基于层间无金属滤波片的双层平板探测器X射线及CT成像性能评估

顾 珊，周 浩，王志磊，高河伟

(1.清华大学 工程物理系，北京 100084;2.粒子技术与辐射成像教育部重点实验室(清华大学)，北京 100084)

近年来，随着探测技术[1-3]以及图像处理算法[4-6]等的迅速发展，X射线计算机断层成像(Computed Tomography，CT)在生物医学[7,8]，材料科学[9,10]，安全检查[11,12]等各个领域都有广泛的应用。双能X射线成像可以有效地区分 CT 值相近的不同材料[13]。利用不同 X 射线能量在物质中的衰减能力差异，双能CT能提供物质的有效原子序数和电子密度，更准确的重建出物质基本组成成分，提高图像识别的准确性。目前，实现双能成像的主要方式包括重复进行两次不同能谱的扫描、双源双探测器、 快速千伏切换技术、 双层探测器技术和光子计数探测器等[14]。

双层探测器采用两层相同或不同的闪烁晶体材料，在单次 X 射线曝光下即可获得高低能投影，与其他实现双能 CT 成像的方法相比，投影数据时空匹配度较高，可以有效避免系统运动带来的伪影，降低数据配准误差带来的影响，应用前景广阔。

由于双层平板探测器能量分离相对较小以及底层噪声大等限制，基于双层平板探测器技术的锥束CT 能谱成像目前还处于试验样机阶段。具有代表性的双层平板探测器结构主要有三种，其结构示意图如图1所示。第一种是晶体前薄后厚中间有金属滤波片的双层平板探测器，结构示意图如图1(a)所示。Linxi Shi 等评估了一款这种结构探测器的基本成像性能以及二维/三维能谱成像能力[1]。该款双层平板探测器是基于Varex XRD 4343RF开发的，其结构主要包括顶层200 μm 厚的CsI晶体及其读出电路，中间是用于提高能谱分离的固定1 mm的铜滤波片，以及底层550 μm 厚的CsI闪烁体和读出电路。金属滤波片增加了前后两层的能谱分离度，但X射线衰减严重，到达底层的光子数较少，使得底部投影数据噪声大、分辨率较低、能谱成像图像质量有待改善。第二种是在两层探测器之间做一层过滤夹层，可以插拔不同厚度的金属滤波片，如图1(b)所示。成铭扬等使用一款这种结构的双层探测器做了X射线双能血管减影算法研究[15]。该款探测器是由康众公司提供的560RF 型号探测器，该双层探测器中间是可插拔不同厚度滤波片的过滤层，最大厚度为2.5 mm，这一较大的物理距离使得高低能投影数据位置配准的准确性降低。第三种是本文即将评估的层间无金属滤波片，前后晶体等厚度的双层探测器，结构示意图如图1(c)所示。该款探测器也是基于Varex XRD 4343RF 开发的，顶层与底层都是550 μm厚的CsI晶体，使得X射线经过探测器顶层时就有较大的衰减，两层之间没有使X射线衰减严重的金属滤波片，到达底层光子数较多。与前两种设计相比，优点是第三种双层探测器底层X射线利用率高，几何配准更精确；
缺点是能量分离相对较小。

图1 三种双层平板探测器结构示意图(a)晶体前薄后厚中间有固定金属滤波片的双层结构；
(b)金属滤波片可插拔的双层结构；
(c)前后晶体等厚度中间无金属滤波片的双层结构

本文对这款层间无金属滤波片，等晶体厚度的双层平板探测器的性能在桌面CT平台进行了研究。首先,测量了该探测器顶层和底层的分辨率，噪声功率谱等;其次，通过扫描拟人胸腔模型的X射线摄影，分析了其二维双能透视成像能力;最后，通过扫描多能模体，评估了其双能CT能谱成像潜力。

1.1 双层平板探测器

本文使用的双层平板探测器包含两层非晶硅层，每层均由550 μm厚的CsI晶体组成，两层之间是1 mm厚的碳纤维和1 mm厚的泡沫减震层。多色X射线进入探测器发生衰减，低能量X射线会沉积在顶层探测器，高能量X射线更大概率会穿透顶层到达探测器底层进行沉积，单次曝光即可实现X射线高低能分离，获得高低能投影数据。

每层探测器的最大有效面积是432×432 mm2, 有5个不同的探测视野供选择。像素尺寸大小为0.15×0.15 mm2, 在1×1像素模式下，探测器每层的最高读出速率为15 fps，可选的读出模式还有2×2，3×3像素合并模式，最高读出速率达30 fps。两层图像都是16位深度，并提供7种不同增益的读出模式。具体探测器参数见表1所示。

表1 双层平板探测器参数表

1.2 双层平板探测器实验条件

实验条件如下：探测器顶层选择增益4，底层选择增益7时，能满足实验时两层都不饱和并提供合适的灵敏度的情况，数据读出为2×2 像素合并模式(0.3×0.3 mm2)。光源采用Varex G242球管，电压120 kV。光源到探测器的距离1184 mm，光源到旋转中心的距离为750.2 mm，实验装置如图2(a)所示。若无特殊说明，以下实验都采用上述实验条件。实验获取的投影图像均做了暗电流、增益以及坏像素校正。能谱分离是衡量能谱CT能谱成像能力的重要指标之一，定义为两个能谱平均能量的差异，其计算公式为：

(1)

图2(a)实验设置;(b)探测器顶层和底层标定的120 kV能谱

其中，E为能量，S1(E)、S2(E)分别为探测器顶层和底层探测到的能谱。该实验条件下标定的光源等效能谱如图2(b)所示，顶层和底层能谱的平均能量分别为57.9 keV和74.9 keV，两层探测器的能量分离为17 keV。

1.3 空间分辨率和噪声功率谱

通过测量探测器顶层和底层的空间分辨率，噪声功率谱曲线来表征探测器的性能。空间分辨率通常由线对卡测量得到，或者由调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)计算得到，以表征分辨细微结构的能力[16]。使用120 kV、80 mA、5.6 ms 脉宽的X射线束扫描CATPHAN线对模型，对所得的高低能投影数据进行图像重建，比较顶层与底层重建图像观测到的清晰线对数目，依此来衡量探测器的分辨率。考虑到线对数目的限制，我们同样测量了MTF曲线。采用同样实验条件，扫描CATPHAN模型中一条直径为50 μm 的钨丝线，对其投影图像进行断层重建，其CT图像表现为一个边缘扩散的亮点，中心亮度集中，边缘扩散程度反应了系统分辨率的高低。以P(x,y) 表示CT图像的亮度分布，获取点扩散函数PSF, 通过二维傅里叶变换最终得到MTF曲线。

噪声功率谱(Noise-Power Spectrum，NPS)的估计是通过采集100帧空气的二维平面图像进行计算的。选择计算的区域为18×18 cm2，把每个区域分割成半重叠的10×10个感兴趣区域。

1.4 双能透视成像

二维成像应用主要是使用双层探测器实现单次曝光获取高低能投影数据，以生成特定材料的投影，从而表征某些病理或其他信息。在这项工作中，我们采用120 kV、4.5 mA、100 ms的锥形束，扫描了KYOTO拟人胸腔模型，分析了其双能透视成像性能。

基于平板探测器的辐照视野大，图像受到散射射线污染较大，本实验使用CST 2.0软件对高低能投影数据进行散射校正。CST 2.0软件使用一种快速自适应散射核叠加(fASKS)方法[17]来估计散射分布。在众多散射校正方法中， fASKS 方法具有计算效率高、不受额外硬件限制等优点。

双层投影数据在时间和空间上的高度匹配特性，保证了两层数据结合的可行性。特定组织结构的投影可通过顶层和底层的投影数据加权相减得到。高低能投影数据分别表示为pH和pL，特定组织的软组织和骨头的投影表示为ps和pb，为了消除其他组织信息，ps和pb可通过下列公式计算[1]:

(2)

(3)

1.5 双能CT成像

双能CT可以实现定量的物质分解，生成虚拟单能图像。本文使用多能CT模体(GAMMEX，Model 1472)测试该双层平板探测器定量物质分解的能力。多能CT模体是一个直径 20 cm的圆柱体，含有10个直径为 28.5 mm的对比插件，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,连续模式，探测器采集速率为30 fps。每组实验共获取720帧投影，分别采集了锥束与窄束(前准直器之间的宽度为2.1 mm)两组实验数据。

我们认为窄束数据不含散射或者散射影响很小。为了降低散射对图像的影响，我们基于窄束扫描数据进行了定量物质分解。本文使用FDK算法将投影重建为 0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm 各向同性体素尺寸的图像。物质分解在投影域中进行，基材料线积分l1和l2(例如，水和碘)分别由高低能投影pL,pH的多项式函数得到，利用标定的等效能谱生成对应的不同厚度以及不同材料的高低能投影数据，然后进行最小二乘拟合确定多项式函数的系数, 重建l1和l2以获得与基材料对应的图像。

本文最后生成了最佳虚拟单能图像。虚拟单能图像是由物质分解后的特定材料投影加权组合重建而得。选定能量之后，通过该能量下基物质的衰减系数对两个基材料的质量密度进行加权产生，表示为：

μ(E)=(μ/ρ)1(E).ρ1+(μ/ρ)2(E).ρ2

(4)

(μ/ρ)1(E)和(μ/ρ)2(E) 为两种基材料的质量衰减系数，ρ1和ρ2为两种基材料的质量密度。理论上，虚拟单能图像不存在与X射线多能能谱相关的射束硬化伪影。我们生成了40～100 keV的虚拟单能图，对比度噪声比(Contrast-to-Noise Ratio，CNR)最大的一组图像被认为是最佳虚拟单能图像。

2.1 双层平板探测器性能

扫描 CATPHAN 线对模型的实验结果如图3所示，从图中可以看出，顶层探测器的重建图像能够清晰看到最后一组线对，分辨率大于等于 21 lp/cm，底层探测器的重建图像能够看到第17组线对，分辨率为 17 lp/cm。进一步的MTF曲线测量结果表明，MTF 为50 % 时，顶层分辨率约为1.3 lp/mm，底层约为1.2 lp/mm，如图4(a) 所示。底层相对顶层分辨率并没有显著下降，这是因为两层CsI晶体厚度相同，层间无金属滤波片致使X射线没有严重衰减，底层噪声对分辨率的影响不大。归一化的噪声功率谱(NNPS)如图4(b)所示，底层噪声功率约是顶层的4倍。

图3 双层探测器扫描线对实验的结果(a)顶层，可以看到第21个线对；
(b)底层，可以看到第17个线对

图4 探测器顶层和底层(a)MTF曲线分布；
(b)NNPS的分布

2.2 双能透视成像

图5(a)显示了胸腔模型的高低能投影图像以及散射对图像质量的影响。底层投影图像也能看到胸腔轮廓，到达底层的X射线光子数多，底层光子利用率较高。散射校正之前的图像无论是低能区还是高能区都存在严重的散射伪影。经过散射校正之后，高低能投影图像的对比度都得到很大的改善。图5(b)显示的是高低能投影加权运算得到的特定材料投影图。第一行图像显示没有散射校正的分离骨头和软组织的图像，分离图像效果欠佳，第二行是散射校正后的图像,可较好的实现骨头和软组织的有效分离。

图5(a)散射对二维胸腔模型成像的影响。第一行是没有经过散射校正的来自探测器顶层和底层的投影图，第二行是经过散射校正的结果；
(b)骨头和软组织特定材料的投影，第一行没有经过散射校正，第二行经过散射校正。

图6(a)散射对三维重建图像的影响。第一行是来自锥束扫描重建的低能和高能图像，第二行是来自窄束扫描重建低能和高能图像；
(b)第一行为以水/碘为基材料的定量物质分解图，第二行左图为CNR随能量变化的分布，右图为最佳虚拟单能图。

2.3 双能CT成像

图6(a)第一行和第二行分别显示了锥束和窄束情况下扫描多能模体重建得到的低能和高能图像，从图中可以看出锥束条件下重建的图像伪影严重，图像质量较差，影响物质结构判断。窄束扫描条件下，重建的图像质量显著提高，底层数据也能重建出较为清晰的图像。图 6(b)第一行显示的是以水/碘为基材料对窄束扫描实验在投影域进行定量物质分解的结果，对15 mg/mL、10 mg/mL、5 mg/mL和2 mg/mL 插件碘的估计密度分别为(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，与真值相比平均误差小于10%。理论上，虚拟单能图像是基材料图像的线性加权组合，在整个能量范围内都不会有硬化伪影，但在实际应用中，由于系统和残余散射产生的材料分解误差，很难实现完美的虚拟单能图像。本实验生成了40～100 keV 虚拟单能图像，CNR随能量分布如图6(b)第二行左图所示，在 66 keV 时CNR最大,即为最佳虚拟单能，右图为最佳虚拟单能重建图像。

本文完成了基于一款新型双层平板探测器的X射线及CT成像性能的初步分析与评估。120 kV光源条件下双层能谱分离为17 keV,两层之间晶体等厚度以及无层间金属滤波片使得底层的分辨率相对顶层并没有显著降低。二维成像中，散射校正后的高低能数据经过加权运算，可较好地实现骨头和软组织的有效分离。窄束条件下的三维断层成像基材料分解平均误差在 10% 以内。以上实验结果表明，层间无金属滤波片、等晶体厚度的双层设计有望实现高质量双能能谱成像。

CT双能成像应用中物体边缘的物质分解有较大误差，这可能是双层探测器前后堆叠，高低能探测器几何位置仍然有微小几何差异造成的。后续可做一些更精确地插值处理来改善它。散射伪影对二维和三维成像图像质量影响较大，在正常锥束CT扫描成像时，需要做进一步地深入研究。