专利名称：一种静态ct扫描仪及其散射x光子校正方法
技术领域：
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种静态CT扫描仪及其散射X光子校正方法。
背景技术：
计算机体层摄影(computed tomography, CT)扫描仪是ー种功能强大的医学影像诊断设备，其利用X射线对人体某一范围进行逐层横断扫描，获取投影信息，再由计算机进行数据处理和图像重建。X射线的成像过程主要为X射线源产生X光子，X光子在X射线源的焦点处以直线路径向各个方向发射。在进入成像物体的X光子中，一部分被成像物体的原子直接吸收；一部分则直接穿透成像物体到达与X射线源相対的探測器，这部分X光子 即直射X光子，它们的信息也正是成像所需的。然而，实际过程中，还有一部分X光子会与成像物体的原子发生碰撞，而改变运动方向，并损失部分能量，这部分X光子即散射X光子。由于这部分X光子不符合图像重建，因此即使这部分X光子到达探测器，也无法对成像作出贡献，因此，如果不能剔除这部分X光子，反而将增加重建图像的噪声。如图I所示，对于图像重建来说，为获得较佳质量的CT图像，一般均希望由X射线源I发射的X光子只有直射部分到达探测器2，由此，根据X射线源I的焦点和探測器2上的入射点即可以确定X光子的路径；但是，在实际成像过程中，部分散射X光子也能进入探测器，由此导致难于准确地确定X光子的路径，从而影响CT图像的质量。为解决X光子散射的问题，目前使用的一种传统CT扫描仪中，探測器2以X射线源I的焦点为圆心，在X射线源I朝向探測器2的一侧设置前准直器3，并在探測器2朝向X射线源I的一侧设置指向所述X射线源I的焦点的后准直器4，探測器2和X射线源I围绕人体旋转扫描，以获取投影信息，如图2所示。这种CT扫描仪通过所述前准直器3来限制X射线的范围，并通过所述后准直器4进ー步吸收与其方向不一致的散射X光子，以抑制散射X光子的干扰，提高信噪比，实现较准确的断层图像重建。但是，这种传统CT扫描仪通常存在辐射剂量偏高、成像时间较长、系统结构复杂、运营成本高等缺点。为此，公布号为CN102379716A的中国发明专利申请公开了一种静态CT扫描仪及其扫描方法，该静态CT扫描仪提出了采用基于碳纳米管场发射阴极X射线管的环形X射线源和基于碲锌镉能量分辨探测器的环形探測器系统研制医用静态能量分辨CT扫描仪的方案，用于解决上述问题。然而，在该方案中，由于每个X射线管对应的弧形探測器难于以该X射线管为圆心，因此，难于采用传统的准直器来抑制散射X光子对成像的影响，进而导致CT图像质量较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种静态CT扫描仪及其散射X光子校正方法，以提高探测器采集的投影数据的信噪比，減少散射X光子对CT扫描仪成像质量的影响。解决本发明的技术问题所采用的技术方案是提供一种静态CT扫描仪，其包括X射线源系统、探測器系统、数据采集系统、计算机及电源系统。所述X射线源系统包括ー个环形X射线源及ー个设置于所述环形X射线源出ロ处的环形前准直器，所述环形X射线源包括若干个基于碳纳米管的X射线源模块，所述环形前准直器上分布有若干个用于对X射线的出射范围进行限制的准直器狭縫，每个所述X射线源模块对应一个所述准直器狭缝；所述探测器系统用于接收所述X射线源系统发射的X射线束，所述探测器系统包括位于所述环形前准直器内侧的两个环形探測器，所述两个环形探測器之间具有对应所述准直器狭缝的夹縫，每个所述环形探測器由若干个探测器模块组成；所述数据采集系统连接所述探测器系统，用于对所述探测器系统输出的数据进行采集；所述计算机和所述数据采集系统相连接；所述电源系统分别连接所述X射线源系统、所述探测器系统和所述数据采集系统，以提供所需的高压和普通电源。每个所述探测器模块均包括相互连接的探測区和非探測区，所述探测区靠近所述夹缝，所述非探測区远离所述夹缝，所述环形前准直器的照射范围 完全覆盖其内侧的所述探测器模块的探測区，以避免非探測区被X射线照射，降低扫描物体所接收的吸收剂量；所述探测器系统进一歩包括两个环形后准直器及两个环形监测探測器，所述两个环形后准直器设置于所述两个环形探測器的内側，且分别位于对应探测器模块的探測区和非探測区的连接处，用于对X射线中的散射X光子进行限制；所述两个环形监测探测器和所述数据采集系统相连接，且分别对应地设置于所述两个环形后准直器背离所述探测器模块的探測区的ー侧；所述计算机对所述数据采集系统采集的数据进行处理后进行图像重建。本发明ー较佳实施例中，每一所述环形监测探測器均由若干个监测探測器模块组成。本发明ー较佳实施例中，所述若干个监测探測器模块等间距地间隔设置于对应的所述环形后准直器背离所述探測器模块的探測区的ー侧。本发明ー较佳实施例中，所述环形监测探测器采用近似或插值的方式来获取间隔处无所述监测探測器模块的区域的散射光子计数和能谱分布。本发明ー较佳实施例中，所述两个环形监测探测器和所述两个环形探測器同时启动、同步工作。本发明ー较佳实施例中，所述两个环形后准直器垂直于所述两个环形探测器且相互平行。本发明ー较佳实施例中，所述若干个探测器模块为能够对X光子进行能量分辨的基于締锋铺的闻计数率探测器ホ旲块。本发明ー较佳实施例中，所述两个环形探測器之间的夹缝的间距大于0且小于5mm o本发明一较佳实施例中，所述环形X射线源和所述两个环形探測器的直径范围为
0.2m 至 I. 5mo本发明另外提供ー种上述的静态CT扫描仪的散射X光子校正方法，其包括如下步骤所述两个环形探測器和所述两个环形监测探测器同时分别探測所述环形X射线源发射的X射线束；所述数据采集系统分别采集所述探测器系统输出的投影数据和所述两个环形监测探测器输出的数据；所述计算机根据所述探測器系统输出的投影数据，按照预设规则和比例与所述两个环形监测探测器输出的数据相减，即得到经过散射校正的投影数据。
与现有技术相比，本发明提供的静态CT扫描仪具有以下优点其一，所述环形前准直器的照射范围完全覆盖其内侧的所述探测器模块的探測区，可以有效地通过限制照射范围来降低成像物体的吸收剂量，同时减少散射光子的来源；其ニ，在两个环形探測器的内侧设置两个环形后准直器，所述两个环形后准直器分别位于对应探測器模块的探測区和非探測区的连接处，用于对散射光子进行限制，以在所述环形前准直器的基础上进一步减小X散射光子的影响；其三，利用设置于所述两个环形后准直器背离所述探測器模块的探測区的ー侧的两个环形监测探測器，可以有效地获取散射X光子的数据，用于校正探測器模块获取的数据，以提高探測器模块采集的投影数据的信噪比，減少散射X光子对静态CT扫描仪成像质量的影响；其四，所述静态CT扫描仪采用基于碳纳米管的X射线源模块，可有效缩短成像时间，且其整体结构较简单，较易于维护，运营成本更低。此外，本发明提供的散射 X光子校正方法易于实现对散射X光子的校正，可以有效地校正探測器模块获取的数据，提高探測器模块采集的投影数据的信噪比，減少散射X光子对静态CT扫描仪成像质量的影响。
下面将结合附图及实施例对本发明作进ー步说明，附图中图I是X光子路径示意图。图2是传统CT扫描仪的成像过程示意图。图3是本发明第一实施例提供的静态CT扫描仪的系统组成示意图。图4是图3所述静态CT扫描仪的轴向剖面的组成示意图。图5是图4所述静态CT扫描仪未包括环形监测探测器的立体示意图。图6是图5所示静态CT扫描仪的分解示意图。图7是图4所示静态CT扫描仪的环形监测探测器的一种设置示意图。图8是图4所示静态CT扫描仪的环形监测探测器的另ー种设置示意图。图9是本发明第二实施例提供的图3所示静态CT扫描仪的散射X光子校正方法的流程图。图IOa是直射区域内散射光子的能谱分布图。图IOb是參考区域内散射光子的能谱分布图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进ー步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 请參阅图3，本发明第一实施例提供一种静态CT扫描仪100，其包括X射线源系统10，探测器系统20，数据采集系统30、计算机40和电源系统50。请ー并參阅图4至图6，所述X射线源系统10包括一个环形X射线源11及ー个环形前准直器13，所述环形X射线源11用于发射X射线，其包括若干个基于碳纳米管的X射线源模块111 ;所述环形前准直器13设置于所述环形X射线源11的出口处，所述环形前准直器13上分布有若干个准直器狭缝131，所述准直器狭缝131用于对所述环形X射线源11发射的X射线进行限制；每一个所述X射线源模块111均对应ー个所述准直器狭缝131。所述探测器系统20用于接收所述X射线源系统10发射的X射线，所述探测器系统20包括位于所述环形前准直器13的内侧的两个环形探測器21、两个环形后准直器23及两个环形监测探測器25。所述两个环形探測器21的形状和大小相同且同轴设置，所述两个环形探測器21之间具有对应所述准直器狭缝131的夹缝211，每个所述环形探測器21均由若干个探测器模块213组成；每个所述探测器模块213均包括相互连接的探測区2131和非探測区2133，所述探测区2131靠近所述夹缝211，所述非探測区2133远离所述夹缝211，所述环形前准直器13的照射范围完全覆盖其内侧的所述探测器模块213的探測区2131。所述若干个探测器模块213为能量分辨计数探測器模块。相对于传统探测器，能量分辨计数探測器可以对每个X光子进行能量分辨(探測器与数据采集系统处理ー个X光子大约需要几百纳秒的 时间)，不但通过设阈值，将小的噪声信号拒之门外，从抑制噪声方面提高了信噪比，而且获取了每个X光子的能量信息，从信息増加方面提高了信噪比。这种成像方式可以将辐射剂量降低一半。于本实施例中，优选采用基于碲锌镉的高计数率探測器模块。碲锌镉的高计数率探测器模块属于能量分辨计数探測器的ー种，具有较高的信噪比。优选地，所述环形前准直器13的照射范围正好完全覆盖其内侧的所述探测器模块213的探測区2131，由此，既可刚好避免非探測区2133被X射线照射，降低扫描物体所接收的吸收剂量，又可避免所述环形前准直器13过多地限制了投射至相对位置的所述探测器模块213的探测区2131上的X射线。进ー步地，所述环形X射线源11与所述两个环形探測器21的直径范围为0. 2m至
I.5m,优选的为lm。进ー步地，所述两个环形探測器21之间的夹缝211的间距优选大于0且小于5mm。所述两个环形后准直器23设置于所述两个环形探測器21的内側，且分别位于对应探测器模块213的探測区2131和非探測区2133的连接处，用于对X射线中的散射光子进行限制。所述两个环形监测探测器25分别对应地设置于所述两个环形后准直器23背离所述探测器模块213的探測区2131的ー侧，即所述两个环形监测探測器25沿轴线方向分别设置于所述两个探測器模块213的外側，以获取散射X光子的数据。优选地，所述两个环形后准直器23垂直于所述两个环形探測器21且相互平行。本实施例中，所述若干个监测探測器模块251也为基于碲锌镉的高计数率探測器模块，其能够对X光子进行能量分辨。如图7所示，本实施例中，每一所述环形监测探測器25均由若干个监测探测器模块251组成，所述若干个监测探測器模块251依次相接环绕形成所述环形监测探測器25。当然，所述若干个监测探測器模块251的设置方式并不局限于本实施例，只要所述若干个监测探測器模块251构成的所述两个环形监测探测器25可以有效地获取X散射光子的数据即可。如图8所示，所述若干个监测探測器模块251等间距地间隔设置于对应的所述环形后准直器23背离所述探測器模块213的探測区2131的ー侧，由此，可以减少所述监测探测器模块251的数量。可以理解的是，此时相邻的两个所述监测探測器模块251之间，存在未设置所述监测探測器模块251的间隔空间。此种情况下，所述环形监测探測器25采用近似或插值的方式来获取间隔处无所述监测探測器模块251的区域的散射光子计数和能谱分布。优选地，所述两个环形监测探测器25和所述两个环形探測器21同时启动、同步エ作。由此，可以保证所述两个环形监测探测器25和所述两个环形探測器21工作时间的一致性，进而使所述两个环形监测探测器25获得散射X光子数据和所述两个环形探測器21获得的X射线光子数据具有时间上的相关性。所述数据采集系统30连接所述探测器系统20和所述两个环形监测探测器25，用于对所述探测器系统20和所述两个环形监测探测器25输出的信号进行采集。所述计算机40和所述数据采集系统30相连接，以对所述数据采集系统30采集的数据进行处理，井根据处理的数据进行图像重建。
本实施例中，所述计算机40根据所述探測器系统20和所述两个环形监测探测器25输出的数据进行散射X光子校正，以重建获得较佳质量的图像。所述电源系统50分别连接所述X射线源系统10、所述探测器系统20、所述数据采集系统30和所述计算机40，以提供所需的高压和普通电源。可以理解的是，所述环形X射线源11发射的X光子依次通过所述环形前准直器13的准直器狭缝131和所述两个环形探測器21之间的夹缝211投射到相对位置的所述探测器模块213的探測区2131上。可以理解的是，本实施例中的所述“环形”可以为圆形、椭圆形等，本发明并不以此为限。请參阅图9，本发明第二实施例提供所述静态CT扫描仪100的散射X光子校正方法，其包括如下步骤Slll :所述两个环形探測器21和所述两个环形监测探测器25同时分别探测所述环形X射线源11发射的X射线束。可以理解的是，所述两个环形探測器21探測的X射线束包括所述环形X射线源11发射的直射光子和途经成像物体而产生的内侧散射光子，由此所述探測器系统20即获得直射光子和途经成像物体而产生的内侧散射光子的投影数据；所述两个环形监测探测器25探測的X射线束包括所述环形X射线源11发射X光子在途经成像物体后产生的外侧散射光子，由此所述两个环形监测探測器25获得途经成像物体而产生的外侧散射光子的数据。SI 13 :所述数据采集系统30分别采集所述探测器系统20输出的投影数据和所述两个环形监测探測器25输出的数据。所述数据采集系统30采集的所述探测器系统20输出的投影数据，即所述探測器系统20中两个环形探測器21探測的X射线束，亦即所述探測器系统20获得的直射光子和途经成像物体而产生的内侧散射光子的投影数据；所述数据采集系统30采集的所述两个环形监测探测器25输出的数据，即所述两个环形监测探測器25探測的X射线束，亦即所述两个环形监测探測器25获得的途经成像物体而产生的外侧散射光子的数据。采用蒙特卡洛方法对140keV电子打靶产生的X光子经过限束、准直穿过不同材料的成像物体到达探测器的物理过程进行模拟计算，获得如图IOa和图IOb分别所示的直射区域与參考区域的散射X光子在碲锌镉探測器中沉积后的能谱分布。研究发现(I)直射区域的散射X光子(即所述环形X射线源11发射的途经成像物体产生的内侧散射光子)对最終的图象重建的影响不可忽略；(2)參考区域的散射X光子(即所述环形X射线源11发射的途经成像物体产生的外侧散射光子)的数量和能谱分布与直射区域的散射X光子的数量和能谱分布非常接近，可以相互近似替换。由此，可以通过所述两个环形监测探测器25输出的数据对所述探测器系统20输出的投影数据进行校正，即利用所述两个环形监测探测器25获取的所述环形X射线源11发射的途经成像物体产生的外侧散射光子的数据对所述环形X射线源11发射的直射光子和途经成像物体产生的内侧散射光子的投影数据进行校正，以提高所述探测器模块213采集的投影数据的信噪比，減少散射X光子对所述静态CT扫描仪100成像质量的影响。SI 15 :所述计算机40根据所述探測器系统20输出的投影数据，按照预设规则和比例与所述两个环形监测探测器25输出的数据相減，即得到经过散射校正的投影数据。 由此，可从所述探測器系统20输出的投影数据中剔除或減少所述环形X射线源11发射的散射光子的数据，即进行散射校正。进而，可使依据散射校正后的投影数据进行图像重建所获得的CT图像具有较佳的质量。可以理解的是，本发明提供的所述的静态CT扫描仪100的散射X光子校正方法通过所述两个环形监测探測器25測量所述环形X射线源11发射的途经成像物体产生的外侧散射光子，来部分或全部替代所述探测器系统20获得的数据中所述环形X射线源11发射的途经成像物体产生的内侧散射光子，以获得较准确的环形X射线源11发射的直射光子数据，以进行后续图像重建。与现有技术相比，本发明提供的静态CT扫描仪100具有以下优点其一，所述环形前准直器13的照射范围完全覆盖其内侧的所述探测器模块213的探測区2131，可以有效地通过限制照射范围来降低成像物体的吸收剂量，同时减少散射光子的来源；其ニ，在两个环形探測器21的内侧设置两个环形后准直器23，所述两个环形后准直器23分别位于对应探测器模块213的探測区2131和非探測区2133的连接处，用于对散射光子进行限制，以在所述环形前准直器13的基础上进一步减小X散射光子的影响；其三，利用设置于所述两个环形后准直器23背离所述探測器模块213的探測区2131的ー侧的两个环形监测探測器25，可以有效地获取散射X光子的数据，用于校正探測器模块213获取的数据，以提高探测器模块213采集的投影数据的信噪比，減少散射X光子对静态CT扫描仪100成像质量的影响；其四，所述静态CT扫描仪100采用基于碳纳米管的X射线源模块111，可有效缩短成像时间，且其整体结构较简单，较易于维护，运营成本更低。此外，本发明提供的散射X光子校正方法易于实现对散射X光子的校正，可以有效地校正探測器模块213获取的数据，提高探測器模块213采集的投影数据的信噪比，減少散射X光子对静态CT扫描仪100成像质量的影响。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种静态CT扫描仪,其包括 X射线源系统，所述X射线源系统包括一个环形X射线源及一个设置于所述环形X射线源的出口处的环形前准直器，所述环形X射线源包括若干个基于碳纳米管的X射线源模块，所述环形前准直器上分布有若干个用于对X射线的出射范围进行限制的准直器狭缝，每个所述X射线源模块均对应一个所述准直器狭缝； 探测器系统，所述探测器系统用于接收所述X射线源系统发射的X射线，所述探测器系统包括位于所述环形前准直器的内侧的两个环形探测器，所述两个环形探测器之间具有对应所述准直器狭缝的夹缝，每个所述环形探测器均由若干个能够对X光子进行能量分辨的探测器模块组成； 数据采集系统，所述数据采集系统连接所述探测器系统，用于对所述探测器系统输出的信号进行采集； 计算机，所述计算机和所述数据采集系统相连接；及 电源系统，所述电源系统分别连接所述X射线源系统、所述探测器系统所述数据采集系统和所述计算机，以提供所需的高压和普通电源； 其特征在于 每个所述探测器模块均包括相互连接的探测区和非探测区，所述探测区靠近所述夹缝，所述非探测区远离所述夹缝，所述环形前准直器的照射范围完全覆盖其内侧的所述探测器模块的探测区，以避免非探测区被X射线照射，降低扫描物体所接收的吸收剂量；所述探测器系统进一步包括两个环形后准直器及两个环形监测探测器，所述两个环形后准直器设置于所述两个环形探测器的内侧，且分别位于对应探测器模块的探测区和非探测区的连接处，用于对X射线中的散射X光子进行限制；所述两个环形监测探测器和所述数据采集系统相连接，且分别对应地设置于所述两个环形后准直器背离所述探测器模块的探测区的一侧；所述计算机对所述数据采集系统采集的数据进行处理后进行图像重建。
2.如权利要求I所述的静态CT扫描仪，其特征在于，每一所述环形监测探测器均由若干个监测探测器模块组成。
3.如权利要求2所述的静态CT扫描仪，其特征在于，所述若干个监测探测器模块等间距地间隔设置于对应的所述环形后准直器背离所述探测器模块的探测区的一侧。
4.如权利要求3所述的静态CT扫描仪，其特征在于，所述环形监测探测器采用近似或插值的方式来获取间隔处无所述监测探测器模块的区域的散射光子计数和能谱分布。
5.如权利要求I所述的静态CT扫描仪，其特征在于，所述两个环形监测探测器和所述两个环形探测器同时启动、同步工作。
6.如权利要求I所述的静态CT扫描仪，其特征在于，所述两个环形后准直器垂直于所述两个环形探测器且相互平行。
7.如权利要求I所述的静态CT扫描仪，其特征在于所述若干个探测器模块为能够对X光子进行能量分辨的基于碲锌镉的高计数率探测器模块。
8.如权利要求I所述的静态CT扫描仪，其特征在于所述两个环形探测器之间的夹缝的间距大于O且小于5mm。
9.如权利要求I所述的静态CT扫描仪，其特征在于所述环形X射线源和所述两个环形探测器的直径范围为O. 2m至I. 5m。
10.一种如权利要求I 9任一项所述的静态CT扫描仪的散射X光子校正方法，其特征在于，包括如下步骤所述两个环形探测器和所述两个环形监测探测器同时分别探测所述环形X射线源发射的X射线束；所述数据采集系统分别采集所述探测器系统输出的投影数据和所述两个环形监测探测器输出的数据；所述计算机根据所述探测器系统输出的投影数据，按照预设规则和比例与所述两个环形监测探测器输出的数据相减，即得到经过散射校正的投影数据。
全文摘要
一种静态CT扫描仪，其包括X射线源系统、探测器系统、数据采集系统、电源系统及计算机。X射线源系统包括环形X射线源及设置于环形X射线源出口处的环形前准直器，环形X射线源包括若干X射线源模块，环形前准直器上分布有若干对X射线的出射范围进行限制的准直器狭缝；探测器系统包括环形前准直器内侧的两个相互间具有夹缝的环形探测器，每个环形探测器由若干能够对X光子进行能量分辨的探测器模块组成；环形前准直器完全覆盖探测器模块的探测区；探测器系统进一步包括两个设置于环形探测器内侧的环形后准直器及两个环形监测探测器；数据采集系统连接探测器系统和监测探测器；计算机对数据采集系统采集的数据进行处理后进行图像重建。
文档编号A61B6/03GK102764137SQ20121026432
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者代秋声, 徐品, 邢晓曼 申请人:苏州生物医学工程技术研究所