CN114557715A - 一种双源能谱ct高分辨率成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双源能谱CT高分辨率成像装置及方法，双源能谱CT高分辨率成像装置安装于CT滑环旋转支架上，包括：高能成像组件和低能成像组件，高能成像组件和低能成像组件均包括：用于发射X射线的X射线发射装置以及用于采集数字影像的非晶硅探测器和非晶硒探测器。本发明使用非晶硅探测器和非晶硒探测器两种探测器，将非晶硅探测器和非晶硒探测器组合成一块更大的探测器，非晶硅探测器和非晶硒探测器独立成像并重建三维数据，其中非晶硒探测器重建的图像空间分辨率更高，非晶硅探测器重建的图像密度分辨率更高，重建完成后将两组图像融合，融合后的图像既可以保持较高的空间分辨率，又可以保证较好的密度分辨率。
Description
技术领域
本发明属于放射治疗技术领域，具体涉及一种双源能谱CT高分辨率成像装置及方法。
背景技术
双能CT技术指的是采用两种不同能谱分布的X射线源对被检测物体进行扫描，获得两种不同能谱分布下扫描的原始数据，然后利用这些数据，通过相应的图像处理算法，重建被检测物体的原子序数、电子密度、衰减系数等信息。双能CT技术的优势是不仅可以重建出单能CT成像时的衰减系数图像，还可以同时重建物质的原子序数和电子密度信息，有效地去除当两种不同物质具有相同原子序数时，仅用原子序数作为识别参考值时带来的误差。
现有能谱CT有三种实现方案，包括双源双探测器、快速电压切换、双层影像板，这些方案均可实现物质的识别，有效的去除图像的硬化伪影，但在图像分辨率、成像剂量方面并没有改善。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种双源能谱CT高分辨率成像装置及方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明公开一种双源能谱CT高分辨率成像装置，安装于CT滑环旋转支架上，包括：高能成像组件和低能成像组件，高能成像组件和低能成像组件均包括：用于发射X射线的X射线发射装置以及用于采集数字影像的非晶硅探测器和非晶硒探测器；
同一组件的非晶硅探测器和非晶硒探测器沿CT滑环旋转支架的周向拼接设置，且高能成像组件中的非晶硅探测器和低能成像组件中的非晶硒探测器相邻设置，高能成像组件中的非晶硒探测器和低能成像组件中的非晶硅探测器和相邻设置。
本发明一种双源能谱CT高分辨率成像装置中使用了非晶硅探测器和非晶硒探测器两种探测器，将非晶硅探测器和非晶硒探测器组合成一块更大的探测器，非晶硅探测器和非晶硒探测器独立成像并重建三维数据，其中非晶硒探测器重建的图像空间分辨率更高，非晶硅探测器重建的图像密度分辨率更高，重建完成后将两组图像融合，融合后的图像既可以保持较高的空间分辨率，又可以保证较好的密度分辨率。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，在高能成像组件的X射线发射装置的出束口处设有铜滤波片，在低能成像组件的X射线发射装置的出束口处设有铝滤波片。
采用上述优选的方案，使用滤波片提高射线分离度，滤除掉射线中能量较低的射线，提高射线的平均能量。
作为优选的方案，高能成像组件及低能成像组件中，X射线发射装置的焦点到非晶硅探测器中心和非晶硒探测器中心的距离一致。
采用上述优选的方案，保证出束的有效性。
作为优选的方案，高能成像组件的非晶硅探测器沿其厚度方向依次包括：硫氧化钆闪烁体、光电转换电路和A/D转换电路；
低能成像组件的非晶硅探测器沿其厚度方向依次包括：碘化铯闪烁体、光电转换电路和A/D转换电路。
采用上述优选的方案，非晶硅探测器为间接数字化X线成像，碘化铯将X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强，因此转换效率更高，但成本比较高；硫氧化钆探测器成像速率快，性能稳定，成本较低。对于低能成像组件，需要更高的转换效率，因此使用碘化铯闪烁体，对于高能成像组件，则使用硫氧化钆闪烁体，保证高能成像组件和低能成像组件的响应保持一致。
作为优选的方案，在高能成像组件及低能成像组件中，非晶硅探测器和非晶硒探测器上分别安装有滤线栅，滤线栅用于去除X射线经过人体后产生的散射线。
采用上述优选的方案，提高成像效果。
作为优选的方案，高能成像组件和低能成像组件中，非晶硅探测器和非晶硒探测器均为平板探测器。
采用上述优选的方案，平板探测器具有体积小、重量轻、成像范围大、空间分辨率高的优点，有利于降低机械的制造难度，提升CT的空间分辨率。
作为优选的方案，高能成像组件和低能成像组件中的X射线发射装置、非晶硅探测器和非晶硒探测器能够沿CT滑环旋转支架的周向滑动；
且高能成像组件和低能成像组件中的非晶硅探测器和非晶硒探测器能够拼接成一个大的探测器。
采用上述优选的方案，成像范围更大。
另一方面，本发明还公开一种双源能谱CT高分辨率成像方法，利用上述任一种双源能谱CT高分辨率成像装置进行成像，具体包括以下步骤：
S1：确定高能成像组件和低能成像组件的X射线发射装置的高能电压参数和低能电压参数，X射线发射装置出束，对应非晶硅探测器和非晶硒探测器分别采集数字影像；
S2：对S1采集的数字影像进行图像融合，得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
S3：确定能谱的基材料以及得到基材料在所选电压参数下的投影值(B1，B2)；
S4：根据S2得到的高低能图像(I1，I2)计算，得到基材料系数(b1，b2)的三维分布；
S5：计算物体的能谱图像。
作为优选的方案，S2中，高能成像组件和低能成像组件分别通过图像域融合方法得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
图像域融合方法包括以下步骤：
T1：对非晶硅探测器和非晶硒探测器所采集的数字影像分别进行重建，得到重建图像；
T2：计算两组重建图像的每一个像素点的梯度值；
T3：将T1得到的两组重建图像的像素加权求和，像素的权值由图像的梯度值决定，梯度值大的像素点，增加非晶硒探测器的重建图像的权重，否则增加非晶硅探测器的重建图像的权重。
作为优选的方案，S2中，高能成像组件和低能成像组件分别通过投影域融合方法得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
投影域融合方法包括以下内容：分别使用非晶硅探测器和非晶硒探测器的投影数据进行迭代，计算两次迭代总的偏差值，直至总偏差降至最低，得到最终重建结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的双源能谱CT高分辨率成像装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的高能成像组件的结构框图。
图3为本发明实施例提供的低能成像组件的结构框图。
图4为本发明实施例提供的高能成像组件的非晶硅探测器的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的低能成像组件的非晶硅探测器的结构示意图。
图6为本发明实施例提供的双源能谱CT高分辨率成像方法的流程图。
图7为本发明实施例提供的图像域融合方法的流程图。
其中：1-高能成像组件，11-X射线发射装置，12-非晶硅探测器，121-硫氧化钆闪烁体，122-光电转换电路，123-A/D转换电路，13-非晶硒探测器，14-铜滤波片，2-低能成像组件，21-X射线发射装置，22-非晶硅探测器，221-碘化铯闪烁体，222-光电转换电路，223-A/D转换电路，23-非晶硒探测器，24-铝滤波片，3-CT滑环旋转支架，4-滤线栅。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
另外，“包括”元件的表述是“开放式”表述，该“开放式”表述仅仅是指存在对应的部件，不应当解释为排除附加的部件。
为了达到本发明的目的，一种双源能谱CT高分辨率成像装置及方法的其中一些实施例中，如图1所示，双源能谱CT高分辨率成像装置安装于CT滑环旋转支架3上，包括：高能成像组件1和低能成像组件2，高能成像组件1包括：用于发射X射线的X射线发射装置11以及用于采集数字影像的非晶硅探测器12和非晶硒探测器13，而低能成像组件2也包括：用于发射X射线的X射线发射装置21以及用于采集数字影像的非晶硅探测器22和非晶硒探测器23。
高能成像组件1的非晶硅探测器12和非晶硒探测器13沿CT滑环旋转支架3的周向拼接设置，低能成像组件2的非晶硅探测器22和非晶硒探测器23沿CT滑环旋转支架3的周向拼接设置，且高能成像组件1中的非晶硅探测器12和低能成像组件2中的非晶硒探测器23相邻设置，高能成像组件1中的非晶硒探测器13和低能成像组件2中的非晶硅探测器22相邻设置。
判断探测器图像质量的好坏，通常用调制传递函数(MTF)和量子转换效率(DQE)来衡量。MTF和DQE值高则表明该探测器产生的图像质量能够达到较好的空间分辨率和密度分辨率。非晶硅探测器12中，因为光电二极管阵列可以做成与闪烁体涂层的面积一样大，所以可见光不需要经过透镜折射就可以投射到TFT上，中间没有光子损失，所以DQE比较高。
非晶硒半导体材料对X线很敏感，并有很高的图像解析能力，当有X线入射时，非晶硒阵列直接将X射线转变成电信号，记忆在存储电容器里，脉冲控制门电路使薄膜晶体管导通，把记忆在存储电容器里的电荷通过电荷放大器输出，完成光电信号的转换，再经数字转换器转换，形成数字图像。非晶硒探测器13直接将入射的不可见X光子直接转换为电信号，所以具有最优的MTF值。
DQE影响了对组织密度差异的分辨能力；而空间分辨率影响了对细微结构的分辨能力。
本发明一种双源能谱CT高分辨率成像装置中使用了非晶硅探测器和非晶硒探测器两种探测器，将非晶硅探测器和非晶硒探测器组合成一块更大的探测器，非晶硅探测器和非晶硒探测器独立成像并重建三维数据，其中非晶硒探测器重建的图像空间分辨率更高，非晶硅探测器重建的图像密度分辨率更高，重建完成后将两组图像融合，融合后的图像既可以保持较高的空间分辨率，又可以保证较好的密度分辨率。
在一些实施例中，X射线发射装置为球管，使用脉冲式固定阳极X射线源，它的焦点比常规临床CT小，可以保证射线的虚影更小，有利于提升影像空间分辨率，且脉冲式出束方法可以保证剂量比常规CT更低。
而采用两个球管具有两个优点：
1、可以根据射线能量的差异选择特定的探测器材料；
2、管电压和电流可随意调整，以获得最大可能的能量差异和近似的光子数，两个球管的高压一般设置为80KVp和140KVp，由于高压低于80KVp时，大部分光子被人体吸收，无法打击到探测器上；高压高于140KVp时，大量剩余光子通过人体直接打击在探测器上，造成软组织对比度差。此为常用参数，球管电压调节范围为40KVp到140KVp，高压可以是此范围内任意值的组合。
如图2-3所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在高能成像组件1的X射线发射装置11的出束口处设有铜滤波片14，在低能成像组件2的X射线发射装置21的出束口处设有铝滤波片24。
采用上述优选的方案，使用滤波片提高射线分离度，滤除掉射线中能量较低的射线，提高射线的平均能量。
能谱CT成像系统的基础是X射线发射装置或探测器能对射线能量进行区分，在一次扫描过程中，能得到两种或两种能量以上的射线穿过被扫描物体的信息。同一物质对不同能量的射线衰减能力不同，而射线能谱的分离程度的大小决定了能谱CT系统成像质量的好坏，因此使用滤波片提高射线分离度。滤波片放置在X射线发射装置出束口，对X射线发射装置产生的射线进行滤过整形，滤除掉射线中能量较低的成分，这样对应探测器上采集到对应能量的射线。
一般选择选择原子序数较大的金属物质制作滤波片，原子序数越大，物质对X射线衰减也就越强。目前，用的比较多的滤波片材料是铝和铜，相对于铝，铜的相对原子序数更大，可以去除更高能量的射线，相同厚度的铜比相同厚度的铝具有更好的滤过作用，因此选取铜滤波片14放置在高能成像组件1的X射线发射装置11的出束口，选取铝滤波片24放置在低能成像组件2的X射线发射装置21的出束口。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，高能成像组件1中，X射线发射装置11的焦点到非晶硅探测器12中心和非晶硒探测器13中心的距离一致；低能成像组件2中，X射线发射装置21的焦点到非晶硅探测器22中心和非晶硒探测器23中心的距离一致。
采用上述优选的方案，保证出束的有效性。在一些实施例中，非晶硅探测器12和非晶硒探测器13之间的夹角为168°，非晶硅探测器22和非晶硒探测器23之间的夹角为168°。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，如图4所示，高能成像组件1的非晶硅探测器12沿其厚度方向依次包括：硫氧化钆闪烁体121、光电转换电路122和A/D转换电路123；
如图5所示，低能成像组件2的非晶硅探测器22沿其厚度方向依次包括：碘化铯闪烁体221、光电转换电路222和A/D转换电路223。
采用上述优选的方案，非晶硅探测器为间接数字化X线成像，碘化铯将X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强，因此转换效率更高，但成本比较高；硫氧化钆探测器成像速率快，性能稳定，成本较低。对于低能成像组件2，需要更高的转换效率，因此使用碘化铯闪烁体221，对于高能成像组件1，则使用硫氧化钆闪烁体121，保证高能成像组件1和低能成像组件2的响应保持一致。
笼统的说，非晶硅探测器沿其厚度方向依次包括：闪烁体、光电转换电路和A/D转换电路。位于非晶硅探测器12表面的闪烁体将X线转换为可见光，闪烁体下的光电转换电路(或非晶硅光电二极管阵列)将可见光转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成存储电荷，每个像素的存储电荷量与入射X线强度成正比，读出各个像素的存储电荷，经A/D转换后输出数字信号，形成X线数字影像。
进一步，在上述实施例的基础上，在高能成像组件1及低能成像组件2中，非晶硅探测器12和非晶硒探测器13上分别安装有滤线栅4，滤线栅4用于去除X射线经过人体后产生的散射线。
采用上述优选的方案，提高成像效果。滤线栅4也称为后准直器。在一些实施例中，滤线栅4的厚度为3mm。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，高能成像组件1的非晶硅探测器12和非晶硒探测器13以及低能成像组件2的非晶硅探测器22和非晶硒探测器23均为平板探测器。
采用上述优选的方案，平板探测器具有体积小、重量轻、成像范围大、空间分辨率高的优点，有利于降低机械的制造难度，提升CT的空间分辨率。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，高能成像组件1和低能成像组件2中的X射线发射装置11、非晶硅探测器12和非晶硒探测器13能够沿CT滑环旋转支架3的周向滑动；
且高能成像组件1的非晶硅探测器12和非晶硒探测器13以及低能成像组件2的非晶硅探测器22和非晶硒探测器23能够拼接成一个大的探测器。
采用上述优选的方案，高能成像组件1的非晶硅探测器12和非晶硒探测器13以及低能成像组件2的非晶硅探测器22和非晶硒探测器23通过滑动拼接在一起，可以等效一块更大的探测器，获得远超普通CT的成像范围。
在一些实施例中，X射线发射装置可以对应的旋转，保证同一组件的非晶硅探测器和非晶硒探测器在射线范围内。
以上多种实施方式可交叉并行实现。
如图6所示，此外，本发明实施例还公开一种双源能谱CT高分辨率成像方法，利用上述任一实施例公开的双源能谱CT高分辨率成像装置进行成像，具体包括以下步骤：
S1：确定高能成像组件和低能成像组件的X射线发射装置的高能电压参数和低能电压参数，X射线发射装置出束，对应非晶硅探测器和非晶硒探测器分别采集数字影像；
S2：对S1采集的数字影像进行图像融合，得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
S3：确定能谱的基材料以及得到基材料在所选电压参数下的投影值(B1，B2)；
S4：根据S2得到的高低能图像(I1，I2)计算，得到基材料系数(b1，b2)的三维分布；
S5：计算物体的能谱图像。
物体的能谱图像可以但不限于为：物体的特征密度图像、有效原子序数图像、单色能谱图像等。
值得注意的是，在一些实施例中，高能成像组件1的X射线发射装置和低能成像组件的X射线发射装置使用同样的射线参数采图，采图效率可以提升一倍，只需要原有一半的时间就可以完成单能CT重建。
进一步，S2中，高能成像组件和低能成像组件分别通过图像域融合方法得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
如图7所示，图像域融合方法包括以下步骤：
T1：对非晶硅探测器和非晶硒探测器所采集的数字影像分别进行重建，得到重建图像；
T2：计算两组重建图像的每一个像素点的梯度值；
T3：将T1得到的两组重建图像的像素加权求和，像素的权值由图像的梯度值决定，梯度值大的像素点，增加非晶硒探测器的重建图像的权重，否则增加非晶硅探测器的重建图像的权重。
在其它实施例中，S2中，高能成像组件和低能成像组件分别通过投影域融合方法得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
投影域融合方法包括以下内容：分别使用非晶硅探测器和非晶硒探测器的投影数据进行迭代，计算两次迭代总的偏差值，直至总偏差降至最低，得到最终重建结果。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种双源能谱CT高分辨率成像装置，安装于CT滑环旋转支架上，其特征在于，包括：高能成像组件和低能成像组件，所述高能成像组件和低能成像组件均包括：用于发射X射线的X射线发射装置以及用于采集数字影像的非晶硅探测器和非晶硒探测器；
同一组件的非晶硅探测器和非晶硒探测器沿所述CT滑环旋转支架的周向拼接设置，且所述高能成像组件中的非晶硅探测器和低能成像组件中的非晶硒探测器相邻设置，所述高能成像组件中的非晶硒探测器和低能成像组件中的非晶硅探测器和相邻设置。
2.根据权利要求1所述的双源能谱CT高分辨率成像装置，其特征在于，在所述高能成像组件的X射线发射装置的出束口处设有铜滤波片，在所述低能成像组件的X射线发射装置的出束口处设有铝滤波片。
3.根据权利要求1所述的双源能谱CT高分辨率成像装置，其特征在于，所述高能成像组件及低能成像组件中，X射线发射装置的焦点到非晶硅探测器中心和非晶硒探测器中心的距离一致。
4.根据权利要求1所述的双源能谱CT高分辨率成像装置，其特征在于，所述高能成像组件的非晶硅探测器沿其厚度方向依次包括：硫氧化钆闪烁体、光电转换电路和A/D转换电路；
所述低能成像组件的非晶硅探测器沿其厚度方向依次包括：碘化铯闪烁体、光电转换电路和A/D转换电路。
5.根据权利要求1所述的双源能谱CT高分辨率成像装置，其特征在于，在所述高能成像组件及低能成像组件中，非晶硅探测器和非晶硒探测器上分别安装有滤线栅，所述滤线栅用于去除X射线经过人体后产生的散射线。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双源能谱CT高分辨率成像装置，其特征在于，所述高能成像组件和低能成像组件中，非晶硅探测器和非晶硒探测器均为平板探测器。
7.根据权利要求1-5任一项所述的双源能谱CT高分辨率成像装置，其特征在于，所述高能成像组件和低能成像组件中的X射线发射装置、非晶硅探测器和非晶硒探测器能够沿所述CT滑环旋转支架的周向滑动；
且所述高能成像组件和低能成像组件中的非晶硅探测器和非晶硒探测器能够拼接成一个大的探测器。
8.一种双源能谱CT高分辨率成像方法，其特征在于，利用如权利要求1-7任一项所述的双源能谱CT高分辨率成像装置进行成像，具体包括以下步骤：
S1：确定高能成像组件和低能成像组件的X射线发射装置的高能电压参数和低能电压参数，X射线发射装置出束，对应非晶硅探测器和非晶硒探测器分别采集数字影像；
S2：对S1采集的数字影像进行图像融合，得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
S3：确定能谱的基材料以及得到基材料在所选电压参数下的投影值(B1，B2)；
S4：根据S2得到的高低能图像(I1，I2)计算，得到基材料系数(b1，b2)的三维分布；
S5：计算物体的能谱图像。
9.根据权利要求8所述的双源能谱CT高分辨率成像方法，其特征在于，S2中，所述高能成像组件和低能成像组件分别通过图像域融合方法得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
所述图像域融合方法包括以下步骤：
T1：对非晶硅探测器和非晶硒探测器所采集的数字影像分别进行重建，得到重建图像；
T2：计算两组重建图像的每一个像素点的梯度值；
T3：将T1得到的两组重建图像的像素加权求和，像素的权值由图像的梯度值决定，梯度值大的像素点，增加非晶硒探测器的重建图像的权重，否则增加非晶硅探测器的重建图像的权重。
10.根据权利要求8所述的双源能谱CT高分辨率成像方法，其特征在于，S2中，所述高能成像组件和低能成像组件分别通过投影域融合方法得到高分辨率的高低能图像(I1，I2)；
所述投影域融合方法包括以下内容：分别使用非晶硅探测器和非晶硒探测器的投影数据进行迭代，计算两次迭代总的偏差值，直至总偏差降至最低，得到最终重建结果。
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