一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法，该方法包括：步骤1，获取被测物体在多个能谱下的多色投影数据；步骤2，获取各种基材料密度图像估计值；步骤3，对基材料密度图像估计值进行正投影，得到各种基材料的投影估计值及被测物体的多色投影估计值；步骤4，计算多色投影估计值与多色投影数据之间的误差，利用倾斜投影技术对基材料投影进行修正，得到各种基材料的投影残差；步骤5，将投影残差进行反投影，得到各种基材料的残差图像，更新被测物体的基材料密度图像估计值；步骤6，判断终止条件是否满足，若满足则终止迭代，否则转向步骤3。本发明专利技术能够由采集到的多个能谱的多色投影数据快速重建出被测物体的多种基材料密度图像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法
本专利技术涉及X射线CT成像
，特别是关于一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法。
技术介绍
X射线计算机断层成像技术(XrayComputedTomography,简称X射线CT)可以在不破坏或损伤物体的情况下呈现物体的内部细节，已广泛应用于医学、生物、工业、材料、古化石和航天等众多领域。传统CT成像理论假设X射线由单一能量的光子组成，忽略了X射线的多色性，因此利用传统单能量CT重建算法重建实采数据时会产生射束硬化伪影，如杯状伪影和条状伪影，严重影响成像质量。多能谱CT成像系统利用多个不同能谱下的X射线扫描被测物体，获得被测物体在多个不同能谱下的投影数据。利用这些投影数据可以重建被测物体的基材料密度图像，或者是等效原子序数和电子密度图像。与单能谱CT相比，多能谱CT获取了更多的被测物体的信息，具有更好的物质区分能力，在硬化伪影去除、骨密度测量、PET衰减校正和伪单能图像计算等方面有广泛的应用前景。现有的多能谱CT多色投影数据获取方式大致有两类，第一类方式是利用X射线源获取两个或多个X射线能谱，分别对被测物体进行扫描，获取两组或多组多色投影数据。代表性的技术有“全扫描”模式、双源双探扫描模式和快速电压切换扫描模式等。其中，“全扫描”模式是利用传统CT设备，在不同的管电压和管电流下对被测物体分别进行多次扫描，这种方法可在传统CT设备上完成，不需要额外添加硬件设备。第二类方式是只使用一个X射线能谱，使用三明治式探测器或者光子计数探测器获取多组多色投影数据。通常情况下，第一类方式获取的多组多色投影数据是射线路径几何不一致的，第二类方式获取的多组多色投影数据是射线路径几何一致的。重建算法大致可以分为四类：图像域重建方法、投影域重建方法、基于深度学习的重建方法和迭代重建方法。图像域重建方法是对采集到的多组多色投影数据分别用传统CT重建算法进行重建，然后将重建图像进行线性组合得到基材料的密度图像。该方法重建的图像被认为是对真实图像的一阶近似，无法准确描述基材料密度图像与多色投影之间的非线性关系，通常在重建图像中还会存在硬化伪影，且受噪声的影响较大。为了提高图像域重建算法的图像质量，研究者提出了一些基于传统低通滤波器或者基于统计先验滤波器的改进算法，这些算法可以在一定程度上抑制噪声对重建结果的影响，然而对于图像分解精度的改进有限。投影域的重建方法首先对多组多色投影进行组合，得到多种基材料密度图像的投影数据，然后对多种基材料密度图像的投影数据分别利用传统CT重建方法进行重建，得到基材料密度图像。通常，利用投影域重建方法重建的图像要优于利用图像域重建方法重建的图像。但是该方法要求不同能谱下采集的投影数据是几何一致的，即要求每条X射线路径下的所有能谱的投影数据都要采集到。然而实际的多能谱CT系统采集的数据，并不能保证这一要求，比如双源双探的能谱CT扫描模式。近年来，利用深度学习技术，研究者在有完备训练集的情况下，在多能谱CT重建领域得到了高质量的图像重建结果。然而很多情况下，本实施例无法获得充足的训练样本。考虑到多能谱CT问题的非线性性，理论上迭代重建算法更适合这类问题求解，其利用数值方法或者优化方法构造迭代结构，通过对图像重建结果逐步修正，可以得到高精度的被测物体的各基材料密度图像信息。由于能谱CT重建问题的非线性性以及病态性，使得现有的多能谱CT重建算法无法快速重建出高质量的基材料密度图像。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法，其能够由采集到的多个能谱的多色投影数据快速重建出被测物体的多种基材料密度图像。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法，该方法包括：步骤1，利用多能谱CT系统扫描被测物体，获得被测物体在多个能谱下的真实多色投影数据；步骤2，为被测物体的各种基材料密度图像赋初值，作为各种基材料密度图像估计值；步骤3，对各种基材料密度图像估计值进行正投影，得到各种基材料的投影估计值，进而利用X射线能谱信息和基材料的质量衰减系数信息得到被测物体在各个能谱下的多色投影估计值；步骤4，计算多色投影估计值与真实多色投影数据之间的误差，并利用倾斜投影技术对基材料投影进行修正，得到各种基材料的投影残差A；步骤5，将各种基材料的投影残差进行反投影操作，得到各种基材料的残差图像，进而更新被测物体的各种基材料密度图像估计值；步骤6，判断终止条件是否满足，若满足则终止迭代，否则转向步骤3。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：。本专利技术方法用于多能谱CT快速迭代重建，适用于多种常用的多能谱CT扫描模式。与现有方法相比，本专利技术方法能够在保证多能谱CT图像重建质量的同时，显著加快重建图像的收敛速度。附图说明图1为本专利技术提出的一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法的流程图。图2a为本专利技术一个实施例用作测试模体的FORBILD胸腔模型图像。图2b为本专利技术一个实施例用作测试模体的水基材料密度图像。图2c为本专利技术一个实施例用作测试模体的骨基材料密度图像。图3为本专利技术一个实施例所用的X射线源分别在140kV和80kV管电压下发出的高能谱和低能谱示意图。图4a为本专利技术一个实施例的140kV能谱下采集到的测试模体添加初始光子数为106的泊松噪声的多色投影数据图像。图4b为本专利技术一个实施例的80kV能谱下采集到的测试模体添加初始光子数为106的泊松噪声的多色投影数据图像。图5a为一个实施例采用本专利技术方法的骨基材料密度图像重建的结果图像。图5b为一个实施例采用本专利技术方法的水基材料密度图像重建的结果图像。图5c为本专利技术一个实施例所重建的关于能量为70keV的光子的线性衰减系数图像。图6为一个实施例，用以说明本专利技术方法与已公开的相关专利文献方法的不同。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。参阅图1，为本专利技术实施例提供的基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法包括以下步骤：步骤1，利用多能谱CT系统扫描被测物体，获得被测物体在N个能谱下的N个真实多色投影数据，其中，一个能谱下相应获得一个多色投影数据。步骤2，为被测物体的各种基材料密度图像赋初值，作为各种基材料密度图像估计值。步骤3，对各种基材料密度图像估计值进行正投影，得到各种基材料的投影估计值，进而利用X射线能谱信息和基材料的质量衰减系数信息得到被测物体在各个能谱下的多色投影估计值。步骤4，计算多色投影估计值与真实多色投影数据之间的误差，并利用倾斜投影技术对基材料投影进行修正，得到各种基材料的投影残差。步骤5，将各种基材料的投影残差进行反投影操作，得到各种基材料的残差图像，进而更新被测物体的各种基材料密度图像估计值。步骤6，重复步骤3至步骤5，直到满足终止条件。在一个实施例中，步骤1中的“多能谱CT本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法，其特征在于，包括：/n步骤1，利用多能谱CT系统扫描被测物体，获得被测物体在多个能谱下的真实多色投影数据；/n步骤2，为被测物体的各种基材料密度图像赋初值，作为各种基材料密度图像估计值；/n步骤3，对各种基材料密度图像估计值进行正投影，得到各种基材料的投影估计值，进而利用X射线能谱信息和基材料的质量衰减系数信息得到被测物体在各个能谱下的多色投影估计值；/n步骤4，计算多色投影估计值与真实多色投影数据之间的误差，并利用倾斜投影技术对基材料投影进行修正，得到各种基材料的投影残差A；/n步骤5，将各种基材料的投影残差进行反投影操作，得到各种基材料的残差图像，进而更新被测物体的各种基材料密度图像估计值；/n步骤6，判断终止条件是否满足，若满足则终止迭代，否则转向步骤3。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法，其特征在于，包括：
步骤1，利用多能谱CT系统扫描被测物体，获得被测物体在多个能谱下的真实多色投影数据；
步骤2，为被测物体的各种基材料密度图像赋初值，作为各种基材料密度图像估计值；
步骤3，对各种基材料密度图像估计值进行正投影，得到各种基材料的投影估计值，进而利用X射线能谱信息和基材料的质量衰减系数信息得到被测物体在各个能谱下的多色投影估计值；
步骤4，计算多色投影估计值与真实多色投影数据之间的误差，并利用倾斜投影技术对基材料投影进行修正，得到各种基材料的投影残差A；
步骤5，将各种基材料的投影残差进行反投影操作，得到各种基材料的残差图像，进而更新被测物体的各种基材料密度图像估计值；
步骤6，判断终止条件是否满足，若满足则终止迭代，否则转向步骤3。


2.如权利要求1所述的基于倾斜投影修正技术的多能谱CT快速迭代重建方法，其特征在于，步骤4中的投影残差A表示为式(15)：






式中：
N表示能谱的个数；
M表示基材料的数目，M＝N；
p1,l表示第1个能谱对应的多色投影估计值；

表示第n次迭代得到的第1个能谱对应的多色投影估计值；

分别表示第n次迭代得到的第k、n个能谱对应的多色投影估计值；
dir表示从当前迭代点(Rlf1(n),Rlf2(n),…,RlfN(n))向当前射线路径下已知的多色投影方程做倾斜投影的方向；
dir2为当前迭代点(Rlf1(n),Rlf2(n),…,RlfN(n))向线性多色投影方程(6.1)对应的超平面做正交投影的投影方向；
dir1、dir11表和dir12表示线性多色投影方程组(6.2)～(6.N)的法向量在N维空间中张成的超平面的法方向，dir11和dir12为求解过程中的中间量；
dir21表示当前迭代点(Rlf1(n),Rlf2(n),…,RlfN(n))向线性多色投影方程(6.1)对应的超平面做正交投影的投影方向；
||·||为向量取模运算符；
λ1表示控制dir1方向权重的系数；
λ2表示控制dir2方向权重的系数；
<,>表示两个向量的内积；
xn表示第n种基材料的投影数据；

表示用于简化线性多色投影方程(6.1)的中间参数；
aij、表示用于简化线性多色投影方程组(6.1)～(6.N)的中间参数，i表示第i个X射线能谱对应的数据，i＝1…N；j表示第j种基材料密度图像对应的数据，j＝1…N；
ξk、ξn分别表示对应于第k、n个等效能谱的X射线扫描路径的集合；
Sk,m为Sk(E)在第m个子能量区间内的采样值，第k个归一化能量谱的离散形式；Sk(E)为表示第k个归一化的等效能谱，∫Sk(E)dE＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵树森，潘慧莹，赵星，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11