本發(fā)明涉及醫(yī)療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種檢測CT光子計數(shù)型探測器準(zhǔn)確性的方法。

背景技術(shù)：
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典型的CT設(shè)備主要包括三大部分，即掃描部分、檢查床、以及操作控制臺。其中，CT掃描部分主要由X線球管、高壓發(fā)生器、探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制計算機(jī)等組成。X線球管發(fā)出X射線束對所選擇的層面進(jìn)行掃描，而探測器則將收集到X線信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入計算機(jī)儲存和處理，從而得到該層面各單位容積的CT值，并排列成數(shù)字矩陣。探測器是CT系統(tǒng)中的重要組成部分，傳統(tǒng)的電荷積分型X射線探測器，不具有識別能量的能力，而光子計數(shù)探測器可以用光子數(shù)目代替光子能量沉積，其具備高能量分辨率，并能通過設(shè)置能量閾值的方式，將原本混合在一起的X射線能譜分成不同的能量段，再對分別每個能量段里的光子粒子數(shù)進(jìn)行計數(shù)，這樣就能夠得到不同能量段下的X射線光子能量的衰減情況。

光子計數(shù)型探測器的準(zhǔn)確性非常重要，如果探測器對衰減系數(shù)的測量不夠準(zhǔn)確，測量中的小誤差可能被誤認(rèn)為信號的變化，直接影響成像質(zhì)量和后續(xù)的處理。一般在CT設(shè)備出廠前，生產(chǎn)廠商都會對光子計數(shù)型探測器進(jìn)行準(zhǔn)確性檢測，買家也需要對其準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗，評估探測器對CT成像的性能的影響，以便進(jìn)行后續(xù)的校正及能量-閾值標(biāo)定。所以有一個經(jīng)濟(jì)實用且操作方便的檢驗光子計數(shù)型探測器準(zhǔn)確性的方法是非常有必要的。

CT成像系統(tǒng)的X射線能譜分布在雙能譜CT成像、CT圖像的硬化校正、CT圖像的散射校正、CT圖像的定量分析等眾多領(lǐng)域扮演著重要的角色。由于CT系統(tǒng)中X光機(jī)產(chǎn)生的X射線的流強較大，利用X射線光譜儀直接測量比較困難，因此人們提出了多種間接的方法來估計CT系統(tǒng)的X射線能譜分布。目前，已有許多方法來獲得較為準(zhǔn)確的X射線能譜分布，如經(jīng)驗與半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、康普頓散射法和衰減透射法等。其中，衰減透射法具有適應(yīng)能量范圍較廣、計算相對簡單等優(yōu)點，在X射線能譜測量特別是MeV能量的高能X射線能譜重建中，得到較多的關(guān)注與研究?；谒p透射原理的X射線能譜測量方法主要分為兩個步驟：第一步是獲得X射線隨衰減材料厚度變化的直穿透射率曲線，第二步則是利用透射率與X射線能譜關(guān)聯(lián)的方程進(jìn)行解譜。現(xiàn)有的利用衰減透射原理重建X射線能譜的技術(shù)都是基于一種衰減材料，設(shè)計的掃描模體形狀有楔形和截椎體等。這種設(shè)計的相同點是得到的方程會有高度的病態(tài)性，繼而想通過解方程得到正確的離散能譜值會是一個難題，現(xiàn)有技術(shù)都是在著重尋找更有效的解病態(tài)方程的方法，例如迭代擾動法等，以求得較為正確的離散能譜值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種檢測CT光子計數(shù)型探測器準(zhǔn)確性的方法，通過設(shè)置三棱柱形雙材料模體，基于衰減透射原理，利用兩種衰減物質(zhì)進(jìn)行能譜測量，間接檢測光子計數(shù)型探測器的準(zhǔn)確性，在根源上有效改善待解的線性方程組的病態(tài)性，通過常見的線性方程求解算法求得相對準(zhǔn)確的離散能譜值；模體結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，掃描次數(shù)少，有效避免浪費資源，能譜測量的可靠性高，為光子計數(shù)型探測器的后續(xù)校正工作提供了強有力的依據(jù)，更有利于推進(jìn)對光子計數(shù)型探測器的性能測試工作。

本發(fā)明提供一種檢測CT光子計數(shù)型探測器準(zhǔn)確性的方法，包括以下步驟：

步驟1、搭建第一CT掃描系統(tǒng)，包括光源、模體和探測器，對模體掃描得到第一組掃描數(shù)據(jù)，具體包括：

步驟101、設(shè)置光源為X射線球管；

步驟102、模體設(shè)于光源與探測器之間，模體設(shè)置為三棱柱形雙材料模體，三棱柱的上下底面為全等的等腰鈍角三角形，以上下底面的底邊上的高所在的矩形切面為界，將三棱柱模體均分為兩個等大的楔形部分，一側(cè)楔形為第一種衰減材料，另一側(cè)楔形為第二種衰減材料；三棱柱中等腰鈍角三角形的底邊所在的矩形側(cè)面作為入射面，另外兩個矩形側(cè)面分別為第一出射面和第二出射面，所述入射面正對光源放置；

步驟103、設(shè)置探測器為普通平板電荷積分型X射線探測器；

步驟104、利用第一CT掃描系統(tǒng)掃描三棱柱形雙材料模體，啟動X射線球管發(fā)射X射線，發(fā)出的X射線從入射面射入，同時穿過雙材料模體的兩種衰減材料，從第一出射面和第二出射面射出；

步驟105、探測器接收穿過模體后的X射線信號，得到第一組掃描數(shù)據(jù)；

步驟2、去掉第一CT掃描系統(tǒng)中的模體，其他參數(shù)和條件不變，形成第二CT掃描系統(tǒng)，啟動光源，進(jìn)行空掃，得到第二組掃描數(shù)據(jù)；

步驟3、基于衰減透射原理，進(jìn)行X射線能譜測量，依據(jù)掃描得到的第一組掃描數(shù)據(jù)和第二組掃描數(shù)據(jù)對X射線能譜進(jìn)行求解，得到X射線第一離散能譜；

步驟4、用待測的CT光子計數(shù)型探測器替換所述第二CT掃描系統(tǒng)中的普通平板探測器，光源的設(shè)置不變，進(jìn)行空掃，得到X射線第二離散能譜；

步驟5、將X射線第二離散能譜與X射線第一離散能譜進(jìn)行對比，如果兩者一致或誤差在預(yù)定誤差范圍內(nèi)，則CT光子計數(shù)型探測器準(zhǔn)確性達(dá)到要求，否則，準(zhǔn)確性不足。

進(jìn)一步地，步驟1中，模體的大小及設(shè)于光源與探測器之間的具體位置依據(jù)光源與探測器的距離、X射線覆蓋到的角度和探測器工作面的大小設(shè)置，使光源發(fā)射的X射線覆蓋整個模體，且被探測器工作面接收到。

進(jìn)一步地，三棱柱形雙材料模體的等腰鈍角三角形的鈍角角度依據(jù)X射線覆蓋到的角度、光源與模體之間的距離及衰減材料的厚度設(shè)置，既要保證X射線能覆蓋整個模體，又要保證模體的厚度不至于使光子數(shù)衰減過于嚴(yán)重而影響探測效果。

進(jìn)一步地，步驟3中，基于衰減透射原理，進(jìn)行X射線能譜測量的方法具體為：

步驟301、利用兩次掃描得到的第一組掃描數(shù)據(jù)和第二組掃描數(shù)據(jù)，獲得X射線透射率隨衰減材料的厚度變化的線性方程組，線性方程的公式為：

$T\left(x_{s,i}\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}F\left(E_j\right)\exp \[-{\mathrm{\μ}}_s\left(E_j\right){\mathrm{\ρ}}_s{x}_{s,i}\]\mathrm{\Δ}E$

式中，x_s，i(i＝1，…，m，s＝1，2)表示第s種衰減材料的第i種厚度，s＝1表示為第一種衰減材料，s＝2表示為第二種衰減材料，m表示第s種衰減材料的厚度總個數(shù)，m的取值由探測器上劃分的探測區(qū)域的個數(shù)決定；T(x_s，i)表示離散化的X射線透射率，T(x_s，i)＝I(x_s，i)/I(0_s)，I(x_s，i)為第一組掃描數(shù)據(jù)，表示經(jīng)過厚度為x_s，i的衰減材料后的探測器接收信號強度，I(0_s)為第二組掃描數(shù)據(jù)，表示空掃得到的未經(jīng)衰減的探測器接收信號強度；E_j(j＝1，…，n)表示離散光子能量，j表示不同離散光子能量的編號，n表示離散光子能量的總個數(shù)，n的取值在實際操作中依據(jù)實際操作條件并保證方程的個數(shù)大于等于n而設(shè)定，E₁＝E_min，表示光子能量下限，E_n＝E_max，表示光子能量上限；F(E_j)表示離散能譜值；μ_s(E_j)表示在每個離散能量下衰減材料s的質(zhì)量衰減系數(shù)；ρ_s表示衰減材料s的密度；ΔE表示離散能量區(qū)間寬度，ΔE＝(E_max-E_min)/(n-1)；

步驟302、求解步驟301中的線性方程組，重建X射線能譜，利用最大期望算法求解線性方程，得到X射線第一離散能譜值F(E_j)。

進(jìn)一步地，第一種衰減材料為鐵，第二種衰減材料為鋁。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的一種檢測CT光子計數(shù)型探測器準(zhǔn)確性的方法，利用基于衰減透射原理的能譜測量法去間接檢測光子技術(shù)型探測器準(zhǔn)確性的方法，在原有衰減透射原理的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置三棱柱形雙材料模體，基于兩種衰減物質(zhì)進(jìn)行能譜測量，在根源上有效減輕待求解的線性方程組的病態(tài)性，利用常見的線性方程求解算法即可求得相對準(zhǔn)確的離散能譜值，具有高度的可靠性。本發(fā)明中的三棱柱形雙材料模體，模體結(jié)構(gòu)簡單，可以同時放置兩種材料并互相不產(chǎn)生影響，操作方便，掃描次數(shù)少，經(jīng)過一次掃描就可以得到兩種材料的衰減數(shù)據(jù)，不僅改善了方程的病態(tài)性，還節(jié)省了資源，能有效為光子計數(shù)型探測器的后續(xù)校正工作提供強有力的依據(jù)，更有利于推進(jìn)對光子計數(shù)型探測器的性能測試工作。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明實施例提供的方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例中模體結(jié)構(gòu)及其入射面示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中模體的出射面示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中第一CT掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、光源；2、模體；201、第一種衰減材料；202、第二種衰減材料；203、入射面；204、第一出射面；205、第二出射面；3、探測器。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，本實施例的方法如下所述。

步驟1、搭建第一CT掃描系統(tǒng)，包括光源1、模體2和探測器3，如圖4所示，對模體2掃描得到第一組掃描數(shù)據(jù)I(x_s，i)，具體方法如下。

步驟101、設(shè)置光源1為X射線球管，本實施例中，光源1設(shè)置一個10kev～130kev的離散能譜；

步驟102、模體2設(shè)于光源1與探測器3之間，模體2設(shè)置為三棱柱形雙材料模體，如圖2所示，三棱柱的上下底面為全等的等腰鈍角三角形，以上下底面的底邊上的高所在的矩形切面為界，將三棱柱模體均分為兩個等大的楔形部分，一側(cè)楔形為第一種衰減材料鐵201，另一側(cè)楔形為第二種衰減材料鋁202；

三棱柱中等腰鈍角三角形的底邊所在的矩形側(cè)面作為入射面203，另外兩個矩形側(cè)面分別為第一出射面204和第二出射面205，如圖3所示，入射面203正對光源1放置；本實施例中，模體2的矩形入射面203為30×60厘米的矩形，兩底面之間的厚度為1厘米；

選擇鋁和鐵這兩種衰減材料的原因為：一是鋁和鐵比較常見，容易制備，二是鋁和鐵的衰減性差別較大，鋁衰減性相對溫和，而鐵衰減性較強，這樣會使得到的線性方程的秩增大，條件數(shù)降低，從而有效減輕方程的病態(tài)性，得到更加準(zhǔn)確的解；具體實施中，也可以采用三種或三種以上的衰減材料，利用相同的衰減透射原理進(jìn)行能譜測量，選取得當(dāng)也能得到上述效果，甚至優(yōu)于上述效果，只是不能采取三棱柱形雙材料模體，而是需要分別對不同材料的楔形模體進(jìn)行掃描，然后進(jìn)行方程的疊加，某種程度上增大了實驗的復(fù)雜性和成本，所以綜合考慮選取由鋁和鐵兩種衰減材料組成的三棱柱形雙材料模體，楔形模體的結(jié)構(gòu)特點可以保證X射線經(jīng)過一種衰減材料時，可以產(chǎn)生不同的厚度，得到一系列線性方程，對三棱柱形雙材料模體進(jìn)行掃描可以通過一次掃描分別實現(xiàn)對兩種衰減材料的透射；

模體2的大小及設(shè)于光源1與探測器3之間的具體位置依據(jù)光源1與探測器3的距離、X射線覆蓋到的角度和探測器3工作面的大小設(shè)置，使光源1發(fā)射的X射線覆蓋整個模體2，且被探測器3工作面接收到；三棱柱形雙材料模體的等腰鈍角三角形的鈍角角度依據(jù)X射線覆蓋到的角度、光源1與模體2之間的距離及衰減材料的厚度設(shè)置，既要保證X射線能覆蓋整個模體2，又要保證模體2的厚度不至于使光子數(shù)衰減過于嚴(yán)重而影響探測效果，所以，在具體實施中，鈍角的角度需要綜合考慮實際掃描系統(tǒng)決定。

步驟103、設(shè)置探測器3為普通平板電荷積分型X射線探測器；

步驟104、利用第一CT掃描系統(tǒng)掃描三棱柱形雙材料模體2，啟動X射線球管發(fā)射X射線，發(fā)出的X射線從入射面203射入，同時穿過模體2的兩種衰減材料，從第一出射面204和第二出射面205射出；

步驟105、探測器3接收穿過模體2后的X射線信號，得到第一組掃描數(shù)據(jù)I(x_s，i)；

步驟2、去掉第一CT掃描系統(tǒng)中的模體2，其他參數(shù)和條件不變，包括球管的管電壓、管電流，球管和探測器之間的相對位置等參數(shù)，形成第二CT掃描系統(tǒng)，啟動光源1，進(jìn)行空掃，得到第二組掃描數(shù)據(jù)I(0_s)。

步驟3、基于衰減透射原理，進(jìn)行X射線能譜測量，依據(jù)掃描得到的第一組掃描數(shù)據(jù)和第二組掃描數(shù)據(jù)對X射線能譜進(jìn)行求解，得到X射線第一離散能譜，具體方法為：

步驟301、利用兩次掃描得到的第一組掃描數(shù)據(jù)和第二組掃描數(shù)據(jù)，獲得X射線透射率隨衰減材料的厚度變化的線性方程組，線性方程的公式為：

$T\left(x_{s,i}\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}F\left(E_j\right)\exp \[-{\mathrm{\μ}}_s\left(E_j\right){\mathrm{\ρ}}_s{x}_{s,i}\]\mathrm{\Δ}E$

式中，x_s，i(i＝1，…，m，s＝1，2)表示第s種衰減材料的第i種厚度，s＝1表示為第一種衰減材料鐵201，s＝2表示為第二種衰減材料鋁202，m表示第s種衰減材料的厚度總個數(shù)，m的取值由探測器3上劃分的探測區(qū)域的個數(shù)決定；T(x_s，i)表示離散化的X射線透射率，T(x_s，i)＝I(x_s，i)/I(0_s)，I(x_s，i)為第一組掃描數(shù)據(jù)，表示經(jīng)過厚度為x_s，i的衰減材料后的探測器接收信號強度，I(0_s)為第二組掃描數(shù)據(jù)，表示空掃得到的未經(jīng)衰減的探測器接收信號強度；E_j(j＝1，…，n)表示離散光子能量，j表示不同離散光子能量的編號，n表示離散光子能量的總個數(shù)，n的取值在實際操作中依據(jù)實際操作條件并保證方程的個數(shù)大于等于n而設(shè)定，E₁＝E_min，表示光子能量下限，E_n＝E_max，表示光子能量上限；F(E_j)表示離散能譜值；μ_s(E_j)表示在每個離散能量下衰減材料s的質(zhì)量衰減系數(shù)；ρ_s表示衰減材料s的密度；ΔE表示離散能量區(qū)間寬度，ΔE＝(E_max-E_min)/(n-1)；本實施例中，m取值為60，n取值為60，能量區(qū)間ΔE為2，得到60個線性方程，其中前30個線性方程為經(jīng)過衰減材料鐵后的方程，后30個線性方程為經(jīng)過衰減材料鋁后的方程；

步驟302、利用最大期望算法求解步驟301中的線性方程組，重建X射線能譜，得到X射線第一離散能譜值F(E_j)；由于X射線衰減系數(shù)隨能量變化非常緩慢，線性方程組的系數(shù)矩陣具有高度病態(tài)性，無法利用矩陣求逆的傳統(tǒng)方法進(jìn)行解譜，經(jīng)過兩種衰減物質(zhì)后的方程病態(tài)性相較與一種衰減物質(zhì)已經(jīng)大大降低，此時可以利用期望最大化求解病態(tài)方程的算法去求解方程，得到更加準(zhǔn)確的X射線第一離散能譜值。

步驟4、用待測的CT光子計數(shù)型探測器替換所述第二CT掃描系統(tǒng)中的普通平板探測器，光源1的設(shè)置不變，進(jìn)行空掃，得到X射線第二離散能譜。

步驟5、將X射線第二離散能譜與X射線第一離散能譜進(jìn)行對比，如果兩者一致或誤差在預(yù)定誤差范圍內(nèi)，則CT光子計數(shù)型探測器準(zhǔn)確性達(dá)到要求，否則，準(zhǔn)確性不足。預(yù)定誤差可以通過計算相對誤差得到，本實施例中預(yù)定的誤差為相對誤差小于2％，原則上誤差越小越好，具體范圍根據(jù)實際掃描系統(tǒng)人為選取。兩能譜的對比結(jié)果可以指導(dǎo)探測器的下一步校正工作，例如壞點校正，從而對探測器進(jìn)行更準(zhǔn)確的性能測試，評估其對CT成像性能的影響。

本實施例提供的檢測CT光子計數(shù)型探測器準(zhǔn)確性的方法，利用基于衰減透射原理的能譜測量法去間接檢測光子技術(shù)型探測器準(zhǔn)確性的方法，在原有衰減透射原理的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置三棱柱形雙材料模體，基于兩種衰減物質(zhì)進(jìn)行能譜測量，在根源上有效減輕待求解的線性方程組的病態(tài)性，利用常見的線性方程求解算法即可求得相對準(zhǔn)確的離散能譜值，具有高度的可靠性。本實施例中的三棱柱形雙材料模體，模體結(jié)構(gòu)簡單，可以同時放置兩種材料并互相不產(chǎn)生影響，操作方便，掃描次數(shù)少，經(jīng)過一次掃描就可以得到兩種材料的衰減數(shù)據(jù)，不僅改善了方程的病態(tài)性，還節(jié)省了資源，能有效為光子計數(shù)型探測器的后續(xù)校正工作提供強有力的依據(jù)，更有利于推進(jìn)對光子計數(shù)型探測器的性能測試工作。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。