本公開涉及能譜CT成像技術(shù)，具體而言涉及基于機(jī)器學(xué)習(xí)與投影域估計(jì)的能譜CT圖像重建方法及能譜CT成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

雙能CT于二十世紀(jì)七十年代被提出。隨著X射線探測器和成像系統(tǒng)的發(fā)展，雙能CT得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著探測器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及CT成像的進(jìn)一步需求，使用雙能或者多能(即，使用≥2個(gè)能譜的X射線穿過物體形成的信號進(jìn)行成像，通常稱為多個(gè)能窗或者能量通道的X光)的能譜CT得到廣泛的關(guān)注，并在實(shí)際應(yīng)用中繁榮。相比于傳統(tǒng)的單能CT，能譜CT不僅沒有譜硬化和對比度不足等缺點(diǎn)，而且能夠區(qū)分材料，尤其是在某些能量下具有相同吸收系數(shù)的材料。這些優(yōu)點(diǎn)使能譜CT有許多臨床應(yīng)用如腹部成像和肺疾病檢測等。

一般情況下，能譜CT在每一個(gè)能量下都需要采集完備的CT數(shù)據(jù)。以扇束CT為例，一個(gè)完備的投影數(shù)據(jù)集應(yīng)覆蓋短掃描角度(180度加一個(gè)扇束角)。傳統(tǒng)的多個(gè)能量數(shù)據(jù)采集則需要進(jìn)行多次不同能量下的短掃描；或者采用雙源、多源CT進(jìn)行一次掃描；或者使用能量分辨探測器如光子計(jì)數(shù)探測器進(jìn)行一次掃描獲取多個(gè)能量的投影數(shù)據(jù)。以上的方案都會(huì)遇到輻射劑量增加、掃描時(shí)間長、硬件成本高等問題。

一個(gè)解決辦法是不采集完備的CT數(shù)據(jù)，但面臨投影數(shù)據(jù)不足的重建問題。對此，通常的解決方法是采用壓縮感知技術(shù)，即，假設(shè)信號是稀疏的或者在變換域是稀疏的，即

‖Ψ(x)‖₀≤s (1)

其中是原始信號，Ψ(·)是稀疏算子，s為稀疏度。實(shí)際應(yīng)用中，常以L1范數(shù)替換L0范數(shù)，使問題變?yōu)橥挂?guī)劃問題，A表示正向投影，b表示測量的投影數(shù)據(jù):

argmin_x‖Ψ(x)‖₁ s.t. Ax＝b (2)

但是，仍然需要改進(jìn)的能譜CT圖像重建算法。

在所述背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請公開一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)與投影域估計(jì)的能譜CT圖像重建算法，能夠解決前述重建問題。

本公開的其他特性和優(yōu)點(diǎn)將通過下面的詳細(xì)描述變得顯然，或部分地通過本公開的實(shí)踐而習(xí)得。

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供一種能譜CT圖像重建方法，包括：在多個(gè)能量窗中的每個(gè)能量窗下采集不完備的原投影數(shù)據(jù)；利用多個(gè)能量窗中不同能量窗構(gòu)成的至少一對能量窗下的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)進(jìn)行投影數(shù)據(jù)交叉估計(jì)以得到估計(jì)投影數(shù)據(jù)，其中每對能量窗包括第一能量窗和第二能量窗；將所述原投影數(shù)據(jù)與相應(yīng)的估計(jì)投影數(shù)據(jù)組合，得到完整投影數(shù)據(jù)；及利用所述完整投影數(shù)據(jù)重建能譜CT圖像。

根據(jù)一些實(shí)施例，利用多個(gè)能量窗中不同能量窗構(gòu)成的至少一對能量窗的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)進(jìn)行投影數(shù)據(jù)交叉估計(jì)以得到估計(jì)投影數(shù)據(jù)包括：在圖像域上建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)和所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系；利用所述映射關(guān)系得到估計(jì)圖像數(shù)據(jù)；及從所述估計(jì)圖像數(shù)據(jù)得到所述估計(jì)投影數(shù)據(jù)。

根據(jù)一些實(shí)施例，在圖像域上建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)和所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系包括：從所述第一能量窗和所述第二能量窗的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)提取穿過相同射線路徑的所述第一能量窗下的第一相同投影數(shù)據(jù)和所述第二能量窗下的第二相同投影數(shù)據(jù)；利用所述第一相同投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到第一訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)；利用所述第二相同投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到第二訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)；利用所述第一訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)和所述第二訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)到所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)的第一映射關(guān)系和/或所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)到所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)的第二映射關(guān)系。

根據(jù)一些實(shí)施例，利用所述映射關(guān)系得到估計(jì)圖像數(shù)據(jù)包括：利用所述第一能量窗和所述第二能量窗下的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)通過預(yù)重建分別得到第一初始圖像數(shù)據(jù)和/或第二初始圖像數(shù)據(jù)；將所述第一初始圖像數(shù)據(jù)通過所述第一映射關(guān)系映射得到所述第二能量窗下的第二估計(jì)圖像數(shù)據(jù)和/或?qū)⑺龅诙跏紙D像數(shù)據(jù)通過所述第二映射關(guān)系映射得到所述第一能量窗下的第一估計(jì)圖像數(shù)據(jù)。

根據(jù)一些實(shí)施例，從所述估計(jì)圖像數(shù)據(jù)得到所述估計(jì)投影數(shù)據(jù)包括：利用所述第一估計(jì)圖像數(shù)據(jù)和用于所述第一能量窗的投影算子得到第一估計(jì)投影數(shù)據(jù)和/或利用所述第二估計(jì)圖像數(shù)據(jù)和用于所述第二能量窗的投影算子得到第二估計(jì)投影數(shù)據(jù)。

根據(jù)一些實(shí)施例，在多個(gè)能量窗中的每個(gè)能量窗下采集不完備的原投影數(shù)據(jù)包括有限角采樣、角度稀疏采樣或稀疏探測器采樣。

根據(jù)本公開的另一方面，提供一種能譜CT成像系統(tǒng)，包括：射線發(fā)生裝置，包括射線源；光子計(jì)數(shù)探測器或者能量敏感探測器，包括多個(gè)像素；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從所述光子計(jì)數(shù)探測器或者能量敏感探測器對穿過被成像物的光子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；及圖像重建系統(tǒng)，利用所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)重建能譜CT圖像，其中所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置為在多個(gè)能量窗中的每個(gè)能量窗下采集不完備的原投影數(shù)據(jù)；所述圖像重建系統(tǒng)包括：交叉估計(jì)模塊，利用多個(gè)能量窗中不同能量窗構(gòu)成的至少一對能量窗下的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)進(jìn)行投影數(shù)據(jù)交叉估計(jì)以得到估計(jì)投影數(shù)據(jù)，其中每對能量窗包括第一能量窗和第二能量窗；組合模塊，將所述原投影數(shù)據(jù)與相應(yīng)的估計(jì)投影數(shù)據(jù)組合，得到完整投影數(shù)據(jù)；及重建模塊，利用所述完整投影數(shù)據(jù)重建所述能譜CT圖像。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述交叉估計(jì)模塊配置為：在圖像域上建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)和所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系；利用所述映射關(guān)系得到估計(jì)圖像數(shù)據(jù)；及從所述估計(jì)圖像數(shù)據(jù)得到所述估計(jì)投影數(shù)據(jù)。

根據(jù)一些實(shí)施例，在圖像域上建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)和所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系包括：從所述第一能量窗和所述第二能量窗的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)提取穿過相同射線路徑的所述第一能量窗下的第一相同投影數(shù)據(jù)和所述第二能量窗下的第二相同投影數(shù)據(jù)；利用所述第一相同投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到第一訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)；利用所述第二相同投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重 建，得到第二訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)；利用所述第一訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)和所述第二訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)到所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)的第一映射關(guān)系和/或所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)到所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)的第二映射關(guān)系。

根據(jù)一些實(shí)施例，利用所述映射關(guān)系得到估計(jì)圖像數(shù)據(jù)包括：利用所述第一能量窗和所述第二能量窗下的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)通過預(yù)重建分別得到第一初始圖像數(shù)據(jù)和/或第二初始圖像數(shù)據(jù)；將所述第一初始圖像數(shù)據(jù)通過所述第一映射關(guān)系映射得到所述第二能量窗下的第二估計(jì)圖像數(shù)據(jù)和/或?qū)⑺龅诙跏紙D像數(shù)據(jù)通過所述第二映射關(guān)系映射得到所述第一能量窗下的第一估計(jì)圖像數(shù)據(jù)。

根據(jù)一些實(shí)施例，從所述估計(jì)圖像數(shù)據(jù)得到所述估計(jì)投影數(shù)據(jù)包括：利用所述第一估計(jì)圖像數(shù)據(jù)和用于所述第一能量窗的投影算子得到第一估計(jì)投影數(shù)據(jù)和/或利用所述第二估計(jì)圖像數(shù)據(jù)和用于所述第二能量窗的投影算子得到第二估計(jì)投影數(shù)據(jù)。

根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的能譜CT圖像重建算法，采用例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)能譜CT吸收系數(shù)間的關(guān)系，進(jìn)而估計(jì)出未采集的投影數(shù)據(jù)，能夠解決投影數(shù)據(jù)不足的重建問題。

附圖說明

通過參照附圖詳細(xì)描述其示例實(shí)施例，本公開的上述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。

圖1示出三個(gè)能量窗的示例系統(tǒng)中成對的能量窗下的數(shù)據(jù)空間之間的交叉估計(jì)；

圖2示出圖像映射示意圖；

圖3示出以兩層、每層有10個(gè)節(jié)點(diǎn)(神經(jīng)元)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例的學(xué)習(xí)示意圖；

圖4示出根據(jù)本公開實(shí)施例的基于上述構(gòu)思的能譜CT圖像重建方法的流程圖；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例進(jìn)行交叉估計(jì)和圖像重建的示例過程；

圖6為圖5的示例過程中使用的牙科模型；

圖7為圖5的示例過程中使用的CT能譜；

圖8為圖6的牙科模型的完整投影數(shù)據(jù)；

圖9示出根據(jù)本公開一實(shí)施例的有限角采樣雙能CT掃描示意圖，其中左側(cè)為掃描軌跡，右側(cè)為投影降采樣示意圖；

圖10示出根據(jù)本公開一實(shí)施例的角度稀疏采樣CT掃描示意圖，其中左側(cè)為掃描軌跡，右側(cè)為投影降采樣示意圖；

圖11示出根據(jù)本公開一實(shí)施例的探測器稀疏采樣CT掃描示意圖，其中左側(cè)為掃描軌跡，右側(cè)為投影降采樣示意圖；

圖12示出利用本公開的方法對圖9的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建的仿真結(jié)果；

圖13示出利用本公開的方法對圖10的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建的仿真結(jié)果；及

圖14示意性示出根據(jù)本公開一些示例實(shí)施例的能譜CT成像系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；及

圖15示意性示出根據(jù)本公開一些示例實(shí)施例的圖像重建系統(tǒng)構(gòu)成模塊。

具體實(shí)施例

現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例實(shí)施例。然而，示例實(shí)施例能夠以多種形式實(shí)施，且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例使得本公開將全面和完整，并將示例實(shí)施例的構(gòu)思全面地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。在圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的部分，因而將省略對它們的重復(fù)描述。

此外，所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的方式結(jié)合在一個(gè)或更多實(shí)施例中。在下面的描述中，提供許多具體細(xì)節(jié)從而給出對本公開的實(shí)施例的充分理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可以實(shí)踐本公開的技術(shù)方案而沒有所述特定細(xì)節(jié)中的一個(gè)或更多，或者可以采用其它的方法、組元、材料、裝置、步驟等。在其它情況下，不詳細(xì)示出或描述公知結(jié)構(gòu)、方法、裝置、實(shí)現(xiàn)、材料或者操作以避免模糊本公開的各方面。

附圖中所示的方框圖僅僅是功能實(shí)體，不一定必須與物理上獨(dú)立的實(shí)體相對應(yīng)。即，可以采用軟件形式來實(shí)現(xiàn)這些功能實(shí)體，或在一個(gè)或多個(gè)硬件模塊或集成電路中實(shí)現(xiàn)這些功能實(shí)體，或在不同網(wǎng)絡(luò)和/或處理器裝置和/或微控制 器裝置中實(shí)現(xiàn)這些功能實(shí)體。

附圖中所示的流程圖僅是示例性說明，不是必須包括所有的步驟。例如，有的步驟還可以分解，而有的步驟可以合并或部分合并，因此實(shí)際執(zhí)行的順序有可能根據(jù)實(shí)際情況改變。

根據(jù)本公開的發(fā)明構(gòu)思，使用不同能量窗下的數(shù)據(jù)兩兩一對進(jìn)行投影數(shù)據(jù)交叉估計(jì)。

圖1示出三個(gè)能量窗的示例系統(tǒng)中成對的能量窗下的數(shù)據(jù)空間之間的交叉估計(jì)。

參見圖1所示例的三個(gè)能量窗的系統(tǒng)，最外圍的實(shí)線框110、112和124表示每個(gè)能量下CT投影數(shù)據(jù)對應(yīng)的完備數(shù)據(jù)空間，實(shí)線框120、122和124表示各個(gè)能量下實(shí)際采集的不完備數(shù)據(jù)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)空間，虛線框表示交叉估計(jì)得到的估計(jì)數(shù)據(jù)所占據(jù)的數(shù)據(jù)空間。箭頭表示交叉估計(jì)的方向。

在每個(gè)能量窗下僅采集了一部分?jǐn)?shù)據(jù)：使用E₁和E₂能量作為一對，交叉估計(jì)E₁能量下的部分缺失數(shù)據(jù)和E₂能量下部分的缺失數(shù)據(jù)；使用E₁和E₃能量作為一對，交叉估計(jì)E₁能量下的部分缺失數(shù)據(jù)和E₃能量下的部分缺失數(shù)據(jù)；還可以使用E₂和E₃能量作為一對，交叉估計(jì)E₂能量下的部分缺失數(shù)據(jù)和E₃能量下的部分缺失數(shù)據(jù)。

以下以取任意一對能量E_k和E_k'為例說明投影數(shù)據(jù)交叉估計(jì)的方法。

在該方法中，提取E_k和E_k'下采集的投影中穿過相同射線路徑的投影數(shù)據(jù)，以用于確定映射關(guān)系。這里，既可以使用射線方向一致的投影，也可以使用共軛射線的投影。

設(shè)一對能量下的等效線性衰減系數(shù)圖像為在各個(gè)能量下CT掃描得到的投影數(shù)據(jù)分別為標(biāo)記它所對應(yīng)的數(shù)據(jù)空間為Ω_k，以及為標(biāo)記它所對應(yīng)的數(shù)據(jù)空間為Ω_k′。線積分投影算子表示為則直接進(jìn)行迭代重建的問題為：

其中E對應(yīng)E∈{E_k,E_k′}兩種情況，N表示重建圖像的像素?cái)?shù)量，M_k、M_k′表示射線數(shù)量，ij表示矩陣的與第i射線、第j像素對應(yīng)的元素。由于投影矩陣中M_k,M_k′＜N，方程是病態(tài)的。本公開通過建立從E_k下的投影數(shù)據(jù)到E_k′下的投影數(shù)據(jù)的映射，或者從E_k′下的投影數(shù)據(jù)到E_k下的投影數(shù)據(jù)的映射，

估計(jì)出E_k′在Ω_k空間的投影和E_k在Ω_k′空間的投影可以增加投影信息，減弱方程的病態(tài)性。由于投影域上的映射關(guān)系不明顯，本公開在圖像域上建立間接的映射關(guān)系則投影域映射可以表示為

其中為在連續(xù)域的投影變換，對應(yīng)于離散域的投影矩陣H。和可采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法得到，例如采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法?？捎肊_k和E_k'下采集的投影中穿過相同射線路徑的投影數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)以得到映射關(guān)系和

例如，首先用穿過相同射線路徑的投影數(shù)據(jù)和重建出圖像和然后對圖像進(jìn)行逐像素學(xué)習(xí)，

其中n是像素下標(biāo)n＝1,2,…,N，是以n為中心的d×d鄰域。以作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，f(n)作為輸出。圖2示出圖像映射示意圖。圖3示出以兩層、每層有10個(gè)節(jié)點(diǎn)(神經(jīng)元)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例的學(xué)習(xí)示意圖。已知映射關(guān)系和估計(jì)出

將估計(jì)出的投影數(shù)據(jù)與原投影數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，得到完整的投影數(shù)據(jù)：

幾乎將原數(shù)據(jù)擴(kuò)展了一倍，采用式(8)中的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的重建，即可得到質(zhì)量較高的雙能CT圖像。

圖4示出根據(jù)本公開實(shí)施例的基于上述構(gòu)思的能譜CT圖像重建方法的流程 圖。

如圖4所示，在S410，在多個(gè)能量窗中的每個(gè)能量窗下采集不完備的原投影數(shù)據(jù)。例如，可以通過有限角采樣、角度稀疏采樣或稀疏探測器采樣來采集不完備數(shù)據(jù)。

在S420，利用多個(gè)能量窗中不同能量窗構(gòu)成的至少一對能量窗下的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)進(jìn)行投影數(shù)據(jù)交叉估計(jì)以得到估計(jì)投影數(shù)據(jù)。每對能量窗包括第一能量窗和第二能量窗。

例如，可在圖像域上建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)和所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系。

可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立映射關(guān)系。例如，可利用所述第一相同投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建得到第一訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)，并利用所述第二相同投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建得到第二訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)。然后，利用所述第一訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)和所述第二訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)到所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)的第一映射關(guān)系所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)到所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)的第二映射關(guān)系機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以是例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，但本公開不限于此。

然后，利用所述映射關(guān)系可得到估計(jì)圖像數(shù)據(jù)。例如，利用所述第一能量窗和所述第二能量窗下的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)通過預(yù)重建分別得到第一初始圖像數(shù)據(jù)和/或第二初始圖像數(shù)據(jù)。接著，將所述第一初始圖像數(shù)據(jù)通過所述第一映射關(guān)系映射得到所述第二能量窗下的第二估計(jì)圖像數(shù)據(jù)，將所述第二初始圖像數(shù)據(jù)通過所述第二映射關(guān)系映射得到所述第一能量窗下的第一估計(jì)圖像數(shù)據(jù)。

然后，從所述估計(jì)圖像數(shù)據(jù)得到所述估計(jì)投影數(shù)據(jù)。例如，利用所述第一估計(jì)圖像數(shù)據(jù)和用于所述第一能量窗的投影算子得到第一估計(jì)投影數(shù)據(jù)，利用所述第二估計(jì)圖像數(shù)據(jù)和用于所述第二能量窗的投影算子得到第二估計(jì)投影數(shù)據(jù)。

在S430，將所述原投影數(shù)據(jù)與相應(yīng)的估計(jì)投影數(shù)據(jù)組合，得到完整投影數(shù)據(jù)。

在S440，利用所述完整投影數(shù)據(jù)重建能譜CT圖像。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例進(jìn)行交叉估計(jì)和圖像重建的示例過程。圖6為圖5的示例過程中使用的牙科模型。圖7為圖5的示例過程中使用的CT能譜。圖8為圖6的牙科模型的完整投影數(shù)據(jù)。

(1)從原投影數(shù)據(jù)和提取穿過相同射線路徑的投影數(shù)據(jù)和采用通用的重建方法得到訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)和例如使用濾波反投影重建，或者迭代重建，此處不再贅述。

(2)用訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)和分別作為輸入和目標(biāo)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，得到映射

(3)用投影數(shù)據(jù)和預(yù)重建，采用例如公式(3)得到初始圖像數(shù)據(jù)和

(4)交叉估計(jì)，利用映射關(guān)系得到估計(jì)圖像數(shù)據(jù)：

(5)投影，從估計(jì)圖像數(shù)據(jù)得到估計(jì)投影數(shù)據(jù)：

(6)原投影數(shù)據(jù)與估計(jì)投影數(shù)據(jù)組合：

(7)最終重建，使用完整數(shù)據(jù)和進(jìn)行重建，此為本領(lǐng)域所熟知，不再贅述。

根據(jù)實(shí)施例，采用圖6所示的模型、圖7的雙能CT能譜，此處雙能的兩個(gè)能量即對應(yīng)前述方法中的一對E_k和E_k′以進(jìn)行數(shù)據(jù)交叉估計(jì)，分別進(jìn)行有限角采樣、角度稀疏采樣或稀疏探測器采樣。

圖9示出有限角采樣雙能CT掃描示意圖，其中左側(cè)為掃描軌跡，右側(cè)為投影降采樣示意圖。有限角CT掃描為512個(gè)探測器，高能1～90度每隔1度1個(gè)采樣，低能120～210度每隔1度1個(gè)采樣。重建結(jié)果如圖12所示，其中左圖為根據(jù)本公開所述方法得到的結(jié)果，右圖為TV最小化約束得到的結(jié)果。

圖10示出角度稀疏采樣CT掃描示意圖，其中左側(cè)為掃描軌跡，右側(cè)為投 影降采樣示意圖。角度稀疏采樣CT掃描為512個(gè)探測器，高能一圈采集36個(gè)角度低能一圈采集24個(gè)角度重建結(jié)果如圖13所示，其中左圖為根據(jù)本公開所述方法得到的結(jié)果，右圖為TV最小化約束得到的結(jié)果。

圖11示出探測器稀疏采樣CT掃描示意圖，其中左側(cè)為掃描軌跡，右側(cè)為投影降采樣示意圖，其中高能64個(gè)探測器，低能64個(gè)探測器，高低能探測器交錯(cuò)排列。一圈采集360個(gè)投影角度。

由上述結(jié)果可見，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法可以大幅度降低重建所需要的數(shù)據(jù)量，適用于角度稀疏采樣、稀疏探測器采樣等，從而可降低探測器數(shù)量和輻射劑量以減少CT系統(tǒng)制造成本，并可用于減少角度覆蓋范圍以降低z軸層厚和提高時(shí)間分辨率。另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法可以有效抑制由于數(shù)據(jù)減少可能帶來的偽影。

圖14示意性示出根據(jù)本公開一些示例實(shí)施例的能譜CT成像系統(tǒng)1400的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖14所示，能譜CT成像系統(tǒng)1400可包括射線發(fā)生裝置1405、機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1410、光子計(jì)數(shù)探測器或者能量敏感探測器1420、以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1430。根據(jù)本公開的系統(tǒng)可以通過圓軌道掃描實(shí)現(xiàn)，也可以通過螺旋軌跡掃描實(shí)現(xiàn)，可用于三維能譜CT成像。

光子計(jì)數(shù)探測器或者能量敏感探測器1420可包括多個(gè)像素，用于接收并處理穿過物體的光子。光子計(jì)數(shù)探測器或者能量敏感探測器1420可為例如面陣探測器或環(huán)形探測器。根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，光子計(jì)數(shù)探測器或者能量敏感探測器1420包括電子學(xué)系統(tǒng)1425。

射線發(fā)生裝置1405可包括射線源，用于發(fā)射例如X射線。

機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1410用于使被成像物與所述射線源發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1410可例如包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置和對應(yīng)的控制系統(tǒng)(未示出)?？梢允潜怀上裎矬w1415運(yùn)動(dòng)而射線源和/或探測器1420保持靜止(圖1所示方式)，也可以是射線源和/或探測器運(yùn)動(dòng)，而物體保持靜止。一般在醫(yī)療領(lǐng)域中避免轉(zhuǎn)動(dòng)病人，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)源和/或探測器實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)無損檢測中，轉(zhuǎn)動(dòng)和平移物體的方式比較常見。對于CT成像，起作用的是相對運(yùn)動(dòng)，所以兩種方式等效。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1430從所述光子計(jì)數(shù)探測器或者能量敏感探測器1420對穿 過被成像物1415的光子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

能譜CT成像系統(tǒng)1400還可包括主控制器1440及圖像重建系統(tǒng)1435。主控制器1440負(fù)責(zé)能譜CT系統(tǒng)運(yùn)行過程的主控制，包括機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)、電氣控制、安全連鎖控制等。圖像重建系統(tǒng)1435對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1430獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得能譜CT在一能量窗下的衰減系數(shù)圖像。主控制器1440及圖像重建系統(tǒng)1435可以是單個(gè)PC，也可以是工作站或計(jì)算機(jī)集群。

圖15示意性示出根據(jù)本公開一些示例實(shí)施例的圖像重建系統(tǒng)的模塊。

如圖15所示，圖像重建系統(tǒng)包括交叉估計(jì)模塊1502、組合模塊1504及重建模塊1506。

交叉估計(jì)模塊1502利用多個(gè)能量窗中不同能量窗構(gòu)成的至少一對能量窗下的相應(yīng)原投影數(shù)據(jù)進(jìn)行投影數(shù)據(jù)交叉估計(jì)以得到估計(jì)投影數(shù)據(jù)。每對能量窗包括第一能量窗和第二能量窗。

組合模塊1504將所述原投影數(shù)據(jù)與相應(yīng)的估計(jì)投影數(shù)據(jù)組合，得到完整投影數(shù)據(jù)。

重建模塊1506利用所述完整投影數(shù)據(jù)重建所述能譜CT圖像。

根據(jù)一些實(shí)施例，交叉估計(jì)模塊1502配置為在圖像域上建立所述第一能量窗下的圖像數(shù)據(jù)和所述第二能量窗下的圖像數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系；利用所述映射關(guān)系得到估計(jì)圖像數(shù)據(jù)；并從所述估計(jì)圖像數(shù)據(jù)得到所述估計(jì)投影數(shù)據(jù)。

圖15所示的圖像重建系統(tǒng)可用于完成前述根據(jù)本公開的重建方法，不再贅述。

通過以上的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于理解，根據(jù)本公開實(shí)施例的系統(tǒng)和方法具有以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的重建方法和系統(tǒng)可應(yīng)用于無損檢測、醫(yī)療診斷、安檢等領(lǐng)域。與現(xiàn)有的基于壓縮感知和先驗(yàn)圖像的重建算法(通常利用一個(gè)能量的數(shù)據(jù)，或者必須使用多能數(shù)據(jù)進(jìn)行行列式階最小化)相比，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法利用例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)雙能吸收系數(shù)間的映射關(guān)系，可以獲得更多的投影數(shù)據(jù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可采用線上學(xué)習(xí)，在重建時(shí)提取穿過相同射線路徑的投影數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，可以適應(yīng)不同能量下各種未知復(fù)雜的吸收系數(shù)的映射關(guān)系。該方法可以應(yīng)用于解決不同能量下的投影數(shù)據(jù)具有一部分穿過相同射線路徑的子集的條件下的不完備數(shù)據(jù)重建問題，例如有限角度、稀疏采樣等，并具有良好的效果。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法可以大幅度降低重建所需要的數(shù)據(jù)量，適用于角度稀疏采樣、稀疏探測器采樣等，可降低探測器數(shù)量和輻射劑量以減少CT系統(tǒng)制造成本，可用于減少角度覆蓋范圍以降低z軸層厚和提高時(shí)間分辨率，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和廣泛的適用范圍。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法可以有效抑制由于數(shù)據(jù)減少可能帶來的偽影。就減少能譜CT的數(shù)據(jù)投影而言，如果兩個(gè)能量各自僅覆蓋90度角，使用本方法得到的其重建效果可以與各自覆蓋150度雙能CT每個(gè)能量獨(dú)立重建相當(dāng)。

通過以上的實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于理解，本公開實(shí)施例可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件結(jié)合必要的硬件的方式來實(shí)現(xiàn)。因此，本公開實(shí)施例的技術(shù)方案可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該軟件產(chǎn)品可以存儲在一個(gè)非易失性存儲介質(zhì)(可以是CD-ROM，U盤，移動(dòng)硬盤等)中，包括若干指令用以使得一臺計(jì)算設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、移動(dòng)終端、或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行根據(jù)本公開實(shí)施例的方法。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，附圖只是示例實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本公開所必須的，因此不能用于限制本公開的保護(hù)范圍。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解上述各模塊可以按照實(shí)施例的描述分布于裝置中，也可以進(jìn)行相應(yīng)變化位于不同于本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)裝置中。上述實(shí)施例的模塊可以合并為一個(gè)模塊，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子模塊。

以上具體地示出和描述了本公開的示例性實(shí)施例。應(yīng)該理解，本公開不限于所公開的實(shí)施例，相反，本公開意圖涵蓋包含在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。