一种CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法技术

本发明专利技术公开了一种CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法，可同步实现小动物X射线激发荧光断层成像和CT成像，提供更准确的成像物体解剖结构和分子影像信息。通过减少CT投影角度数并设置CT投影角度数与XLCT相同或成倍数，保证XLCT投影与CT投影同地点同时刻采集；同时利用压缩感知原理，对CT投影采用图像总变差最小化的少角度重建算法，对XLCT迭代重建引入预条件矩阵和小波变换以降低重建的病态性。本方法的实施可实现CT/XLCT的同步成像，简化双模成像流程，降低实验难度，减少成像时间，减少实验失败率，降低辐射剂量，避免成像过程中物体移动引起的误差，降低图像配准和融合难度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物理数学、生物医学工程和计算机多学科交叉领域，尤其涉及一种CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法。
技术介绍
X射线计算机断层成像(ComputedTomography,CT)已经广泛应用于小动物高分辨率解剖结构成像，但是因其缺乏生物分子影像信息，应用领域受到限制。近年来，随着X射线纳米荧光探针的发展，X射线激发荧光断层成像(x-rayLuminescenceComputedTomography,XLCT)作为一种融合了X射线和光学成像的分子断层成像新方法，有望实现深部肿瘤在体位置的标记、跟踪和肿瘤大小的判断。CT/XLCT双模成像，两者均借助X射线，前者可提供小动物解剖结构信息，后者可通过与纳米发光材料的结合，提供有关细胞、基因和分子水平的影像信息。由于X射线穿透深、荧光探针丰富、系统成本低、实现简单，CT/XLCT成为一种很有潜力的新型结构-功能成像方式。但是，由于CT、XLCT两者采集条件和数据要求不同，目前CT/XLCT双模均是分立的成像和重建，即首先进行XLCT数据采集，然后进行CT数据采集，再分别进行XLCT重建和CT重建，最后两者图像配准融合。由于CT重建和XLCT重建对投影数据的需求有很大不同，前者需要对360度范围内的上百个投影角度采集，总的采集时间可达几分钟；而后者需要几十个角度采集，总共需要几十秒或者几分钟；同时两者单个角度下采集时间不同，前者短，后者较长。两次分立采集导致整个成像过程时间长，剂量高，过程复杂。最重要的是容易带来小动物反复麻醉、死亡率高、位移变化、实验失败、剂量影响等风险。现有的CT/XLCT双模成像分立采集、流程复杂、剂量高、时间长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法，旨在解决CT/XLCT双模成像分立采集、流程复杂、剂量高、时间长的问题。本专利技术是这样实现的，一种CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法，该CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法通过减少CT投影角度数并设置CT投影角度数与XLCT相同或成倍数，同时调整单幅投影采集时间，使双模数据同步采集；同时利用压缩感知原理，对CT投影采用保证成像质量的图像总变差最小化的少角度重建算法，对XLCT重建引入提高重建质量的预条件矩阵和小波变换以降低光学重建的病态性。通过基于标记点的刚性配准方法对重建得到的CT和XLCT断层图像进行配准并融合，实现CT和XLCT的同步断层成像。进一步，所述CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法包括以下步骤：步骤一、设置CT/XLCT同步成像参数：设置CT在360度范围内采集的投影数为M(10≤M≤30)，XLCT荧光采集投影数为J，保证M＝qJ，其中M、J和q均为正整数，并设置单幅投影采集时间r秒，CT投影采集所用平板探测器积分时间为s秒，XLCT投影采集所用CCD相机积分时间为h秒，s<＝r，h<＝r，同时根据成像物体的需求设置X射线源的电压、电流；步骤二、CT暗场数据和亮场数据采集：在关闭X射线源状态下，利用平板探测器按照s秒积分时间采集暗场数据；打开X射线源，利用平板探测器按照s秒积分时间采集亮场数据；步骤三、成像物体准备：将成像物体注入荧光探针后置于转台上，固定好；步骤四、白光数据采集：在关闭X射线源状态下，打开外界光源，在360度范围内均匀采集Q幅成像物体的白光图像并保存；步骤五、CT/XLCT投影数据同步采集：关闭外界光源，打开X射线源，利用转台控制成像物体的旋转，在360度范围内均匀采集M幅CT投影数据，同时均匀采集J幅XLCT投影，采集完成后两套数据均保存至计算机，并关闭X射线源等相关成像设备。整个采集过程仅需覆盖一次360度，且XLCT的J副投影满足如下要求：在XLCT的J幅投影对应的物体位置下，均有CT投影的采集。步骤六、CT投影数据预处理并重建：利用亮场、暗场数据及平板探测器自带的坏像素表，对CT投影数据进行亮场校正，暗场校正以及坏像素校正，生成待重建投影，对待重建投影利用图像总变差最小化方法进行少角度重建，得到CT断层图像；步骤七、XLCT投影数据预处理并重建：对步骤五采集到的XLCT投影数据进行预处理，去除图像中的孤立亮点和坏点，利用步骤四中采集得到的白光数据构建物体轮廓并剖分，将各个角度下的经过预处理之后的XLCT少角度投影进行小波变换，得到变换之后的投影并映射到构建好的轮廓表面，得到表面光强分布矩阵，对系统矩阵和表面光强分布矩阵采用预条件矩阵处理，建立系统矩阵与表面光强分布矩阵之间的联系，采用迭代重建算法得到XLCT荧光断层图像；步骤八、图像融合：对步骤六和步骤七得到的CT断层图像和XLCT荧光断层图像根据基于标记点的刚性配准方法进行配准并融合，得到融合后的图像。进一步，所述图像总变差最小化的少角度CT重建方法包括以下步骤：a)采用锥束滤波反投影算法得到初始图像u0：对CT待重建的M幅投影采用滤波反投影算法重建，将重建后图像u0作为初始图像；b)令k＝0，k为迭代次数(k＝0,1,2…K-1)，将u0作为迭代初始图像u(0)，采用代数迭代法(algebraicreconstructiontechnique，ART)更新图像：uj(k+1)=uj(k)+λ(pi-Σn=1Nun(k)·min)Σn=1Nmin2mij]]>其中，k为迭代次数(k＝0,1,2…K)，即为第k+1次迭代后更新的图像，为更新前图像，j代表图像角标，pi为第i个探测器单元的投影值，min代表图像中第n个像素值对探测器单元i的贡献大小，λ为松弛因子，取值范围0～2之间；c)对上步中得到的图像进行非负值约束:对上步中所有小于0的值赋值为零，即如果则令d)根据梯度下降法对u(k+1)求图像总变差最小化后的图像:u(k+1,l+1)=u(k+1,l)-a||u(k+1,0)-u(k)||*du^(k+1,l);]]>其中l为梯度下降法的迭代次数(l＝0,1…L-1)，a为步长因子；e)令k＝k+1，u(k)＝u(k,L+1)，重复步骤b)-d)，直到满足迭代次数要求。进一步，所述XLCT少角度重建方法包括以下步骤：a)对所有XLCT投影数据进行预处理，采用自适应中值滤波方法去除数据中的孤立亮点和坏点；b)利用CCD拍摄得到的一组白光图像反投影重建出成像物体的三维表面，并导入COMSOL中进行网格剖分；c)将预处理之后的数据映射到剖分之后的三维表面，得到物体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法，其特征在于，该CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法通过减少CT投影角度数并设置CT投影角度数与XLCT相同或成倍数，同时调整单幅投影采集时间，使双模数据同步采集；利用压缩感知原理，对CT投影采用图像总变差最小化的少角度重建算法，对XLCT重建引入提高重建质量的预条件矩阵和小波变换以降低光学重建的病态性；通过基于标记点的刚性配准方法对重建得到的CT和XLCT断层图像进行配准并融合，实现CT和XLCT的同步断层成像。

【技术特征摘要】
1.一种CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法，其特征在于，该CT和X射线激发荧
光双模同步断层成像方法通过减少CT投影角度数并设置CT投影角度数与XLCT相同或成倍
数，同时调整单幅投影采集时间，使双模数据同步采集；利用压缩感知原理，对CT投影采用
图像总变差最小化的少角度重建算法，对XLCT重建引入提高重建质量的预条件矩阵和小波
变换以降低光学重建的病态性；通过基于标记点的刚性配准方法对重建得到的CT和XLCT断
层图像进行配准并融合，实现CT和XLCT的同步断层成像。
2.如权利要求1所述的CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法，其特征在于，所述
CT和X射线激发荧光双模同步断层成像方法包括以下步骤：
步骤一、设置CT/XLCT同步成像参数：设置CT在360度范围内采集的投影数为M，10≤M≤
30，XLCT荧光采集投影数为J，M＝qJ，其中M、J和q均为正整数，并设置单幅投影采集时间r
秒，CT投影采集所用平板探测器积分时间为s秒，XLCT投影采集所用CCD相机积分时间为h
秒，s<＝r，h<＝r，同时根据成像物体的需求设置X射线源的电压、电流；
步骤二、CT暗场数据和亮场数据采集：在关闭X射线源状态下，利用平板探测器按照s秒
积分时间采集暗场数据；打开X射线源，利用平板探测器按照s秒积分时间采集亮场数据；
步骤三、成像物体准备：将成像物体注入荧光探针后置于转台上，固定好；
步骤四、白光数据采集：在关闭X射线源状态下，打开外界光源，在360度范围内均匀采
集Q幅成像物体的白光图像并保存；
步骤五、CT/XLCT投影数据同步采集：关闭外界光源，打开X射线源，利用转台控制物体
的旋转，在360度范围内均匀采集M幅CT投影数据，同时均匀采集J幅XLCT投影，采集完成后
两套数据均保存至计算机，并关闭X射线源的成像设备；
步骤六、CT投影数据预处理并重建：利用亮场、暗场数据及平板探测器自带的坏像素
表，对CT投影数据进行亮场校正，暗场校正以及坏像素校正，生成待重建投影，对待重建投
影利用图像总变差最小化方法进行少角度重建，得到CT断层图像；
步骤七、XLCT投影数据预处理并重建：对步骤五采集到的XLCT投影数据进行预处理，去
除图像中的孤立亮点和坏点，利用步骤四中采集得到的白光数据构建物体轮廓并剖分，将
各个角度下的经过预处理之后的XLCT少角度投影进行小波变换，得到变换之后的投影并映
射到构建好的轮廓表面，得到表面光强分布矩阵，对系统矩阵和表面光强分布矩阵采用预
条件矩阵处理，建立系统矩阵与表面光强分布矩阵之间的联系，采用迭代重建算法得到
XLCT荧光断层图像；
步骤八、图像融合：...

【专利技术属性】
技术研发人员：戎军艳，卢虹冰，高鹏，廖琪梅，刘文磊，刘洋，见伟平，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61