平行束多孔准直X射线荧光CT模拟研究

刘亚楠 重庆工商职业学院

传统(常规)X射线荧光CT(X-ray Fluorescence Computed Tomography, XFCT)基于“平移-旋转”方式扫描成像，耗时巨大。如何提高XFCT的扫描速度，一直是研究热点领域。以此为出发点，本文将平行束投影与多孔准直相结合，探讨在无需“平移”条件下的XFCT成像的可行性。本文首先阐述基于多孔准直XFCT成像的基本原理，并采用Monte Carlo方法模拟了投影数据用于验证成像，最后分析XFCT图像质量与纳米金粒子(GNPs)浓度之间的关系。

1 X射线荧光CT原理

基于多孔准直的X射线荧光CT系统，原理如图1所示，主要由X射线管源、转台、CCD阵列探测器、多孔准直器、X射线荧光探测器阵列以及计算机构成。入射X射线经过准直入射到样品，覆盖整个成像截面。样品中的痕量元素受X射线激发，各向同性地发出荧光X射线，其中，部分荧光X射线经多孔准直器到达具有能谱分辨能力的X射线荧光探测器。计算机读取每个探测单元的能谱数据分析处理后，即可获得探测到的X射线荧光光子数目(即投影)。扫描过程中，旋转样品即可获得所有方向上的投影，进而重构出正弦图并用于X射线荧光CT重建。

2 Monte Carlo仿真

整个模型由X射线管源、旋转平台、CCDs以及荧光探测器阵列构成。设置中，荧光探测器阵列与入射X射线方向平行，薄束X射线恰好覆盖整个成像截面，并以3°为间隔对样本进行旋转扫描模拟。其中，每一方向的扫描为一次独立的Monte Carlo模拟，且各方向的扫描模拟相互独立。

（1）X射线管源：研究中，首先采用SpekCalc软件，计算出管压为120kV，靶材料为钨的X射线管源经0.8mm铍(Be)1mm锡(Sn)滤波的能谱(如图2所示)，然后在MCNP输入文件中，使用“源卡”对X射线源进行设置。

（2）成像模体。成像模体，是由PMMA材料构成的、直径和高均为6.4cm的圆柱。模体中分别嵌入GNPs浓度分别为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%直径10mm高2cm的圆柱体(如3所示)。

（3）多孔准直器。准直器为高4.5cm，长6.4cm，宽5cm的铅块，距模体最近距离为1mm。准直孔共64个，直径为0.5mm，孔间距为0.5mm。

（4）荧光探测器阵列。荧光探测器阵列单元由F5并结合E卡模拟，能谱分辨率为0.5keV且各探测单元具有相同探测面元。所探测的荧光数目为记录谱线减去拟合谱，即可得到该探测单元所记录的荧光光子数。将各方向的记录结果重构，便可得到模体经扫描后的正弦图。

图1 基于多孔准直X射线荧光CT原理图

图2 X射线源能谱

图3 数值模体

3 结果与讨论

经过Monte Carlo模拟所得的正弦图，如图4所示。图4(a)是与模体相应的正弦图。采用FBP算法在未进行吸收校正、加入吸收校正两种情形下进行重建，重建图像如图4(b)和(c)所示。其中，图(b)和图(c)分别为未经吸收校正和进行吸收校正后的重建图像；不难看出：图中 ROI(含GNPs的区域)的灰度值随着ROIs中GNPs的浓度增大而增大；经过吸收校正的重建图像，具有更清晰的边缘。经过重建的浓度，如5所示：经过吸收校正的浓度，更接近真实值，且相对误差与未进行吸收校正时相比要小。

图4 重建结果 (a)正弦图 (b)未吸收校正重建图像 (c)吸收校正后重建图像

图5 重建浓度与真实浓度关系

4 结论

本文将平行束投影与多孔准直相结合，探讨了仅需旋转条件下的XFCT成像的可行性。本文在简要介绍基于多孔准直XFCT成像基本原理的基础上，仿真产生了投影数据用于验证成像，利用FBP算法重建了模体中ROI区域，分析了XFCT图像质量与元素浓度的关系，并讨论了吸收校正对重建图像质量的影响，这对于后续实验研究具有一定的指导意义。

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