光子计数探测器校正方法、装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种光子计数探测器校正方法、装置。

背景技术

医学设备的光子计数探测器(PCD)的能谱CT具有诸多优势，PCD能够测量接受到的光子能量信息，并将相应光子计数分到不同能量区间，这种能谱分辨功能赋予光子计数能谱CT能够获取关于物质成分信息的能力，同时由于PCD的低电子噪声特性和更小的探测器单元尺寸，使得光子计数能谱CT具有更高的分辨率和信噪比。然而由于PCD的本身特性，其最主要缺陷就是所谓的脉冲堆积效应，当探测器单元接受光子时，如果光子依次到达的时间间隔小于一个阈值即死时间，则会形成脉冲堆积，探测器单元便不能正确对入射光子计数。由于多个光子只对应产生一个脉冲，这会导致PCD的计数丢失，时间间隔小同时脉冲的高度也会改变，这也会导致PCD记录到的光谱失真，最终会导致能谱成像得到的图像值不准确，且图像质量降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种光子计数探测器校正方法、装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

第一方面，提供一种光子计数探测器校正方法，包括：

根据所述光子计数探测器输出的光子计数数据，确定所述光子计数数据的各个能量区间的计数率；

根据所述光子计数探测器的脉冲堆积模型以及所述各个能量区间的计数率总和，确定对应的理论计数率；所述脉冲堆积模型表征实际计数率与理论计数率的第一对应关系；

根据所述各个能量区间的计数率以及所述理论计数率，确定各个能量区间的第一堆积补偿量；

采用所述各个能量区间的第一堆积补偿量对对应能量区间的计数率进行校正。

可选地，还包括：

根据校正参数确定各个能量区间的第二堆积补偿量；

根据所述第二堆积补偿量对初始校正计数率进行二次校正；其中，所述初始校正计数率为采用所述第一堆积补偿量对计数率进行校正的校正结果。

可选地，还包括：

分别拟合各个能量区间的残差项，得到表征所述残差项与计数率总和的第二对应关系的多项式；其中，所述残差项为理论计数率与所述初始校正计数率之差；

将所述多项式的系数确定为所述校正参数。

可选地，通过以下步骤构建所述脉冲堆积模型：

在球管输出不同球管强度时，分别获取光子计数探测器的计数率总和样本；

拟合所述球管强度以及所述计数率总和样本，得到球管强度与计数率总和的第一对应关系；

根据所述第一对应关系构建所述脉冲堆积模型。

可选地，根据所述各个能量区间的计数率以及所述理论计数率，确定各个能量区间的第一堆积补偿量，包括：

根据光子入射事件的概率和所述理论计数率确定各个能量区间的能量跃迁系数；

根据能量跃迁系数以及各个能量区间的计数率确定各个能量区间的第一堆积补偿量。

第二方面，提供一种光子计数探测器校正装置，包括：

计数率确定模块，用于根据所述光子计数探测器输出的光子计数数据，确定所述光子计数数据的各个能量区间的计数率；

入射率确定模块，用于根据所述光子计数探测器的脉冲堆积模型以及所述各个能量区间的计数率总和，确定对应的理论计数率；所述脉冲堆积模型表征实际计数率与理论计数率的第一对应关系；

补偿量确定模块，用于根据所述各个能量区间的计数率以及所述理论计数率，确定各个能量区间的第一堆积补偿量；

第一校正模块，用于采用所述各个能量区间的第一堆积补偿量对对应能量区间的计数率进行校正。

可选地，还包括：

第二校正模块，用于根据采用所述第一堆积补偿量对计数率进行校正得到的初始校正计数率，确定各个能量区间的第二堆积补偿量，并根据所述第二堆积补偿量对所述初始校正计数率进行二次校正。

可选地，还包括：

拟合模块，用于分别拟合各个能量区间的残差项，得到表征所述残差项与计数率总和的第二对应关系的多项式；其中，所述残差项为理论计数率与所述初始校正计数率之差；

校正参数确定模块，用于将所述多项式的系数确定为所述校正参数。

可选地，还包括：

模型构建模块，用于在球管输出不同球管强度时，分别获取光子计数探测器的计数率总和样本，拟合所述球管强度以及所述计数率总和样本，得到球管强度与计数率总和的第一对应关系，并根据所述第一对应关系构建所述脉冲堆积模型。

可选地，所述补偿量确定模块包括：

系数确定单元，用于根据光子入射事件的概率和所述理论计数率确定各个能量区间的能量跃迁系数；

补偿量确定单元，用于根据能量跃迁系数以及各个能量区间的计数率确定各个能量区间的第一堆积补偿量。

第三方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的光子计数探测器校正方法。

第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的光子计数探测器校正方法。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明基于表征实际计数率与理论计数率的对应关系的脉冲堆积模型计算堆积补偿量，并对计数率进行校正，此方法实际操作简单，不需要多种材料的模体，且其计算量小而且更为准确，校正效果能够符合临床使用需求。

附图说明

图1为本发明一示例性实施例提供的一种光子计数探测器校正方法的流程图；

图2为本发明一示例性实施例提供的另一种光子计数探测器校正方法的流程图；

图3为本发明一示例性实施例提供的一种实验结果对比图

图4a为本发明一示例性实施例提供的一种脉冲堆积校正对水模的效果图；

图4b为本发明一示例性实施例提供的另一种脉冲堆积校正对水模的效果图；

图5为本发明一示例性实施例提供的一种光子计数探测器校正装置的模块示意图；

图6为本发明一示例性实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

目前，对医疗设备(例如，CT设备、PET设备)的光子计数探测器的校正主要存在两类方式，一类是对脉冲堆积效应进行分析建模，在已知X射线入射能谱、探测器响应、脉冲形状的条件下计算出发生脉冲堆积的输出谱，将此模型加到正向投影模型中，得到较为正确的基物质分解，这类方法的缺点是在实际临床应用中，校正所需的先验信息是很难获得的，此外，解析模型的计算需要很大的计算量，很难实时求解，限制了此类方法的使用。另一类方法是基于实际模体数据进行拟合，建立实际测量值与理论计算值之间的映射关系。这种映射关系可以用拟合模型来表示，将拟合系数保存下来进行校正。这类用实际模体的方法具备一定的实用性，然而其主要问题在于拟合的误差难以保证，为了得到适用性更为广泛的结果，需要遍历多种不同材料的组合，这给实际操作带来很大困难。此外还有使用基于深度学习的一些尝试，当然这种方法依赖于大量的数据集。综上，目前对于光子计数探测器的校正方式非常复杂，计算量大，或者不一定具有实际可操作性，且未必能达到很好的校正效果。

基于上述问题，本发明实施例提供一种光子计数探测器校正方法，此方法实际操作简单，计算量小而且更为准确，校正效果能够符合临床使用需求。

光子计数探测器可以采集/获取不同的能量区间的光子数，不同能量区间的计数率不同，得到第i个能量区间的计数率为m

图1为本发明一示例性实施例提供的一种光子计数探测器校正方法的流程图，该光子计数探测器校正方法包括以下步骤：

步骤101、根据光子计数探测器输出的光子计数数据，确定光子计数数据的各个能量区间的计数率。

光子计数探测器可以是非瘫痪模型的光子计数探测器，也可以是未达到最高计数率的瘫痪模型的光子计数探测器，本发明实施例对此不作特别限定。

光子计数探测器输出的光子计数数据是积分时间内各个能量区间的总计数，可以将光子计数数据除以积分时间得到各个能量区间的计数率。该计数率为实际计数率。能量区间的划分可以根据实际情况自行设置，例如，将能量区间划分为5个分区，分别为：[20keV,45keV]、(45keV,60keV]、(60keV,70keV]、(7keV,90keV]、(9keV,255keV]。

步骤102、根据光子计数探测器的脉冲堆积模型以及各个能量区间的计数率总和，确定对应的理论计数率。

其中，脉冲堆积模型表征实际计数率与理论计数率的第一对应关系，也即实际计数率下脉冲堆积发生的程度。基于该脉冲堆积模型可以确定第i个能量区间的第一堆积补偿量γ

各个能量区间的计数率总和也即所有能量区间的计数率之和，某个探测器单元(由channel和slice标记)的计数率总和为：

m＝∑

其中，m表示计数率总和；m

下面介绍构建脉冲堆积模型的一种实现方式：

S1、在球管输出不同球管强度时，分别获取光子计数探测器的计数率总和样本。

光子计数探测器的理论计数率与入射率存在一一映射，而入射率与X射线球管的球管强度有关，因此可以基于不同球管强度扫描时光子计数探测器的计数率总和样本构建脉冲堆积模型。

球管强度可以通过X射线球管的球管电压和球管电流表征。S1中对某个球管电压下的X射线球管施加不同的球管电流，控制医学设备进行扫描，获得光子计数探测器输出的光子计数数据(该光子计数数据为无模体采集的数据)，并根据该光子计数数据确定对应于各个球管强度的计数率总和样本。

与确定各个能量区间的计数率总和类似的，对应于各个球管强度的计数率总和样本为各个球管强度下所有能量区间的计数率样本之和，而各个能量区间的计数率样本为光子计数数据样本除以积分时间。

在一种实现方式中，采集到的光子计数数据样本表示成以下格式[channel,slice,bin,view]，对各个球管强度采集的光子计数数据样本中对view这个维度的数据进行平均处理，基于平均处理的结果计算计数率总和样本。因为只能对脉冲堆积效应确定性的部分进行校正，对噪声分布的影响等不予考虑。

需要说明的是，S1中的光子计数探测器可以采用步骤101中的光子计数探测器，也可以另外选择参考探测器。由于球管强度和球管电流的线性关系很大程度上影响着脉冲堆积模型建立的准确性，因此本实施例中选用线性度较好的光子计数探测器作为参考探测器获取计数率总和样本。所谓线性度较好也即X射线球管的球管强度与电流呈线性正比或者几乎呈性正比。

光子计数数据采集过程中，医疗设备的机架可以旋转也可以不旋转，设置足够的放线时长，对X射线球管施加的电流范围覆盖临床扫描使用到的各种场景，比如从10mA到500mA，以使得拟合得到的脉冲堆积模型适用于各类场景，普适性较高。

S2、拟合球管强度以及计数率总和样本，得到球管强度与计数率总和的第一对应关系。

在一个实施例中，以球管电流表征球管强度为例，通过以下公式拟合球管强度以及计数率总和样本：

m(I

其中，m(I

m(I

需要说明的是，上述公式只是举例说明，实际应用中还可以通过其他公式拟合球管强度与计数率总和的第一对应关系。

S3、根据第一对应关系构建脉冲堆积模型。

将拟合得到的第一对应关系确定为脉冲堆积模型。

得到脉冲堆积模型之后，将步骤102中的计数率总和代入该脉冲堆积模型即可确定对应的理论计数率。

对公式(2)进行转换，得到：

kI

理论上光子计数探测器的计数率与理论计数率为一一对应关系，可将公式(3)中的线性部分作为理论计数率的一个合理估计，也即将kI

n＝m+Δm(m)； (4)

其中，Δm(m)表征第一堆积补偿量，n表征理论计数率。

基于上述公式推导，证明了可以基于脉冲堆积模型确定第一堆积补偿量，实现对光子计数探测器的校正。

步骤103、根据各个能量区间的计数率以及理论计数率，确定各个能量区间的第一堆积补偿量。

在一个实施例中，步骤103包括：

步骤103-1、根据光子入射事件的概率和理论计数率确定各个能量区间的能量跃迁系数。

步骤103-2、根据能量跃迁系数以及各个能量区间的计数率确定各个能量区间的第一堆积补偿量。

下面介绍公式推导过程：

一个探测器计数对应k+1个光子入射事件的概率为：

/>

一个计数对应的平均事件数为：

其中，k为正整数。

以第一个能量区间的计数率为例，通常第一个能量区间的最高能量阈值设置得较低，当脉冲高度落在第一个能量区间的事件信号发生脉冲堆积时，则脉冲信号往往不会落在第一能量区间，而会跃迁到更高能量区间，因此第一能量区间的计数是对应没有发生脉冲堆积的信号的。

也即第一个能量区间的计数率与理论计数率的对应关系表示如下：

其中，m

将公式(7)进行转换，得到：

n

其中，公式(8)中的2和1.5表示能量跃迁系数。

结合公式(4)可以将m

γ

γ

得到公式(9)之后，将能量跃迁系数以及各个能量区间的计数率代入公式(9)，即可得到各个能量区间的第一堆积补偿量。

步骤104、采用各个能量区间的第一堆积补偿量对对应能量区间的计数率进行校正。

步骤104中的校正公式表示如下：

n′

其中，n′

本发明实施例中，基于表征实际计数率与理论计数率的对应关系的脉冲堆积模型计算堆积补偿量，并对计数率进行校正，此方法实际操作简单，不需要多种材料的模体，且其计算量小而且更为准确，校正效果与I

图2为本发明一示例性实施例提供的另一种光子计数探测器校正方法的流程图，该光子计数探测器校正方法包括以下步骤：

步骤201、根据光子计数探测器输出的光子计数数据，确定光子计数数据的各个能量区间的计数率。

步骤202、根据光子计数探测器的脉冲堆积模型以及各个能量区间的计数率总和，确定对应的理论计数率。

其中，脉冲堆积模型表征实际计数率与理论计数率的第一对应关系。

步骤203、根据各个能量区间的计数率以及理论计数率，确定各个能量区间的第一堆积补偿量。

步骤204、采用各个能量区间的第一堆积补偿量对对应能量区间的计数率进行校正。

步骤201～步骤204的具体实现方式与步骤101～步骤104类似，此处不再赘述。

步骤205、根据校正参数确定各个能量区间的第二堆积补偿量。

下面介绍确定校正参数的一种实现方式：

S1、分别拟合各个能量区间的残差项和理论计数率，得到表征残差项与理论计数率总和的第二对应关系的多项式。

其中，残差项为理论计数率与初始校正计数率之差。需要说明的是，步骤S1中的初始校正计数率可以是步骤204中第一堆积补偿量对对应能量区间的计数率进行校正的校正结果，也可以预先基于实验数据得到。

S2、将多项式的系数确定为所述校正参数。

示例性地，n′

n

将残差项n

其中，a

因此，拟合n

步骤206、根据第二堆积补偿量对初始校正计数率进行二次校正。

其中，初始校正计数率为采用第一堆积补偿量对计数率进行校正的校正结果。

步骤204中的校正公式表示如下：

n

之所以做这步是因为光子计数探测器对光子的响应行为异常复杂，脉冲堆积模型不可能完全很好地描述脉冲堆积的行为，此外，光子计数探测器本身的阈值漂移、极化等等因素也会造成光子计数探测器输出与输入的非线性，将这些因素导致的残差用多项式进行拟合，得到用于对计数率进行校正的第二堆积补偿量Δ

图3为本发明一示例性实施例提供的一种实验结果对比图，图中光子计数探测器的技术划分成5个能量区间，分别为：[20keV,45keV]、(45keV,60keV]、(60keV,70keV]、(7keV,90keV]、(9keV,255keV]，左图是不同球管电流下测试的实际不同能量区间的计数率m

进一步地，以能量区间为[30keV,60keV]、扫描协议140kVp、机架转速为1s、分别以球管电流100mA、200mA、300mA进行扫描得到光子计数探测器(死亡时间为16ns)输出的光子计数数据，采用本发明实施例提供的光子计数探测器校正方法对其进行校正，基于校正结果重建得到的水模图像，参见图4a，图中左、中、右分别对应球管电流100mA、200mA、300mA扫描重建得到的水模图像。由图4a可见三种不同球管电流条件下得到的水模CT均一致，这达到了脉冲堆积校正的预期效果。

又以能量区间为[60keV,255keV]、扫描协议140kVp、机架转速为1s、分别以球管电流100mA、200mA、300mA进行扫描得到光子计数探测器(死亡时间为16ns)输出的光子计数数据，采用本发明实施例提供的光子计数探测器校正方法对其进行校正，基于校正结果重建得到的水模图像，参见图4b，图中左、中、右分别对应球管电流100mA、200mA、300mA扫描重建得到的水模图像。由图4b可见三种不同球管电流条件下得到的水模CT均一致，达到了脉冲堆积校正的预期效果。

与前述光子计数探测器校正方法实施例相对应，本发明还提供了光子计数探测器校正装置的实施例。

图5为本发明一示例性实施例提供的一种光子计数探测器校正装置的模块示意图，该装置包括：

计数率确定模块51，用于根据所述光子计数探测器输出的光子计数数据，确定所述光子计数数据的各个能量区间的计数率；

入射率确定模块52，用于根据所述光子计数探测器的脉冲堆积模型以及所述各个能量区间的计数率总和，确定对应的理论计数率；所述脉冲堆积模型表征实际计数率与理论计数率的第一对应关系；

补偿量确定模块53，用于根据所述各个能量区间的计数率以及所述理论计数率，确定各个能量区间的第一堆积补偿量；

第一校正模块54，用于采用所述各个能量区间的第一堆积补偿量对对应能量区间的计数率进行校正。

可选地，还包括：

第二校正模块，用于根据采用所述第一堆积补偿量对计数率进行校正得到的初始校正计数率，确定各个能量区间的第二堆积补偿量，并根据所述第二堆积补偿量对所述初始校正计数率进行二次校正。

可选地，还包括：

拟合模块，用于分别拟合各个能量区间的残差项和理论计数率，得到表征所述残差项与理论计数率的第二对应关系的多项式；其中，所述残差项为理论计数率与初始校正计数率之差；

校正参数确定模块，用于将所述多项式的系数确定为所述校正参数。

可选地，还包括：

模型构建模块，用于在球管输出不同球管强度时，分别获取光子计数探测器的计数率总和样本，拟合所述球管强度以及所述计数率总和样本，得到球管强度与计数率总和的第一对应关系，并根据所述第一对应关系构建所述脉冲堆积模型。

可选地，所述补偿量确定模块包括：

系数确定单元，用于根据光子入射事件的概率和所述理论计数率确定各个能量区间的能量跃迁系数；

补偿量确定单元，用于根据能量跃迁系数以及各个能量区间的计数率确定各个能量区间的第一堆积补偿量。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

图6为本发明一示例实施例示出的一种电子设备的结构示意图，示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性电子设备60的框图。图6显示的电子设备60仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图6所示，电子设备60可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备60的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器61、上述至少一个存储器62、连接不同系统组件(包括存储器62和处理器61)的总线63。

总线63包括数据总线、地址总线和控制总线。

存储器62可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)621和/或高速缓存存储器622，还可以进一步包括只读存储器(ROM)623。

存储器62还可以包括具有一组(至少一个)程序模块624的程序工具625(或实用工具)，这样的程序模块624包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

处理器61通过运行存储在存储器62中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如上述任一实施例所提供的方法。

电子设备60也可以与一个或多个外部设备64(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口65进行。并且，模型生成的电子设备60还可以通过网络适配器66与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器66通过总线63与模型生成的电子设备60的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的电子设备60使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID(磁盘阵列)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述任一实施例所提供的方法。

其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。

在可能的实施方式中，本发明实施例还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行实现上述任一实施例的方法。

其中，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的程序代码，所述程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。