[发明专利]基于传统单能CT的多能谱分段稀疏扫描迭代重建方法

说明书

基于传统单能CT的多能谱分段稀疏扫描迭代重建方法，包括的步骤有：步骤一、在传统单能CT上采用分段稀疏的扫描模式，应用多个能量的X射线分别在相应的多个有限角度范围内扫描被测物体，获得被测物体在多个能量下的多个分段稀疏投影数据。步骤二、将步骤一获得的多个分段稀疏投影数据，应用联合全变分正则化与鲁棒性主成分分析约束的图像迭代重建方法，分别重建被测物体在多个能量下的CT图像。本发明利用不同能量下被测物体结构的一致性，设计分段稀疏扫描模式，大大降低对球管电压切换频率的技术要求。同时本发明为解决投影数据的不完备性，提出联合全变分正则化与鲁棒性主成分分析约束的图像迭代重建方法，有效地去除噪声与伪影，得到高质量的重建结果。

技术领域

本发明涉及X射线CT成像领域，特别涉及基于传统单能CT的多能谱分段稀疏扫描迭代重建方法。

背景技术

计算机断层成像技术(computed tomography，简称CT)可以重建被扫描物体的断层结构信息，已被广泛应用于医学诊断、放射治疗、工业检测、航空航天和考古等领域。然而目前常用的X射线球管所发出的X射线并不是理想的单色X线束，而是服从一定谱分布的多色X线束，因此会导致射束硬化与低组织对比度等问题。此外，不同成份构成的不同组织可由同一CT值表示，导致了不同组织类型的分类变得困难。为解决该问题，Alvarez和Macovski提出了双能谱CT，利用两个能谱衰减系数的线性组合可以很好地对组织进行分类。

近十年，双能谱CT已被证实是一种可以实现物质分解、化学组成分析、伪单色谱成像等等功能的医学成像方法。同理，多能谱CT在双能谱CT的基础上增加了更多的能谱信息，能对物质进行更深入的分析，因此具有广泛的应用前景。多能谱CT由于采用多个能谱信息，想要获取不同的能谱信息就需要采集多个不同能量下的投影数据。然而若直接使用现有四种主流的能谱CT扫描模式(单源双次扫描，双源扫描，双层探测器扫描，快速管电压切换扫描)实现多能谱投影数据采集，将导致复杂的技术要求与高昂的系统花费，如传统CT系统难以满足快速管电压切换扫描对球管电压切换频率的高要求。因此降低多能谱CT的技术要求与系统成本，同时精确重建多能图像具有重要的实用价值。

目前有两类实现多能谱CT投影数据采集与图像重建的方式：第一类基于光子计数探测器识别多能信号，以采集不同能量下的投影数据；第二类基于传统单能CT系统获取多个不同能量下的投影数据，同时配合相应重建算法重建多能图像。光子计数探测器基于脉冲高度分析，可辨别不同能量。但由于脉冲响应时间、电荷共享效应及硬件等方面的约束，光子计数探测器型的能谱CT仍处于研究阶段。因此，许多基于传统单能CT系统实现多能谱CT的方法也被提出。Kim等人于2015年提出了基于管电压切换的多能谱CT系统(K.Kim,etal.,Sparse-view spectral CT reconstruction using spectral patch-based low-rank penalty,2015,IEEE Trans.Med.Imaging)。该系统使用传统能量积分型探测器采集投影数据，扫描过程中管电压在三个能量下迅速切换；同时提出极大似然估计约束的方法，利用基于能谱块的低秩约束来重建图像。然而该系统要求球管的电压切换频率超过100Hz,较难实现于传统的CT系统。

为了降低该基于管电压切换的多能谱CT系统的技术要求，Shen等人提出了分段扫描的多能谱CT系统(L.Shen and Y.Xing,Multienergy CT acquisition andreconstruction with a stepped tube potential scan,2015,Medical Physics)。该系统在投影数据采集时将扫描范围分为几个分段，球管在各分段均采用不同的能量进行扫描，以此将球管电压切换频率降低到Hz级别；同时该系统采用基于熵全变差的迭代重建方法进行图像重建。然而该方法重建结果中仍残留有限角度伪影，在某些情况下重建质量仅与传统方法相近。

因此针对现有技术不足，提供基于传统单能CT的多能谱分段稀疏扫描迭代重建方法以解决现有技术不足甚为必要。

发明内容