基于層間無金屬濾波片的雙層平板探測器X射線及CT成像性能評估

顧 珊，周 浩，王志磊，高河偉

(1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084;2.粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點實驗室(清華大學(xué))，北京 100084)

0 引言

近年來，隨著探測技術(shù)[1-3]以及圖像處理算法[4-6]等的迅速發(fā)展，X射線計算機斷層成像(Computed Tomography，CT)在生物醫(yī)學(xué)[7,8]，材料科學(xué)[9,10]，安全檢查[11,12]等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。雙能X射線成像可以有效地區(qū)分 CT 值相近的不同材料[13]。利用不同 X 射線能量在物質(zhì)中的衰減能力差異，雙能CT能提供物質(zhì)的有效原子序數(shù)和電子密度，更準確的重建出物質(zhì)基本組成成分，提高圖像識別的準確性。目前，實現(xiàn)雙能成像的主要方式包括重復(fù)進行兩次不同能譜的掃描、雙源雙探測器、 快速千伏切換技術(shù)、 雙層探測器技術(shù)和光子計數(shù)探測器等[14]。

雙層探測器采用兩層相同或不同的閃爍晶體材料，在單次 X 射線曝光下即可獲得高低能投影，與其他實現(xiàn)雙能 CT 成像的方法相比，投影數(shù)據(jù)時空匹配度較高，可以有效避免系統(tǒng)運動帶來的偽影，降低數(shù)據(jù)配準誤差帶來的影響，應(yīng)用前景廣闊。

由于雙層平板探測器能量分離相對較小以及底層噪聲大等限制，基于雙層平板探測器技術(shù)的錐束CT 能譜成像目前還處于試驗樣機階段。具有代表性的雙層平板探測器結(jié)構(gòu)主要有三種，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。第一種是晶體前薄后厚中間有金屬濾波片的雙層平板探測器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。Linxi Shi 等評估了一款這種結(jié)構(gòu)探測器的基本成像性能以及二維/三維能譜成像能力[1]。該款雙層平板探測器是基于Varex XRD 4343RF開發(fā)的，其結(jié)構(gòu)主要包括頂層200 μm 厚的CsI晶體及其讀出電路，中間是用于提高能譜分離的固定1 mm的銅濾波片，以及底層550 μm 厚的CsI閃爍體和讀出電路。金屬濾波片增加了前后兩層的能譜分離度，但X射線衰減嚴重，到達底層的光子數(shù)較少，使得底部投影數(shù)據(jù)噪聲大、分辨率較低、能譜成像圖像質(zhì)量有待改善。第二種是在兩層探測器之間做一層過濾夾層，可以插拔不同厚度的金屬濾波片，如圖1(b)所示。成銘揚等使用一款這種結(jié)構(gòu)的雙層探測器做了X射線雙能血管減影算法研究[15]。該款探測器是由康眾公司提供的560RF 型號探測器，該雙層探測器中間是可插拔不同厚度濾波片的過濾層，最大厚度為2.5 mm，這一較大的物理距離使得高低能投影數(shù)據(jù)位置配準的準確性降低。第三種是本文即將評估的層間無金屬濾波片，前后晶體等厚度的雙層探測器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(c)所示。該款探測器也是基于Varex XRD 4343RF 開發(fā)的，頂層與底層都是550 μm厚的CsI晶體，使得X射線經(jīng)過探測器頂層時就有較大的衰減，兩層之間沒有使X射線衰減嚴重的金屬濾波片，到達底層光子數(shù)較多。與前兩種設(shè)計相比，優(yōu)點是第三種雙層探測器底層X射線利用率高，幾何配準更精確；缺點是能量分離相對較小。

圖1 三種雙層平板探測器結(jié)構(gòu)示意圖(a)晶體前薄后厚中間有固定金屬濾波片的雙層結(jié)構(gòu)；(b)金屬濾波片可插拔的雙層結(jié)構(gòu)；(c)前后晶體等厚度中間無金屬濾波片的雙層結(jié)構(gòu)

本文對這款層間無金屬濾波片，等晶體厚度的雙層平板探測器的性能在桌面CT平臺進行了研究。首先,測量了該探測器頂層和底層的分辨率，噪聲功率譜等;其次，通過掃描擬人胸腔模型的X射線攝影，分析了其二維雙能透視成像能力;最后，通過掃描多能模體，評估了其雙能CT能譜成像潛力。

1 方法

1.1 雙層平板探測器

本文使用的雙層平板探測器包含兩層非晶硅層，每層均由550 μm厚的CsI晶體組成，兩層之間是1 mm厚的碳纖維和1 mm厚的泡沫減震層。多色X射線進入探測器發(fā)生衰減，低能量X射線會沉積在頂層探測器，高能量X射線更大概率會穿透頂層到達探測器底層進行沉積，單次曝光即可實現(xiàn)X射線高低能分離，獲得高低能投影數(shù)據(jù)。

每層探測器的最大有效面積是432×432 mm2, 有5個不同的探測視野供選擇。像素尺寸大小為0.15×0.15 mm2, 在1×1像素模式下，探測器每層的最高讀出速率為15 fps，可選的讀出模式還有2×2，3×3像素合并模式，最高讀出速率達30 fps。兩層圖像都是16位深度，并提供7種不同增益的讀出模式。具體探測器參數(shù)見表1所示。

表1 雙層平板探測器參數(shù)表

1.2 雙層平板探測器實驗條件

實驗條件如下：探測器頂層選擇增益4，底層選擇增益7時，能滿足實驗時兩層都不飽和并提供合適的靈敏度的情況，數(shù)據(jù)讀出為2×2 像素合并模式(0.3×0.3 mm2)。光源采用Varex G242球管，電壓120 kV。光源到探測器的距離1184 mm，光源到旋轉(zhuǎn)中心的距離為750.2 mm，實驗裝置如圖2(a)所示。若無特殊說明，以下實驗都采用上述實驗條件。實驗獲取的投影圖像均做了暗電流、增益以及壞像素校正。能譜分離是衡量能譜CT能譜成像能力的重要指標之一，定義為兩個能譜平均能量的差異，其計算公式為：

(1)

圖2(a)實驗設(shè)置;(b)探測器頂層和底層標定的120 kV能譜

其中，E為能量，S1(E)、S2(E)分別為探測器頂層和底層探測到的能譜。該實驗條件下標定的光源等效能譜如圖2(b)所示，頂層和底層能譜的平均能量分別為57.9 keV和74.9 keV，兩層探測器的能量分離為17 keV。

1.3 空間分辨率和噪聲功率譜

通過測量探測器頂層和底層的空間分辨率，噪聲功率譜曲線來表征探測器的性能。空間分辨率通常由線對卡測量得到，或者由調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)計算得到，以表征分辨細微結(jié)構(gòu)的能力[16]。使用120 kV、80 mA、5.6 ms 脈寬的X射線束掃描CATPHAN線對模型，對所得的高低能投影數(shù)據(jù)進行圖像重建，比較頂層與底層重建圖像觀測到的清晰線對數(shù)目，依此來衡量探測器的分辨率?？紤]到線對數(shù)目的限制，我們同樣測量了MTF曲線。采用同樣實驗條件，掃描CATPHAN模型中一條直徑為50 μm 的鎢絲線，對其投影圖像進行斷層重建，其CT圖像表現(xiàn)為一個邊緣擴散的亮點，中心亮度集中，邊緣擴散程度反應(yīng)了系統(tǒng)分辨率的高低。以P(x,y) 表示CT圖像的亮度分布，獲取點擴散函數(shù)PSF, 通過二維傅里葉變換最終得到MTF曲線。

噪聲功率譜(Noise-Power Spectrum，NPS)的估計是通過采集100幀空氣的二維平面圖像進行計算的。選擇計算的區(qū)域為18×18 cm2，把每個區(qū)域分割成半重疊的10×10個感興趣區(qū)域。

1.4 雙能透視成像

二維成像應(yīng)用主要是使用雙層探測器實現(xiàn)單次曝光獲取高低能投影數(shù)據(jù)，以生成特定材料的投影，從而表征某些病理或其他信息。在這項工作中，我們采用120 kV、4.5 mA、100 ms的錐形束，掃描了KYOTO擬人胸腔模型，分析了其雙能透視成像性能。

基于平板探測器的輻照視野大，圖像受到散射射線污染較大，本實驗使用CST 2.0軟件對高低能投影數(shù)據(jù)進行散射校正。CST 2.0軟件使用一種快速自適應(yīng)散射核疊加(fASKS)方法[17]來估計散射分布。在眾多散射校正方法中， fASKS 方法具有計算效率高、不受額外硬件限制等優(yōu)點。

雙層投影數(shù)據(jù)在時間和空間上的高度匹配特性，保證了兩層數(shù)據(jù)結(jié)合的可行性。特定組織結(jié)構(gòu)的投影可通過頂層和底層的投影數(shù)據(jù)加權(quán)相減得到。高低能投影數(shù)據(jù)分別表示為pH和pL，特定組織的軟組織和骨頭的投影表示為ps和pb，為了消除其他組織信息，ps和pb可通過下列公式計算[1]:

(2)

(3)

1.5 雙能CT成像

雙能CT可以實現(xiàn)定量的物質(zhì)分解，生成虛擬單能圖像。本文使用多能CT模體(GAMMEX，Model 1472)測試該雙層平板探測器定量物質(zhì)分解的能力。多能CT模體是一個直徑 20 cm的圓柱體，含有10個直徑為 28.5 mm的對比插件，其中包含4 根碘插件(2 mg/mL、5 mg/mL、10 mg/mL、15 mg/mL), 1根血液含碘插件(4.0 mg/mL)以及5根等效不同密度水的插件。光源采用120 kV、11 mA,連續(xù)模式，探測器采集速率為30 fps。每組實驗共獲取720幀投影，分別采集了錐束與窄束(前準直器之間的寬度為2.1 mm)兩組實驗數(shù)據(jù)。

我們認為窄束數(shù)據(jù)不含散射或者散射影響很小。為了降低散射對圖像的影響，我們基于窄束掃描數(shù)據(jù)進行了定量物質(zhì)分解。本文使用FDK算法將投影重建為 0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm 各向同性體素尺寸的圖像。物質(zhì)分解在投影域中進行，基材料線積分l1和l2(例如，水和碘)分別由高低能投影pL,pH的多項式函數(shù)得到，利用標定的等效能譜生成對應(yīng)的不同厚度以及不同材料的高低能投影數(shù)據(jù)，然后進行最小二乘擬合確定多項式函數(shù)的系數(shù), 重建l1和l2以獲得與基材料對應(yīng)的圖像。

本文最后生成了最佳虛擬單能圖像。虛擬單能圖像是由物質(zhì)分解后的特定材料投影加權(quán)組合重建而得。選定能量之后，通過該能量下基物質(zhì)的衰減系數(shù)對兩個基材料的質(zhì)量密度進行加權(quán)產(chǎn)生，表示為：

μ(E)=(μ/ρ)1(E).ρ1+(μ/ρ)2(E).ρ2

(4)

(μ/ρ)1(E)和(μ/ρ)2(E) 為兩種基材料的質(zhì)量衰減系數(shù)，ρ1和ρ2為兩種基材料的質(zhì)量密度。理論上，虛擬單能圖像不存在與X射線多能能譜相關(guān)的射束硬化偽影。我們生成了40～100 keV的虛擬單能圖，對比度噪聲比(Contrast-to-Noise Ratio，CNR)最大的一組圖像被認為是最佳虛擬單能圖像。

2 結(jié)果

2.1 雙層平板探測器性能

掃描 CATPHAN 線對模型的實驗結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，頂層探測器的重建圖像能夠清晰看到最后一組線對，分辨率大于等于 21 lp/cm，底層探測器的重建圖像能夠看到第17組線對，分辨率為 17 lp/cm。進一步的MTF曲線測量結(jié)果表明，MTF 為50 % 時，頂層分辨率約為1.3 lp/mm，底層約為1.2 lp/mm，如圖4(a) 所示。底層相對頂層分辨率并沒有顯著下降，這是因為兩層CsI晶體厚度相同，層間無金屬濾波片致使X射線沒有嚴重衰減，底層噪聲對分辨率的影響不大。歸一化的噪聲功率譜(NNPS)如圖4(b)所示，底層噪聲功率約是頂層的4倍。

圖3 雙層探測器掃描線對實驗的結(jié)果(a)頂層，可以看到第21個線對；(b)底層，可以看到第17個線對

圖4 探測器頂層和底層(a)MTF曲線分布；(b)NNPS的分布

2.2 雙能透視成像

圖5(a)顯示了胸腔模型的高低能投影圖像以及散射對圖像質(zhì)量的影響。底層投影圖像也能看到胸腔輪廓，到達底層的X射線光子數(shù)多，底層光子利用率較高。散射校正之前的圖像無論是低能區(qū)還是高能區(qū)都存在嚴重的散射偽影。經(jīng)過散射校正之后，高低能投影圖像的對比度都得到很大的改善。圖5(b)顯示的是高低能投影加權(quán)運算得到的特定材料投影圖。第一行圖像顯示沒有散射校正的分離骨頭和軟組織的圖像，分離圖像效果欠佳，第二行是散射校正后的圖像,可較好的實現(xiàn)骨頭和軟組織的有效分離。

圖5(a)散射對二維胸腔模型成像的影響。第一行是沒有經(jīng)過散射校正的來自探測器頂層和底層的投影圖，第二行是經(jīng)過散射校正的結(jié)果；(b)骨頭和軟組織特定材料的投影，第一行沒有經(jīng)過散射校正，第二行經(jīng)過散射校正。

圖6(a)散射對三維重建圖像的影響。第一行是來自錐束掃描重建的低能和高能圖像，第二行是來自窄束掃描重建低能和高能圖像；(b)第一行為以水/碘為基材料的定量物質(zhì)分解圖，第二行左圖為CNR隨能量變化的分布，右圖為最佳虛擬單能圖。

2.3 雙能CT成像

圖6(a)第一行和第二行分別顯示了錐束和窄束情況下掃描多能模體重建得到的低能和高能圖像，從圖中可以看出錐束條件下重建的圖像偽影嚴重，圖像質(zhì)量較差，影響物質(zhì)結(jié)構(gòu)判斷。窄束掃描條件下，重建的圖像質(zhì)量顯著提高，底層數(shù)據(jù)也能重建出較為清晰的圖像。圖 6(b)第一行顯示的是以水/碘為基材料對窄束掃描實驗在投影域進行定量物質(zhì)分解的結(jié)果，對15 mg/mL、10 mg/mL、5 mg/mL和2 mg/mL 插件碘的估計密度分別為(16.86±1.52) mg/mL，(11.29±1.34) mg/mL，(4.85±1.17)mg/mL，和(2.19±1.11) mg/mL，與真值相比平均誤差小于10%。理論上，虛擬單能圖像是基材料圖像的線性加權(quán)組合，在整個能量范圍內(nèi)都不會有硬化偽影，但在實際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)和殘余散射產(chǎn)生的材料分解誤差，很難實現(xiàn)完美的虛擬單能圖像。本實驗生成了40～100 keV 虛擬單能圖像，CNR隨能量分布如圖6(b)第二行左圖所示，在 66 keV 時CNR最大,即為最佳虛擬單能，右圖為最佳虛擬單能重建圖像。

3 總結(jié)與討論

本文完成了基于一款新型雙層平板探測器的X射線及CT成像性能的初步分析與評估。120 kV光源條件下雙層能譜分離為17 keV,兩層之間晶體等厚度以及無層間金屬濾波片使得底層的分辨率相對頂層并沒有顯著降低。二維成像中，散射校正后的高低能數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)運算，可較好地實現(xiàn)骨頭和軟組織的有效分離。窄束條件下的三維斷層成像基材料分解平均誤差在 10% 以內(nèi)。以上實驗結(jié)果表明，層間無金屬濾波片、等晶體厚度的雙層設(shè)計有望實現(xiàn)高質(zhì)量雙能能譜成像。

CT雙能成像應(yīng)用中物體邊緣的物質(zhì)分解有較大誤差，這可能是雙層探測器前后堆疊，高低能探測器幾何位置仍然有微小幾何差異造成的。后續(xù)可做一些更精確地插值處理來改善它。散射偽影對二維和三維成像圖像質(zhì)量影響較大，在正常錐束CT掃描成像時，需要做進一步地深入研究。