CN114565695A - 一种双能ct图像重建方法、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

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CN114565695A CN202210206582.3A CN202210206582A CN114565695A CN 114565695 A CN114565695 A CN 114565695A CN 202210206582 A CN202210206582 A CN 202210206582A CN 114565695 A CN114565695 A CN 114565695A
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Abstract

本发明涉及医学影像领域，尤其涉及一种双能CT图像重建方法、系统及计算机可读存储介质。包括步骤：基于CT成像系统分别获取管电压值为KV1和KV2时扫描空气和扫描患者时探测器接收到的光信号量Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2；根据Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2计算出患者在管电压值KV1和KV2下的吸收值Pkv1和Pkv2；将所述Pkv1和Pkv2校正为单色光P1和P2；根据P1和P2经过多项式分解后分别得到两种基物质水和碘的吸收值Pwater和Piodine；根据Pwater和Piodine重建基物质图，并根据基物质图计算出所需的能谱图像。此种计算公式能够保证在纯水部分时双能成像的准确性，并且能够避免在纯空气部分产生两个很大的水碘成分正负互相抵消的情况。

Description

一种双能CT图像重建方法、系统及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及医学影像领域，尤其涉及一种双能CT图像重建方法、系统及计算机可读存储介质。
背景技术
第三代CT系统的主要组成部分包括Tube(球管)，Collimator(限束器)，Detector(探测器)。X射线球管发出X光，经过限束器限制后形成一个锥形的光束。锥形光束照射在探测器上经过探测器转化为电信号并经过数据采集和转换单元转换为数字信息存储在图像处理系统中。图像处理系统经过一系列的校正算法和图像重建算法生成图像显示在显示器上，从成本和技术程度来说，主流探测器都采用了由很多个探测器模块排列在一个弧形或者多边形的面上来上形成探测器。每个探测器模块中规则排列一个探测器单元形成的矩阵。
在现有技术当中，能谱CT的主要方式包括1)双层探测器：双层探测器通常是在一块电路基板的两侧贴两种探测器。离X射线焦点近的一层能吸收低能X射线，而高能X射线不能吸收。在电路基板的另一层探测器能够吸收剩余的高能X射线。两层探测器可以进行合成和分解生成能谱CT图像。2)单一球管高低压切换：采用能够瞬间快速切换球管KV的高压发生器，在每个奇数采样使用一个KV值而在偶数采样使用另外一个KV值。通过对两个KV所对应的数据进行合成分解生成能谱CT图像。3)双球管采用不同的KV：两个相距90度的球管分别采用不同的KV数值同时曝光，球管对应的两个探测器同时接收数据。两个探测器的数据进行重建生成能谱CT成像。4)光子计数探测器：能够在不同的X射线能量间隔内对X射线光子进行计数生成不同能量区间间隔的采样数据，进一步重建生成能谱CT图像。5)改变X射线滤过方式来改变能谱：通过改变X射线滤过来机械式的改变能谱，不同采样时刻得到不同能谱对应的采样数据。6)两个多半圈的CT扫描方式：两个半圈扫描分别采用两个不同的KV进行扫描。
在上述的多种方式的能谱CT来说，在实际图像重建中一般把高低能扫描所得到的投影数据转换为康普顿散射和光电效应组合，或者转换为两种基物质如水和碘的组合或水和钙的组合，在现有计算式中，经过一系列转换和校正后得出计算式为：
Figure BDA0003527839980000021
Figure BDA0003527839980000022
其中的多项式系数Cnm和Dnm可以经过校正方法得到。一种得到这些系数的方法为通过输入X射线源的光谱、探测器的能谱响应曲线、射线路径上的各种滤过的能谱响应到物理模型中，在扫描路径上增加各种不同长度组合的水和碘物质进行模拟，每个水和碘物质对的吸收(Pwater，j，Piodine，j)，j＝1,2...都可以得到，然后通过上式拟合计算得到系数Cnm和Dnm。但通过此分解方法存在一个问题，当扫描物体是纯水物质时，由于Dnm拟合误差的存在，不能保证计算出的碘吸收Piodine为零。进行了射束硬化处理后纯水物质的P1和P2相等，Cnm的拟合误差必然会导致
Figure BDA0003527839980000023
即计算出的水不等于实际水吸收。此外，在被扫描物体的密度较小接近空气密度时，由于拟合误差的存在，会导致Pwater和Piodine是符号相反且绝对值大小接近的数值。
综上所述，本发明实际解决的技术问题是：现有技术在双能CT基物质分解时采用非约束的多项式拟合，由于测量和拟合偏差不能保证纯水物质时碘的分量完全为零，因而也不能保证扫描纯水时水物质本身的准确度。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种双能CT图像重建方法、系统及计算机可读存储介质，此方法在纯水模体的情况下P1和P2相等，因而能保证Piodine为零，以及Pwater＝P1＝P2。
本发明公开了一种双能CT图像重建方法，包括步骤：
S100：基于CT成像系统分别获取管电压值为KV1和KV2时扫描空气和扫描患者时探测器接收到的光信号量Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2；
S200：根据Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2计算出患者在管电压值KV1和KV2下的吸收值Pkv1和Pkv2；
Figure BDA0003527839980000024
Figure BDA0003527839980000025
S300：将Pkv1和Pkv2校正为单色光P1和P2；
将Pkv1和Pkv2校正为单色光P1和P2的计算式为：
Figure BDA0003527839980000031
Figure BDA0003527839980000032
其中An和Bn为经过校正得到的多项式系数。
S400：根据P1和P2经过多项式分解后分别得到两种基物质水和碘的吸收值Pwater和Piodine；
S500：根据Pwater和Piodine重建基物质图，并根据基物质图计算出所需的能谱图像。
优选地，根据P1和P2经过多项式分别得到两种基物质水和碘的吸收值Pwater和Piodine的计算式为：
Figure BDA0003527839980000033
Figure BDA0003527839980000034
优选地，计算式中的幂指数a、b以及拟合n、m的阶数以及系数Fnm和Gnm由拟合偏差最小原则定出。
优选地，根据Pwater和Piodine重建基物质图时，通过FBP和/或FDK的近似重建算法或解析重建算法。
优选地，根据Pwater和Piodine重建基物质图时，还可以通过迭代重建算法重建出基物质图。
有鉴于此，本发明的目的之二在于提供一种双能谱图像重建系统，包括处理器，以及与处理器连接的存储器，
存储器上存储有双能谱图像重建程序，双能谱图像重建被处理器执行时实现如上述双能CT图像重建方法。
有鉴于此，本发明的目的之三在于提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述的双能CT图像重建方法。
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，本发明的有益效果在于在能谱分解时增加了运约束减少了拟合偏差；在纯水模体的情况下P1和P2相等，因而保证了Piodine为零，以及Pwater＝P1＝P2，且能够保证Pwater≥0，在接近空气密度的物质被扫描时，不存在水和碘的吸收正负相消的情况。
附图说明
图1为本发明一种双能CT图像重建方法的流程示意图；
图2为本发明一种双能CT图像重建方法的CT系统形式布局示意图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
参阅图1所示，本实施例提供一种双能CT图像重建方法，包括步骤：
S100：基于CT成像系统分别获取管电压值为KV1和KV2时扫描空气和扫描患者时探测器接收到的光信号量Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2；
S200：根据Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2计算出患者在管电压值KV1和KV2下的吸收值Pkv1和Pkv2；
S300：将Pkv1和Pkv2校正为单色光P1和P2；
S400：根据P1和P2经过多项式分解后分别得到两种基物质水和碘的吸收值Pwater和Piodine；
S500：根据Pwater和Piodine重建基物质图，并根据基物质图计算出所需的能谱图像。
需要说明的是，在上述步骤S100中，Iairkv1、Iairkv2分别表示以管电压值KV1和KV2扫描空气时所获取的光信号量，具体如图2所示，当球管发出X射线，经过限束器形成一个锥形光束后，穿透空气照射在探测器上，探测器将接到的一个信号量，当球管的管电压值为KV1时，X射线穿过空气后探测器接收到的光信号量为Iairkv1，当球管的管电压值为KV2时，X射线穿过空气后探测器接收到的光信号量为Iairkv2。Ikv1、Ikv2分别表示以管电压值KV1和KV2扫描患者时所获取的光信号量，如图2所示，当球管发出X射线，经过限束器形成一个锥形光束后，穿透患者照射在探测器上，探测器将接到一个信号量，当球管的管电压值为KV1时，X射线穿过患者后探测器接收到的光信号量为Ikv1，当球管的管电压值为KV2时，X射线穿过患者后探测器接收到的光信号量为Ikv2。
需要说明的是，在上述步骤S200中，根据Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2计算出患者在管电压值KV1和KV2下的吸收值Pkv1和Pkv2，计算式为：
Figure BDA0003527839980000051
Figure BDA0003527839980000052
需要说明的是，上述步骤S300中，由于球管发出的X射线并不是单色光，而是有若干种波长组成的X射线的组合光，因此在管电压值KV1和管电压值KV2下扫描均存在射束硬化现象，因此首先对计算出的吸收Pkv1和Pkv2进行射束硬化校正过的吸收值P1和P2，计算式为：
Figure BDA0003527839980000053
Figure BDA0003527839980000054
需要说明的是，计算式(5)和(6)中An的Bn为经过校准得到的多项式系数。
需要说明的是，上述步骤S400中根据P1和P2经过多项式分解后分别得到两种基物质水和碘的吸收值Pwater和Piodine的计算式为：
Figure BDA0003527839980000055
Figure BDA0003527839980000056
需要说明的是，上述计算式(7)和(8)中的a、b可以根据拟合的准确长度来取不同的数值，Fnm和Gnm可以通过理论模拟或者采用实验测量进行拟合，例如，一种特殊情况下，可以取a＝1，b＝1，计算式以上述表达式能够保证Pwater≥0，在接近空气密度的物质被扫描时，不存在水和碘的吸收正负相消的情况。
需要说明的是，计算式(7)和(8)中的幂指数a、b以及拟合n、m的阶数由拟合偏差最小的前提下幂指数a、b以及阶数n,m最小的原则定出。
需要说明的是，上述步骤S500中，根据Pwater和Piodine重建基物质图时，利用基于FBP和/或FDK的近似重建算法或解析重建算法，或者通过迭代重建算法算出基物质图。
在实现时，具体如下：
通过理论模拟方法以及计算式(7)和(8)进行能谱分解计算式的系数计算得到Fnm和Gnm；
通过双层探测器和两个多半圈的CT扫描方式中的任意一种方式得到两个能谱下的吸收Pkv1和Pkv2；
通过计算式(5)和(6)进行射束硬化校正得到P1和P2；
通过计算式(7)和(8)进行能谱分解后得到Pwater和Piodine；
利用基于FBP，FDK的近似重建算法或者解析重建算法，或者迭代重建算法重建出基物质图，并根据基物质图计算出所需的能谱图像。
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种双能CT图像重建方法，其特征在于，包括步骤：
S100：基于CT成像系统分别获取管电压值为KV1和KV2时扫描空气和扫描患者时探测器接收到的光信号量Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2；
S200：根据所述Iairkv1、Iairkv2和Ikv1、Ikv2计算出患者在管电压值KV1和KV2下的吸收值Pkv1和Pkv2；
S300：将所述Pkv1和Pkv2校正为单色光P1和P2；
S400：根据所述P1和P2经过多项式分解后分别得到两种基物质水和碘的吸收值Pwater和Piodine；
S500：根据所述Pwater和Piodine重建基物质图，并根据所述基物质图计算出所需的能谱图像。
2.根据权利要求1所述的双能CT图像重建方法，其特征在于，根据所述Iair1、Iair2和Ikv1、Ikv2计算出患者在管电压值KV1和KV2下的吸收值Pkv1和Pkv2的计算式为：
Figure FDA0003527839970000011
Figure FDA0003527839970000012
3.根据权利要求1所述的双能CT图像重建方法，其特征在于，将所述Pkv1和Pkv2校正为单色光P1和P2的计算式为：
Figure FDA0003527839970000013
Figure FDA0003527839970000014
4.根据权利要求1所述的双能CT图像重建方法，其特征在于，根据所述P1和P2经过多项式计算分别得到两种基物质水和碘的吸收值Pwater和Piodine的计算式为：
Figure FDA0003527839970000015
Figure FDA0003527839970000016
5.根据权利要求4所述的双能CT图像重建方法，其特征在于，计算式中的幂指数a、b以及拟合n、m的阶数由拟合偏差最小原则定出。
6.根据权利要求1所述的双能CT图像重建方法，其特征在于，根据所述Pwater和Piodine重建基物质图时，通过FBP和/或FDK的近似重建算法或解析重建算法。
7.根据权利要求1所述的双能CT图像重建方法，其特征在于，根据所述Pwater和Piodine重建基物质图时，还可以通过迭代重建算法重建出基物质图。
8.一种双能图像重建系统，其特征在于，包括处理器，以及与所述处理器连接的存储器，
所述存储器上存储有双能图像重建程序，所述双能图像重建被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的双能CT图像重建方法。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的双能CT图像重建方法。
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