[发明专利]用于基于分割和光谱的金属伪影降低的计算机程序和CT系统

说明书

在多色X‑射线CT系统中应用基于分割和光谱的金属伪影降低(MAR)系统和程序，其中使用在已知X‑射线能谱中导致主伪影的样品中的高‑Z金属的先验知识。使用基础材料分解，该程序解决仅使用在选择的X‑射线能量下执行的样品的单次扫描来减少或消除与射束硬化相关联的金属伪影的问题。具体的说，基于在每个投影角度的金属的厚度和在每个投影角度的X‑射线衰减，从分割的高‑Z体积数据集中生成高‑Z投影集，将这些集合归一化，并且然后使用低‑Z投影和高‑Z投影集创建校正的断层摄影体积数据集。

背景技术

X-射线计算机断层摄影(CT)是一种用于检查和分析样品的内部结构的非破坏性技术。一般来说，当X-射线穿过样品时，X-射线被样品吸收或散射。没有被吸收或散射离开的X-射线透射通过样品，并且然后被检测器系统检测。在检测器系统形成的图像被称为X-射线投影。经由标准的CT重建算法从在不同角度的一系列这些投影来重建断层摄影体积数据集。X-射线断层摄影系统经常将这些断层摄影体积呈现在断层摄影体积数据集的二维、横截面图像或“切片”中。

一些X-射线断层摄影系统利用多色X-射线束以生成X-射线投影。多色X-射线源包括X-射线管(实验室源)或白色同步加速器束，或基于加速器的源。多色X-射线束的优点在于，对于给定源，它们通常比单色束更强大，因为不需要有损耗能量的滤波器。

当使用多色束时，因为当束穿过物体时较低的能量首先被吸收，透射的X-射线强度一般不再与材料厚度成比例。其结果是，当使用多色束生成X-射线投影时，经常发生被称为射束硬化(BH)的现象。射束硬化与当X-射线穿过样品时朝向更高X-射线能量的透射X-射线谱的变化相关联。

射束硬化经常在具有多色X-射线的断层摄影重建中产生伪影。作为射束硬化的结果生成典型的伪影，包括杯突伪影和条纹伪影。通过吸收对材料厚度的线性化，可以有效地校正仅包括一种材料的物体的射束硬化。但是，对于混合材料物体，尤其是包含低密度(低-Z)材料和高密度(高-Z)材料的物体，这种方法不是有效的。因为诸如金属或诸如铁(Fe)和金(Au)的具有原子数高于18的元素的高-Z元素比诸如硅(Si)、碳(C)、氮(N)和氧(O)的低-Z元素吸收更多的X-射线，金属元素结构在暴露于X-射线时通常产生更严重的射束硬化伪影。这些伪影也被称为“金属伪影”。另外，除了射束硬化之外的因素如X-射线散射、泊松噪声，以及运动和边缘效应可以导致金属伪影的创建。

X-射线CT图像中金属伪影降低的当前方法通常分为三组。第一组，组1，使用N-阶多项式拟合进行射束硬化校正以减少金属伪影。这里我们称这种方法为“BHC(射束硬化校正)”。第二组，组2，重点是投影中金属的分割/减影，接着是分析或迭代算法的完成方法。第三组，或组3，使用基于光谱或物理建模方法以统计地并且迭代地减少或抑制伪影。

每种伪影降低方法都有缺点。组1MAR方法仅可以大致减少伪影并且仅对一种金属正常工作。组2MAR方法通常仅提供伪影的部分抑制，并且可能在样品中金属周围引入新的模糊伪影。这是因为关于被金属遮蔽的样品中的结构的信息被擦除。相反的，组3MAR方法理论上可以减少或消除大多数金属伪影并且通常实现更好的结果，因为它们不擦除投影中存在的信息。但是，因为需要大量的迭代处理步骤，组3方法的计算效率低。

最近，2015年4月28日提交并公布为WO 2015/168147A1的PCT申请号为PCT/US2015/0280323中，描述了使用基础材料分解过程的基于分割和光谱的MAR方法。该方法仅使用在已知X-射线能谱执行的样品的单次扫描，解决了与射束硬化相关联的伪影的减少或消除的问题，同时也不会擦除被金属遮蔽的信息。这改进了当前组2和组3的MAR方法。

这种方法结合了组2和组3MAR方法的一些优点，同时避免了它们的一些缺点。不同于组1方法，该MAR方法可以用于多种金属。不同于组2方法，该MAR方法可以最小化任何新的伪影的引入，并且提供关于在样品的CT重建图像中的金属结构的细节。不同于组3方法，该MAR方法可以是非迭代的或可选地仅需要共2或3次迭代(即，低计算消耗)，并且理论上可以基于光谱相关的射束硬化物理学移除金属伪影。