双能CT短程扫描协议中的数字域分解方法技术

本发明专利技术涉及一种双能CT短程扫描协议中的数字域分解方法，适应于低能和高能扫描均为π+γm且最大扇角γm小于π的情形，图像域分解方案是分别对低能和高能投影数据在π+γm的扫描角度范围内进行半扫图像重建，然后使用现有的图像域双能分解方案进行双能分解。投影数据域分解方案依据中间变量L1和L2的对称性计算出全周范围的L1和L2，进而可以依据现有完整双能投影数据域分解的计算方式进行后续的运算，实现各能量下的图像重建。由此不仅适应于双能CT短程扫描，而且无需采用复杂的迭代算法，极大地简化了计算过程，极大地减少了计算量。

【技术实现步骤摘要】
双能CT短程扫描协议中的数字域分解方法
本专利技术涉及一种双能CT短程扫描协议中的数字域分解方法，用于短程双能CT扫描中的图像重建。
技术介绍
随着双能CT在临床上越来越多的应用，世界上主要的CT生产厂家也在双能CT机器的研发上投入了越来越多的资源。目前双能CT主流技术有GE的快速电压切换技术(fast-kVswitching)，Siemens的双源技术(dual-source)和Philips的双层探测器技术(dual-layerdetector)。但使用这些技术的CT设备都属于高端CT设备，设备及数据处理过程过于复杂，价格昂贵，通常难以被中小型医疗机构购买。而传统的双能CT技术则使用两种不同的电压(可称为高压和低压，或高能和低能)对病人分别进行一周的扫描，共计两周(角度为4π)扫描，从而使得扫描时间变长，同时剂量变大。由于这些不足，传统的双能CT技术时常被人诟病。但是由于传统的双能技术在普通的CT机器上就可以实现，不需要特殊的硬件改造，从而可以使得使用传统双能CT技术的设备价格极大地低于使用新硬件设备的双能CT机器。因此，如何在利用普通CT机器进行双能扫描的基础上减少扫描量，是摆在面前的一个亟待解决的问题。要克服传统双能CT技术扫描时间长、剂量大的弱点，一种可行的技术思路采用短程扫描，在不改变传统双能扫描协议和CT机器硬件的条件下，减小扫描范围，使用低能扫描π+γm的角度范围(γm为CT设备扇束扫描的最大扇角)，然后再使用高能继续扫描π+γm的角度范围，这样低能和高能扫描的角度范围共计为2π+2γm相对于传统的双能扫描技术共计为4π的扫描角度范围而言，这种短程扫描方式在扫描时间和剂量方面都有实质性的减少(参见图1)，但短程扫描协议中高能和低能数据是不完全重叠的，无法简单地使用现有的数据域分解方法，一种可能的解决方案是使用迭代算法来进行双能CT图像重建，但这种算法复杂，计算量非常庞大，不仅需要配套相应的数据处理设备，导致成本的升高，而且也需要花费更多的时间。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种双能CT短程扫描协议中的数字域分解方法，适用于双能CT短程扫描协议的分解算法，在图像域或投影数据域进行分解，降低设备需求，减少运算时间。本专利技术的技术方案是：一种双能CT短程扫描协议中的数字域分解方法,适应于双能短程扫描，其中低能扫描和高能扫描的角度范围均为π+γm、在β0～β1～β2共计2π+2γm扫描角度区间为低能扫描和高能扫描的双能扫描，在β0～β1扫描角度区间为仅低能扫描，在β1～β2的扫描角度区间为仅高能扫描，其投影数据域分解方案包括下列步骤：S1.计算各区间的中间变量L1(β,γ)和L2(β,γ)：1)在β0～β2区间，根据直接测量得到的双能投影数据gH(β，γ)和gL(β，γ)求解下列方程组，获得该区间的双能基物质(如水和骨)分解系数的线积分L1(β,γ)和L2(β,γ)：2)在β2～β1区间，根据双能数据gH(βH，-γ)和gL(β，γ)求解下列方程组βH，获得该区间的L1(β,γ)和L2(β,γ)：3)在β1～β0区间，根据双能数据gH(β，γ)和gL(βL，-γ)求解下列方程组，βL获得该区间的L1(β,γ)和L2(β,γ)：S2.依据下列公式所表示的双能基物质的分解系数和的线积分关系使用图像重建算法，如解析的滤波反投影FilteredBackprojection(FBP)算法，得到双能基物质分解系数和的图像。S3.依据下列公式计算获得被造影物在任意能量下的的x-射线线性衰减系数图像：其中，β为CT设备扫描时的转角(或扫描角度)，βH＝β+π+2γ，由投影数据的对称性决定，βL＝β+π+2γ，由投影数据的对称性决定，γ为CT设备扇束扫描的扇角，γm为最大扇角，小于π，E为能量，为位置矢量，表示相关变量与位置相关，可采用任意能够限定位置的坐标或参数，l为x-光源与探测器单元连接所对应的直线，dl为相应的线积分变元，gL(β，γ)为低能扫描获得的投影数据，gH(β，γ)为高能扫描获得的投影数据，SL(E，γ)低能扫描的归一化有效能谱，为所用CT设备的特性参数，SH(E，γ)高能扫描的归一化有效能谱，为所用CT设备的特性参数，μ1(E)和μ2(E)为两个基物质(如水和骨)的线性衰减系数，即依据步骤S3的假设下的用于计算的两个基函数，和为步骤S3的假设下的在相应基函数下的分解系数变量。可以采用下列进行扫描：CT设备从扫描起点β0以低能进行角度(CT设备扫描转角角度)为π+γm的扫描，至低能扫描终点β1，以低能扫描终点β1为高能扫描起点，以高能扫描进行π+γm的扫描，至扫描终点β2。对于三维扫描数据，依据计算精度要求，在允许的情况下，可以将三维数据近似看作平行的扇束数据来处理。本专利技术的有益效果是：由于本专利技术的投影数据域分解方案利用相关数据的对称性，在高能扫描和低能扫描仅有部分区域重叠的情形下，依据中间变量L1和L2的对称性计算出全周范围的L1和L2，进而可以依据现有完整双能扫描的计算方式进行后续的运算，实现各能量下的图像重建，由此不仅适应于双能CT短程扫描，而且无需采用复杂的迭代算法，极大地简化了计算过程，极大地减少了计算量。附图说明图1是传统双能扫描(扫描角度范围合计为4π)与本专利技术涉及的短程双能扫描(扫描角度范围合计为2π+2γm)的对比，其中，左图为传统双能扫描，右图为本专利技术涉及的短程双能扫描，其中，细实线表示低能扫描的角度范围，粗实线表示高能扫描的范围，β表示CT扫描的转角且以低能扫描起点位置转角β值为零；图2是传统双能扫描协议下使用高能数据重建的图像与短程双能扫描协议下使用本专利技术投影数据域分解方法后在70keV下重建的单能图的对比，其中左图为传统双能扫描协议下使用高能数据重建的图像，右图为短程双能扫描协议下使用本专利技术投影数据域分解方法后在70keV下重建的单能图。具体实施方式本专利技术的实施包括图像域分解方案和投影数据域分解方案。其中，双能CT短程扫描协议图像域分解方案比较简单直接，分别对低能和高能投影数据在π+γm的扫描角度范围内进行半扫图像重建，然后使用现有的图像域双能分解方案进行双能分解。以先低能扫描、再高能扫描为例：在图像域进行分解时，先使用传统的滤波反投影(FBP)算法得到不同能量下的图像，然后使用已有的图像域分解方法得到各种能量下的单能图像。这种方法由于使用了FBP算法，重建速度非常快，随后使用成熟的图像域分解方法得到单能图以完成双能CT的造影任务。参见图1，右图中高能和低能数据分别采集π+γ角度范围内的数据，可以使用现有的短程扫描重建算法，如采用论文D.Parker,″OptimalshortscanconvolutionreconstructionforfanbeamCT,″Med.Phys.,vol.9,pp.254-257,1982中提出的对π+γm角度内投影数据进行加权的方案进行π+γm角度内高能和低能数据重建，从而分别得到高能图像和低能图像。有了高能图像和低能图像后，可以使用论文B.Heismannet.al.,″Densityandatomicnumbermeasurementswithspectralx-rayattenuationmethod,″本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双能CT短程扫描协议中的数字域分解方法，适应于双能短程扫描，其中低能扫描和高能扫描的角度范围均为π+γm、在β0～β1～β2共计2π+2γm的扫描角度区间为低能扫描和高能扫描的双能扫描，在β0～β1的扫描角度区间为仅低能扫描，在β1～β2的扫描角度区间为仅高能扫描，其投影数据域分解方案包括下列步骤：S1.计算各区间的中间变量，即双能基物质分解系数的线积分：L1(β,γ)和L2(β,γ)：1)在β0～β2区间，根据直接测量得到的双能投影数据gH(β，γ)和gL(β，γ)求解下列方程组，获得该区间的L1(β,γ)和L2(β,γ)：

【技术特征摘要】
1.一种双能CT短程扫描协议中的数字域分解方法，适应于双能短程扫描，其中低能扫描和高能扫描的角度范围均为π+γm、在β0～β1～β2共计2π+2γm的扫描角度区间为低能扫描和高能扫描的双能扫描，在β0～β1的扫描角度区间为仅低能扫描，在β1～β2的扫描角度区间为仅高能扫描，其投影数据域分解方案包括下列步骤：S1.计算各区间的中间变量，即双能基物质分解系数的线积分：L1(β,γ)和L2(β,γ)：1)在β0～β2区间，根据直接测量得到的双能投影数据gH(β，γ)和gL(β，γ)求解下列方程组，获得该区间的L1(β,γ)和L2(β,γ)：2)在β2～β1区间，根据双能数据gH(βH，-γ)和gL(β，γ)求解下列方程组，βH获得该区间的L1(β,γ)和L2(β,γ)：3)在β1～β0区间，根据双能数据gH(β，γ)和gL(βL，-γ)求解下列方程组，βL获得该区间的L1(β,γ)和L2(β,γ)：S2.依据下列公式所表示的双能基物质的分解系数和的线积分关系使用图像重建算法，得到双能基物质分解系数和的图像。S3.依据下列公式计算获得被造影物在任意能量下的的x-射线线性衰减系数其中，β...

【专利技术属性】
技术研发人员：施大新，邹宇，张启林，杨溢，高斯，
申请(专利权)人：沈阳开普医疗影像技术有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21