基于光子计数探测器的多能X线CT成像技术及应用研究

摘要

X线计算机断层扫描成像（Computed Tomography，CT）技术利用X线对被检目标进行扫描，结合图像重建算法，重建被检目标内部的断层图像，在疾病诊断和治疗中起着不可替代的重要作用。随着探测器技术的飞速发展，诞生了一种基于光子计数探测器的多能X线CT成像技术，它以分能量段的方式收集透射被检目标后X线携带物质丰富的衰减信息，并利用这些衰减信息对被检目标进行CT成像，不仅可以清晰的显示被检目标内部结构，还能够提供传统X线CT所没有的物质属性识别能力。目前，基于光子计数探测器的多能X线CT成像已成为CT成像领域的研究热点之一。 为了提高光子计数X线CT图像质量，本文首先利用滤波反投影（Filtered Back-Projection，FBP）算法对投影加权成像和图像加权成像方法进行了深入研究。这两种加权成像方法充分利用光子计数探测器内各能量段收集到的X线衰减信息构造权值，将权值赋予每个能量段并进行组合获得全能谱图像；基于这两种加权成像方法，研究了能量段数目对全能谱图像质量的影响。进一步地，在图像加权成像方法中，由于对透射光子分能量段进行收集，致使各能量段内收集的光子数相比于传统积分方式下收集的光子数减少，投影数据信噪比降低，FBP重建的各能量段图像噪声较大，全能谱图像质量下降，针对上述问题，本文提出基于最大后验概率（Maximum a posteriori，MAP）的多能X线CT统计重建算法，并对算法的重建性能进行了分析和评价。此外，针对K吸收边成像，分析了能量段宽度对K吸收边图像质量的影响。在投影加权成像和K吸收边成像应用方面，提出将投影加权成像方法应用于基于光子计数探测器的乳腺CT时间减影成像，以及将K吸收边成像方法应用于基于光子计数探测器的双能乳腺CT减影成像，并对上述两类减影图像的质量进行了分析和评价。 仿真实验结果表明，相比于传统的能量积分方法，投影加权成像和图像加权成像方法获得的全能谱图像对比噪声比（Contrast-to-noise ratio，CNR）均得到有效提高，钙和碘图像的CNR随着能量分段数的增加而增大；与投影加权成像方法相比，图像加权成像方法重建全能谱图像的CNR更高。相比于采用FBP算法的图像加权成像方法，采用MAP统计重建算法的图像加权成像获得的全能谱图像CNR显著提高。此外，K吸收边成像技术可以提高对比材料图像的CNR，合理选择能量段宽度，可使K吸收边图像的CNR最大。基于光子计数探测器的乳腺CT减影图像可消除正常组织信号的干扰，凸显出对比材料。相比于传统能量积分方法获得的减影图像，在基于光子计数探测器的乳腺CT时间减影成像中，利用投影加权成像方法获得的减影图像CNR得到有效提高；在基于光子计数探测器的双能乳腺CT减影成像中，合理设置高、低能量段，可使减影图像的CNR最大。

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摘 要

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 传统X线CT成像技术

1.1.2光子计数X线CT成像技术发展

1.1.3 光子计数X线CT成像技术存在的问题

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 本论文的主要工作和章节安排

第二章X线CT成像原理及图像重建理论

2.1 X线CT成像原理

2.1.1 传统X线CT成像原理

2.1.2 光子计数X线CT成像原理

2.2 X线CT图像重建基础

2.2.1 Radon变换与反变换

2.2.2 傅里叶中心切片定理

2.3 X线CT图像重建算法

2.3.1解析重建算法

2.3.2 迭代重建算法

2.4 本章小结

第三章 基于能量加权光子计数X线CT图像重建方法研究

3.1 引言

3.2 投影加权成像和图像加权成像方法

3.2.1方法阐述

3.2.2 实验设置

3.2.3图像重建和评价

3.2.4 实验结果与分析

3.3 基于图像加权的光子计数X线CT图像重建改进方法

3.3.1方法

3.3.2 实验设置

3.3.3 实验结果与评价

3.4 本章小结

第四章 基于光子计数X线CT的K吸收边成像技术研究

4.1. 引言

4.2. K吸收边成像方法

4.3. 基于MAP的K吸收边成像技术研究

4.3.1 实验设置

4.3.2 实验结果与分析

4.4 能量段宽度对K吸收边成像技术的影响

4.4.1 实验设置

4.4.2 实验结果与分析

4.5 本章小结

第五章 基于投影加权和K吸收边成像的光子计数乳腺CT减影研究

5.1 引言

5.2 投影加权成像法在光子计数乳腺CT时间减影成像中的应用

5.2.1 方法

5.2.2 实验设置

5.2.3 实验结果与分析

5.3 基于K吸收边成像法在光子计数双能乳腺CT减影成像中的应用

5.3.1 方法

5.3.2 实验设置

5.3.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望