一種用于多能譜制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種用于多能譜

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種用于多能譜X射線的定量CT成像方法和裝置


[0001]本專利技術(shù)涉及
CT(
英文全稱為“X
?
ray Computed Tsomography”，中文全稱為“X
射線計(jì)算機(jī)斷層掃描”)
成像
，特別是關(guān)于一種用于多能譜
X
射線的定量
CT
成像方法和裝置
。

技術(shù)介紹

[0002]在實(shí)際的醫(yī)學(xué)診斷與工業(yè)成像應(yīng)用中，
CT
設(shè)備使用的
X
射線通常是多色
(
多能量
)
的
。
不同物質(zhì)對(duì)
X
射線的吸收能力不相同，因此，如果直接利用傳統(tǒng)
CT
重建算法，其會(huì)引起物質(zhì)
CT
值得不準(zhǔn)確，重建圖像的質(zhì)量會(huì)受到影響，出現(xiàn)例如硬化偽影
(
即同質(zhì)異像
)
，或物質(zhì)區(qū)分能力低
(
異質(zhì)同像
)
等類型的問(wèn)題
。
[0003]為了解決以上問(wèn)題，研究人員近年來(lái)發(fā)展了能譜
CT
成像技術(shù)
。
能譜
CT
成像是使用不同
X
射線能譜來(lái)掃描物體，得到不同能量下的多組投影數(shù)據(jù)
。
通常的掃描方式是設(shè)置不同管電壓，或者采用光子計(jì)數(shù)探測(cè)器獲得多個(gè)能量區(qū)間的計(jì)數(shù)
。
重建得到物質(zhì)的電子密度和等效原子序數(shù)或基材料的密度圖像
。
理論上，基材料可以選擇任意兩種物質(zhì)，通常在醫(yī)學(xué)診斷上，由于人體多數(shù)組織都含有水，碘是最常用的對(duì)比劑，而鈣是骨骼得主要成分，所以最常用基材料是水和碘
、
水和鈣
、
鈣和碘
。
由于能譜
CT
在物質(zhì)定量等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，所以能譜
CT
重建算法的研究有著重要意義
。
[0004]能譜
CT
的成像正過(guò)程模型，考慮到了
X
射線的多色性，因此，其重建問(wèn)題是一個(gè)非線性的問(wèn)題
。
對(duì)于該問(wèn)題，通常有兩類方法進(jìn)行重建，即間接方法與直接方法
。
間接方法的主要思路是構(gòu)造非線性映射，將不同能譜的投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基材料的線性積分
。
然后再采用
FBP
或
ART
方法重建得到基材料圖像
[1
，
2]。
而另一種直接重建法則是基于正過(guò)程模型進(jìn)行基材料圖像的重建
。
其主要思想是針對(duì)能譜
CT
成像物理過(guò)程，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后直接迭代求解或者轉(zhuǎn)成最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)后進(jìn)行求解，從而重建出基材料圖像
。
[0005]現(xiàn)有的能譜
CT
成像直接重建方法的一種主要思路是：根據(jù)
CT
成像物理過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，直接對(duì)模型進(jìn)行迭代求解
。
這種求解這類重建模型一般使用的是泰勒展開(kāi)結(jié)合
ART
方法，將能譜
CT
成像的非線性模型線性化，由于泰勒展開(kāi)的精度受展開(kāi)階數(shù)影響，所以此方法使用的是一階泰勒展開(kāi)，得到的近似結(jié)果精確度有限，而且無(wú)法考慮先驗(yàn)信息等，容易受到噪聲的影響
。
[0006]能譜
CT
重建的直接重建法中另外一類是，根據(jù)
CT
成像正過(guò)程建立約束優(yōu)化模型，將先驗(yàn)信息作為正則項(xiàng)，利用概率統(tǒng)計(jì)等知識(shí)將
CT
成像物理過(guò)程作為數(shù)據(jù)項(xiàng)，用最優(yōu)化方法進(jìn)行求解，從而實(shí)現(xiàn)直接重建的目的
。
在這類
CT
成像約束優(yōu)化模型中，對(duì)于正則項(xiàng)，大都采用
TV
約束，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于
CT
成像的特點(diǎn)即測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲是泊松噪聲，噪聲的大小與投影數(shù)據(jù)有關(guān)，在劑量低噪聲強(qiáng)度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正則化參數(shù)過(guò)大使圖像過(guò)于平滑，圖像細(xì)節(jié)信息丟失
。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0007]本專利技術(shù)的目的在于提供一種用于多能譜
X
射線的定量
CT
成像方法和裝置來(lái)克服或至少減輕現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷中的至少一個(gè)
。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供一種用于多能譜
X
射線的定量
CT
成像方法，其包括：
[0009]將采集到的帶噪聲的投影數(shù)據(jù)輸入到下式
(1)
描述的基于
MSTV
約束的能譜
CT
成像優(yōu)化模型中，采用如下步驟重建基材料圖像
f
；
[0010][0011]式中，
v
為基材料圖像
f
的邊界圖像變量，為根據(jù)成像正過(guò)程的統(tǒng)計(jì)最大似然原理構(gòu)造得到數(shù)據(jù)項(xiàng)，為采用
MS
模型與
TV
結(jié)合得到的正則項(xiàng)，
I
為當(dāng)前估計(jì)的投影數(shù)據(jù)，為采集到的投影數(shù)據(jù)，
δ
P
(f)
表示用于控制基材料圖像非負(fù)的示性函數(shù)，
α
、
β
和
ε
均為預(yù)先設(shè)置的優(yōu)化參數(shù)，為
f
的梯度，
|| ||
l1
為
l1
范數(shù)，
|| ||
為
l2
范數(shù)，為
v
的梯度，
U
為單位矩陣；
[0012]步驟1，采用固定兩個(gè)變量
f
和
v
的中的一個(gè)變量，求另一個(gè)變量的方式，將式
(1)
描述的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝蛔訂?wèn)題和第二子問(wèn)題，第一子問(wèn)題被描述為下式
(2)
，用于求解變量
f
，第二子問(wèn)題被描述為下式
(3)
，用于求解變量
v
；
[0013][0014][0015]式中，
R
為實(shí)數(shù)域，
N
x
為
x
軸方向上的基材料圖像
f
的離散，
N
y
為
y
軸方向基材料圖像
f
的離散，
F
convex
()
為根據(jù)
MOCCA
凸逼近，
Q(f0；
f)
在
z0點(diǎn)的近似凸函數(shù)，
z0為凸逼近點(diǎn)，
z
為凸優(yōu)化過(guò)程中間變量，
δ
P
()
為用于保證待求解變量非負(fù)的示性函數(shù)
。
[0016]步驟2，使用如下式
(4)
獲取
f
在
n+1
次的迭代結(jié)果
f
(n+1)
：
[001本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.
一種用于多能譜
X
射線的定量
CT
成像方法，其特征在于，包括：將采集到的帶噪聲的投影數(shù)據(jù)輸入到下式
(1)
描述的基于
MSTV
約束的能譜
CT
成像優(yōu)化模型中，采用如下步驟重建基材料圖像
f
；式中，
v
為基材料圖像
f
的邊界圖像變量，為根據(jù)成像正過(guò)程的統(tǒng)計(jì)最大似然原理構(gòu)造得到數(shù)據(jù)項(xiàng)，為采用
MS
模型與
TV
結(jié)合得到的正則項(xiàng)，
I
為當(dāng)前估計(jì)的投影數(shù)據(jù)，為采集到的投影數(shù)據(jù)，
δ
P
(f)
表示用于控制基材料圖像非負(fù)的示性函數(shù)，
α
、
β
和
ε
均為預(yù)先設(shè)置的優(yōu)化參數(shù)，為
f
的梯度，
|| ||
l1
為
l1
范數(shù)，
|| ||
為
l2
范數(shù)，為
v
的梯度，
U
為單位矩陣；步驟1，采用固定兩個(gè)變量
f
和
v
的中的一個(gè)變量，求另一個(gè)變量的方式，將式
(1)
描述的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝蛔訂?wèn)題和第二子問(wèn)題，第一子問(wèn)題被描述為下式
(2)
，用于求解變量
f
，第二子問(wèn)題被描述為下式
(3)
，用于求解變量
v
；；式中，
R
為實(shí)數(shù)域，
N
x
為
x
軸方向上的基材料圖像
f
的離散，
N
y
為
y
軸方向基材料圖像
f
的離散，
F
convex
()
為根據(jù)
MOCCA
凸逼近，
Q(f0；
f)
在
z0點(diǎn)的近似凸函數(shù)，
z0為凸逼近點(diǎn)，
z
為凸優(yōu)化過(guò)程中間變量，
δ
P
()
為用于保證待求解變量非負(fù)的示性函數(shù)；步驟2，使用如下式
(4)
獲取
f
在
n+1
次的迭代結(jié)果
f
(n+1)
：式中，
f
(n)
為
f
在
n
次的迭代結(jié)果，
γ
為步長(zhǎng)，
K
為中間變量，
K
＝
A(f0)Z
，
f0為
f
的初始值，
μ
為線性衰減系數(shù)，為克羅克內(nèi)積，
I
size(X
，
1)
為大小為
size(X
，
1)
的單位矩陣，
X
為
X
射線與
f
交線長(zhǎng)矩陣，
I
m
為大小為
m
的單位矩陣，
(f
(n)
)
T
為
f
(n)
的轉(zhuǎn)置，為
Kf
的對(duì)偶變量的
n+1
次迭代結(jié)果，描述為下式
(5)
，為梯度轉(zhuǎn)置算子，為的對(duì)偶變量
n+1
次迭代結(jié)果，描述為下式
(6)
；；式中，
D、b、E
均為用于簡(jiǎn)化公式的中間量，隨
f
的更新而更新，在初始迭代時(shí)，
E
＝
r
?
(f0)
，
b
＝
(D
?
E)Kf0?
r(f0)
，為理想情況下
X
射線穿過(guò)
f0，探測(cè)器接收到的數(shù)據(jù)，
r
?
(f0)
＝
max{
?
r(f0)
，
0}
，
∑1為步長(zhǎng)，為
Kf
的對(duì)偶變量的
n
次迭代結(jié)果，為
f
的迭代解，
σ1為步長(zhǎng)，為的對(duì)偶變量
n
次迭代結(jié)果，
σ2為步長(zhǎng)，為的梯度，為
n+1
次迭代后的
z0，其描述下式
(7)
；式中，為
Kf
的對(duì)偶變量的
n
?1次迭代結(jié)果，為的梯度；步驟3，先將
v
在
[0
，
1]
范圍內(nèi)取值，
f
的邊緣的
v
的值設(shè)為0，
f
的內(nèi)部
v
的值設(shè)為1，再采用下式
(8)
描述的梯度下降法求解
v
(n+1)
：式中，
v
(n+1)
為
v
在
n+1
次迭代后的結(jié)果，次迭代后的結(jié)果，分別為
x、y
軸方向梯度算子，分別為的轉(zhuǎn)置算子，為傅里葉逆變換，為傅里葉變換
。2.
如權(quán)利要求1所述的用于多能譜
X
射線的定量
CT
成像方法，其特征在于，
CP
算法中的步長(zhǎng)
∑1、∑2、T1、T2更新與
K
的最大奇異值
||K||2和的最大奇異值相關(guān)，具體包括：
L1接近于或等于
||K||2，
L2接近于或等于令對(duì)角陣
∑1，
∑2，
T1，
T2代替步長(zhǎng)
σ1、
σ2、
γ1、
γ2且滿足
3.
如權(quán)利要求1或2所述的用于多能譜
X
射線的定量
CT
成像方法，其特征在于，還包括對(duì)基材料的線性衰減系數(shù)
μ
進(jìn)行如下式
(9)
所示的預(yù)處理的步驟，則
f
′
＝
pf
：式中，
μ
′
為
μ
預(yù)處理后的值，
p
為歸一化參數(shù)，為
4.
如權(quán)利要求3所述的用于多能譜
X
射線的定量
CT
成像方法，其特征在于，描述為下式
(10)
：
5.
一種用于多能譜
X
射線的定量
...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱溢佞，王琳，張慧滔，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：首都師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：