[发明专利]双能量CT下同时估计X射线球管光谱和重建图像的方法

说明书

本发明公开了一种双能量CT下同时估计X射线球管光谱和重建图像的方法，本发明将模型光谱估计引入DECT投影物理模型，提出一种基于模型光谱估计的双能量CT重建目标函数，通过块坐标下降方法(Block Coordinate Descent,BCD)交替迭代优化目标函数，最终获得估计光谱和重建图像，从而消除估计光谱不匹配对重建结果的影响，进一步的提高估计光谱和图像重建结果的准确性。

技术领域

本发明涉及CT成像与图像重建技术领域，具体涉及一种双能量CT下同时估计X射线球管光谱和重建图像的方法。

背景技术

双能量CT(dual energy computed tomography,DECT)在材料分解、骨密度检测和无损检测方面具有重要的作用。在DECT扫描下，可以获得扫描物体高、低能量下的投影数据。利用这一组投影数据，可以重建得到扫描物体的电子密度图像和有效原子序数图像，或者基材料(如水和骨头)密度图像。为了能够准确重建物体的材料信息，基于DECT成像物理模型的迭代重建方法被广泛应用。这些方法需要提前获得X射线球管的光谱信息。在实际应用中，光谱信息很难直接获得。一般地，求解X射线球管光谱信息都是通过获得已知材料和尺寸的模体衰减数据，然后对其重建得到估计光谱。此外，估计光谱的准确性及其对DECT迭代重建的影响并没有深入的讨论，学术界针对这一问题的相关研究如下：2013年，Cai等学者指出，基于贝叶斯统计的DECT迭代重建结果对估计光谱的准确性非常敏感，估计光谱的不匹配会导致错误的重建材料图像(C.Cai,T.Rodet,S.Legoupil,and A.Mohammad‐Djafari,Afull‐spectral Bayesian reconstruction approach based on thematerial decomposition model applied in dual‐energy computed tomography,Medical Physics,vol.40,no.11,p.111916,2013)；Zheng等学者提出一种由于光谱估计引起的误差传递机制将误差计算并保存，通过查表的方式校正重接结果中的误差(P.Zhengand Y.Xing,Calibration of the error from spectrum estimation for a dualenergy CT,pp.3591-3595,2012)。综上所述，传统的DECT统计迭代重建方法需要先获得估计光谱，随后进行图像重建，并且已有的光谱估计方法和DECT图像重建相互独立，其中光谱估计方法需要额外设计已知材料和尺寸的模体扫描得到的衰减数据估计光谱，然而X射线球管光谱在实际应用中随着使用次数的增加发生变化，从而导致估计光谱的不稳定，需要每隔一段时间进行光谱估计，在实际使用过程中造成不便。并且已有的DECT重建方法并未考虑估计光谱与原始光谱不匹配对重建结果的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种双能量CT下同时估计X射线球管光谱和重建图像的方法，该方法通过DECT高低能量下的投影数据，便可以同时获得估计光谱和重建图像，在实际操作方面具有很好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，设置双能量CT高电压和低电压对物体进行扫描，获得双能量CT下高能量和低能量下的投影数据，并生成高能量和低能量下对应的模型光谱S_k,m(E)；

步骤二，根据获得的投影数据，将模型光谱估计引入DECT投影物理模型，得到基于模型光谱估计的双能量CT重建目标函数；

步骤三，考虑目标函数性质，采用块坐标下降方法交替迭代求解目标函数，从而同时估计光谱和重建图像。

步骤一中，模型光谱S_k,m(E)是指对应高能量和低能量下不同厚度滤过的X射线光谱，这些模型光谱通过光谱模拟软件预先获得；其中，k＝h,l，h和l分别代表X射线球管的高能量和低能量，m代表模型光谱编号，对应不同厚度滤过。