基于平板探测器的锥束CT系统综述
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3 平板探测器 CT 系统的几何结构及应用中 的问题
目前的平板探测器 CT 系统主要有两种几何结 构 :锥束系统和半锥束系统 。
3.1 锥束系统
锥束系 统的应用 比较广泛 , 主要用 于两个 方 向 :医学检查和工业无损检测 。 由这两个应用方向
2004 年 第 9 卷 第 2 期 唐杰等 :基于平板探测器的锥束 CT 系统 综述
3.1.3 锥束系统中散射射线的影响 CT 系统中不可避免地会有散射射线的影响 , 锥束系统的应用通常要求较高的成像质量 , 因此必 须设法消除散射的影响 。散射包括背散射和来自物 体的散射 , 背散射的影响通常可以通过安装吸收屏 基本消除 , 来自待测物的散射通常是使用探测器前 加准直器的方法抑制 , 本文中提到的 “散射” 如无 特殊说明则指来自待测物的散射 。 线阵探测器仅受 一维的散射影响 , 安装准直器就能达到较好的散射 抑制 , 但平板探测器的散射是二维的 , 影响比线阵 探测器要大得多 。目前对散射的影响已经有了许多 研究工作 , 主要研究问题有两个 :如何评估探测器 接受到的数据中散射射线的多少 ;如何在重建的图 像中尽量减小散射射线的影响 。 3.1.3.1 散射射线量的评估 我们定义 :
【Keywords】:cone -beam CT ;flat -panel detect or ;geomet ry ;scat ter
1 引言
计算机断层成像技术 , 即 CT (Computed Tomog raphy)在临床医学上的应用是 20 世纪医疗技 术进步的重要标志之一 。 自诞生以来 , CT 扫描方 式发生了巨大的变化 , 二维 C T 从单一探测器的平 行束递 增发展到多探测 器扇形束旋 转扫描 ;三维 C T 则从最早的单排螺旋 C T 发展为多排探测器扫 描同时给出 8 -16 层数据的多层螺旋 C T , 近几年 使用面阵探测器的锥束 CT 也逐渐进入实用 阶段 。 相对于其它的几何结构 , 锥束 CT 系统具有空间分 辨率高 、 数据采集时间短 、 射线利用效率高等显著
图 1 直接转换和间接转换型 X 射线探测器 。
CCD 探测 器的发展已经 比较成熟而且 价格较 为低廉 , 在早期的锥束 CT 系统中曾被使用[ 2] 。 但 其用于锥束 C T 系统有许多缺点 。 CCD 探测器由闪 烁体和 CCD 芯片组成 , 闪烁体和 CCD 芯片之间使 用光耦 合 , 这一光耦 合系统通常由 透镜或光 纤构 成 , 而 CCD 芯片比闪烁体小 , 如图 2 所示 。 这种 光学系统减小了到达 CCD 芯片的光子数 , 从而增 加了噪声 、 降低了图像质量 ;还导致了图像的几何 失真和光 线的散射 ;另外 , CCD 芯 片本身的 热噪 声也在一定程度上降 低了图像质量 。 CCD 探测器 由于需要光学系统因而厚度较大 , 这在使用中也是 一个很大的不便[ 3] 。
67
的特点不同 , 通常它们分别使用两种不同的机械结 构 :机架式结构和立式结构 。 但这不是绝对的 , 立 式结构在医学检查中也有少量应用 。
3.1.1 机架式平板探测器 C T 系统 机架式平板探测器 CT 系统是 在普通医用 C T 系统的基础上改造而成的 , 它的几何结构如图 4 所 示 。这种系统使用现有医用 CT 机的机械设备 、 X 光源和控制系统 , 仅将原有的探测器更换为平板探 测器 , 修改了控制软件和重建软件 。由于目前医用 C T 机已经有成熟的产品 , 架构这样的系统比较方 便。另外, 由于 CT 最广泛的应用还是在医学中, 而机架式的几何结构最适合于医学检查使用 , 因此 这种几何结构的平板探测器 C T 系统在目前研究中 的使用也比较多[ 5 , 7-16] 。
的优点[ 1] 。 锥束 CT 系统使用的面阵探测器可以分成两大
类 : (1) 基于电 荷耦合器 件 (CCD)的 探测器 ; (2)基于薄膜晶体管 (T F T)的探测器 (平板探测 器)。平板探测器按将 X 射线转换成电信号的方式 不同又 可 以 分为 直 接 转 换 型 和 间 接 转 换 型 , 而 CCD 探测器则都 是间接转换型的 。 第二节简单 介 绍了这两大类面阵探测器的工作原理和特点 , 指出 了平板探测器的优越性 。
【关键词】:锥束 C T ;平板探测器 ;几何结构 ;射线散射 【中图分类号】:O572.21 +2 【文献标识码】:A
Review of Cone -Beam CT Systems Based on Flat Panel Detector
T ANG Jie , ZHANG Li , GAO Wen-huan
图 2 CCD 探测器结构 示意图
平板探测器的结构如图 3 所示 。在间接转换型 平板探测器中 , X 射线光子在闪烁体层转换成可见
图 3 平板 探测器示意图 (a) 间接转换型 (b) 直接转换型
平板探测器和要成的像有同样大小的尺寸 , 因 而探测器系统不会造成几何失真 。 探测器的厚度都 很小 , 这也正是它被称为 “平板” 探测器的原因 。 平板探测器的读数装置是和探测器结合在一起的 , 本身就具有提高空间分辨率的优势 。不过 , 大面积 平板探测器在近几年才出现 , 目前还在发展中且价 格较 高 。 第 一代 的 平板 探测 器 的尺 寸 在 20cm × 20cm 左右 , 存在薄膜晶体管面板缺陷点较多 、 探 测器噪声大等诸多缺陷[ 5] 。新一代的平板探测器尺 寸已可达 43cm ×43cm , 性能也有了很大的改进[ 6] 。 目前使用平板探测器的 CT 系统已经逐渐进入实用 阶段 , 很有希望成为下一代 C T 系统的代表 。
基于平板探测器的锥束 CT 系统综述
唐杰 , 张丽 , 高文焕
(清华大学工程物理系粒子信息获取 与处理国家专业验室 , 北京 100084)
65
·综述·
【摘要】:锥束 CT 系统和二维扇束 、 平行束 CT 系统相比具有空间分辨率高 、 投影数据采集时间 短 、 射线利用效率高等优点 , 但由于算法运算量大和工程实现上的困难以往一直没能在实际中 应用 , 随着近几年硬件和算法的发展 , 锥束 CT 已经进入实用阶段 , 而平板探测器则是最适合 锥束 CT 的探测器 。本文对目前平板探测器锥束 CT 系统的发展状况做了综述 , 讨论了平板探测 器用于锥束 CT 系统的优越性 , 对各种平板探测器锥束 CT 系统的几何结构和应用中的问题进行 了比较和讨论 , 最后对平板探测器锥束 C T 未来的发展进行了展望 。
图 4 机架式平板探测器 CT 系统的几何结构
由于重力的作用 , 安装射线源和探测器的 C 形 机架会有微小的变形 , 机架的旋转轴位置也会随之 变化 , 这种晃动对重建的结 果有一定的影 响 , D . A .Jaff ray 和 J .H .Siew erdsen 等人对这种影响进 行了研究 , 通过实验测量获得系统几何位置的偏差 曲线并进行校正 , 取得了较好的实验结果[ 14] 。
图 5 立式平板探测器 CT 系统的几何结构
目前的锥束 CT 系统主要有两种几何结构 :一 种的扫描射线束是完整的锥束 , 采用标准的锥束重 建算法 ;另一种的扫描射线束为半个锥束 , 使用修
收稿日期 :2004-02-20 作者简介 :唐杰 (1981-), 男 , 清华大学工程物理系 , 在读博士研究生 ;研究方向 :粒子信息获取与处理
66
DOI :10.13505/j .1007 -1482.2004.02.001 中国体视学与图像分析 2004 年 第 9 卷 第 2 期
CHINEwk.baidu.comE JOURNAL OF STEREOLOGY AND IMAGE ANALYSIS Vo1.9 No.2 Jun.2004
文章编号 :1007 -1482 (2004)01 -0065 -06
光 , 再通过光敏二极管将可见光转换成电荷信号 , 由 TFT 阵列读出。由于产生的可见光向各个方向 发射 , 另外 可见光在闪烁体 内传播时 还会发生 散 射 , 因此在 一点产生的可见 光子会被 邻近的几 个 TFT 单元探测到 , 从而降低了探 测器的空间分 辨 率 。直接转换型平板探测器使用一层无定型硒将 X 射线光子直 接转换成存储在 电容中的 电荷 , 再 由 TFT 阵列读出 。 在一点产生的电 荷在电场作用 下 向一个确定方向移动 , 移动过程中不存在散射的影 响 , 因此直接转换型平板探测器的空间分辨率都比 较高[ 4] 。
中国体视学与图像 分析 2004 年 第 9 卷 第 2 期
改过的重建算法 , 这种结构主要用于新兴的乳腺检 查系统中 。第三节详细介绍了这两种结构及其应用 中的问题 。
第四节对平板探测器 CT 的现状和前景进行了 讨论 。
2 面阵探测器简介
锥束 CT 系统使用的两大类面阵探测器如图 1 所示 。
3.1.2 立式平板探测器 CT 系统 立式平板探测器 C T 系统的几何结构如图 5 所 示 , 这种系统的射线源和探测器都是固定的 , 而将 待测物置于一个可旋转的转台上[ 17 , 18 , 5] 。
由于这种几何结构需要旋转被测物 , 所以不大 适合用于医学检查 , 但在工件的无损检测中则非常 适用 , 立式结构可以检查质量很大的工件且有着很 好的几何位置稳定性 。
SPR =散透射射射射线线量量 以此作为散射射线量的定量评估 。 M .Endo , T .T sunoo 等人提 出了一种测量 散 射百分比 的铅盘方 法[ 19] 。 这 种方法 如图 6 所示 , 在待测模型前的射线中轴线上安放铅盘以阻止透射
X 射线进入平板探测器 , 探测器上铅盘的阴影区测 量值即散射射线计数 。 为了测得中轴线投影点的散 射射线 , 需要铅盘直径为 0 , 实验中铅盘的直径从 10mm 到 50mm 以 10m m 的步长增加 , 然后由 10 50mm 的结果外推到 0mm 获得中心点的散射计数 。 在安装了准直器或滤线栅和没有安装准直设备的情 况下分别测得中轴线投影点的散射计数 , 在不安装 铅盘时测得该点的散射和透射射线总计数 , 然后由 此计算 SP R。
(Depart ment of Engineering Physics , T singhua University , Beijing 100084)
【Abstract】:Compared w it h 2D fan -beam or parallel -beam CT , cone -beam CT system is able to achieve higher special resolution and bet ter utilization of photons.It also requires less scan time .However , it had not come into practical application because of the dif ficulties in alg orit hms and technology . Wit h t he development of hardware and algorithms , cone -beam CT has become practical in recent years .Flat -panel detecto r is the best candidate for cone -beam CT .Here w e discuss the advantage of flat -panel detecto r .T hen we summarize the flat -panel co ne -beam C T systems at present and make a discussion and comparison of them .
目前的平板探测器 CT 系统主要有两种几何结 构 :锥束系统和半锥束系统 。
3.1 锥束系统
锥束系 统的应用 比较广泛 , 主要用 于两个 方 向 :医学检查和工业无损检测 。 由这两个应用方向
2004 年 第 9 卷 第 2 期 唐杰等 :基于平板探测器的锥束 CT 系统 综述
3.1.3 锥束系统中散射射线的影响 CT 系统中不可避免地会有散射射线的影响 , 锥束系统的应用通常要求较高的成像质量 , 因此必 须设法消除散射的影响 。散射包括背散射和来自物 体的散射 , 背散射的影响通常可以通过安装吸收屏 基本消除 , 来自待测物的散射通常是使用探测器前 加准直器的方法抑制 , 本文中提到的 “散射” 如无 特殊说明则指来自待测物的散射 。 线阵探测器仅受 一维的散射影响 , 安装准直器就能达到较好的散射 抑制 , 但平板探测器的散射是二维的 , 影响比线阵 探测器要大得多 。目前对散射的影响已经有了许多 研究工作 , 主要研究问题有两个 :如何评估探测器 接受到的数据中散射射线的多少 ;如何在重建的图 像中尽量减小散射射线的影响 。 3.1.3.1 散射射线量的评估 我们定义 :
【Keywords】:cone -beam CT ;flat -panel detect or ;geomet ry ;scat ter
1 引言
计算机断层成像技术 , 即 CT (Computed Tomog raphy)在临床医学上的应用是 20 世纪医疗技 术进步的重要标志之一 。 自诞生以来 , CT 扫描方 式发生了巨大的变化 , 二维 C T 从单一探测器的平 行束递 增发展到多探测 器扇形束旋 转扫描 ;三维 C T 则从最早的单排螺旋 C T 发展为多排探测器扫 描同时给出 8 -16 层数据的多层螺旋 C T , 近几年 使用面阵探测器的锥束 CT 也逐渐进入实用 阶段 。 相对于其它的几何结构 , 锥束 CT 系统具有空间分 辨率高 、 数据采集时间短 、 射线利用效率高等显著
图 1 直接转换和间接转换型 X 射线探测器 。
CCD 探测 器的发展已经 比较成熟而且 价格较 为低廉 , 在早期的锥束 CT 系统中曾被使用[ 2] 。 但 其用于锥束 C T 系统有许多缺点 。 CCD 探测器由闪 烁体和 CCD 芯片组成 , 闪烁体和 CCD 芯片之间使 用光耦 合 , 这一光耦 合系统通常由 透镜或光 纤构 成 , 而 CCD 芯片比闪烁体小 , 如图 2 所示 。 这种 光学系统减小了到达 CCD 芯片的光子数 , 从而增 加了噪声 、 降低了图像质量 ;还导致了图像的几何 失真和光 线的散射 ;另外 , CCD 芯 片本身的 热噪 声也在一定程度上降 低了图像质量 。 CCD 探测器 由于需要光学系统因而厚度较大 , 这在使用中也是 一个很大的不便[ 3] 。
67
的特点不同 , 通常它们分别使用两种不同的机械结 构 :机架式结构和立式结构 。 但这不是绝对的 , 立 式结构在医学检查中也有少量应用 。
3.1.1 机架式平板探测器 C T 系统 机架式平板探测器 CT 系统是 在普通医用 C T 系统的基础上改造而成的 , 它的几何结构如图 4 所 示 。这种系统使用现有医用 CT 机的机械设备 、 X 光源和控制系统 , 仅将原有的探测器更换为平板探 测器 , 修改了控制软件和重建软件 。由于目前医用 C T 机已经有成熟的产品 , 架构这样的系统比较方 便。另外, 由于 CT 最广泛的应用还是在医学中, 而机架式的几何结构最适合于医学检查使用 , 因此 这种几何结构的平板探测器 C T 系统在目前研究中 的使用也比较多[ 5 , 7-16] 。
的优点[ 1] 。 锥束 CT 系统使用的面阵探测器可以分成两大
类 : (1) 基于电 荷耦合器 件 (CCD)的 探测器 ; (2)基于薄膜晶体管 (T F T)的探测器 (平板探测 器)。平板探测器按将 X 射线转换成电信号的方式 不同又 可 以 分为 直 接 转 换 型 和 间 接 转 换 型 , 而 CCD 探测器则都 是间接转换型的 。 第二节简单 介 绍了这两大类面阵探测器的工作原理和特点 , 指出 了平板探测器的优越性 。
【关键词】:锥束 C T ;平板探测器 ;几何结构 ;射线散射 【中图分类号】:O572.21 +2 【文献标识码】:A
Review of Cone -Beam CT Systems Based on Flat Panel Detector
T ANG Jie , ZHANG Li , GAO Wen-huan
图 2 CCD 探测器结构 示意图
平板探测器的结构如图 3 所示 。在间接转换型 平板探测器中 , X 射线光子在闪烁体层转换成可见
图 3 平板 探测器示意图 (a) 间接转换型 (b) 直接转换型
平板探测器和要成的像有同样大小的尺寸 , 因 而探测器系统不会造成几何失真 。 探测器的厚度都 很小 , 这也正是它被称为 “平板” 探测器的原因 。 平板探测器的读数装置是和探测器结合在一起的 , 本身就具有提高空间分辨率的优势 。不过 , 大面积 平板探测器在近几年才出现 , 目前还在发展中且价 格较 高 。 第 一代 的 平板 探测 器 的尺 寸 在 20cm × 20cm 左右 , 存在薄膜晶体管面板缺陷点较多 、 探 测器噪声大等诸多缺陷[ 5] 。新一代的平板探测器尺 寸已可达 43cm ×43cm , 性能也有了很大的改进[ 6] 。 目前使用平板探测器的 CT 系统已经逐渐进入实用 阶段 , 很有希望成为下一代 C T 系统的代表 。
基于平板探测器的锥束 CT 系统综述
唐杰 , 张丽 , 高文焕
(清华大学工程物理系粒子信息获取 与处理国家专业验室 , 北京 100084)
65
·综述·
【摘要】:锥束 CT 系统和二维扇束 、 平行束 CT 系统相比具有空间分辨率高 、 投影数据采集时间 短 、 射线利用效率高等优点 , 但由于算法运算量大和工程实现上的困难以往一直没能在实际中 应用 , 随着近几年硬件和算法的发展 , 锥束 CT 已经进入实用阶段 , 而平板探测器则是最适合 锥束 CT 的探测器 。本文对目前平板探测器锥束 CT 系统的发展状况做了综述 , 讨论了平板探测 器用于锥束 CT 系统的优越性 , 对各种平板探测器锥束 CT 系统的几何结构和应用中的问题进行 了比较和讨论 , 最后对平板探测器锥束 C T 未来的发展进行了展望 。
图 4 机架式平板探测器 CT 系统的几何结构
由于重力的作用 , 安装射线源和探测器的 C 形 机架会有微小的变形 , 机架的旋转轴位置也会随之 变化 , 这种晃动对重建的结 果有一定的影 响 , D . A .Jaff ray 和 J .H .Siew erdsen 等人对这种影响进 行了研究 , 通过实验测量获得系统几何位置的偏差 曲线并进行校正 , 取得了较好的实验结果[ 14] 。
图 5 立式平板探测器 CT 系统的几何结构
目前的锥束 CT 系统主要有两种几何结构 :一 种的扫描射线束是完整的锥束 , 采用标准的锥束重 建算法 ;另一种的扫描射线束为半个锥束 , 使用修
收稿日期 :2004-02-20 作者简介 :唐杰 (1981-), 男 , 清华大学工程物理系 , 在读博士研究生 ;研究方向 :粒子信息获取与处理
66
DOI :10.13505/j .1007 -1482.2004.02.001 中国体视学与图像分析 2004 年 第 9 卷 第 2 期
CHINEwk.baidu.comE JOURNAL OF STEREOLOGY AND IMAGE ANALYSIS Vo1.9 No.2 Jun.2004
文章编号 :1007 -1482 (2004)01 -0065 -06
光 , 再通过光敏二极管将可见光转换成电荷信号 , 由 TFT 阵列读出。由于产生的可见光向各个方向 发射 , 另外 可见光在闪烁体 内传播时 还会发生 散 射 , 因此在 一点产生的可见 光子会被 邻近的几 个 TFT 单元探测到 , 从而降低了探 测器的空间分 辨 率 。直接转换型平板探测器使用一层无定型硒将 X 射线光子直 接转换成存储在 电容中的 电荷 , 再 由 TFT 阵列读出 。 在一点产生的电 荷在电场作用 下 向一个确定方向移动 , 移动过程中不存在散射的影 响 , 因此直接转换型平板探测器的空间分辨率都比 较高[ 4] 。
中国体视学与图像 分析 2004 年 第 9 卷 第 2 期
改过的重建算法 , 这种结构主要用于新兴的乳腺检 查系统中 。第三节详细介绍了这两种结构及其应用 中的问题 。
第四节对平板探测器 CT 的现状和前景进行了 讨论 。
2 面阵探测器简介
锥束 CT 系统使用的两大类面阵探测器如图 1 所示 。
3.1.2 立式平板探测器 CT 系统 立式平板探测器 C T 系统的几何结构如图 5 所 示 , 这种系统的射线源和探测器都是固定的 , 而将 待测物置于一个可旋转的转台上[ 17 , 18 , 5] 。
由于这种几何结构需要旋转被测物 , 所以不大 适合用于医学检查 , 但在工件的无损检测中则非常 适用 , 立式结构可以检查质量很大的工件且有着很 好的几何位置稳定性 。
SPR =散透射射射射线线量量 以此作为散射射线量的定量评估 。 M .Endo , T .T sunoo 等人提 出了一种测量 散 射百分比 的铅盘方 法[ 19] 。 这 种方法 如图 6 所示 , 在待测模型前的射线中轴线上安放铅盘以阻止透射
X 射线进入平板探测器 , 探测器上铅盘的阴影区测 量值即散射射线计数 。 为了测得中轴线投影点的散 射射线 , 需要铅盘直径为 0 , 实验中铅盘的直径从 10mm 到 50mm 以 10m m 的步长增加 , 然后由 10 50mm 的结果外推到 0mm 获得中心点的散射计数 。 在安装了准直器或滤线栅和没有安装准直设备的情 况下分别测得中轴线投影点的散射计数 , 在不安装 铅盘时测得该点的散射和透射射线总计数 , 然后由 此计算 SP R。
(Depart ment of Engineering Physics , T singhua University , Beijing 100084)
【Abstract】:Compared w it h 2D fan -beam or parallel -beam CT , cone -beam CT system is able to achieve higher special resolution and bet ter utilization of photons.It also requires less scan time .However , it had not come into practical application because of the dif ficulties in alg orit hms and technology . Wit h t he development of hardware and algorithms , cone -beam CT has become practical in recent years .Flat -panel detecto r is the best candidate for cone -beam CT .Here w e discuss the advantage of flat -panel detecto r .T hen we summarize the flat -panel co ne -beam C T systems at present and make a discussion and comparison of them .