基于同步辐射光源的双能CT成像方法

近些年来,质子和重离子放射治疗技术在肿瘤治疗中发挥了重要作用。为了更好地制定放疗方案、估计剂量分布,组织中的电子密度值需要作为重要的参数和标准。双能X射线CT成像技术是一种精确求解组织中电子密度分布的方法[1]。双能X射线CT成像技术即在低能和高能2个X射线能量下对检查对象进行CT扫描,根据不同能量射线与物质的相互作用规律并配合双能重建算法,求解出被扫描物体的电子密度及等效原子序数的分布。相对于传统的单能X射线CT成像系统,双能CT成像获得了更多的信息,可以较为准确地对物质进行定量分析,并根据所得到的结果进行物质识别和分辨。因此,其在安全检查领域,尤其是爆炸物、毒品等检测中发挥了不可替代的作用[2]。在医学成像领域,双能技术被应用于骨密度检测、造影剂辨别及软组织对比度增强等方面。

传统的双能CT系统的X射线一般来自X光机,射束硬化等效应对于重建结果影响较为严重,无法获得很好的精度[3]。随着第三代同步辐射光源技术的发展, X射线光源的特性得到了极大的改善,为医学成像领域带来了新的发展。同步辐射光具有高强度、强穿透、高分辨等特性,可以对生物组织进行显微成像,大大提高了图像质量。日本学者Tsunoo、Torikoshi等[4-6]在Spring-8同步辐射装置的BL20B2线站开展过双能X射线CT成像的实验,并对Spring8在成像领域的临床应用进行了研究。经过实验研究,使用同步辐射进行双能CT成像获取电子密度可以将误差控制在2%以内。Dilmanian等[7]在美国的NSLS的医学线站上也开展了类似的研究。国内目前尚未开展类似的研究工作。2009年,我国在上海建造的第三代同步辐射光源向用户开放,为生物组织X射线成像等科学研究提供了良好的实验平台。本文基于此装置的X射线成像线站设计了基于同步辐射光源的双能CT成像实验,并对单色光双能重建算法进行了数值模拟研究。

1　同步辐射X射线CT成像

同步辐射光源所产生的X射线具有优越的性能。我国建成的上海光源属中能第三代同步辐射光源,其电子束能量为3.5 GeV,仅次于日本的Spring-8 (8 GeV)、美国的APS(7 GeV)和欧洲的ESRF(6 GeV)。上海光源所产生的同步辐射光覆盖从远红外到硬X射线的宽广波段,其已经建成了多条实验线站,可以为不同用途、不同射线能量范围的实验研究提供平台。双能X射线CT成像实验需要使用上海光源的生物医学成像线站(BL13W1),其X射线能量范围为8.5~70 keV,通过改变滤波片厚度和材料选择不同的射线能量[8]。整个CT成像系统如图1所示。BL13W1线站的成像系统配置了六维精密转台和高分辨率CCD探测器。基于此装置可以完成显微CT成像实验。