[发明专利]一种X射线多能谱CT有限角扫描和图像迭代重建方法

说明书

本发明公开一种X射线多能谱CT有限角扫描模式和图像迭代重建方法，包括：应用多个能量谱的X射线分别在各自的有限角度范围内扫描物体，获得被测物体的在各个能量谱下的投影数据；基于这些投影数据分别重建各个能量谱下的被测物体图像。利用被测物体的一致性，以及各能量谱下重建图像的互补性，设计联合正则化方法，有效地去除各个能量谱下重建图像中由于有限角扫描而造成的伪影，计算得到高质量的重建图像；进而应用图像域分解方法或投影域分解方法计算得到被测物体的基材料图像或双效应图像。本发明适用于多能谱CT在有限角度扫描条件下的图像重建，不仅降低了X射线剂量，缩短扫描时间，且具有重建图像质量高，收敛速度快等优点。

技术领域

本发明涉及X射线CT成像技术领域，具体而言，涉及一种X射线多能谱CT有限角扫描和图像迭代重建方法。

背景技术

X射线计算机断层成像技术(X ray Computed Tomography,简称X射线CT)已广泛应用于医疗诊断、工业无损检测、生物样品检测、安全检查等领域。目前常用的X射线管发出的是服从一定谱分布的多色X射线束，而不是理想的单能量X射线束，采集的投影数据为多色投影数据，因此传统CT也称为单能谱CT。单能谱CT仅使用一个X射线能谱对被测物体在不同角度下进行扫描，利用X射线与物质的相互作用原理，获得被测物体在这些角度下的投影数据，利用这些投影数据反求出物体内部结构信息。在单能谱CT成像中，有可能出现不同物质的射线衰减属性非常接近的情况，这些物质的CT值相近，难以区分。此外传统CT算法中忽略了X射线的多色性，导致在重建图像中产生硬化伪影。多能谱CT使用多个X射线能谱扫描被测物体，或者采用光子计数探测器，获得不同能谱段的光子穿过物体的衰减信息，能够测得比传统单能谱CT更多的被测物体信息。利用这些投影信息可以重建出被测物体的特定基材料的密度图像或双效应图像，进而得到等效原子序数和电子密度图像，基于这些信息对物质进行区分。由于多能谱CT具有更好的物质区分能力，因此具有广泛的应用前景。

虽然由完全投影数据可以唯一重建被测物体的内部信息图像，但在实际CT扫描中，由于受到检测剂量、检测环境、检测时间和成本，以及被测物体材质和结构等的限制，常常难以获得完整投影数据。在不完整投影情况下的进行CT图像重建，是一个病态反问题，利用传统方法重建的图像中会出现严重的伪影。怎样基于不完整投影实现高质量CT图像重建，是CT领域的一个研究热点，具有重要的实用价值。如果扫描角度受限，采集的投影数据的角度数小于180度，基于这些投影数据的CT成像研究被称为有限角CT图像重建，是不完全数据CT成像的一个主要研究内容。多能谱CT扫描中同样也会出现扫描角度受限的情况，基于有限角度的多能谱投影数据的CT图像重建，是本发明着重论述的内容。

从数学角度来分析，多能谱CT成像问题是一个高维数的非线性方程组求解的问题。传统的多能谱CT求解方法大致可以分为两大类：投影域分解法和图像域分解法，这两种分解方法各自都有直接法和迭代法的求解方法。在有限角的情况下，多能谱CT成像问题是一个欠定的非线性方程组求解问题。直接法虽然步骤简单，但难以解决有限角多能谱CT成像问题。迭代法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求出多基材料密度图像等信息。该方法不仅计算量大，而且针对有限角度多能谱CT成像这种不适定问题求解时难以收敛。鉴于正则化方法是求解不适定反问题的一种有效方法，因此可以基于多能谱CT成像的特点，设计一种适用于有限角多能谱CT成像的正则化函数，应用合理的正则化方法，加速迭代收敛速度，得到高质量的稳定的多能谱CT图像。

发明内容

本发明提供一种X射线多能谱CT有限角扫描模式和图像迭代重建方法，用以解决现有技术中当扫描角度受限时，传统的多能谱CT重建算法难以重建被测物体的基材料密度图像及双效应图像等的问题。

本发明的方法包括以下步骤：

S1：用多个X射线能谱在各自有限角范围内扫描被测物体，获得被测物体的多能谱投影数据；

S2：利用所测得的多个能谱的投影数据，用迭代算法重建各个能谱的被测物体图像；