[논문 리뷰] The effects of intra-detector Compton scatter on zero-frequency DQE for photon-counting CT using edge-on-irradiated silicon detectors

Fredrik Grönberg, Zhye Yin외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 08.

Advanced X-ray and CT Imaging인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 에지온-조사된 실리콘 포톤 카운팅 CT 검출기에서 내부 검출기 Compton 산란이 영향을 미치는 0Hz에서의 감지자 양자 효율(DQE)에 대해 조사한다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 Compton 사건은 다중 카운팅을 유발하지만, 주요 광학 피크와의 에너지 손실이 잘 분리되어 있어 밀도 및 스펙트럼 영상 성능을 향상시키며, 에너지 임계값이 0 keV를 초과함에 따라 DQE가 약 매 1keV당 1.7%p 감소함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에지온-조사된 실리콘 포톤 카운팅 CT 검출기에서 내부 검출기 Compton 산란이 영상 품질에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• Compton 상호작용이 밀도 및 스펙트럼 영상 작업을 위한 0Hz 감지자 양자 효율(DQE)에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 다중 카운팅을 유발하더라도 Compton 사건이 총 검출기 성능에 긍정적으로 기여하는지 확인하기 위해.
• 에너지 임계값 설정이 주요 카운팅과 Compton 유도 교차 간섭을 구분하는 데 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 스펙트럼 영상에서 에너지 분할 수가 제한된(8분할)과 무한한 경우의 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 에지온-조사된 실리콘 검출기의 기존 몬테카를로 모델을 확장하여 투과 및 영상 도메인 DQE 지표를 시뮬레이션함.
• 최소 에너지 임계값을 사용하여 주요 카운팅과 Compton 산란 유도 교차 간섭을 분리함.
• 0에서 30 keV까지 다양한 에너지 임계값에서 성능을 시뮬레이션하여 임계값 의존성에 따른 DQE 저하 평가함.
• 투과 및 영상 도메인에서 순수 밀도 및 순수 스펙트럼 영상 작업에 대한 DQE를 계산함.
• 8개 최적화된 에너지 분할을 가진 검출기와 무한 에너지 해상도를 가진 검출기를 비교하여 스펙트럼 성능의 상충 관계 평가함.
• 노이즈 및 분할 모델을 적용하여 정확한 DQE 추정을 위한 에너지 해상도가 있는 점확산 및 자기공분산 함수 계산함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에지온-조사된 실리콘 포톤 카운팅 CT 검출기에서 내부 검출기 Compton 산란은 0Hz에서의 DQE에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Compton 사건은 밀도 및 스펙트럼 영상 작업에서 영상 품질을 얼마나 떨어뜨리거나 향상시키는가?
• RQ3 에너지 임계값의 선택은 밀도 및 스펙트럼 영상 성능에 대한 DQE에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 8개 에너지 분할을 가진 검출기와 무한 에너지 해상도를 가진 검출기 사이의 스펙트럼 영상에서의 성능 차이는 무엇인가?
• RQ5 다중 카운팅의 잠재적 위험에도 불구하고 Compton 사건이 스펙트럼 영상에 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 밀도 영상 DQE는 최소 에너지 임계값이 0에서 10 keV로 증가함에 따라 매 1keV당 약 1.7%p 감소하여 10 keV에서 0.51에 도달함.
• 최소 임계값이 0 keV일 때 밀도 영상의 최대 DQE는 0.68–0.69이며, 이는 모든 Compton 사건을 포함할 경우 성능 향상이 이루어짐을 시사함.
• 8분할 에너지 분할을 사용할 경우, 임계값이 0에서 10 keV 사이일 때 스펙트럼 영상 DQE는 0.26–0.27로 상당히 일정하며, 투과 도메인에서 무한 분할을 사용할 경우 최대 0.28에 도달함.
• 스펙트럼 영상에서 10에서 30 keV 사이에서는 DQE가 매 1keV당 약 0.7%p 감소하여 고임계값에서 성능 저하가 발생함.
• Compton 상호작용은 에너지 손실이 주요 광학 피크와 잘 분리되어 간섭을 최소화하므로 밀도 및 스펙트럼 영상 성능에 긍정적으로 기여함.
• 이 연구는 Compton 사건을 카운팅함으로써 얻는 이점이 다중 카운팅의 단점보다 더 크며, 특히 낮은 임계값에서 그러한 경향이 두드러짐을 결론 내리며, 임상 CT에서 에지온 실리콘 검출기의 사용을 지지함.