多能谱x射线成像技术及其在ct中的应用

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1、2011年3月（141-150）CTTheoryandApplicationsMar.,2011郝佳,张丽,陈志强,等.多能谱X射线成像技术及其在CT中的应用[J].CT理论与应用研究,2011,20(1):141-150.HaoJ,ZhangL*,ChenZQ,etal.Multi-energyX-rayImagingTechniqueandItsApplicationinComputedTomography[J].CTTheoryandApplications,2011,20(1):141-150.多能谱X射线

2、成像技术及其在CT中的应用郝佳a,b，张丽a,b，陈志强a,b，邢宇翔a,b，康克军a,b（清华大学a.工程物理系；b.粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，北京，100084）摘要：随着探测器技术的不断发展，具有能谱分辨能力的光子计数探测器成为人们研究的焦点，并在X射线成像领域开始得到应用。使用该种探测器，可以将具有较宽能谱分布的X射线分为不同的能区分别进行计数，获得详细的能谱信息及不同能量射线的衰减信息，由此引出了“多能谱成像”的概念。本文介绍了近些年来光子计数探测器技术的发展及其在X射线成像中的应用，同时分析了

3、多能谱技术应用于CT成像所带来的一些优势，如降低辐射剂量、提高信噪比、提高物质识别精度、提高造影剂成像效果等。目前，许多研究机构都致力于研究更快速的电子学设备，以适应高计数率下快速成像的需求，随着多能谱成像技术研究的不断深入，必将为X射线成像及CT领域带来许多新的变革。关键词：光子计数探测器；X射线成像；计算机断层扫描；多能谱技术文章编号：1004-4140（2011）01-0141-10中图分类号：TP391文献标识码：AX射线自1895年被伦琴发现以来，已经成为医疗诊断、放射治疗、工业检测等领域的重要手段。计算

4、机断层成像技术（ComputedTomography，CT）诞生于19世纪70年代，实现了三维成像并消除了物体重叠对检测带来的影响，在医学成像、工业及安全检查等领域发挥了重要作用。随着X光机、探测器等技术的不断发展和进步，以及扫描方式、重建算法的改进，CT成像的图像质量和精度不断提高，扫描和重建时间大幅度缩短。1976年，Alvarez[1]提出了双能CT（Dual-energyCT）的概念，利用两种不同能量的X射线对物体进行CT扫描并使用双能重建算法，可以准确地获得被扫描物体的等效原子序数和电子密度的分布，从而将

5、能谱的信息引入到CT成像中。双能CT较传统单能CT提供了更好的物质识别能力，尤其是在爆炸物、毒品等危险物品的检测中被广泛地应用，发挥了不可取代的作用[2]。光子计数（photoncounting）的概念从80年代提出以来，在弱光和微光的探测领域发挥了重要作用[3]。近些年，随着光子计数X射线探测器（PhotonCountingX-rayDetector，PCXD）技术飞速发展，尤其是与之相应的高速处理电子学设备和专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuits，ASIC）的进

6、步，使得探测短时间大计数成为可能，并为其应用于X射线成像打下了基础[4]。由于光子计数探测器具有能谱分辨能力，可以将具有较宽能谱的X射线分能区进行计数，从而实现了“多能谱”成像。它相当于将能谱信息引入到传统的X射线成像中，因此也被称为“X射线颜色成像”（X-raycolorimaging），该技收稿日期：2010-10-12。142CT理论与应用研究20卷术被认为是未来X射线成像发展的趋势。2008年北美放射学年会（RadiologicalSocietyofNorthAmerica，RSNA）年会上，光子计数多能谱

7、成像技术的应用作为一个热点专题进行了深入的讨论，同时一系列的新产品和新技术也得到了展示，GE公司展示了其利用光子计数探测器的多能谱CT成像系统所得到的图像。Philip公司也在加紧多能谱CT的研究和实验工作，并推出了用于小动物成像的样机。由此可见，该领域的研究已经变得十分活跃。1双能成像技术介绍使用两种不同能量的X射线对物体同时进行扫描，可以得到物体在不同能量射线响应下的图像。根据X射线与物质的相互作用规律，射线与物质相互作用后的衰减与物质的原子序数Z和射线能量E均有关系，因此，根据这些关系进行求解，可以确定被扫描

8、物质的原子序数（在实际使用中，混合物等可以按照不同成分比例计算出等效原子序数），从而进行物质识别或者鉴定，这就是双能X射线成像的基本原理。双能成像分为透视成像和CT成像两种，透视成像的关键在于消除物体厚度的影响，利用不同能量X射线的衰减关系求解出原子序数Z。国内对于双能透视成像进行了一系列的研究，许多研究小组提出了材料识别的解决方案。最常用的方法是利用高低能