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一種雙能譜ct圖像迭代重建方法

文檔序號:6519557閱讀:360來源:國知局
一種雙能譜ct圖像迭代重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種雙能譜CT圖像迭代重建方法,用以重建被測物體的基材料密度圖像。該方法包括:1)根據(jù)被測物體的尺寸和材料,選定一個包含兩種不同基材料的標定模體;通過雙能譜CT系統(tǒng)測量該模體,標定表示多色投影值與基材料厚度組合之間曲線關系的雙能譜多色正投影方程;2)利用雙能譜CT系統(tǒng)對被測物體掃描,采集被測物體的雙能譜多色投影數(shù)據(jù);(3)根據(jù)所標定的多色正投影方程,構造迭代格式,通過與所實測多色投影數(shù)據(jù)作比較,并加入物理約束條件,迭代重建被測物體的雙基材料密度圖像。與現(xiàn)有方法相比,本發(fā)明方法不需要預先測定雙能CT系統(tǒng)的高、低能譜以及基材料的衰減系數(shù),而且同時適用于高、低能投影在幾何上相匹配和不匹配的情況。
【專利說明】一種雙能譜CT圖像迭代重建方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及X射線CT成像【技術領域】,具體而言,涉及一種雙能譜CT圖像迭代重建方法。
【背景技術】
[0002]X射線計算機層析成像技術(簡稱X射線CT)是一種利用X射線與物質的相互作用原理,對物體內部信息進行成像的一種技術。自從1967年第一臺X射線醫(yī)學CT問世以來,X射線CT技術得到了迅速發(fā)展。各種CT設備為醫(yī)學診療帶來了革命性變化,成為眾多疾病的常規(guī)檢測手段。CT技術也成為一項重要的工業(yè)支撐技術,廣泛應用于汽車、船舶、飛機、電子、石油等行業(yè)關鍵部件的無損檢測。傳統(tǒng)的單能譜X射線CT使用一個X射線能譜對被測物體進行掃描,不同物質的CT重建圖像可能具?有相同或相似的CT值,難以區(qū)分不同的物質。雙能譜CT使用兩個X射線能譜對被測物體進行掃描,能夠獲得比傳統(tǒng)單能譜CT更多的被測物體信息。利用這些信息可以重建出被測物體等效原子序數(shù)和電子密度圖像,或是重建出特定基材料的密度圖像,基于這些信息對物質進行區(qū)分。由于雙能譜CT具有更好的物質區(qū)分能力,因此具有廣泛的應用前景,比如:骨密度測量、PET的衰減矯正、骨髓成分分析、石油巖心分析和安檢等。另外,雙能譜CT還能有效去除重建圖像中的硬化偽影。
[0003]雙能譜CT圖像重建問題是一個非線性反問題,具有非線性性、多解性與不適定性、高維數(shù)等特點,難以直接求解。由于X射線源發(fā)出的是服從一定譜分布的多色X射線,而不是單能X射線,因此雙能譜CT掃描被測物體采集到的是多色投影,而不是理想的單色投影。相關重建方法的研究始于上個世紀七十年代?,F(xiàn)有的成像方法大致可以分為三類:圖像域分解法、投影域分解法和迭代法。圖像域分解法通常先用傳統(tǒng)CT重建方法分別計算出物體的高能和低能衰減系數(shù)圖像,然后對重建圖像在圖像域進行線性組合以獲得基材料的密度圖像。圖像域分解法是一種近似成像方法,在分解成像時忽略了高、低能譜投影的乘積項,所重建的基材料密度圖像有嚴重偽影。投影域分解成像方法先用測得的高、低能譜投影在投影域估計出基材料密度圖像的投影值,然后利用傳統(tǒng)CT方法進行重建以獲得基材料的密度圖像。該方法的成像質量雖然優(yōu)于圖像域分解成像方法,但僅僅適用于高、低能譜幾何參數(shù)一致掃描模式,即沿著每一條X射線,均可以采集到高、低能譜兩種多色投影。然而當前臨床醫(yī)用的雙能譜CT成像系統(tǒng),包括雙源雙探測器系統(tǒng)和快速能量切換的單源單探測器系統(tǒng)等,采集的高、低能譜投影都是幾何參數(shù)不一致的投影,且常用的多種雙能譜CT掃描模式也采集不到幾何參數(shù)一致的投影。因此目前圖像域分解成像方法仍然是一種雙能譜CT成像系統(tǒng)中最常用的方法。迭代法基于雙能譜投影的非線性解析方程,利用數(shù)值方法或者優(yōu)化方法構造 迭代結構,通過對圖像重建結果逐步修正求出基材料密度圖像等信息。該方法雖然重建圖像質量較高,但需要預先精確標定出X射線源的高、低能譜以及在不同能量下的基材料的衰減系數(shù)等,且計算量大,收斂速度慢,耗時長,因此難以在實際雙能譜CT成像系統(tǒng)中應用。另外該方法忽略了 X射線散射的影響,導致計算結果準確性下降。
【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供一種雙能譜CT圖像迭代重建方法,用以解決現(xiàn)有技術中當所采集的高、低能譜投影幾何參數(shù)不一致時,傳統(tǒng)的圖像域分解法重建的雙能譜CT圖像質量顯著下降的問題。
[0005]為達到上述目的,本發(fā)明提供了一種雙能譜CT圖像迭代重建方法,包括以下步驟:
[0006]S1:根據(jù)多色投影值與基材料厚度組合之間的曲線關系獲取雙能譜多色正投影方程;
[0007]S2:利用雙能譜CT系統(tǒng)掃描被測物體,采集被測物體的高、低能譜多色投影數(shù)據(jù); [0008]S3:根據(jù)所述雙能譜多色正投影方程,構造迭代格式,利用所測得的高、低能譜多色投影數(shù)據(jù),迭代重建被測物體的雙基材料密度圖像。
[0009]進一步地,其中所述步驟SI包括:
[0010]Sll:根據(jù)被測物體的尺寸和材料,選定一個包含兩種不同的基材料的標定模體;
[0011]S12:利用雙能譜CT系統(tǒng)掃描標定模體,采集標定模體在各個角度下的雙能譜多色投影數(shù)據(jù);
[0012]S13:通過最小化標定模體中不同雙基材料厚度組合與其雙能譜多色投影值之間的距離,標定雙能譜CT系統(tǒng)的雙能譜多色正投影方程。
[0013]進一步地,其中所述步驟S3包括:
[0014]S31:根據(jù)所述雙能譜多色正投影方程,構造求雙基材料密度圖像的迭代格式;
[0015]S32:為待重建的被測物體的雙基材料密度圖像賦初始值;
[0016]S33:利用所述雙能譜多色正投影方程,獲取當前雙基材料密度圖像的多色投影的估計值,并與被測物體實測的多色投影的真實值相比較,得到所重建的雙基材料密度圖像估計值的誤差;
[0017]S34:利用計算得到的雙基材料密度圖像估計值的誤差,更新當前重建的雙基材料密度圖像;
[0018]S35:加入物理約束條件,使當前重建的雙基材料密度圖像滿足所述物理約束條件;
[0019]S36:重復步驟S33-S35,直到滿足迭代結束條件,重建出雙基材料密度圖像。
[0020]進一步地,所述雙能譜CT系統(tǒng)的掃描模式包括圓周掃描、螺旋掃描、有限角度掃描、稀疏角度掃描及一般掃描模式中的至少一種。
[0021]進一步地,步驟S3中所述迭代格式是每個角度修正一次或是用有序子集方法修正。
[0022]進一步地,所述物理約束條件包括像素值非負約束和/或分段光滑約束。
[0023]進一步地,步驟S12中所述雙能譜多色正投影方程用多項式方程、分段多項式方程或樣條曲線方程表示;在用多項式方程表示多色正投影方程的情況下:
[0024]
【權利要求】
1.一種雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,包括以下步驟: S1:根據(jù)多色投影值與基材料厚度組合之間的曲線關系獲取雙能譜多色正投影方程; 52:利用雙能譜CT系統(tǒng)掃描被測物體,采集被測物體的高、低能譜多色投影數(shù)據(jù); 53:根據(jù)所述雙能譜多色正投影方程,構造迭代格式,利用所測得的高、低能譜多色投影數(shù)據(jù),迭代重建被測物體的雙基材料密度圖像。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,其中所述步驟SI包括: 511:根據(jù)被測物體的尺寸和材料,選定一個包含兩種不同的基材料的標定模體; 512:利用雙能譜CT系統(tǒng)掃描標定模體,采集標定模體在各個角度下的雙能譜多色投影數(shù)據(jù); 513:通過最小化標定模體中不同雙基材料厚度組合與其雙能譜多色投影值之間的距離,標定雙能譜CT系統(tǒng)的雙能譜多色正投影方程。
3.根據(jù)權利要求1所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,其中所述步驟S3包括: 531:根據(jù)所述雙能譜多色正投影方程,構造求雙基材料密度圖像的迭代格式; 532:為待重建的被測物體的雙基材料密度圖像賦初始值; 533:利用所述雙能譜多色正投影方程,獲取當前雙基材料密度圖像的多色投影的估計值,并與被測物體實測的多色投影的真實值相`比較,得到所重建的雙基材料密度圖像估計值的誤差; 534:利用計算得到的雙基材料密度圖像估計值的誤差,更新當前重建的雙基材料密度圖像; 535:加入物理約束條件,使當前重建的雙基材料密度圖像滿足所述物理約束條件; 536:重復步驟S33-S35,直到滿足迭代結束條件,重建出雙基材料密度圖像。
4.根據(jù)權利要求1所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,所述雙能譜CT系統(tǒng)的掃描模式包括圓周掃描、螺旋掃描、有限角度掃描、稀疏角度掃描及一般掃描模式中的至少一種。
5.根據(jù)權利要求1所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,步驟S3中所述迭代格式是每個角度修正一次或是用有序子集方法修正。
6.根據(jù)權利要求3所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,所述物理約束條件包括像素值非負約束和/或分段光滑約束。
7.根據(jù)權利要求2所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,步驟S12中所述雙能譜多色正投影方程用多項式方程、分段多項式方程或樣條曲線方程表示;在用多項式方程表示多色正投影方程的情況下:
q,,L = C, {Fl,Gl ) = ZfjCuhnFlG^ i=l,2


A--O 其中參數(shù)i表示能譜索引是沿著給定X射線路徑L所探測到的多色投影,表示為基函數(shù)F/Gf的一個線性組合;1(和M分別是多項式的階數(shù),即多項式共包含(K+l) X (M+1)個基函數(shù);函數(shù)Ci的多項式系數(shù)Ci,km由權利要求2中的標定方法確定。
8.根據(jù)權利要求3所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,步驟S33中由雙基材料密度圖像估計值的誤差求基材料密度圖像修正值的公式為:
9.根據(jù)權利要求3所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,步驟S34中利用第η次迭代計算得到的雙基材料密度圖像估計值的誤差,更新當前重建的雙基材料密度圖像的公式為:
10.根據(jù)權利要求1所述的雙能譜CT圖像迭代重建方法,其特征在于,被測物體的雙基材料密度圖像重建過程采用并行方法計算,并基于硬件并行計算平臺加速實現(xiàn)。
【文檔編號】G06T11/00GK103559729SQ201310576885
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權日:2013年11月18日
【發(fā)明者】趙星, 胡晶晶, 趙云松, 張慧滔, 張朋 申請人:首都師范大學, 北京理工大學
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