CN109801243A - 材料成像权重的确定方法、装置、介质及电子设备 - Google Patents

材料成像权重的确定方法、装置、介质及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种成像方法、装置、介质及电子设备，包括：获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声；基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数；最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数。本发明实施例的技术方案通过能量加权之后，低能量区间对成像贡献更大，图像信噪比获得提升，利用采集到的光子分布信息以及光子在不同材料内的衰减曲线特征，计算出了能区内的x射线等效衰减系数，使得计算更加精确。

Description

材料成像权重的确定方法、装置、介质及电子设备
技术领域
本发明涉及投影域能量权重成像技术领域，具体而言，涉及一种材料成像权重的确定方法、装置、介质及电子设备。
背景技术
目前，传统的投影域能量权重成像方法进行成像时，没有针对不同种类的材料来探究目标与背景密度差异对权重因子变化趋势的影响；并且，由于人们多采用模拟的方法，材料尺寸是已知的，因此目标物厚度测量值与实际值的差异对成像结果的影响同样没有较为深入的研究。除此之外，目前在计算权重因子时没有考虑实际中的光谱分布信息。
基于投影域的权重成像方法在计算权重因子时需要能量区间内的材料等效衰减系数以及目标物的厚度，而目前关于能量权重成像的研究主要采用蒙特卡洛模拟，因此物质厚度是已知的；然而，实际应用中扫描的对象是不规则且难以直接测量的，从断层成像上估算目标物尺寸会增加交互性操作，降低投影域方案的实用性。因此传统方法没有关注厚度参数对能量权重的影响，使得这种方案在应用中缺少一定的可行性。另外，由于光子的衰减系数随能量的变化是非线性的，并且出射光中每一个单色能量下的光子数也是不同的。因此只考虑μ数值上的变化难以估计等效值，会使得计算结果不够准确。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种材料成像权重的确定方法、装置、介质及电子设备，进而至少在一定程度上克服相关技术中计算结果不够准确等一个或多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种材料成像权重的确定方法，包括：
获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声；
基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数；
最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数。
在本发明的一个实施例中，上述获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声，还包括：
采集电磁波中光子的分布数据和电磁波中光子在过目标材料内的衰减曲线特征数据；
基于光子的分布数据和衰减曲线特征数据，计算出在预设能量区间内电磁波的等效衰减系数。
在本发明的一个实施例中，上述基于光子的分布数据和衰减曲线特征数据，计算出在预设能量区间内电磁波的等效衰减系数，包括：
通过公式：
计算出在预设能量区间内电磁波的等效衰减系数；其中，μi表示等效衰减系数，μ(E)表示能量为E的电磁波中的光子衰减系数，N0(E)表示能量为E的电磁波中光子的计数。
在本发明的一个实施例中，上述获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声，包括：
通过Sb,c(E)＝ω(E)Nb,c(E)表示电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号；
通过表示电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的噪声；其中，Nb,c(E)表示能量为E的电磁波穿过目标材料的平均光子数，ω(E)表示权重系数。
在本发明的一个实施例中，上述基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数，包括：
基于信号和噪声，将目标材料的信噪比函数表示为：
其中，ω(E)表示权重系数，Nb(E)表示能量为E的电磁波穿过非目标材料的平均光子数，Nc(E)表示能量为E的电磁波穿过目标材料的平均光子数。
在本发明的一个实施例中，上述最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数，包括：
最大化信噪比函数后，获得目标材料的权重系数计算公式：
其中，E(i)表示第i个能量区间的能量积分范围，N0表示光子的分布，Ni表示第i个能量区间下光子的计数，c为常数，用于表征目标材料的厚度。
根据本发明实施例的第二方面，提供了材料成像权重的确定装置，包括：
探测模块，用于获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声；
构建模块，用于基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数；
确定模块，用于最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数。
在本发明的一个实施例中，上述确定模块具体用于：
最大化信噪比函数后，获得目标材料的权重系数计算公式：
其中，E(i)表示第i个能量区间的能量积分范围，N0表示光子的分布，Ni表示第i个能量区间下光子的计数，c为常数，用于表征目标材料的厚度。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，上述程序被处理器执行时实现如上述实施例中第一方面的材料成像权重的确定方法。
根据本发明实施例的第四方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现如上述实施例中第一方面的材料成像权重的确定方法。
本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例提供了一种材料成像权重的确定方法、装置、介质及电子设备，包括：获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声；基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数；最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数。本发明实施例的技术方案通过能量加权之后，低能量区间对成像贡献更大，图像信噪比获得提升，利用采集到的光子分布信息以及光子在不同材料内的衰减曲线特征，计算出了能区内的x射线等效衰减系数，使得计算更加精确。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示意性示出了根据本发明的一个实施例的材料成像权重的确定方法流程图；
图2示意性的示出了根据本发明的一个实施例的不同材料权重系数变化曲线；
图3(a)示意性示出了根据本发明的一个实施例的PMMA和骨骼的权重系数在不同能量区间下的变化趋势；
图3(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的乳腺和PVC的权重系数在不同能量区间下的变化趋势；
图4(a)示意性示出了根据本发明的一个实施例所提出的材料成像权重的确定方法进行投影域能量权重成像下积分型重建结果的示意图；
图4(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例所提出的材料成像权重的确定方法进行投影域能量权重成像下普通计数型重建结果的示意图；
图4(c)示意性示出了根据本发明的一个实施例所提出的材料成像权重的确定方法进行投影域能量权重成像重建结果的示意图；
图5示意性示出了根据本发明的一个实施例的材料成像权重的确定装置的框图；
图6示出了适于用来实现本发明实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
图1示意性示出了根据本发明的一个实施例的材料成像权重的确定方法流程图。
参照图1所示，根据本发明的一个实施例的材料成像权重的确定方法，包括如下步骤：
步骤S110，获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声。
在本发明的一个实施例中，上述获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声，还包括：
采集电磁波中光子的分布数据和电磁波中光子在过目标材料内的衰减曲线特征数据；
基于光子的分布数据和衰减曲线特征数据，计算出在预设能量区间内电磁波的等效衰减系数。
在本发明的一个实施例中，上述基于光子的分布数据和衰减曲线特征数据，计算出在预设能量区间内电磁波的等效衰减系数，包括：
通过公式：
计算出在预设能量区间内电磁波的等效衰减系数；其中，μi表示等效衰减系数，μ(E)表示能量为E的电磁波中的光子衰减系数，N0(E)表示能量为E的电磁波中光子的计数。
在本发明的一个实施例中，上述获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声，包括：
通过Sb,c(E)＝ω(E)Nb,c(E)表示电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号；
通过表示电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的噪声；其中，Nb,c(E)表示能量为E的电磁波穿过目标材料的平均光子数，ω(E)表示权重系数。
步骤S120，基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数。
在本发明的一个实施例中，上述基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数，包括：
基于信号和噪声，将目标材料的信噪比函数表示为：
其中，ω(E)表示权重系数，Nb(E)表示能量为E的电磁波穿过非目标材料的平均光子数，Nc(E)表示能量为E的电磁波穿过目标材料的平均光子数。
步骤S130，最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数。
在本发明的一个实施例中，上述最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数，包括：
最大化信噪比函数后，获得目标材料的权重系数计算公式：
其中，E(i)表示第i个能量区间的能量积分范围，N0表示光子的分布，Ni表示第i个能量区间下光子的计数，c为常数，用于表征目标材料的厚度。
图2示意性的示出了根据本发明的一个实施例的不同材料权重系数变化曲线。
参照图2所示，根据原子序数(密度)的不同选择了五种材料分析权重因子，其中水作为基底材料，脂肪、乳腺、PVC、骨骼作为目标材料，运用已知材料的衰减信息，模拟出各目标材料权重系数的理论值，骨骼和PVC等原子序数较高的材料在低能量下的权重较低，且权重变化较为平缓。PMMA及软组织等原子序数较低的材料低能区权重系数较高，且变化较快。
图3(a)示意性示出了根据本发明的一个实施例的PMMA和骨骼的权重系数在不同能量区间下的变化趋势。
图3(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的乳腺和PVC的权重系数在不同能量区间下的变化趋势。
参照图3(a)和图3(b)所示，权重因子随材料厚度的变化趋势同样呈现出两种特点，骨骼和PVC材料的密度较高，当材料厚度在10mm以内时，权重因子对厚度的变化响应较强，随着厚度的增大，权重很快收敛到同一个数值。这是由目标材料与背景材料的吸收系数差异较大所造成的。乳腺和PMMA的权重因子对d不敏感；厚度从1增加到50mm，四个能区的权重系数变化均不大。通过上述分析表明，基于投影域的能量权重成像过程中，目标物厚度的误差对低原子序数材料的成像结果影响较小。
图4(a)示意性示出了根据本发明的一个实施例所提出的材料成像权重的确定方法进行投影域能量权重成像下积分型重建结果的示意图，图4(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例所提出的材料成像权重的确定方法进行投影域能量权重成像下普通计数型重建结果的示意图，图4(c)示意性示出了根据本发明的一个实施例所提出的材料成像权重的确定方法进行投影域能量权重成像重建结果的示意图，其中，在能量区间为60kvp下，实验选用模体的背景材料为聚碳酸酯，目标材料分别为骨骼模拟物、特氟龙、高密度聚乙烯、脂肪模拟物(Fat)、肌肉模拟物、水等效环氧树脂。
通过对比上述图4(a)、图4(b)以及图4(c)，经过投影域权重成像之后的图像对比度获得了一定的提升；此外从结果可以看出，基于投影域的能量权重成像与积分型CT和普通技术型CT相比，可以提升图像信噪比。
以下介绍本发明的装置实施例，可以用于执行本发明上述的材料成像权重的确定方法。
图5示意性示出了根据本发明的一个实施例的材料成像权重的确定装置的框图。
参照图5所示，根据本发明的一个实施例的材料成像权重的确定装置500，包括：
探测模块501，用于获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声；
构建模块502，用于基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数；
确定模块503，用于最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数。
在本发明的一个实施例中，上述确定模块503具体用于：
最大化信噪比函数后，获得目标材料的权重系数计算公式：
其中，E(i)表示第i个能量区间的能量积分范围，N0表示光子的分布，Ni表示第i个能量区间下光子的计数，c为常数，用于表征目标材料的厚度。
由于本发明的示例实施例的材料成像权重的确定装置的各个功能模块与上述第一方面的材料成像权重的确定方法的示例实施例的步骤对应，因此对于本发明装置实施例中未披露的细节，请参照本发明上述的第一方面的材料成像权重的确定方法。
下面参考图6，其示出了适于用来实现本发明实施例的电子设备的计算机系统600的结构示意图。图6示出的电子设备的计算机系统600仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图6所示，计算机系统600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 603中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM 602以及RAM 603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。
以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)601执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中的材料成像权重的确定方法。
例如，上述的电子设备可以实现如图1中所示的：步骤S110，获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声；步骤S120，基于信号和噪声，构建目标材料的信噪比函数；步骤S130，最大化信噪比函数，确定出目标材料的权重系数。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种材料成像权重的确定方法，其特征在于，包括：
获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声；
基于所述信号和噪声，构建所述目标材料的信噪比函数；
最大化所述信噪比函数，确定出所述目标材料的权重系数。
2.根据权利要求1所述的材料成像权重的确定方法，其特征在于，所述获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声，还包括：
采集所述电磁波中光子的分布数据和所述电磁波中光子在过所述目标材料内的衰减曲线特征数据；
基于所述光子的分布数据和所述衰减曲线特征数据，计算出在所述预设能量区间内电磁波的等效衰减系数。
3.根据权利要求2所述的材料成像权重的确定方法，其特征在于，所述基于所述光子的分布数据和所述衰减曲线特征数据，计算出在所述预设能量区间内电磁波的等效衰减系数，包括：
通过公式：
计算出在所述预设能量区间内电磁波的等效衰减系数；其中，μi表示等效衰减系数，μ(E)表示能量为E的电磁波中的光子衰减系数，N0(E)表示能量为E的电磁波中光子的计数。
4.根据权利要求1所述的材料成像权重的确定方法，其特征在于，所述获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声，包括：
通过Sb,c(E)＝ω(E)Nb,c(E)表示电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号；
通过表示电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的噪声；其中，Nb,c(E)表示能量为E的电磁波穿过所述目标材料的平均光子数，ω(E)表示权重系数。
5.根据权利要求1所述的材料成像权重的确定方法，其特征在于，所述基于所述信号和噪声，构建所述目标材料的信噪比函数，包括：
基于所述信号和噪声，将所述目标材料的信噪比函数表示为：
其中，ω(E)表示权重系数，Nb(E)表示能量为E的电磁波穿过非目标材料的平均光子数，Nc(E)表示能量为E的电磁波穿过目标材料的平均光子数。
6.根据权利要求1所述的材料成像权重的确定方法，其特征在于，所述最大化所述信噪比函数，确定出所述目标材料的权重系数，包括：
最大化所述信噪比函数后，获得所述目标材料的权重系数计算公式：
其中，E(i)表示第i个能量区间的能量积分范围，N0表示光子的分布，Ni表示第i个能量区间下光子的计数，c为常数，用于表征目标材料的厚度。
7.一种材料成像权重的确定装置，其特征在于，包括：
探测模块，用于获得电磁波在预设能量区间下穿过目标材料的信号和噪声；
构建模块，用于基于所述信号和噪声，构建所述目标材料的信噪比函数；
确定模块，用于最大化所述信噪比函数，确定出所述目标材料的权重系数。
8.根据权利要求7所述的材料成像权重的确定装置，其特征在于，所述确定模块具体用于：
最大化所述信噪比函数后，获得所述目标材料的权重系数计算公式：
其中，E(i)表示第i个能量区间的能量积分范围，N0表示光子的分布，Ni表示第i个能量区间下光子的计数，c为常数，用于表征目标材料的厚度。
9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的材料成像权重的确定方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至6中任一项所述的材料成像权重的确定方法。
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