基于X射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统

基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统
技术领域
1.本技术涉及辐射成像技术领域，特别涉及一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统。


背景技术：

2.x射线成像在医疗、安检、工业检测等多个领域发挥重要作用。近年来光子计数探测器技术取得重大突破，其具有灵活可调的多能量阈值，为x射线成像带来新的动力。在透射成像方面，光子计数探测器是能谱ct(computed tomography，电子计算机断层扫描)的关键，其使能谱ct可以从等效原子序数和电子空间密度出发对材料更好辨。在x射线荧光成像中，光子计数探测器通过阈值设定排除多余的康普顿散射干扰并利用特定能量的x射线荧光光子。而在基于能量色散的x射线衍射物质识别或x射线衍射断层成像则依赖于多能窗高能量分辨率的光子计数探测器获取物质衍射谱，对光子计数探测器的性能有着更高的要求。尽管光子计数探测器在多种辐射成像任务中起到重要作用，但光子计数器内由于载流子的统计涨落导致的探测器测量能谱展宽，由电荷漂移导致不同探测器像素之间电荷共享效应。这些效应均导致探测器测量能谱远离真实入射能谱，并影响其在各任务中的性能表现。有效的探测器能量响应特性标定方法是校正探测器非理想能量响应和提升探测器性能的关键。
3.目前，光子计数探测器能量响应模型获取方式整体可用三类概括。第一类是基于仿真方法的探测器响应建模，这类方法利用探测器的关键参数如探测器厚度、材质，通过解析或蒙特卡洛仿真获得探测器响应。该类方法无需实际实验，所获得探测器响应模型稳定，然而对仿真过程的准确性要求严格，并且无法将因探测器而异的工艺因素建模进去；第二类是基于实际实验的探测器响应标定方法。该类方法首先采用含参公式对探测器响应建模，随后通过金属粉末荧光实验对公式中参数拟合。该类方法由于采用实际测量数据对参数标定，因此探测器工艺对性能的影响被包含，所标定探测器响应也更接近真实，但该方法过于依赖含参公式的设计，实际探测器响应函数通常是非解析的，公式化会引入额外误差。另一方面，金属粉末荧光实验标定法中荧光能量是离散的，仅有固定的数种荧光金属可用于探测器标定，能量无法连续改变，样本量小；第三类是仿真与实验标定的结合的探测器建模方法，其在第一步采用仿真方法对探测器响应建模，随后采用含参公式对仿真探测器响应模型修正，并通过金属粉末荧光实验拟合公式参数，这种方法既减轻了探测器响应对公式形式的依赖，又可将探测器工艺影响因素融入，但其实施更为复杂，且金属粉末荧光实验的非单色性及能量离散性问题仍然未得到解决。


技术实现要素：

4.本技术提供一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统及方法，无需依赖仿真建模及数学参数模型，可直接进行探测器的能量响应标定。
5.本技术第一方面实施例提供一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定
系统，包括：
6.x射线源，用于产生x射线；
7.笔束准直器，用于将所述x射线形成笔束x射线；
8.晶体样本，所述晶体样本设置在所述笔束x射线传播路径上，以使所述笔束x射线照射所述晶体样本后产生衍射x射线；
9.透射阻挡器，用于阻挡所述笔束x射线透过所述晶体样本后形成的透射x射线；
10.光子计数探测器，用于探测所述衍射x射线的特征衍射能量；
11.控制器，用于调整所述x射线源参数筛选到达所述光子计数探测器的预设特征衍射能量，以及控制所述光子计数探测器平移，使得所述笔束x射线与所述衍射x射线的衍射角在预设角度范围内连续变化，并接收所述光子计数探测器在不同位置探测的多个预设特征衍射能量，测量所述光子计数探测器在每个预设特征衍射能量下的探测器能量响应，进行光子计数探测器能量响应标定。
12.可选地，在本技术的一个实施例中，在所述衍射角为θ时，所述衍射x射线的特征衍射能量ei(θ)为：
[0013][0014]
其中，qi为所述晶体样本的特征衍射谱线，h为普朗克常数，c为光速，θ为所述笔束x射线与所述衍射x射线的衍射角。
[0015]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述控制器进一步用于调整所述x射线源的电压位于预设电压区间，以使所述光子计数探测器仅探测所述预设特征衍射能量。
[0016]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述预设电压区间为(e1(θ)/e,e2(θ)/e)，其中，e为电子电量。
[0017]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述光子计数探测器在每个预设特征衍射能量下的探测器能量响应为：
[0018][0019]
其中，表示入射到所述光子计数探测器的特征衍射能量为单能e时，所述光子计数探测器探测到的能量为h的概率，θ
max
为最大衍射角，θ
min
为最小衍射角，e1(θ
max
)为衍射角为θ
max
时第一级特征衍射谱线对应的特征衍射能量，e1(θ
min
)为衍射角为θ
min
时第一级特征衍射谱线对应的特征衍射能量。
[0020]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述晶体样本的第一级特征衍射谱线强度大于预设强度，且所述第一级特征衍射谱线位置与第二级特征衍射谱线位置差值大于预设距离。
[0021]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述晶体样本为粉末晶体样本或多晶样本。
[0022]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述控制器包括：第一校正组件，用于在所述衍射角存在展宽时，对所述标定系统进行几何建模，计算所述光子计数探测器在每个位置对应的衍射角分布，并根据所述衍射角分布校正所述探测器能量响应。
[0023]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述控制器包括：第二校正组件，用于在所述光子计数探测器探测到除所述预设特征衍射能量以外的特征衍射能量时，从高能量至低能量逐步对所述探测器能量响应进行高阶衍射谱校正，扣除混入的高阶衍射谱。
[0024]
本技术第二方面实施例提供一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定方法，利用上述的基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统，所述标定方法包括以下步骤：设定所述x射线源参数，使得所述光子计数探测器探测所述衍射x射线的预设特征衍射能量；控制所述光子计数探测器平移，使得所述光子计数探测器位置处，所述笔束x射线与所述衍射x射线的衍射角在预设角度范围内连续变化；接收所述光子计数探测器在不同位置探测的多个预设特征衍射能量，并测量所述光子计数探测器在每个预设特征衍射能量下的探测器能量响应，进行光子计数探测器能量响应标定。
[0025]
本技术实施例的基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统及方法，利用晶体衍射特征峰从常规连续能量入射x射线中产生特征单能x射线，通过连续调整光子计数探测器相对于晶体位置改变衍射角从而改变衍射x射线能量，实现连续可调能量响应的标定，是一种新的非依赖仿真建模及数学参数模型的准确便捷的x射线光子计数探测器能量响应标定方法。
[0026]
本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
[0027]
本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0028]
图1为根据本技术实施例提供的一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统框架示意图；
[0029]
图2为根据本技术实施例提供的一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统结构示意图；
[0030]
图3为根据本技术实施例提供的一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统的标定过程示意图；
[0031]
图4为根据本技术实施例提供的一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统的标定结果示意图；
[0032]
图5为根据本技术实施例提供的一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定方法的流程图。
具体实施方式
[0033]
下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
[0034]
图1为根据本技术实施例提供的一种基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统框架示意图。
[0035]
如图1所示，基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统10包括：x射线源100、笔束准直器200、晶体样本300、透射阻挡器400、光子计数探测器500和控制器600。
[0036]
x射线源100，用于产生x射线。
[0037]
笔束准直器200，用于将x射线形成笔束x射线。
[0038]
晶体样本300，所述晶体样本300设置在所述笔束x射线传播路径上，以使所述笔束x射线照射所述晶体样本300后产生衍射x射线。
[0039]
透射阻挡器400，用于阻挡所述笔束x射线透过所述晶体样本300后形成的透射x射线。
[0040]
其中，x射线源可以为医疗或安检常用的x射线源。如图2所示，x射线源产生连续能量x射线，经过笔束准直器形成笔束x射线，笔束x射线照射晶体样本后产生衍射x射线，笔束x射线透过晶体样本部分形成透射x射线，通过设置透射阻挡器阻挡形成的透射x射线，消除干扰。
[0041]
光子计数探测器500，用于探测衍射x射线的特征衍射能量。
[0042]
控制器600，用于调整x射线源参数筛选到达光子计数探测器的预设特征衍射能量，以及控制光子计数探测器平移，使得笔束x射线与衍射x射线的衍射角在预设角度范围内连续变化，并接收光子计数探测器在不同位置探测的多个预设特征衍射能量，测量光子计数探测器在每个预设特征衍射能量下的探测器能量响应，进行光子计数探测器能量响应标定。
[0043]
在本技术的实施例中，在衍射角为θ时，将衍射x射线的特征衍射能量设为e1(θ),e2(θ),e3(θ),...，计算公式为：
[0044][0045]
其中，qi为晶体样本的特征衍射谱线，仅由晶体结构决定，h为普朗克常数，c为光速，θ为笔束x射线与衍射x射线的衍射角。
[0046]
在本技术的实施例中，光子计数探测器能量响应标定仅利用能量为e1(θ)的特征衍射能量，为了使得光子计数探测器仅探测预设特征衍射能量，通过控制器调整x射线源的电压位于预设电压区间，在仅利用能量为e1(θ)的特征衍射能量时，设置x射线光源的管电压位于(e1(θ)/e,e2(θ)/e)区间，e为电子电量。
[0047]
调整好x射线光源的管电压后，逐步平移待标定探测器像素p，从而使探测器像素对应的衍射角θ在[θ
min
,θ
max
]范围连续变化，并测量探测器像素p在[e1(θ
max
),e1(θ
min
)]之间每个入射能量e下的原始探测器能量响应每个入射能量e下的原始探测器能量响应的意义为入射到光子计数探测器的特征衍射能量为单能e时，光子计数探测器探测到的能量为h的概率。
[0048]
在本技术的实施例中，晶体样本的第一级特征衍射谱线强度大于预设强度，且第一级特征衍射谱线位置与第二级特征衍射谱线位置差值大于预设距离。
[0049]
具体地，晶体样本可以为粉末晶体样本或多晶样本，该晶体样本的第一级衍射谱线q1强度大，且q1与q2间隔较大。
[0050]
最终探测器能量响应r
p
(h,e),e∈[e1(θ
max
),e1(θ
min
)]可以是离散的形式，设探测器能窗数(道数)为m，即h∈{h
o1
,h
o2
,h
o3
,...,h
om
}。并将标定能量范围[e1(θ
max
),e1(θ
min
)]等间隔离散成n个入射能量，即e∈{e
i1
,e
i2
,e
i3
,...,e
in
}，则离散情况下，探测器能量响应可表示为：
[0051][0052][0053]
同理，可定义原始探测器能量响应的离散形式以及展宽校正探测器能量响应的离散形式离散形式
[0054]
在本技术的实施例中，控制器600包括：第一校正组件，用于在衍射角存在展宽时，对标定系统进行几何建模，计算光子计数探测器在每个位置对应的衍射角分布，并根据衍射角分布校正探测器能量响应。
[0055]
可以理解的是，当笔束准直器宽度较大，或者探测器像素较大的情况下，探测器像素所对应衍射角存在一定展宽。可对衍射角展宽校正，得到展宽校正探测器能量响应若不对衍射角展宽校正，则直接令如图3所示。
[0056]
具体地，衍射角展宽校正为：额外对系统几何建模，计算每一次采集位置下，探测器像素所对应的衍射角分布ρ(θ',θ)，ρ(θ',θ)表示探测器像素中心位置衍射角为θ时，该像素各位置所对应的衍射角大小分布。则：
[0057][0058]
其中θ,θ'∈[θ
min
,θ
max
]。依据公式(3)，通过迭代求解从得到
[0059]
在本技术的实施例中，控制器600包括：第二校正组件，用于在光子计数探测器探测到除预设特征衍射能量以外的特征衍射能量时，从高能量至低能量逐步对探测器能量响应进行高阶衍射谱校正，扣除混入的高阶衍射谱。
[0060]
在部分实验实施中，为提升实验效率，x射线源电压并没有随衍射角位置变化实时调整至(e1(θ)/e,e2(θ)/e)区间，晶体样本的二级衍射谱q2所对应能量可能进入探测器，需要进行高阶衍射谱扣除校正，得到最终探测器响应r
p
(h,e)，若不存在该情况，无需进行高阶衍射谱扣除校正，则令r
p
(h,e)为最终标定的探测器能量响应，如图3所示。
[0061]
具体地，高阶衍射谱扣除校正为：从高能量至低能量逐步对进行高阶衍射谱校正，对于待标定范围内的最大能量r
p
(h,e
max
)，认为随后按标定能量e从高到低，首先最小二乘拟合高阶衍射谱混入系数α(e
*
,e)，即中混入入射能量为e
*
的光子比例。拟合代价函数为：
[0062][0063]
在拟合得到α(e
*
,e)后，对混入的高阶衍射谱扣除：
[0064]
[0065]
由于从高能向低能逐步校正，在求解r
p
(h,e)时，r
p
(h,e
*
)，e
*
》e已知。
[0066]
下面通过一个具体实施例对本技术的基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统进行详细说明。
[0067]
在本技术实施例的光子计数探测器能量响应标定系统采用钨阳极x射线源，其管电压在70kv-150kv之间调整，管电流可在0.3ma-3ma之间调整(本实施例中电流固定使用3ma)。笔束准直器为深度200mm，孔径0.5mm的钨准直器。晶体样本为纯铁片。待标定探测器为一个面阵列碲锌镉探测器，像素边长为1.6mm，像素数为16
×
64，探测器距离晶体样本500mm。
[0068]
本实施例中采用离散形式的探测器响应。探测器采集能量范围设为21kev-120kev，能窗宽度设为1kev共100能窗，即h∈{21kev,22kev,23kev,...,120kev}。本实施例中标定能量范围也设为21kev-120kev，标定能量步长设为1kev，即e∈{21kev,22kev,23kev,...,120kev}，
[0069]
在获得原始探测器能量响应时，逐步平移探测器，改变衍射角，采集不同衍射特征能量下的探测器信号。在e≥70kev时，光机电压设为150kv，采用1mm厚的薄铁片晶体样本。探测器水平方向移动扫描，移动范围[-100mm,100mm],移动步长0.5mm。在e《70kev时，光机电压设为80kv，采用0.3mm厚的薄铁片晶体样本。探测器水平方向移动扫描，移动范围[-200mm,200mm],移动步长1mm。将扫描过程中每个像素采集数据按衍射角递减(衍射能量递增)方式排列，得到该探测器像素的原始探测器能量响应
[0070]
对在e维度重采样得到离散化的原始探测器能量响应按上述实施例介绍的校正方法进行衍射角展宽校正得到进一步对采用上述实施例介绍的校正方法进行高阶衍射谱扣除校正得到最终的探测器能量响应r
p
，最终的能量响应标定结果如图4所示。
[0071]
本技术实施例的基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统，不依赖于探测器响应的人为建模或精细化探测器响应仿真，利用晶体x射线衍射，通过合理的入射能谱设置，晶体x射线衍射在每一确定空间位置仅有唯一能量，单色性好。通过调整衍射角，该单能衍射x射线能量连续变化，是强度较弱的实验室“同步辐射”，除用于探测器能量响应标定外，也适用于其他需求单能x射线源的任务。
[0072]
其次参照附图描述根据本技术实施例提出的基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定方法。
[0073]
如图5所示，该基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定方法，利用上述的基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定系统，标定方法包括以下步骤：
[0074]
在步骤s101中，设定x射线源参数，使得光子计数探测器探测衍射x射线的预设特征衍射能量。
[0075]
在步骤s102中，控制光子计数探测器平移，使得光子计数探测器位置处，笔束x射线与衍射x射线的衍射角在预设角度范围内连续变化。
[0076]
在步骤s103中，接收光子计数探测器在不同位置探测的多个预设特征衍射能量，并测量光子计数探测器在每个预设特征衍射能量下的探测器能量响应，进行光子计数探测器能量响应标定。
[0077]
根据本技术实施例提出的基于x射线衍射的光子计数探测器能量响应标定方法，可以基于常规光源的探测器响应直接实验标定接，不依赖于探测器响应的人为建模或精细化探测器响应仿真方法，是一种简单鲁棒的探测器响应标定方法。除用于探测器能量响应标定外，也适用于其他需求单能x射线源的任务。
[0078]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0079]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0080]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0081]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0082]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。