一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法，该方法包括以下步骤：步骤1：利用多能光子计数X线CT同时采集n(n为大于2的整数)个能量段的投影数据；步骤2：运用统计迭代重建算法重建各能量段的图像；步骤3：选取m(m为大于等于2且小于n的整数)种基材料，建立基材料分解方程组，利用广义逆矩阵对其进行求解获得基材料分解系数图像；步骤4：利用基材料分解系数图像和基材料的电子密度计算电子密度断层图像。本发明专利技术能够有效减少噪声对各能量段图像重建和材料分解的干扰，进而提高电子密度断层图像重建的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法
本专利技术涉及计算机断层成像
，尤其涉及一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法。
技术介绍
医学成像是现代精确放疗的支撑技术之一，医学影像技术的发展有力促进了放疗剂量计算、传输和控制等技术的发展，其在评估肿瘤的进展程度、制定放射治疗计划和引导剂量传输等方面具有重要作用。放射治疗计划是开展精确放射治疗的前提，剂量计算是放射治疗计划的核心技术之一，它需要精确定位靶区和敏感组织，获取组织的电子密度分布，为剂量分布计算提供可靠的物理参数，从而实现剂量的精确计算。目前，临床上通过传统的X线CT机对模体进行扫描成像，进而计算人体组织的电子密度分布，具体步骤为：(1)利用电子密度已知的人体组织等效材料制作模体，对模体进行CT扫描成像，建立CT值-电子密度转换曲线；(2)对人体进行CT成像，获得CT值，利用上述CT值-电子密度转换曲线计算人体组织的电子密度断层图像。利用上述方法获取人体组织电子密度分布图像主要存在以下问题：(1)模体的制作成本比较高；(2)流程复杂，需要进行CT值-电子密度转换曲线的标定；(3)电子密度的计算精度不高。近年来，双能X线CT技术取得了较快发展，已应用于电子密度的计算。MasatoshiSaito于2012年3月在Med.Phys.第39卷第4期2021页到2030页发表的“Potentialofdual-energysubtractionforconvertingCTnumberstoelectrondensitybasedonasinglelinearrelationship”一文中引入算子ΔHU＝(1+α)HUH-αHUL，将高、低能下的CT值转换为电子密度。Tsukihara等人于2013年Phys.Med.Biol.第58卷N135到N144页发表的“Conversionoftheenergy-subtractedCTnumbertoelectrondensitybasedonasinglelinearrelationship：anexperimentalverificationusingaclinicaldual-sourceCTscanner”一文中，临床实验表明ΔHU与ρe在一定条件下存在线性关系，但是双能X线CT成像致使辐射剂量较常规X线CT成像增大一倍，且ΔHU与ρe之间的线性关系仅适用于有效原子序数在一定范围内的材料。近年来，基于光子计数探测器的多能光子计数X线CT技术得到越来越多的关注，光子计数探测器具有能量分辨能力，配备专用集成电路，可以对不同能量的光子进行分能量段计数；利用光子计数探测器只需进行一次射线曝光，即可获得多个能量段的透射光子数据；与传统双能X线CT相比，多能光子计数X线CT可有效避免双能X线CT存在的能谱重叠问题，并且大大减少了辐射剂量；进一步利用多能光子计数X线CT进行物质分解，可以获得更准确的材料组成成分信息，提高人体组织电子密度的计算精度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法，有效减少噪声对各能量段图像重建和材料分解的干扰，提高各能量段重建图像的信噪比，提高材料分解的精度，进而提高电子密度断层图像重建的精度。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法，所述电子密度断层图像重建的步骤包括：步骤1：利用多能光子计数X线CT同时采集n个能量段的投影数据，n为大于2的整数；步骤2：运用统计迭代重建算法重建各能量段的图像；步骤3：选取m种基材料，建立基材料分解方程组，利用广义逆矩阵对其进行求解获得基材料分解系数图像，m为大于等于2且小于n的整数；步骤4：利用基材料分解系数图像和基材料的电子密度计算电子密度断层图像，对于电子密度断层图像中的任一像素i，其电子密度用下式计算：其中，ρek表示第k种基材料的电子密度；表示像素i处的第k种基材料分解系数。作为本专利技术一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法进一步的优化方案，基材料分解方程组如下式所示：其中，表示第j个能量段重建图像中像素i处的线性衰减系数(j＝1，2，.....，n)；表示第k种基材料在第j个能量段的线性衰减系数(k＝1，2，.....，m)；表示待求像素i处的第k种基材料的分解系数，令：则电子密度断层图像中像素i处的基材料分解系数的解如下式所示：本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术根据多能光子计数X线CT成像所具有的分能量段投影数据采集及材料识别的能力，运用统计迭代重建算法重建各能量段的图像，然后建立基材料分解方程组，运用广义逆矩阵对其进行求解获得基材料分解系数图像，最后利用基材料的分解系数图像计算电子密度断层图像，能够有效提高各能量段重建图像的信噪比，有效减少噪声对材料分解的干扰，提高材料分解的精度，进而提高电子密度断层图像重建的精度。附图说明图1为一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法的流程图；图2为多能光子计数X线CT在管电压为140kVp、光子计数探测器的两个能量阈值分别为50keV和80keV时三个能量段的能谱图；图3为传统双能CT在管电压分别为80kVp和140kVp时的能谱图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示，本专利技术公开了一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法，下面以能量段数n为3，基材料数m为2，各能量段图像重建采用ML-EM算法的情况下电子密度断层图像重建为例进行说明，具体步骤如下：步骤1：利用多能光子计数X线CT同时采集3个能量段的投影数据；多能光子计数X线CT利用光子计数探测器同时对透射X线光子进行分能量段的投影数据采集，当能量段数设置为3，能量阈值为50keV和80keV时，三个能量段的能谱图如图2所示；传统双能CT在管电压分别为80kVp和140kVp时的能谱图如图3所示。由图2和图3可以看出，多能光子计数X线CT可有效避免传统双能CT存在的能谱重叠问题，从而可提高材料的识别能力。步骤2：运用最大似然估计-期望最大(ML-EM)迭代重建算法重建各能量段的图像；光子计数探测器对透射光子进行分能量段采集，能量段数越多，每个能量段内的光子数越少，这将导致信噪比降低。本实施例采用最大似然估计-期望最大(ML-EM)迭代重建算法对各能量段中的投影数据进行图像重建，该方法具有良好的噪声抑制能力，可提高重建图像的质量。步骤3：选择水和钙作为基材料1和基材料2，对于三个能量段的情况，建立基材料分解方程组，如下式所示：其中，表示第j个能量段重建图像中像素i处的线性衰减系数(j＝1，2，3)；表示第k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1：利用多能光子计数X线CT同时采集n个能量段的投影数据，n为大于2的整数；/n步骤2：运用统计迭代重建算法重建各能量段的图像；/n步骤3：选取m种基材料，建立基材料分解方程组，利用广义逆矩阵对其进行求解获得基材料分解系数图像，m为大于等于2且小于n的整数；/n步骤4：利用基材料分解系数图像和基材料的电子密度计算电子密度断层图像，对于电子密度断层图像中的任一像素i，其电子密度

【技术特征摘要】
1.一种基于多能光子计数X线CT的电子密度断层图像重建方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：利用多能光子计数X线CT同时采集n个能量段的投影数据，n为大于2的整数；
步骤2：运用统计迭代重建算法重建各能量段的图像；
步骤3：选取m种基材料，建立基材料分解方程组，利用广义逆矩阵对其进行求解获得基材料分解系数图像，m为大于等于2且小于n的整数；
步骤4：利用基材料分解系数图像和基材料的电子密度计算电子密度断层图像，对于电子密度断层图像中的任一像素i，其电子密度用下式计算：



其中，ρe...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：镇江慧影科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32