双能量X-CT用于物质分析的实验研究 冀冀 敏敏( (复旦大学物理系复旦大学物理系) ) 苏士钦苏士钦( (上海大学上海大学20122012届本科生届本科生) ) 汇报提纲1.双能X-CT简介2.双能X-CT的功能3.双能X-CT用于物质分析的实验研究 (1)基于基物质图像的钙和水的等效密度测量 (2)基于单能量图像的碘密度测量 (3)基于有效原子序数图像的有效原子序数测量1.双能X-CT简介(1)基本结构 A.X射线扫描系统: 两部分:扫描机架和检查床 扫描机架包括: X射线管 高压滑环 (两种管高压瞬间切换得到两种不同能量的电子流-称为双能) 探测器阵列(64排,或128排等) Discovery CT750 HD 1.双能X-CT简介B.计算机系统 用于系统控制的计算机 用于图像重建的计算机 用于拍摄照片的计算机 激光扫描打印机(X-CT) *强大的软件阵容: 运行软件: 控制软件,图像重建软件, 图像后处理软件: 3D,任意方向断层图像,数字减影图像, 各种基物质图像,能谱图像,等效原子序数图像, 散点图,等C.电源系统 1.双能X-CT简介(2)双能X-CT工作原理 2.双能X-CT的功能基本功能: (1)横断层X-CT图像,感兴趣区的CT值,尺寸 (2)任意断层图像 (3)数字减影,给出血管图像 (4)给出脏器的3D图像特殊功能: (提高密度分辨率)(1)物质分离,给出基物质(水,碘,钙等)断层图像(2)给出任意电子能量的横断层图像(能谱图像101种)(3)给出感兴趣区的衰减系数分布(kv)(4)感兴趣区的等效Z值图像,散点图双能双能X-CT 成像参数成像参数l常规成像参数: 线性衰减系数(混合能量) 一幅X-CT图像，实际反映的是层面体素关于X射线线性衰减系数的二维分布。
通过将衰减系数转换为体素的灰度，可得到X-CT层面图像l其它成像参数u101种不同keV下的衰减系数 u基物质密度1、2u有效原子序数Zeffl双能量技术基础u主要考虑光电效应光电效应和康普顿效应康普顿效应这两种相互作用 选用两种物质来等效这两种吸收,被选用的物质称为基物质.定量分析物质鉴别伪影去除双能X-CT物理基础l关于基物质图像的物理模型 (6)(7)(2)(3)(5)(1)(4) 其中， 、 分别为待测物质和第i种基物质的质量衰减系数；ci为第i种基物质的质量分数i为第i种基物质的等效密度（由计算得到）；I0、I分别为X线束的入射与出射强度； i =1, 2S(E)是X射线管释放出的光子数；D(E)与X射线的能量有关 l基物质图像的建立 将式(5)代入式(7)，并分别考虑高、低能量下的情况，可以得到：(8)(9)(10)(11)通过高低能量投影值数据来获得1、2的值后，计算出1、2的值，并分别进行水基和碘基图像的重建l单能量图像的建立 任一能量（E0）处单能量图像的获得 l能谱CT值曲线(12)利用投影数据计算出的基物质的等效密度值及基物质在任一能量的质量衰减系数的值，可获得该能量下的单能量图像。
依靠获得的101张单能量图像下的CT值，即可做出某一感兴趣区域的能谱CT值曲线通过该图像，可以更好地区分单能量图像中灰度差别并不明显的体素l有效原子序数图像的建立 l有效原子序数散点图：(13)(14)能谱能谱CT能够将被测物体内部的元素分布用有效原子序数表示出来，能够将被测物体内部的元素分布用有效原子序数表示出来，将相对将相对CT值转变为绝对值转变为绝对CT值有效原子序数散点图反映了所选感兴趣区域内有效原子序数的分布3.双能X-CT用于物质分析的实验研究实验目的实验目的: A.探讨双能探讨双能X-CT多参数成像的密度分辨率优劣多参数成像的密度分辨率优劣 B.探讨基于多参数图像的等效密度测量以及通过定标用探讨基于多参数图像的等效密度测量以及通过定标用 于物质含量测量的可能性于物质含量测量的可能性.(1)基于基物质密度图像的钙和水的等效密度测量基于基物质密度图像的钙和水的等效密度测量 方法方法:对浓度不同的氯化钙溶液样品对浓度不同的氯化钙溶液样品20个进行双能个进行双能X-CT扫描扫描, 然后分别进行钙基成像和水基成像并测量等效密度然后分别进行钙基成像和水基成像并测量等效密度. (1)基于基物质密度图像的钙和水的等效密度测量基于基物质密度图像的钙和水的等效密度测量结论：基物质密度成像的成像参数为”基物质对中”各成分的浓度，或称之为等效密度。
不同浓度氯化钙溶液样品100keV下的扫描结果 不同浓度氯化钙溶液样品钙基图像（左）和水基图像（右） (2)基于单能量图像的碘浓度测量单能量图像的碘浓度测量结论：不同浓度碘溶液在单能量下CT值的计算值与测量值非常接近，这就证明了上式的正确性-用于定量分析的可能定量分析的可能(有毒有毒,怕光怕光,贵重贵重)结论：不同浓度碘比醇溶液中碘浓度的测量值与实际值基本吻合，即利用宝石能谱CT的能谱成像功能，可以较为准确地测得碘的浓度，同时不同碘浓度的溶液在单能量下得到的CT值也是呈线性变化关系的，即随着碘浓度的增加，CT值也随之增加,这就意味着基物质密度图像可以应用于物质的定量分析基于有效原子序数图像的有效原子序数测量效原子序数图像的有效原子序数测量结论：1. 有效原子序数的计算值与测量值非常接近，这就证明了上式的正确性，即是验证了有效原子序数图像的建立过程2. 能谱CT可以较为准确地测量物质的有效原子序数用于物质鉴别物质鉴别结论：不论是通过能谱CT值曲线图，还是有效原子序数散点图，都可以非常清晰地分辨出不同的物质 L1，L2，L3，L4分别为硅油、铝、硫和水a. 能谱CT值曲线b.有效原子序数散点图其它-伪影去除伪影去除结论：120kVp混合能量图像有较为严重的伪影，而在120keV的单能量图像上，这一问题得到了解决。
说明能谱成像技术可以有效地去除混合能量导致的硬化伪影、金属伪影问题，使图像更为清晰、准确a.b.c.a.实验样品（L1为锌，L2为铜）b.120kVp混合能量图像 c. 120keV单能量图像结论与展望l结论u基物质密度图像中的等效密度值，并不是物质本身的密度值，而是一个与所选的”基物质对”有关的相对值，代表给定基物质在由基物质对组成的混合物中的浓度 若通过定标,可测量特定物质的含量.u有效原子序数图像可以较为准确地测出物质的有效原子序数，这是一个绝对的值，从而使通过能谱CT来鉴别物质成为可能u单能量图像和常规的混合能量图像相比，可以有效地避免了混合X射线对CT图像的影响l展望u通过有效原子序数的测定实验，我们并不能非常准确地测定所有物质的有效原子序数，因此如何对测量值进行校准，以获取更准确的有效原子序数信息是非常有必要的参考文献1 Journal of Computed Tomography, Volume 11 No.3, April 20102 Journal of Computed Tomography, Volume 12 No.1, January 20113 杨福家，原子物理，高等教育出版社，1990.4:280-2854 王元熙，X射线及X射线衍射，高等教育出版社，1988.8:201-2035 丁富荣，辐射物理，北京大学出版社，20046 周光湖，计算机断层摄影原理及应用，成都电讯工程学院出版社，1986.67 庄天戈，CT原理及算法，上海交通大学出版社，1992.7:22-25 谢谢!。