X射线光栅相衬成像重建方法及其系统技术方案

本申请涉及医学成像领域，公开了一种X射线光栅相衬成像重建方法及其系统。该方法包括，获得降采样的投影数据，并提取出相衬投影，吸收投影和散射投影；利用至少两种投影数据重建图像。该方法充分利用了光栅相衬成像获得的多种物质信息，结合两种或三种信息重建图像，相比已有技术，该方法能够在相衬CT成像系统投影数据不完备的情况下得到高质量的重建图像，从而实现低剂量、快速的光栅相衬CT成像。

【技术实现步骤摘要】
X射线光栅相衬成像重建方法及其系统
本申请涉及医学成像，特别涉及X射线光栅相衬成像重建技术。
技术介绍
传统X射线CT成像利用X射线穿过物体后的衰减程度来获得物体的内部信息，测量的是物体的吸收因子，但对于轻元素构成的物体，它们对X射线的吸收不明显，因此传统的X射线成像技术很难显示这类弱吸收物质的内部结构信息。X射线相衬成像(PCI)测量样品的相位因子，对于原子序数较小的轻元素，X射线的相位变化高于同样情况下吸收差异的1000倍，从而提高了生物软组织的对比度。在过去的几十年中，PCI成像技术已经发展了至少4种成像方法，包括干涉成像，同轴成像，衍射增强成像和光栅相衬成像。然而，对X射线源的极高要求阻碍了PCI在医疗或工业领域的广泛应用。2006年，Pfeiffer等人使用三光栅系统在传统X射线源上实现了光栅相衬成像，使得相衬成像摆脱了需要同步辐射光源的限制，并且没有过多损失成像质量。因此将光栅干涉仪与常规X射线源应用于各种领域具有广阔前景。另一方面，基于光栅的相衬成像不仅可以产生相位信息，还可以提供另外两种描述物体不同性质的信息：吸收信息和散射信息。其中吸收信息主要包含物质的高吸收元素，而散射信息显示了物质的散射。如图1，为穿过样品与自由传播的X光，其中Δφ、Δ|E|分别是由样品引起的相移和幅值的改变，α是由于样品导致的X光的传播方向发生的改变，根据Δ|E|、Δφ以及α可以提取出吸收、相位、散射信息。然而，光栅相衬成像过程中，传统步进扫描方式导致的长时间的数据采集和相对较高的辐射剂量限制了光栅相衬成像的广泛应用。一个解决方案是减少X射线投影角度数目来降低辐射剂量，也就是在稀疏角度的情况下恢复图像的结构，其中稀疏角度是指投影角度的数目少于现有的X射线投影角度数目。但是稀疏角度会带来重建的图像质量下降的问题。这里就存在一个技术矛盾，一方面需要减少X射线投影的角度来降低辐射剂量，另一方面又不能够减少X射线投影的角度以免影响重建图像的质量。如何解决这个技术矛盾就成为本领域的技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
本申请的目的在于提供一种X射线光栅相衬成像重建方法及其系统，能够在相衬CT成像系统投影数据不完备的情况下得到高质量的重建图像，从而实现低剂量、快速的光栅相衬CT成像。为了解决上述问题，本申请公开了一种X射线光栅相衬成像重建方法，包括：获得光栅相衬成像的投影数据；从该投影数据提取出吸收投影、相衬投影和散射投影中的至少两种；根据第一投影重建第一图像，其中至少参考第二投影；其中，该第一投影是该吸收投影，该第一图像是吸收图像，该第二投影是该相衬投影或该散射投影；或者，该第一投影是该相衬投影，该第一图像是相衬图像，该第二投影是该吸收投影或该散射投影；或者，该第一投影是该散射投影，该第一图像是散射图像，该第二投影是该相衬投影或该吸收投影。在一优选例中，该根据第一投影重建第一图像的步骤包括至少一次迭代，第一次迭代所使用的初值为初始重建图像G0，将最后一次迭代所得的重建图像Gi作为该第一图像，其中第i次迭代包括以下子步骤：根据在第i-1次迭代后所得的该第一投影的重建图像Gi-1，查询第一双字典，得到估计图像Fi；以该估计图像Fi作为约束条件，根据该第二投影进行迭代重建，得到该第二投影的重建图像Xi；根据该重建图像Xi，查询该第一双字典，得到估计图像Yi；以该估计图像Yi作为约束条件，根据该第一投影进行迭代重建，得到重建图像Gi。在一优选例中，该投影数据是平行投影，扇形投影或锥形束投影。在一优选例中，该重建是二维重建或三维重建。在一优选例中，该根据第一投影重建第一图像的步骤中，在第一次的该迭代之前，还包括以下步骤：通过双字典学习提升该初始重建图像的精度。在一优选例中，该通过双字典学习提升该初始重建图像的精度，进一步包括：准备一组由完整投影数据重建出来的第一精度图像，形成第一集合；由完整投影数据下采样得到的稀疏角度投影数据重建出一组第二精度图像，形成第二集合；从该第一集合和该第二集合中提取大小为n×n的图像块；将该第一集合和该第二集合产生的图像块一一对应组合，作为字典中的原子；根据该字典中的原子训练双字典，经过划分分别得第一精度图像的第一字典与第二精度图像的第二字典，第一字典和第二字典构成第二双字典；从该第二字典中搜索最能代表吸收重建图像的图像块或图像块的线性组合，再将这些图像块由该第一字典中的对应原子分别替换，以获得较高精度图像块；其中，该第一精度高于该第二精度。本申请还公开了一种X射线光栅相衬成像重建系统，包括：数据获取单元，用于获得光栅相衬成像的投影数据；投影提取单元，用于从该投影数据提取出吸收投影、相衬投影和散射投影中的至少两种；图像重建单元，用于根据第一投影重建第一图像，其中至少参考第二投影；其中，该第一投影是该吸收投影，该第一图像是吸收图像，该第二投影是该相衬投影或该散射投影；或者，该第一投影是该相衬投影，该第一图像是相衬图像，该第二投影是该吸收投影或该散射投影；或者，该第一投影是该散射投影，该第一图像是散射图像，该第二投影是该相衬投影或该吸收投影。在一优选例中，该图像重建单元包括：第一字典查询子单元，用于根据在第i-1次迭代后所得的该第一投影的重建图像Gi查询第一双字典，得到估计图像Fi；第一重建子单元，用于以该估计图像Fi作为约束条件，根据该第二投影进行迭代重建，得到该第二投影的重建图像Xi；第二字典查询子单元，用于根据该重建图像Xi，查询该第一双字典，得到估计图像Fi+1；第二重建子单元，用于以该估计图像Fi+1作为约束条件，根据该第一投影进行迭代重建，得到重建图像Gi+1；该第一字典查询子单元、第一重建子单元、第二字典查询子单元和第二重建子单元共同执行至少一次的迭代运算，将最后一次迭代所得的重建图像Gi+1作为该第一图像，其中，i为迭代次数的序号本申请还公开了一种X射线光栅相衬成像重建系统，包括：存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，处理器，用于在执行该计算机可执行指令时实现如前文描述的方法中的步骤。本申请还公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如前文描述的方法中的步骤。本申请实施方式中，充分利用了光栅相衬成像获得的多种物质信息，结合两种或三种信息重建图像，能够在相衬CT成像系统投影数据不完备的情况下(例如稀疏角度的情况)得到高质量的重建图像，从而实现低剂量、快速的光栅相衬CT成像。由于吸收信息和相衬信息是从同一投影数据提取出来的，因此两者自然配准，从而使得结合两种信息成为可能。利用吸收信息重建的图像，相比于相衬信息重建的图像来说，对强吸收物质有更好的对比度。因此，通过双字典学习，可以将吸收信息和相位信息结合起来，联合重建，从而获得比单独相位重建和吸收重建更好的图像质量。本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述
技术实现思路
中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种X射线光栅相衬成像重建方法，其特征在于，包括：获得光栅相衬成像的投影数据；从所述投影数据提取出吸收投影、相衬投影和散射投影中的至少两种；根据第一投影重建第一图像，其中至少参考第二投影；其中，所述第一投影是所述吸收投影，所述第一图像是吸收图像，所述第二投影是所述相衬投影或所述散射投影；或者，所述第一投影是所述相衬投影，所述第一图像是相衬图像，所述第二投影是所述吸收投影或所述散射投影；或者，所述第一投影是所述散射投影，所述第一图像是散射图像，所述第二投影是所述相衬投影或所述吸收投影。

【技术特征摘要】
1.一种X射线光栅相衬成像重建方法，其特征在于，包括：获得光栅相衬成像的投影数据；从所述投影数据提取出吸收投影、相衬投影和散射投影中的至少两种；根据第一投影重建第一图像，其中至少参考第二投影；其中，所述第一投影是所述吸收投影，所述第一图像是吸收图像，所述第二投影是所述相衬投影或所述散射投影；或者，所述第一投影是所述相衬投影，所述第一图像是相衬图像，所述第二投影是所述吸收投影或所述散射投影；或者，所述第一投影是所述散射投影，所述第一图像是散射图像，所述第二投影是所述相衬投影或所述吸收投影。2.如权利要求1所述的X射线光栅相衬成像重建方法，其特征在于，所述根据第一投影重建第一图像的步骤包括至少一次迭代，第一次迭代所使用的初值为初始重建图像G0，将最后一次迭代所得的重建图像Gi作为所述第一图像，其中第i次迭代包括以下子步骤：根据在第i-1次迭代后所得的所述第一投影的重建图像Gi-1，查询第一双字典，得到估计图像Fi；以所述估计图像Fi作为约束条件，根据所述第二投影进行迭代重建，得到所述第二投影的重建图像Xi；根据所述重建图像Xi，查询所述第一双字典，得到估计图像Yi；以所述估计图像Yi作为约束条件，根据所述第一投影进行迭代重建，得到重建图像Gi。3.如权利要求1所述的X射线光栅相衬成像重建方法，其特征在于，所述投影数据是平行投影，扇形投影或锥形束投影。4.如权利要求1所述的X射线光栅相衬成像重建方法，其特征在于，所述重建是二维重建或三维重建。5.如权利要求2所述的X射线光栅相衬成像重建方法，其特征在于，所述根据第一投影重建第一图像的步骤中，在第一次的所述迭代之前，还包括以下步骤：通过双字典学习提升所述初始重建图像的精度。6.如权利要求5所述的X射线光栅相衬成像重建方法，其特征在于，所述通过双字典学习提升所述初始重建图像的精度，进一步包括：准备一组由完整投影数据重建出来的第一精度图像，形成第一集合；由完整投影数据下采样得到的稀疏角度投影数据重建出一组第二精度图像，形成第二集合；从所述第一集合和所述第二集合中分别提取大小为n×n的图像块；将所述第一集合和所述第二集合产生的图像块一一对应组合，作为字典中的原子；根据所述字典中的原子训练双字典，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建奇，柏慧屏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31