CN113237903B - 基于双层平板探测器锥束ct的散射校正方法及装置 - Google Patents
基于双层平板探测器锥束ct的散射校正方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法及装置,该方法包括:采集第一平板探测器和第二平板探测器上扫描物体的扫描数据;建立第一平板探测器和第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,建立第一平板探测器和第二平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系;根据第一关系和第二关系求解第一平板探测器和第二平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到第一平板探测器和第二平板探测器探测到的散射射线强度;去除扫描数据中的散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对扫描物体进行重建。由此,去除扫描数据中的散射数据,从而保证双层平板探测器物质分解的有效性。
Description
技术领域
本申请涉及辐射成像技术领域,特别涉及一种基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法及装置。
背景技术
利用X射线的衰减特性观察物体的内部结构,CT成像在医学诊断领域发挥着重要的作用。一个组织的线性衰减系数取决于它的有效原子序数,质量密度和X射线束的有效能量。在给定X射线能量下,如果一种材料具有较高的有效原子系数,而另外一种材料具有较高的质量密度,这两种不同材料就有可能具有相同的衰减。CT设备无法准确的分辨出衰减相近的不同材料,为CT图像的识别与诊断带来困难。1973年,Godfrey Hounsfield提出用两种能谱分别扫描同一切片,可以有效地区分CT值相近的不同材料,双能CT的研究也由此逐渐展开。
相比于传统CT按照等效衰减系数重建物质,双能CT利用物质在不同X射线能量下吸收能力的差异,提供物质的有效原子序数和电子密度,从而更准确的重建出物质基本组成成分,提高诊断,同时在抑制射束硬化伪影、降低辐射剂量等方面也有一定优势。目前实现双能CT的主要方式包括重复进行两次不同能谱的扫描、双源双探测器、快速千伏切换技术、双层平板探测器技术等,这些技术都各有随系统设置有其不同的优势与劣势。
基于平板探测器的锥束CT(cone beam CT,CBCT)射线利用率高、分辨率高、各向同性、结构简单和便于小型化等,已经成为现代CT设备的一个重要发展方向。现已广泛应用于图像引导放射治疗(IGRT)、口腔/头部疾病诊断、小动物三维成像和图像引导介入式手术等领域中,发挥着不可或缺的重要作用。CBCT辐照视野较大,探测器接收散射射线的概率较高。散射射线会造成重建图像的杯状、高衰减物质间的条形或带状等伪影,使得图像对比度降低以及CT值不准等,成为制约其发展和应用的关键因素。
多能锥束CT相关成像理论与应用研究也不断深入。双层平板探测器实验机也已出现在市场。双层平板探测器中,由于探测器内部串扰等,第一层接收的散射比重进一步加大,散射透射比高于第二层很多。由于散射问题严重,传统投影域分解方法不能直接应用于双层投影数据。因此。亟需发展更精确的散射校正模型和方法,从而保证双层平板探测器物质分解的有效性。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此,本申请的一个目的在于提出一种基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法,该方法可以去除扫描数据中的散射射线数据,保证双层平板探测器物质分解的有效性。
本申请的另一个目的在于提出一种基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置。
为达到上述目的,本申请一方面实施例提出了一种基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法,包括以下步骤:
采集第一平板探测器和第二平板探测器上扫描物体的扫描数据;
建立所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,建立所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的投影数据与所述每层散射光子等效能量之间的第二关系;
根据所述第一关系和所述第二关系求解所述第一平板探测器和第二平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度,
去除所述扫描数据中的所述散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对所述扫描物体进行重建。
本申请实施例的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法,通过建立两层平板探测器的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,以及两层平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系;根据第一关系和第二关系求解两层平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到两层平板探测器探测到的散射射线强度,去除扫描数据中的散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对扫描物体进行重建,从而保证双层平板探测器物质分解的有效性。
另外,根据本申请上述实施例的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本申请的一个实施例中,所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系为:
其中,Is1为第一平板探测器的散射射线强度,Is2为第二平板探测器的散射射线强度,和表示探测器材料在该能量下的衰减系数,D1为第一平板探测器的厚度,D2为第二平板探测器的厚度,为第一层平板探测器的散射光子等效能量,为第二层平板探测器的散射光子等效能量,为和之间的关系函数。
进一步地,在本申请的一个实施例中,所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的投影数据与所述每层散射光子等效能量之间的第二关系为:
进一步地,在本申请的一个实施例中,所述第一平板探测器和第二平板探测器探测的射线总强度为射线透射强度与射线散射强度的总和,包括:
It1=Ip1+Is1=I0e-ul+Is1
其中,μ为所述扫描物体在初射能谱下线衰减系数,l为扫描物体长度,lt1为第一平板探测器的探测到的射线总强度,It2为第二平板探测器探测到的射线总强度,Ip1为第一平板探测器的射线透射强度,Ip2为第二平板探测器的射线透射强度,Is1为第一平板探测器的散射射线强度,Is2为第二平板探测器的散射射线强度,I0为已知的初始射线强度,um1为已知的第一层平板探测器晶体材料在主束能量下的线衰减系数,D1为第一平板探测器的厚度。
进一步地,在本申请的一个实施例中,还包括:
对计算得到的所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的散射射线强度进行低频滤波处理。
为达到上述目的,本申请另一方面实施例提出了一种基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置,包括:
采集模块,用于采集第一平板探测器和第二平板探测器上扫描物体的扫描数据;
建立模块,用于建立所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,建立所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的投影数据与所述每层散射光子等效能量之间的第二关系;
计算模块,用于根据所述第一关系和所述第二关系求解所述第一平板探测器和第二平板探测器探测到的关于射线总强度的总和,得到所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度;
校正模块,用于去除所述扫描数据中的所述散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对所述扫描物体进行重建。
本申请实施例的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置,通过建立两层平板探测器的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,以及两层平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系;根据第一关系和第二关系求解两层平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到两层平板探测器探测到的散射射线强度,去除扫描数据中的散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对扫描物体进行重建,从而保证双层平板探测器物质分解的有效性。
另外,根据本申请上述实施例的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本申请的一个实施例中,所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系为:
其中,Is1为第一平板探测器的散射射线强度,Is2为第二平板探测器的散射射线强度,和表示探测器材料在该能量下的衰减系数,D1为第一平板探测器的厚度,D2为第二平板探测器的厚度,为第一层平板探测器的散射光子等效能量,为第二层平板探测器的散射光子等效能量,为和之间的关系函数。
进一步地,在本申请的一个实施例中,所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的投影数据与所述每层散射光子等效能量之间的第二关系为:
进一步地,在本申请的一个实施例中,所述第一平板探测器和第二平板探测器探测到的射线总强度为射线透射强度与射线散射强度的总和,包括:
It1=Ip1+Is1=I0e-ul+Is1
其中,μ为所述扫描物体在初射能谱下线衰减系数,l为扫描物体长度,It1为第一平板探测器的探测到的射线总强度,It2为第二平板探测器探测到的射线总强度,Ip1为第一平板探测器的射线透射强度,Ip2为第二平板探测器的射线透射强度,Is1为第一平板探测器的散射射线强度,Is2为第二平板探测器的散射射线强度,I0为已知的初始射线强度,um1为已知的第一层平板探测器晶体材料在主束能量下的线衰减系数,D1为第一平板探测器的厚度。
进一步地,在本申请的一个实施例中,还包括:处理模块,用于对计算得到的所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的散射射线强度进行低频滤波处理。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为根据本申请一个实施例的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法流程图;
图2为根据本申请一个实施例的双层探测器锥束CT系统示意图;
图3为根据本申请一个实施例的双层探测器锥束CT系统成像平面示意图;
图4为根据本申请一个实施例的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。
下面参照附图描述根据本申请实施例提出的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法及装置。
首先将参照附图描述根据本申请实施例提出的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法。
图1为根据本申请一个实施例的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法流程图。
如图1所示,该基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法包括以下步骤:
步骤S1,采集第一平板探测器和第二平板探测器上扫描物体的扫描数据。
本申请适用于基于双层平板探测器的锥束CT系统,构造示意图以及成像平面示意图如图2和3所示,通过图2和图3所示的系统采集扫描物体的扫描数据。
步骤S2,建立第一平板探测器和第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,建立第一平板探测器和第二平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系。
大量的X射线经过扫描物体时有部分会发生散射,使得第一层与第二层探测器接收到的信号不全部来自透射射线,同时也接收到已经改变路线的散射射线,这些散射射线若不能很好地去除,则会造成重建图像出现伪影,影响成像性能和物质甄别及诊断等。
根据CT成像理论,第一层与第二层探测器接收到的X射线总强度是X射线透射强度与散射强度的总和,其关系式可表示为:
It1=Ip1+Is1=I0e-ul+Is1 (1)
其中,μ为扫描物体在初射能谱下线衰减系数,l为扫描物体长度,这里假设被扫描物体为单一物质,It1为第一平板探测器的探测到的射线总强度,It2为第二平板探测器探测到的射线总强度,Ip1为第一平板探测器的射线透射强度,Ip2为第二平板探测器的射线透射强度,Is1为第一平板探测器的散射射线强度,Is2为第二平板探测器的散射射线强度,I0为已知的初始射线强度,um1为已知的第一层平板探测器晶体材料在主束能量下的线衰减系数,D1为第一平板探测器的厚度。
由上述公式可知,在散射射线影响下,通常以双层探测器采集到的2组数据(It1和It2),不足以求解3个未知数(l,Is1和Is2)。但是,如果能准确找到Is1和Is2的内在物理关联,则上述方程则有望求解。
因此本申请的实施例构建了两层平板探测器之间散射强度关联的模型,其中,两层探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量有关。假设到达第一层探测器之前的散射能谱为Ss(E),则第一层与第二层探测到的散射射线强度可分别表示为:
两式相比得:
该式为第一平板探测器和第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,其中,Is1为第一平板探测器的散射射线强度,Is2为第二平板探测器的散射射线强度,和表示探测器材料在该能量下的衰减系数,D1为第一平板探测器的厚度,D2为第二平板探测器的厚度,为第一层平板探测器的散射光子等效能量,为第二层平板探测器的散射光子等效能量,为和之间的关系函数。
假设散射光子等效能量与投影数据有关系,进一步建立第一平板探测器和第二平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系,为:
其中,p1为第一平板探测器的投影数据,p2为第二平板探测器的投影数据,通过实验或数值模拟可以近似得到散射光子等效能量与两层投影数据之间关系的函数,为第一层平板探测器的散射光子等效能量,为第二层平板探测器的散射光子等效能量。
步骤S3,根据第一关系和第二关系求解第一平板探测器和第二平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到第一平板探测器和第二平板探测器探测到的散射射线强度。
步骤S4,去除扫描数据中的散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对扫描物体进行重建。
可选地,在本申请的一个实施例中,还包括:
对计算得到的第一平板探测器和第二平板探测器的散射射线强度进行低频滤波处理。
结合方程(6)(7)即可以得到两层散射强度关系函数的值,代入方程(1)(2),则可以计算出射线散射的值。考虑到散射光子以低频成分为主,可以对求出的散射分布做一个低频滤波处理。在计算出双层平板探测器的散射分布之后,即可将其从测量数据中去除,进而进行常规的图像重建等操作。
可以理解的是,本申请的实施例提出双层平板探测器中射线散射的强度Is1和Is2之间存在很强的物理关系,这种物理关系可以用它们的散射等效能量来表征。由于双层探测器中的散射等效能量,是由射线与被扫描物体的相互作用决定的。考虑到散射的低频性,提出利用双层平板探测器的投影数据来估计一个特定系统的散射等效能量。通过测量获得的双层投影数据和系统物理模型,计算两层探测器中散射强度之间比值关系,然后利用被扫描物体单一物质假设和散射低频性,估计双层平板探测器采集数据中的散射值,最后再将散射去除后,进行其他正常的数据处理或图像重建等工作。
下面通过一个具体实施里描述本申请实施例的方法。
其次,利用高低能探测到的射线总强度,两层散射之间的关系,以及散射的低频性,求解方程,得到散射分布和散射去除后的测量数据,进而计算散射去除后的主束投影数据。
最后,由得到的主束投影数据,进行常规的数据处理或图像重建。
需要说明的是,本申请的实施例既适用于双层平板探测器CT扫描成像,也可以直接用于双层平板探测器透射成像。
根据本申请实施例提出的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法,通过建立两层平板探测器的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,以及两层平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系;根据第一关系和第二关系求解两层平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到两层平板探测器探测到的散射射线强度,去除扫描数据中的散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对扫描物体进行重建,从而保证双层平板探测器物质分解的有效性。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置。
图4为根据本申请一个实施例的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置结构示意图。
如图4所示,该基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置包括:采集模块401、建立模块402、计算模块403和校正模块404。
采集模块401,用于采集第一平板探测器和第二平板探测器上扫描物体的扫描数据。
建立模块401,用于建立第一平板探测器和第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,建立第一平板探测器和第二平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系。
计算模块402,用于根据第一关系和第二关系求解第一平板探测器和第二平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到第一平板探测器和第二平板探测器探测到的散射射线强度。
校正模块403,用于去除扫描数据中的散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对扫描物体进行重建。
可选地,在本申请的一个实施例中,第一平板探测器和第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系为:
其中,Is1为第一平板探测器的散射射线强度,Is2为第二平板探测器的散射射线强度,和表示探测器材料在该能量下的衰减系数,D1为第一平板探测器的厚度,D2为第二平板探测器的厚度,为第一层平板探测器的散射光子等效能量,为第二层平板探测器的散射光子等效能量,为和之间的关系函数。
可选地,在本申请的一个实施例中,第一平板探测器和第二平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系为:
可选地,在本申请的一个实施例中,第一平板探测器和第二平板探测器探测到的射线总强度为射线透射强度与射线散射强度的总和,包括:
It1=Ip1+Is1=I0e-ul+Is1
其中,μ为扫描物体在初射能谱下线衰减系数,l为扫描物体长度,It1为第一平板探测器的探测到的射线总强度,It2为第二平板探测器探测到的射线总强度,Ip1为第一平板探测器的射线透射强度,Ip2为第二平板探测器的射线透射强度,Is1为第一平板探测器的散射射线强度,Is2为第二平板探测器的散射射线强度,I0为已知的初始射线强度,um1为已知的第一层平板探测器晶体材料在主束能量下的线衰减系数,D1为第一平板探测器的厚度。
可选地,在本申请的一个实施例中,还包括:处理模块405,用于对计算得到的第一平板探测器和第二平板探测器的散射射线强度进行低频滤波处理。
需要说明的是,前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置,此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置,通过建立两层平板探测器的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,以及两层平板探测器的投影数据与每层散射光子等效能量之间的第二关系;根据第一关系和第二关系求解两层平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到两层平板探测器探测到的散射射线强度,去除扫描数据中的散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对扫描物体进行重建,从而保证双层平板探测器物质分解的有效性。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本申请的限制,本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种基于双层平板探测器锥束CT的散射校正方法,其特征在于,包括以下步骤:
采集第一平板探测器和第二平板探测器上扫描物体的扫描数据;
建立所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,建立所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的投影数据与所述每层散射光子等效能量之间的第二关系;
根据所述第一关系和所述第二关系求解所述第一平板探测器和第二平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度;
去除所述扫描数据中的所述散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对所述扫描物体进行重建;
所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系为:
其中,为第一平板探测器的散射射线强度,为第二平板探测器的散射射线强度,和表示探测器材料在该能量下的衰减系数,为第一平板探测器的厚度,为第二平板探测器的厚度,为第一层平板探测器的散射光子等效能量,为第二层平板探测器的散射光子等效能量,为和之间的关系函数;
所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的投影数据与所述每层散射光子等效能量之间的第二关系为:
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括:
对计算得到的所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的散射射线强度进行低频滤波处理。
4.一种基于双层平板探测器锥束CT的散射校正装置,其特征在于,包括:
采集模块,用于采集第一平板探测器和第二平板探测器上扫描物体的扫描数据;
建立模块,用于建立所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系,建立所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的投影数据与所述每层散射光子等效能量之间的第二关系;
计算模块,用于根据所述第一关系和所述第二关系求解所述第一平板探测器和第二平板探测器探测到的关于射线总强度的方程,得到所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度;
校正模块,用于去除所述扫描数据中的所述散射射线强度,以利用去除后的扫描数据对所述扫描物体进行重建;
所述第一平板探测器和所述第二平板探测器探测到的散射射线强度与每层散射光子等效能量之间的第一关系为:
其中,为第一平板探测器的散射射线强度,为第二平板探测器的散射射线强度,和表示探测器材料在该能量下的衰减系数,为第一平板探测器的厚度,为第二平板探测器的厚度,为第一层平板探测器的散射光子等效能量,为第二层平板探测器的散射光子等效能量,为和之间的关系函数;
所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的投影数据与所述每层散射光子等效能量之间的第二关系为:
6.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,还包括:处理模块,用于对计算得到的所述第一平板探测器和所述第二平板探测器的散射射线强度进行低频滤波处理。
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