引用本文
何鹏, 吴晓川, 安康, 邓刚, 王星, 周仲兴, 魏彪, 冯鹏. 基于X射线光子计数探测技术的材料K-edge特性识别实验研究. 光谱学与光谱分析, 2018,38(12): 3929-3933
HE Peng, WU Xiao-chuan, AN Kang, DENG Gang, WANG Xing, ZHOU Zhong-xing, WEI Biao, FENG Peng. Experimental Study of Material K-Edge Characteristics Identification Based on X-ray Photon-Counting Detection Technique. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(12): 3929-3933.  
Doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3929-05
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基于X射线光子计数探测技术的材料K-edge特性识别实验研究
何鹏1,2, 吴晓川1, 安康2, 邓刚3, 王星3, 周仲兴4, 魏彪1,2, 冯鹏1,2,*
1. 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2. 重庆大学工业CT无损检测教育部工程研究中心, 重庆 400044
3. 重庆大学生物流变科学与技术教育部重点实验室, 重庆 400044
4. 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
*通讯联系人 e-mail: coe-fp@cqu.edu.cn

作者简介: 何 鹏, 1984年生, 重庆大学光电工程学院副教授 e-mail: penghe@cqu.edu.cn

收稿日期: 2017-12-07 接受日期: 2018-04-12
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC0104609), 国家自然科学基金项目(61401049), 重庆市重点研发计划项目(cstc2015zdcy-ztzxX0002), 重庆市自然科学基金项目(cstc2016jcyjA0473)和光电技术及系统教育部重点实验室(重庆大学)访问学者基金项目资助
摘要

X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心, 其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子, 有助于分析不同材质的物理特性。 利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统, 开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。 通过设置探测器的不同能量阈值, 在不同能量范围获取金属材料投影图像, 利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性, 以识别金属材料K-edge特性。 最终实验结果表明, 基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统, 能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。 通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系, 对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。

关键词: 光子计数探测器; 多能谱CT; K-edge特性; 能量阈值; 投影图像
中图分类号:O434.1 文献标识码:A
Experimental Study of Material K-Edge Characteristics Identification Based on X-ray Photon-Counting Detection Technique
HE Peng1,2, WU Xiao-chuan1, AN Kang2, DENG Gang3, WANG Xing3, ZHOU Zhong-xing4, WEI Biao1,2, FENG Peng1,2,*
1. The Key Lab of Optoelectronic Technology and Systems of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, China
2. ICT-NOT Engineering Research Center of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, China3. The Key Laboratory of Rheological Science and Technology of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, China
4. School of Precision Instruments and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract

X-ray photon-counting detector is the core of the spectral CT imaging technique, and it could choose to record different energy X-ray photons by detector energy threshold, which is helpful to analyze the physical properties of different materials. In this paper, we used a spectral CT system based on photon-counting detector to study the K-edge characteristics of high purity metallic materials. By setting different energy thresholds for the detector, we could obtain the projection images of the metallic materials in different energy ranges. The attenuation characteristics of different energy X-ray could be analyzed by the gray information of projection images to identify the K-edge characteristics of metallic materials. The final experimental results demonstrated that the X-ray spectral CT system based on photon-counting detector can recognize the K-edge characteristics of metallic materials interacting with specific energy X-ray photons. The energy threshold for photon-counting detector can be calibrated by calculating the linear correspondence between K-edge peak energy threshold and K-edge theoretical energy value.

Key words: Photon-counting detector; Spectral CT; K-edge characteristics; Energy threshold; Projection image
引 言

K-edge称为K边, 其物理意义是高原子序数物质原子内部K层自由电子, 易与特定能量下X射线光子发生光电吸收作用, 导致对该能量的X射线光子吸收特别大。 而K-edge特性表现为X射线与物质发生相互作用时, 其衰减系数随着能量的增加而逐渐减小, 但在特定能量下X射线衰减系数会陡然增加[1]。 不同材料其原子结构不同, 相应的K-edge特性表现也不同。 因此, 利用X射线能谱信息可以分析材料K-edge特性, 有助于判别被检物体的物理性质[2, 3]。

常规X-CT(X-ray computed tomography)系统[4, 5], 其探测器采用的是X射线能量积分探测方式, 反映的是X射线平均衰减特性, 很难识别材料K-edge特性。 双能CT系统[6, 7], 其探测器依然采用能量积分探测方式, 无法区分不同能量的X射线光子, 所提供的X射线能谱信息十分有限。 基于同步辐射源的CT系统[8, 9], 可以提升CT系统的X射线能量分辨率, 能够识别材料K-edge特性。 但由于同步辐射源装置庞大、 造价昂贵、 技术复杂, 限制了其在实际工程中的应用。 近年来, 基于光子计数探测器的X射线多能谱CT系统, 能够分辨普通X射线源产生的多色X射线能谱, 细分并记录不同能量的X射线光子, 可以识别材料K-edge特性以及提高材质的识别精度[10, 11, 12]。

由此, 本文以基于光子计数探测器的多能谱CT成像系统为实验研究平台, 研究了不同能量X射线对一些金属材料的衰减特性, 识别在特定能量下X射线衰减系数发生跳变所表现的K-edge特性。 最后, 依据识别的金属材料K-edge特性, 确定K-edge特征峰值所对应能量阈值与材料真实K-edge所对应的能量值之间的线性对应关系, 完成对光子计数探测器的能量阈值校准。

1 实验部分
1.1 K-edge特性识别装置

常规X-CT采用能量积分探测方式, 获取不同能量X射线的平均衰减特性, 无法识别材料K-edge特性。 X射线多能谱CT采用光子计数探测器, 能够分辨不同能量的X射线衰减特性, 这为识别材料K-edge特性提供一种新思路。 由此, 本文采用自主搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT成像系统(如图1所示), 开展金属材料K-edge特性识别实验研究。 该系统射线源采用透射式微焦点X光源, 具有纳焦点、 微焦点和高功率三种运行模式, 电压20~225 kVp可调, 电流0.05~1.0 mA可调。 系统探测器采用瑞典XCounter公司生产的新型CdTe-CMOS光子计数探测器, 其有效探测面为2 048× 64像素, 像素尺寸为100 μ m, 最高帧率为1 000 fps, X射线能量探测范围为15~250 keV。 该探测系统具有单阈值和双阈值两种工作模式, 一次曝光最多可采集两个能量段的X射线光子。 每个阈值选择性记录特定能量范围的X射线光子脉冲, 从而达到识别特定能量范围X射线光子的目的。 因此, 为开展材料K-edge特性识别的研究, 可设置不同的探测器能量阈值获取多个X射线能谱信息。

图1 基于X射线光子计数探测器的多能谱CT成像系统Fig.1 The spectral CT imaging system based on X-ray photon-counting detector

1.2 X射线多能谱探测原理

对于多色(多能量)X射线源, 常规X-CT采用积分测量方式, 探测X射线强度I0可以表示为

I0=∫ESECS0(E)dE(1)

其中, S0(E)为射线源产生的不同能量X射线光子分布函数(能谱分布函数), ES为能谱初始能量, EC为能谱截止能量。 X射线束穿过物体后, 其强度I会衰减为

I=∫ESECS(E)dE(2)

式(2)中, S(E)为穿过物体后的不同能量X射线光子分布函数。 假设X射线穿过物体的长度为L, 物体内部衰减系数分布函数为μ (x), 射线穿过物体前后射线强度满足如式(3)关系

I=I0e-∫Lμ(x)dx(3)

X射线多能谱CT系统, 依靠光子计数探测器的能量阈值T能够选择性记录不同能量X射线光子脉冲。 在给定X射线源产生能谱分布函数为S0(E)的情况下, X射线光子最大能量EM是已知的。 如果光子计数探测器设定能量阈值为T, 其对应的X射线能量可表示为E(T)。 则探测的X射线光子数, 即X射线强度I0(T)为

I0(T)=∫E(T)EMS0(E)dE(4)

对于特定能量范围(E(T1), E(T2)), 探测的X射线光子数可表示为

I0(T)=∫E(T1)E(T2)S0(E)dE(5)

其中, 能量阈值T1和T2所对应的能量值E(T1)< E(T2), 射线穿过物体后探测的X射线光子数为

I(T)=∫E(T1)E(T2)S(E)dE(6)

在特定能量范围内, 若物体材料密度分布均匀, X射线穿过物体沿某一路径L上平均衰减系数 μ̅可表示为

μ̅(T)=-lnII0/L=-ln∫E(T1)E(T2)S(E)dE∫E(T1)E(T2)S0(E)dE/L(7)

由此, 可以通过设置探测器不同的能量阈值T, 分析不同能量范围的X射线的衰减特性。

2 结果与讨论
2.1 金属材料多能谱成像

利用基于光子计数探测器的多能谱CT成像系统, 分析了高纯度、 等厚度的钼、 银、 锡三种金属薄片, 如图2所示。

图2 高纯度钼、 银、 锡金属薄片Fig.2 High purity metal sheets of Molybdenum, Silver and Tin

在不同能量范围获取金属材料投影图像, 投影图像灰度值代表X射线强度, 利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线衰减特性。

在多能谱成像中, 将这三种金属薄片分别置于射线源前端。 实验中若金属薄片厚度过厚, 探测的光子数较少噪声较大; 若厚度过薄则测得穿过金属片前后光子数较为接近, 不利于衰减特性的判别, 最终选取厚度为0.1 mm金属薄片进行研究。 为保证射线透过金属片前探测器探测光子不溢出, 透过金属片后光通量最大化, 经调试确定最佳射线源工作电压为80 kVp、 工作电流为70 μ A。

同时, 为了提高图像质量降低量子噪声影响, 探测器多次曝光后(每个能量阈值探测器曝光10次, 单次曝光时间为500 ms), 对投影图像灰度值累加求平均。 由于光子计数探测器探测单元存在一致性差的问题, 仍需要对投影图像进行滤波处理。 为均衡图像灰度过大或过小的像素点, 采取设定灰度阈值筛选噪点与局部中值滤波相结合方法。 实验选择金属材料投影图像中某个固定区域进行分析, 选定区域为50× 200像素的矩形区域, 如图3中红框标注区域所示。 首先, 依据金属材料投影图像灰度f(i, j)分布特点(如图4(a)所示), 经实验分析, 噪点灰度与投影图像灰度均值 f̅的误差大于10%, 即 |f(i, j)-f¯|f¯≥ 10%。 由此, 设定两个灰度阈值将这些一致性差的像素点标注为噪点(如图4(b)所示)。 其次, 投影图像中一致性较差的像素大小分布为1~3个像素, 采取5× 5窗宽的局部中值滤波以滤除这些噪点的影响, 滤波后的图像灰度分布如图4(c)所示。

图3 在某个能谱范围内银薄片的投影图像Fig.3 The projection image of the silver sheet with one energy range

图4 (a) 某个能谱范围内银材料投影图像中选定区域灰度分布图; (b) 设定灰度阈值后投影图像中选定区域灰度分布图; (c) 滤波后投影图像中选定区域灰度分布图Fig.4 (a) The grayscale distribution map of a selected area in the silver material projection image within one energy range; (b) The grayscale distribution map of the selected area with two grayscale thresholds; (c) The grayscale distribution map of the selected area in the filtered projection image

2.2 K-edge特性识别与探测器能量阈值标定

为研究不同能量范围X射线的衰减特性, 光子计数探测器设定了26个能量阈值(15~40 keV, 每隔1 keV设定为一个能量阈值), 对三种金属材料进行多能谱成像, 最终, 每种金属材料获取26个能量段的投影图像。 在有金属样本情况下, 投影图像选定区域为f'(i, j), 则探测的X射线平均光强可表示为I= 1N∑Nf'(i, j), 其中, N为投影图像选定区域像素数; 在无金属样本情况下, 投影图像选定区域为f'0(i, j), 探测的X射线源平均光强可表示为I0= 1N∑Nf'0(i, j)。 根据式(7), 可以计算出金属材料在某个特定能量段的X射线平均衰减系数 μ̅。 由此, 可以获取26个能量段的X射线平均衰减系数 μ̅i, i=1, 2, …, 26, 并绘制出三种金属片的X射线衰减特性曲线, 如图5所示。

从图5可以看出, 由于采取探测器多次曝光方式降低了量子噪声影响, 以及滤波方式克服探测器一致性差的问题, 实验测得的X射线衰减特性曲线平滑度较好。 从实际测量的X射线衰减特性曲线中可以看出, 衰减特性曲线整体是跳变的过程, 曲线内都存在一个特征峰, 特征峰的位置与材料原子序数有关, 原子序数高的材料其特征峰所对应的能量值较大。 特征峰反映了材料的K-edge特性, 材料不同其K-edge特性也不同。 在探测过程中, 由于受到康普顿散射、 电荷共享、 脉冲堆积效应和X射线光子噪声等因素的影响, 实际测量所得的X射线衰减特性曲线相对于理论X射线衰减特性曲线, K-edge跳变过程缓慢。

图5 钼、 银、 锡材料的X射线衰减特性曲线Fig.5 X-ray attenuation characteristic curves of Molybdenum, Silver and Tin

最终, 从图5中可以找出K-edge特征峰所对应的能量阈值, 钼、 银、 锡三种材料K-edge特征峰对应能量阈值分别为25, 29和34 keV。 依据美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)所提供的不同材料X射线衰减特性数据, 可以得出钼、 银、 锡三种材料K-edge对应的理论能量值分别为20, 25.5和30 keV。 由此, 可以求解探测器能量阈值T与X射线光子能量E的线性关系E(T)[13, 14], 经过线性拟合近似函数为: E(T)=1.102 5T-7.172 1, 其拟合曲线如图6所示。 最终, 根据求解出的线性函数E(T)可以对探测器能量阈值进行逐一标定, 从函数E(T)看出标定前的能量阈值相对于真实X射线能量值, 整体向前漂移。

图6 探测器能量阈值与X射线光子 能量的线性关系拟合曲线Fig.6 The fitting curve of thelinear relationship between detector energy threshold and X-ray photon energy

3 结 论

通过实验研究, 评估了基于光子计数探测器的多能谱CT系统识别材料K-edge特性的可行性与有效性。 针对高纯度的钼、 银、 锡三种金属材料薄片进行多能谱成像, 利用金属材料投影图像信息分析不同能量X射线的衰减特性。 从X射线衰减特性曲线中, 识别出金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。 依据金属材料K-edge所对应理论能量值以及实验测得的特征峰所对应的能量阈值之间的对应关系, 完成对光子计数探测器的能量阈值的校准, 这为下一步多能谱CT成像奠定前期实验研究基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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