本发明专利技术公开了一种基于数据相关性的ＣＴ投影数据射束硬化效应的校正方法，该方法根据医用诊断Ｘ线物理学成像模型为基础，构造一个通用的ＣＴ投影数据的射束硬化效应校正模型；然后根据Ｈ－Ｌ一致性条件，构造ＣＴ投影数据之间的关系矩阵方程；结合上述校正模型和关系矩阵，得到校正模型的参数的求解方程；为了实现更加精确的校正结果，根据初次校正重建结果和ＣＴ重投影，估计投影数据中的高密度物质的衰减比例。本发明专利技术适合于各类Ｘ线ＣＴ设备的射束硬化校正功能的实现。和现有的只采用模体校正的方法相比较，能够分别考虑不同密度组织的射束硬化效应的差异，自动适应成像对象的不同，具有更好的校正精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于X线CT重建成像
，涉及基于等效非线性模型和H-L一致性条件的X线序列投影图像数据的射束硬化矫正方法。
技术介绍
CT重建的原理基于RADON变换及其反变换理论，其基础是投影数据来自于线性投影模型，比如，对于二维断层成像来讲，有如下的投影公式p(θ,l)=∫L(θ,l)μ(x,y)dxdy]]>其中，L(θ，l)为射线穿透路径，θ为投影角度，l为投影数据的采样点；虽然CT技术已经从第一代发展到当今的第五代，扫描轨迹从最早的直线，一直到现在的圆形和螺旋轨迹、乃至任意轨迹，投影方式有扇形和锥形束，其投影和重建理论的基础一直基于线性投影模型。所进行的重建理论研究总是围绕着不同的扫描轨迹和投影方式进行的。理论上，如果CT的X线源是单能的，那么上述的线性投影模型的要求则是满足的，这是因为物质对特定能量X线光子的衰减成指数衰减形式，取对数后即可满足所谓的线性投影模型，如下式I(θ,l)=I0exp{-∫L(θ,l)u(x,y)dxdy}]]>上式中，I0为球管发出X线光子强度，u(x，y)为成像对象的质量衰减系数乘以物质密度。事实上，现代CT的球管发出的X线光谱是具有一定能谱分布的宽谱函数。以头部CT常用的120kVp电压下，球管发出的X线光谱为例，其X线光子能量从30keV到120keV按照一定的规律连续分布，而且其分布函数在58-68keV处还存在4根不连续的特征辐射光谱，如图(1)所示，图中CT球管发出的X线光谱函数图形(上部)，下部图形是经过35mm铝滤过(根据CT设备通常的做法)后的光谱函数(放大了5倍)，所形成的投影成像数据如下I(θ,l)=I0∫0VP(V,E)exp{-∫L(θ,l)u(E,x,y)dxdy}dE]]> 上式中，P(V，E)为球管电源取VkVp时，发出的X线光子谱乘以探测器的吸收谱的归一化函数，u(E，x，y)仍为成像对象的质量衰减系数乘以物质密度，但是考虑到该参数随X线光子能量E变化的关系。上式取对数后，不再满足上述的线性投影模型。以人体常见组织-骨皮质、肌肉和脂肪为例，不同厚度的组织对120kVp电压下，球管发出的宽谱X线光子的衰减数据取对数后函数关系如图(2)所示(假设X线探测器是Na:CsI晶体，下同)，图(2)中的骨组织、肌肉和脂肪在120kVp电压球管发出的光谱中，衰减量和厚度的关系，其中，粗线代表骨组织，下面两条细虚线代表肌肉和脂肪，拱形的细实线表示骨组织衰减与线性关系的差异(放大了10倍)，另外两条细虚线则分别反映了肌肉和脂肪的情形(放大了10倍)。线性投影模型要求上述函数是直线形式，但实际上，该函数并不满足其要求。这样直接运用重建理论得到的结果是对于同样的人体组织，不同空间区域的重建数值(所谓CT值)会出现不同，由于CT设备提供主要的信息反映在CT值上，因此这会给诊断带来至关重要的误差，这就是所谓的“射束硬化效应(Beam Hardening)”所形成的CT值误差被称为“射束硬化伪影”，是CT设备的主要重建伪影之一。现有CT设备中，实现所谓射束硬化校正(Beam Hardening Correction)的方法来自于工程实践。观察图(2)，在宽谱条件下，虽然投影数据与组织的厚度不是线性关系，但与直线相差不大，因此，可以考虑采用一个多项式来描述该函数，并且根据该多项式系数来实现线性化校正，考虑到校正精度，CT设备在球管的出线处加上一定厚度金属材料(一般等效为35mm厚度的铝)，将光谱中低能光子尽可能地滤除，使穿透人体的X线投影数据的线性度尽可能地好些，再进行多项式校正，因此，得到现有CT设备的射束硬化校正措施1。校正措施1将投影数据取对数后，利用一个已知的多项式进行线性化校正，而该多项式的系数是通过事先的模体(水模)实验来获得，由于存在球管老化等问题，需要定期校正。注意到图(2)所示，不同的人体组织(骨皮组织、软组织)具有不同的校正多项式系数，而在投影数据校正时，并不知道人体中不同组织成份的多少，因此，为了避免人体不同结构带来的校正误差，现有的CT设备采用了第二种校正措施。校正措施2在球管到探测器的空间中，除了人体组织所占的空间外，其它空间填满一种类似于人体软组织衰减特征的填充物(树脂)，这样，不同角度投影时，射线穿透的物质基本上都类似人体软组织(血管、血液和肌肉等组织的衰减性质与软组织相当，脂肪组织的衰减特性基本上和软组织相当，只是密度不同)，而高密度骨组织所占的比例很小，因此，可以假设校正方程系数与投影角度和纵向坐标(longitudinal)基本上无关，故可以采用统一的多项式进行射束硬化校正，产生的误差控制在允许的范围内。事实上，现有医学CT的射束硬化校正方法是上述两种措施的组合。显然，这样的方法存在以下问题。现有CT设备射束硬化校正方法存在的缺点1.每一台CT需要进行定期的水模实验，以获取校正多项式系数，增加使用难度和成本。2.为了适应人体各部分的差异，需要按照部位分别设计模体，进行实验，来获得不同的校正多项式系数。3.对于同一人体部位，存在个体差异、以及纵向(longitudinal)差异，因此用统一系数的多项式校正，可能会存在问题，这里最典型的是头部CT中的硬膜外伪影，目前尚无理想解决方案，在大部分的CT设备中，需要靠医生的临床经验来判断区分，而在其它的一些CT设备中，有采用后处理方法校正的方案，但存在重建数据不真实的风险。4.为了采用统一系数的多项式校正，而且实现一定的校正精度，CT设备不得不采用填充物使不同角度的投影数据均匀，这实际上带来两个缺点A、增加病人的辐射剂量和球管的热容量；B、均匀的投影数据意味着较小的动态范围，因此，重建的噪声相应增加，降低了重建的灰度精度，为了降低噪声，不得不增加X线剂量，这又增加了病人的辐射伤害风险。CT设备的核心虽然是重建算法，但为了实现准确的重建效果，众多的校正算法一直是各类CT设备关键核心技术。除了射束硬化校正，还有各种基准校正、探测器通道非线性校正等等。在这些校正中，只有射束硬化校正与扫描的成像对象有关，其它则只与设备相关。与设备相关的校正无论复杂与否，均可以通过一个特定的程序精确地进行。而与成像对象有关的射束硬化校正，如果只采用现有的模体校正方法，那么在理论上不可能做到精确。也就是说，该方法只是一种工程化的解决问题方案，缺乏严格的理论支持。申请人在对CT设备射束硬化校正的深入研究过程中，注意到这样的事实在不同角度的投影成像中，成像对象中的每一个坐标点被多个射线穿过，也就是说各个不同角度的投影数据均包含了该点的信息，这意味着不同角度的投影数据是相关的。如果存在一个具有有限参数的校正方程，那么，可能可以通过这种相关性解出校正方程的系数，从而实现校正的目标，而且，这样的校正来自于对象的投影数据本身，是自适应的，理论上会有更好的精度，有可能避免上述缺点。描述成像对象空间信息与投影数据的相关性可以用H-L一致性条件表述。但该条件本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于ＨＬ一致性条件的ＣＴ投影数据射束硬化效应校正方法，其特征在于，该方法通过构建投影数据的等效非线性失真校正模型，构造符合ＣＴ投影模式的Ｈ－Ｌ一致性条件的表达公式，根据等效射束硬化失真校正模型和Ｈ－Ｌ一致性条件，基于不同角度的投影图像数据，通过对等效射束硬化失真校正模型参数的求解来实现对投影数据的校正，具体包括以下步骤：步骤１：构建投影数据的等效非线性失真校正模型对于医学ＣＴ设备，根据成像物理学模型，将观测到的投影数据分解为高密度组织、低密度组织分别衰减而 成的具体模型，构造等效射束硬化失真校正模型：ｇ（ｔ，β）＝Ｐ（＊↓［ｋ］，ｒ（ｔ，β）ｆ（ｔ，β））＋Ｐ（＊↓［ｋ］，（１－ｒ（ｔ，β））ｆ（ｔ，β））（１）上式中，ｆ（ｔ，β）为探测器获得的投影数据，β为投影角度，ｔ为 投影数据的采样点，ｇ（ｔ，β）为校正后的投影数据，ｒ（ｔ，β）表示每一条投影射线的路径上，高密度骨组织对投影数值的贡献，取值范围是（０，１），Ｐ（）为线性校正的多项式方程，＊↓［ｋ］、＊↓［ｋ］为多项式方程的系数，＊↓［ｋ］为系数的多项式形式如下：Ｐ（＊↓［ｋ］，ｘ）＝η↓［１］ｘ＋η↓［２］ｘ↑［２］＋η↓［１／２］ｘ↑［１／２］＋η↓［３］ｘ↑［３］＋η↓［１／３］ｘ↑［１／３］＋……＋η↓［Ｌ］ｘ↑［Ｌ］＋η↓［１／Ｌ］ｘ↑［１／Ｌ］（２）其中，＊↓ ［ｋ］为系数的多项式形式与＊↓［ｋ］的相同；步骤２：构造符合ＣＴ投影模式的Ｈ－Ｌ一致性条件的表达公式根据已知平行束投影的ＨＬ一致性性条件，推广至圆形扫描轨迹、扇形投影方式的表达公式是：ｍ↓［ｉ，ｋ］＝∫∫↓［Ｃ］ｘ↑ ［ｉ］ｙ↑［ｋ］ｕ（ｘ，ｙ）ｄｘｄｙｉ≥０，ｋ≥０（３）ｖ↓［ｄ］（β）＝＊ｇ↓［ｆ］（ｔ，β－ａｒｃｔｇｔ／Ｄ）（＊＊＊）↑［ｄ］（Ｄ↑［３］／（Ｄ↑［２］＋ｔ↑［２］）↑［３／２］）ｄｔ（４）Ｑ↓［ｄ］（ β）＝＊ｍ↓［ｒ，ｄ－ｒ］ｃｏｓ↑［ｒ］（β）ｓｉｎ↑［ｄ－ｒ］（β）（５）ｖ↓［ｄ］（β）＝Ｑ↓［ｄ］（β）（６）其中，０≤ｄ≤Ｎ－１，而Ｎ为投影角度的个数。上列公式中，原始的断层图像为ｕ（ｘ，ｙ），Ｒ为其 支撑半径，Ｃ＝｛（ｘ，ｙ）｜ｘ↑［２］＋ｙ↑［２］≤Ｒ↑［２］｝，β为扇型束的投影角度；步骤３：根据等效非线性失真校正模型和Ｈ...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：牟轩沁，汤少杰，俞恒永，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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