光子计数能谱CT成像中自适应能谱优化方法及其应用与流程

本公开属于多能谱x射线计算机断层(computedtomography，ct)成像技术领域，涉及一种用于光子计数能谱ct成像中的自适应能谱优化方法及应用该自适应能谱优化方法的光子计数能谱ct成像方法。

背景技术：

x射线ct成像是通过重建出物体的衰减系数分布，最终反映物体内部结构的一种重要无损检测技术，目前广泛应用于医学检查、工业检查与安全检查等诸多重要领域。

近年来，光子计数探测器技术的进步和发展，为多能谱ct成像提供了良好的硬件基础，基于光子计数探测器的能谱ct发展迅速。在能谱ct中，光子计数探测器通过设置若干个阈值，对不同能量区间的光子进行计数，获得具有不同能谱的x射线穿过物体以后所得到的投影，从而实现图像重建和物质分辨。

相比于传统单能ct成像，能谱ct具有更高的信噪比、更好的物质鉴别能力、更低的剂量需求，可从根本上突破现有ct设备的局限性。能谱ct定量成像的核心是基于能谱信息的物质分解和精确重建。由于探测器中存在电荷共享、堆积效应、陷阱效应、一致性差异等问题，导致能谱畸变和能量阈值不一致性，ct图像产生环状伪影，需要进行能谱修正。

当前能谱修正方法需要借助荧光等外部标定方法进行修正，可移植性不足，具有一定的局限性，亟需兼顾准确性和实用性的能谱修正新方法。如何快速准确地实现能谱估计与修正，最优地利用能谱信息进行重建，是当前能谱ct成像的核心技术之一，也是其走向大规模实用过程中急需解决的关键问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本公开的一个目的在于提供一种光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

本公开的另一个目的在于提供一种应用该自适应能谱优化方法的光子计数能谱ct成像方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本公开提供了一种光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化方法，该方法包括：利用不同入射能谱条件下的空气数据，结合光子计数能谱ct成像有效物理模型，获得各像素的能谱和阈值不一致性差异；根据获得的能谱和阈值不一致差异，以及物体的线衰减系数、厚度信息，建立ct系统多色投影值与单色投影值的硬化函数关系，并依据该硬化函数关系进行逐像素的能谱优化修正。

上述方案中，所述利用不同入射能谱条件下的空气数据，结合光子计数能谱ct成像有效物理模型，获得各像素的能谱和阈值不一致性差异，包括：通过实际测量得到不同入射能谱下的空气数据；建立包含阈值和能谱相关不一致性因子的光子计数能谱ct成像有效物理模型；利用多组不同入射能谱下测量的空气数据，结合上述ct成像有效物理模型，建立方程组，求解各像素的能谱和阈值不一致差异，建立不一致性参数查找表。

上述方案中，所述的通过实际测量得到不同入射能谱下的空气数据，包括：通过调节x射线球管电压测量不同入射能谱下的空气数据；或者通过加入不同厚度的滤波片，测量等效的不同入射能谱下的空气数据。

上述方案中，所述的包含阈值和能谱相关不一致性因子的光子计数能谱ct成像有效物理模型，包括：探测器能谱和阈值不一致性因子；探测器能量响应关系；初始入射能谱函数；以及相关材料物质衰减系数。

上述方案中，所述探测器能谱和阈值不一致性因子，包括：将探测器能谱不一致性因子，采用与入射能量相关的各像素入射能谱差异的关系表达式来表示；以及将探测器阈值不一致性因子采用各像素阈值差异的偏离来表示。

上述方案中，所述探测器能量响应关系通过蒙卡模拟或经验模型拟合得到；所述初始入射能谱为入射探测器表面的能谱，采用软件模拟或数据恢复方式获得；以及所述材料物质线衰减系数，通过nist标准获取。

上述方案中，所述的进行逐像素的能谱优化修正，包括：基于建立的不一致性参数查找表，建立ct系统多能投影值与单能投影值硬化函数关系，得到硬化查找表，并依据该硬化查找表进行逐像素的能谱优化修正。

上述方案中，所述的建立ct系统多色投影值与单色投影值的硬化函数关系，包括：选取一定范围内的物体厚度值；选取等效能量；依据硬化函数关系计算每一个物体厚度值下的单色投影值和多色投影值；以及建立一个从多色投影值到单色投影值的映射关系，即为硬化校正查找表；其中，从多色投影值到单色投影值的映射关系，采用多项式拟合来实现。

上述方案中，所述能谱优化修正至少包括：硬化修正和物质分解。

为达到上述目的，本公开还提供了一种光子计数能谱ct成像方法，应用上述的自适应能谱优化方法，包括：

采用上述的自适应能谱优化方法进行能谱修正，对投影数据进行逐像素硬化校正；

基于修正后的投影数据，通过解析或迭代方法进行图像重建，得到物体断层成像。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

1、本公开提供的光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化方法，针对光子计数能谱ct中存在的各像素间能谱畸变、阈值差异等物理问题，基于光子计数能谱ct有效物理模型，结合理论计算和系统实验，提出了自适应能谱修正的解决方案。

2、本公开提供的含不一致因子的光子计数能谱ct成像物理模型及基于该模型的光子计数能谱ct能谱优化方法，结合系统实际测量数据拟合求解，能够最大程度地修正能谱ct不一致性。

3、本公开提供的应用上述能谱优化方法的光子计数能谱ct成像方法，通过系统自身设备进行快速准确的能谱修正，而不依赖于荧光等外部设备标定，有效减少环状伪影，提高成像质量，实现对物质成分的识别，在医疗成像、安全检查等领域都具有很高的实用价值，为光子计数能谱ct成像实用化提供有力支持。

附图说明

图1是依照本公开实施例的光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化的方法流程图。

图2是依照本公开实施例的应用该自适应能谱优化方法的光子计数能谱ct成像的方法流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开所提出的光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化方法，包括含能谱和阈值相关不一致性因子的光子计数能谱ct成像有效模型、基于该模型和系统实验的不一致性参数求解、基于不一致性修正结果的投影数据校正、及图像重建算法等，具体包括以下步骤：

s1：利用不同入射能谱条件下的空气数据，结合光子计数能谱ct成像有效物理模型，获得各像素的能谱和阈值不一致性差异；以及

s2：根据获得的能谱和阈值不一致差异，以及物体的线衰减系数、厚度信息，建立ct系统多色投影值与单色投影值的硬化函数关系，并依据该硬化函数关系进行逐像素的能谱优化修正。

依照本公开的实施例，步骤s1中所述利用不同入射能谱条件下的空气数据，结合光子计数能谱ct成像有效物理模型，获得各像素的能谱和阈值不一致性差异，包括：

步骤s11：通过实际测量得到不同入射能谱下的空气数据；

在本公开的实施例中，可以通过调节x射线球管电压测量不同入射能谱下的空气数据，也可以通过加入不同厚度的滤波片，测量等效的不同入射能谱下的空气数据；

步骤s12：建立包含阈值和能谱相关不一致性因子的光子计数能谱ct成像有效物理模型；

在本公开的实施例中，包含阈值和能谱相关不一致性因子的光子计数能谱ct成像有效物理模型包括：探测器能谱和阈值不一致性因子、探测器能量响应关系、初始入射能谱函数，以及相关材料物质衰减系数等。

在本公开的实施例中，在建立包含阈值和能谱相关不一致性因子的光子计数能谱ct成像有效物理模型后，还包括：将阈值和能谱相关不一致性因子参数化，即将探测器能谱不一致性因子和探测器阈值不一致性因子参数化，其中：将所述探测器能谱不一致性因子采用与入射能量相关的各像素入射能谱差异的关系表达式来表示，将探测器阈值不一致性因子采用各像素阈值差异的偏离来表示。换句话说，探测器能谱不一致性参数可表示为与入射能量相关的各像素入射能谱差异的关系表达式，探测器阈值不一致性参数可表示为各像素阈值差异的偏离。

在所述包含阈值和能谱相关不一致性因子的光子计数能谱ct成像有效物理模型中，所述探测器能量响应关系可通过蒙卡模拟或经验模型拟合得到；所述初速入射能谱为入射探测器表面的能谱，可采用软件模拟或数据恢复方式获得；所述材料物质线衰减系数，可通过nist标准获取。

步骤s13：利用多组不同入射能谱下测量数据，结合上述ct成像有效物理模型，建立方程组，求解各像素的能谱和阈值不一致差异，建立不一致性参数查找表。

依照本公开的实施例，步骤s2中所述的根据获得的能谱和阈值不一致差异，以及物体的线衰减系数、厚度信息，建立ct系统多色投影值与单色投影值的硬化函数关系，并依据该硬化函数关系进行逐像素的能谱优化修正，包括：基于建立的不一致性参数查找表，建立ct系统多能投影值与单能投影值硬化函数关系，得到硬化查找表，并依据该硬化查找表进行逐像素的能谱优化修正，所述的能谱优化修正包括但不限于硬化修正和物质分解等。

在本公开的实施例中，所述的建立ct系统多色投影值与单色投影值的硬化函数关系，包括：选取一定范围内的物体厚度值；选取等效能量；依据硬化函数关系计算每一个物体厚度值下的单色投影值和多色投影值；以及建立一个从多色投影值到单色投影值的映射关系，即为硬化校正查找表；其中，从多色投影值到单色投影值的映射关系，采用多项式拟合来实现。

如图1所示，图1是依照本公开实施例的光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤11：利用不同入射能谱条件下的空气测量数据，结合光子计数能谱ct成像有效物理模型，获得各像素的能谱和阈值不一致性差异。

在本公开的实施例中，光子计数能谱ct成像有效物理模型，满足公式：

其中，λi代表经物体衰减后各像素的探测器测量值，i代表像素序号，i0为探测器入射值，eh和el分别表示探测器高低阈值，s0(e)为射线源出射的能谱，可由spekcalc等软件模拟；r(e′；e)为入射能量为e的射线探测器平均能量响应函数，可通过蒙卡模拟或经验模型拟合得到；μ(e，x)表示物体线衰减系数，通过nist标准获取。

在本公开的实施例中，对上述光子计数能谱ct成像有效物理模型中的不一致性因子参数化，以体现各像素之间的差异；

其中，探测器能谱不一致性因子用gi(e)表示，探测器阈值不一致因子用δeij表示，其中j表示阈值序号。其中gi(e)可以选择采用以下多个相关函数之一来表示：

在本公开的实施例中，对上述光子计数能谱ct成像有效物理模型中的不一致性因子参数化后，利用多组不同入射能谱下测量数据，结合上述ct成像有效物理模型，建立方程组，求解各像素的能谱和阈值不一致差异，建立不一致性参数查找表；

其中，为消除入射量i0的影响，测量数据λi需要做归一化处理。如不同能谱下的测量值λti除以特定能谱的空气值λ0i，t代表能谱类型，

或者，不同能谱的测量值λti除以各像素测量值和

上述方程均可表示为f(lki，δeil，δeih)＝0；

求解：argmin|f(lki，δeil，δeih)|

通过多组不同的测量值，建立方程组，联合拟合求解各像素不一致性参数δeij和gi(e)，得到各像素下的不一致性查找表，从而进行光子计数能谱ct成像中能谱不一致性的修正。

步骤12：根据获得的能谱和阈值不一致差异，以及物体的线衰减系数、厚度信息，建立ct系统多色投影值与单色投影值的硬化函数关系，并依据该硬化函数关系进行逐像素的能谱优化修正；

在本公开的实施例中，所述的根据获得的能谱和阈值不一致差异，以及物体的线衰减系数、厚度信息，建立ct系统多色投影值与单色投影值的硬化函数关系，并依据该硬化函数关系进行逐像素的能谱优化修正，包括：基于建立的不一致性参数查找表，建立ct系统多能投影值与单能投影值硬化函数关系，得到硬化查找表，并依据该硬化查找表进行逐像素的能谱优化修正，所述的能谱优化修正包括但不限于硬化修正和物质分解等；

在本公开的实施例中，所述的建立ct系统多色投影值与单色投影值的硬化函数关系，包括：选取一定范围内的物体厚度值；选取等效能量；依据硬化函数关系计算每一个物体厚度值下的单色投影值和多色投影值；以及建立一个从多色投影值到单色投影值的映射关系，即为硬化校正查找表；其中，从多色投影值到单色投影值的映射关系，采用多项式拟合来实现。

基于图1所示的光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化的方法，本公开进一步将该自适应能谱优化的方法应用于ct成像中，图2示出了依照本公开实施例的应用该自适应能谱优化方法的光子计数能谱ct成像的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤21：采用图1所示的光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化方法进行能谱修正，对投影数据进行逐像素硬化校正；

步骤22：基于修正后的投影数据，通过解析或迭代方法进行图像重建，得到物体断层成像。

通过上述实施例可知，本公开提供的光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化方法，结合含不一致性因子的ct物理模型和系统实际测量数据，能够最大程度地修正能谱ct不一致性。通过系统自身设备进行快速准确的能谱修正，而不依赖于荧光等外部设备标定，有效减少环状伪影，提高成像质量，实现对物质成分的识别，在医疗成像、安全检查等领域都具有很高的实用价值，为光子计数能谱ct成像实用化提供有力支持。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。