CN103472074A - Ct成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种CT成像系统和方法。该系统包括：X射线源，发出多色谱X射线束；探测和采集装置，相对于被检查对象与射线源相对设置，并且X射线源以及探测和采集装置被配置为相对于被检查对象旋转，第一探测和采集装置接收穿过被检查对象的X射线，输出第一投影数据，第二探测和采集装置被设置为接收从X射线源发出穿过载台的旋转轴的那部分X射线，输出多个能窗下的第二投影数据；重建装置，基于第一投影数据重建被检查对象的第一线衰减系数图像，从所述第一线衰减系数图像中提取结构信息，利用结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合第二投影数据进行重建，得到每个能量窗下的衰减系数图像。

Description

CT成像系统和方法

技术领域

本发明的实施例涉及辐射成像，具体涉及一种CT成像系统和方法。

背景技术

X射线CT成像广泛应用于医疗、安检、工业无损检测等领域。能谱CT是近年来受到普遍关注的发展方向，尤其是光子计数探测器技术的发展，使得我们可以选择能量窗采集多个能量下的X射线穿过对象的信号数据，经过特定的图像重建算法可以得到对象的某个断层的包含线性衰减系数、电子密度、等效原子序数等多个层面的信息。能谱CT的系统主要有两种：一种为传统的双能CT方式获得任意单能量X光下物质的衰减系数分布图；另一种为使用光子计数探测器采集多个能量窗下的X光CT扫描数据，由这多能窗数据重建高精度的任意单能量X光下物质的衰减系数分布图和特定物质分布图。能谱CT的图像重建主要包括两重含义：关于能量轴的信息分解和关于空间位置的信息分解。目前，关于能量轴的信息分解主要有基材料分解方式、基效应分解方式、材料和效应混合的分解方式；关于空间位置的信息分解等效于传统单能CT的重建方法。能谱CT的图像重建可以通过分别完成这两重意义的信息分解实现，也可以通过这两重信息分解融合迭代完成。

发明内容

考虑到现有技术中的一个或多个问题，提出了一种CT成像系统和方法，通过采集极稀疏的多能窗CT数据进行能谱CT重建，获得能谱CT图像。

在本发明的一个方面，提出了一种CT成像系统，包括：X射线源，发出多色谱X射线束；探测和采集装置，相对于被检查对象与射线源相对设置，并且X射线源以及探测和采集装置被配置为相对于被检查对象旋转，其中所述探测和采集装置包括第一探测和采集装置和第二探测和采集装置，其中所述第一探测和采集装置接收穿过被检查对象的X射线，输出第一投影数据，所述第二探测和采集装置被设置为接收从X射线源发出穿过载台的旋转轴的那部分X射线，输出多个能窗下的第二投影数据；重建装置，基于第一投影数据重建被检查对象的第一线衰减系数图像，从所述第一线衰减系数图像中提取结构信息，利用所述结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合第二投影数据进行重建，得到每个能量窗下的衰减系数图像。

在本发明的另一方面，提出了一种CT成像系统的方法，该系统包括：X射线源，发出多色谱X射线束；探测和采集装置，相对于被检查对象与射线源相对设置，并且X射线源以及探测和采集装置被配置为相对于被检查对象旋转，其中所述探测和采集装置包括第一探测和采集装置和第二探测和采集装置，该方法包括：所述第一探测和采集装置接收穿过被检查对象的X射线，输出第一投影数据，所述第二探测和采集装置接收从X射线源发出穿过载台的旋转轴的那部分X射线，输出多个能窗下的第二投影数据；基于第一投影数据重建被检查对象的第一线衰减系数图像；从所述第一线衰减系数图像中提取结构信息；以及利用所述结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合第二投影数据进行重建，得到每个能量窗下的衰减系数图像。

根据上述实施例的方案，从第一探测和采集装置输出的投影数据重建的图像中获得结构信息，然后将该结构信息作为约束基于第二探测和采集装置针对从X射线源发出穿过载台的旋转轴的那部分X射线输出多个能窗下的第二投影数据重建多能谱下的图像。

附图说明

下面的附图表明了本发明的实施方式。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例，其中：

图1示出了根据现有技术的全数据能谱CT布局示意图；

图2示出了根据本发明实施例的圆轨道扇束US-SpectralCT扫描半探测器布局示意图；

图3示出了根据本发明实施例的圆轨道扇束US-SpectralCT扫描全探测器布局示意图；

图4示出了根据本发明实施例的圆轨道锥束US-SpectralCT扫描半探测器示意图；

图5示出了根据本发明实施例的圆轨道锥束US-SpectralCT扫描全探测器示意图；

图6示出了根据本发明实施例的螺旋轨道(多层或锥束)US-SpectralCT扫描全探测器示意图；

图7示出了根据本发明实施例的CT成像系统的结构示意图；

图8示出了根据本发明实施例的CT成像方法的流程图；

图9示出了US-SpectralCT仿真数据重建效果图：(a)单能线衰减系数图；(b)电子密度图；以及(c)等效原子序数图；

图10示出了根据本发明变型实施例的圆轨道扇束US-SpectralCT扫描半探测器布局示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

由于具有能谱分辨能力或者实现探测不同能谱X光的探测器，例如光子计数探测器的面积小、成本高，能谱CT系统在获得更多的关于物质的信息的同时，也需要在设备成本和数据量方面付出高的代价。普通能谱CT的结构如图1所示。在如图1所示的系统中，从射线源10发出多色谱X射线束，对扫描视野45中的对象(未示出)进行360度完整扫描或者短扫描，能谱探测器30探测X射线，产生不同能量窗下的投影数据。从获得不同能量窗下的投影数据重建得到相应能量窗的衰减系数图像。

在本发明一些实施例中，考虑到简化结构和降低成本的因素，提出了一种特殊架构的能谱CT系统以及重建方法，仅采集极稀疏的多能窗CT数据进行能谱CT重建，获得能谱CT图像，可以应用于无损检测、医疗诊断、安检等领域。这样，这些实施例的能谱CT可以大幅度降低能谱CT系统的成本，而且该系统可以在现有单能CT设备上稍加升级改造就可以实现。例如，在一些实施例的CT成像系统中，X射线源发出多色谱X射线束，探测和采集装置相对于被检查对象与射线源相对设置，并且X射线源以及探测和采集装置被配置为相对于被检查对象旋转。探测和采集装置包括第一探测和采集装置和第二探测和采集装置。第一探测和采集装置接收穿过被检查对象的X射线，输出第一投影数据。第二探测和采集装置被设置为接收从X射线源发出穿过载台的旋转轴的那部分X射线，输出多个能窗下的第二投影数据。重建装置基于第一投影数据重建被检查对象的第一线衰减系数图像，从第一线衰减系数图像中提取结构信息，利用结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合第二投影数据进行重建，得到每个能量窗下的衰减系数图像。

例如，本发明实施例的系统可以通过圆轨道扫描实现也可以通过螺旋轨迹扫描实现，可用于2维或者三维成像，方法一致，只是在重建的步骤中涉及的投影矩阵要根据这些不同的实际情况来计算。本专利把几种典型的扫描方式下的情况通过具体示意图(见附图2～6)展示。

图2示出了根据本发明实施例的圆轨道扇束US-SpectralCT扫描半探测器布局示意图。如图2所示的系统中，将探测器设置为仅仅覆盖扫描视野的大致一半，也就是X射线源10发出的射线束穿过扫描视野45的中心到达探测器30，这里探测器30是能够探测不同能谱下的X射线，输出相应能谱下的投影数据，其他的X射线穿过对象到达探测器20，这里探测器20是传统的所色谱探测器。在这种配置下，对对象进行360度完整扫描，基于探测器20获得的完备投影数据获得衰减系数图像，从该衰减系数图像中提取结构信息，将结构信息作为约束从多能谱窗下的投影数据重建相应能谱下的衰减系数图像。

在图示的实施例中，由于仅仅在X射线源与扫描视野的中心(轴)的连线延长线上设置多能谱X射线探测器30，从而使得整个系统的结构变得简单，并且成本降低。

图3示出了根据本发明实施例的圆轨道扇束US-SpectralCT扫描全探测器布局示意图。在如图3所示的系统中，将探测器设置为覆盖整个扫描视野，也就是X射线源10发出的射线束穿过扫描视野45的中心到达探测器30，这里探测器30是能够探测不同能谱下的X射线，输出相应能谱下的投影数据，探测器20设置在探测器30两侧，接收穿过对象的其他的X射线，这里探测器20是传统的所色谱探测器。在这种配置下，对对象进行360度完整扫描，基于探测器20获得的完备投影数据获得衰减系数图像，从该衰减系数图像中提取结构信息，将结构信息作为约束从多能谱窗下的投影数据重建相应能谱下的衰减系数图像。

在图示的实施例中，由于仅仅在X射线源与扫描视野的中心(轴)的连线延长线上设置多能谱X射线探测器30，从而使得整个系统的结构变得简单，并且成本降低。

图4示出了根据本发明实施例的圆轨道锥束US-SpectralCT扫描半探测器示意图。将探测器设置为仅仅覆盖扫描视野的大致一半，也就是X射线源10发出的射线束穿过扫描视野45的中心到达探测器30，这里探测器30是能够探测不同能谱下的X射线，输出相应能谱下的投影数据，其他的X射线穿过对象到达探测器20，这里探测器20是传统的所色谱探测器。在这种配置下，对对象进行360度完整扫描，基于探测器20获得的完备投影数据获得衰减系数图像，从该衰减系数图像中提取结构信息，将结构信息作为约束从多能谱窗下的投影数据重建相应能谱下的衰减系数图像。

在图示的实施例中，由于仅仅在X射线源与扫描视野的中心(轴)的连线延长线上设置多能谱X射线探测器30，从而使得整个系统的结构变得简单，并且成本降低。

图5示出了根据本发明实施例的圆轨道锥束US-SpectralCT扫描全探测器示意图。在如图5所示的系统中，将探测器设置为覆盖整个扫描视野，也就是X射线源10发出的射线束穿过扫描视野45的中心到达探测器30，这里探测器30是能够探测不同能谱下的X射线，输出相应能谱下的投影数据，探测器20设置在探测器30两侧，接收穿过对象的其他的X射线，这里探测器20是传统的所色谱探测器。在这种配置下，对对象进行360度完整扫描，基于探测器20获得的完备投影数据获得衰减系数图像，从该衰减系数图像中提取结构信息，将结构信息作为约束从多能谱窗下的投影数据重建相应能谱下的衰减系数图像。

在图示的实施例中，由于仅仅在X射线源与扫描视野的中心(轴)的连线延长线上设置多能谱X射线探测器30，从而使得整个系统的结构变得简单，并且成本降低。

图6示出了根据本发明实施例的螺旋轨道(多层或锥束)US-SpectralCT扫描全探测器示意图。在图6所示的例子中，探测20和30可以设置为条状的探测器，探测器30基本设置在条状探测器的中心，而探测器20设置在探测器的30。同样，这样的系统也能够获得与前面的例子相同的技术效果。

下面以圆轨道扇束为例介绍本发明实施例的CT系统。图7示出了根据本发明实施例的CT成像系统的结构示意图。如图7所示，本实施例的CT系统包括射线源10、机械运动部分50、数据采集系统以及主控制及数据处理计算机60。在一些实施例中射线源10例如包括X射线加速器、X光机或者放射性同位素，以及相应的辅助设备。

机械运动部分50包括一个旋转被成像对象(或者旋转射线源、探测器)的转动装置和控制系统(对象运动与源、探测器仅需相对运动，所以被成像对象旋转和射线源+探测器旋转等效)。一般在医疗领域中，避免转动病人，通过同时转动源和探测器实现。为方便描述，本专利中采用旋转被成像对象的方式实现。

数据采集系统包括探测器30和设置在探测器30两侧的探测器20，其中探测器30为能谱探测器。例如，探测器20包括一普通CT探测器(在三维成像时为面阵，在二维成像时为线阵)，探测器30为一具有能量分辨能力的探测器(在三维成像时为线阵，在二维成像时为笔束)。普通CT探测器20用于获取一般意义的透射投影数据，要求能够进行普通CT重建。具有能量分辨能力的探测器30用于获取多个(＞＝2)能窗下的投影数据。

此系统还包括探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元等。探测器可以是固体探测器，也可以是气体探测器，还可以是半导体探测器。探测器30的每个单元在一次采集输出多个通道(不同能量窗下)的投影数据，例如光子计数探测器、三明治式双层探测器。数据采集时，采样间隔在时间轴上均匀分布，被检查对象匀速运动，并且探测器20和探测器30所有阵列探测器同步采集。探测器30至少有一个探测器单元对应的射线路径穿过轨道旋转中心(或轴)，探测器20的探测器单元数目可以在不影响采集数据进行传统CT重建的情况下增加个数(如图10所示)，有可能改进图像质量，但同时会提高系统成本。

主控制及数据处理计算机60包括控制部分和重建装置，控制部分负责能谱CT系统运行过程的主控制，包括机械转动，电气控制，安全连锁控制等，重建装置对由数据采集分系统获得的数据进行处理，通过探测器20的投影数据重建被成像对象的线衰减系数分布图像并进行边缘提取获得结构信息，利用此结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合探测器30获得的多能窗投影数据进行重建，获得能谱CT任意能量下的衰减系数图像，也可以由此计算等效原子序数和电子密度分布图。最后通过断层或者三维可视化方式在显示器上显示。计算机可以是单个PC，也可以是工作站或计算机集群。

在一些实施例中，重建装置利用各个能量窗的衰减系数图像，进行后处理基函数分解，得到不同效应下的分解系数，进而计算感兴趣区域的原子序数和电子密度图像。例如，重建装置针对所述多个能窗中的每个能窗下的投影数据进行前处理基函数分解，得到各个基函数的分解系数的线积分，重建各基函数的分解系数，并且基于各个基函数的分解系数计算所述感兴趣区域物质的原子系数和电子密度。

在其他实施例中，当能窗的个数等于基函数的个数时，所述重建装置通过求解非线性多能方程组来得到基函数分解系数的线积分，进而重建得到分解系数图像。当能窗的数目大于基函数的个数时，所述重建装置通过构造对数似然函数来得到基函数分解系数的线积分，进而重建得到分解系数图像。

图8示出了根据本发明实施例的CT成像方法的流程图。如图8所示，在步骤81，第一探测和采集装置输出第一投影数据，第二探测和采集装置输出多个能窗下的第二投影数据。在步骤82，基于第一投影数据重建被检查对象的第一线衰减系数图像。

在步骤83，从第一线衰减系数图像中提取结构信息。例如使用变换提取操作来从第一线衰减系数图像中得到该结构信息。

在步骤84，利用结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合第二投影数据进行重建，得到每个能量窗下的衰减系数图像。

根据本发明的实施例，在从多能窗投影数据重建的过程中可以利用结构先验信息来重建。

例如，用f＝{f₁，f₂，…，f_N}表示被扫描对象在普通单能谱CT扫描中也就是使用探测器20成像过程对应的综合线衰减系数分布；用g＝{g₁，g₂，…，g_M}表示从探测20数据获得的投影数据；用H＝{H_ij}_M×N表示此成像过程的投影矩阵(亦称系统矩阵)。按照如此符号定义，对应于探测器20的普通CT成像过程可以用Hf＝g描述。用μ(E)＝{μ₁(E)，μ₂(E)，…，μ_N(E)}表示在能量为E的X光照射下被扫描对象的线衰减系数分布；用p_k＝{p_k，1，p_k，2，…，p_k，L}表示具探测器30在第k个能窗通道中采集到的投影数据，用

表示此过程对应的投影矩阵；用w_k(E)表示归一化的第k个能窗的能谱分布和探测器响应综合因子。按照如此符号定义，对应于探测器30的成像过程可以用：

$-\ln \∫w_k\left(E\right)\exp (-H^{\mathrm{ED}}\mathrm{\μ}\left(E\right))\mathrm{dE}=p_k,$ k＝1，2，…，K描述，K为总的能窗数目。从而探测器30的投影数据构成一个L×K的矩阵P，用P_l，k表示在第k个能窗对应第l条射线的数据；

为μ(E)在第k个能窗情况下的等效线衰减系数。

本发明实施例的能谱CT重建可以通过两种方法实现。第一种方法如下：

1)利用一般CT重建方法(例如：圆轨道扇束/锥束重建方法、螺旋轨道重建方法等)从g重建f；

2)使用边缘提取方法获得f的结构信息ψ(f)；

3)对探测器30的所有数据k＝1，2，…，K，按照如下方式重建

${\widetilde{\mathrm{\μ}}}_k=\underset{{\widetilde{\mathrm{\μ}}}_k}{\arg \min }{\left|\right|\mathrm{diag}\left(\mathrm{\ψ}\left(f\right)\right)\▿{\widetilde{\mathrm{\μ}}}_k\left|\right|}_1+\mathrm{\λ}{\left|\right|\▿{\widetilde{\mathrm{\μ}}}_k\left|\right|}_1,$ 且满足

${(H^{\mathrm{ED}}{\widetilde{\mathrm{\μ}}}_k-p_k)}^{T}W(H^{\mathrm{ED}}{\widetilde{\mathrm{\μ}}}_k-p_k)\≤\mathrm{\ϵ}$

此处W为一加权矩阵，ε为一个小的阈值。

4)根据上述重建结果

k＝1，2，…，K计算单能量的μ(E)图，或者电子密度、等效原子序数分布图。

第二种方法如下：

1)利用一般CT重建方法(例如：圆轨道扇束/锥束重建方法、螺旋轨道重建方法等)从g重建f；

2)使用边缘提取方法获得f的结构信息ψ(f)；

3)对所有探测器30得出的数据k＝1，2，…，K，进行能谱信息解析。根据下式求向量A_τ：

$-\ln \∫w_k\left(E\right)\exp (-\underset{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\τ}}\left(E\right)A_{\mathrm{\τ}})\mathrm{dE}=p_k,$ A_τ＝{A_τ，1，A_τ，2，…，A_τ，L}。

τ为整数，且τ∈[1，Γ]，2≤Γ≤K。此过程相当于对每一个下标1≤l≤L，根据K个采集数据P_l，k求解Γ个未知量A_l，1，…，A_l，τ，…A_l，Γ：

φ_τ(E)，τ∈[1，Γ]为Γ个关于能量变化的基函数，可以选择为基材料的衰减系数随能量变化的曲线或者效应分解系数(如光电效应系数、康普顿散射系数)等。式(1)可以直接求解，也可以通过建立查找表的方式节约计算时间。

4)对所有A_τ，使用如下方式重建获得a_τ：

$a_{\mathrm{\τ}}=\underset{a_{\mathrm{\τ}}}{\arg \min }{\left|\right|\mathrm{diag}\left(\mathrm{\ψ}\left(f\right)\right)\▿a_{\mathrm{\τ}}\left|\right|}_1+\mathrm{\λ}{\left|\right|\▿a_{\mathrm{\τ}}\left|\right|}_1,$

s.t.(H^EDa_τ-A_τ)^TW(H^EDa_τ-A_τ)≤ε。

此处W为一加权矩阵，ε为一个小的阈值。

5)根据上述重建结果a_τ，τ＝1，…，Γ计算单能量的

图，并可由μ(E)估计被成像物的电子密度、等效原子序数分布图。

由于本系统中探测器20是获得传统CT多色谱X光扫描数据，所以有可能需要对该数据的重建进行包括硬化、散射校正，金属伪影校正等的处理。

根据一些实施例的系统，1)仅需采集极少的分能量窗的扫描数据，从而仅要求非常少的具有能量分辨能力的探测器单元，也就是说此系统的成本远远低于普通能谱CT；2)此能谱CT系统的机械结构和控制简单，与传统的多色谱CT相比复杂度差别不大；3)此能谱CT的数据量与传统CT相比增加很少，所以对系统的数据传输要求与传统CT相当。所以，此能谱CT系统可以在各方面都增加极少代价的基础上从功能上提供一般能谱CT的多信息层面图像，系统可用于医学诊断、工业无损检测和安检领域。

例如，采用图2所示的能谱CT系统架构，384个探测器，2个光子计数探测器单元，采集2个能窗的数据，一圈采集720个角度。

1)从探测器30数据估计该射线对应的能量累积探测器数据，并结合探测器20数据用探测器一致性校正方法对此估计值进行校正；

2)使用1)得到的结果和探测器20得出的数据一起进行传统CT重建方法重建，得到先验图像f；

3)使用边缘提取方法获得f的结构信息ψ(f)，这里我们令(ψ(f))^-t为Canny边缘提取算子，此处的-t次幂指向量的每个值取-t次幂，一般t可取1～2。(也可以使用例如拉普拉斯算子)。

4)对所有探测器30得出的数据k＝1，2，…，K，进行能谱信息解析。根据下式求A_τ：

$-\ln {\∫w}_k\left(E\right)\exp (-\underset{\mathrm{\τ}\∈[1,\mathrm{\Γ}]}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\τ}}\left(E\right)A_{\mathrm{\τ}})\mathrm{dE}=p_k,$ A_τ＝{A_1，τ，A_2，τ，…，A_L，τ}。

τ为整数，且τ≥2。此处我们选择φ_1，2(E)为光电效应系数、康普顿散射系数，但不限于此选择。

5)对所有A_τ，使用如下方式重建获得a_τ：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\τ}}=\underset{a_{\mathrm{\τ}}}{\arg \min }{\left|\right|\mathrm{diag}{\left(\mathrm{\ψ}\left(f\right)\right)}^{-t}\▿a_{\mathrm{\τ}}\left|\right|}_1+\mathrm{\λ}{\left|\right|\▿a_{\mathrm{\τ}}\left|\right|}_1,\\ s.t.{(H^{\mathrm{ED}}{a}_{\mathrm{\τ}}-A_{\mathrm{\τ}})}^{T}W(H^{\mathrm{ED}}{a}_{\mathrm{\τ}}-A_{\mathrm{\τ}})\≤\mathrm{\ϵ}\end{array}\right.$

此处W为一加权矩阵，ε为一个小的阈值。此处我们给出一种具体实现过程，不排斥其它迭代方法实现这一步骤。因为对每个a_τ均使用下面的过程得到，所以在下面的叙述中省略了下标τ。

a.从投影数据中估计噪声方差，计算出W和ε(在无法估计噪声的情况下也可以取W为单位阵)；选择TV约束的权重λ；

b.设定迭代初值为a⁰；

c.进行保真项更新，即计算

$a_{\mathrm{fit}}^{k+1}=a_{\mathrm{fit}}^k+w_{\mathrm{jj}}\frac{A_j-H_j^{\mathrm{ED}}{a}_{\mathrm{fit}}^k}{{\left|\right|H_j^{\mathrm{ED}}\left|\right|}^2}{\left(H_j^{\mathrm{ED}}\right)}^T,j=\mathrm{1,2},...,L$

d.非负性约束更新(这一步根据能谱分解方法而定，也可以省略)

$a_{\mathrm{pos}}^{k+1}=\max (0,a^{k+1})$

e.结构先验约束更新

$a_{\mathrm{cons}}^{k+1}=a_{\mathrm{cons}}^{k+1}+\mathrm{\α}\·\▿\left({\left|\right|(\mathrm{diag}\left(\mathrm{\ψ}\left(f\right)\right)+\mathrm{\λI})\▿a_{\mathrm{pos}}^{k+1}\left|\right|}_1\right)$

f.令

再进行c～e步，直到满足收敛条件停止迭代。

根据上述重建结果a_τ，τ＝1，…，Γ计算单能量的

图，并可由μ(E)估计被成像物的电子密度、等效原子序数分布图，在使用光电效应系数、康普顿散射系数作为φ_τ(E)的情况下，

$Z^{\mathrm{eff}}={\left(\mathrm{diag}\left(\frac{1}{a_2}\right)a_1\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\λ}-1}},\mathrm{\λ}\≈4$

ρ_e＝2a₂。能谱CT重建结果示例见图9。

以上的详细描述通过使用方框图、流程图和/或示例，已经阐述了CT成像方法和系统的众多实施例。在这种方框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种方框图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本发明的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(CD)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种CT成像系统，包括：

X射线源，发出多色谱X射线束；

探测和采集装置，相对于被检查对象与射线源相对设置，并且X射线源以及探测和采集装置被配置为相对于被检查对象旋转，其中所述探测和采集装置包括第一探测和采集装置和第二探测和采集装置，其中所述第一探测和采集装置接收穿过被检查对象的X射线，输出第一投影数据，所述第二探测和采集装置被设置为接收从X射线源发出穿过载台的旋转轴的那部分X射线，输出多个能窗下的第二投影数据；

重建装置，基于第一投影数据重建被检查对象的第一线衰减系数图像，从所述第一线衰减系数图像中提取结构信息，利用所述结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合第二投影数据进行重建，得到每个能量窗下的衰减系数图像。

2.如权利要求1所述的CT成像系统，其中所述重建装置使用边缘提取方法对所述第一线衰减系数图像中提取结构信息。

3.如权利要求1所述的CT成像系统，其中所述重建装置利用各个能量窗的衰减系数图像，进行后处理基函数分解，得到不同效应下的分解系数，进而计算感兴趣区域的原子序数和电子密度图像。

4.如权利要求1所述的CT成像系统，其中所述重建装置针对所述多个能窗中的每个能窗下的投影数据进行前处理基函数分解，得到各个基函数的分解系数的线积分，重建各基函数的分解系数，并且基于各个基函数的分解系数计算所述感兴趣区域物质的原子系数和电子密度。

5.如权利要求4所述的CT成像系统，其中当能窗的个数等于基函数的个数时，所述重建装置通过求解非线性多能方程组来得到基函数分解系数的线积分，进而重建得到分解系数图像。

6.如权利要求4所述的CT成像系统，其中当能窗的数目大于基函数的个数时，所述重建装置通过构造对数似然函数来得到基函数分解系数的线积分，进而重建得到分解系数图像。

7.如权利要求1所述的CT成像系统，其中所述第二探测和采集装置包括至少一个光子计数探测单元，或至少一个三明治式双层探测单元。

8.如权利要求1所述的CT成像系统，其中所述重建装置利用所述结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合第二投影数据进行迭代式重建，得到每个能量窗下的衰减系数图像。

9.如权利要求1所述的CT成像系统，其中所述第二探测和采集装置包括多个X射线探测单元，设置在所述第一探测和采集装置两侧。

10.如权利要求所述的CT成像系统，其中所述第二探测和采集装置包括多个X射线探测单元，依次远离所述第一探测和采集装置布置。

11.一种CT成像系统的方法，该系统包括：X射线源，发出多色谱X射线束；探测和采集装置，相对于被检查对象与射线源相对设置，并且X射线源以及探测和采集装置被配置为相对于被检查对象旋转，其中所述探测和采集装置包括第一探测和采集装置和第二探测和采集装置，该方法包括：

所述第一探测和采集装置接收穿过被检查对象的X射线，输出第一投影数据，所述第二探测和采集装置接收从X射线源发出穿过载台的旋转轴的那部分X射线，输出多个能窗下的第二投影数据；

基于第一投影数据重建被检查对象的第一线衰减系数图像；

从所述第一线衰减系数图像中提取结构信息；以及

利用所述结构信息作为权重建立加权总变分约束，结合第二投影数据进行重建，得到每个能量窗下的衰减系数图像。

12.如权利要求11所述的方法，其中使用边缘提取方法对所述第一线衰减系数图像中提取结构信息。

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