[論文レビュー] The effects of intra-detector Compton scatter on zero-frequency DQE for photon-counting CT using edge-on-irradiated silicon detectors

Fredrik Grönberg, Zhye Yin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Advanced X-ray and CT Imaging被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、エッジオン照射型シリコン光子カウンティングCT検出器における検出器内Compton散乱がゼロ周波数の検出器量子効率（DQE）に与える影響を調査する。モンテカルロシミュレーションを用いて、複数カウントを引き起こすが、一次光ピークからのエネルギー堆積が明確に分離されているため、Compton事象が密度およびスペクトル画像化性能を向上させることを示している。エネルギーしきい値が0 keVを超えて上昇するに従い、DQEは約1.7百分率ポイント/keVずつ低下する。

ABSTRACT

Background: Edge-on-irradiated silicon detectors are currently being investigated for use in photon-counting CT applications. The low atomic number of silicon leads to a significant number of incident photons being Compton scattered in the detector, depositing a part of their energy and potentially being counted multiple times. Although the physics of Compton scatter is well established, the effects of Compton interactions in the detector on image quality for an edge-on-irradiated silicon detector have still not been thoroughly investigated. Purpose: To investigate and explain effects of Compton scatter on zero-frequency DQE for photon-counting CT using edge-on-irradiated silicon detectors. Methods: We extend an existing Monte Carlo model of an edge-on-irradiated silicon detector to develop projection and image domain performance metrics for pure density and pure spectral imaging tasks. We show that the lowest energy threshold of the detector can be used as an effective discriminator of primary counts and cross-talk caused by Compton scatter. We study the developed metrics as functions of the lowest threshold energy. Results: Density imaging performance decreases monotonically as a function of the lowest threshold in both projection and image domains. Spectral imaging performance has a plateau between 0 and 10 keV and decreases monotonically thereafter, in both projection and image domain. Conclusions: Compton interactions contribute significantly to the density imaging performance of edge-on-irradiated silicon detectors. With the studied detector topology, the benefit of counting primary Compton interactions outweighs the penalty of multiple counting at all lower threshold energies. Compton interactions also contribute significantly to the spectral imaging performance for measured energies above 10 keV.

研究の動機と目的

• エッジオン照射型シリコン光子カウンティングCT検出器における検出器内Compton散乱の画像品質への影響を理解すること。
• Compton相互作用が密度およびスペクトル画像化タスクのゼロ周波数の検出器量子効率（DQE）に与える影響を評価すること。
• 複数カウントを引き起こすが、全体的な検出器性能に正の寄与をするCompton事象の有効性を特定すること。
• エネルギーしきい値が一次カウントとCompton誘発クロスコールを区別する役割を果たす方法を評価すること。
• スペクトル画像化において、8ビン制限ありと無制限のエネルギーバイニングの性能を比較すること。

提案手法

• エッジオン照射型シリコン検出器の既存モンテカルロモデルを拡張し、投影域および画像域のDQE指標をシミュレートした。
• 最低エネルギーしきい値を用いて、一次カウントとCompton散乱誘発クロスコールを分離するためのディスクリミネーターとした。
• 0～30 keVの範囲でさまざまなエネルギーしきい値を想定し、しきい値依存のDQE劣化を評価した。
• 投影域および画像域の両方で、純粋な密度画像化および純粋なスペクトル画像化タスクのDQEを計算した。
• 最適化された8エネルギービンを有する検出器と、無制限のエネルギー分解能を持つ検出器を比較し、スペクトル性能のトレードオフを評価した。
• ノイズおよびバイニングモデルを適用し、正確なDQE推定のためのエネルギー分解能付き点スプレッド関数および自己共分散関数を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジオン照射型シリコン光子カウンティングCT検出器における検出器内Compton散乱は、ゼロ周波数のDQEにどのように影響を与えるか？
• RQ2 Compton事象は、特に密度およびスペクトル画像化タスクにおいて、画像品質をどの程度劣化または向上させるか？
• RQ3 エネルギーしきい値の選択が、密度およびスペクトル画像化性能のDQEにどのように影響を与えるか？
• RQ4 スペクトル画像化において、8エネルギービンを有する検出器と無制限のエネルギー分解能を持つ検出器との性能差は何か？
• RQ5 複数カウントの可能性があるものの、Compton事象はスペクトル画像化に有効に活用できるか？

主な発見

• 密度画像化のDQEは、最低エネルギーしきい値が0 keVから10 keVに上昇するに従い、約1.7百分率ポイント/keVずつ単調に低下し、10 keVで0.51に達する。
• 密度画像化の最大DQEは、最低しきい値が0 keVのとき0.68～0.69に達する。これは、すべてのCompton事象を含めることで性能が向上することを示している。
• 8ビンエネルギーバイニングを用いたスペクトル画像化では、0～10 keVのしきい値範囲でDQEは0.26～0.27の範囲でほぼ一定であり、投影域では無制限バイニングで0.28に達する。
• スペクトル画像化においては、10～30 keVの範囲でDQEが約0.7百分率ポイント/keVずつ低下しており、高しきい値での性能低下を示している。
• Compton相互作用は、一次光ピークからのエネルギー堆積が明確に分離されているため、密度およびスペクトル画像化性能の両方において正の寄与をしている。
• 本研究は、Compton事象のカウントが複数カウントの欠点を上回る利点をもたらすと結論づけ、特に低しきい値での応用において、臨床的CTにおけるエッジオンシリコン検出器の利用を支持する。