[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究探讨了在端面照射的硅像素计数型CT探测器中，内部探测器康普顿散射对零频探测器量子效率（DQE）的影响。通过蒙特卡罗模拟，结果表明：尽管康普顿事件会导致多重计数，但由于其能量沉积与主光峰明显分离，反而提升了密度和光谱成像性能，且随着能量阈值从0 keV以上增加，DQE每增加1 keV下降约1.7个百分点。

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.

研究动机与目标

• 理解内部探测器康普顿散射对端面照射硅像素计数型CT探测器图像质量的影响。
• 评估康普顿相互作用对密度和光谱成像任务中零频探测器量子效率（DQE）的影响。
• 确定尽管导致多重计数，康普顿事件是否对整体探测器性能有积极贡献。
• 评估能量阈值在区分主计数与康普顿诱发串扰中的作用。
• 比较在光谱成像中，8个能量通道与无限能量分辨率的性能差异。

提出的方法

• 扩展了现有的端面照射硅探测器蒙特卡罗模型，以模拟投影域和图像域的DQE指标。
• 使用最低能量阈值作为判别器，将主计数与康普顿散射引起的串扰分离。
• 在0至30 keV范围内模拟不同能量阈值下的性能，以评估阈值相关的DQE退化情况。
• 分别在投影域和图像域中，针对纯密度成像和纯光谱成像任务计算DQE。
• 将具有8个优化能量通道的探测器与具有无限能量分辨率的探测器进行比较，以评估光谱性能的权衡。
• 应用噪声和通道化模型，计算能量分辨的点扩散函数和自协方差函数，以实现准确的DQE估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在端面照射的硅像素计数型CT探测器中，内部探测器康普顿散射如何影响零频DQE？
• RQ2 康普顿事件在多大程度上会劣化或提升图像质量，特别是在密度成像和光谱成像任务中？
• RQ3 能量阈值的选择如何影响密度成像和光谱成像的DQE表现？
• RQ4 在光谱成像中，具有8个能量通道的探测器与具有无限能量分辨率的探测器之间性能差异如何？
• RQ5 尽管存在多重计数风险，康普顿事件是否仍可有效用于光谱成像？

主要发现

• 当最低能量阈值从0 keV增加到10 keV时，密度成像DQE单调下降约1.7个百分点/keV，在10 keV时达到0.51。
• 当最低阈值为0 keV时，密度成像的最大DQE为0.68–0.69，表明包含所有康普顿事件可提升性能。
• 在8个能量通道下，光谱成像DQE在0至10 keV阈值范围内保持在0.26–0.27之间，投影域中无限通道分辨率下达到0.28。
• 在10至30 keV范围内，光谱成像DQE每增加1 keV下降约0.7个百分点，表明在较高阈值下性能下降。
• 康普顿相互作用对密度和光谱成像性能均有积极贡献，因为其能量沉积与主光峰明显分离，干扰最小化。
• 研究结论认为，计数康普顿事件的收益超过多重计数的缺点，尤其在低阈值下，支持在临床CT中使用端面照射硅探测器。