一種基于投影估計(jì)的多能譜ct圖像重建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于投影估計(jì)的多能譜CT圖像重建方法，用以重建被測(cè)物體的多種基材料密度圖像。該方法包括：利用傳統(tǒng)單能CT重建算法由所采集的多色投影數(shù)據(jù)分別直接重建被測(cè)物體的能量圖像；計(jì)算每一個(gè)能量圖像沿著所有其它能譜的射線方向的線積分，估計(jì)在這些方向上的當(dāng)前能譜的多色投影，求得幾何參數(shù)一致的多色投影；標(biāo)定多基材料分解函數(shù)，將估計(jì)出的幾何參數(shù)一致的多色投影，分解為多個(gè)基材料的線積分；分別由多基材料線積分重建出所對(duì)應(yīng)的多基材料密度圖像。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單實(shí)用，適用于多色投影幾何參數(shù)不一致的情況下的多能譜CT圖像重建。與現(xiàn)有技術(shù)相比，僅利用所測(cè)投影數(shù)據(jù)估計(jì)出幾何參數(shù)一致的多色投影，便可重建出高質(zhì)量的圖像。
【專(zhuān)利說(shuō)明】 一種基于投影估計(jì)的多能譜CT圖像重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及X射線CT成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及一種基于投影估計(jì)的多能譜CT圖像重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)(簡(jiǎn)稱X射線CT)是一種利用X射線與物質(zhì)的相互作用原理，對(duì)物體內(nèi)部信息進(jìn)行成像的一種技術(shù)。X射線CT技術(shù)不僅是一種常規(guī)的醫(yī)學(xué)診療檢測(cè)手段，也是一項(xiàng)重要的工業(yè)支撐技術(shù)，廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域的關(guān)鍵部件的無(wú)損檢測(cè)。目前常用的X射線管發(fā)不出理想的單能量X射線束，發(fā)出的是服從一定譜分布的多色X射線束，掃描采集的數(shù)據(jù)為多色投影數(shù)據(jù)，因此傳統(tǒng)CT也稱為單能譜CT。單能譜CT僅使用一個(gè)X射線能譜對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描，所重建的不同物質(zhì)的CT圖像可能具有相同或相近的CT值，難以區(qū)分不同的物質(zhì)。此外傳統(tǒng)CT算法中忽略了 X射線的多色性，導(dǎo)致在重建圖像中產(chǎn)生硬化偽影。多能譜CT掃描被測(cè)物體時(shí)，使用多個(gè)X射線能譜，能夠測(cè)得比傳統(tǒng)單能譜CT更多的被測(cè)物體信息。利用這些信息可以重建出被測(cè)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(duì)物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分。由于多能譜CT具有更好的物質(zhì)區(qū)分能力，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]在高分辨率成像情況下，多能譜CT圖像問(wèn)題是一個(gè)高維數(shù)的非線性反問(wèn)題。理想的多能譜CT的數(shù)據(jù)采集要求為“同源、同時(shí)、同向”。所謂同源，即保證每種能譜的X射線采集時(shí)的質(zhì)量完全一致；所謂同時(shí)，即保證被測(cè)物體在每種能譜的X射線采集時(shí)的位移完全一致；所謂同向，即保證每種能譜的X射線采集路徑完全一致。在滿足理想條件情況下，可以在投影空間將多色投影數(shù)據(jù)直接分解為各個(gè)基材料的單色投影，然后用傳統(tǒng)CT重建算法如濾波反投影算法等即可重建出高質(zhì)量的被測(cè)物體的基材料圖像。然而目前常用的多能譜CT硬件系統(tǒng)均難以滿足理想數(shù)據(jù)采集條件，尤其難以滿足“同向”條件，導(dǎo)致所采集的各種能譜的多色投影的幾何參數(shù)不一致。在這種情況下，多能譜成像方程具有很高的病態(tài)性?，F(xiàn)有的求解方法大致可以分為三類(lèi):迭代法、投影域分解法和圖像域分解法。迭代法利用數(shù)值方法或者優(yōu)化方法構(gòu)造迭代結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)圖像重建結(jié)果逐步修正求出多基材料密度圖像等信息。該方法雖然重建圖像質(zhì)量較高，但需要預(yù)先精確標(biāo)定出X射線源的多個(gè)能譜以及在不同能量下的基材料的衰減系數(shù)等，且計(jì)算量大，收斂速度慢，因此難以在實(shí)際多能譜CT成像系統(tǒng)中應(yīng)用。投影域分解成像方法先在投影域分解出基材料密度圖像的投影值，然后利用傳統(tǒng)CT方法進(jìn)行重建出基材料的密度圖像。該方法步驟簡(jiǎn)單、成像質(zhì)量高，但僅僅適用于各種能譜的多色投影幾何參數(shù)一致的情況，因此不適用于當(dāng)前的多能譜CT系統(tǒng)。圖像域分解法先用傳統(tǒng)CT重建方法分別計(jì)算出物體的高能和低能衰減系數(shù)圖像，然后對(duì)重建圖像在圖像域進(jìn)行線性組合重建出基材料的密度圖像。圖像域分解法是一種近似成像方法，在分解成像時(shí)忽略了多能譜投影的乘積項(xiàng)，所重建的基材料密度圖像有嚴(yán)重偽影。鑒于目前常用的雙能譜CT成像系統(tǒng)以及螺旋錐束掃描等多種CT掃描模式采集不到幾何參數(shù)一致的多色投影，圖像域分解成像方法仍然是最常用的多能譜CT成像方法，因此需要開(kāi)發(fā)一 種新的適用于多色投影幾何參數(shù)不一致情況下的高質(zhì)量多能譜CT圖像重建方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種基于投影估計(jì)的多能譜CT圖像重建方法，用以提高在多能譜多色投影的幾何參數(shù)不一致情況下的重建圖像質(zhì)量。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于投影估計(jì)的多能譜CT圖像重建方法，包括以下步驟:
[0006]S1:利用單能CT重建算法由所采集的各個(gè)能譜的多色投影數(shù)據(jù)分別直接重建被測(cè)物體的能量圖像；
[0007]S2:計(jì)算每一個(gè)能量圖像沿著所有其它能譜的射線方向的線積分，估計(jì)在這些方向上的當(dāng)前能譜的多色投影，得到幾何參數(shù)一致的多色投影；
[0008]S3:標(biāo)定多基材料分解函數(shù)，將幾何參數(shù)一致的多色投影分解為多個(gè)基材料的線積分；
[0009]S4:利用單能CT圖像重建方法分別由多個(gè)基材料的線積分重建出所對(duì)應(yīng)的多基材料密度圖像。
[0010]進(jìn)一步地,在步驟S3中,標(biāo)定多基材料分解函數(shù)的步驟具體包括:
[0011]S31:用多種基材料做成一個(gè)標(biāo)定模體，標(biāo)定模體中各種基材料在各個(gè)方向上的線積分組合涵蓋被測(cè)物體中各種基材料在各個(gè)方向上的線積分組合，利用多能譜CT以與被測(cè)物體相同的掃描模式測(cè)量標(biāo)定模體，獲得多能譜多色投影數(shù)據(jù)；
[0012]S32:利用多色投影估計(jì)方法計(jì)算出標(biāo)定模體的幾何參數(shù)一致的多能譜多色投影;
[0013]S33:在圖像域內(nèi)通過(guò)最小化多色投影組合的重建圖像和模體圖像之間的距離，計(jì)算出多基材料分解函數(shù)的系數(shù)，得到標(biāo)定了的多基材料分解函數(shù)。
[0014]進(jìn)一步地，步驟S31中標(biāo)定模體由多種基材料組合而成，其中基材料種數(shù)小于等于能譜個(gè)數(shù)，當(dāng)基材料種數(shù)小于能譜個(gè)數(shù)時(shí)，通過(guò)組合不同的能譜投影數(shù)據(jù)重建基材料密度圖像。
[0015]進(jìn)一步地，在多色投影估計(jì)之前，對(duì)被測(cè)物體中的主要成分預(yù)先進(jìn)行線性化校正，以提聞投影估計(jì)精度。
[0016]進(jìn)一步地，單能CT圖像重建方法為解析方法或迭代重建方法。
[0017]進(jìn)一步地，在利用單能CT圖像重建方法進(jìn)行圖像重建中，添加物理約束條件，使當(dāng)前重建的密度圖像滿足物理約束條件，物理約束條件包括像素值非負(fù)約束和/或分段光滑約束。
[0018]進(jìn)一步地，步驟SI中利用單能CT重建算法由各個(gè)能譜的多色投影數(shù)據(jù)分別直接重建被測(cè)物體圖像的公式如下:
[0019]fq (x) = R-'(qm{L))
[0020]這里qm(L)表示第m種能譜的多色投影數(shù)據(jù)，m為自然數(shù)#是Radon逆變換算子，表示單能CT圖像重建方法(X)表示所重建的該種能譜下的被測(cè)物體的能量圖像。
[0021]進(jìn)一步地，步驟S2中通過(guò)計(jì)算每一個(gè)能量圖像沿著其它能譜的射線方向的線積分，估計(jì)在這些方向上的當(dāng)前能譜的多色投影的公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于投影估計(jì)的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，包括以下步驟: S1:利用單能CT重建算法由所采集的各個(gè)能譜的多色投影數(shù)據(jù)分別直接重建被測(cè)物體的能量圖像； S2:計(jì)算每一個(gè)能量圖像沿著所有其它能譜的射線方向的線積分，估計(jì)在這些方向上的當(dāng)前能譜的多色投影，得到幾何參數(shù)一致的多色投影； 53:標(biāo)定多基材料分解函數(shù)，將所述幾何參數(shù)一致的多色投影分解為多個(gè)基材料的線積分； 54:利用單能CT圖像重建方法分別由多個(gè)基材料的線積分重建出所對(duì)應(yīng)的多基材料密度圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，在步驟S3中，標(biāo)定多基材料分解函數(shù)的步驟具體包括: 531:用多種基材料做成ー個(gè)標(biāo)定模體，標(biāo)定模體中各種基材料在各個(gè)方向上的線積分組合涵蓋被測(cè)物體中各種基材料在各個(gè)方向上的線積分組合，利用多能譜CT以與被測(cè)物體相同的掃描模式測(cè)量標(biāo)定模體，獲得多能譜多色投影數(shù)據(jù)； 532:利用多色投影估計(jì)方法計(jì)算出標(biāo)定模體的幾何參數(shù)一致的多能譜多色投影； 533:在圖像域內(nèi)通過(guò)最小化多色投影組合的重建圖像和模體圖像之間的距離，計(jì)算出多基材料分解函數(shù)的系數(shù)，得到標(biāo)定了的多基材料分解函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，步驟S31中所述標(biāo)定模體由多種基材料組合而成，其中基材料種數(shù)小于等于能譜個(gè)數(shù)，當(dāng)基材料種數(shù)小于能譜個(gè)數(shù)時(shí)，通過(guò)組合不同的能譜投影數(shù)據(jù)重建基材料密度圖像。`
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，在多色投影估計(jì)之前，對(duì)被測(cè)物體中的主要成分預(yù)先進(jìn)行線性化校正，以提高投影估計(jì)精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，所述單能CT圖像重建方法為解析方法或迭代重建方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，在利用單能CT圖像重建方法進(jìn)行圖像重建中，添加物理約束條件，使當(dāng)前重建的密度圖像滿足所述物理約束條件，所述物理約束條件包括像素值非負(fù)約束和/或分段光滑約束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，步驟SI中利用單能CT重建算法由各個(gè)能譜的多色投影數(shù)據(jù)分別直接重建被測(cè)物體圖像的公式如下: ,,W =尺-1 (仏《⑷) 這里qm(L)表示第m種能譜的多色投影數(shù)據(jù)，m為自然數(shù)J1是Radon逆變換算子，表示單能CT圖像重建方法；& (ベ表示所重建的該種能譜下的被測(cè)物體的能量圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，步驟S2中通過(guò)計(jì)算每一個(gè)能量圖像沿著所有其它能譜的射線方向的線積分，估計(jì)在這些方向上的當(dāng)前能譜的多色投影的公式如下: 這里參數(shù)m表示能譜的序號(hào)，m=l，2，…，M，M為自然數(shù)，即共有M個(gè)能譜掃描被測(cè)物體；射線方向L是其它能譜掃描被測(cè)物體時(shí)的射線方向，不屬于當(dāng)前第m種能譜的射線路徑集合Qm;q' m(L)是沿著射線方向L穿過(guò)當(dāng)前第m個(gè)能量圖像人,(.V)的線積分，是對(duì)第爪種能譜在L方向的多色投影估計(jì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，步驟S3中利用所估計(jì)的幾何參數(shù)一致的多色投影，分解為多個(gè)基材料線積分的公式為:
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能譜CT圖像重建方法，其特征在于，步驟S4中利用單能CT圖像重建方法分別由多個(gè)基材料線積分重建出所對(duì)應(yīng)的多基材料密度圖像的公式是:
fm (X) =IT1 (Fm (L)) 這里fm(x)是重建出的多基材料密度圖像；Fm(L)是其中第m個(gè)基材料的線積分，m=l, 2，…，M，M為自然數(shù)#是Radon逆變換算子，表示單能CT圖像重建方法。
【文檔編號(hào)】G06T5/50GK103559699SQ201310581204
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:首都師范大學(xué), 北京理工大學(xué)