本發(fā)明涉及能譜探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置及成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

ct成像因其分辨率高、掃描速度快已經(jīng)成為醫(yī)療常規(guī)設(shè)備，在臨床診療過程中起著不可替代的作用。但在臨床診斷中還存在很多局限性，無法滿足臨床診療的需求和醫(yī)生的期待。目前常規(guī)ct中存在射束硬化偽影、輻射劑量較高、軟組織區(qū)分能力差，以及僅能提供形態(tài)信息、無法提供物質(zhì)和功能信息等問題。隨著雙能ct的出現(xiàn)，有效地解決了上述一部分問題。x射線具有連續(xù)的能譜，穿過物質(zhì)后的射線中包含著豐富的被照射物體的衰減信息。能譜ct就是充分利用x射線中豐富的衰減信息，可以有效的提高圖像質(zhì)量，獲得物質(zhì)成分信息，降低輻射劑量，增強(qiáng)軟組織對比度，全方位提升ct成像質(zhì)量。

能譜ct成像的關(guān)鍵技術(shù)是對于x射線能譜的探測。目前，能譜ct常用的探測器是x射線光子計(jì)數(shù)探測器。光子計(jì)數(shù)(photoncounting)技術(shù)最早應(yīng)用于弱光的檢測，通過對微弱信號的放大、甄別和處理，實(shí)現(xiàn)對于極弱入射光子的探測。光子計(jì)數(shù)探測器具有光子增益高、動態(tài)范圍寬、輸出亮度高、響應(yīng)速度快、畸變小和空間分辨率高等優(yōu)勢。光子計(jì)數(shù)探測器通過設(shè)置多個(gè)電子學(xué)閾值，識別入射光子的能量信息并將其對應(yīng)到不同的能區(qū)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，將較寬能譜分布的x射線分能區(qū)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到不同能區(qū)的成像結(jié)果。光子計(jì)數(shù)探測器需要將每個(gè)入射光子作為一個(gè)獨(dú)立事件進(jìn)行分析，并判斷其所屬能量區(qū)間，因此，光子計(jì)數(shù)率較高時(shí)不同光子與物質(zhì)相互作用會產(chǎn)生疊加。同時(shí)，受到電子學(xué)處理速度的限制，光子計(jì)數(shù)探測器的能區(qū)數(shù)量有限，并且在入射光子數(shù)很大時(shí)，無法得到理想的結(jié)果。

帶有n個(gè)能量閾值光子計(jì)數(shù)探測器的單個(gè)像素通道基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理如下：首先，當(dāng)x射線光子到達(dá)光子計(jì)數(shù)探測器時(shí)，探測器接收到x射線光子，產(chǎn)生光子事件，具有一定能量的x射線光子通過光子事件使探測器產(chǎn)生電子電荷。然后，電子電荷在探測器內(nèi)部向電極運(yùn)動，產(chǎn)生脈沖信號。之后，脈沖高度與一個(gè)給定的能量閾值相比較。如果脈沖高度大于能量閾值，那么，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，否則，計(jì)數(shù)器不進(jìn)行計(jì)數(shù)。最后，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將n個(gè)能量閾值通道計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，分別讀出。從而，單個(gè)像素通道探測器接收到x射線后，就會得到具有n個(gè)能量閾值的x射線投影數(shù)據(jù)。若m*m個(gè)像素單元的光子計(jì)數(shù)探測器每個(gè)探測器通道都具有圖1所示的結(jié)構(gòu)，就會得到m*m的光子計(jì)數(shù)探測器。

雖然光子計(jì)數(shù)探測器的優(yōu)勢越來越被人們認(rèn)可，但是針對醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求仍然存在著某些技術(shù)難題。在x射線/ct醫(yī)用成像系統(tǒng)中，短時(shí)間內(nèi)需要捕獲大量的光子，需要有大量的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳輸存儲至計(jì)算機(jī)中，對于電子學(xué)(asic)有很高要求。具有n個(gè)能量閾值的x射線光子計(jì)數(shù)探測器存在以下缺點(diǎn)：脈沖堆積效應(yīng)。

脈沖堆積總是存在于光子計(jì)數(shù)探測器系統(tǒng)中。它反映探測器計(jì)數(shù)率和死時(shí)間的一個(gè)性能。在光子計(jì)數(shù)探測器以高速率記錄每個(gè)光子的能量時(shí)，區(qū)分x射線譜的不同能段，光子數(shù)過多時(shí)，有些響應(yīng)一致的光子也會被探測器認(rèn)為是同一個(gè)光子，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)率丟失和空間分辨率扭曲，這種現(xiàn)象被稱為“脈沖堆積效應(yīng)”。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置及成像系統(tǒng)，基于壓縮感知理論，產(chǎn)生x射線能譜隨機(jī)采樣閾值，在設(shè)定的采樣時(shí)間下對各個(gè)隨機(jī)采樣閾值的x射線進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，使用壓縮感知迭代重建算法重建要探測的x射線能譜，能有效避免直接用光子計(jì)數(shù)探測器進(jìn)行采集時(shí)會發(fā)生的脈沖堆積效應(yīng)，為使用光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行x射線全能譜采集提供了可能。。

一方面，本發(fā)明提供一種基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置，包括探測器陣列、放大器、能量校準(zhǔn)器、單像素閾值產(chǎn)生器、閾值設(shè)置器、比較器和脈沖計(jì)數(shù)器；

探測器陣列為包括若干個(gè)像素的平板型探測器，對于各像素通道均設(shè)有相應(yīng)的放大器、能量校準(zhǔn)器、比較器和脈沖計(jì)數(shù)器，各像素通道的輸出端均連接各自對應(yīng)的放大器，每個(gè)探測器像素均能探測穿過被掃描物衰減后的x射線光子，并生成所探測到的輻射信號；

放大器的另一端連接能量校準(zhǔn)器的一端；放大器用于將探測器陣列生成的微弱輻射信號進(jìn)行放大，得到幅值較大的信號；

能量校準(zhǔn)器的另一端連接比較器的一個(gè)輸入端；能量校準(zhǔn)器用于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)能量閾值脈沖高度與經(jīng)放大器放大后的x射線能量之間的對應(yīng)關(guān)系，然后將校準(zhǔn)后的信號發(fā)送給比較器；

單像素閾值產(chǎn)生器連接閾值設(shè)置器的一端；單像素閾值產(chǎn)生器用于根據(jù)壓縮感知原理產(chǎn)生單像素隨機(jī)稀疏采樣閾值矩陣；

閾值設(shè)置器的另一端連接各像素通道對應(yīng)的比較器的另一個(gè)輸入端；閾值設(shè)置器用于將單像素閾值產(chǎn)生器產(chǎn)生的單像素隨機(jī)稀疏采樣閾值矩陣施加到各個(gè)探測器像素通道對應(yīng)的比較器中；

比較器的輸出端連接脈沖計(jì)數(shù)器；對于每個(gè)探測器像素通道，以閾值設(shè)置器輸出的閾值為基準(zhǔn)，比較器用于比較探測器探測到的脈沖信號的幅值高度與閾值高度，如果兩者相等，則將該信號經(jīng)過比較器輸出到一個(gè)高電平脈沖，否則，比較器輸出低電平脈沖；

脈沖計(jì)數(shù)器用于將比較器輸出的高電平脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其輸出為光子能量，等于閾值的x射線光子的數(shù)量。

另一方面，本發(fā)明還提供一種基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測成像系統(tǒng)，包括電腦pc、輻照x射線源、旋轉(zhuǎn)載物裝置和上述的基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置；所述電腦pc通過網(wǎng)線與基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置的單像素閾值產(chǎn)生器和脈沖計(jì)數(shù)器連接，探測裝置處于成像系統(tǒng)的x射線所照視野的被掃描物之后；所述電腦pc產(chǎn)生隨機(jī)性閾值傳輸?shù)教綔y裝置的單像素閾值產(chǎn)生器中，輻照x射線源發(fā)出x射線，穿過物體后照射到探測裝置上，探測裝置根據(jù)電腦pc傳輸來的閾值信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦pc端，在電腦pc中采用正交匹配追蹤法進(jìn)行x射線能譜的重建。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的一種基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置及成像系統(tǒng)，能重建理想的x射線能譜，加快采集速度的同時(shí)，能有效避免直接用光子計(jì)數(shù)探測器進(jìn)行采集時(shí)會發(fā)生的脈沖堆積效應(yīng)，為使用光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行x射線全能譜采集提供了可能。

附圖說明

圖1為帶有n個(gè)能量閾值的單個(gè)像素光子計(jì)數(shù)探測器基本結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的x射線能譜探測流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的x射線能譜重建結(jié)果曲線圖。

圖中：1、電腦pc；2、輻照x射線源；3、旋轉(zhuǎn)載物裝置；4、探測裝置；5、網(wǎng)線；6、被掃描物。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

一種基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置，如圖2所示，包括探測器陣列、放大器、能量校準(zhǔn)器、單像素閾值產(chǎn)生器、閾值設(shè)置器、比較器和脈沖計(jì)數(shù)器和。

探測器陣列是一個(gè)由512*512個(gè)直接轉(zhuǎn)換探測器像素構(gòu)成的平板型探測器，每個(gè)像素均可探測穿過被掃描物衰減后的x射線光子，并生成所探測到的輻射信號。對于各像素通道均設(shè)有相應(yīng)的放大器、能量校準(zhǔn)器、比較器和脈沖計(jì)數(shù)器，各像素通道的輸出端均連接各自對應(yīng)的放大器。

放大器的另一端連接能量校準(zhǔn)器的一端；放大器用于將探測器陣列生成的微弱輻射信號進(jìn)行放大，得到幅值較大的信號。

能量校準(zhǔn)器的另一端連接比較器的一個(gè)輸入端；能量校準(zhǔn)器用于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)能量閾值脈沖高度與經(jīng)放大器放大后的x射線能量之間的對應(yīng)關(guān)系，然后將校準(zhǔn)后的信號發(fā)送給比較器。

單像素閾值產(chǎn)生器連接閾值設(shè)置器的一端；單像素閾值產(chǎn)生器用于根據(jù)壓縮感知原理產(chǎn)生單像素隨機(jī)稀疏采樣閾值矩陣。

閾值設(shè)置器的另一端連接各像素通道對應(yīng)的比較器的另一個(gè)輸入端；閾值設(shè)置器用于將單像素閾值產(chǎn)生器產(chǎn)生的單像素隨機(jī)稀疏采樣閾值矩陣施加到各個(gè)探測器像素通道對應(yīng)的比較器。

比較器的輸出端連接脈沖計(jì)數(shù)器；比較器用于對于每個(gè)探測器像素通道，以閾值設(shè)置器輸出的閾值為基準(zhǔn)，比較探測器探測到的脈沖信號的幅值高度與閾值高度，如果兩者相等，則將該信號經(jīng)過比較器輸出到一個(gè)高電平脈沖，否則，比較器輸出低電平脈沖。

脈沖計(jì)數(shù)器用于將比較器輸出的高電平脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出為光子能量，等于閾值的x射線光子的數(shù)量。

一種包括上述基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置的錐束ct成像系統(tǒng)，如圖3所示，包括電腦pc1、輻照x射線源2、旋轉(zhuǎn)載物裝置3和上述的基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置4。其中，電腦pc通過網(wǎng)線5與基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測裝置4的單像素閾值產(chǎn)生器和脈沖計(jì)數(shù)器連接，探測器陣列處于成像系統(tǒng)的x射線照著視野的被掃描物6之后。

具體實(shí)施中，pc產(chǎn)生隨機(jī)性閾值傳輸?shù)教綔y器的閾值產(chǎn)生器中，將被掃描物6(模體或小動物)放置于旋轉(zhuǎn)載物裝置3上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺位置，使被掃描物6處于x射線掃描視野中。啟動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，開啟x射線源2和探測裝置4，x射線穿過物體6照射到探測裝置4上，探測裝置4根據(jù)pc端1傳輸來的閾值信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集被掃描物6轉(zhuǎn)動360度的投影數(shù)據(jù)，后將采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到pc端1，經(jīng)過錐束ct重建算法，進(jìn)行x射線能譜的重建，重建出斷層圖像。

2004年，由donoho與candes等人提出的壓縮感知理論是一個(gè)充分利用信號稀疏性或可壓縮性的全新信號采集、編解碼理論。該理論指出，在信號獲取的同時(shí)就對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)貕嚎s，與傳統(tǒng)的信號獲取和處理過程相比，在壓縮感知理論框架下，采樣速率不再取決于信號的帶寬，而是決定于信號中信息的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，這使得傳感器的采樣和計(jì)算成本大大降低，而信號回復(fù)過程是一個(gè)優(yōu)化計(jì)算的過程。

壓縮感知理論的前提條件是信號具有稀疏性或可壓縮性。設(shè)長度為n的被采樣信號x，記為x(n)，n∈[1，2，...，n]，給定一組稀疏基x可以表示為ψ^t的線性組合，則

其中，s與x是n×1維矩陣，ψ是n×n矩陣。式(1)表明信號x在ψ上是稀疏的。信號在稀疏基上只有k個(gè)非零系數(shù)，這樣情況屬于嚴(yán)格稀疏。大多數(shù)情況下信號無法滿足，但只要信號具有可壓縮性，信號就可以用近似系數(shù)表示。稀疏基的選擇，盡可能使信號的稀疏系數(shù)個(gè)數(shù)少，這樣有利于提高信號采集速度。常用的稀疏基有離散余弦變換、傅里葉變換、小波變換等。

在壓縮感知理論中，并不是直接測量信號稀疏變化的重要關(guān)系，而是將信號的稀疏變換稀疏投影到變換基ψ不相關(guān)的測量矩陣φ上的到采樣值y，即設(shè)計(jì)一個(gè)與ψ不相關(guān)的m×n維的觀測矩陣φ，其中m＜n，那么，較低維的觀測數(shù)據(jù)y就有：

y＝φx(2)

其中，y是m×1維列向量，測量矩陣φ為m×n(m＜n)的矩陣。

運(yùn)用壓縮感知理論，對于光子計(jì)數(shù)探測器的單個(gè)像素通道，通過閾值產(chǎn)生器產(chǎn)生m個(gè)x射線光子能量閾值，探測器采樣x射線m個(gè)閾值能量的光子數(shù)，就能得到m個(gè)能量閾值的采樣點(diǎn)。根據(jù)閾值產(chǎn)生器，探測器直接獲取的是m次隨機(jī)線性測量值，而不是原始信號的n(m＜n)個(gè)能量閾值，為x射線全能譜采樣提供了可能。

根據(jù)壓縮感知理論，式(2)可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)l1范數(shù)最優(yōu)化問題式(3)的題解。

argin||ψ^tx||1s.t.y＝φx(3)

基于式(3)的優(yōu)化問題，目前為止出現(xiàn)的重建算法主要有：匹配追蹤算法、凸松弛法和組合算法。本實(shí)施例中采取正交匹配追蹤的重構(gòu)算法來重建得到x射線能譜。利用壓縮感知的理論進(jìn)行x射線能譜重建不僅提高了采集效率，而且避免了直接用光子計(jì)數(shù)探測器進(jìn)行采集時(shí)會發(fā)生的脈沖堆積效應(yīng)，為使用光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行x射線全能譜采集提供了可能。

利用上述的基于壓縮感知的光子計(jì)數(shù)x射線能譜探測系統(tǒng)進(jìn)行x射線能譜重建的方法，如圖4所示，具體包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)壓縮感知的理論基礎(chǔ)，用pc產(chǎn)生一個(gè)高斯分布的隨機(jī)矩陣作為測量矩陣，根據(jù)該矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

步驟2：將上一步中由pc得到的測量矩陣輸入光子計(jì)數(shù)探測裝置的能量閾值產(chǎn)生器中，產(chǎn)生的閾值信號經(jīng)能量閾值設(shè)置器調(diào)節(jié)之后輸入各像素的比較器中，對輸入各像素的x射線進(jìn)行信號采集；

步驟3：將上一步采集得到的信號傳輸?shù)絧c中，采用正交匹配追蹤法進(jìn)行x射線能譜重建。

得到的重建結(jié)果如圖5所示，圖中帶點(diǎn)的密集曲線為重建得到的x射線能譜，較光滑的曲線為理想的原x射線能譜，重建結(jié)果較為理想，并且此方法加快了采集速度又有效的避免了光子計(jì)數(shù)探測器的脈沖堆積效應(yīng)。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。