散射对工业CT图像质量的影响

工业CT系统一般采用第三代扫描检测方式,即被检测物体置于射线源和探测器阵列之间,射线源和探测器相对于被检测物体旋转一周,探测器采集信号实时送达计算机进行重建处理,得到一幅横截面图像。传统的CT重建算法基于散射光子不会对探测器测量值产生影响的假设。实际上,总会有一些散射光子进入探测器,对重建图像产生影响。被检测物体线性吸收系数越大,尺寸越大,则散射光子越多,散射引起的图像误差也越大。本文通过仿真实验,分别对不同物质种类、不同尺寸的被检测物体进行研究,验证了上述分析,并得出了这些因素与图像质量之间的定量关系[1]。

1　仿真实验设计

CT仿真实验中,几何布置图1。放射源(S)和探测器阵列分别位于被检测物体两侧,源为60Co同位素源,探测器阵列以放射源为圆心向心分布,射线呈扇形束射向探测器。放射源和探测器阵列围绕旋转中心(O点)同步旋转。被检测物体为平行于扫描截面、位于旋转中心处的圆盘。探测器阵列前装有缝形准直器,用来屏蔽偏离扫描截面的散射线,然而,沿扫描截面方向的散射光子仍可进入探测器[1,2]。对投影数据利用卷积反投影方法进行图像重建[3]。

散射过程在图1中表述如下:射线从源S射出,在体元P内发生散射,散射线以θ散射角射入探测器D。单个体元内的散射按照Compton散射微分截面公式(Klein-Nishina公式)计算,整个扫描区域内的所有体积元的散射积分得到总的散射分布。散射计算过程做了两个近似:第1,如图2所示,60Co发出的1.17和1.33MeV两种能量的光子,与物质作用主要发生Compton散射,所以近似认为衰减仅由Compton散射引起;第二,由于Compton散射中二次散射比例很小,因此只考虑一次散射。

2　实验结果及分析

实验中,先考察散射光子对探测器测量值的影响,然后分别完成不考虑散射(仅仅透射)和考虑散射情况下的图像重建,分析散射对重建图像的影响。

图3、4分别表示直径为20cm的铁质圆盘所产生的透射和散射的某个投影(因圆盘中心对称,所以投影数据在不同角度下完全相同,可以任取其一)的探测器数据。此时,散射在正中一路探测器产生的读数已超过透射。

图5、6分别为利用图3透射数据和在图3数据上附加图4散射数据,用卷积反投影方法重建得到的图像。图7、8分别为图5、6的沿直径方向(虚线所示)的重建值变化。可以看到散射的影响使得圆盘中心的重建值产生了严重误差,达24%。因此,散射校正是必需的。

被检测物体分别取铁和水,当圆盘直径变化时,定量分析散射影响:以无散射时圆盘中心的重建值为基准,考虑散射后圆盘中心的重建值与其相比,得到如图9、10的散射影响曲线。由图可见,尺寸相同时,散射对铁的影响大于对水的影响,这是由于铁的线性吸收系数大于水造成的;并且这种影响随着圆盘尺寸的增大而增大。