平行束多孔準(zhǔn)直X射線熒光CT模擬研究

劉亞楠 重慶工商職業(yè)學(xué)院

傳統(tǒng)(常規(guī))X射線熒光CT(X-ray Fluorescence Computed Tomography, XFCT)基于“平移-旋轉(zhuǎn)”方式掃描成像，耗時巨大。如何提高XFCT的掃描速度，一直是研究熱點領(lǐng)域。以此為出發(fā)點，本文將平行束投影與多孔準(zhǔn)直相結(jié)合，探討在無需“平移”條件下的XFCT成像的可行性。本文首先闡述基于多孔準(zhǔn)直XFCT成像的基本原理，并采用Monte Carlo方法模擬了投影數(shù)據(jù)用于驗證成像，最后分析XFCT圖像質(zhì)量與納米金粒子(GNPs)濃度之間的關(guān)系。

1 X射線熒光CT原理

基于多孔準(zhǔn)直的X射線熒光CT系統(tǒng)，原理如圖1所示，主要由X射線管源、轉(zhuǎn)臺、CCD陣列探測器、多孔準(zhǔn)直器、X射線熒光探測器陣列以及計算機(jī)構(gòu)成。入射X射線經(jīng)過準(zhǔn)直入射到樣品，覆蓋整個成像截面。樣品中的痕量元素受X射線激發(fā)，各向同性地發(fā)出熒光X射線，其中，部分熒光X射線經(jīng)多孔準(zhǔn)直器到達(dá)具有能譜分辨能力的X射線熒光探測器。計算機(jī)讀取每個探測單元的能譜數(shù)據(jù)分析處理后，即可獲得探測到的X射線熒光光子數(shù)目(即投影)。掃描過程中，旋轉(zhuǎn)樣品即可獲得所有方向上的投影，進(jìn)而重構(gòu)出正弦圖并用于X射線熒光CT重建。

2 Monte Carlo仿真

整個模型由X射線管源、旋轉(zhuǎn)平臺、CCDs以及熒光探測器陣列構(gòu)成。設(shè)置中，熒光探測器陣列與入射X射線方向平行，薄束X射線恰好覆蓋整個成像截面，并以3°為間隔對樣本進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描模擬。其中，每一方向的掃描為一次獨立的Monte Carlo模擬，且各方向的掃描模擬相互獨立。

（1）X射線管源：研究中，首先采用SpekCalc軟件，計算出管壓為120kV，靶材料為鎢的X射線管源經(jīng)0.8mm鈹(Be)1mm錫(Sn)濾波的能譜(如圖2所示)，然后在MCNP輸入文件中，使用“源卡”對X射線源進(jìn)行設(shè)置。

（2）成像模體。成像模體，是由PMMA材料構(gòu)成的、直徑和高均為6.4cm的圓柱。模體中分別嵌入GNPs濃度分別為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%直徑10mm高2cm的圓柱體(如3所示)。

（3）多孔準(zhǔn)直器。準(zhǔn)直器為高4.5cm，長6.4cm，寬5cm的鉛塊，距模體最近距離為1mm。準(zhǔn)直孔共64個，直徑為0.5mm，孔間距為0.5mm。

（4）熒光探測器陣列。熒光探測器陣列單元由F5并結(jié)合E卡模擬，能譜分辨率為0.5keV且各探測單元具有相同探測面元。所探測的熒光數(shù)目為記錄譜線減去擬合譜，即可得到該探測單元所記錄的熒光光子數(shù)。將各方向的記錄結(jié)果重構(gòu)，便可得到模體經(jīng)掃描后的正弦圖。

圖1 基于多孔準(zhǔn)直X射線熒光CT原理圖

圖2 X射線源能譜

圖3 數(shù)值模體

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過Monte Carlo模擬所得的正弦圖，如圖4所示。圖4(a)是與模體相應(yīng)的正弦圖。采用FBP算法在未進(jìn)行吸收校正、加入吸收校正兩種情形下進(jìn)行重建，重建圖像如圖4(b)和(c)所示。其中，圖(b)和圖(c)分別為未經(jīng)吸收校正和進(jìn)行吸收校正后的重建圖像；不難看出：圖中 ROI(含GNPs的區(qū)域)的灰度值隨著ROIs中GNPs的濃度增大而增大；經(jīng)過吸收校正的重建圖像，具有更清晰的邊緣。經(jīng)過重建的濃度，如5所示：經(jīng)過吸收校正的濃度，更接近真實值，且相對誤差與未進(jìn)行吸收校正時相比要小。

圖4 重建結(jié)果 (a)正弦圖 (b)未吸收校正重建圖像 (c)吸收校正后重建圖像

圖5 重建濃度與真實濃度關(guān)系

4 結(jié)論

本文將平行束投影與多孔準(zhǔn)直相結(jié)合，探討了僅需旋轉(zhuǎn)條件下的XFCT成像的可行性。本文在簡要介紹基于多孔準(zhǔn)直XFCT成像基本原理的基礎(chǔ)上，仿真產(chǎn)生了投影數(shù)據(jù)用于驗證成像，利用FBP算法重建了模體中ROI區(qū)域，分析了XFCT圖像質(zhì)量與元素濃度的關(guān)系，并討論了吸收校正對重建圖像質(zhì)量的影響，這對于后續(xù)實驗研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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