开发一种可定制的光谱光子计数探测器CT模型

《MEDICAL PHYSICS》：Development of a customizable model for spectral photon-counting detector CT

photon-counting detector CT (PCD-CT)新技术通过定制化仿真框架DukeCounter模拟探测器响应，验证其在CT成像、COPD生物标志物提取和肝脏病变检测中的性能，发现材料、设计和能量阈值影响图像质量。

　　

摘要

背景

光子计数探测器CT（PCD-CT）是一种新型CT技术，具有更优的空间和光谱成像性能。作为一种新技术，对其精确性能的评估需要一个全面的框架，以评价通用性和特定任务的图像质量。

目的

开发并验证一个可定制的、基于物理原理的仿真框架，该框架能够模拟各种PCD设计的空间-能量探测器响应，将其集成到虚拟成像系统中，并展示其在临床相关成像任务中的适用性。

方法

开发了一个名为DukeCounter的可定制仿真模型，用于再现真实的PCD-CT系统。使用蒙特卡洛模拟对PCD中的光子传输和串扰现象进行了建模，并采用解析高斯电荷云模型来模拟电荷共享过程。模型涵盖了PCD中的基本相互作用，包括光电吸收、康普顿散射和荧光X射线散射、电荷云形成以及电荷扩散和排斥。针对正面朝向的CdTe基、CZT基、GaAs基以及侧向朝向的Si基PCD，生成了相应的空间-能量探测器响应。将这些响应与标准化的扫描参数结合，集成到CT仿真器中，创建了虚拟的DukeCounter PCD-CT扫描仪。该框架通过临床使用的CdTe基PCD-CT扫描仪在三个剂量水平下的实验数据进行了基准测试。为了验证其实用性，进行了三项初步研究：使用计算ACR模体进行通用图像质量评估；使用带有支气管炎和肺气肿的XCAT模型进行COPD生物标志物提取；以及使用带有肝脏病变的XCAT模型进行病变检测能力分析。

结果

模拟得到的电荷云大小随能量增加而增大，在原子序数较低的Si材料中尤为明显。探测器响应在3×3像素邻域内的变化受PCD材料、设计和能量阈值设置的影响。验证结果显示，模拟图像与实际ACR图像之间有很好的一致性。对于20 keV阈值图像，MTF的f₅₀的平均相对差异（MRD）在空气中为4.15% ± 1.21%，在骨骼中为2.54% ± 2.08%；NPS的f_av的MRD为0.83% ± 0.97%。噪声幅度的MRD分别为：20 keV阈值图像为2.65% ± 1.68%，65 keV阈值图像为3.05% ± 1.97%，70 keV-VMI图像为2.78% ± 1.79%。相同类型图像的CT数值MRD分别为：空气中的0.03% ± 0.03%，聚乙烯中的0.11% ± 0.09%，1.85% ± 0.20%，1.84% ± 0.55%，1.84% ± 0.55%，0.50% ± 0.36%。DukeCounter生成的图像表明，通用性和特定任务的图像质量受PCD材料、设计和能量阈值设置的影响。在一致的采集和重建条件下，基于GaAs的DukeCounter表现出最高的图像噪声、最大的COPD生物标志物量化误差以及最低的肝脏病变检测性能。

结论

开发了一个可定制的、模块化的仿真框架，用于模拟各种PCD材料的空间-能量探测器响应。将这些探测器响应集成到CT仿真流程中，构建了DukeCounter PCD-CT系统。通过使用XCAT模体对图像质量和临床性能进行特定任务的评估，证明了该框架的实用性。这种方法能够系统地评估和优化PCD-CT设计，通过减少物理实验的成本、时间和辐射负担，支持医学成像领域的转化研究。

利益冲突声明

Ehsan Samei与GE、Siemens、Imalogix、Metis Health Analytics、Silomedics、Cambridge University Press和Wiley and Sons存在关联关系。Ehsan Abadi与GE、Siemens和Silomedics存在关联关系。William P. Segars与Silomedics存在关联关系。

所有这些关联关系均与本出版物无关。