CN103700124A - 一种x射线双能ct成像抑制金属效应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，包括：（1）对行包进行X射线双能扫描，获得双能投影数据；（2）确定双能投影数据中存在的金属投影区域；（3）利用金属投影区域之外的双能投影数据进行迭代重建；（4）获得抑制金属效应后的CT切片，根据双能成像原理，计算原子系数信息。本发明的有益效果在于：提供了一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，所述方法可以减少CT切片上的条状伪影，提高金属物体存在时的原子系数探测精度。

Description

一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法

技术领域

本发明涉及一种辐射成像方法，尤其涉及一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法。

背景技术

X射线成像技术在安全检查领域发挥着重要作用。二十世纪八、九十年代，单个视角和多个视角的X射线透视安检成像设备是应用的主流。2001年，美国发生了9.11恐怖袭击事件，使得航空安全问题引起了高度的关注，自此，CT（Computed Tomography）型爆炸物探测设备EDS（Explosive Detection Systems）得到广泛的应用。相对于传统的透视成像设备，CT型EDS设备探测率高、误报率低，且其通过率可高达每小时1800个包。在未来的X射线安检成像领域中，CT技术将是一个重要的发展方向。

早期的CT型EDS设备采用单能谱成像，通过单能谱CT切片反映的物体密度信息，结合物体的体积、形状等其它信息，实现危险品的自动探测。当前的CT型EDS设备主要采用双能谱成像，能通过CT切片同时反映物体的密度信息和原子系数信息。因为双能谱成像技术增加了一个物体的可探测属性信息——原子系数信息，故相对于单能谱CT型EDS设备，双能谱CT型EDS设备在保证探测率的同时，能够大大降低了误报率，减少安检流程中的人工开包量。

中国专利申请号为201310045118.1的专利申请公开了一种X射线CT金属伪影的处理方法，包括：（1）获取CT机系统参数、不同扫描时段的不含金属的投影数据和含金属的投影数据；（2）进行图像重建并对含有金属的CT图像进行分割处理得到金属的图像；同时给出含有对应于金属的投影数据的位置标记；（3）进行归一化处理生成归一化的投影数据；（4）对归一化的投影数据在位置标记处采用数据插值处理，获取插值处理后的投影数据；（5）去归一化处理，获得去归一化的插值投影数据；（6）将去归一化的插值投影数据进行图像重建，获取不含金属的CT图像；（7）将金属的图像与不含金属的CT图像进行合成处理，获取最终CT图像。

中国专利申请号为201210475483.1的专利申请公开了一种锥束CT系统的金属伪影校正方法，包括：从原始正投影图像f(x，y)中分离出金属投影图像M(x，y)；对金属投影图像M(x，y)进行重建，得到金属部分的CT重建图像XMetal；将原始正投影图像f(x，y)减去金属投影图像M(x，y)，即得到不含金属部分的投影图像fres(x，y)；对不含金属部分的投影图像fres(x，y)进行重建，得到不含金属部分的CT图像Xres；及将金属部分CT图像XMetal与不含金属部分的CT图像Xres相加，即得到金属伪影校正后的最终CT重建图像Xcorrection。

中国专利申请号为201110123647.X的专利申请公开了一种锥束CT系统的金属伪影校正方法，包括在不同的平均X射线能量时产生两个CT图像数据组。通过将这两个CT图像数据组加权地组合来计算出新的CT图像数据组。在此在加权的组合中所采用的加权因子被选择为,使得在该新的CT图像数据组中的图像伪影与在两个原始CT图像数据组中的图像伪影相比明显减少。

上述公开的金属伪影校正方法专利申请依然存在以下缺陷：现有方法都是针对金属效应中的一个方面——金属伪影进行抑制。而在安检CT成像技术中，不仅需要抑制金属伪影，以分析物体的形貌结构，同时更重要的是要精确探测行包中物体的原子系数，抑制金属物体对原子系数探测精度的影响，而上诉方法都没有在安检CT成像技术中解决这一问题。

发明内容

本发明为一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，包括：

（1）、对行包进行X射线双能扫描，获得双能投影数据；

（2）、确定双能投影数据中存在的金属投影区域；

（3）、利用金属投影区域之外的双能投影数据进行迭代重建；

（4）、获得抑制金属效应后的CT切片，根据双能成像原理，计算原子系数信息。

进一步地，所述确定金属投影区域为对双能投影数据进行重叠剥离，得到被透射材料的真灰度；根据高低能投影数据估计物体的原子序数，根据估计出的原子序数信息判断该区域是否为金属区域；计算真灰度的方法为P＝(I/I_B)·I₀，I为重叠区域灰度，I_B为识别的背景区域灰度，I₀为射线场亮场灰度。

进一步地，所述确定金属投影区域可以为采用FBP算法对高能投影数据或者低能投影数据进行CT重建，获得高能CT切片或者低能CT切片；采用阈值分割的方法从高能CT切片或者低能CT切片中确定金属位置；根据系统几何结构和金属在CT切片中的位置，采用正投影的方法，确定双能投影数据中的金属投影区域。

进一步地，所述进行迭代重建包括：

（1）、对不包含金属投影区域的双能投影数据进行双能分解；

（2）、对双能分解后的投影数据进行迭代重建。

进一步地，所述双能分解采用基材料分解或者基效应分解。

进一步地，所述进行迭代重建为采用ART算法，在迭代重建过程中添加切片值范围约束和总变分最小化约束。

本发明有益效果在于：提供了一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，所述方法可以减少CT切片上的条状伪影，提高金属物体存在时的原子系数探测精度。

附图说明

附图1所示为本发明所述一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法计算流程图。

附图2所示为本发明所述一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法具体实施例计算流程图。

附图标记如下：101-进行X射线双能扫描，获得双能投影数据、102-确定双能投影数据中存在的金属投影区域、103-存在金属区域、104-利用金属投影区域之外的双能投影数据进行迭代重建、105-利用常规FBP方法对数据进行双能重建、106-获得抑制金属效应后的CT切片，根据双能成像原理，计算原子系数信息、201-双能安检CT设备采用夹心探测器的双能成像模式、202-将包裹放置在安检CT设备传送带上进行双能扫描、203-对高能投影数据进行阈值分割，获得可能存在的金属投影区域、204-存在金属区域、205-利用常规FBP方法对行包数据进行双能重建、206-分离出高能和低能投影数据中不包含金属的投影区域、207-利用双能分解获得光电系数投影和康普顿系数投影、208-获得光电系数切片和康普顿系数切片、209-ART迭代重建、210-获得不包含金属影响的原子系数图、211-结合密度、体积、形状进行危险品判定识别。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，包括：

（1）、对行包进行X射线双能扫描，获得双能投影数据；

（2）、确定双能投影数据中存在的金属投影区域；

（3）、利用金属投影区域之外的双能投影数据进行迭代重建；

（4）、获得抑制金属效应后的CT切片，根据双能成像原理，计算原子系数信息。

所述确定金属投影区域为对双能投影数据进行重叠剥离，得到被透射材料的真灰度；根据高低能投影数据估计物体的原子序数，根据估计出的原子序数信息判断该区域是否为金属区域；计算真灰度的方法为P＝(I/I_B)·I₀，I为重叠区域灰度，I_B为识别的背景区域灰度，I₀为射线场亮场灰度。

产生双能投影数据有三种方式：1、X射线源快速切换，在不同的高压下，交替产生两种不同的能谱；2、采用三明治探测器，即双层X射线探测器，在这两层探测器中间添加一个X射线过滤板，通过过滤板对X射线的吸收作用，获得两种不同能谱下的投影；3、采用能量分辨探测器，直接获得多个不同能量段下的投影信息。

金属效应的存在，一是因为金属对X射线的衰减效应强，使得金属投影区域光子数很少，投影信噪比低；二是因为在双能CT分解中，金属的基材料分解系数和基效应分解系数都和其它材料差别很大，从而影响其它材料物理属性即原子系数的检测精度。本发明中，金属投影区域的投影数据不可靠，采取直接丢弃金属投影区域的投影数据的方式，而仅使用不包含金属区域的投影数据进行双能CT重建。首先，利用高能和低能投影数据中的非金属区域数据，进行双能分解，可采用基材料分解方法——碳和铝，或者采用基效应分解方法——光电效应和康普顿效应。此时，获得了两幅不完备的双能投影分解图。现有的迭代重建技术在不完备投影数据重建方面具有很好的效果，此处将迭代重建技术和双能成像技术相结合，使用ART分别重建两幅不完备的双能投影分解图，分别获得针对基材料的碳切片和铝切片，或者获得针对基效应的光电系数切片和康普顿系数切片。为了使得迭代重建收敛，可同时采用两种方法：一是限定重建切片的数据范围，比如对光电系数和康普顿系数做非负限定；二是采用TV（total variation）最小化约束。

所述确定金属投影区域可以为采用FBP算法对高能投影数据或者低能投影数据进行CT重建，获得高能CT切片或者低能CT切片；采用阈值分割的方法从高能CT切片或者低能CT切片中确定金属位置；根据系统几何结构和金属在CT切片中的位置，采用正投影的方法，确定双能投影数据中的金属投影区域。

获得行包的双能投影数据后，可以通过以下两种方法确定投影数据中的金属区域：1、因为金属对X射线的衰减很强，故在探测器上获得的投影光强信号上，金属区域灰度很低，采用常用的阈值分割方法就可以将金属投影区域分割出来，为保证分割区域的完整性，可辅助使用形态学中的腐蚀、膨胀操作；2、先采用FBP方法快速重建行包的高能或低能衰减CT图像，对高能或低能衰减CT图像进行阈值分割，获得金属在CT切片上的区域，最后根据CT系统几何结构和金属在CT切片上的位置，采用正向投影的方法确定金属在原始双能投影数据上的投影区域。

所述进行迭代重建包括：

（1）、对不包含金属投影区域的双能投影数据进行双能分解；

（2）、对双能分解后的投影数据进行迭代重建。

所述双能分解采用基材料分解或者基效应分解。

利用迭代重建获得的碳切片图像和铝切片图像，或者是光电系数切片图像和康普顿系数切片图像，根据如下双能公式，计算物体的原子系数信息：

$Z_{\mathrm{eff}}={\left[\frac{b_c{\mathrm{\ρ}}_c{Z_c}^n+b_{\mathrm{al}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{al}}{Z_{\mathrm{al}}}^n}{b_c{\mathrm{\ρ}}_c+b_{\mathrm{al}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{al}}}\right]}^{1/n},Z_{\mathrm{eff}}=K_1{\left[\frac{a_p}{a_c}\right]}^{1/n}$

上式中，Z_eff代表原子系数，b_c代表重建获得的碳切片值，b_al代表重建获得的铝切片值，ρ_c代表已知的碳元素的电子密度，ρ_al代表已知的铝元素的电子密度，Z_c代表已知的碳元素的原子系数，Z_al代表已知的铝元素的原子系数，a_p代表重建获得的光电系数切片值，a_c代表重建获得的康普顿系数切片值，K₁和n是常数。

具体的，在一台双能安检CT设备上开展了如下实验：1、在双能安检CT设备的传送带上放置一瓶矿泉水，检测其原子系数值；2、在双能安检CT设备的传送带上放置一瓶矿泉水，同时在矿泉水周围放置一些金属，检测其原子系数值；3、针对步骤2中的实验，首先采用传统的双能FBP方法计算水的原子系数，然后采用本发明的方法计算水的原子系数，并进行结果对比，所述结果为：无金属物校正前原子系数值为7.65，有金属物校正前原子系数值为10.48，校正后为7.58，表明本发明的方法抑制了金属物体在双能安检CT中对求解原子系数精度的影响，有利于提高设备的探测性能。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的权利要求记载的保护范围。

Claims (6)

1.一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，其特征在于，所述方法包括：

（1）、对行包进行X射线双能扫描，获得双能投影数据；

（2）、确定双能投影数据中存在的金属投影区域；

（3）、利用金属投影区域之外的双能投影数据进行迭代重建；

（4）、获得抑制金属效应后的CT切片，根据双能成像原理，计算原子系数信息。

2.根据权利要求1所述的一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，其特征在于，所述确定金属投影区域为对双能投影数据进行重叠剥离，得到被透射材料的真灰度；根据高低能投影数据估计物体的原子序数，根据估计出的原子序数信息判断该区域是否为金属区域；计算真灰度的方法为P＝(I/I_B)·I₀，I为重叠区域灰度，I_B为识别的背景区域灰度，I₀为射线场亮场灰度。

3.根据权利要求1所述的一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，其特征在于，所述确定金属投影区域可以为采用FBP算法对高能投影数据或者低能投影数据进行CT重建，获得高能CT切片或者低能CT切片；采用阈值分割的方法从高能CT切片或者低能CT切片中确定金属位置；根据系统几何结构和金属在CT切片中的位置，采用正投影的方法，确定双能投影数据中的金属投影区域。

4.根据权利要求1所述的一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，其特征在于，所述进行迭代重建包括：

（1）、对不包含金属投影区域的双能投影数据进行双能分解；

（2）、对双能分解后的投影数据进行迭代重建。

5.根据权利要求4所述的一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，其特征在于，所述双能分解采用基材料分解或者基效应分解。

6.根据权利要求4所述的一种X射线双能CT成像抑制金属效应方法，其特征在于，所述进行迭代重建为采用ART算法，在迭代重建过程中添加切片值范围约束和总变分最小化约束。

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