专利名称：一种含散射修正的光子成像系统图像重建系统及方法
技术领域：
本发明属于光子成像技术领域，涉及一种图像重建系统及方法，尤其是一种含散射修正的光子成像系统图像重建系统及方法。
背景技术：
在光子成像系统中，光子在输运过程中与照相器件发生相互作用，如康普顿散射、光电效应、电子对效应等，这些作用产生大量的散射光子，给底片图像带来严重的散射伪影，大大降低图像的对比度，特别是对强散射材料，散射对于记录平面上照射量的贡献往往会超过甚至淹没所关注部位上的直穿照射量。故能否精确地从底片中扣除散射量对图像重 建结果影响很大。基于此，对散射来源进行研究并开展降低散射和扣除散射技术的研究，对提高图像品质、获得精确的直穿量信息进而正确提取被照客体的线性吸收系数的空间分布有重要的意义。目前国内外开展了大量地散射校正技术研究，其中主要包括硬件校正和软件校正以及软硬件混合校正技术。其中硬件校正技术，是指在成像系统仪器部件上安装校正工具，直接减少散射量。这类方法主要有前后保护器、X射线滤线器、准直器或金属栅格、经典的空气隙方法、扫描狭缝技术和铅条或铅板技术。软件校正技术，是指在依据数字图像处理的方法，通过分析投影图像、估计被照物体性质，得到散射分布图，用于散射校正。软硬件混合校正方法主要包括散射校正板方法、射束衰减网格校正方法、频率调制方法、初级调制方法。其中散射校正板方法是针对锥束CT系统是一种新型有效的校正方法，但是该方法会使扫描时间加倍，数据处理量也加倍，且对于工业高能锥束CT系统的检测，铅球尺寸往往难以保证；射束衰减网格校正方法同样存在效率非常低下的问题。频率调制方法则有散射校正器材简单的优点，但是对于不同的被测物体和不同的成像精度需要调整合适的网格间距；频率调制方法及初级调制方法在实际运用中要求非常高，不易实现，目前尚没有在工业CT上运用的报道。软件校正法是近年来研究的热点，这类校正方法主要有卷积法、反卷积法、模型估计法和蒙特卡罗模拟法等。卷积法和反卷积法提出较早，在笔形束和扇形束工业CT系统中运用较多，在锥形工业CT中，因为被照客体截面大以及数据采集量大，其难以满足速度的要求。蒙特卡罗方法具有精度高、几何适应性强等优点，但其计算效率极其低下；国外文献中有提出结合蒙特卡罗模拟与点扩散函数进行散射量计算的方法，但该方法只实现了针对简单几何问题的散射校正。故一种高效率、高精度以及高几何适应性的散射校正方法以及基于此的图像重建系统的开发成为必要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种含散射修正的光子成像系统图像重建系统及方法，其能够提高效率、保证精度且节约成本的光子成像系统的散射校正方法，其图像重建能够具有很高地几何适应性，且具有很高地计算效率，并且能在图像重建过程中明显地提高精度。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的这种含散射修正的光子成像系统图像重建系统，包括散射量计算模块，基于快速光子输运过程散射量求解器获取散射强度分布图；散射修正模块，通过对探测器通量信息与散射强度分布图之差得到校正后的投影图像集；图像重建模块，用于对上述校正后的投影图像集进行图像重建获得被测客体材料线性吸收系数或者密度；迭代更新，将上一步图像重建获得的客体材料密度信息传给散射量计算模块重新计算其散射量分布进行更精确地散射修正；如此，迭代直至收敛，获得精确 的散射校正信息和图像重建结果。其中散射量计算模块采用了快速光子输运解析求解方法，在光子输运过程中，散射量光子主要来源于初级散射光子，且对于几何结构确定且总质量不变地被扫描客体其次级散射光子占总散射量的份额基本是不变的。故在求解散射量的过程中采取精确求解光子输运过程中初级散射量，对次级散射光子采用数值修正系数的方法。该数值修正系数是采用蒙特卡罗方法对次级散射光子的特性做大量分析得到。同时在整个方法系统中，为实现对三维任意几何结构的适应性，采用基于著名的计算机辅助设计软件AUTOCAD 二次开发实现其几何预处理。本发明还提出一种基于上述系统的含散射修正的光子成像系统图像重建方法，包括以下步骤I)由光子成像信息通过图像重建模块，得到被探测客体线性吸收系数初值；2)由上述所得客体线性吸收系数初值，通过快速光子正向输运散射量计算模块得到其散射量贡献，得到散射强度分布图；3)散射修正模块中，由成像底片信息所得的图像投影集扣除散射强度分布图，得到散射修正后的投影图集；4)由上述得到的散射修正后的投影图集，返回到图像重建模块，进行图像重建，获得更为精确的探测客体密度值；5)如此，重复上述步骤2)至步骤4)，反复迭代直至收敛，能够得到被测客体信息。进一步的，上述步骤I)中，图像重建模块的图像重建的过程具体为从以下公式(I) - (3)出发，由图片信息反演被测客体的线性吸收系数
f \I = I0 exp - YjElJik(I)
V k J(I)式可整理如下^djkLk =Ini-^-(2)
k、i J写成矩阵形式
《2 ^13 …b'
^2,2 ^23 …U2ne Σ2 b2.:: :；:=:
Λ(fd· . · (IVJj
_ mimbei',\ number,! mimber,3number,ne JL ^ J L Jf j
其中ItlU分别为光子束穿过客体前后的光子强度；Σ Pdi,,分别为第k层客体的线性吸收系数和射线穿过该客体层的厚度；number为探测点数；ne为材料区数。进一步的，上述步骤3)中，散射修正模块的修整过程包括如下两个步骤步骤一，通过快速光子正向输运计算模块得到其散射量贡献，得到散射强度分布图；步骤二，由成像底片信息所得的图像投影集扣除散射强度分布图，得到散射修正后的投影图集。以上步骤一具体包括以下内容(I) 一次散射量计算
在点探测系统中，考虑光电效应、康普顿效应、电子对效应，光子与物质相互作用的一次散射后，将客体外点光子源离散为客体内分布的体散射源，其中该散射源由康普顿效应散射源及对生成效应散射源组成；客体某一点的康普顿效应及对生成效应的散射源项分别表示成
权利要求
1.一种含散射修正的光子成像系统图像重建系统，其特征在于，包括 散射量计算模块，基于快速光子输运过程散射量求解器获取散射强度分布图； 散射修正模块，通过对探测器通量信息与散射强度分布图之差得到校正后的投影图像集; 图像重建模块，用于对上述校正后的投影图像集进行图像重建获得被测客体材料线性吸收系数或者密度；迭代更新，将上一步图像重建获得的客体材料密度信息传给散射量计算模块重新计算其散射量分布进行更精确地散射修正；如此，迭代直至收敛，获得精确的散射校正信息和图像重建结果。
2.一种含散射修正的光子成像系统图像重建方法，其特征在于，包括以下步骤 1)由光子成像信息通过图像重建模块，得到被探测客体线性吸收系数初值； 2)由上述所得客体线性吸收系数初值，通过快速光子正向输运散射量计算模块得到其散射量贡献，得到散射强度分布图； 3)散射修正模块中，由成像底片信息所得的图像投影集扣除散射强度分布图，得到散射修正后的投影图集； 4)由上述得到的散射修正后的投影图集，返回到图像重建模块，进行图像重建，获得更为精确的探测客体密度值； 5)如此，重复上述步骤2)至步骤4)，反复迭代直至收敛，能够得到被测客体信息。
3.根据权利要求2所述的含散射修正的光子成像系统图像重建方法，其特征在于，步骤I)中，图像重建模块的图像重建的过程具体为 从以下公式(I) - (3)出发，由图片信息反演被测客体的线性吸收系数
4.根据权利要求2所述的含散射修正的光子成像系统图像重建方法，其特征在于，步骤3)中，散射修正模块的修整过程包括如下两个步骤 步骤一，通过快速光子正向输运计算模块得到其散射量贡献，得到散射强度分布图；步骤二，由成像底片信息所得的图像投影集扣除散射强度分布图，得到散射修正后的投影图集。
5.根据权利要求4所述的含散射修正的光子成像系统图像重建方法，其特征在于，步骤一具体包括以下内容 (1)一次散射量计算 在点探测系统中，考虑光电效应、康普顿效应、电子对效应，光子与物质相互作用的一次散射后，将客体外点光子源离散为客体内分布的体散射源，其中该散射源由康普顿效应散射源及对生成效应散射源组成；客体某一点的康普顿效应及对生成效应的散射源项分别表不成:
全文摘要
本发明公开了一种含散射修正的光子成像系统图像重建系统及方法，该系统包括散射量计算模块，基于快速光子输运过程散射量求解器获取散射强度分布图；散射修正模块，通过对探测器通量信息与散射强度分布图之差得到校正后的投影图像集；图像重建模块，用于对上述校正后的投影图像集进行图像重建获得被测客体材料线性吸收系数或者密度；迭代更新，并迭代直至收敛，获得精确的散射校正信息和图像重建结果。本发明能够提高效率、保证精度且节约成本的光子成像系统的散射校正方法，其图像重建能够具有很高地几何适应性，且具有很高地计算效率，并且能在图像重建过程中明显地提高精度。
文档编号G01N21/17GK102967555SQ20121046886
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者曹良志, 王梦琪, 吴宏春, 郑友琦 申请人:西安交通大学