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        平行束多孔準直X射線熒光CT模擬研究

        2018-06-04 06:27:58劉亞楠重慶工商職業(yè)學院
        數(shù)碼世界 2018年5期

        劉亞楠 重慶工商職業(yè)學院

        傳統(tǒng)(常規(guī))X射線熒光CT(X-ray Fluorescence Computed Tomography, XFCT)基于“平移-旋轉”方式掃描成像,耗時巨大。如何提高XFCT的掃描速度,一直是研究熱點領域。以此為出發(fā)點,本文將平行束投影與多孔準直相結合,探討在無需“平移”條件下的XFCT成像的可行性。本文首先闡述基于多孔準直XFCT成像的基本原理,并采用Monte Carlo方法模擬了投影數(shù)據(jù)用于驗證成像,最后分析XFCT圖像質量與納米金粒子(GNPs)濃度之間的關系。

        1 X射線熒光CT原理

        基于多孔準直的X射線熒光CT系統(tǒng),原理如圖1所示,主要由X射線管源、轉臺、CCD陣列探測器、多孔準直器、X射線熒光探測器陣列以及計算機構成。入射X射線經(jīng)過準直入射到樣品,覆蓋整個成像截面。樣品中的痕量元素受X射線激發(fā),各向同性地發(fā)出熒光X射線,其中,部分熒光X射線經(jīng)多孔準直器到達具有能譜分辨能力的X射線熒光探測器。計算機讀取每個探測單元的能譜數(shù)據(jù)分析處理后,即可獲得探測到的X射線熒光光子數(shù)目(即投影)。掃描過程中,旋轉樣品即可獲得所有方向上的投影,進而重構出正弦圖并用于X射線熒光CT重建。

        2 Monte Carlo仿真

        整個模型由X射線管源、旋轉平臺、CCDs以及熒光探測器陣列構成。設置中,熒光探測器陣列與入射X射線方向平行,薄束X射線恰好覆蓋整個成像截面,并以3°為間隔對樣本進行旋轉掃描模擬。其中,每一方向的掃描為一次獨立的Monte Carlo模擬,且各方向的掃描模擬相互獨立。

        (1)X射線管源:研究中,首先采用SpekCalc軟件,計算出管壓為120kV,靶材料為鎢的X射線管源經(jīng)0.8mm鈹(Be)1mm錫(Sn)濾波的能譜(如圖2所示),然后在MCNP輸入文件中,使用“源卡”對X射線源進行設置。

        (2)成像模體。成像模體,是由PMMA材料構成的、直徑和高均為6.4cm的圓柱。模體中分別嵌入GNPs濃度分別為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%直徑10mm高2cm的圓柱體(如3所示)。

        (3)多孔準直器。準直器為高4.5cm,長6.4cm,寬5cm的鉛塊,距模體最近距離為1mm。準直孔共64個,直徑為0.5mm,孔間距為0.5mm。

        (4)熒光探測器陣列。熒光探測器陣列單元由F5并結合E卡模擬,能譜分辨率為0.5keV且各探測單元具有相同探測面元。所探測的熒光數(shù)目為記錄譜線減去擬合譜,即可得到該探測單元所記錄的熒光光子數(shù)。將各方向的記錄結果重構,便可得到模體經(jīng)掃描后的正弦圖。

        圖1 基于多孔準直X射線熒光CT原理圖

        圖2 X射線源能譜

        圖3 數(shù)值模體

        3 結果與討論

        經(jīng)過Monte Carlo模擬所得的正弦圖,如圖4所示。圖4(a)是與模體相應的正弦圖。采用FBP算法在未進行吸收校正、加入吸收校正兩種情形下進行重建,重建圖像如圖4(b)和(c)所示。其中,圖(b)和圖(c)分別為未經(jīng)吸收校正和進行吸收校正后的重建圖像;不難看出:圖中 ROI(含GNPs的區(qū)域)的灰度值隨著ROIs中GNPs的濃度增大而增大;經(jīng)過吸收校正的重建圖像,具有更清晰的邊緣。經(jīng)過重建的濃度,如5所示:經(jīng)過吸收校正的濃度,更接近真實值,且相對誤差與未進行吸收校正時相比要小。

        圖4 重建結果 (a)正弦圖 (b)未吸收校正重建圖像 (c)吸收校正后重建圖像

        圖5 重建濃度與真實濃度關系

        4 結論

        本文將平行束投影與多孔準直相結合,探討了僅需旋轉條件下的XFCT成像的可行性。本文在簡要介紹基于多孔準直XFCT成像基本原理的基礎上,仿真產(chǎn)生了投影數(shù)據(jù)用于驗證成像,利用FBP算法重建了模體中ROI區(qū)域,分析了XFCT圖像質量與元素濃度的關系,并討論了吸收校正對重建圖像質量的影響,這對于后續(xù)實驗研究具有一定的指導意義。

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