[发明专利]基于分段硬化曲线的CT射束硬化校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种CT射束硬化校正方法，属于CT技术领域。

背景技术

CT(Computed Tomography)技术利用射线(一般为X射线)透射被检测物体，并在探测器上获取一组投影图像，再配合相应的重建算法得到物体的切片图像。目前研究和应用的CT可分为二维CT和三维CT两大类，根据扫描和重建方式的不同又可进行相应的细分。CT技术具有对物体整体(外部和内部)进行检测的能力，在医学和工业等领域已得到广泛应用。

在CT系统中，射线源发出的X射线一般具有一定范围的能量分布(此种射线称为多色射线)，当射线与物质相互作用时，由于低能量光子的衰减量大于高能量光子，造成穿过一定厚度的物体后射线的平均能量增大，此时射线平均能量对应的线性衰减系数也不再是常数而是逐渐减小，导致投影值与穿越长度也不再呈线性关系。而CT重建算法是基于X射线是单能谱假设的，重建时若直接用多色投影代替单色投影，将导致在重建的切片图像上呈现杯状伪影(Cupping Artifacts)，严重时图像会产生变形，使得该切片内的结构、尺寸、密度、成分等物理化学性质无法准确地判读和计量，这种现象就称为射束硬化(Beam Hardening)。

射束硬化是CT实际应用中必须解决的一个重大问题。目前，CT的射束硬化校正方法主要分为单能法和双能法两大类。由于操作上的复杂性，双能法在工程实践中很少被采用。单能法易于实现，实际应用效果也比较好，因此被广泛研究。杨民、路宏年、路远等人在《光学技术》(2003，29(2)：177-182)的文章“CT重构中射线硬化的校正研究”中提出的方法就是一种典型的单能校正法，其校正思路是：利用楔形模体来获取射线贯穿物体长度与多色投影值之间的一组对应关系数据，再对该组数据进行多项式拟合，然后从坐标原点对该曲线做切线，以该切线建立多色数据与单色数据的函数关系，从而达到硬化校正的目的。该方法实现起来简单，但要求有与被检测物体相同材质的模体，这就影响了该方法的应用范围和灵活性。

一般将射线贯穿物体长度与多色投影值之间的对应关系数据称为硬化数据，其中的多色投影值为原始投影图像进行对数运算后的灰度值。硬化数据的获取途径目前仍以楔形模体或阶梯模体扫描为主，而对硬化数据的拟合也基本采用多项式。虽然多项式的拟合适用普遍，可通过调整多项式的次数改善曲线逼近硬化数据点的程度，但同时也带来不利的一面：当对含有较大噪声的实际硬化数据进行拟合时，曲线在某些区间往往会产生非期望的振荡，特别是在拟合区间的两端，这种振荡更容易出现，导致拟合结果的可靠性大打折扣。

发明内容

为了充分利用多项式对硬化数据拟合的优点，同时避免实际CT系统中必然存在的噪声对拟合结果的影响，本发明提供了一种基于分段硬化曲线的CT射束硬化校正方法，以提高实际CT系统射束硬化校正的效果和稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括下列步骤：

(1)获取所使用的CT系统对被检测物体进行扫描的一组硬化数据，其中每一射线穿越长度对应一个多色投影灰度，获取方法可根据公知技术进行；

(2)建立以多色投影灰度为X轴、射线穿越长度为Y轴的拟合坐标系，即以硬化数据的多色投影灰度为拟合自变量，相应的硬化数据的射线穿越长度为拟合因变量，选择4～7次不含常数项的多项式f(x)＝a₁x+a₂x²+…+a_nxⁿ对这组硬化数据进行最小二乘法拟合，所得的多项式为一条过原点的曲线，即射束硬化曲线；其中，a₁～a_n为多项式系数，f(x)为射线穿越长度，x为多色投影灰度；

(3)根据射束硬化曲线位于第一象限、呈凹状且单调递增的特点，对第2步所得的多项式f(x)，分别求出f(x)＝0、f′(x)＝0和f＂(x)＝0的实数解；(4)将多项式的拟合区间L均分为三段，从左到右分别设为 和分别对区间和中的多项式曲线进行振荡性判断，若区间内有第3步所得的实数解，则认为该区间的多项式曲线有振荡，需将其振荡部分替换成曲线性质较稳定的幂函数曲线g(x)＝a·x^b；若区间没有第3步所得的实数解，则认为该区间的多项式曲线无振荡，满足要求；最终的硬化曲线由未被替换的多项式曲线与幂函数曲线替换段联合组成；