一种双能谱ct图像迭代重建方法
【专利摘要】本发明公开一种双能谱CT图像迭代重建方法，用以重建被测物体的基材料密度图像。该方法包括：1)根据被测物体的尺寸和材料，选定一个包含两种不同基材料的标定模体；通过双能谱CT系统测量该模体，标定表示多色投影值与基材料厚度组合之间曲线关系的双能谱多色正投影方程；2)利用双能谱CT系统对被测物体扫描，采集被测物体的双能谱多色投影数据；(3)根据所标定的多色正投影方程，构造迭代格式，通过与所实测多色投影数据作比较，并加入物理约束条件，迭代重建被测物体的双基材料密度图像。与现有方法相比，本发明方法不需要预先测定双能CT系统的高、低能谱以及基材料的衰减系数，而且同时适用于高、低能投影在几何上相匹配和不匹配的情况。
【专利说明】一种双能谱CT图像迭代重建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及X射线CT成像【技术领域】，具体而言，涉及一种双能谱CT图像迭代重建方法。
【背景技术】
[0002]X射线计算机层析成像技术(简称X射线CT)是一种利用X射线与物质的相互作用原理，对物体内部信息进行成像的一种技术。自从1967年第一台X射线医学CT问世以来，X射线CT技术得到了迅速发展。各种CT设备为医学诊疗带来了革命性变化，成为众多疾病的常规检测手段。CT技术也成为一项重要的工业支撑技术，广泛应用于汽车、船舶、飞机、电子、石油等行业关键部件的无损检测。传统的单能谱X射线CT使用一个X射线能谱对被测物体进行扫描，不同物质的CT重建图像可能具?有相同或相似的CT值，难以区分不同的物质。双能谱CT使用两个X射线能谱对被测物体进行扫描，能够获得比传统单能谱CT更多的被测物体信息。利用这些信息可以重建出被测物体等效原子序数和电子密度图像，或是重建出特定基材料的密度图像，基于这些信息对物质进行区分。由于双能谱CT具有更好的物质区分能力，因此具有广泛的应用前景，比如:骨密度测量、PET的衰减矫正、骨髓成分分析、石油岩心分析和安检等。另外，双能谱CT还能有效去除重建图像中的硬化伪影。
[0003]双能谱CT图像重建问题是一个非线性反问题，具有非线性性、多解性与不适定性、高维数等特点，难以直接求解。由于X射线源发出的是服从一定谱分布的多色X射线，而不是单能X射线，因此双能谱CT扫描被测物体采集到的是多色投影，而不是理想的单色投影。相关重建方法的研究始于上个世纪七十年代。现有的成像方法大致可以分为三类:图像域分解法、投影域分解法和迭代法。图像域分解法通常先用传统CT重建方法分别计算出物体的高能和低能衰减系数图像，然后对重建图像在图像域进行线性组合以获得基材料的密度图像。图像域分解法是一种近似成像方法，在分解成像时忽略了高、低能谱投影的乘积项，所重建的基材料密度图像有严重伪影。投影域分解成像方法先用测得的高、低能谱投影在投影域估计出基材料密度图像的投影值，然后利用传统CT方法进行重建以获得基材料的密度图像。该方法的成像质量虽然优于图像域分解成像方法，但仅仅适用于高、低能谱几何参数一致扫描模式，即沿着每一条X射线，均可以采集到高、低能谱两种多色投影。然而当前临床医用的双能谱CT成像系统，包括双源双探测器系统和快速能量切换的单源单探测器系统等，采集的高、低能谱投影都是几何参数不一致的投影，且常用的多种双能谱CT扫描模式也采集不到几何参数一致的投影。因此目前图像域分解成像方法仍然是一种双能谱CT成像系统中最常用的方法。迭代法基于双能谱投影的非线性解析方程，利用数值方法或者优化方法构造 迭代结构，通过对图像重建结果逐步修正求出基材料密度图像等信息。该方法虽然重建图像质量较高，但需要预先精确标定出X射线源的高、低能谱以及在不同能量下的基材料的衰减系数等，且计算量大，收敛速度慢，耗时长，因此难以在实际双能谱CT成像系统中应用。另外该方法忽略了 X射线散射的影响，导致计算结果准确性下降。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种双能谱CT图像迭代重建方法，用以解决现有技术中当所采集的高、低能谱投影几何参数不一致时，传统的图像域分解法重建的双能谱CT图像质量显著下降的问题。
[0005]为达到上述目的，本发明提供了一种双能谱CT图像迭代重建方法，包括以下步骤:
[0006]S1:根据多色投影值与基材料厚度组合之间的曲线关系获取双能谱多色正投影方程;
[0007]S2:利用双能谱CT系统扫描被测物体，采集被测物体的高、低能谱多色投影数据； [0008]S3:根据所述双能谱多色正投影方程，构造迭代格式，利用所测得的高、低能谱多色投影数据，迭代重建被测物体的双基材料密度图像。
[0009]进一步地，其中所述步骤SI包括:
[0010]Sll:根据被测物体的尺寸和材料，选定一个包含两种不同的基材料的标定模体；
[0011]S12:利用双能谱CT系统扫描标定模体，采集标定模体在各个角度下的双能谱多色投影数据；
[0012]S13:通过最小化标定模体中不同双基材料厚度组合与其双能谱多色投影值之间的距离，标定双能谱CT系统的双能谱多色正投影方程。
[0013]进一步地，其中所述步骤S3包括:
[0014]S31:根据所述双能谱多色正投影方程，构造求双基材料密度图像的迭代格式；
[0015]S32:为待重建的被测物体的双基材料密度图像赋初始值；
[0016]S33:利用所述双能谱多色正投影方程，获取当前双基材料密度图像的多色投影的估计值，并与被测物体实测的多色投影的真实值相比较，得到所重建的双基材料密度图像估计值的误差；
[0017]S34:利用计算得到的双基材料密度图像估计值的误差，更新当前重建的双基材料密度图像；
[0018]S35:加入物理约束条件，使当前重建的双基材料密度图像满足所述物理约束条件；
[0019]S36:重复步骤S33-S35，直到满足迭代结束条件，重建出双基材料密度图像。
[0020]进一步地，所述双能谱CT系统的扫描模式包括圆周扫描、螺旋扫描、有限角度扫描、稀疏角度扫描及一般扫描模式中的至少一种。
[0021]进一步地，步骤S3中所述迭代格式是每个角度修正一次或是用有序子集方法修正。
[0022]进一步地，所述物理约束条件包括像素值非负约束和/或分段光滑约束。
[0023]进一步地，步骤S12中所述双能谱多色正投影方程用多项式方程、分段多项式方程或样条曲线方程表示；在用多项式方程表示多色正投影方程的情况下:
[0024]
【权利要求】
1.一种双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，包括以下步骤: S1:根据多色投影值与基材料厚度组合之间的曲线关系获取双能谱多色正投影方程； 52:利用双能谱CT系统扫描被测物体，采集被测物体的高、低能谱多色投影数据； 53:根据所述双能谱多色正投影方程，构造迭代格式，利用所测得的高、低能谱多色投影数据，迭代重建被测物体的双基材料密度图像。
2.根据权利要求1所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，其中所述步骤SI包括: 511:根据被测物体的尺寸和材料，选定一个包含两种不同的基材料的标定模体； 512:利用双能谱CT系统扫描标定模体，采集标定模体在各个角度下的双能谱多色投影数据； 513:通过最小化标定模体中不同双基材料厚度组合与其双能谱多色投影值之间的距离，标定双能谱CT系统的双能谱多色正投影方程。
3.根据权利要求1所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，其中所述步骤S3包括: 531:根据所述双能谱多色正投影方程，构造求双基材料密度图像的迭代格式； 532:为待重建的被测物体的双基材料密度图像赋初始值； 533:利用所述双能谱多色正投影方程，获取当前双基材料密度图像的多色投影的估计值，并与被测物体实测的多色投影的真实值相`比较，得到所重建的双基材料密度图像估计值的误差； 534:利用计算得到的双基材料密度图像估计值的误差，更新当前重建的双基材料密度图像； 535:加入物理约束条件，使当前重建的双基材料密度图像满足所述物理约束条件； 536:重复步骤S33-S35，直到满足迭代结束条件，重建出双基材料密度图像。
4.根据权利要求1所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，所述双能谱CT系统的扫描模式包括圆周扫描、螺旋扫描、有限角度扫描、稀疏角度扫描及一般扫描模式中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，步骤S3中所述迭代格式是每个角度修正一次或是用有序子集方法修正。
6.根据权利要求3所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，所述物理约束条件包括像素值非负约束和/或分段光滑约束。
7.根据权利要求2所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，步骤S12中所述双能谱多色正投影方程用多项式方程、分段多项式方程或样条曲线方程表示；在用多项式方程表示多色正投影方程的情况下:
q,,L = C, {Fl,Gl ) = ZfjCuhnFlG^ i=l，2
A--O 其中参数i表示能谱索引是沿着给定X射线路径L所探测到的多色投影，表示为基函数F/Gf的一个线性组合；1(和M分别是多项式的阶数，即多项式共包含(K+l) X (M+1)个基函数；函数Ci的多项式系数Ci，km由权利要求2中的标定方法确定。
8.根据权利要求3所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，步骤S33中由双基材料密度图像估计值的误差求基材料密度图像修正值的公式为:
9.根据权利要求3所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，步骤S34中利用第η次迭代计算得到的双基材料密度图像估计值的误差，更新当前重建的双基材料密度图像的公式为:
10.根据权利要求1所述的双能谱CT图像迭代重建方法，其特征在于，被测物体的双基材料密度图像重建过程采用并行方法计算，并基于硬件并行计算平台加速实现。
【文档编号】G06T11/00GK103559729SQ201310576885
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】赵星, 胡晶晶, 赵云松, 张慧滔, 张朋 申请人:首都师范大学, 北京理工大学