CN115399798A - 光子计数多能谱ct成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光子计数多能谱CT成像装置及方法，其中，成像装置包括：射线发生装置；面阵列探测器，面阵列探测器包括：片状闪烁晶体，其被配置为将射线转换为可见光；片状微通道板，其与片状闪烁晶体一对一耦合，其被配置为对片状闪烁晶体转化的可见光进行选择通过；光电倍增元件，其与片状微通道板耦合，以将经选择通过的可见光转化为闪烁脉冲信号；数据传输工控机，其被配置为与射线发生装置、面阵列探测器通信连接，以控制射线发生装置并接收面阵列探测器的探测数据；图像重建工控机，其被配置为与数据传输工控机通信连接以接收面阵列探测器的探测数据并进行图像重建。本申请能够减少光串扰，提高空间分辨率。

Description

光子计数多能谱CT成像装置及方法

技术领域

本申请涉及CT成像技术领域，具体涉及一种光子计数多能谱CT成像装置及方法。

背景技术

现有CT探测器包括半导体探测器和固态闪烁探测器(即积分型探测器)。目前国际主流的CT厂商基于半导体探测器已开始在光子计数领域进行布局。现有的光子计数X射线探测器主要基于半导体硅、碲化镉、碲锌镉等，尽管这些光子计数探测器具有优异的X射线探测性能，但是碲化镉和碲锌镉探测器存在的对于高通量X射线的不耐受和极化效应、读出电路复杂、价格高昂、以及镉金属会导致环保风险等问题都极大地限制了其应用。CT***中采用的固态闪烁探测器包括闪烁晶体和光电转换器件，高能射线会被闪烁晶体转换为可见光信号，该可见光信号进一步被光电转换器件转换为闪烁脉冲信号，在该过程中，成像空间分辨率对于最终的成像质量具有重要影响，而目前的成像空间分辨率有待提高。以小动物光子计数多能谱CT成像为例，小动物CT需要单个光电转换器件尺寸尽量小以提高成像空间分辨率，现有探测器闪烁晶体与光电转换器件一对一耦合，单个闪烁晶体需要光屏蔽，即在单个晶体外部包裹一层防止光串扰的防反射材料。单个闪烁晶体无法切割至所需要的足够小的尺寸，而且包裹防反射材料后的单个像素的整体尺寸进一步增大，因此，探测器单个像素的尺寸不可能做到很小，影响了成像空间分辨率，无法用于小动物显微CT成像。

发明内容

本申请旨在提供一种光子计数多能谱CT成像装置及方法，以解决上述至少一个问题。

本申请提供的光子计数多能谱CT成像装置，包括：射线发生装置；面阵列探测器，所述面阵列探测器包括：片状闪烁晶体，其被配置为将射线转换为可见光；片状微通道板，其与所述片状闪烁晶体一对一耦合，其被配置为对所述片状闪烁晶体转化的所述可见光进行选择通过；光电倍增元件，其与所述片状微通道板耦合，以将经选择通过的可见光转化为闪烁脉冲信号；数据传输工控机，其被配置为与所述射线发生装置、所述面阵列探测器通信连接，以控制所述射线发生装置并接收所述面阵列探测器的探测数据；图像重建工控机，其被配置为与所述数据传输工控机通信连接以接收所述面阵列探测器的探测数据并进行图像重建。

根据本申请的一个实施例，所述片状闪烁晶体与所述片状微通道板准直器的厚度比介于1:3～1:5之间。

根据本申请的一个实施例，所述片状闪烁晶体与所述片状微通道板准直器之间设有硅脂，所述片状微通道板准直器与所述光电倍增元件之间设有硅脂。

根据本申请的一个实施例，所述片状微通道板准直器的厚度与微通道直径的比值介于8:1～10:1之间。

根据本申请的一个实施例，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括多电压阈值数字化读出采集卡，其被配置为对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集。

根据本申请的一个实施例，所述多电压阈值数字化读出采集卡被配置为对闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取所述闪烁脉冲信号的幅值信息，按所述闪烁脉冲信号的幅值信息对应的能量区间对所述闪烁脉冲信号分类计数。

根据本申请的一个实施例，所述多电压阈值数字化读出采集卡配备有多电压阈值数字化读出电路，在多电压阈值数字化读出电路内根据所述光子的能量预设所述能量区间，所述多电压阈值数字化读出电路包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括：多个比较器，其被配置为预设多个与闪烁脉冲信号幅值相对应的阈值，相邻两阈值之间构成阈值区间，所述阈值区间对应不同的能量区间；所述闪烁脉冲信号的幅值信息为所述脉冲信号的幅值对应的阈值区间；多个计数元件，其与所述多个比较器一一对应，且其被配置为根据所述闪烁脉冲信号幅值信息对应的能量区间对所述闪烁脉冲信号进行分类计数。

根据本申请的一个实施例，所述比较器为多电压阈值数字化读出采集卡的多个低压差分信号输入端口LVDS。

根据本申请的一个实施例，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括图像重建模块，其被配置为对多电压阈值数字化读出采集卡采集的数字化信息进行图像重建。

根据本申请的一个实施例，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括可更换电源，所述可更换电源为所述射线发生装置、所述面阵列探测器、所述数据传输工控机以及所述图像重建工控机供电。

根据本申请的一个实施例，所述可更换电源为模块化的组合蓄电池。

根据本申请的一个实施例，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括旋转元件，所述射线发生装置、所述面阵列探测器、所述可更换电源、所述数据传输工控机、所述图像重建工控机在所述旋转元件上按均匀排布。

根据本申请的一个实施例，所述旋转元件设有开孔，运动控制床可移动穿过所述开孔。

根据本申请的一个实施例，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括光栅元件，其被配置为监测所述旋转元件的转动角度信号并反馈至数据传输工控机。

本申请提供的光子计数多能谱CT成像方法，包括以下步骤：采用图像重建工控机进行快速预扫描，以调整运动控制床至与射线发生装置相匹配的扫描位置；所述图像重建工控机通过数据传输工控机控制所述射线发生装置启动；采用面阵列探测器对经过被测物衰减后的射线分能量区间计数，以生成投影数据；数据传输工控机接收所述投影数据并将其传送至图像重建工控机进行图像重建。

根据本申请的一个实施例，采用面阵列探测器对经过被测物衰减后的射线分能量区间计数，以生成投影数据，包括：采用所述面阵列探测器对所述射线进行探测以获取闪烁脉冲信号；利用多电压阈值数字化读出采集卡对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取所述闪烁脉冲信号的幅值信息，根据所述闪烁脉冲信号的幅值信息确定对应的能量区间以对所述闪烁脉冲信号分类计数，以生成投影数据。

根据本申请的一个实施例，利用多电压阈值数字化读出采集卡对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取所述闪烁脉冲信号的幅值信息，根据所述闪烁脉冲信号的幅值信息确定对应的能量区间以对所述闪烁脉冲信号分类计数，采用多电压阈值数字化读出电路实现。

根据本申请的一个实施例，在多电压阈值数字化读出电路内根据所述光子的能量预设所述能量区间，所述能量区间与所述阈值区间对应；所述多电压阈值数字化读出电路包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括多个比较器及与所述多个比较器一一对应的计数元件；采用所述多个比较器预设多个阈值，比较所述闪烁脉冲信号的幅值与预设的所述多个阈值，获取所述闪烁脉冲信号达到的最高阈值，以确定所述闪烁脉冲信号的幅值对应的阈值区间；根据所述闪烁脉冲信号的幅值对应的阈值区间确定所述闪烁脉冲信号对应的能量区间，采用所述多个计数元件对所述闪烁脉冲信号按能量区间分类计数。

根据本申请的一个实施例，在多电压阈值数字化读出采集卡内预设多个阈值、比较所述闪烁脉冲信号的幅值与预设的所述多个阈值采用所述多电压阈值数字化读出采集卡的比较器实现。

根据本申请的一个实施例，所述多电压阈值数字化读出电路包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括多个所述比较器。

根据本申请的一个实施例，采用可更换电源为所述图像重建工控机、运动控制床、射线发生装置、数据传输工控机、光子计数探测装置供电。

本申请提供的光子计数多能谱CT成像装置及方法，采用包括片状闪烁晶体、片状微通道板、光电倍增元件阵列的面阵列探测器，使得探测器像素由光电倍增元件的最小尺寸决定，此时可以使单个光电倍增元件做出需要的小尺寸，提高了分辨率，片状微通道板对闪烁晶体转化的可见光进行选择，一定角度的可见光通过其微通道入射到光电倍增元件以减小光串扰，使得所述闪烁晶体外部不需要包裹防反射材料，可以有效利用所述闪烁晶体的探测面积。

附图说明

下面结合附图详细说明本公开的实施方式。这里，构成本公开一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解。本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。附图中：

图1示出根据本申请示例实施例的光子计数多能谱CT成像装置的探测器的结构示意图；

图2示出根据本申请示例实施例的光子计数多能谱CT成像装置的另一结构示意图；

图3示出根据本申请示例实施例的光子计数多能谱CT成像装置的主视图；

图4示出根据本申请示例实施例的光子计数多能谱CT成像装置的左视图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本申请。

如图1所示，根据本申请示例实施例，本申请公开的光子计数多能谱CT成像装置具有面阵列探测器100，该面阵列探测器100包括：片状闪烁晶体110，其被配置为将射线转换为可见光，射线包括X射线、γ射线以及中子射线、质子射线、β射线等高能射线；片状微通道板120，其与片状闪烁晶体110一对一耦合，其被配置为对片状闪烁晶体110转化的可见光进行选择通过；光电倍增元件130，光电倍增元件130阵列与片状微通道板120耦合，以将经选择通过的可见光转化为闪烁脉冲信号；其中，片状微通道板120选择以一定角度的可见光通过其微通道入射到光电倍增元件130以减小光串扰。

本申请中的探测器100采用片状(或面状)闪烁晶体110、片状微通道板120与光电倍增元件130的阵列耦合的面阵列探测器，使得探测器像素由光电倍增元件130的最小尺寸决定，此时可以使单个光电倍增元件130加工至所需的小尺寸，提高了分辨率；而且X光子转化的可见光通过片状微通道板120选择一定角度的可见光通过其微通道入射到光电倍增元件130以减小光串扰，使得闪烁晶体外部不需要包裹防反射材料，可以有效利用闪烁晶体的探测面积。本申请通过在片状(或面状)闪烁晶体110与光电倍增元件130之间增设片状微通道板120，以过滤掉以较大倾斜角度射入光电倍增元件的可见光光子，即选择在一定角度方向上的可见光光子通过微通道进入光电倍增元件，减小了光串扰。

在一实施例中，面阵列探测器的光电倍增元件130为硅光电倍增管(即SiPM)。片(面)状闪烁晶体110与片(面)状微通道板120一对一耦合，并与SiPM阵列耦合组成闪烁晶体/微通道板/SiPM面阵列探测器，面阵列探测器的像素由SiPM最小尺寸决定。单个SiPM尺寸可降低至200μm，甚至更小，采用更小像素尺寸的探测器配合可调节的不同放大比，能够实现小动物CT更高清分辨率的CT成像。同时，由于使用SiPM光子芯片，在灵敏度、增益和动态范围方面具有一定的优势，能够探测更低光强，甚至可对单光子进行计数，特别适用于低剂量及超低剂量CT成像。

在一优选实施例中，本申请的面阵列探测器的闪烁晶体110采用背景辐射低的硅酸钇镥晶体，但不限于此。使用闪烁晶体110替代半导体，克服了基于半导体材料的光子计数探测器感光元件对高通量X射线的不耐受问题。

在一实施例中，所述片状闪烁晶体110与所述片状微通道板120沿射线辐射方向的厚度比介于1:3-1:5之间，从而可以提高减小光串扰的效果。在一优选实施例中，所述片状微通道板120的厚度与微通道直径的比值介于8:1-10:1之间，从而可以进一步提高减小光串扰的效果。进一步地，所述可见光通过片状微通道板选择以0-30度的角度的所述可见光通过其微通道入射到光电倍增元件以减小光串扰。

在一实施例中，所述片状闪烁晶体110与所述片状微通道板120之间设有硅脂，所述片状微通道板120与所述光电倍增元件130之间设有硅脂，从而使可见光更好地入射至硅光电倍增管。

在一实施例中，探测器100还可以包括多电压阈值(MVT)数字化读出采集卡，其被配置为对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集。通过采用多电压阈值数字化读出采集卡实现数字化读出，可以准确提取出单个事件的位置、能量、时间信息，完成信号的高精准度还原，实现多能谱CT的数据准确获取。

在一实施例中，本申请的光子计数多能谱CT成像装置还可以包括图像重建模块，其被配置为对多电压阈值数字化读出采集卡采集的数字化信息进行图像重建。所述图像重建模块的结构设计可以采用现有技术，在此不作赘述。

在一实施例中，本申请的光子计数多能谱CT成像装置还可以包括射线发生装置，其被配置为向所述探测装置发射射线，所述射线可以包括X射线、伽马射线、中子射线、质子射线、β射线等。

如图2所示，本申请另一实施例的光子计数多能谱CT成像装置具有探测器200，该探测器200具有根据光子能量划分的至少一个能量区间，探测器200中的多电压阈值数字化读出采集卡210被配置为对闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取所述闪烁脉冲信号的幅值信息，按所述闪烁脉冲信号的幅值信息对应的能量区间对所述闪烁脉冲信号分类计数。

在一实施例中，多电压阈值数字化读出采集卡210配备有多电压阈值(MVT)数字化读出电路，在多电压阈值数字化读出电路内根据所述光子的能量预设所述能量区间，多电压阈值数字化读出电路包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括：多个比较器，其被配置为预设多个与闪烁脉冲信号幅值相对应的阈值，相邻两阈值之间构成阈值区间，所述阈值区间对应不同的能量区间；所述闪烁脉冲信号的幅值信息为所述脉冲信号的幅值对应的阈值区间；多个计数元件，其与所述多个比较器一一对应，且其被配置为根据所述闪烁脉冲信号幅值信息对应的能量区间对所述闪烁脉冲信号进行分类计数。

通过多电压阈值数字化读出采集卡210配备的专用数字化读出电路MVT，使得到达光子计数探测装置的射线光子以脉冲的方式被记录，记录的脉冲的幅值与光子能量相关，并且将不同能量的光子计数加到相应的能量段内。脉冲的幅值对应射线光子的能量，脉冲数则对应光子的数量。通过设置多个与闪烁脉冲信号幅值相对应的电子学***阈值，可以滤除能量较低的脉冲，消除低能噪声对成像结果的影响。同时甄别不同幅值高度的脉冲信号，识别其能量信息并对应到不同的能区分别进行累计，将较宽的能谱分布按照设置的能量区间进行计数，得到不同能量区间的成像信息。同时采用专用的多电压阈值数字化读出采集卡120可实现多通道测量，避免了大量ADC的使用，大大降低光子计数探测装置的成本。

在一实施例中，比较器为多电压阈值数字化读出采集卡210的芯片的多个低压差分信号输入端口LVDS。

鉴于目前CT***中采用较为常用的固态闪烁探测器即积分型探测器，其通过一定时间的电荷积分得到X射线的总沉积能量，其结果反映的是X射线的平均衰减特性，损失了X射线的能量信息，能量积分探测器最大的问题就是存在暗电流从而导致了低剂量情况下图像信噪比的恶化。因此，本申请采用光子计数探测器，可根据光子的能量划分为一个或多个能量区间，并对检测到的各能量区间的光子进行计数，实现多能谱CT成像，且通过设定合适的阈值可以消除暗电流导致的电子噪声，有助于降低辐射剂量，得到较高信噪比，实现低剂量CT成像；同时采用专用的多电压阈值数字化读出采集卡能实现多个能量通道同时测量。

本申请一实施例提供一种光子计数探测***，包括：光子计数探测装置；数据传输工控机，其被配置为与所述光子计数探测装置通信连接以接收探测器的探测数据；图像重建工控机，其被配置为与所述数据传输工控机通信连接以接收所述探测数据并进行图像重建。数据传输工控机可采用计算机、单片机、ARM(Acorn RISCMachine，处理器)或者FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)等，数据传输工控机通过CameraLink方式与光子计数探测装置连接以接收光子计数探测装置所探测到的投影数据；图像重建工控机工控机作为上位机，与数据传输工控机实现无线互联，可对整个***进行控制并存储数据，以及进行图像处理。在一实施例中，图像重建工控机为计算机，优选为性能优越的工业计算机。

如图3所示，本申请一实施例提供一种小光子计数多能谱CT成像装置，包括：

射线发生装置400；本申请实施例所述的探测器200；数据传输工控机600，其被配置为与所述射线发生装置400、所述探测器200通信连接，以控制所述射线发生装置400并接收所述探测器200的探测数据；图像重建工控机700，其被配置为与所述数据传输工控机600通信连接以接收所述探测器200的探测数据进行图像重建。数据传输工控机600、图像重建工控机700的具体设计可以参考光子计数探测***，在此不做赘述。

如图3所示，本申请提供的动物光子计数多能谱CT成像***10000，还包括：运动控制床500；射线发生装置400；探测器200；数据传输工控机600，其被配置为与射线发生装置400以及探测器200通信连接，以控制射线发生装置400并接收探测器200的投影数据；图像重建工控机700，其被配置为与数据传输工控机600通信连接以接收探测器200的投影数据并进行图像重建。其中，射线发生装置400产生射线，比如X射线或伽马射线；探测器200的闪烁晶体/微通道板/SiPM探测器单元与多电压阈值数字化读出采集卡构成的多排面阵列光子计数探测装置检测透过被测物(小动物)的射线，对不同能量射线进行计数，实现小动物光子计数多能谱CT成像。

在本申请实施例中，射线发生装置400用于向探测器200发射射线，在优选实施例中以X射线球管为射线发生装置，其重量较重，需要的功率也较大。射线经过被测物(小动物)衰减后到达光子计数探测装置，被探测器200探测后生成投影数据。

在一实施例中，数据传输工控机600、图像重建工控机700均为带有无线传输的工控机。数据传输工控机600、图像重建工控机700的重量比X射线球管轻。

数据传输工控机600将相应的控制信号发送给射线发生装置400，以控制射线开启，射线经过被测物(小动物)衰减后被探测器200探测生成的投影数据传送至数据传输工控机。

图像重建工控机700安装在CT支架上，具有CT成像***操作界面，且预设有扫描协议。通过对CT成像***操作界面中软件进行调整，可以控制被测物即如小动物的快速预扫描。安装在CT支架上的图像重建工控机作为上位机，与数据传输工控机实现无线互联，可对整个***进行控制并存储数据，以及进行图像处理。数据传输工控机将数据传输到安装在CT支架上的图像重建工控机，当完成扫描后，图像重建工控机将接收到的投影数据后进行重建，后处理，可视化。

在一实施例中，动物光子计数多能谱CT成像***10000还包括可更换电源1200，采用可更换电源1200为***提供电源。

在本申请一实施例中，采用的可更换电源1200为模块化的组合蓄电池。所述蓄电池为定制容量蓄电池，有不同的电压和电流输出，满足射线发生装置、光子计数探测器、带有无线传输的工控机等不同的供电需求，且可以针对不同设备的用电需求采用不同规格的蓄电池进行组合，可以使得设备整体合理配重，还可以方便及时补给电量，提高扫描效率，采用模块化的组合蓄电池能够保证一定数量的CT扫描供电需求。具体地，模块化的组合蓄电池包括用于为射线发生装置供电的蓄电池、为光子计数探测装置供电的蓄电池、为数据传输工控机、图像重建工控机供电的蓄电池等，还包括不同规格的备用蓄电池，各蓄电池的电量与其所供电的部件相关，在一示例中，射线发生装置需要的功率最大，工控机次之，光子计数探测装置需要的功率最小，相应配备的蓄电池容量不同，为射线发生装置供电的蓄电池容量最大，也最重，为工控机供电的蓄电池容量次之，重量居中，为光子计数探测装置供电的蓄电池容量最小，重量也最轻。

在一实施例中，可更换电源1200配备有电池电量检测***。电池电量检测***用于实时监测电量，且与数据传输工控机通信连接，将实时电量信息传送至数据传输工控机。电池电量检测***内预设有CT扫描所需电量，在扫描进行过程中实时监测电量，当在正在进行的扫描过程中监测到目前供电的电池电量不足以支持该次扫描工作完成时，自动计算目前所缺电量，并从模块化电池组合中自动选择与所缺电量匹配的合适电量的辅助电池，继续供电至该扫描完成即可，通过及时选择合适的备用蓄电池补给电量，提高了扫描效率。在另一实施例中，电量不够一次CT扫描使用，也可以对蓄电池充电。

在一实施例中，动物光子计数多能谱CT成像***10000还包括旋转元件300。数据传输工控机600中具有运动控制器以控制旋转元件300。在优选实施例中，旋转元件300为运动转盘，但不限于此。在一实施例中，运动转盘由直驱伺服电机驱动转动，运动转盘后端通过中空回转轴承端子与直驱伺服电机1000连接。运动转盘用于固定射线发生装置、光子计数探测装置、模块化的组合蓄电池、数据传输工控机600等设备。数据传输工控机600安装在运动转盘上，数据传输工控机中的运动控制器用于控制运动转盘，通过数据传输工控机600实现运动转盘上部件的控制，包括运动控制床500的运动控制、探测器200的采集控制、投影数据存储和传输、可更换电源1200的电池电量实时监测。

基于射线发生装置400最重，带有无线传输的数据传输工控机600次之，探测器200最轻，射线发生装置400、探测器200、可更换电源1200、数据传输工控机600在旋转元件300上按呈多边形排布，以确保整个运动转盘旋转重心稳定。运动转盘控制射线发生装置和光子计数探测装置相对于被测物整体转动，以采集不同角度下被测物的投影数据。

在一实施例中，动物光子计数多能谱CT成像***10000还包括光栅元件1100，光栅元件1100设置于旋转元件，其被配置为监测旋转元件300的转动角度信号并将其反馈至数据传输工控机600。在具体实施例中，光栅元件1100包括但不限于光栅尺。光栅尺设于运动转盘上，用于获得CT成像时运动转盘转动的准确位置。光栅尺与射线发生装置400、探测器200、可更换电源1200、数据传输工控机600等呈多边形排布。运动转盘的转动角度信号通过光栅尺反馈至数据传输工控机，这样探测器200可以记录每一角度的投影。当完成整个360°的扫描后，图像重建工控机700将接收到全角度的投影数据后进行重建，后处理，可视化。可更换电源1200还包括为光栅尺供电的蓄电池。

根据本发明的实施例，蓄电池为运动转盘上呈多边形排布的射线发生装置、光子计数探测装置、可更换电源、数据传输工控机、光栅元件等所有设备供电，可充电可拆卸更换；蓄电池为定制容量蓄电池，有不同的电压和电流输出，满足射线发生装置、光子计数探测器、带有无线传输的工控机不同的供电需求。本申请实施例使用蓄电池替代滑环供电，并能够保证一定数量的CT扫描供电需求，配有电池电量检测***，与带有无线传输的工控机交互信息，可以做到实时监测电量。电量不够一次CT扫描使用，更换已充完电的另外一组配套电池或等待充电即可。

在一实施例中旋转元件300设有开孔310，优选地，开孔310设于旋转元件300的中心，以运动转盘作为旋转元件时，开孔310设于运动转盘的中心。开孔310的孔径大于被测物(小动物)和最大有效探测视野，配有位置校准工装以便激光校准。运动转盘后端通过中空回转轴承端子与直驱伺服电机1000连接。

在一实施例中，运动控制床500实现被测物(小动物)测量时定位和进动，运动控制床500由前后运动伺服电机900和上下运动伺服电机800驱动实现前后和上下运动。

运动控制床500可移动穿过运动转盘中心的开孔310。运动转盘的开孔310孔径大于被测物(小动物)和最大有效探测视野直径，运动转盘配有位置校准工装进行以对运动控制床进行激光校准。根据本发明的一个实施例，运动控制床根据激光准直确定校正坐标的坐标原点，一束激光设置在射线发生装置正中，照射至探测器正中，另一束激光准直照射运动转盘中心。根据预扫描的图像调整运动控制床初始位置，以便确定锥束CT一次照射范围和螺旋CT起始位置。

根据本发明的一个实施例，该CT***使用铅板作为屏蔽外壳，同时更换被测物的门也是有铅板作为屏蔽壳。被测物门没有闭合时，射线发生装置无法启动。另外，CT***设计有双路急停开光，用于控制射线发生装置和直驱伺服电机、前后运动伺服电机和上下运动伺服电机的伺服电机控制器同时紧急停止工作。

本申请实施例的小动物光子计数多能谱CT成像***的工作流程如下：

对小动物关键组织局部高分辨扫描的锥束小动物光子计数多能谱CT成像运行控制流程：将要检测的小动物麻醉后固定至运动控制床500上，关闭被测物铅屏蔽门；打开安装在CT支架上带有无线传输的图像重建工控机700中CT成像***操作界面，进行快速预扫描，确定被测物(小动物)的位置是否合适，若不合适，通过CT成像***操作界面中软件进行调整，直至到达合适位置；选择扫描协议，扫描指令通过无线传输发送给安装在运动转盘上的数据传输工控机600；数据传输工控机600中运动控制器控制运动转盘，数据传输工控机600将相应的控制信号发送给射线发生装置400，射线开启后，经过被测物衰减后到达探测器200，被探测器200探测后生成投影数据；运动转盘的转动角度信号通过光栅尺反馈至数据传输工控机600，探测器200记录每一角度的投影。安装在运动转盘上的数据传输工控机600将数据传输到安装在CT支架上的图像重建工控机700，当完成整个360°的扫描后，安装在CT支架上的图像重建工控机将接收到全角度的投影数据后进行重建，后处理，可视化，最终显示在图像重建工控机界面中。

在本申请实施例中，对于小动物全身扫描，需要进行螺旋CT，通过切换为螺旋扫描方式实现。运行控制流程：

将要检测的小动物麻醉后固定至运动控制床上，关闭被测物铅屏蔽门；打开安装在CT支架上带有无线传输的图像重建工控机700中CT成像***操作界面，进行快速预扫描，确定被测物(小动物)的初始测量位置是否合适，若不合适，通过CT成像***操作界面中软件进行调整，直至到达合适位置；选择扫描协议，扫描指令对运动控制床500进行控制，同时通过无线传输发送给安装在运动转盘上的数据传输工控机600，数据传输工控机600中运动控制器控制运动转盘；数据传输工控机600将相应的控制信号发送给射线发生装置400，射线开启后，经过被测物衰减后到达探测器200，被探测器200探测后生成投影数据；运动转盘的转动角度信号通过光栅尺反馈至数据传输工控机600，探测器200记录每一角度的投影。安装在运动转盘上的数据传输工控机600将数据传输到安装在CT支架上的图像重建工控机700，当完成整个360°的扫描后，安装在CT支架上的图像重建工控机700将接收到全角度的投影数据后进行重建，后处理，可视化，最终显示在图像重建工控机700界面中。

目前小动物锥束CT应用比较广泛，锥束CT一般采用平板探测器。而现有用于小动物光子计数多能谱CT成像***的探测装置的探测器的面阵列不能做到很大尺寸(仅一排或几排)，在一定程度上限制了锥束CT的应用。本申请采用多排面阵列探测器，可以满足锥束CT成像需求，实现小动物一些关键组织局部高分辨扫描。而对于小动物全身扫描通过切换螺旋扫描方式完成。因此，本申请通过采用多排面阵探测器，可切换锥束和螺旋扫描方案，能够满足多能谱CT成像的各种需求和使用环境。

本申请还提供一种小光子计数多能谱CT成像方法，包括：

采用图像重建工控机进行快速预扫描，以调整运动控制床至与射线发生装置相匹配的扫描位置；

图像重建工控机通过数据传输工控机控制射线发生装置启动；

采用本申请上述实施例所述的探测器对经过被测物衰减后的射线分能量区间计数，以生成投影数据；

数据传输工控机接收所述投影数据并将其传送至图像重建工控机进行图像重建。

在一实施例中，采用可更换电源为所述图像重建工控机、运动控制床、射线发生装置、数据传输工控机、光子计数探测装置供电。在优选实施例中，所述可更换电源为模块化的组合蓄电池。

在一实施例中，采用光子计数探测器对经过被测物衰减后的射线分能量区间计数，以生成投影数据，包括：

采用本申请实施例的探测器对射线进行探测以获取闪烁脉冲信号；

利用多电压阈值数字化读出采集卡对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取所述闪烁脉冲信号的幅值信息，根据所述闪烁脉冲信号的幅值信息确定对应的能量区间以对所述闪烁脉冲信号分类计数，以生成投影数据。

在一实施例中，利用多电压阈值数字化读出采集卡对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取闪烁脉冲信号的幅值信息，根据闪烁脉冲信号的幅值信息确定对应的能量区间以对闪烁脉冲信号分类计数，采用配置于其内的多电压阈值数字化读出电路实现。

在本申请实施例中，“利用多电压阈值数字化读出采集卡对闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取闪烁脉冲信号的幅值信息”的步骤包括：在多电压阈值数字化读出采集卡内预设多个阈值；比较闪烁脉冲信号的幅值与预设的多个阈值，并获取闪烁脉冲信号达到的最高阈值，以确定闪烁脉冲信号的幅值对应的阈值区间。

在一实施例中，在多电压阈值数字化读出采集卡内预设多个阈值采用多电压阈值数字化读出采集卡的比较器实现。具体地，多电压阈值数字化读出采集卡内配置有多电压阈值数字化读出电路，多电压阈值数字化读出电路包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括多个比较器。在一优选实施例中，比较器为多电压阈值数字化读出采集卡的芯片的多个低压差分信号输入端口LVDS。

在一实施例中，相邻两阈值之间构成阈值区间，闪烁脉冲信号的幅值信息为脉冲信号的幅值对应的阈值区间。

在一实施例中，比较闪烁脉冲信号的幅值与预设的多个阈值采用多电压阈值数字化读出采集卡的比较器实现。比较器为多电压阈值数字化读出采集卡的芯片的多个低压差分信号输入端口LVDS。

在一实施例中，在多电压阈值数字化读出采集卡内根据光子的能量预设能量区间，能量区间与阈值区间对应。

在一实施例中，“根据幅值信息确定对应的能量区间以对所述闪烁脉冲信号分类计数”的步骤包括：根据闪烁脉冲信号的幅值对应的阈值区间确定闪烁脉冲信号对应的能量区间，对闪烁脉冲信号按能量区间分类计数。

在一优选实施例中，对闪烁脉冲信号按能量区间分类计数采用计数元件实现。

在一实施例中，多电压阈值数字化读出电路的每个读出通道包括多个计数元件。

在本申请另一实施例中，步骤“利用多电压阈值数字化读出采集卡对闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取闪烁脉冲信号的幅值信息，根据闪烁脉冲信号的幅值信息确定对应的能量区间以对闪烁脉冲信号分类计数”采用配置于其内的多电压阈值数字化读出电路实现。

在一优选实施例中，在多电压阈值数字化读出采集卡内根据光子的能量预设能量区间，能量区间与阈值区间对应；多电压阈值数字化读出采集卡包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括多个比较器及与多个比较器一一对应的计数元件；采用多个比较器预设多个阈值，比较闪烁脉冲信号的幅值与预设的多个阈值，获取闪烁脉冲信号达到的最高阈值，以确定闪烁脉冲信号的幅值对应的阈值区间；根据闪烁脉冲信号的幅值对应的阈值区间确定闪烁脉冲信号对应的能量区间，采用多个计数元件对闪烁脉冲信号按能量区间分类计数。

本申请实施例中所述的装置可以结合本申请实施例中所述的方法特征，反之亦然。

在本文中，针对多个实施例进行了描述，但为简明起见，各实施例的描述并不是详尽的，各个实施例之间相同或相似的特征或部分可能会被省略。在本文中，“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”意指适用于根据本申请的至少一个实施例或示例中，而非所有实施例。上述术语并不必然意味着指代相同的实施例或示例。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上所述仅为本公开的示例实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，包括：

射线发生装置；

面阵列探测器，所述面阵列探测器包括：片状闪烁晶体，其被配置为将射线转换为可见光；片状微通道板，其与所述片状闪烁晶体一对一耦合，其被配置为对所述片状闪烁晶体转化的可见光进行选择通过；光电倍增元件，其与所述片状微通道板耦合，以将经选择通过的可见光转化为闪烁脉冲信号；

数据传输工控机，其被配置为与所述射线发生装置、所述面阵列探测器通信连接，以控制所述射线发生装置并接收所述面阵列探测器的探测数据；

图像重建工控机，其被配置为与所述数据传输工控机通信连接以接收所述面阵列探测器的探测数据并进行图像重建。

2.根据权利要求1所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述片状闪烁晶体与所述片状微通道板准直器的厚度比介于1:3～1:5之间。

3.根据权利要求1所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述片状微通道板准直器的厚度与微通道直径的比值介于8:1～10:1之间。

4.根据权利要求1所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述片状闪烁晶体与所述片状微通道板准直器之间设有硅脂，所述片状微通道板准直器与所述光电倍增元件之间设有硅脂。

5.根据权利要求1所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括多电压阈值数字化读出采集卡，其被配置为对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集。

6.根据权利要求5所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述多电压阈值数字化读出采集卡被配置为对闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取所述闪烁脉冲信号的幅值信息，按所述闪烁脉冲信号的幅值信息对应的能量区间对所述闪烁脉冲信号分类计数。

7.根据权利要求6所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述多电压阈值数字化读出采集卡配备有多电压阈值数字化读出电路，在多电压阈值数字化读出电路内根据所述光子的能量预设所述能量区间，所述多电压阈值数字化读出电路包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括：

多个比较器，其被配置为预设多个与闪烁脉冲信号幅值相对应的阈值，相邻两阈值之间构成阈值区间，所述阈值区间对应不同的能量区间；所述闪烁脉冲信号的幅值信息为所述脉冲信号的幅值对应的阈值区间；

多个计数元件，其与所述多个比较器一一对应，且其被配置为根据所述闪烁脉冲信号幅值信息对应的能量区间对所述闪烁脉冲信号进行分类计数。

8.根据权利要求7所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述比较器为多电压阈值数字化读出采集卡的多个低压差分信号输入端口LVDS。

9.根据权利要求5所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括图像重建模块，其被配置为对多电压阈值数字化读出采集卡采集的数字化信息进行图像重建。

10.根据权利要求1所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括可更换电源，所述可更换电源为所述射线发生装置、所述面阵列探测器、所述数据传输工控机以及所述图像重建工控机供电。

11.根据权利要求10所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述可更换电源为模块化的组合蓄电池。

12.根据权利要求10所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述光子计数多能谱CT成像装置还包括旋转元件，所述射线发生装置、所述面阵列探测器、所述可更换电源、所述数据传输工控机、所述图像重建工控机在所述旋转元件上按均匀排布。

13.根据权利要求12所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，所述旋转元件设有开孔，运动控制床可移动穿过所述开孔。

14.根据权利要求12所述的光子计数多能谱CT成像装置，其特征在于，还包括光栅元件，其被配置为监测所述旋转元件的转动角度信号并反馈至数据传输工控机。

15.一种光子计数多能谱CT成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用图像重建工控机进行快速预扫描，以调整运动控制床至与射线发生装置相匹配的扫描位置；

所述图像重建工控机通过数据传输工控机控制所述射线发生装置启动；

采用面阵列探测器对经过被测物衰减后的射线分能量区间计数，以生成投影数据；

数据传输工控机接收所述投影数据并将其传送至图像重建工控机进行图像重建。

16.根据权利要求15所述的光子计数多能谱CT成像方法，其特征在于，采用面阵列探测器对经过被测物衰减后的射线分能量区间计数，以生成投影数据，包括：

采用所述面阵列探测器对所述射线进行探测以获取闪烁脉冲信号；

利用多电压阈值数字化读出采集卡对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取所述闪烁脉冲信号的幅值信息，根据所述闪烁脉冲信号的幅值信息确定对应的能量区间以对所述闪烁脉冲信号分类计数，以生成投影数据。

17.根据权利要求15所述的光子计数多能谱CT成像方法，其特征在于，

利用多电压阈值数字化读出采集卡对所述闪烁脉冲信号进行数字化采集并获取所述闪烁脉冲信号的幅值信息，根据所述闪烁脉冲信号的幅值信息确定对应的能量区间以对所述闪烁脉冲信号分类计数，采用多电压阈值数字化读出电路实现。

18.根据权利要求17所述的光子计数多能谱CT成像方法，其特征在于，在多电压阈值数字化读出电路内根据所述光子的能量预设所述能量区间，所述能量区间与所述阈值区间对应；所述多电压阈值数字化读出电路包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括多个比较器及与所述多个比较器一一对应的计数元件；

采用所述多个比较器预设多个阈值，比较所述闪烁脉冲信号的幅值与预设的所述多个阈值，获取所述闪烁脉冲信号达到的最高阈值，以确定所述闪烁脉冲信号的幅值对应的阈值区间；

根据所述闪烁脉冲信号的幅值对应的阈值区间确定所述闪烁脉冲信号对应的能量区间，采用所述多个计数元件对所述闪烁脉冲信号按能量区间分类计数。

19.根据权利要求17所述的光子计数多能谱CT成像方法，其特征在于，在多电压阈值数字化读出采集卡内预设多个阈值、比较所述闪烁脉冲信号的幅值与预设的所述多个阈值采用所述多电压阈值数字化读出采集卡的比较器实现。

20.根据权利要求17所述的光子计数多能谱CT成像方法，其特征在于，所述多电压阈值数字化读出电路包括多个数字化读出通道，每个读出通道包括多个所述比较器。

21.根据权利要求15所述的光子计数多能谱CT成像方法，其特征在于，采用可更换电源为所述图像重建工控机、运动控制床、射线发生装置、数据传输工控机、光子计数探测装置供电。

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