CN109448071A - 一种能谱图像重建方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能谱图像重建方法及系统，所述方法包括步骤：设定电压切换模式，获得不同电压下的扫描数据；将不同电压下的扫描数据预处理形成不同电压下的投影数据；对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像。由于通过电压切换模式和迭代重建方法相结合重建得到物质的能谱信息。一方面，可便于对扫描能谱能量分离的提高，因此将允许更快的扫描速度，获得更好的基物质图像的信噪比。另一方面，由于不需要对电压在每个时间采样上进行快速切换，对硬件的要求大大降低，因此可应用于传统的CT系统中。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像领域，尤其涉及的是一种能谱图像重建方法及系统。
背景技术
能谱成像技术能够分离物质不同能量的信息，显著抑制射线硬化伪影，给临床诊断带来更多的依据。现有技术中，传统CT成像提供的是被扫描物体在某个扫描kV下对X射线的有效吸收系数图像，与物体的大小、所使用的射线过滤器等等都相关。即使在同一扫描条件下，在不同CT扫描系统上的CT值也有差异。而要达到能谱成像必须要采用比传统CT更加先进、成本更高的硬件系统，传统的CT系统难以在实际临床应用中进行能谱成像。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能谱图像重建方法及系统，旨在解决现有技术中传统CT系统上无法实现能谱成像技术的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种能谱图像重建方法，其中，包括步骤：
设定电压切换模式，获得不同电压下的扫描数据；
将不同电压下的扫描数据预处理形成不同电压下的投影数据；
对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像。
所述的能谱图像重建方法，其中，所述电压切换模式可预先设定或根据测量数据动态调整。
所述的能谱图像重建方法，其中，在所述电压切换模式中，不同电压在切换时持续多个投影或者在多个投影采样间隔内连续变化。
所述的能谱图像重建方法，其中，在所述电压切换模式中，通过定位像图或X射线衰减值确定电压值，所述电压值为两个或多个。
所述的能谱图像重建方法，其中，所述对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像步骤具体包括：
以预设的初始图像为首轮迭代的初值进行正投和合成得到计算得出的投影数据；
当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据不满足收敛条件时，根据计算得出的投影数据与不同电压下的投影数据更新预设的初始图像，并将更新的初始图像作为初值代入下一轮迭代；
当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据满足收敛条件时，输出重建图像。
所述的能谱图像重建方法，其中，所述预设的初始图像根据物质衰减系数或CT值设定成不同基物质图相对。
所述的能谱图像重建方法，其中，所述收敛条件为：损失函数值小于预设值或者达到最大迭代次数，损失函数值通过如下公式计算：
其中，Cost(·)表示损失函数，Y表示不同电压下的投影数据，Imgwat表示水基图像，Imgiod表示碘基图像，∑表示求和操作，j表示测量的探测器的每个像素的数据的索引值，wj表示对应探测器的每个像素的数据误差的权重，Yj表示不同电压下索引值对应扫描位置的投影数据，FwYj(·)表示通过水基图像和碘基图像合成的索引值对应扫描位置的投影，β为常数，Reg(·)表示图像域的惩罚权重。
所述的能谱图像重建方法，其中，所述根据计算得出的投影数据与不同电压下的投影数据更新预设的初始图像具体为：
计算损失函数相对于重建图像的梯度；
根据损失函数相对于重建图像的梯度更新得到更新的初始图像。
所述的能谱图像重建方法，其中，所述损失函数相对于重建图像的梯度为：
所述更新的初始图像为：
其中，n表示更新次数，表示第n+1次更新的水基图像；表示第n+1次更新的碘基图像；表示第n次更新的水基图像，第n次更新的碘基图像，表示偏微分符号，dt表示更新步长。
一种能谱图像重建系统，其中，包括：处理器，以及与所述处理器连接的存储器，
所述存储器存储有能谱图像重建程序，所述能谱图像重建程序被所述处理器执行时实现以下步骤：
设定电压切换模式，获得不同电压下的扫描数据；
将不同电压下的扫描数据预处理形成不同电压下的投影数据；
对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像。
有益效果：由于通过电压切换模式和迭代重建方法相结合重建得到物质的能谱信息。一方面，可便于对扫描能谱能量分离的提高，因此将允许更快的扫描速度，获得更好的基物质图像的信噪比。另一方面，由于不需要对电压在每个时间采样上进行快速切换，对硬件的要求大大降低，因此可应用于传统的CT系统中。
附图说明
图1是本发明能谱图像重建方法的较佳实施例的流程图。
图2是本发明能谱图像重建系统较佳实施例功能原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供了一种能谱图像重建方法的较佳实施例：
虽然快速能谱切换虽然有很好的同时性以及低廉的成本，但是其切换速度也是有极限的。当切换速度越来越快时，由于球管电压存在一定的上升和下降时间，切换的能谱之间的差异将越来越小，导致重建图像的效果变差。在本发明中，我们认为双能扫描的能量分离比同时性更重要。同时性的问题，我们可以通过重建方法来弥补，但是能量分离直接影响到对不同物质的分辨能力，是软件解决不了的。因此，我们提出的技术，通过牺牲一部分的同时性，来提高能量分离，同时通过迭代重建方法，来解决高低能量采集同时性差的情况下带来的伪影。这项技术，可以以很低的成本，带来很高的能量分离，从而达到优良的双能重建图像。
本发明所提出的能谱图像重建方法是基于传统CT系统而提出的，主要是通过迭代重建技术来实现的，在硬件上没有任何更改。
如图1所示，本发明实施例所述一种能谱图像重建方法，包括以下步骤：
步骤S100、设定电压切换模式，获得不同电压下的扫描数据。
对于能谱成像来说，最关键的就是要获得不同能谱的物质信息。本发明通过常规CT系统实现灵活的电压切换的扫描方式来采集数据。常规高压灵活电压切换的扫描方式，这种扫描方式摆脱了对特殊硬件的限制，降低了硬件成本。
具体地，所述电压切换模式可预先设定或根据测量数据动态调整，在电压切换模式确定后，高压发生器不停地在两个电压之间切换以产生不同能量的X射线。每一个电压在被切换到另一个电压之前，会保持一段时间(比如1-10ms，较佳的，1-5ms)，持续多个投影。保持多个投影的目的是为了减少高压在上升和下降过程中对能量分离带来的影响，从而获得高的能量分离。当然，也可以在多个投影采样间隔内连续变化，同样可以减少高压在上升和下降过程中对能量分离带来的影响，从而获得高的能量分离。
电压切换模式可以从一个定位像图中计算得出，这个切换模式通过优化以后，可以是两个或多个电压，以达到最优的图像质量。定位像是一个物体的透视扫描，通过他可以近似的知道物体的尺寸，由此根据这个尺寸可以近似计算出达到最有信噪比所需要能量。对于尺寸大的物体采用高千伏电压(kvp)，对于尺寸小的部分采用低kvp，保证采集到的信号噪声基本一致。
现有技术中电压的切换只适用于在两个电压能谱之间的固定切换模式。本发明根据实时测量到的X射线衰减值来动态调节电压，通过调整高电压和低电压，可以获得最优的物质分解图像中的信噪比。由此，在不同角度或者不同位置投影测量，可以有两个或多个电压值来获取。因此，电压切换模式可以有很多种，例如采用连续变换的电压曲线，比如正弦曲线的电压变换方式等，变换的模式不一定需要具有周期性。
本发明采用一个常规的系统架构来采集能谱数据，例如，采用的是每隔5个采集角度切换一次球管的电压，低电压设置为80kv，高电压设置为100kv，对于常规1秒一圈采集1100个采集角度来说，切换频率只有100hz左右。
采用新的电压切换模式得到新的扫描方式，而新的扫描方式必须和新的能谱重建方法相结合才能够重建得到物质的能谱信息。由于对扫描能谱能量分离的提高，因此将允许更快的扫描速度，以及更好的基物质图像的信噪比。另外，由于本发明不需要对电压在每个时间采样上进行快速切换，对硬件的要求大大降低，因此在成本上也具有很大优势。
步骤S200、将不同电压下的扫描数据预处理形成不同电压下的投影数据。
具体地，采集的数据经过常规的校正得到投影数据。
步骤S300、对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得能谱图像。
步骤S300具体包括：
步骤S310、以预设的初始图像为首轮迭代的初值进行正投和合成得到计算得出的投影数据。
预设的初始图像可以设置成任意图像，例如，可以是空图像或预设图像。预设图像是先根据混合kV的投影数据进行传统重建，在得到的CT图像上，根据物质衰减系数或CT值设定成不同基物质图相对，比如水(软组织)和碘对，或这水(软组织)和骨对。迭代重建方法的目标图像(物质在某种物质对上的分解)可以是给定的两个基物质的图像，也可以是两个离散能量上面的单能图像，也可以是有效原子序数和有效物质密度图像，或者是其他在物理上能有效定义被成像物质的图像对。
通常的单能成像，因为只有一组测量，所以只能重建物质的密度的高低。如果采用不同能量的测量，那么就能衡量出更加丰富的物理信息，比如电子密度的信息，就能得到两种物体的信息(图像对)。这个在双能或者多能成像中是比较标准的做法，因此，即使物体的密度相同的不同物体，也能就能够分辨出来。
下面以水(软组织)和碘对为例进行说明。
步骤S320、当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据不满足收敛条件时，根据计算得出的投影数据与不同电压下的投影数据更新预设的初始图像，并将更新的初始图像作为初值代入下一轮迭代。
具体地，每次迭代的过程都是根据现有图像来合成能谱投影数据和测量的数据进行比较，根据比较的误差来计算图像更新的梯度方向。
更具体地，当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据不满足收敛条件时，根据计算得出的投影数据与不同电压下的投影数据更新初始图像。
其中，收敛条件为：损失函数值小于预设值。损失函数值按如下公式进行计算：
其中，Cost(·)表示损失函数，Cost(Y,Imgwat,Imgiod)表示不同电压下的投影数据和计算得出的投影数据的损失函数值，Y表示不同电压下的投影数据，Imgwat表示水基图像，Imgiod表示碘基图像，∑表示求和操作，j表示测量的探测器的每个像素的数据的索引值，wj表示对应探测器的每个像素的数据误差的权重，Yj表示不同电压下索引值对应扫描位置的投影数据，FwYj(·)表示通过水基图像和碘基图像合成的索引值对应扫描位置的投影，β为常数，Reg(·)表示图像域的惩罚权重。
所述根据计算得出的投影数据与不同电压下的投影数据更新预设的初始图像具体为：
第一、计算损失函数相对于重建图像的梯度；
损失函数相对于重建图像的梯度为：
n表示更新次数。在第一次迭代过程中，n为0，即尚未更新时，为预设的初始图像，也即水基图像Imgwat；为预设的初始图像，也即碘基图像Imgiod；表示第n次数更新的水基图像；第n次数更新的碘基图像。在第n次迭代过程中，Imgwat可由代替，Imgiod可由代替，以计算相应迭代过程中的损失函数相对于重建图像的梯度，Cost即损失函数。
第二、根据损失函数相对于重建图像的梯度更新得到更新的初始图像。
所述更新的初始图像为：
其中，表示偏微分符号，dt表示更新步长，通常dt为0.0001。表示第n+1次数更新的水基图像；表示第n+1次数更新的碘基图像。
采用的迭代重建方法将考虑到包含高压上升和下降过程的那些投影中的能谱变化。具体地，在正投模型中，每个角度的投影数据合成是基于当前的重建图像对，还有当前角度的kvp来合成投影的。
步骤S330、当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据满足收敛条件时，输出重建图像。
在收敛条件下，从CT图像上按照X射线的能谱计算得出的投影数据，将与同样角度同样位置上在对应的kV的测量数据保持一致。这个计算投影数据和测量投影数据之间的差异将在迭代过程中不断降低直到收敛到最低点或者某个阈值，或者达到最大迭代次数。为了加快收敛速度和提高图像质量，迭代过程中可以加入一些预设条件，比如图像的平滑度，图像的取值必须大于0等。
具体地，当损失函数值小于预设值时，将更新的初始图像作为重建图像输出。当然也可以根据图像质量、迭代次数以及更新误差等等决定是否继续进行迭代更新。如果不需要的话就停止迭代重建得到最后的重建图像。重建图像可以经过恰当的变换，形成各种被成像物体(病人)所具有的物理特性图像以供用户查看，例如，可以直接存储成dicom图像供医生查看。通常医生看到的图像就是水基图像，因为是单能成像所以没有碘基图像。
请同时参阅图1-图2，本发明提供了一种能谱图像重建系统的较佳实施例：
一种能谱图像重建系统包括：处理器10，以及与所述处理器10连接的存储器20，
所述存储器20存储有能谱图像重建程序，所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时实现以下步骤：
设定电压切换模式，获得不同电压下的扫描数据；
将不同电压下的扫描数据预处理形成不同电压下的投影数据；
对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像；具体如上所述。
所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时：
所述电压切换模式可预先设定或根据测量数据动态调整，具体如上所述。
所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时：
在所述电压切换模式中，不同电压在切换时持续多个投影或者在多个投影采样间隔内连续变化，具体如上所述。
所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时：
在所述电压切换模式中，通过定位像图或X射线衰减值确定电压值，所述电压值为两个或多个，具体如上所述。
所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时，还实现以下步骤：
以预设的初始图像为首轮迭代的初值进行正投和合成得到计算得出的投影数据；
当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据不满足收敛条件时，根据计算得出的投影数据与不同电压下的投影数据更新预设的初始图像，并将更新的初始图像作为初值代入下一轮迭代；
当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据满足收敛条件时，输出重建图像；具体如上所述。
所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时：
所述预设的初始图像根据物质衰减系数或CT值设定成不同基物质图相对，具体如上所述。
所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时：
所述收敛条件为：损失函数值小于预设值，
其中，Cost(·)表示损失函数，Y表示不同电压下的投影数据，Imgwat表示水基图像，Imgiod表示碘基图像，∑表示求和操作，j表示测量的探测器的每个像素的数据的索引值，wj表示对应探测器的每个像素的数据误差的权重，Yj表示不同电压下索引值对应扫描位置的投影数据，FwYj(·)表示通过水基图像和碘基图像合成的索引值对应扫描位置的投影，β为常数，Reg(·)表示图像域的惩罚权重，具体如上所述。
所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时，还实现以下步骤：
计算损失函数相对于重建图像的梯度；
根据损失函数相对于重建图像的梯度更新得到更新的初始图像，具体如上所述。
所述能谱图像重建程序被所述处理器10执行时：
所述损失函数相对于重建图像的梯度为：
所述更新的初始图像为：
其中，n表示更新次数，表示第n+1次更新的水基图像；表示第n+1次更新的碘基图像；表示第n次更新的水基图像，第n次更新的碘基图像，表示偏微分符号，dt表示更新步长，具体如上所述。
综上所述，本发明所提供的一种能谱图像重建方法及系统，所述方法包括步骤：设定电压切换模式，获得不同电压下的扫描数据；将不同电压下的扫描数据预处理形成不同电压下的投影数据；对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像。由于通过电压切换模式和迭代重建方法相结合重建得到物质的能谱信息。一方面，可便于对扫描能谱能量分离的提高，因此将允许更快的扫描速度，获得更好的基物质图像的信噪比。另一方面，由于不需要对电压在每个时间采样上进行快速切换，对硬件的要求大大降低，因此可应用于传统的CT系统中。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种能谱图像重建方法，其特征在于，包括步骤：
设定电压切换模式，获得不同电压下的扫描数据；
将不同电压下的扫描数据预处理形成不同电压下的投影数据；
对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像。
2.根据权利要求1所述的能谱图像重建方法，其特征在于，所述电压切换模式可预先设定或根据测量数据动态调整。
3.根据权利要求1所述的能谱图像重建方法，其特征在于，在所述电压切换模式中，不同电压在切换时持续多个投影或者在多个投影采样间隔内连续变化。
4.根据权利要求1所述的能谱图像重建方法，其特征在于，在所述电压切换模式中，通过定位像图或X射线衰减值确定电压值，所述电压值为两个或多个。
5.根据权利要求1所述的能谱图像重建方法，其特征在于，所述对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像步骤具体包括：
以预设的初始图像为首轮迭代的初值进行正投和合成得到计算得出的投影数据；
当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据不满足收敛条件时，根据计算得出的投影数据与不同电压下的投影数据更新预设的初始图像，并将更新的初始图像作为初值代入下一轮迭代；
当计算得出的投影数据和不同电压下的投影数据满足收敛条件时，输出重建图像。
6.根据权利要求5所述的能谱图像重建方法，其特征在于，所述预设的初始图像根据物质衰减系数或CT值设定成不同基物质图相对。
7.根据权利要求5所述的能谱图像重建方法，其特征在于，所述收敛条件为：损失函数值小于预设值或者达到最大迭代次数，损失函数值通过如下公式计算：
其中，Cost(·)表示损失函数，Y表示不同电压下的投影数据，Imgwat表示水基图像，Imgiod表示碘基图像，∑表示求和操作，j表示测量的探测器的每个像素的数据的索引值，wj表示对应探测器的每个像素的数据误差的权重，Yj表示不同电压下索引值对应扫描位置的投影数据，FwYj(·)表示通过水基图像和碘基图像合成的索引值对应扫描位置的投影，β为常数，Reg(·)表示图像域的惩罚权重。
8.根据权利要求7所述的能谱图像重建方法，其特征在于，所述根据计算得出的投影数据与不同电压下的投影数据更新预设的初始图像具体为：
计算损失函数相对于重建图像的梯度；
根据损失函数相对于重建图像的梯度更新得到更新的初始图像。
9.根据权利要求8所述的能谱图像重建方法，其特征在于，所述损失函数相对于重建图像的梯度为：
所述更新的初始图像为：
其中，n表示更新次数，表示第n+1次更新的水基图像；表示第n+1次更新的碘基图像；表示第n次更新的水基图像，第n次更新的碘基图像，表示偏微分符号，dt表示更新步长。
10.一种能谱图像重建系统，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器连接的存储器，
所述存储器存储有能谱图像重建程序，所述能谱图像重建程序被所述处理器执行时实现以下步骤：
设定电压切换模式，获得不同电压下的扫描数据；
将不同电压下的扫描数据预处理形成不同电压下的投影数据；
对不同电压下的投影数据进行迭代重建获得重建图像。
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