一种实现多能量CT扫描重建的方法及装置

摘要

本发明公开了一种实现多能量CT数据采集的方法，在数据采集期间以周期性变化的方式对扫描对象进行扫描；还公开了一种实现多能量CT扫描重建的方法及装置，通过控制第一类电压的m个采样点的电压值对第一类扫描对象进行电压周期性变化的数据采集，获得n组多能量第一类扫描数据{yi}，又通过m个采样点的每个电压值分别对包含第一类扫描对象待分割的两种物质的双柱校正模进行数据采集，获得所述m个采样点的电压值分别对应的组合系数，进而得到所述第一类电压在采集第i个投影角度的第一类扫描数据时对应的组合系数和又通过计算所述第一类扫描数据{yi}与组合投影数据之间差距的最小值，得到图像向量X第一和X第二，实现了由多能量扫描数据重建出组织分离的图像的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及CT领域，特别涉及一种实现多能量CT扫描重建的方法及 装置。

背景技术

现在，CT扫描被广泛的应用在在医学领域。利用不同能量的x射线在 物质中衰减不同，可以实现对CT图像中的不同组织结构进行分离。

目前，不同能量数据的采集方法一般有两种，一种是通过高压交替地快 速切换，使得不同方向的投影数据具有不同的电压，从而使得一次扫描中， 不同投影方向交替获得不同能量的数据；另外一种是利用双球管技术，每个 球管发出的射线具有不同的能量，从而也能利用一次扫描获得两种能量的数 据。

对同一种物质，例如水或者骨，两种能量的x射线穿过其中以后的衰减 不同，从而得到的图像的像素值也不同，利用这种差别可以将图像中的两种 成分分离出来。例如：用两种能量扫描获得的数据进行CT图像重建，得到 两幅图像I1和I2，可简单地通过如下2组方程式获得图像中各点水和骨的成 分比例：

Water＝Coeff1*I1+Coeff2*I2

Bone＝Coeff3*I1+Coeff4*I2

若组合系数Coeff1，Coeff2，Coeff3，Coeff4已知，则很容易根据两种 能量的图像I1和I2计算出水和骨的比例来，而这些系数的获得一般是通过 事先扫描简单的校正模体，并通过一定的校正算法来得到。

但是，获取双能的数据对硬件要求较高，比如，上面的两种获取方式中， 一种要求高压以很快的速度在不同投影方向间切换，另一种则要求安装两个 球管。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现多能量CT数据采集的 方法，以解决获取双能的数据的数据采集方法对硬件要求较高的问题。

本发明提供了一种实现多能量CT数据采集的方法，包括：

利用CT扫描仪控制电压在数据采集期间以周期性变化的方式对扫描对 象进行扫描，所述电压在数据采集期间内为完整周期的变化。。

优选地，所述控制电压在数据采集期间以周期性变化的方式对扫描对象 进行扫描，具体为控制电压在最高电压与最低电压之间的m个不同采样点周 期性地对扫描对象进行扫描，其中m≥3。

优选地，利用第一函数f(x)控制电压在数据采集期间以周期性变化的方 式扫描，其中所述第一函数f(x)以2T为周期，并且在每个周期内，f(x)能取 到最高电压和最低电压。

优选地，所述第一函数f(x)具体为：：

其中，x为整数，2T为电压变化的周期，MaxKV为最 高电压，MinKV为最低电压。

本发明还提供一种实现多能量CT扫描重建的方法及装置以实现能够通 过电压周期性变化的数据采集方式获得多能量扫描数据、由多能量扫描数据 重建出组织分离的图像的目的，从而避免了通过获取双能的数据进行重建组 织分离图像对硬件要求较高的问题。

本发明提供了一种实现多能量CT扫描重建的方法，该方法包括第一采 集步骤、第二采集步骤、多能量校正步骤和多能量图像重建步骤：

所述第一采集步骤包括：

以由第一物质和第二物质组成的第一类扫描对象作为扫描对象，应用以 上所述的一种实现多能量CT数据采集的方法，采用第一类电压进行数据采 集，采集到n个投影角度下的n组第一类扫描数据{y_i}，其中，i为整数， 1≤i≤n，n≥2，所述第一类电压在数据采集期间周期性变化，所述第一类电 压在最高电压与最低电压之间共有m个不同的采样点，所述采用第一类电压 进行数据采集具体为采用所述m个采样点的电压值在数据采集期间周期性地 进行数据采集；

所述第二采集步骤包括：

利用CT扫描仪，控制所述m个采样点中每个采样点的电压值，分别对 双柱校正模进行所述n个投影角度的扫描，获得m个n组第二类扫描数据， 其中所述双柱校正模中包含所述第一类扫描对象的两种待分割物质，一柱体 包含第一物质，另一柱体包含第二物质；

所述多能量校正步骤包括：

利用所述m个n组第二类扫描数据重建并校正出m个第二类扫描图像， 其中，所述每个n组第二类扫描数据重建并校正出对应的一个第二类扫描图 像；

根据所述第一物质与第二物质在双柱校正模中的位置范围，得到所述第 一物质的第三类图像向量和第二物质的第三类图像向量；

根据m组方程式 计算m个采样点的电压值分别对应的组合系数与

所述多能量图像重建步骤包括：

通过计算所述第一类扫描数据{y_i}与组合投影数据之间差距的最小值，得到满足所述第一类扫描数据{y_i}与组合投影数据 之间差距为最小值的图像向量X_第一和X_第二；

其中，和为所述第一类电压在采集第i个投影角度的第一类扫描 数据时对应的组合系数，具体根据所述m个采样点的电压值分别对应的组合 系数与获得；

为投影矩阵的第i行；

将满足所述第一类扫描数据{y_i}与组合投影数据之 间差距为最小值的图像向量X_第一和X_第二分别作为第一物质的第一类图像向量 的转置和第二物质的第一类图像向量的转置。

本发明还提供一种实现多能量CT扫描重建的装置，包括：

第一采集单元：用于以由第一物质和第二物质组成的第一类扫描对象作 为扫描对象，应用以上所述的一种实现多能量CT数据采集的方法，采用第 一类电压进行数据采集，采集到n个投影角度下的n组第一类扫描数据{y_i}， 其中，i为整数，1≤i≤n，n≥2，所述第一类电压在数据采集期间周期性变化； 所述第一类电压在最高电压与最低电压之间共有m个不同的采样点，所述采 用第一类电压进行数据采集具体为采用所述m个采样点的电压值在数据采集 期间周期性地进行数据采集，将所述n组第一类扫描数据{y_i}发送至多能量 图像重建单元；

第二采集单元：利用CT扫描仪，控制所述m个采样点中每个采样点的 电压值，分别对双柱校正模进行所述n个投影角度的扫描，获得m个n组第 二类扫描数据，其中所述双柱校正模中包含所述第一类扫描对象的两种待分 割物质，一柱体包含第一物质，另一柱体包含第二物质，将所述m个n组第 二类扫描数据发送至多能量校正单元；

多能量校正单元：用于利用所述m个n组第二类扫描数据重建并校正出 m个第二类扫描图像，其中，所述每个n组第二类扫描数据重建并校正出对 应的一个第二类扫描图像，根据所述第一物质与第二物质在双柱校正模中的 位置范围，得到所述第一物质的第三类图像向量和第二物质的第三类图像向 量，根据m组方程式 计算出m个采样点的电压值分别对应的组合系数与将所述m个采 样点的电压值分别对应的组合系数与发送至多能量图像重建单元；

多能量图像重建单元：用于通过计算所述第一类扫描数据{y_i}与组合投 影数据之间差距的最小值，得到满足所述第一类扫描数 据{y_i}与组合投影数据之间差距为最小值的图像向量 X_第一和X_第二，其中，和为所述第一类电压在采集第i个投影角度的第 一类扫描数据时对应的组合系数，具体根据所述m个采样点的电压值分别对 应的组合系数与获得；为投影矩阵的第i行；将满足所述第一类 扫描数据{y_i}与组合投影数据之间差距为最小值的图像 向量X_第一和X_第二分别作为待求的第一物质的第一类图像向量的转置和第二物 质的第一类图像向量的转置。

可见本发明具有如下有益效果：

由于本发明提供的一种实现多能量CT数据采集的方法在数据采集期间 以周期性变化的方式对扫描对象进行扫描，避免了获取双能的数据的数据采 集方法对硬件要求较高的问题；而且本发明还提供一种实现多能量CT扫描 重建的方法及装置，通过控制第一类电压的m个采样点的电压值对由第一物 质和第二物质组成的第一类扫描对象进行电压周期性变化的数据采集，获得 n组多能量第一类扫描数据{y_i}，又通过控制m个采样点的每个电压值分别对 包含第一类扫描对象待分割的两种物质的双柱校正模进行数据采集，获得所 述m个采样点的电压值分别对应的组合系数与进而得到所述第一 类电压在采集第i个投影角度的第一类扫描数据时对应的组合系数和 又通过计算所述第一类扫描数据{y_i}与组合投影数据 之间差距的最小值，得到满足所述第一类扫描数据{y_i} 与组合投影数据之间差距为最小值的图像向量X_第一和 X_第二，将满足所述第一类扫描数据{y_i}与组合投影数据之间差距为最小值的图像向量X_第一和X_第二分别作为待求的第一物质的第一类 图像向量的转置和第二物质的第一类图像向量的转置，可见，利用本发明的 多能量CT扫描重建方法及装置能够通过电压周期性变化的方式获得多能量 扫描数据、由多能量扫描数据重建出组织分离的图像，即第一物质的第一类 图像向量和第二物质的第一类图像向量，投影之间的能量切换既可以在高电 压和低电压之间快速进行，又可以通过逐渐变化的方式进行，使得电压从低 压到高压的变化可以跨过多个投影，避免了获取双能的数据对硬件要求较高 的问题。

附图说明

图1是本发明一种实现多能量CT扫描重建的方法步骤图例；

图2是本发明双柱校正模示意图例；

图3是本发明将X_第一和X_第二的进行循环迭代的步骤图例；

图4是本发明一种实现多能量CT扫描重建的装置的组成图例。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

本发明提供了一种实现多能量CT数据采集的方法，包括：

利用CT扫描仪控制电压在数据采集期间以周期性变化的方式对扫描对 象进行扫描，所述电压在数据采集期间内为完整周期的变化。

在本发明的一个优选实施例中，所述控制电压在数据采集期间以周期性 变化的方式对扫描对象进行扫描，具体为控制电压在最高电压与最低电压之 间的m个不同采样点周期性地对扫描对象进行扫描，其中m≥3。

在本发明的又一优选实施例中，提出利用第一函数f(x)控制电压在数据 采集期间以周期性变化的方式扫描，其中所述第一函数f(x)以2T为周期， 并且在每个周期内，f(x)能取到最高电压和最低电压，具体地，所述第一函数 f(x)在一个优选实施例中具体为：

其中，x为整数，2T为电压变化的周期，MaxKV为最 高电压，MinKV为最低电压。

本发明提供了一种实现多能量CT扫描重建的方法，参见图1，该方法 包括第一采集步骤、第二采集步骤、多能量校正步骤和多能量图像重建步骤：

其中，所述第一采集步骤包括：

S101、以由第一物质和第二物质组成的第一类扫描对象作为扫描对象， 应用如以上所述的一种实现多能量CT数据采集的方法，采用第一类电压进 行数据采集，采集到n个投影角度下的n组第一类扫描数据{y_i}，其中，i为 整数，1≤i≤n，n≥2，所述第一类电压在数据采集期间周期性变化，所述第 一类电压在最高电压与最低电压之间共有m个不同的采样点，所述采用第一 类电压进行数据采集具体为采用所述m个采样点的电压值在数据采集期间周 期性地进行数据采集；

该步骤为对第一类扫描对象的数据采集过程，假设采集一圈的投影个数 为n，采集到的n组第一类扫描数据{y_i}为多能量数据，i表示第i个投影角度； y_i表示利用CT扫描仪对第一类扫描对象应用如以上所述的一种实现多能量 CT数据采集的方法以电压周期性变化的方式进行数据采集，采集到的第i 个投影角度的第一类扫描数据；

所述第二采集步骤包括：

S102、利用CT扫描仪，控制所述m个采样点中每个采样点的电压值， 分别对双柱校正模进行所述n个投影角度的扫描，获得m个n组第二类扫描 数据，其中所述双柱校正模中包含所述第一类扫描对象的两种待分割物质， 一柱体包含第一物质，另一柱体包含第二物质；

在该步骤中，利用CT扫描仪控制所述m个采样点中每个采样点的电压 值，分别对双柱校正模进行所述n个投影角度的扫描，也就是分别用所述m个 采样点中每个采样点的电压值各自对双柱校正模进行一圈的数据采集，即分 别用所述m个采样点中每个采样点的电压值各自进行所述n个投影角度的扫 描，以获得m个n组第二类扫描数据；

所述双柱校正模，具体可以采用如图2所示的双柱校正模体，其中的两 个柱体的材料分别为将来要分割出的物质，例如：水和骨；

所述多能量校正步骤包括：

S103、利用所述m个n组第二类扫描数据重建并校正出m个第二类扫描 图像，其中，所述每个n组第二类扫描数据重建并校正出对应的一个第二类 扫描图像；

在该步骤中，所述每个n组第二类扫描数据重建并校正出对应的一个第 二类扫描图像，具体可以采用本领域现有的重建、硬化校正方法，例如卷积 反投影法、双能校正法；

S104、根据所述第一物质与第二物质在双柱校正模中的位置范围，得到 所述第一物质的第三类图像向量和第二物质的第三类图像向量；

在该步骤中，可以根据第一物质和第二物质的几何位置和尺寸计算出图 像中哪些像素是第一物质，哪些像素是第二物质，也可将步骤S103获得的 任意一幅第二类扫描图像简单阈值分割得到第一物质的第三类图像向量和第 二物质的第三类图像向量，其中，在第一物质的第三类图像中，除第一物质 为1外，其他点都为0；在第二物质的第三类图像中，除第二物质为1外， 其他点都为0；

S105、根据m组方程式 计算出m个采样点的电压值分别对应的组合系数与

在该步骤中，具体可以采用最小二乘法计算出组合系数与具 体地，为利用m个采样点中第H个采样点电压值进行数据采集时，第一 物质对应的组合系数，为利用m个采样点中第H个采样点电压值时，第 二物质对应的组合系数；

所述多能量图像重建步骤包括：

S106、通过计算所述第一类扫描数据{y_i}与组合投影数据 之间差距的最小值，得到满足所述第一类扫描数据{y_i} 与组合投影数据之间差距为最小值的图像向量X_第一和 X_第二；

其中，和为所述第一类电压在采集第i个投影角度的第一类扫描 数据y_i时对应的组合系数，具体根据所述m个采样点的电压值分别对应的组 合系数与获得；

为投影矩阵的第i行；

需要说明的是：

(1)因为和为所述第一类电压在采集第i个投影角度的第一类 扫描数据时对应的组合系数，为第一物质对应的组合系数，为第二 物质对应的组合系数，而且，所述第一类电压进行数据采集具体为采用所述m 个采样点的电压值在数据采集期间周期性地进行数据采集，因此，和可以具体根据所述m个采样点的电压值分别对应的组合系数与获 得，例如：

m个采样点的电压值分别对应的组合系数包括到包 括到

那么，可以得到在数据采集期间，所述第一类电压在采集第一个变化周 期内所跨投影角度的第一类扫描数据时，所对应的组合系数为：

第一物质对应的组合系数为：到到

第二物质对应的组合系数为：到到

依次重复，可以得知所述第一类电压在采集后续变化周期内所跨投影角 度的第一类扫描数据时对应的组合系数，进而得到和

(2)所述投影矩阵P可通过本领域现有的方法计算获得，例如，利用第 一类扫描对象的医学图像各个像素的坐标、x射线光源的坐标、CT扫描仪各 个检测器的坐标之间的几何关系计算出光源发出的x射线经过某个像素的长 度获得所述投影矩阵P。

S107、将满足所述第一类扫描数据{y_i}与组合投影数据 之间差距为最小值的图像向量X_第一和X_第二分别作为待 求的第一物质的第一类图像向量的转置和第二物质的第一类图像向量的转 置。

通过以上具体实施方式可见，本发明提出的实现多能量CT扫描重建的 方法，在投影之间的能量切换既可以在高电压和低电压之间快速进行，又可 以通过逐渐变化的方式进行，使得电压从低压到高压的变化可以跨过多个投 影，避免了获取双能的数据对硬件要求较高的问题。

优选地，在本发明的一个实施例中，投影之间的能量以逐渐变化的方式 进行，在该实施例中，所述第一类电压在最高电压与最低电压之间m个不同 采样点的个数m≥3。

下面对所述多能量图像重建步骤中所述计算第一类扫描数据{y_i}与组合 投影数据之间差距的最小值的步骤，进行详细说明，需 要说明的是，以下所述多能量图像重建步骤既适用于投影间的能量高低压快 速切换的情况，又适用于投影间的能量逐渐变化的情况：

在本发明的该优选实施例中，所述计算第一类扫描数据{y_i}与组合投影 数据之间差距的最小值具体通过计算目标函数 的最小值 实现，其中，是差距项，衡量{y_i}与 之间的差距，β(||X_第一||_TV+||X_第二||_TV)为正则项，β为折衷 参数，合适的折衷参数β使得求出的目标图像向量X_第一和X_第二满足一定的光 滑性，β越大，最终求得的图像越平滑，分辨率越低，β越小，最终求得的 图像噪声越大，分辨率越高，在本发明具体实施时，应该根据需求，适当地 调整β，使得图像能满足清晰度需求；||·||_TV表示全变差。

在本发明的一个优选实施例中，所述计算目标函数 的最小值 具体通过对图像向量X_第一和X_第二进行循环迭代实现，参见图3，具体包括：

S301、首先设置迭代的初始条件：

以图像向量表示X_第一；

以图像向量表示X_第二；

定义r＝0，和为初始图像，具体可以是0图像；

利用投影矩阵P对进行正投影，获得初始的正投影数据 利用投影矩阵P对进行正投影，获得初始的正投影数据

S302、从r＝0开始，进入迭代步骤：

若输出条件未满足，则重复以下迭代步骤，其中，本次迭代为第r+1次 迭代，表示该第r+1次迭代得到的图像向量X_第一，表示该第r+1次 迭代前的图像向量X_第一，表示该第r+1次迭代得到的图像向量X_第二，表示该第r+1次迭代前的图像向量X_第二，迭代步骤每执行完一次将r的值加1， 所述迭代步骤包括图像向量的更新和图像向量的更新：

S302.1、所述的更新步骤包括：

重复以下步骤，直到所有的像素点都被更新：

S302.1A、选择图像向量中的任意一像素点且该像素点在 该第r+1次迭代步骤中未被更新；

S302.1B、利用函数

将 代入后，得到ψ关于的偏导等于0的方程：

S302.1C、假设：

其中P_ij为投影矩阵P在第i 行第j列上的投影系数；

根据等于投影数据的第i行，等于投影数据的第i 行，计算获得与

S302.1D、根据利用二分法计 算出完成像素点的更新；

在这里，计算出完成像素点的更新，即得到更新的图像 向量

S302.1E、更新正投影数据

S302.2、所述的更新步骤包括：

重复以下步骤，直到所有的像素点都被更新：

S302.2A、选择图像向量中的任意一像素点且该像素点在 该第r+1次迭代步骤中未被更新；

S302.2B、利用函数

将 代入后，得到ψ关于的偏导等于0的方程：

S302.2C、假设：

其中P_ij为投影矩阵P在第i 行第j列上的投影系数；

根据等于投影数据的第i行，等于投影数据的第i 行，计算获得与

S302.2D、根据利用二分法计 算出完成像素点的更新；

在这里，计算出完成像素点的更新，即得到更新的图像 向量

S302.2E、更新正投影数据

需要说明的是，所述迭代步骤循环的条件为输出条件未满足，所述输出 条件具体可以设置为且其中ε为预设的小阈 值，在理论上该预设的小阈值ε越小，图像质量越好，在本发明中，经过多 次试验，该预设的小阈值ε至少应小于10^-3，迭代优化最终得到的与图像质量较好。

本发明还包括一种实现多能量CT扫描重建的装置，参见图4，该装置 包括：

第一采集单元401：用于以由第一物质和第二物质组成的第一类扫描对 象作为扫描对象，应用如以上所述的一种实现多能量CT数据采集的方法， 采用第一类电压进行数据采集，采集到n个投影角度下的n组第一类扫描数 据{y_i}，其中，i为整数，1≤i≤n，n≥2，所述第一类电压在数据采集期间周 期性变化；所述第一类电压在最高电压与最低电压之间共有m个不同的采样 点，所述采用第一类电压进行数据采集具体为采用所述m个采样点的电压值 在数据采集期间周期性地进行数据采集，将所述n组第一类扫描数据{y_i}发 送至多能量图像重建单元404；

第二采集单元402：利用CT扫描仪，控制所述m个采样点中每个采样点 的电压值，分别对双柱校正模进行所述n个投影角度的扫描，获得m个n组 第二类扫描数据，其中所述双柱校正模中包含所述第一类扫描对象的两种待 分割物质，一柱体包含第一物质，另一柱体包含第二物质，将所述m个n组 第二类扫描数据发送至多能量校正单元403；

多能量校正单元403：用于利用所述m个n组第二类扫描数据重建并校正 出m个第二类扫描图像，其中，所述每个n组第二类扫描数据重建并校正出 对应的一个第二类扫描图像，根据所述第一物质与第二物质在双柱校正模中 的位置范围，得到所述第一物质的第三类图像向量和第二物质的第三类图像 向量，根据m组方程式 计算出m个采样点的电压值分别对应的组合系数与将所述m个采 样点的电压值分别对应的组合系数与发送至多能量图像重建单元 404；

多能量图像重建单元404：用于通过计算所述第一类扫描数据{y_i}与组合 投影数据之间差距的最小值，得到满足所述第一类扫描 数据{y_i}与组合投影数据之间差距为最小值的图像向量 X_第一和X_第二，其中，和为所述第一类电压在采集第i个投影角度的第 一类扫描数据时对应的组合系数，具体根据所述m个采样点的电压值分别对 应的组合系数与获得；为投影矩阵的第i行，为投影矩阵的第 i行；将满足所述第一类扫描数据{y_i}与组合投影数据之 间差距为最小值的图像向量X_第一和X_第二分别作为待求的第一物质的第一类图 像向量的转置和第二物质的第一类图像向量的转置。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来 将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示 这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系 列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明 确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有 的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素， 并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同 要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均 包含在本发明的保护范围内。