[发明专利]一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及X射线成像技术领域，具体涉及一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法。

背景技术

随着X射线成像技术的广泛应用，人们对降低X射线成像剂量、提高成像分辨率和成像速度的要求越来越高。传统CT成像技术受限于热阴极X射线管和机械扫描速度的限制，迫使人们寻找新的成像方式替代。值得鼓舞的是，阵列X射线源正开始朝着冷阴极和平板化的方向发展，有望实现X射线源从点光源到可寻址平板光源的变革，同时，由于X射线源能够与被测目标紧密耦合，避免对相关区域的辐射，有望依此降低剂量并缩小成像系统体积，这对于发展新型X射线成像方法，降低X射线检查带来的危害，造福人类的健康有重要的意义。

自2001年日本名古屋工业大学最先报导了以碳纳米管(CNT)作为电子源的X射线管以来，采用CNT等一维纳米材料冷阴极的分立型X射线管成为研究热点，其研究主要集中在微焦X射线源及其在动态成像和分布式X光源CT系统的应用，其中美国北卡罗来纳大学研制的分布式冷阴极X射线管乳腺CT原理型样机已经进入临床验证阶段，韩国VSI公司和日本大阪大学分别报道了非寻址的平板X射线源，美国加州大学洛杉矶分校提出采用热释电晶体阴极制作可寻找的平板X射线源的想法。而到了2015年，中山大学已报导了较大面积的氧化锌纳米冷阴极平板X射线源，并实现了小于25微米的静态成像。这一系列研究成果都为利用X射线源阵列探索新的成像方法与CT图像重建方法铺平了道路。

较于传统CT，阵列X射线源CT每个角度使用多个射线源，相同锥角下，设备体积 更小；阵列X射线源CT还固定射线源位置，扫描时无机械移动，不用考虑高速移动下带来的投影数据矫正问题；此外，无论是分时投影与重建，还是同时投影与重建，相比传统CT，其扫描速度更快，剂量更小，造成的剂量泄露也更少。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种基于阵列X射线源和探测器的CT图像重建方法，使用多个阵列上的多个X射线源进行锥束CT扫描，解决了传统CT因单锥角原因远离成像对象的缺点，能够更加贴近成像对象，避免不必要的剂量辐射，具有扫描快速，成本低，小巧灵便，无机械移动及易于实现的优点。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：

1)采用正多边形状的阵列X射线源与探测器对目标进行分时或同时扫描获得光子投影数据，正多边形状的阵列X射线源包括n个阵列，每个阵列有Q个射线源；

2)根据分时扫描光子投影数据建立目标函数：

其中，A表示从图像x到投影数据b间的线性变换，是一个M×N矩阵，且b∈R^M为观察数据，x∈R^N为重建图像，R(x)表示对图像的罚项约束，β表示正则化因子；

同时扫描光子投影数据建立目标函数：

其中，a_pq表示第q个射线源的对应第p个探测器的系统矩阵，y_p表示第p个探测器测量到的信号与对应的散射分量的和，I_pq表示射线源q对应于探测器p方向的入射光子强度；

3)对分时扫描或同时扫描目标函数进行求解，从而得到CT重建图像。

所述步骤1)中分时扫描包括：首先点亮所有阵列的第1个射线源，探测器收集到光子投影数据后再点亮所有阵列的第2个射线源，直至点亮所有阵列的第Q个射线源，探 测器并收集光子投影数据；或者首先点亮所有阵列的第1、m+1、…、tm+1(tm+1≤Q)个射线源，探测器收集到光子投影数据后再点亮所有阵列的第2、m+2、…、tm+2(tm+2≤Q)个射线源，直至点亮所有阵列的第m、2m、…、tm+m(tm+m≤Q)个射线源，探测器接收光子投影数据；

同时扫描包括：同时使用所有阵列上的所有X线源，各个阵列上的所有射线源发出锥束射线，探测器接收到混叠的光子投影数据。

所述步骤1)中X射线源呈阵列设置，X射线源有相同的张角和发射能谱。

所述步骤3)中分时扫描目标函数采用经典统计迭代法重建框架，设目标函数为f(x)，根据迭代求解公式：x_n+1＝x_n+λf′(x_n)或迭代求解目标函数，得到CT重建图像，其中x_n+1表示第n+1次迭代结果，x_n表示第n次迭代结果，λ表示迭代步长，f′(x_n)表示目标函数的一阶导，f″(x_n)表示目标函数的二阶导。