本發(fā)明主要涉及半導(dǎo)體光電探測及X射線能譜解析領(lǐng)域。主要是針對醫(yī)用能譜CT(Computed Tomography，電子計算機斷層掃描)成像，提出了一種軟X射線能譜解析計算的方法。具體講,涉及面向醫(yī)用CT的重構(gòu)解析X射線能譜的方法。

背景技術(shù)：

能譜CT能夠利用多種不同能量的X射線光子衰減信息進行成像，理論上可以確定被掃描物質(zhì)的原子序數(shù)，進行更加精確的物質(zhì)分離和鑒定，彌補了傳統(tǒng)CT單純依賴平均CT值差異成像的不足。利用能譜CT成像的關(guān)鍵是提升探測器對X射線能譜分段探測能力，提高能譜解析計算的精度。本發(fā)明所提到的能譜解析主要指的是通過計算、推導(dǎo)的方式獲得透過人體后不同能量X射線對應(yīng)的光強信息(光子數(shù))。雙能CT通常是將高、低兩個能量段的X射線通過閃爍體轉(zhuǎn)化為可見光進行探測，并通過輸出光電流脈沖的幅度解析得到原能譜。此種方法只能完成兩個能量段X射線的探測，且由于高低能射線之間存在較明顯的能量混淆而限制了雙能CT的臨床應(yīng)用。利用單光子計數(shù)探測器的能譜CT主要通過設(shè)定能量選通閾值去選擇性地記錄不同能量X射線光電流脈沖，從而解析得到多個能量段內(nèi)的X射線光子分布。利用單光子計數(shù)探測器理論上能夠解析得到每個入射光子的能量信息，但其解析精度對射線源劑量及專用集成電路性能要求都比較高，且受電荷堆疊、重復(fù)計數(shù)等帶來的誤差影響較嚴重，目前最大光子計數(shù)率達到10⁸光子/mm²/s，仍然無法滿足實際臨床的需求。因此，面向能譜CT成像領(lǐng)域，研究并提出一種高精度X射線能譜分段解析計算的方法，就是本發(fā)明所關(guān)注的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

現(xiàn)有的能譜解析計算方法主要是通過光電流脈沖的幅值確定X射線光強(光子數(shù))信息，解析結(jié)果受射束硬化或電荷堆疊等影響嚴重。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種高精度的重構(gòu)求解X射線能譜的方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，面向醫(yī)用CT的重構(gòu)解析X射線能譜的方法，利用不同厚度的半導(dǎo)體內(nèi)的光生電荷總數(shù)遞推得到入射光子數(shù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)方案調(diào)整能譜分段區(qū)間及半導(dǎo)體分段區(qū)間來重構(gòu)方程組，進而解析獲得多個連續(xù)的不同能量段的X射線透過人體后衰減信息。

具體步驟是：

Step1：確定X射線能譜分段數(shù)及相應(yīng)區(qū)間：假設(shè)待解析的醫(yī)用X射線能量范圍為(0-E)Kev，將能譜劃分為n個待解析的能量段，進而求解每個能量段范圍內(nèi)X射線的平均光強信息；

Step2：確定半導(dǎo)體襯底分段區(qū)間：根據(jù)待解析的n個X射線能量段在半導(dǎo)體內(nèi)的平均衰減情況分別確定相應(yīng)的n處半導(dǎo)體分段位置。將選取每個能量段內(nèi)最大能量的X射線光子被完全吸收的位置作為分界點，假設(shè)一整塊半導(dǎo)體襯底的厚度為S_n，并有(0-S₁),(S₁-S₂),(S₂-S₃),…(S_n-1-S_n)分別表示各個分段區(qū)間，S₁，S₂，S₃，…S_n-1，S_n分別對應(yīng)著能量為E₁，E₂，E₃，…E_n-1，E的光子被完全吸收的位置；

Step3：確定半導(dǎo)體各分段區(qū)間內(nèi)光生電荷總數(shù)：以S₁，S₂，S₃，…S_n-1，S_n作為邊界，分別將(0-S₁),(S₁-S₂),(S₂-S₃),…(S_n-1-S_n)各個半導(dǎo)體區(qū)間內(nèi)的光生電荷組合累加，得到各段范圍內(nèi)光生電荷總數(shù)，分別記為Q₁，Q₂，Q₃，…Q_n-1，Q_n；

Step4：標定方程組系數(shù)矩陣k_ij及誤差因子d_j(i,j<＝n)，建立k_ij、d_j與半導(dǎo)體位置和厚度相關(guān)的詳細查找表：與Step2中劃分的不同厚度的半導(dǎo)體區(qū)間相對應(yīng)，k_ij表示在各個半導(dǎo)體區(qū)間內(nèi)，不同能量段的X射線平均光子數(shù)與產(chǎn)生的電子數(shù)之間的線性比例系數(shù)；d_j表示在相應(yīng)厚度半導(dǎo)體內(nèi)，由于暗電流、射束硬化等帶來的誤差影響；

Step5：聯(lián)立方程組，解析分段能譜。利用各個不同厚度的半導(dǎo)體內(nèi)光生電荷總數(shù)及kij、dj的查找表，解析對應(yīng)的分段能譜的方程式如(1)所示，其中I₁，I₂，I₃，…I_n-1，I_n分別代表待解析的各個能量區(qū)間內(nèi)的平均光強即光子數(shù)：

通過求解上述方程，得到不同能量區(qū)間內(nèi)的平均光強I₁，I₂，I₃，…I_n-1，I_n后，一次完整的分段能譜解析計算過程結(jié)束；

Step6：通過調(diào)整半導(dǎo)體分段區(qū)間實現(xiàn)能譜重構(gòu)解析，具體重構(gòu)計算方法如下：

Step6.1：保持能譜分段區(qū)間不變，按預(yù)設(shè)方案調(diào)整半導(dǎo)體分段的邊界位置，m種半導(dǎo)體襯底分段方案指的是：半導(dǎo)體分段邊界S₁，S₂，S₃…Sn_-1分別在(S₁¹-S₁^m),(S₂¹-S₂^m),(S₃¹-S₃^m)…(Sn_-1¹-Sn_-1^m)的范圍內(nèi)調(diào)整m次；

Step6.2：每整體調(diào)整一次S₁，S₂，S₃…Sn_-1的位置，將重新跳回到Step2，重新確定半導(dǎo)體襯底分段區(qū)間，完成一次完整的能譜解析過程；

Step6.3：判斷是否重構(gòu)計算m次，當所有的m種半導(dǎo)體分段方案都被實施后，得到保持能譜分段區(qū)間不變的情況下的m組能譜求解結(jié)果，完成第一階段的能譜重構(gòu)解析過程，否則將繼續(xù)循環(huán)；

Step7：通過調(diào)整能譜分段區(qū)間實現(xiàn)能譜重構(gòu)解析，具體重構(gòu)計算方法如下：

Step7.1：調(diào)整能譜分段的邊界位置。如圖5所示，p種能譜分段方案指的是：能譜的分段邊界E₁，E₂，E₃…En_-1可以分別在(E₁¹-E₁^p),(E₂¹-E₂^p),(E₃¹-E₃^p)…(En_-1¹-En_-1^p)的范圍內(nèi)調(diào)整p次；

Step7.2：每整體調(diào)整一次E₁，E₂，E₃…En_-1的位置，將重新跳回到Step1，重新確定X射線能譜分段數(shù)及相應(yīng)區(qū)間，循環(huán)完成m次能譜解析的過程；

Step7.3：判斷對能譜的動態(tài)分段是否實施了p次。當所有的p種能譜分段方案都被實施后，得到改變能譜分段區(qū)間的情況下的m*p組能譜求解結(jié)果，完成全部的能譜重構(gòu)解析過程，否則將繼續(xù)循環(huán)。

通過在軟件仿真中分別改變各能量段的入射光強，測定相應(yīng)區(qū)間的半導(dǎo)體內(nèi)光電響應(yīng)的方法來標定k_ij和d_j，記錄標定結(jié)果，建立k_ij、d_j與半導(dǎo)體位置和厚度相關(guān)的詳細查找表。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

利用本發(fā)明所提出的重構(gòu)求解X射線能譜的方法，通過不同厚度半導(dǎo)體內(nèi)光生電荷的總數(shù)，可以同時解析得到多個能量段的X射線的衰減信息，并且可以通過數(shù)據(jù)的重構(gòu)不斷地調(diào)整優(yōu)化能譜解析的精度，有效地解決了現(xiàn)有的醫(yī)用能譜CT解析方法存在的能量分辨率不足的問題。

附圖說明：

圖1能譜解析方法流程示意圖。

圖2 X射線能譜分段示意圖。

圖3半導(dǎo)體分段示意圖。

圖4調(diào)整半導(dǎo)體分段位置示意圖。

圖5調(diào)整能譜分段位置示意圖。

圖6 X射線能譜分段示例圖。

圖7 X射線在Si半導(dǎo)體內(nèi)的吸收曲線及半導(dǎo)體分段示例圖。

具體實施方式

本發(fā)明所提出的能譜解析計算方法理論基礎(chǔ)是：不同能量的X射線在半導(dǎo)體材料中遵循不同的指數(shù)型吸收規(guī)律；對于同一能量的X射線，光子數(shù)越多(光強越大)，則在固定厚度的半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的光生電荷也就越多；并且不同能量的X射線產(chǎn)生的光子數(shù)是可以相互疊加的。因此，利用不同厚度的半導(dǎo)體內(nèi)的光生電荷總數(shù)即可遞推得到入射光子數(shù)，進而解析獲得多個連續(xù)的不同能量段的X射線透過人體后衰減信息。本發(fā)明還可以根據(jù)預(yù)設(shè)方案調(diào)整能譜分段區(qū)間及半導(dǎo)體分段區(qū)間來重構(gòu)方程組，提升能譜解析計算的精度。

本發(fā)明所提出的醫(yī)用X射線能譜重構(gòu)解析計算的方法流程如圖1所示，具體實施步驟如下：

Step1：確定X射線能譜分段數(shù)及相應(yīng)區(qū)間。假設(shè)待解析的醫(yī)用X射線能量范圍為(0-E)Kev，可將能譜劃分為n個待解析的能量段，進而求解每個能量段范圍內(nèi)X射線的平均光強信息。如圖2所示，(0-E₁),(E₁-E₂),(E₂-E₃),…(E_n-1-E)等分別代表擬劃分的能量區(qū)間。n值及每個能量段的區(qū)間位置由射線源發(fā)射光子的泊松分布情況及實際被探測物體對X射線的吸收特性決定。

Step2：確定半導(dǎo)體襯底分段區(qū)間。根據(jù)待解析的n個X射線能量段在半導(dǎo)體內(nèi)的平均衰減情況分別確定相應(yīng)的n處半導(dǎo)體分段位置。為了最大程度的避免不同能量段X射線的相互交疊，保證解析方程組系數(shù)矩陣為嚴格的上三角矩陣，將選取每個能量段內(nèi)最大能量的X射線光子被完全吸收的位置作為分界點。如圖3所示，假設(shè)一整塊半導(dǎo)體襯底的厚度為S_n，并有(0-S₁),(S₁-S₂),(S₂-S₃),…(S_n-1-S_n)分別表示各個分段區(qū)間，S₁，S₂，S₃，…S_n-1，S_n等分別對應(yīng)著能量為E₁，E₂，E₃，…E_n-1，E的光子被完全吸收的位置。

Step3：確定半導(dǎo)體各分段區(qū)間內(nèi)光生電荷總數(shù)。如圖3所示，以S₁，S₂，S₃，…S_n-1，S_n作為邊界，分別將(0-S₁),(S₁-S₂),(S₂-S₃),…(S_n-1-S_n)各個半導(dǎo)體區(qū)間內(nèi)的光生電荷組合累加，得到各段范圍內(nèi)光生電荷總數(shù)，分別記為Q₁，Q₂，Q₃，…Q_n-1，Q_n。

Step4：標定方程組系數(shù)矩陣k_ij及誤差因子d_j(i,j<＝n)，建立k_ij、d_j與半導(dǎo)體位置和厚度相關(guān)的詳細查找表。與Step2中劃分的不同厚度的半導(dǎo)體區(qū)間相對應(yīng)，k_ij表示在各個半導(dǎo)體區(qū)間內(nèi)，不同能量段的X射線平均光子數(shù)與產(chǎn)生的電子數(shù)之間的線性比例系數(shù)；d_j表示在相應(yīng)厚度半導(dǎo)體內(nèi)，由于暗電流、射束硬化等帶來的誤差影響?？赏ㄟ^在軟件仿真中分別改變各能量段的入射光強，測定相應(yīng)區(qū)間的半導(dǎo)體內(nèi)光電響應(yīng)的方法來標定k_ij和d_j，但不僅局限于此種標定方法。記錄標定結(jié)果，建立k_ij、d_j與半導(dǎo)體位置和厚度相關(guān)的詳細查找表。

Step5：聯(lián)立方程組，解析分段能譜。利用各個不同厚度的半導(dǎo)體內(nèi)光生電荷總數(shù)及kij、dj的查找表，解析對應(yīng)的分段能譜的方程式如(1)所示，其中I₁，I₂，I₃，…I_n-1，I_n分別代表待解析的各個能量區(qū)間內(nèi)的平均光強(光子數(shù))。

通過求解上述方程，得到不同能量區(qū)間內(nèi)的平均光強I₁，I₂，I₃，…I_n-1，I_n后，一次完整的分段能譜解析計算過程結(jié)束。接下來是重構(gòu)求解分段能譜的過程，主要是通過調(diào)整半導(dǎo)體分段區(qū)間和能譜分段區(qū)間兩種方式實現(xiàn)，目的是提高解析計算的精度。

Step6：通過調(diào)整半導(dǎo)體分段區(qū)間實現(xiàn)能譜重構(gòu)解析。為了保證最優(yōu)的成像效果，降低由于射束硬化及部分光子吸收的隨機性帶來的誤差影響，本發(fā)明針對每一種能譜分段的情況，事先提供了m種可重構(gòu)的半導(dǎo)體襯底分段方案。具體重構(gòu)計算方法如下：

Step6.1：保持能譜分段區(qū)間不變，按預(yù)設(shè)方案調(diào)整半導(dǎo)體分段的邊界位置。如圖4所示，m種半導(dǎo)體襯底分段方案指的是：半導(dǎo)體分段邊界S₁，S₂，S₃…Sn_-1可以分別在(S₁¹-S₁^m),(S₂¹-S₂^m),(S₃¹-S₃^m)…(Sn_-1¹-Sn_-1^m)的范圍內(nèi)調(diào)整m次。

Step6.2：每整體調(diào)整一次S₁，S₂，S₃…Sn_-1的位置，將重新跳回到Step2，完成一次完整的能譜解析過程。

Step6.3：判斷是否重構(gòu)計算m次。當所有的m種半導(dǎo)體分段方案都被實施后，得到保持能譜分段區(qū)間不變的情況下的m組能譜求解結(jié)果，完成第一階段的能譜重構(gòu)解析過程，否則將繼續(xù)循環(huán)。

Step7：通過調(diào)整能譜分段區(qū)間實現(xiàn)能譜重構(gòu)解析。調(diào)整能譜分段區(qū)間的主要目的是減小在Step1中由于能譜分段位置選取不準確而對圖像重建造成的誤差影響。本發(fā)明事先提供了p種可重構(gòu)的能譜分段方案。具體重構(gòu)計算方法如下：

Step7.1：調(diào)整能譜分段的邊界位置。如圖5所示，p種能譜分段方案指的是：能譜的分段邊界E₁，E₂，E₃…En_-1可以分別在(E₁¹-E₁^p),(E₂¹-E₂^p),(E₃¹-E₃^p)…(En_-1¹-En_-1^p)的范圍內(nèi)調(diào)整p次。

Step7.2：每整體調(diào)整一次E₁，E₂，E₃…En_-1的位置，將重新跳回到Step1，循環(huán)完成m次能譜解析的過程。

Step7.3：判斷對能譜的動態(tài)分段是否實施了p次。當所有的p種能譜分段方案都被實施后，得到改變能譜分段區(qū)間的情況下的m*p組能譜求解結(jié)果，完成全部的能譜重構(gòu)解析過程，否則將繼續(xù)循環(huán)。

通過以上七個步驟，便可以通過數(shù)據(jù)重構(gòu)高效地解析出m*p組X射線分段能譜信息，為能譜CT提供更多的圖像重建參數(shù)，提升成像精度。

本發(fā)明所提出的重構(gòu)解析X射線能譜的方法，利用不同厚度半導(dǎo)體內(nèi)的光生電荷總數(shù)遞推得到入射光強，理論上可求解醫(yī)用軟X射線(0-120Kev)的全能譜信息。下面通過實例進一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實例范圍之中。

假設(shè)探測器以Si(硅)為襯底材料(也可采用碲化鎘、碲鋅鎘等其他半導(dǎo)體材料)；假設(shè)射線源發(fā)射的光子能量范圍為(0-40Kev)，射線能譜如圖6所示?？砂汛馕龅纳渚€能譜劃分為三段求解(n＝3)，分別為(0-20Kev)，(20-30Kev)，(30-40Kev)。

根據(jù)不同能量的X射線在Si半導(dǎo)體內(nèi)的指數(shù)型吸收規(guī)律，能量為20Kev、30Kev、40Kev的光子將分別在厚度為0.5cm、1.5cm和3cm的Si半導(dǎo)體內(nèi)被完全吸收。如圖7所示，對應(yīng)的半導(dǎo)體最佳分段區(qū)間分別為A(0-0.5cm)、B(0.5-1.5cm)、C(1.5-3.0cm)，最后分別將A、B、C三段內(nèi)的光生電荷累加得到Q1，Q2，Q3。

在軟件仿真中，分別改變?nèi)齻€能量段的入射光強，測定相應(yīng)區(qū)間的半導(dǎo)體內(nèi)光電響應(yīng)的方法標定了k_ij和d_j，記錄標定結(jié)果，建立的k_ij、d_j與半導(dǎo)體位置和厚度相關(guān)的簡單查找表如表1所示。

表1

建立并求解方程，如式(2)所示，得到各段能量區(qū)間內(nèi)的平均光強。

接下來是通過調(diào)整半導(dǎo)體分段位置重構(gòu)解析方程。假設(shè)事先提供了2種半導(dǎo)體襯底分段方案(m＝2)，如圖7所示，保持能譜分段區(qū)間不變，將半導(dǎo)體分段邊界由0.5和1.5分別調(diào)整為0.65和1.7，繼續(xù)跳回Step2,再重構(gòu)解析一次方程。

最后通過調(diào)整能譜分段位置重構(gòu)解析方程。假設(shè)事先提供了2種能譜分段方案(p＝2)，如圖6所示，將把能譜分段邊界由20Kvp和30Kvp分別調(diào)整為22Kvp和31Kvp，得到的分段能譜為：(0-22Kev)，(22-31Kev)，(31-40Kev)。對應(yīng)的兩種半導(dǎo)體分段方案分別為(0-0.8cm)，(0.8-1.75cm),(1.75-3.0)或(0-0.85cm)，(0.85-1.80cm),(1.80-3.0cm)。針對每一種能譜分段方案，都將從Step1開始順序執(zhí)行一遍，當所有的2*2種方案都被實施后，完成重構(gòu)求解分段能譜的過程，最終得到2*2組能譜解析結(jié)果，可用于圖像重建。