本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)圖像重建，尤其是涉及一種基于量子退火的ct圖像重建方法。

背景技術(shù)：

1、隨著醫(yī)療影像技術(shù)的不斷發(fā)展，ct圖像的質(zhì)量逐漸提高，使得圖像變得更加清晰。這一進(jìn)步得益于硬件和軟件技術(shù)的不斷創(chuàng)新，例如在光子計(jì)數(shù)ct中采用更先進(jìn)的x射線檢測(cè)器以及更高分辨率的圖像重建算法等。這些技術(shù)的應(yīng)用使得醫(yī)生能夠在診斷過(guò)程中更準(zhǔn)確地觀察和分析患者的解剖結(jié)構(gòu)和病變。

2、然而，隨著圖像質(zhì)量的提高，出現(xiàn)了一些問(wèn)題。例如目前的光子計(jì)數(shù)ct存在：1、ct掃描生成大量數(shù)據(jù)，處理和存儲(chǔ)需要強(qiáng)大的計(jì)算資源和存儲(chǔ)空間。2、盡管現(xiàn)代ct設(shè)備已經(jīng)顯著提高了圖像重建速度，但在一些復(fù)雜情況下，重建時(shí)間仍然較長(zhǎng)。3、輻射劑量問(wèn)題，ct掃描需要使用x射線，患者可能會(huì)受到較高的輻射劑量，特別是頻繁進(jìn)行掃描的患者。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于量子退火的ct圖像重建方法、裝置及介質(zhì)。

2、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、作為本發(fā)明的第一方面，提供一種基于量子退火的ct圖像重建方法，所述方法步驟包括：

4、通過(guò)ct采集投影數(shù)據(jù)y，獲取ct系統(tǒng)的投影矩陣p；

5、采用量子比特描述待重建圖像x，并對(duì)其通過(guò)ct系統(tǒng)矩陣p進(jìn)行投影得到含變量的投影數(shù)據(jù)px；

6、基于含變量的投影數(shù)據(jù)px與真實(shí)投影數(shù)據(jù)y得到待優(yōu)化的表達(dá)式；

7、對(duì)待優(yōu)化表達(dá)式進(jìn)行編譯，得到用于量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的問(wèn)題哈密頓量；

8、將問(wèn)題哈密頓量帶入量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子退火計(jì)算，并反復(fù)迭代直至重建圖像達(dá)到精度要求，得到重建的圖像。

9、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述的重建圖像x根據(jù)分辨率采用相應(yīng)數(shù)量的量子比特描述為：

10、

11、式中：qmax表示每個(gè)圖像像素點(diǎn)使用量子比特的個(gè)數(shù)；k，用于將重建的數(shù)值由整數(shù)變?yōu)閷?shí)數(shù)；σq，j代表量子比特；dj是與量子比特取值相關(guān)的參數(shù)，隨著迭代過(guò)程變化。

12、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述的待優(yōu)化的表達(dá)式為：

13、min|px-y|2

14、式中：p代表ct系統(tǒng)矩陣；x表示重建圖像；y表示投影數(shù)據(jù)。

15、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述用于量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的問(wèn)題哈密頓量hp表示為：

16、hp＝|px-y|2。

17、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述將問(wèn)題哈密頓量帶入量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子退火計(jì)算具體為：

18、h(s)＝(1-s)h0+hp

19、其中，s是一個(gè)隨時(shí)間從0變化到1的參數(shù)；在量子退火過(guò)程中，系統(tǒng)從一個(gè)已知哈密頓量h0的基態(tài)開(kāi)始演化，最終，當(dāng)s＝1時(shí)，達(dá)到目標(biāo)哈密頓量hp的基態(tài)。

20、作為優(yōu)選技術(shù)方案，在所述量子退火過(guò)程中，更新參數(shù)：

21、

22、

23、其中，cj為一個(gè)常數(shù)，用于調(diào)整迭代過(guò)程中的步長(zhǎng)；kj用于將重建的數(shù)值由整數(shù)變?yōu)閷?shí)數(shù)，它會(huì)隨著迭代過(guò)程不停改變；qmax表示每個(gè)圖像像素點(diǎn)使用量子比特的個(gè)數(shù)。

24、作為優(yōu)選技術(shù)方案，判斷所述重建圖像達(dá)到精度要求具體為：將迭代得到的重建圖像再次投影，檢查|px-y|是否滿足精度要求。

25、作為優(yōu)選技術(shù)方案，當(dāng)退火過(guò)程完成，量子比特的狀態(tài)即對(duì)應(yīng)于問(wèn)題哈密頓量hp的近似基態(tài)；通過(guò)讀取量子比特的狀態(tài)，得到優(yōu)化問(wèn)題的解x，即重建的圖像。

26、作為本發(fā)明的第二方面，提供一種基于量子退火的ct圖像重建裝置，包括存儲(chǔ)器、處理器，以及存儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)器中的程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上任一所述的基于量子退火的ct圖像重建方法。

27、作為本發(fā)明的第三方面，提供一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有程序，其特征在于，所述程序被執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述的基于量子退火的ct圖像重建方法。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

29、1)本發(fā)明將ct重建問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題后采用了基于量子力學(xué)的量子退火優(yōu)化算法，它利用量子比特疊加和糾纏的性質(zhì)，能夠更有效地跳出局部極小值，找到全局最優(yōu)解，從而提高重建圖像的質(zhì)量。同時(shí)對(duì)含有噪聲的投影數(shù)據(jù)重建后，比傳統(tǒng)重建方法，具有更好的圖像質(zhì)量。

30、2)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高效的圖像重建，通過(guò)量子計(jì)算的高度并行性可以加速圖像重建過(guò)程，提高成像效率。

31、3)本發(fā)明相比于經(jīng)典迭代重建算法只需要更少角度數(shù)量的投影就能完成精確重建，減少采集ct投影數(shù)據(jù)頻次，從而降低病人所受的輻射劑量。

技術(shù)特征：

1.一種基于量子退火的ct圖像重建方法，其特征在于，所述方法步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量子退火的ct圖像重建方法，其特征在于，所述的重建圖像x根據(jù)分辨率采用相應(yīng)數(shù)量的量子比特描述為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量子退火的ct圖像重建方法，其特征在于，所述的待優(yōu)化的表達(dá)式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于量子退火的ct圖像重建方法，其特征在于，所述用于量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的問(wèn)題哈密頓量hp表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量子退火的ct圖像重建方法，其特征在于，所述將問(wèn)題哈密頓量帶入量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子退火計(jì)算具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于量子退火的ct圖像重建方法，其特征在于，在所述量子退火過(guò)程中，更新參數(shù)：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量子退火的ct圖像重建方法，其特征在于，判斷所述重建圖像達(dá)到精度要求具體為：將迭代得到的重建圖像再次投影，檢查|px-y|是否滿足精度要求。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量子退火的ct圖像重建方法，其特征在于，當(dāng)退火過(guò)程完成，量子比特的狀態(tài)即對(duì)應(yīng)于問(wèn)題哈密頓量hp的近似基態(tài)；通過(guò)讀取量子比特的狀態(tài)，得到優(yōu)化問(wèn)題的解x，即重建的圖像。

9.一種基于量子退火的ct圖像重建裝置，包括存儲(chǔ)器、處理器，以及存儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)器中的程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-8中任一所述的基于量子退火的ct圖像重建方法。

10.一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有程序，其特征在于，所述程序被執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-8中任一所述的基于量子退火的ct圖像重建方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于量子退火的CT圖像重建方法、裝置及介質(zhì)，所述方法步驟包括：通過(guò)CT采集投影數(shù)據(jù)y，獲取CT系統(tǒng)的投影矩陣P；采用量子比特描述待重建圖像x，并對(duì)其通過(guò)CT系統(tǒng)矩陣P進(jìn)行投影得到含變量的投影數(shù)據(jù)Px；基于含變量的投影數(shù)據(jù)Px與真實(shí)投影數(shù)據(jù)y得到待優(yōu)化的表達(dá)式；對(duì)待優(yōu)化表達(dá)式進(jìn)行編譯，得到用于量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的問(wèn)題哈密頓量；將問(wèn)題哈密頓量帶入量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子退火計(jì)算，并反復(fù)迭代直至重建圖像達(dá)到精度要求，得到重建的圖像。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高效的圖像重建，通過(guò)量子計(jì)算的高度并行性可以加速圖像重建過(guò)程，提高成像效率。

技術(shù)研發(fā)人員：溫寧,雷少虎,嚴(yán)福華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2