CT能量成像基本原理(二)

文摘   2024-08-04 23:20   北京  

引言

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如前所述,详见《CT能量成像基本原理(一)》,我们知道CT是通过测量X线在物体中的吸收来进行成像的,而这种吸收是通过光电效应和康普顿散射两种物理过程来完成的。

因此,物理上任何物体对X光子的质量吸收函数[μ(E)]可以用以下的公式表达:

μ(Е)=afpe(E)+bfc(E)   (公式1)

其中,fpe(E) 和fc(E)分别为质量吸收函数中光电效应和康普顿散射的贡献;a和b为常量。

首先,由于光电效应和康普顿散射随X线能量变化,物质的吸收随X线能量变化而变化,而且不同的物质,这种随能量变化的程度是不一样的。低原子质量的物质,比如软组织和血液,随能量变化的程度不大;相反高原子质量的物质,比如骨骼和碘对比剂,随能量变化的程度就会比较强烈。

其次,任何物质都有对应的特征吸收曲线,而且这种吸收曲线能够用两个能量点来完整表达。所以当对同一物体用两种不同能量的X线进行成像的话,就有可能确定一个吸收曲线,从而找出和这个吸收曲线对应的物质。物理实验表明任何一个物质对X线的吸收都可以由任何另外两个物质的吸收来表达,从(公式1)能够发现,任何两个物质的质量吸收函数,可以把它们表达如下:

μ1(Е)=a1fpe(E)+b1fc(E)  (公式2)

μ2(Е)=a2fpe(E)+b2fc(E)  (公式3)

在这两个公式中a1、b1a2b2分别为同物质1和2有关的常量。从(公式2)、(公式3)便可得出如下简单的数学转换:

c1μ1(Е)+c2μ2(Е)
=c1a1fpe(E)+c1b1fc(E)+c2a2fpe(E)+c2b2fc(E)
=(c1a1+c2a2)fpe(E)+(c1b1+c2b2)fc(E)    (公式4)

如果使(c1a1+c2a2)=a和(c1b1+c2b2)=b,那就能使(公式1)和(公式4)等同起来,即得出以下的公式:

μ(Е)=c1μ1(Е)+c2μ2(Е)  (公式5)

其中,μ1(Е)μ2(Е)分别是两个物质的质量吸收函数,c1c2是使这个公式成立的常数,与X线的能量无关。也就是说,任何一个物质的质量吸收函数可以用任何两个物质的质量吸收函数来表达。如果把这种表达和常规的CT的表达方法一致起来,便能够得到以下的结论:

CT(x,y,z,E)=Dwater(x,y,zwater(E)+Diodine(x,y,z)μiodine(E)  (公式6)

其中μwater(E)μiodine(E)分别为水和碘的吸收系数,这个表达式中把水和碘选择为基物质对,DwaterDiodine则分别为所需要的水和碘的密度,以实现物理上所测得的吸收,这两个密度值和X线的能量无关,即CT(x,y,z,E)之所以用水和碘作为基物质对是因为水和碘在医学成像中比较接近常见的软组织和碘对比剂,这样会有助于分析和理解。当然也可以选择任何物质对作为基物质对。

(公式6)表明在能谱成像中,把求解CT值的工作转化为首先求解基物质对的密度值的工作。要想求解密度值需要有对应于密度值的完整的投影数据,具体来说,两组不同能量的吸收投影数据如果具有空间和时间上很好的一致性,能够在数据空间进行吸收投影数据到物质密度投影数据的转换。若以水和碘作为基物质对的话,就能获得对应于水和碘密度的两组物质密度投影数据。

其中,Plow(i)Phigh(i)是满足同时同向要求的两组吸收投影数据,而通过转化获得的P1(i)P2(i)则是水和碘的物质密度投影数据。公式中的非线性项反映了由于射线硬化等产生的非线性物理过程。

通过使用P1(i)P2(i)这两组数据进行重建,就能求解出用来表达未知物吸收的基物质对(水和碘)的密度在空间的分布Dwater(x,y,z)Diodine(x,y,z)。在这里必须指出,通常情况下密度值Dwater(x,y,z)Diodine(x,y,z)并不代表确定物质的真实物理组成,而是通过这两种基物质的组合来产生相同的衰减效应。这是对所需检查物质成分的一种相对的表达,它更多的是用来分离不同的物质,而不是确定某种物质。但是在某些特定的情况下它也能用来表达某种物质的真实含量,比如增强扫描中血管中碘的含量。

能量CT成像的实现需要有采集、能量解析及后处理3个部分组成的影像链。常用的X射线能量解析方式有2种,即投影数据域解析和图像域解析。研究表明投影数据域解析计算更准确并利于去除伪影,尤其是数据在时间和空间上完全匹配时。目前临床使用的能量CT成像方式中,单源瞬时管电压切换双能量CT和双层探测器光谱CT是基于原始数据域的能量解析,而双源双能量CT是图像域解析,并且双层探测器光谱CT可以真正实现“同时、同源、同向”的三同能量成像,使数据在时间和空间上完全匹配
双层探测器光谱CT的基本结构和普通CT相似,但有上、下两层空间上对等的探测器。上层采用了稀有金属钇(Ytrrium)为基质的闪烁晶体,下层采用了稀土陶瓷探测器。上层只吸收低能光子,并允许高能光子穿过,低能光子从侧置的数据通道传出;下层吸收高能光子,同样从侧置通道传出,以避免上下层串扰。


参考文献:

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