專利名稱：標定雙能ct系統(tǒng)的方法和圖像重建方法
技術領域：
本發(fā)明涉及輻射成像技術，具體涉及一種標定雙能CT系統(tǒng)的方 法和相應的圖像重建方法，它能夠消除因為射線硬化引起的杯狀偽影。
背景技術：
隨著技術發(fā)展，計算機斷層成像(CT)技術開始用到旅客行李檢 査系統(tǒng)中。常用的CT技術采用X光機作為射線源，產生能夠連續(xù)分 布的X射線。常規(guī)的圖像重建方法所得到的圖像表示物體的衰減系數(shù) 分布，受到射線硬化的影響，出現(xiàn)了杯狀偽影?，F(xiàn)有雙能CT圖像重建算法通常先采用常規(guī)的CT重建方法得到 物體的高能和低能衰減系數(shù)圖像，然后計算得到密度和原子序數(shù)圖像。 現(xiàn)有的這種處理方法由于不能消除射線硬化引起的杯狀偽影，導致計 算結果不準確并且降低了材料識別的準確度。發(fā)明內容鑒于上述問題，完成了本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是提出一種標定 雙能量CT系統(tǒng)的方法，以及一種圖像重建方法。在本發(fā)明中，選定 基材料，然后制作階梯塊和一系列厚度的矩形塊，測量不同厚度組合 下的投影值,，就可以得到雙能査找表，實現(xiàn)系統(tǒng)標定。另外，在利用 兩種基材料對雙能量CT系統(tǒng)進行標定后，用雙能CT重建算法可以 獲取物體的原子序數(shù)和密度圖像，以及任意能量下的衰減系數(shù)圖像。根據本發(fā)明的一個方面，提出了一種標定雙能CT系統(tǒng)的方法，包 括步驟選定至少兩種不同的材料；探測雙能射線對所述至少兩種不 同的材料在不同厚度組合下的透射射線，以獲得投影值；按照所述不 同厚度組合和相應的投影值相互對應的方式創(chuàng)建査找表。優(yōu)選地，所述雙能射線包括低能射線和高能射線。優(yōu)選地，所述低能射線和所述高能射線是x射線。優(yōu)選地，所述至少兩種不同的材料包括碳和鋁。根據本發(fā)明的另一方面，提出了一種圖像重建方法，包括步驟 利用雙能射線掃描被檢物體，以獲取雙能投影值；根據預先創(chuàng)建的査 找表計算與所述雙能投影值相對應的基材料系數(shù)投影值；以及基于所 述基材料系數(shù)投影值重建基材料系數(shù)分布圖像。優(yōu)選地，所述的圖像重建方法，還包括步驟基于基材料系數(shù)分 布圖像計算被檢物體的原子序數(shù)圖像。優(yōu)選地，所述的圖像重建方法，還包括步驟基于基材料系數(shù)分 布圖像計算被檢物體的特征密度圖像。優(yōu)選地，所述的圖像重建方法，還包括步驟基于基材料系數(shù)分 布圖像計算被檢物體的衰減系數(shù)圖像。優(yōu)選地.，如下創(chuàng)建所述査找表選定至少兩種不同的材料；探測 雙能射線對所述至少兩種不同的材料在不同厚度組合下的透射射線， 以獲得投影值；按照所述不同厚度組合和相應的投影值相互對應的方式創(chuàng)建所述査找表。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提出的方法具有校正過程簡單、計算精度 高、不受X射線硬化影響的優(yōu)點。根據本發(fā)明的圖像重建方法所重建的些圖像可以作為安全檢査中 判斷物質屬性的依據，以提高安全檢查的準確度。本發(fā)明的圖像重建方法所取得的圖像重建結果的精度高。根據模擬 結果，原子序數(shù)和密度值的誤差在1%以內。根據本發(fā)明，可以獲取被檢物體在任意能量下的衰減系數(shù)圖像， 不受X射線能譜硬化的影響。


從下面結合附圖的詳細描述中，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點將更明 顯，其中圖1是根據本發(fā)明實施例的雙能CT系統(tǒng)的示意圖；圖2是用來說明根據本發(fā)明實施例的標定雙能CT系統(tǒng)的方法的 示意圖；圖3是用來描述根據本發(fā)明實施例的標定雙能CT系統(tǒng)的方法和圖像重建方法的流程圖；圖4是有機玻璃瓶裝水的橫截面示意圖；圖5示出了根據現(xiàn)有技術重建的結果圖像和根據本發(fā)明的方法重 建的結果圖像，其中圖5A是采用常規(guī)方法重建得到的低能衰減系數(shù) 圖像，圖5B是采用本發(fā)明實施例的圖像重建方法得到的60keV下的 衰減系數(shù)圖像，圖5A和圖5B的圖像的顯示灰度窗均為
; 圖5C是根據本發(fā)明實施例的方法重建的特征密度圖像，顯示灰度窗 為
;圖5D是根據本發(fā)明實施例的方法重建的原子序數(shù)圖像， 顯示灰度窗為[6 8];圖5E和圖5F分別表示沿著圖5A與圖5B所示的 圖像的中心線所取得的像素值的曲線；圖5G和圖5H分別表示沿著圖 5C和圖5D所示的圖像的中心線所取得的像素值的曲線以及真實的圖 像曲線，其中實線表示重建結果，虛線表示真實值。
具體實施方式
下面，參考附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。在附圖中，雖 然示于不同的附圖中，但相同的附圖標記用于表示相同的或相似的組 件。為了清楚和簡明，包含在這里的已知的功能和結構的詳細描述將 被省略，否則它們將使本發(fā)明的主題不清楚。
CT數(shù)學原理將二維分布"(;c,力沿著某個方向0求線積分，便得到一維的函數(shù) Pe(O，該函數(shù)稱為"(^y)在e角度的投影。如果能夠得到各個方向的投 影Pe(0，那么可以根據Radon變換精確計算得到二維分布"(x，力。從 投影得到二維分布的過程稱為重建。這便是CT的數(shù)學原理。實際應用中，X光機和探測器圍繞物體旋轉一圈，便測量得到物 體的某個切片的衰減系數(shù)分布在各個方向的投影，從而可以根據CT 原理重建得到物體切片的衰減系數(shù)二維分布。 基材料分解模型在小型X射線安全檢查系統(tǒng)所涉及的能量范圍內(<200keV)，材 料的線衰減系數(shù)可以用下面的解析表達式(l)來近似表示<formula>formula see original document page 7</formula> (1)<formula>formula see original document page 7</formula>(2)<formula>formula see original document page 7</formula>(3)其中，/p(巧表示光電效應截面隨著能量的變化，/^r^表示康普頓散射截面隨著能量的變化，//②與/K"^均有已知的解析表達式。另外， 常數(shù)"i和"2與材料的原子序數(shù)、質量數(shù)和密度有關，其表達式如(2)和(3)式所示，其中Z表示原子序數(shù)，M表示質量數(shù)，/9表示密度(g/cm3)， 為常數(shù)。由于每種材料的線衰減系數(shù)都可以被公式(l)中的兩個系數(shù)a,和化 唯一確定，因此可以選取兩種基材料，比如碳和鋁，用基材料的線衰 減系數(shù)的線性組合表示其它所有材料的線性衰減系數(shù)，如下式(4)所 示<formula>formula see original document page 7</formula>(4)其中，//(。為任意一種被檢查物體的材料的線衰減系數(shù)，^(五)和/a五) 為所選的兩種基材料的線衰減系數(shù)，^M和62稱為基材料系數(shù)。按照下面的公式(5)，定義原子序數(shù)的2倍與質量數(shù)的比值與密度的乘積為特征密度<formula>formula see original document page 7</formula> (5) M設兩種基材料的原子序數(shù)和特征密度分別為(Z,，")和(4,A')，那么 根據上面的公式(1) (4)可以推導出任意一種材料的原子序數(shù)和特征密 度的表達式如公式(6)和(7)所示<formula>formula see original document page 7</formula> (6)*基材料投影模型X光管產生的能譜通常為連續(xù)譜，探測器對x射線的能量響應函數(shù)也不是常數(shù)。設能譜AY②與能量響應函數(shù)iV^的乘積為并 且將S(^歸一化f卿巡=1 (8)那么一條投影線上的投影值的表達式為如下的積分式p = -ln丄=-In fm S(￡)exp(-p(￡，;c,y>//)c^ (9)其中，/()和/分別表示射線被物體衰減前和衰減后的探測器讀數(shù)值，五m表示射線的最大能量，/表示射線穿過的路徑。公式(9)即為實際系統(tǒng)的測量投影值/7與二維分布/z(;c,力的關系?？?以看出，由于X射線多色性，公式(9)并不表示;/(;c,力沿著某條直線的 線積分，因而并不滿足CT數(shù)學原理的要求。常規(guī)重建算法忽略這個 不一致性，重建得到的/z(x，力圖像含有杯狀的偽影，稱為硬化偽影?，F(xiàn)有的雙能CT方法先采用常規(guī)重建算法得到兩組/z(;c,力，然后計 算原子序數(shù)和密度等信息，不能消除射線多色性的影響。本發(fā)明采用 基材料分解的思路解決了這個問題。將基材料分解模型代入到公式(9)中，可以得到基于基材料系數(shù)的 投影值表達式p = — ln f exp(- J[[〃, (￡)6, (;c，力+ //2 (￡)62"力]d)W (10)將公式(10)中的沿著路徑/的積分用下面的公式(11)和(12)表達仏"，=5, (11) p2"， = 52 (12)這樣，按照公式(11)和(12)的定義，稱A和&為基材料系數(shù)投影值。設獲取到了每個角度下的完整的基材料系數(shù)投影值，那么便可以根據CT重建理論重建得到基材料系數(shù)&和62的分布，從而根據基材料分 解模型計算出物體的原子序數(shù)和特征密度分布，以及任意能量下的線 衰減系數(shù)值。*基材料系數(shù)投影值的求解雙能CT在兩個能量下采集投影數(shù)據，便得到如下的雙能投影數(shù)據A(5,，52):-ln f S(五)exp[-5,/z^)-5^(幻]必 (13)P2(5,，52) = -ln f ，)exp卜5,，-52/Z2(五, (14)理論上，在測量得到(^，;72)后，可以根據方程(13)和(14)求解得到(A， 52)。但是，由于上述兩個方程均為對數(shù)積分方程，無法解析求解。另 外，常用的非線性迭代求解方法計算量很大，并且不容易得到穩(wěn)定解。但是，發(fā)明人注意到，當射線穿過厚度為《和^的第一基材料和 第二基材料后，測量到的雙能投影數(shù)據如下面的表達式(15)和(16):/ , =-In f S,(五)exp[々,(五)-化(五)]必 (15)p2 = - In f S2 (￡) exp[々,(￡)-々2 (￡脾 (16) 對比公式(13)、 (14)和公式(15)、 (16)可以看出，如果測量到的投影數(shù)據對(Pb P2)與(^(5bB2)，P2(A力2》相同，那么基材料系數(shù)投影值對(5b52)與基材料的厚度組合(力，《)是完全相同的。因此，測量已知材料的不同厚度組合下的雙能投影，就可以得到雙 能投影數(shù)據對(^，/^與基材料系數(shù)投影值對(A, A)的對應關系，從而 形成査找表。在圖像重建過程中，根據對被檢物體進行雙能射線掃描來測量雙能投影數(shù)據對(^,")。然后，根據雙能投影數(shù)據對(^，/72)從査找表中查找對應的基材料系數(shù)投影值對(A, 52)，或者在找到近似的基材料投影值對(5，i，丑'2)的情況下，通過線性插值來實現(xiàn)對基材料系數(shù)投影值對(5bA)。上述的計算過程明顯比通過求解對數(shù)方程的過程簡單得多。圖1是根據本發(fā)明實施例的雙能CT系統(tǒng)的示意圖。如圖l所示， 射線源100在控制器500的控制下按照預定的時序產生能量連續(xù)分布 的雙能X射線。被檢物體200放在承載機構300上。承載機構300在 控制器500的控制下可以勻速旋轉，也可以上升和下降。探測器陣列 400設置在與射線源100相對的位置，在控制器500的控制下接收透 射過被檢物體200的透射射線，得到針對第一能量的探測信號和針對 第二能量的探測信號。由探測器陣列400檢測的信號被轉換成數(shù)字信 號，存儲在計算機600中，用于后續(xù)的標定或者重建操作。圖2是用來說明根據本發(fā)明實施例的標定雙能CT系統(tǒng)的方法的 示意圖。在圖2中示出了探測器陣列所釆用的雙層結構，其中厚度較 小的低能晶體410在前面，主要吸收X射線的低能量部分；厚度較大 的高能晶體420在后面，主要吸收X射線的高能量部分。低能晶體410 和高能晶體420探測的信號被諸如AD轉換器這樣的輔助電路轉換成 數(shù)字信號。因此，探測器陣列400能夠分別輸出高能信號和低能信號。圖3是用來描述根據本發(fā)明實施例的標定雙能CT系統(tǒng)的方法和圖 像重建方法的流程圖。圖3的左側流程圖示出了標定雙能CT系統(tǒng)的 過程，而圖3的右側流程圖示出了圖像重建方法的詳細過程。如圖2中的基材料X和Y所示，選定兩種常見的材料作為基材料， 比如碳X和鋁Y (SllO)。將其中一種基材料，例如碳X，制作成階 梯狀，另一種基材料，例如鋁Y，制作成各種厚度的長方體。根據每一對基材料的厚度值(力，"2)都可以測量得到相應的低能和高能投影值對(^，P》。按照圖2所示的幾何關系，當基材料從上往下經過輻射區(qū)域時，探 測器陣列400便測量得到了基材料Y的某個厚度與基材料X的一系列 厚度所對應的雙能投影值。改變基材料Y的厚度，重復上面的測量， 便可以得到X和Y在各個厚度組合下的雙能投影值。所有的測量結果 形成了雙能投影值對與基材料厚度組合的對應關系(S120)。在檢査過程中，首先將被檢査物體放在承載機構300上，然后控制 器500控制射線源200發(fā)出雙能X射線在各個角度下照射被檢查物體， 并由探測器陣列400得到雙能投影值對(S210)。接下來，利用上述創(chuàng)建的査找表計算雙能投影值對所對應的厚度組合(《，力)。這樣，就可以得到基材料系數(shù)投影值對(^,B2) (S220)。然 后，根據CT重建算法便得到了基材料系數(shù)分布6,和62的分布圖像 (S230)。另外，根據基材料系數(shù)圖像計算得到物體的原子序數(shù)和特征密度圖 像，以及任意能量下的衰減系數(shù)圖像(S240)。為了驗證上述重建方法，進行了如下的數(shù)值模擬實驗。設X光機 高壓為140kV，探測器陣列采用Csl晶體，采用蒙特卡羅方法模擬得 到能譜和探測器的能量響應函數(shù)，然后用公式(9)解析計算雙能投影 值。例如，選定碳和鋁作為基材料，原子序數(shù)分別為6和13，質量數(shù) 為12.011和26.9815，密度為1 g/cm3和2.7 g/cm3，特征密度為0.999084 g/cm3和2.601783 g/cm3。碳材料的厚度序列為0 10cm,間隔為lcm; 鋁材料的厚度序列為0 lcm，間隔0.1cm。不同厚度組合下的雙能投 影值采用公式(15)和(16)計算得到。這樣碳和鋁材料均有11個厚度， 形成11X1].的査找表。圖4是有機玻璃瓶裝水的橫截面示意圖。被檢物體為裝水的有機玻 璃瓶，瓶壁厚度為5mm，瓶外直徑為160mm，瓶內直徑為150mm。 有機玻璃的原子序數(shù)為6.56，密度為0.8g/crr^，特征密度為0.863g/cm3。 水的原子序數(shù)為7.51，密度為1.0g/cm3，特征密度為Ulg/cm3。在CT掃描過程中，采用平行束掃描，投影角度數(shù)為720，探測 器個數(shù)為512，重建圖像大小為521X512。圖5示出了根據現(xiàn)有技術重建的結果圖像和根據本發(fā)明的方法重 建的結果圖像，其中圖5A是采用常規(guī)方法重建得到的低能衰減系數(shù) 圖像，圖5B是采用本發(fā)明實施例的圖像重建方法得到的60keV下的 衰減系數(shù)圖像，圖5A和圖5B的圖像的顯示灰度窗均為
; 圖5C是根據本發(fā)明實施例的方法重建的特征密度圖像，顯示灰度窗 為
;圖5D是根據本發(fā)明實施例的方法重建的原于序數(shù)圖像， 顯示灰度窗為[6 8];圖5E和圖5F分別表示沿著圖5A與圖5B所示的 圖像的中心線所取得的像素值的曲線；圖5G和圖5H分別表示沿著圖5C和圖5D所示的圖像的中心線所取得的像素值的曲線以及真實的圖 像曲線，其中實線表示重建結果，虛線表示真實值。比較圖5A和5B、圖5C和5D，可以看到本發(fā)明實施例的方法得到的衰減系數(shù)圖像可以消除射線硬化引起的杯狀偽影。另外，從圖5G 和圖5H中可以看到重建結果與真實值的差異非常小，這表明本方法 可以獲得很高的精度。如上所述，根據本發(fā)明實施例的標定方法降低了復雜度。具體來說， 選定多個基材料，然后制作階梯塊和一系列厚度的矩形塊。通過測量 不同厚度組合下的投影值，就可以得到雙能査找表，實現(xiàn)系統(tǒng)標定。另外，根據本發(fā)明實施例的圖像重建方法所取得的圖像重建結果精 度高。根據模擬結果，原子序數(shù)和密度值的誤差在1%以內。另外，根據本發(fā)明的方法，可以獲取被檢物體在任意能量下的衰 減系數(shù)圖像，不受X射線能譜硬化的影響。上面的描述僅用于實現(xiàn)本發(fā)明的實施方式，本領域的技術人員應 該理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的任何修改或局部替換，均應該屬于本發(fā)明的權利要求來限定的范圍，因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權 利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1. 一種標定雙能CT系統(tǒng)的方法，包括步驟選定至少兩種不同的材料；探測雙能射線對所述至少兩種不同的材料在不同厚度組合下的透射射線，以獲得投影值；按照所述不同厚度組合和相應的投影值相互對應的方式創(chuàng)建查找表。
2、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述雙能射線包括低 能射線和高能射線。
3、 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述低能射線和所述 高能射線是X射線。
4、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述至少兩種不同的 材料包括碳和鋁。
5、 一種圖像重建方法，包括步驟 利用雙能射線掃描被檢物體，以獲取雙能投影值； 根據預先創(chuàng)建的査找表計算與所述雙能投影值相對應的基材料系數(shù)投影值；以及基于所述基材料系數(shù)投影值重建基材料系數(shù)分布圖像。
6、 如權利要求5所述的圖像重建方法，還包括步驟 基于基材料系數(shù)分布圖像計算被檢物體的原子序數(shù)圖像。
7、 如權利要求5所述的圖像重建方法，還包括步驟基于基材料系數(shù)分布圖像計算被檢物體的特征密度圖像。
8、 如權利要求5所述的圖像重建方法，還包括步驟基于基材料系數(shù)分布圖像計算被檢物體的衰減系數(shù)圖像。
9、 如權利要求5 8之一所述的圖像重建方法，如下創(chuàng)建所述査找表-選定至少兩種不同的材料；探測雙能射線對所述至少兩種不同的材料在不同厚度組合下的透射射線，以獲得投影值；按照所述不同厚度組合和相應的投影值相互對應的方式創(chuàng)建所 述査找表。
全文摘要
公開了一種標定雙能CT系統(tǒng)的方法和圖像重建方法，以計算被掃描物體的原子序數(shù)圖像和特征密度圖像，以及任意能量下的衰減系數(shù)圖像。本發(fā)明還消除了因為射線硬化引起的杯狀偽影的影響。該標定雙能CT系統(tǒng)的方法包括步驟選定至少兩種不同的材料；探測雙能射線對所述至少兩種不同的材料在不同厚度組合下的透射射線，以獲得投影值；按照所述不同厚度組合和相應的投影值相互對應的方式創(chuàng)建查找表。該圖像重建方法包括步驟利用雙能射線掃描被檢物體，以獲取雙能投影值；根據預先創(chuàng)建的查找表計算與所述雙能投影值相對應的基材料系數(shù)投影值；以及基于所述基材料系數(shù)投影值重建基材料系數(shù)分布圖像。從而，基于基材料系數(shù)分布圖像可以計算被檢物體的原子序數(shù)圖像、特征密度圖像和衰減系數(shù)圖像。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提出的方法具有校正過程簡單、計算精度高、不受X射線硬化影響的優(yōu)點。
文檔編號G01N23/02GK101266216SQ20071006439
公開日2008年9月17日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權日2007年3月14日
發(fā)明者劉以農, 麗 張, 張國偉, 李元景, 程建平, 肖永順, 趙自然, 邢宇翔, 陳志強 申請人:清華大學;同方威視技術股份有限公司