一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法，目的在于，解决了传统CT因单锥角原因远离成像对象的缺点，能够更加贴近成像对象，避免不必要的剂量辐射，扫描快速，成本低，小巧灵便，无机械移动，易于实现，使用多个阵列上多个X射线源发射锥型射线，使用探测器接收光子，当分时点亮阵列上的每一个X射线源时，分时发射的每个射线源对应的一个锥角只能覆盖部分成像对象，得到分时的投影图像，使用分时阵列多源CT的重建方法进行重建；当同时点亮阵列上的所有X射线源时，同时发出的射线将成像对象全部覆盖，多个射线源扫描区域存在覆盖，探测器接收的投影会存在混叠部分，基于混叠的阵列多源CT的重建方法进行重建。

A CT image reconstruction method based on array X ray source and detector

The invention discloses a method for CT image reconstruction, X ray source and the detector array based on purpose, to solve the traditional CT for single angle reasons from imaging object faults can be closer to the imaging object, to avoid unnecessary radiation dose, fast scanning, low cost, small area, no mechanical movement, easy to to achieve, using multiple arrays of multiple X ray source emission cone type X-ray detector, using photons, when each X ray source light on the array, a cone corresponding to each ray source at the launch of the angle only covers part of the imaging object, get the projection image points, reconstruction methods the use of multi-source CT array for reconstruction; while all the light source X ray array, issued at the same time, ray will cover all the imaging object, there are multiple X-ray source scan area The projection received by the detector will have aliasing, and the reconstructed method based on the overlapping array multi-source CT will be reconstructed.

【技术实现步骤摘要】
一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法
本专利技术涉及X射线成像
，具体涉及一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法。
技术介绍
随着X射线成像技术的广泛应用，人们对降低X射线成像剂量、提高成像分辨率和成像速度的要求越来越高。传统CT成像技术受限于热阴极X射线管和机械扫描速度的限制，迫使人们寻找新的成像方式替代。值得鼓舞的是，阵列X射线源正开始朝着冷阴极和平板化的方向发展，有望实现X射线源从点光源到可寻址平板光源的变革，同时，由于X射线源能够与被测目标紧密耦合，避免对相关区域的辐射，有望依此降低剂量并缩小成像系统体积，这对于发展新型X射线成像方法，降低X射线检查带来的危害，造福人类的健康有重要的意义。自2001年日本名古屋工业大学最先报导了以碳纳米管(CNT)作为电子源的X射线管以来，采用CNT等一维纳米材料冷阴极的分立型X射线管成为研究热点，其研究主要集中在微焦X射线源及其在动态成像和分布式X光源CT系统的应用，其中美国北卡罗来纳大学研制的分布式冷阴极X射线管乳腺CT原理型样机已经进入临床验证阶段，韩国VSI公司和日本大阪大学分别报道了非寻址的平板X射线源，美国加州大学洛杉矶分校提出采用热释电晶体阴极制作可寻找的平板X射线源的想法。而到了2015年，中山大学已报导了较大面积的氧化锌纳米冷阴极平板X射线源，并实现了小于25微米的静态成像。这一系列研究成果都为利用X射线源阵列探索新的成像方法与CT图像重建方法铺平了道路。较于传统CT，阵列X射线源CT每个角度使用多个射线源，相同锥角下，设备体积更小；阵列X射线源CT还固定射线源位置，扫描时无机械移动，不用考虑高速移动下带来的投影数据矫正问题；此外，无论是分时投影与重建，还是同时投影与重建，相比传统CT，其扫描速度更快，剂量更小，造成的剂量泄露也更少。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提出一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法，使用多个阵列上的多个X射线源进行锥束CT扫描，解决了传统CT因单锥角原因远离成像对象的缺点，能够更加贴近成像对象，避免不必要的剂量辐射，具有扫描快速，成本低，小巧灵便，无机械移动及易于实现的优点。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案为：包括以下步骤：1)采用正多边形状的阵列X射线源与探测器对目标进行分时或同时扫描获得光子投影数据，正多边形状的阵列X射线源包括n个阵列，每个阵列有Q个射线源；2)根据分时扫描光子投影数据建立目标函数：其中，A表示从图像x到投影数据b间的线性变换，是一个M×N矩阵，且b∈RM为观察数据，x∈RN为重建图像，R(x)表示对图像的罚项约束，β表示正则化因子；同时扫描光子投影数据建立目标函数：其中，apq表示第q个射线源的对应第p个探测器的系统矩阵，yp表示第p个探测器测量到的信号与对应的散射分量的和，Ipq表示射线源q对应于探测器p方向的入射光子强度；3)对分时扫描或同时扫描目标函数进行求解，从而得到CT重建图像。所述步骤1)中分时扫描包括：首先点亮所有阵列的第1个射线源，探测器收集到光子投影数据后再点亮所有阵列的第2个射线源，直至点亮所有阵列的第Q个射线源，探测器并收集光子投影数据；或者首先点亮所有阵列的第1、m+1、…、tm+1(tm+1≤Q)个射线源，探测器收集到光子投影数据后再点亮所有阵列的第2、m+2、…、tm+2(tm+2≤Q)个射线源，直至点亮所有阵列的第m、2m、…、tm+m(tm+m≤Q)个射线源，探测器接收光子投影数据；同时扫描包括：同时使用所有阵列上的所有X线源，各个阵列上的所有射线源发出锥束射线，探测器接收到混叠的光子投影数据。所述步骤1)中X射线源呈阵列设置，X射线源有相同的张角和发射能谱。所述步骤3)中分时扫描目标函数采用经典统计迭代法重建框架，设目标函数为f(x)，根据迭代求解公式：xn+1＝xn+λf′(xn)或迭代求解目标函数，得到CT重建图像，其中xn+1表示第n+1次迭代结果，xn表示第n次迭代结果，λ表示迭代步长，f′(xn)表示目标函数的一阶导，f″(xn)表示目标函数的二阶导。所述步骤3)中同时扫描目标函数采用经典统计迭代法重建框架，设目标函数为：其中对dp求解对应一阶导数为：二阶导数为：并根据代求解公式：xn+1＝xn+λf′(xn)或迭代求解目标函数，得到CT重建图像，其中，apq表示射线源q对应于探测器p的系统矩阵，yp表示探测器p收到的总光子强度，Ipi表示从第i个射线源到第p个探测器的光子强度，api表示从第i个射线源到第p个探测器对应的系统矩阵，Ipk表示从第k个射线源到第p个探测器的光子强度，apk表示从第k个射线源到第p个探测器对应的系统矩阵，x表示重建图像。所述同时扫描目标函数采用泰勒展开求解：Ipqexp(-apqx)经泰勒展开为：代入公式得到：dp一阶导数为：二阶导数为：将dp一阶导数和二阶导数代入求解公式：xn+1＝xn+λf′(xn)或迭代求解目标函数，得到CT重建图像，其中，x0表示泰勒展开前的重建图像，T表示转置。与现有技术相比，本专利技术使用多个阵列上多个X射线源发射锥型射线，再使用探测器进行接收光子投影数据。当分时点亮阵列上的每一个X射线源时，分时发射的每个射线源对应的一个锥角只能覆盖部分成像对象，得到分时的投影图像，使用分时阵列多源CT的重建方法进行重建CT图像；当同时点亮阵列上的所有X射线源时，同时发出的射线将成像对象全部覆盖，但由于多个射线源扫描区域存在覆盖，探测器接收的投影会存在混叠部分，于是提出了基于混叠的阵列多源CT的重建方法进行重建。本专利技术使用多个阵列上的多个X射线源进行锥束CT扫描，解决了传统CT因单锥角原因远离成像对象的缺点，能够更加贴近成像对象，避免不必要的剂量辐射，具有扫描快速，成本低，小巧灵便，无机械移动及易于实现的优点。附图说明图1为阵列X射线源与探测器结构示意图，1为成像目标，2为隔离源与探测器的铅板，3为阵列射线源，4为阵列探测器；图2为阵列X射线源与探测器剖面示意图；图3为阵列X射线源与探测器的摆放模型；图4a为分时扫描下的第一组射线源扫描示意图；图4b为第二组射线源扫描示意图；图5为同时扫描下的扫描示意图；图6为阵列X射线源上的多个射线源分时投影流程图；图7为阵列X射线源上的多个射线源同时投影流程图；图8为阵列X射线源上的多个射线源同时投影下的重建算法流程图；图9为示例所用原始模体，外层大圆为人体组织，方形为软骨，两小圆为硬骨；图10a为使用分时扫描并重建的图像，图10b为使用同时扫描并重建的图像。具体实施方式下面结合具体实施例和说明书附图对本专利技术作进一步的解释说明。参见图1，使用图1所示的阵列X射线源与探测器CT扫描目标内部结构时，物体置于正中，周围是n个阵列构成围绕。扫描阵列由上下两部分组成，上半部分为Q个成矩形阵列的X射线源，下半部分为P个探测器组。(a)使用分时模式扫描时，所有阵列上的同一对应位置的第i个射线源发出X射线，探测器接受到光子后，所有阵列上的同一对应位置的第i+1个源发出X射线，直至所有X射线源扫描完成；或者首先点亮所有阵列的第1、m+1、…、tm+1(tm+1≤Q)个射线源，探测器收集到光子投影数据后再点亮所有阵列的第2、m+2、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用正多边形状的阵列X射线源与探测器对目标进行分时或同时扫描获得光子投影数据，正多边形状的阵列X射线源包括n个阵列，每个阵列有Q个射线源；2)根据分时扫描光子投影数据建立目标函数：

【技术特征摘要】
1.一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用正多边形状的阵列X射线源与探测器对目标进行分时或同时扫描获得光子投影数据，正多边形状的阵列X射线源包括n个阵列，每个阵列有Q个射线源；2)根据分时扫描光子投影数据建立目标函数：其中，A表示从图像x到投影数据b间的线性变换，是一个M×N矩阵，且b∈RM为观察数据，x∈RN为重建图像，R(x)表示对图像的罚项约束，β表示正则化因子；同时扫描光子投影数据建立目标函数：其中，apq表示第q个射线源对应第p个探测器的系统矩阵，yp表示第p个探测器测量到的信号与对应的散射分量的和，Ipq表示射线源q对应于探测器p方向的入射光子强度；3)对上述分时扫描或同时扫描目标函数进行求解，从而得到CT重建图像。2.根据权利要求1所述的一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法，其特征在于，所述步骤1)中分时扫描包括：首先点亮所有阵列的第1个射线源，探测器收集到光子投影数据后再点亮所有阵列的第2个射线源，直至点亮所有阵列的第Q个射线源，探测器并收集光子投影数据；或者首先点亮所有阵列的第1、m+1、…、tm+1(tm+1≤Q)个射线源，探测器收集到光子投影数据后再点亮所有阵列的第2、m+2、…、tm+2(tm+2≤Q)个射线源，直至点亮所有阵列的第m、2m、…、tm+m(tm+m≤Q)个射线源，探测器接收光子投影数据；同时扫描包括：同时使用所有阵列上的所有X线源，各个阵列上的所有射线源发出锥束射线，探测器接收到混叠的光子投影数据。3.根据权利要求2所述的一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法，其特征在于，所述步骤1)中X射线源呈阵列设置，X射线源有相同的张角和发射能谱。4.根据权利要求1所述的一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法，其特征在于，所述步骤3)中分时扫描目标函数采用经典统计迭代法重建框架，设目标函数为f(x)，根据迭代求解公式：xn+1＝xn+λf′(xn)或迭代求解目标函数，得到CT重建图像，其中xn+1表示第n+1次迭代结果，xn表示第n次迭代结果，λ表示迭代步长，f′(xn)表示目标函数的一阶导，f″(xn)表示目标函数的二阶导。5.根据权利要求1所述的一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟轩沁，程海涛，王凯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61