)目與m行×n列的權(quán)重因子矩陣中的第k行第i列的權(quán)重因子相乘，其中m、n、k、i均為大于0的整數(shù)；以及m個(gè)加法器，其中第k個(gè)加法器將每組乘法器中的第k個(gè)乘法器得出的乘積進(jìn)行累加，以得出x射線探測器的m個(gè)輸出通道中的第k個(gè)輸出通道的輸出結(jié)果，其中權(quán)重因子矩陣是基于成像目標(biāo)的感興趣物質(zhì)和背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)獲取的。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測方法和x射線探測器可以靈活地獲取多種能窗信號(hào)，減少對(duì)x射線探測器的輸出通道的需求，降低輸出數(shù)據(jù)比特率，因而可以用于更高效率的能譜ct信號(hào)采集。

附圖說明

從下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式的描述中可以更好地理解本發(fā)明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測方法的流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；。

圖3a和3b分別示出了使用光子計(jì)數(shù)探測器的ct圖像和使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器的ct圖像；

圖4a和4b分別示出了使用光子計(jì)數(shù)探測器的ct圖像和使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器的ct圖像。

具體實(shí)施方式

下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的各個(gè)方面的特征和示例性實(shí)施例。在下面的詳細(xì)描述中，提出了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)本發(fā)明的全面理解。但是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很明顯的是，本發(fā)明可以在不需要這些具體細(xì)節(jié)中的一些細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。下面對(duì)實(shí)施例的描述僅僅是為了通過示出本發(fā)明的示例來提供對(duì)本發(fā)明的更好的理解。本發(fā)明決不限于下面所提出的任何具體配置和算法，而是在不脫離本發(fā)明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進(jìn)。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便避免對(duì)本發(fā)明造成不必要的模糊。

鑒于以上所述的一個(gè)或多個(gè)問題，本發(fā)明提出了一種新穎的x射線探測方法和x射線探測器。下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測方法和x射線探測器。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測方法的流程圖。如圖1所示，該x射線探測方法包括以下步驟：

s102，將x射線源所發(fā)射的光子的能量范圍劃分為n個(gè)能窗，n為大于0的整數(shù)。其中，x射線源所發(fā)射的光子的能量范圍為emin＜e＜emax，該n個(gè)能窗的邊界為[e0，en]，emin≤e0＜en≤emax。這些能窗可以是等間隔劃分的，也可以是不等間隔劃分的。

s104，基于成像目標(biāo)的感興趣物質(zhì)和背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)，獲取n個(gè)能窗中的每個(gè)能窗的權(quán)重因子。這里，可以根據(jù)成像需求來設(shè)定成像目標(biāo)的感興趣物質(zhì)和背景物質(zhì)，例如，成像目標(biāo)為碘造影劑的濃度，可以選擇碘作為感興趣物質(zhì)，選擇水作為背景物質(zhì)?？梢酝ㄟ^以下三種方式中的任意一種方式來獲取每個(gè)能窗的權(quán)重因子：

a)假設(shè)感興趣物質(zhì)的線衰減系數(shù)為μ1(e)，背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)為μ2(e)。對(duì)于n個(gè)能窗中的第i個(gè)能窗[ei，ei+1](i為大于0的任意整數(shù))，可以如下計(jì)算第i個(gè)能窗的權(quán)重因子ωi：

其中，α沒有物理含義，可以是[0，1]范圍內(nèi)的任意數(shù)。

也就是說，在第i個(gè)能窗的能量范圍內(nèi)分別對(duì)感興趣物質(zhì)的線衰減系數(shù)、和背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)進(jìn)行積分，然后利用感興趣物質(zhì)的線衰減系數(shù)的積分結(jié)果、和背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)的積分結(jié)果，通過加法運(yùn)算計(jì)算第i個(gè)能窗的權(quán)重因子。

b)假設(shè)感興趣物質(zhì)的線衰減系數(shù)為μ1(e)，背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)為μ2(e)，x射線源所發(fā)射的x光穿過感興趣物質(zhì)的平均或典型厚度為d1，x射線源所發(fā)射的x光穿過背景物質(zhì)的平均或典型厚度為d2。對(duì)于n個(gè)能窗中的第i個(gè)能窗[ei，ei+1](i為大于0的任意整數(shù))，可以如下計(jì)算第i個(gè)能窗的權(quán)重因子ωi：

這里，

φi(e)是x射線源所發(fā)射的x光的能譜。

c)假設(shè)感興趣物質(zhì)的線衰減系數(shù)為μ1(e)，背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)為μ2(e)，x射線源所發(fā)射的x光穿過感興趣物質(zhì)的平均或典型厚度為d1，x射線源所發(fā)射的x光穿過背景物質(zhì)的平均或典型厚度為d2。對(duì)于n個(gè)能窗中的第i個(gè)能窗[ei，ei+1](i為大于0的任意整數(shù))，假設(shè)ei＝ei，ei+1＝ei+p，即第i個(gè)能窗[ei，ei+1]有p+1個(gè)能量點(diǎn)，這些能量點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)能譜φi(ej)，j＝0，1，...，p，可以如下計(jì)算第i個(gè)能窗的權(quán)重因子ωi：

其中，α為任意常數(shù)，

x1j＝x1(ej)＝μ1(ej)d1，x2j＝x2(e2)＝μ2(ej)d2，j＝0，1，...，p。

也就是說，在b)和c)兩種獲取每個(gè)能窗的權(quán)重因子的方式中，基于感興趣物質(zhì)的線衰減系數(shù)、背景物質(zhì)的線衰減系數(shù)、x射線源所發(fā)射的x光在第i個(gè)能窗中的能譜、x射線源所發(fā)射的x光穿過感興趣物質(zhì)的平均厚度、以及x射線源所發(fā)射的x光穿過背景物質(zhì)的平均厚度，計(jì)算第i個(gè)能窗的權(quán)重因子。

s106，基于n個(gè)能窗中的每個(gè)能窗的權(quán)重因子，獲取x射線探測器的m個(gè)輸出通道的權(quán)重因子矩陣(為了方便，下面稱為權(quán)重因子矩陣a)，其中m為大于0的整數(shù)。

在一些實(shí)施例中，對(duì)于x射線探測器的第k個(gè)輸出通道(k為大于0且小于m的任意整數(shù))，如果n個(gè)能窗中的第i個(gè)能窗屬于第k個(gè)輸出通道，即第i個(gè)能窗屬于第k個(gè)輸出通道所對(duì)應(yīng)的能窗集合ωk，則可以通過根據(jù)以下等式對(duì)第i個(gè)能窗的權(quán)重因子ωi進(jìn)行歸一化來計(jì)算權(quán)重因子矩陣a中與第i個(gè)能窗和第k個(gè)輸出通道相對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子ak，i。

其中，是第k個(gè)輸出通道所對(duì)應(yīng)的能窗集合ωk中的最大權(quán)重因子，表示取整函數(shù)，b表示對(duì)ωi量化精度的位數(shù)。

如果第i個(gè)能窗不屬于第k個(gè)輸出通道，即第i個(gè)能窗不屬于第k個(gè)輸出通道所對(duì)應(yīng)的能窗集合ωk，則可以將權(quán)重因子矩陣a中與第i個(gè)能窗和第k個(gè)輸出通道對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子ak，i設(shè)置為0。

s108，基于能量范圍落入n個(gè)能窗中的每個(gè)能窗的光子的數(shù)目、以及權(quán)重因子矩陣a，獲取x射線探測器的m個(gè)輸出通道的輸出結(jié)果。

在一些實(shí)施例中，可以通過將能量范圍落入n個(gè)能窗中的每個(gè)能窗的光子的數(shù)目組成的列向量x與權(quán)重因子矩陣a相乘，來獲取m個(gè)輸出通道的輸出結(jié)果。以下給出了列向量x和權(quán)重因子矩陣a，m個(gè)輸出通道的輸出結(jié)果y＝ax。

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器的結(jié)構(gòu)示意圖，該x射線探測器是基于以上所述的方法設(shè)計(jì)的。如圖2所示，該x射線探測器包括：n個(gè)能窗甄別器，每個(gè)能窗甄別器對(duì)x射線源所發(fā)射的能量范圍落入其甄別范圍的光子的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)(每個(gè)能窗甄別器對(duì)應(yīng)以上所述的n個(gè)能窗中的一個(gè))；n組乘法器，每組包括m個(gè)乘法器，其中第i組乘法器中的第k個(gè)乘法器將由n個(gè)能窗甄別器中的第i個(gè)能窗甄別器計(jì)數(shù)得出的光子的數(shù)目與m行×n列的權(quán)重因子矩陣(即，上述權(quán)重因子矩陣a)中的第k行第i列的權(quán)重因子相乘；以及m個(gè)加法器，其中第k個(gè)加法器將每組乘法器中的第k個(gè)乘法器得出的乘積進(jìn)行累加，以得出x射線探測器的m個(gè)輸出通道中的第k個(gè)輸出通道的輸出結(jié)果。

在一些實(shí)施例中，圖2所示的x射線探測器還可以包括矩陣獲取單元，該矩陣獲取單元可以利用結(jié)合圖1描述的方法來計(jì)算n個(gè)能窗中的任意一個(gè)能窗，例如第i個(gè)能窗的權(quán)重因子ωi和權(quán)重因子矩陣a中與第i個(gè)能窗和第k個(gè)輸出通道相對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子ak，i。

目前的光子計(jì)數(shù)探測器是將每個(gè)輸出通道的輸出結(jié)果全部輸出，如果有128個(gè)輸出通道，就會(huì)輸出128個(gè)結(jié)果，后續(xù)再利用這128個(gè)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)或者其他運(yùn)算。而根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測方法和x射線探測器可以根據(jù)實(shí)際需要靈活設(shè)置輸出通道的數(shù)目，所以可以節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸帶寬。這里，由于權(quán)重因子是可編程的，所以使用起來靈活方便。

下面，給出應(yīng)用以上所述的x射線探測方法和x射線探測器進(jìn)行x射線成像的示例：

假設(shè)x射線源所發(fā)射的光子的能量范圍為21kv～51kv(即，[21，51])，對(duì)應(yīng)能譜為φ(e)(即，每個(gè)能量對(duì)應(yīng)的光子數(shù)為φ(e))，劃分為7個(gè)能窗，即n＝7。

x射線探測器設(shè)置有7個(gè)輸出通道，即m＝7，每個(gè)輸出通道對(duì)應(yīng)的能窗集合為：

感興趣物質(zhì)(即，材料1)的線衰減系數(shù)為μ1(e)，背景物質(zhì)(即，材料2)的線衰減系數(shù)為μ2(e)；x射線源所發(fā)射的x光穿過材料1的平均或典型厚度為d1厘米，x射線源所發(fā)射的x光穿過材料2的平均或典型厚度為d2厘米。

材料2是填充半徑為2厘米、厚度為2.5厘米的圓柱體；材料1是填充半徑為0.5厘米，厚度分別為2厘米，1.5厘米，1厘米的三個(gè)圓柱體。

上述7個(gè)能窗中的第i個(gè)能窗為[ei，ei+1]，ei＝eikv，ei+1＝ei+1kv，即該能窗有2個(gè)能量點(diǎn)，對(duì)應(yīng)能譜φi(ej)，j＝0，1，第i個(gè)能窗的權(quán)重因子ωi為：

其中，取α＝1，

x1j＝x1(ej)＝μ1(ej)d1，x2j＝x2(e2)＝μ2(ej)d2，j＝0，1。

對(duì)每個(gè)ωi(i＝1，2，...，7)歸一化有

用濾波反投影方法重建圖像。將使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器的ct重建圖像(加權(quán)重建圖像)與權(quán)重為常數(shù)為1的光子計(jì)數(shù)探測器的ct重建圖像(不加權(quán)重建圖像)用信噪比進(jìn)行量化比較：

示例1

首先，選擇感興趣物質(zhì)(材料1)為乳腺組織，背景物質(zhì)(材料2)為水。其次，在選定的能譜范圍21kv～51kv內(nèi)，固定每個(gè)輸出通道對(duì)應(yīng)的能窗分別為：通道1對(duì)應(yīng)能窗[21，22]，通道2對(duì)應(yīng)能窗[22，27]，通道3對(duì)應(yīng)能窗[27，32]，通道4對(duì)應(yīng)能窗[32，37]，通道5對(duì)應(yīng)能窗[37，42]，通道6對(duì)應(yīng)能窗[42，47]，通道7對(duì)應(yīng)能窗[47，51]。

由此，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的權(quán)重分別為：通道1對(duì)應(yīng)權(quán)重1，通道2對(duì)應(yīng)權(quán)重0.75，通道3對(duì)應(yīng)權(quán)重0.6875，通道4對(duì)應(yīng)權(quán)重0.5，通道5對(duì)應(yīng)權(quán)重0.5，通道6對(duì)應(yīng)權(quán)重0.4375，通道7對(duì)應(yīng)權(quán)重0.4375。

分別計(jì)算光子計(jì)數(shù)探測器重建圖像和根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器重建圖像中感興趣物質(zhì)和背景物質(zhì)的信噪比，分別為：光子計(jì)數(shù)探測器重建圖像的信噪比為202.57，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器重建圖像的信噪比為207.75。圖3a和3b分別示出了使用光子計(jì)數(shù)探測器的ct圖像和使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器的ct圖像。

示例2

首先，選擇感興趣物質(zhì)(材料1)為乳腺組織，背景物質(zhì)(材料2)為脂肪。其次，在選定的能譜范圍21kv～51kv內(nèi)，固定每個(gè)輸出通道對(duì)應(yīng)的能窗分別為：通道1對(duì)應(yīng)能窗[21，22]，通道2對(duì)應(yīng)能窗[22，27]，通道3對(duì)應(yīng)能窗[27，32]，通道4對(duì)應(yīng)能窗[32，37]，通道5對(duì)應(yīng)能窗[37，42]，通道6對(duì)應(yīng)能窗[42，47]，通道7對(duì)應(yīng)能窗[47，51]。

由此，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的權(quán)重分別為：通道1對(duì)應(yīng)權(quán)重1，通道2對(duì)應(yīng)權(quán)重0.75，通道3對(duì)應(yīng)權(quán)重0.625，通道4對(duì)應(yīng)權(quán)重0.5，通道5對(duì)應(yīng)權(quán)重0.4375，通道6對(duì)應(yīng)權(quán)重0.4375，通道7對(duì)應(yīng)權(quán)重0.375。

分別計(jì)算光子計(jì)數(shù)探測器重建圖像和根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器重建圖像中感興趣物質(zhì)和背景物質(zhì)的信噪比分別為：光子計(jì)數(shù)探測器重建圖像的信噪比為219.85，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器重建圖像的信噪比為227.45。圖4a和4b分別示出了使用光子計(jì)數(shù)探測器的ct圖像和使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測器的ct圖像。

從以上描述可見，使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x射線探測方法和x射線探測器一方面可以靈活地獲得多種能窗信號(hào)，提高輸出信號(hào)的信噪比；另一方面能減少輸出通道的數(shù)目，從而降低輸出數(shù)據(jù)的比特率，適用于更高效率的能譜ct信號(hào)采集。此外，根據(jù)成像需求可以方便地調(diào)整權(quán)重達(dá)到基于任務(wù)的信號(hào)采集優(yōu)化，例如通過能量甄別器判別散射光子，按比例降低其權(quán)重，從而降低或者消除散射的影響。

以上所述的矩陣獲取單元可以實(shí)現(xiàn)為硬件、軟件、固件或者它們的組合。當(dāng)以硬件方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，其可以例如是電子電路、專用集成電路(asic)、適當(dāng)?shù)墓碳⒉寮?、功能卡等等。?dāng)以軟件方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明的元素是被用于執(zhí)行所需任務(wù)的程序或者代碼段。程序或者代碼段可以存儲(chǔ)在機(jī)器可讀介質(zhì)中，或者通過載波中攜帶的數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸介質(zhì)或者通信鏈路上傳送?！皺C(jī)器可讀介質(zhì)”可以包括能夠存儲(chǔ)或傳輸信息的任何介質(zhì)。機(jī)器可讀介質(zhì)的例子包括電子電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備、rom、閃存、可擦除rom(erom)、軟盤、cd-rom、光盤、硬盤、光纖介質(zhì)、射頻(rf)鏈路，等等。代碼段可以經(jīng)由諸如因特網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)等的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)被下載。

本發(fā)明可以以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)，而不脫離其精神和本質(zhì)特征。例如，特定實(shí)施例中所描述的算法可以被修改，而系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不脫離本發(fā)明的基本精神。因此，當(dāng)前的實(shí)施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非上述描述定義，并且，落入權(quán)利要求的含義和等同物的范圍內(nèi)的全部改變從而都被包括在本發(fā)明的范圍之中。