一种基于fbp的能谱ct迭代成像方法和成像系统的制作方法
一种基于fbp的能谱ct迭代成像方法和成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机断层成像技术领域，尤其是一种基于FBP的能谱CT迭代成像方 法和成像系统。
【背景技术】
[0002] 传统的X射线CT成像系统，使用X光机在一个电压下扫描被成像物体，由探测器获 取穿过物体的X射线流强数据，并由该数据对物体进行图像重建。由于不同材料可能会有相 同的CT值，因此传统CT图像对某些物质无法区分。与传统CT成像系统不同，多能谱CT成像系 统能够获得被成像物体在多个不同能谱下的扫描数据，并采用特别的方法进行图像重建。 由重建的CT图像可以获得被成像物体更多物理特性参数的信息，比如：电子密度、等效原子 序数等。与传统CT相比，多能谱CT具有更好的物质区分能力，在医学诊断、无损检测以及安 全检查等应用中都重要应用前景。
[0003] 常见的多能谱CT成像系统是双能谱CT成像系统。获取双能谱CT数据的方法有多 种，常用的有双源双探测器扫描方法、双层探测器扫描方法和电压快速切换扫描方法等。还 有其他获得多能谱数据的方法，如电压慢变切换扫描方法，不同电压下多次扫描方法等。另 外，近年来，光子计数探测器技术迅速发展，利用具有能量分辨的光子计数探测器通过单次 CT扫描也可以获得多组不同能谱下的扫描数据。
[0004] 重建方法方面，目前研究较多的是双能谱CT重建。相关研究始于上个世纪七十年 代。已有的重建方法可分为：前处理重建方法、后处理重建方法和优化迭代重建方法。前处 理重建方法由实际获得的高低两组多能投影数据估计出基材料密度图像的线性投影值，然 后用传统方法进行重建，并获得基材料的密度图像，该类方法的缺点是要求获得的两组多 能投影数据是几何相容的，即沿每条射线路径采集高、低两个能谱的扫描数据。后处理重建 方法是先对实际获得的两组多能投影或由此得到的加权投影分别进行重建，然后对重建图 像进行线性组合以获得基材料的密度图像。通常，这类方法无法完全消除重建图像中由能 谱引起的硬化伪影。优化迭代方法对双能谱CT的数据获取过程进行优化建模，并构造相应 的迭代格式求解。该类方法的缺点是计算量大，速度慢，难以满足某些实时性要求较高的应 用需求。
[0005] 通过检索，发现一篇与本发明专利申请相关的专利公开文献：
[0006] 一种多能谱CT成像方法及成像系统(CN103900931A)，公开了一种多能谱CT成像方 法及成像系统，所述多能谱成像方法包括对被测物体扫描、重建基材料的密度图像最终获 取被测物体的电子密度、等效原子序数分布或被测物体对单能X射线的线性衰减系数分布。 其中多能谱CT重建方法包括:为待重建基材料的密度图像赋初值;对估计图像进行正投影 以获得投影估计值;估计重建图像的误差;利用重建图像误差的估计更新图像;重复上述步 骤，直到重建的密度图像收敛。相应的，所述多能谱CT成像系统包括扫描模块、重建模块和 统计模块，其中所述重建模块又包括初始化模块、投影模块、校正模块和更新模块。
[0007] 通过对比，本发明专利申请与上述专利公开文献存在本质的不同。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中多能谱CT成像方法的不足之处，提供一种基于FBP的能谱CT迭代 成像方法和成像系统，该方法能够由多能谱CT扫描数据重建出高质量、无硬化伪影的CT图 像，同时该方法对多能谱扫描数据无几何相容的要求，另外，该方法计算量小，重建图像速 度快，该系统能够扫描被成像物体，获得多能谱CT扫描数据并得到高质量、无硬化伪影的CT 图像。
[0009] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0010] -种基于FBP的能谱CT迭代成像方法，该方法对多能谱CT成像系统采集到的多个 能谱CT扫描数据进行重建，得到多能谱CT图像。
[0011] 而且，每次由FBP算法重建残差图像，进而更新估计图像，步骤如下：
[0012] 以Pi，i = 1，2，…，N表示不同能谱下的多能投景多数据，N表示能谱的个数，f i，i = 1， 2，…，N表示待重建的基材料图像，Ai，i = 1，2，…，N表示基材料图像fi的线性投影；
[0013] 以口土二口土以!，A2，…，An)，i = 1，2，…，N和Ai = Ai(pi，p2,…，pn)，i = 1，2，…，N表示基 材料的线性投影与多能投影间的映射关系，该映射关系通过扫描典型模体直接获得，或者 利用X光机的能谱以及基材料的线性衰减系数获得解析的表达式。
[00M] 而且，具体步骤如下：
[0015] ⑴使用多能谱CT成像系统采集多个能谱下的多能谱CT扫描数据，对多能谱CT扫描 数据进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据 Pl，i = 1，2，…，N;
[0016] ⑵为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像，i = 1，2，…，N; [0017]⑶对估计图像#11^〇4 = 1，2，~』进行线性正投影，获得估计的线性投影
[0018] ⑷根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算多能投影数据
[0019] (5)计算残差投影Δ/f)=凡U = /V .
[0020] (6)对残差投影分别进行加权得到加权残差投影：
[0021]
〇4
[0022] 其中+表示Aj对Pi的一阶偏导数；
[0023] ⑵对上述加权残差投影利用传统的和成像系统图像重建算法进行重建得到加权 分量残差图像，S
>其中FBP表示滤波反投 影算子；
[0024] (8)将上述加权分量残差图像组合得到残差图像：
[0025]
[0026] (9)将Af')加到估计图像负⑴上，得到新的估计图像负(1{+1)，即 (k),i = l,2,---,N；
[0027] (10)重复步骤⑶-(9)，直到重建图像满足收敛条件，即得多能谱CT成像。
[0028] 而且，所述步骤⑵中选择基于投影或者基于图像的重建方法重建的图像作为初始 估计图像，或者以〇作为初始图像，即图像中每个像素值均为〇。
[0029] 而且，所述步骤⑶中正投影得到的估计线性投影.= …对应的路径应包 括所有实际多能投影数据Pl，i = 1，2，…，N对应的路径；
[0030] 扫描数据Pi，i = 1，2，…，N几何不相容时，同样有效。
[0031 ] 而且，具体步骤如下：
[0032] ⑴使用多能谱CT成像采集多个能谱下的多能谱CT扫描数据，对多能谱CT扫描数据 进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据 ?14 = 1，2，'"，1投影数据?14 = 1，2，一少几 何相容；
[0033] ⑵为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像fi(())，i = 1，2，…，N;
[0034] ⑶对估计图像5(1°汴2〇4 = 1，2，~川进行线性正投影，获得估计的线性投影 4k\i=ia,--,N',
[0035] ⑷根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算多能投影数据
[0036] (5)计算残差投影 Apf4 =只-尸,(A 1, i = 1，2, · ", i￥.
[0037] (6)对残差投影进行加权求和，得到组合残差投影：
[0038]
(；A
[0039] 其中f表示Aj对pi的一阶偏导数； cp;
[0040] (7)对上述组合残差投影Δ4('，利用传统的FBP图像重建算法进行重建得到残差图 ??
[0041] (8)将加到估计图像上，得到新的估计图像负~+1)，即 (k),i = l,2,---,N；
[0042] (9)重复步骤⑵_(8)，直到重建图像满足收敛条件，即得多能谱CT成像。
[0043] 而且，所述步骤(7)中加权分量残差图像或残差图像再经如下处理：
[0044] 对加权分量残差图像做降噪处理。
[0045] 一种利用如上所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法的CT成像系统，其特征在于： 所述系统包括载物台、X射线放生装置、探测器和控制和数据处理装置，所述载物台能够承 载被成像物体，所述X射线放生装置能够发出X射线照射被测物体，所述探测器能够接收X射 线放生装置发出的X射线，获得扫描数据;所述控制和数据处理装置能够对所述的载物台、 X 射线放生装置和探测器进行控制，并处理来自所述探测器的扫描数据，该控制和数据处理 装置利用上述基于FBP的能谱CT迭代成像方法对扫描数据进行重建，得到多能谱CT图像。
[0046] 本发明取得的优点和积极效果为：
[0047] 1、本方法能够由多能谱CT扫描数据重建出高质量、无硬化伪影的CT图像，同时该 方法对多能谱扫描数据无几何相容的要求，而且，该方法计算量小，速度快，能够满足某些 实时性要求较高的应用需求。
[0048] 2、本系统能够扫描被成像物体，获得多能谱CT扫描数据并得到高质量、无硬化伪 影的CT图像。
【附图说明】
[0049] 图1为被成像模体图；
[0050] 图2为两个能谱下的投影数据;其中，图2-1为由90kV电压下采集数据获得的多能 投影数据，图2-2为由140kV电压下采集数据获得的多能投影数据；
[0051] 图3为基材料图像图；其中，图3-1为水基材料图像，图3-2为骨基材料图像；
[0052] 图4为50keV单能图像图。
【具体实施方式】
[0053]下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的， 不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
[0054]本发明中所使用的设备，如无特殊规定，均为本领域内常用的设备;本发明中所使 用的方法，如无特殊规定，均为本领域内常用的方法。
[0055] 实施例1
[0056] -种基于FBP的能谱CT迭代成像方法，对所述多能谱CT成像系统采集的多个能谱 下的数据进行重建，得到多能谱CT图像。
[0057] 步骤如下：
[0058]以pi，i = 1，2，…，N表示不同能谱下的多能投影数据，N表示能谱的个数，f i，i = 1， 2，···，N表示待重建的基材料图像，Ai，i = l，2,…，N表示基材料图像fi的线性投影。以pi = pi (Αι，A2，…，An)，i = 1，2，…，N和Ai=Ai(pi，p2，…，pn)，i = 1，2，…，N表示基材料的线性投影与 多能投影间的映射关系，该映射关系可以通过扫描典型模体直接获得，也可以利用X光机的 能谱以及基材料的线性衰减系数获得解析的表达式。
[0059]更为具体的步骤如下：
[0060] S0对多能谱CT扫描数据进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据Pl，i = l， 2,…，N;
[0061 ] S1为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像fi(())，i = 1，2，…，N;
[0062] S2对估计图像5(1°，1^〇4 = 1，2，~川进行线性正投影，获得估计的线性投影 4(<)./ = 1,2,···,Λ^；
[0063] S3根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算估计多能投影数据
[0064] S4计算残差投影= A_ -p)'/ = 1,2,…
[0065] S5对残差投影分别进行加权得到加权残差投影
[0066]
(7/f
[0067] 其中表不Aj对pi的一阶偏导数； CP,
[0068] S6对上述加权残差投影利用传统的滤波反投影图像重建算法进行重建得到加权 分量残差图像，即
「:，其中FBP表示滤波反投 影算子；
[0069] S 7将上述加权分量残差图像组合得到残差图像
[0070] S8将Aff加到估计图像乜《上，得到新的估计图像f'+L即 (k)，i = l，2，"，N;
[0071 ] S9重复步骤S2-S8,直到重建图像满足收敛条件。
[0072] 较优地，上述步骤S1中可以选择基于投影或者基于图像的重建方法重建的图像作 为初始图像，也可以以〇作为初始图像，即图像中每个像素值均为〇。
[0073] 较优地，上述步骤S2中正投影得到的估计线性投影<'/ = 1,2,..·,ΛΓ对应的路径应 包括所有实际多能投影数据Pl，i = 1，2，…，N对应的路径。扫描数据Pl，i = 1，2，…，N几何不 相容时，本发明方法同样有效。
[0074]较优地，当投影数据？14 = 1，2广_"几何相容时，基于？8?的能谱(：1'迭代成像方 法，对所述多能谱CT成像系统采集的多个能谱下的数据进行重建，得到多能谱CT图像，具体 步骤如下：
[0075] S0对多能谱CT扫描数据进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据Pl，i = l， 2,…，N;
[0076] S1为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像fi(())，i = 1，2，…，N; [0077] S2对估计图像5(1°，1^〇4 = 1，2，~』进行线性正投影，获得估计的线性投影 4n,i = \,2'"、N t
[0078] S 3枏据线件投影与多能投影间的映射关系，计算估计多能投影数据
[0079] S4计算残差投影Λρ"）=只-尸,μ!，/ = 1，2,…,F
[0080] S5对残差投影进行加权求和，得到组合残差投影：
[0081] cA.
[0082] 其中了i表不Aj对pi的一阶偏导数； ('P,
[0083] S6对上述组合残差投影Δ4(??，利用传统的滤波反投影图像重建算法进行重建得到 残差图I
其中FBP表示滤波反投影算子；
[0084] S7将Afiw加到估计图像fi(W上，得到新的估计图像fi (k+1\即&(1^ = &(1^+八负 (k)，i = l，2，"，N;
[0085] S8重复步骤S2-S7，直到重建图像满足收敛条件。
[0086] 较优地，必要时可对上述S6中的加权分量残差图像或残差图像做降噪处理。
[0087] 实施例2
[0088] -种基于FBP的能谱CT迭代成像方法，步骤如下：
[0089] ⑴两组不同能谱下的扫描数据获取
[0090] 例如，以扇束工业CT为例说明本发明多能谱CT成像系统的数据获取方法：
[0091 ]采用两次扫描的方式。将被成像物体置于载物台上，被成像物体如图1所示;设置X 光机电压为90kV，控制载物台旋转360度，同时开启X光机和探测器，探测器每隔0.5度采集 一幅数据，共采集720幅，作为第一组扫描数据，如图2-1所示。仍将被成像物体置于载物台 上，调整X光机电压为140kV，控制载物台旋转360度，同时开启X光机和探测器，探测器每隔 0.5度采集一幅数据，共采集720幅，作为第二组扫描数据，如图2-2所示。
[0092] 例如，以圆轨迹锥束口腔CT为例说明本发明双能谱CT成像系统的数据获取方法：
[0093] 设CT系统的水平张角为α。患者头部置于系统牙托上，保持不动。控制两端分别挂 有X光机和探测器的C型臂旋转，转动达到匀速时，开启X光机，同时探测器采集数据。在0到π +α角度内设置X光机电压为80kV，探测器采集的数据作为第一组扫描数据;在π+α到23I+2CI角 度范围内设置X光机电压为110kV，探测器采集的数据作为第二组扫描数据。
[0094] 例如，使用能谱型探测器，如XCounter探测器，该类探测器可设置电压和能量阈 值，一次扫描可获得两个能谱的数据。如设置X光机电压为140kV，能量阈值设为70kV，则可 获得能量为0_70keV范围和0-140keV范围两个能谱下的数据。
[0095]⑵图像迭代重建：
[0096] 以获得的工业CT双能谱扫描数据为例，说明本发明多能谱CT成像方法的具体实施 步骤。
[0097] 为获得多能投影和线性投影间的映射关系，在90kV和140kV两个电压下扫描不同 已知厚度的铝片，并用所得数据恢复出两个电压下的X射线能谱。利用恢复的能谱以及选定 基材料的线性衰减系数即可获得多能投影和线性投影间的映射关系：
[0098] p1 = p1(A1，A2)，P2 = P2(Al，A2)和Al=Al(pi，P2)，A2 = A2(P1，P2)。
[0099] 其中P1，P2分别表示高低能多能投影数据，Αι，Α2表示基材料图像fi，f2的线性化投 影。设恢复出的高低能归一化能谱分别为SKEWPSdE)，基材料的线性衰减系数分别 为4办）』2江），则有 [0100]重建时基材料选择密度为l.〇g/cm3的水和密度为1.8g/cm3的骨，重建图像大小为 1024X1024。
[0101 ]本发明双能谱CT成像方法具体实施步骤如下：
[0102] SO对多能谱CT扫描数据进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据Pl，i = l，2;
[0103] S1为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像fi(())，i = l，2;
[0104] S2对估计图像乜(1〇，1^20，丨=1，2进行线性正投影，获得估计的线性投影 4μ-=
[0105] S3根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算估计多能投影数据
[0106] S4计算残差投影=凡-凡⑷,/ = I,2 .
[0107] S5对残差投影分别进行加权得到加权残差投影；
[0108]
cA
[0109] 其中_了i表不Aj对pi的一阶偏导数； CP,
[0110] S6对上述加权残差投影利用传统的滤波反投影图像重建算法进行重建得到加权 分量残差图像，
2，其中FBP表示滤波反投影算子；
[0111] S7将上述加权分量残差图像组合得到残差图傷
[0112] S8将Af')加到估计图像f')上，得到新的估计图像fi(k+Ojpfi(k +O = fi(k)+Afi(k), i = l,2；
[0113] S9重复步骤S2-S8,直到重建图像满足收敛条件。
[0114] 重建的基材料图像如图3所示。
[0115] 利用重建的基材料图像可以计算被成像物体对单能X射线的线性衰减系数图像。 方法是将重建的水基图像与水对指定能量的X射线光子质量衰减系数的乘积以及重建的骨 基图像与骨对指定能量的X射线光子质量衰减系数的乘积求和。图4给出了模型关于能量为 50keV的光子的线性衰减系数图像。
[0116]利用重建的基材料图像可以计算被成像物体电子密度和等效原子序数分布图像。 获得电子密度图像的方法是将重建的水基图像与水的电子密度的乘积以及重建的骨基图 像与骨的电子密度的乘积求和。获得等效原子序数图像的方法是将重建的水基图像与水的 等效原子系数的乘积以及重建的骨基图像与骨的等效原子序数的乘积求和。
[0117]注1:本实施例采用两次扫描的方式和分段扫描方法获得所需的两组数据，但是本 发明保护范围并不限于此两种扫描方式。
[0118] 注2:本发明可以对三个或更多个能谱下的扫描数据进行，获得三个或更多个基材 料的密度图像。
[0119] -种利用上述基于FBP的能谱CT迭代成像方法的CT成像系统（图中未示出），所述 系统包括载物台、X射线放生装置、探测器和控制和数据处理装置，所述载物台能够承载被 成像物体，所述X射线放生装置能够发出X射线照射被测物体，所述探测器能够接收X射线放 生装置发出的X射线，获得扫描数据;所述控制和数据处理装置能够对所述的载物台、X射线 放生装置和探测器进行控制，并处理来自所述探测器的扫描数据，该控制和数据处理装置 利用上述基于FBP的能谱CT迭代成像方法对扫描数据进行重建，得到多能谱CT图像。
[0120] 其中，上述CT成像系统能够按照预设的扫描方式，采集所需的多个能谱下的扫描 数据，要求每个能谱对应的扫描数据都是角度完全的，即能够由滤波反投影算法对其进行 图像重建。
【主权项】
1. 一种基于FBP的能谱CT迭代成像方法，其特征在于:该方法对多能谱CT成像系统采集 到的多个能谱CT扫描数据进行重建，得到多能谱CT图像。2. 根据权利要求1所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法，其特征在于:每次由FBP算法 重建残差图像，进而更新估计图像，步骤如下： 以Pi，i = 1，2，…,N表示不同能谱下的多能投影数据，N表示能谱的个数，fi，i = l, 2,…， N表示待重建的基材料图像，Ai，i = 1，2，…，N表示基材料图像fi的线性投影； 以口1 = 口1(厶1,厶2，，"，厶0 4 = 1，2，，"，1'1和厶1 =厶1(口1，口2，，"，口4 4 = 1，2，，"，1'1表示基材料 的线性投影与多能投影间的映射关系，该映射关系通过扫描典型模体直接获得，或者利用X 光机的能谱以及基材料的线性衰减系数获得解析的表达式。3. 根据权利要求1所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特征在于：具 体步骤如下： ⑴使用多能谱CT成像系统采集多个能谱下的多能谱CT扫描数据，对多能谱CT扫描数据 进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据P1，i = 1，2，…，N; ⑵为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像(3)对估计图像进行线性正投影，获得估计的线性投影⑷根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算多能投影数据(5) 计算残差投影(6) 对残差投影分别进行加权得到加权残差投影：其中表不Aj对pi的一阶偏导数； (7) 对上述加权残差投影利用传统的和成像系统图像重建算法进行重建得到加权分量 残差图像，即其中FBP表示滤波反投影算 子； (8) 将上述加权分量残差图像组合得到残差图像：(9) 将Δ/f加到估计图像./;?上，得到新的估计图像./，，即(10) 重复步骤⑶-(9)，直到重建图像满足收敛条件，即得多能谱CT成像。4. 根据权利要求3所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特征在于:所 述步骤⑵中选择基于投影或者基于图像的重建方法重建的图像作为初始估计图像，或者以 O作为初始图像，即图像中每个像素值均为0。5. 根据权利要求3所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特征在于:所 述步骤⑶中正投影得到的估计线性投影= 1,2,.··:,I对应的路径应包括所有实际多能 投影数据Pi，i = 1，2，…，N对应的路径； 扫描数据Pi，i = 1，2，…，N几何不相容时，同样有效。6. 根据权利要求1所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特征在于：具 体步骤如下： ⑴使用多能谱CT成像采集多个能谱下的多能谱CT扫描数据，对多能谱CT扫描数据进行 预处理得到不同能谱下的多能投影数据?14 = 1，2，'"，1投影数据?14 = 1，2，一少几何相 容； ⑵为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像h(3)对估计图像进行线性正投影，获得估计的线性投影⑷根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算多能投影数据(5) 计算残差投影(6) 对残差投影进行加权求和，得到组合残差投影：其中表不Aj对pi的一阶偏导数； (7) 对上述组合残差投影Δ4('利用传统的FBP图像重建算法进行重建得到残差图像(8) 将4/f加到估计图像上，得到新的估计图像即(9) 重复步骤⑵_(8)，直到重建图像满足收敛条件，即得多能谱CT成像。7. 根据权利要求3至6任一项所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特 征在于:所述步骤(7)中加权分量残差图像或残差图像再经如下处理： 对加权分量残差图像做降噪处理。8. -种利用如权利要求1至7任一项所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法的CT成像系 统，其特征在于:所述系统包括载物台、X射线放生装置、探测器和控制和数据处理装置，所 述载物台能够承载被成像物体，所述X射线放生装置能够发出X射线照射被测物体，所述探 测器能够接收X射线放生装置发出的X射线，获得扫描数据;所述控制和数据处理装置能够 对所述的载物台、X射线放生装置和探测器进行控制，并处理来自所述探测器的扫描数据， 该控制和数据处理装置利用上述基于FBP的能谱CT迭代成像方法对扫描数据进行重建，得 到多能谱CT图像。
【专利摘要】本发明涉及一种基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，该方法对多能谱CT成像系统采集到的多个能谱下的数据进行重建，得到多能谱CT图像。本方法能够由多能谱CT扫描数据重建出高质量、无硬化伪影的CT图像，同时该方法对多能谱扫描数据无几何相容的要求，另外，该方法计算量小，重建图像速度快；该系统能够扫描被成像物体，获得多能谱CT扫描数据并得到高质量、无硬化伪影的CT图像。
【IPC分类】G06T11/00
【公开号】CN105488826
【申请号】CN201510953966
【发明人】张朋, 赵云松, 李孟飞
【申请人】首都师范大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月17日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机断层成像技术领域，尤其是一种基于FBP的能谱CT迭代成像方 法和成像系统。
【背景技术】
[0002] 传统的X射线CT成像系统，使用X光机在一个电压下扫描被成像物体，由探测器获 取穿过物体的X射线流强数据，并由该数据对物体进行图像重建。由于不同材料可能会有相 同的CT值，因此传统CT图像对某些物质无法区分。与传统CT成像系统不同，多能谱CT成像系 统能够获得被成像物体在多个不同能谱下的扫描数据，并采用特别的方法进行图像重建。 由重建的CT图像可以获得被成像物体更多物理特性参数的信息，比如：电子密度、等效原子 序数等。与传统CT相比，多能谱CT具有更好的物质区分能力，在医学诊断、无损检测以及安 全检查等应用中都重要应用前景。
[0003] 常见的多能谱CT成像系统是双能谱CT成像系统。获取双能谱CT数据的方法有多 种，常用的有双源双探测器扫描方法、双层探测器扫描方法和电压快速切换扫描方法等。还 有其他获得多能谱数据的方法，如电压慢变切换扫描方法，不同电压下多次扫描方法等。另 外，近年来，光子计数探测器技术迅速发展，利用具有能量分辨的光子计数探测器通过单次 CT扫描也可以获得多组不同能谱下的扫描数据。
[0004] 重建方法方面，目前研究较多的是双能谱CT重建。相关研究始于上个世纪七十年 代。已有的重建方法可分为：前处理重建方法、后处理重建方法和优化迭代重建方法。前处 理重建方法由实际获得的高低两组多能投影数据估计出基材料密度图像的线性投影值，然 后用传统方法进行重建，并获得基材料的密度图像，该类方法的缺点是要求获得的两组多 能投影数据是几何相容的，即沿每条射线路径采集高、低两个能谱的扫描数据。后处理重建 方法是先对实际获得的两组多能投影或由此得到的加权投影分别进行重建，然后对重建图 像进行线性组合以获得基材料的密度图像。通常，这类方法无法完全消除重建图像中由能 谱引起的硬化伪影。优化迭代方法对双能谱CT的数据获取过程进行优化建模，并构造相应 的迭代格式求解。该类方法的缺点是计算量大，速度慢，难以满足某些实时性要求较高的应 用需求。
[0005] 通过检索，发现一篇与本发明专利申请相关的专利公开文献：
[0006] 一种多能谱CT成像方法及成像系统(CN103900931A)，公开了一种多能谱CT成像方 法及成像系统，所述多能谱成像方法包括对被测物体扫描、重建基材料的密度图像最终获 取被测物体的电子密度、等效原子序数分布或被测物体对单能X射线的线性衰减系数分布。 其中多能谱CT重建方法包括:为待重建基材料的密度图像赋初值;对估计图像进行正投影 以获得投影估计值;估计重建图像的误差;利用重建图像误差的估计更新图像;重复上述步 骤，直到重建的密度图像收敛。相应的，所述多能谱CT成像系统包括扫描模块、重建模块和 统计模块，其中所述重建模块又包括初始化模块、投影模块、校正模块和更新模块。
[0007] 通过对比，本发明专利申请与上述专利公开文献存在本质的不同。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中多能谱CT成像方法的不足之处，提供一种基于FBP的能谱CT迭代 成像方法和成像系统，该方法能够由多能谱CT扫描数据重建出高质量、无硬化伪影的CT图 像，同时该方法对多能谱扫描数据无几何相容的要求，另外，该方法计算量小，重建图像速 度快，该系统能够扫描被成像物体，获得多能谱CT扫描数据并得到高质量、无硬化伪影的CT 图像。
[0009] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0010] -种基于FBP的能谱CT迭代成像方法，该方法对多能谱CT成像系统采集到的多个 能谱CT扫描数据进行重建，得到多能谱CT图像。
[0011] 而且，每次由FBP算法重建残差图像，进而更新估计图像，步骤如下：
[0012] 以Pi，i = 1，2，…，N表示不同能谱下的多能投景多数据，N表示能谱的个数，f i，i = 1， 2，…，N表示待重建的基材料图像，Ai，i = 1，2，…，N表示基材料图像fi的线性投影；
[0013] 以口土二口土以!，A2，…，An)，i = 1，2，…，N和Ai = Ai(pi，p2,…，pn)，i = 1，2，…，N表示基 材料的线性投影与多能投影间的映射关系，该映射关系通过扫描典型模体直接获得，或者 利用X光机的能谱以及基材料的线性衰减系数获得解析的表达式。
[00M] 而且，具体步骤如下：
[0015] ⑴使用多能谱CT成像系统采集多个能谱下的多能谱CT扫描数据，对多能谱CT扫描 数据进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据 Pl，i = 1，2，…，N;
[0016] ⑵为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像，i = 1，2，…，N; [0017]⑶对估计图像#11^〇4 = 1，2，~』进行线性正投影，获得估计的线性投影
[0018] ⑷根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算多能投影数据
[0019] (5)计算残差投影Δ/f)=凡U = /V .
[0020] (6)对残差投影分别进行加权得到加权残差投影：
[0021]
〇4
[0022] 其中+表示Aj对Pi的一阶偏导数；
[0023] ⑵对上述加权残差投影利用传统的和成像系统图像重建算法进行重建得到加权 分量残差图像，S
>其中FBP表示滤波反投 影算子；
[0024] (8)将上述加权分量残差图像组合得到残差图像：
[0025]
[0026] (9)将Af')加到估计图像负⑴上，得到新的估计图像负(1{+1)，即 (k),i = l,2,---,N；
[0027] (10)重复步骤⑶-(9)，直到重建图像满足收敛条件，即得多能谱CT成像。
[0028] 而且，所述步骤⑵中选择基于投影或者基于图像的重建方法重建的图像作为初始 估计图像，或者以〇作为初始图像，即图像中每个像素值均为〇。
[0029] 而且，所述步骤⑶中正投影得到的估计线性投影.= …对应的路径应包 括所有实际多能投影数据Pl，i = 1，2，…，N对应的路径；
[0030] 扫描数据Pi，i = 1，2，…，N几何不相容时，同样有效。
[0031 ] 而且，具体步骤如下：
[0032] ⑴使用多能谱CT成像采集多个能谱下的多能谱CT扫描数据，对多能谱CT扫描数据 进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据 ?14 = 1，2，'"，1投影数据?14 = 1，2，一少几 何相容；
[0033] ⑵为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像fi(())，i = 1，2，…，N;
[0034] ⑶对估计图像5(1°汴2〇4 = 1，2，~川进行线性正投影，获得估计的线性投影 4k\i=ia,--,N',
[0035] ⑷根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算多能投影数据
[0036] (5)计算残差投影 Apf4 =只-尸,(A 1, i = 1，2, · ", i￥.
[0037] (6)对残差投影进行加权求和，得到组合残差投影：
[0038]
(；A
[0039] 其中f表示Aj对pi的一阶偏导数； cp;
[0040] (7)对上述组合残差投影Δ4('，利用传统的FBP图像重建算法进行重建得到残差图 ??
[0041] (8)将加到估计图像上，得到新的估计图像负~+1)，即 (k),i = l,2,---,N；
[0042] (9)重复步骤⑵_(8)，直到重建图像满足收敛条件，即得多能谱CT成像。
[0043] 而且，所述步骤(7)中加权分量残差图像或残差图像再经如下处理：
[0044] 对加权分量残差图像做降噪处理。
[0045] 一种利用如上所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法的CT成像系统，其特征在于： 所述系统包括载物台、X射线放生装置、探测器和控制和数据处理装置，所述载物台能够承 载被成像物体，所述X射线放生装置能够发出X射线照射被测物体，所述探测器能够接收X射 线放生装置发出的X射线，获得扫描数据;所述控制和数据处理装置能够对所述的载物台、 X 射线放生装置和探测器进行控制，并处理来自所述探测器的扫描数据，该控制和数据处理 装置利用上述基于FBP的能谱CT迭代成像方法对扫描数据进行重建，得到多能谱CT图像。
[0046] 本发明取得的优点和积极效果为：
[0047] 1、本方法能够由多能谱CT扫描数据重建出高质量、无硬化伪影的CT图像，同时该 方法对多能谱扫描数据无几何相容的要求，而且，该方法计算量小，速度快，能够满足某些 实时性要求较高的应用需求。
[0048] 2、本系统能够扫描被成像物体，获得多能谱CT扫描数据并得到高质量、无硬化伪 影的CT图像。
【附图说明】
[0049] 图1为被成像模体图；
[0050] 图2为两个能谱下的投影数据;其中，图2-1为由90kV电压下采集数据获得的多能 投影数据，图2-2为由140kV电压下采集数据获得的多能投影数据；
[0051] 图3为基材料图像图；其中，图3-1为水基材料图像，图3-2为骨基材料图像；
[0052] 图4为50keV单能图像图。
【具体实施方式】
[0053]下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的， 不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
[0054]本发明中所使用的设备，如无特殊规定，均为本领域内常用的设备;本发明中所使 用的方法，如无特殊规定，均为本领域内常用的方法。
[0055] 实施例1
[0056] -种基于FBP的能谱CT迭代成像方法，对所述多能谱CT成像系统采集的多个能谱 下的数据进行重建，得到多能谱CT图像。
[0057] 步骤如下：
[0058]以pi，i = 1，2，…，N表示不同能谱下的多能投影数据，N表示能谱的个数，f i，i = 1， 2，···，N表示待重建的基材料图像，Ai，i = l，2,…，N表示基材料图像fi的线性投影。以pi = pi (Αι，A2，…，An)，i = 1，2，…，N和Ai=Ai(pi，p2，…，pn)，i = 1，2，…，N表示基材料的线性投影与 多能投影间的映射关系，该映射关系可以通过扫描典型模体直接获得，也可以利用X光机的 能谱以及基材料的线性衰减系数获得解析的表达式。
[0059]更为具体的步骤如下：
[0060] S0对多能谱CT扫描数据进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据Pl，i = l， 2,…，N;
[0061 ] S1为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像fi(())，i = 1，2，…，N;
[0062] S2对估计图像5(1°，1^〇4 = 1，2，~川进行线性正投影，获得估计的线性投影 4(<)./ = 1,2,···,Λ^；
[0063] S3根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算估计多能投影数据
[0064] S4计算残差投影= A_ -p)'/ = 1,2,…
[0065] S5对残差投影分别进行加权得到加权残差投影
[0066]
(7/f
[0067] 其中表不Aj对pi的一阶偏导数； CP,
[0068] S6对上述加权残差投影利用传统的滤波反投影图像重建算法进行重建得到加权 分量残差图像，即
「:，其中FBP表示滤波反投 影算子；
[0069] S 7将上述加权分量残差图像组合得到残差图像
[0070] S8将Aff加到估计图像乜《上，得到新的估计图像f'+L即 (k)，i = l，2，"，N;
[0071 ] S9重复步骤S2-S8,直到重建图像满足收敛条件。
[0072] 较优地，上述步骤S1中可以选择基于投影或者基于图像的重建方法重建的图像作 为初始图像，也可以以〇作为初始图像，即图像中每个像素值均为〇。
[0073] 较优地，上述步骤S2中正投影得到的估计线性投影<'/ = 1,2,..·,ΛΓ对应的路径应 包括所有实际多能投影数据Pl，i = 1，2，…，N对应的路径。扫描数据Pl，i = 1，2，…，N几何不 相容时，本发明方法同样有效。
[0074]较优地，当投影数据？14 = 1，2广_"几何相容时，基于？8?的能谱(：1'迭代成像方 法，对所述多能谱CT成像系统采集的多个能谱下的数据进行重建，得到多能谱CT图像，具体 步骤如下：
[0075] S0对多能谱CT扫描数据进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据Pl，i = l， 2,…，N;
[0076] S1为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像fi(())，i = 1，2，…，N; [0077] S2对估计图像5(1°，1^〇4 = 1，2，~』进行线性正投影，获得估计的线性投影 4n,i = \,2'"、N t
[0078] S 3枏据线件投影与多能投影间的映射关系，计算估计多能投影数据
[0079] S4计算残差投影Λρ"）=只-尸,μ!，/ = 1，2,…,F
[0080] S5对残差投影进行加权求和，得到组合残差投影：
[0081] cA.
[0082] 其中了i表不Aj对pi的一阶偏导数； ('P,
[0083] S6对上述组合残差投影Δ4(??，利用传统的滤波反投影图像重建算法进行重建得到 残差图I
其中FBP表示滤波反投影算子；
[0084] S7将Afiw加到估计图像fi(W上，得到新的估计图像fi (k+1\即&(1^ = &(1^+八负 (k)，i = l，2，"，N;
[0085] S8重复步骤S2-S7，直到重建图像满足收敛条件。
[0086] 较优地，必要时可对上述S6中的加权分量残差图像或残差图像做降噪处理。
[0087] 实施例2
[0088] -种基于FBP的能谱CT迭代成像方法，步骤如下：
[0089] ⑴两组不同能谱下的扫描数据获取
[0090] 例如，以扇束工业CT为例说明本发明多能谱CT成像系统的数据获取方法：
[0091 ]采用两次扫描的方式。将被成像物体置于载物台上，被成像物体如图1所示;设置X 光机电压为90kV，控制载物台旋转360度，同时开启X光机和探测器，探测器每隔0.5度采集 一幅数据，共采集720幅，作为第一组扫描数据，如图2-1所示。仍将被成像物体置于载物台 上，调整X光机电压为140kV，控制载物台旋转360度，同时开启X光机和探测器，探测器每隔 0.5度采集一幅数据，共采集720幅，作为第二组扫描数据，如图2-2所示。
[0092] 例如，以圆轨迹锥束口腔CT为例说明本发明双能谱CT成像系统的数据获取方法：
[0093] 设CT系统的水平张角为α。患者头部置于系统牙托上，保持不动。控制两端分别挂 有X光机和探测器的C型臂旋转，转动达到匀速时，开启X光机，同时探测器采集数据。在0到π +α角度内设置X光机电压为80kV，探测器采集的数据作为第一组扫描数据;在π+α到23I+2CI角 度范围内设置X光机电压为110kV，探测器采集的数据作为第二组扫描数据。
[0094] 例如，使用能谱型探测器，如XCounter探测器，该类探测器可设置电压和能量阈 值，一次扫描可获得两个能谱的数据。如设置X光机电压为140kV，能量阈值设为70kV，则可 获得能量为0_70keV范围和0-140keV范围两个能谱下的数据。
[0095]⑵图像迭代重建：
[0096] 以获得的工业CT双能谱扫描数据为例，说明本发明多能谱CT成像方法的具体实施 步骤。
[0097] 为获得多能投影和线性投影间的映射关系，在90kV和140kV两个电压下扫描不同 已知厚度的铝片，并用所得数据恢复出两个电压下的X射线能谱。利用恢复的能谱以及选定 基材料的线性衰减系数即可获得多能投影和线性投影间的映射关系：
[0098] p1 = p1(A1，A2)，P2 = P2(Al，A2)和Al=Al(pi，P2)，A2 = A2(P1，P2)。
[0099] 其中P1，P2分别表示高低能多能投影数据，Αι，Α2表示基材料图像fi，f2的线性化投 影。设恢复出的高低能归一化能谱分别为SKEWPSdE)，基材料的线性衰减系数分别 为4办）』2江），则有 [0100]重建时基材料选择密度为l.〇g/cm3的水和密度为1.8g/cm3的骨，重建图像大小为 1024X1024。
[0101 ]本发明双能谱CT成像方法具体实施步骤如下：
[0102] SO对多能谱CT扫描数据进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据Pl，i = l，2;
[0103] S1为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像fi(())，i = l，2;
[0104] S2对估计图像乜(1〇，1^20，丨=1，2进行线性正投影，获得估计的线性投影 4μ-=
[0105] S3根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算估计多能投影数据
[0106] S4计算残差投影=凡-凡⑷,/ = I,2 .
[0107] S5对残差投影分别进行加权得到加权残差投影；
[0108]
cA
[0109] 其中_了i表不Aj对pi的一阶偏导数； CP,
[0110] S6对上述加权残差投影利用传统的滤波反投影图像重建算法进行重建得到加权 分量残差图像，
2，其中FBP表示滤波反投影算子；
[0111] S7将上述加权分量残差图像组合得到残差图傷
[0112] S8将Af')加到估计图像f')上，得到新的估计图像fi(k+Ojpfi(k +O = fi(k)+Afi(k), i = l,2；
[0113] S9重复步骤S2-S8,直到重建图像满足收敛条件。
[0114] 重建的基材料图像如图3所示。
[0115] 利用重建的基材料图像可以计算被成像物体对单能X射线的线性衰减系数图像。 方法是将重建的水基图像与水对指定能量的X射线光子质量衰减系数的乘积以及重建的骨 基图像与骨对指定能量的X射线光子质量衰减系数的乘积求和。图4给出了模型关于能量为 50keV的光子的线性衰减系数图像。
[0116]利用重建的基材料图像可以计算被成像物体电子密度和等效原子序数分布图像。 获得电子密度图像的方法是将重建的水基图像与水的电子密度的乘积以及重建的骨基图 像与骨的电子密度的乘积求和。获得等效原子序数图像的方法是将重建的水基图像与水的 等效原子系数的乘积以及重建的骨基图像与骨的等效原子序数的乘积求和。
[0117]注1:本实施例采用两次扫描的方式和分段扫描方法获得所需的两组数据，但是本 发明保护范围并不限于此两种扫描方式。
[0118] 注2:本发明可以对三个或更多个能谱下的扫描数据进行，获得三个或更多个基材 料的密度图像。
[0119] -种利用上述基于FBP的能谱CT迭代成像方法的CT成像系统（图中未示出），所述 系统包括载物台、X射线放生装置、探测器和控制和数据处理装置，所述载物台能够承载被 成像物体，所述X射线放生装置能够发出X射线照射被测物体，所述探测器能够接收X射线放 生装置发出的X射线，获得扫描数据;所述控制和数据处理装置能够对所述的载物台、X射线 放生装置和探测器进行控制，并处理来自所述探测器的扫描数据，该控制和数据处理装置 利用上述基于FBP的能谱CT迭代成像方法对扫描数据进行重建，得到多能谱CT图像。
[0120] 其中，上述CT成像系统能够按照预设的扫描方式，采集所需的多个能谱下的扫描 数据，要求每个能谱对应的扫描数据都是角度完全的，即能够由滤波反投影算法对其进行 图像重建。
【主权项】
1. 一种基于FBP的能谱CT迭代成像方法，其特征在于:该方法对多能谱CT成像系统采集 到的多个能谱CT扫描数据进行重建，得到多能谱CT图像。2. 根据权利要求1所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法，其特征在于:每次由FBP算法 重建残差图像，进而更新估计图像，步骤如下： 以Pi，i = 1，2，…,N表示不同能谱下的多能投影数据，N表示能谱的个数，fi，i = l, 2,…， N表示待重建的基材料图像，Ai，i = 1，2，…，N表示基材料图像fi的线性投影； 以口1 = 口1(厶1,厶2，，"，厶0 4 = 1，2，，"，1'1和厶1 =厶1(口1，口2，，"，口4 4 = 1，2，，"，1'1表示基材料 的线性投影与多能投影间的映射关系，该映射关系通过扫描典型模体直接获得，或者利用X 光机的能谱以及基材料的线性衰减系数获得解析的表达式。3. 根据权利要求1所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特征在于：具 体步骤如下： ⑴使用多能谱CT成像系统采集多个能谱下的多能谱CT扫描数据，对多能谱CT扫描数据 进行预处理得到不同能谱下的多能投影数据P1，i = 1，2，…，N; ⑵为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像(3)对估计图像进行线性正投影，获得估计的线性投影⑷根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算多能投影数据(5) 计算残差投影(6) 对残差投影分别进行加权得到加权残差投影：其中表不Aj对pi的一阶偏导数； (7) 对上述加权残差投影利用传统的和成像系统图像重建算法进行重建得到加权分量 残差图像，即其中FBP表示滤波反投影算 子； (8) 将上述加权分量残差图像组合得到残差图像：(9) 将Δ/f加到估计图像./;?上，得到新的估计图像./，，即(10) 重复步骤⑶-(9)，直到重建图像满足收敛条件，即得多能谱CT成像。4. 根据权利要求3所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特征在于:所 述步骤⑵中选择基于投影或者基于图像的重建方法重建的图像作为初始估计图像，或者以 O作为初始图像，即图像中每个像素值均为0。5. 根据权利要求3所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特征在于:所 述步骤⑶中正投影得到的估计线性投影= 1,2,.··:,I对应的路径应包括所有实际多能 投影数据Pi，i = 1，2，…，N对应的路径； 扫描数据Pi，i = 1，2，…，N几何不相容时，同样有效。6. 根据权利要求1所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特征在于：具 体步骤如下： ⑴使用多能谱CT成像采集多个能谱下的多能谱CT扫描数据，对多能谱CT扫描数据进行 预处理得到不同能谱下的多能投影数据?14 = 1，2，'"，1投影数据?14 = 1，2，一少几何相 容； ⑵为待重建基材料的密度图像赋初值，作为初始估计图像h(3)对估计图像进行线性正投影，获得估计的线性投影⑷根据线性投影与多能投影间的映射关系，计算多能投影数据(5) 计算残差投影(6) 对残差投影进行加权求和，得到组合残差投影：其中表不Aj对pi的一阶偏导数； (7) 对上述组合残差投影Δ4('利用传统的FBP图像重建算法进行重建得到残差图像(8) 将4/f加到估计图像上，得到新的估计图像即(9) 重复步骤⑵_(8)，直到重建图像满足收敛条件，即得多能谱CT成像。7. 根据权利要求3至6任一项所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，其特 征在于:所述步骤(7)中加权分量残差图像或残差图像再经如下处理： 对加权分量残差图像做降噪处理。8. -种利用如权利要求1至7任一项所述的基于FBP的能谱CT迭代成像方法的CT成像系 统，其特征在于:所述系统包括载物台、X射线放生装置、探测器和控制和数据处理装置，所 述载物台能够承载被成像物体，所述X射线放生装置能够发出X射线照射被测物体，所述探 测器能够接收X射线放生装置发出的X射线，获得扫描数据;所述控制和数据处理装置能够 对所述的载物台、X射线放生装置和探测器进行控制，并处理来自所述探测器的扫描数据， 该控制和数据处理装置利用上述基于FBP的能谱CT迭代成像方法对扫描数据进行重建，得 到多能谱CT图像。
【专利摘要】本发明涉及一种基于FBP的能谱CT迭代成像方法和成像系统，该方法对多能谱CT成像系统采集到的多个能谱下的数据进行重建，得到多能谱CT图像。本方法能够由多能谱CT扫描数据重建出高质量、无硬化伪影的CT图像，同时该方法对多能谱扫描数据无几何相容的要求，另外，该方法计算量小，重建图像速度快；该系统能够扫描被成像物体，获得多能谱CT扫描数据并得到高质量、无硬化伪影的CT图像。
【IPC分类】G06T11/00
【公开号】CN105488826
【申请号】CN201510953966
【发明人】张朋, 赵云松, 李孟飞
【申请人】首都师范大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月17日
最新回复(0)