專利名稱：基于基圖像tv模型的ct射束硬化校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CT透射成像射束硬化校正方法，特別是涉及一種基于基圖像TV 最小化模型的CT射束硬化校正方法。
背景技術(shù)：
CT(Computed Tomography, CT)技術(shù)是利用探測(cè)器對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行一系列不同角度的射線投影測(cè)量，通過(guò)三維圖像重建算法直接計(jì)算出物體所有切片圖像的一種成像技術(shù)，在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。CT重建算法基于如下假設(shè)所使用的X射線是單能的，射線強(qiáng)度隨吸收物質(zhì)厚度的增加按指數(shù)形式衰減，衰減系數(shù)為常數(shù)。而實(shí)際X射線源發(fā)出的射線是多能譜的，當(dāng)多能譜射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，低能光子衰減量大于高能光子，因此射線平均能量隨透射厚度的增加而升高，射束逐漸變“硬”，這種現(xiàn)象稱為射束硬化。對(duì)于均勻鋁柱而言，越靠近鋁柱中心，射線穿過(guò)的厚度越厚，射束硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重，射線的實(shí)際衰減量比理想衰減量低得多，這樣經(jīng)三維重建算法重建的鋁柱圖像就會(huì)出現(xiàn)中間暗邊緣亮的現(xiàn)象，灰度曲線呈杯狀。 除了造成杯狀偽影外，射束硬化還會(huì)導(dǎo)致CT圖像中產(chǎn)生條狀、帶狀等偽影，這些偽影的存在嚴(yán)重影響了圖像質(zhì)量，必須對(duì)其進(jìn)行消除。目前已有許多硬化校正方法，但歸納起來(lái)主要可以分為單能法和雙能法兩大類。雙能法中，物質(zhì)總的衰減系數(shù)被分解兩種能量下相應(yīng)衰減系數(shù)的線性組合。這種方法的缺點(diǎn)是需要在不同的管電壓下對(duì)被成像物采集兩次投影數(shù)據(jù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中很少被采用。單能法易于實(shí)現(xiàn)，且校正效果良好，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。中國(guó)發(fā)明專利 200710018779. X(公告號(hào)101126722，公告日2008年2月20日)提出了一種“基于配準(zhǔn)模型仿真的錐束CT射束硬化校正方法”該方法首先從實(shí)際重建的零件序列切片圖像中提取輪廓點(diǎn)集，然后采用初始-精確兩步配準(zhǔn)算法配準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)集和CAD模型，并對(duì)配準(zhǔn)后的CAD模型進(jìn)行投影仿真，得到射線在各成像點(diǎn)上穿越零件的長(zhǎng)度，最后采用新的指數(shù)函數(shù)擬合長(zhǎng)度-灰度曲線并據(jù)此校正射束硬化偽影。該方法不足之處在于校正曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)條件依賴性強(qiáng)，一條校正曲線只能針對(duì)一種材料在特定實(shí)驗(yàn)條件下使用，一旦實(shí)驗(yàn)條件或被測(cè)工件材料發(fā)生變化，則需要重新擬合校正曲線，當(dāng)被掃描物結(jié)構(gòu)或成分較為復(fù)雜時(shí)，該算法的復(fù)雜度和計(jì)算量會(huì)大大增加，影響該方法的適用范圍和靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，通過(guò)分析射束硬化對(duì)原始投影數(shù)據(jù)的影響，發(fā)現(xiàn)射束硬化造成原始投影中實(shí)際值低于理想值，且硬化程度越大偏離越嚴(yán)重的問(wèn)題，提出一種基于基圖像TV模型的CT射束硬化校正方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案一種基于基圖像TV模型的CT射束硬化校正方法，在建立帶有可調(diào)參數(shù)的射束硬化校正模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)下述步驟完成
首先，在不同的可調(diào)參數(shù)條件下，原始投影數(shù)據(jù)經(jīng)該模型預(yù)處理變換得到多組預(yù)處理投影序列，然后，分別對(duì)預(yù)處理投影序列進(jìn)行重建得到一系列校正基圖像，并以目標(biāo)圖像的全變分函數(shù)作為代價(jià)函數(shù)，通過(guò)迭代法求得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解，最后，將得到的系列基圖像加權(quán)求和，形成最終重建圖像。所述的基于基圖像TV最小化模型的CT射束硬化校正方法，根據(jù)射束硬化對(duì)投影數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上建立射束硬化校正模型單能X射線穿過(guò)均勻物質(zhì)的強(qiáng)度衰減公式，用比爾定律表示，如式(I)所示，I1 = I0e_ux (I)其中Ici表示單能射線初始強(qiáng)度山表示透射射線強(qiáng)度；μ為物質(zhì)衰減系數(shù)，與物質(zhì)的密度和射線的能量有關(guān)表示射線所經(jīng)過(guò)物質(zhì)的長(zhǎng)度；那么，由式⑴可得μχ = -\ηγ-⑵-Inf即為我們通常所說(shuō)的投影數(shù)據(jù)P，⑵式變?yōu)?br> 1OP = μ X (3)由式(3)可以看出對(duì)于單能射線，投影數(shù)據(jù)與射線穿越厚度之間呈線性關(guān)系；多能譜X射線情況下，式(I)變?yōu)?I =7O (E)exP(-jKx，E)dx )dE⑷
EX其中S(E)為入射光譜的光子密度函數(shù)，μ (X'，E)為被測(cè)截面上X點(diǎn)處的物質(zhì)關(guān)于能量E的線性衰減系數(shù)；因此，多能譜X射線產(chǎn)生的投影值為Q = ln(A /^0) = In [-Sf(E)exp(-|μ{χ,E)dc )dE(5)
EX由式(5)可知，當(dāng)射線具有多能譜分布時(shí)，投影數(shù)據(jù)和射線經(jīng)過(guò)物質(zhì)的厚度表現(xiàn)為非線性關(guān)系，由上述分析可知，由于射束硬化的影響，透射厚度越厚，多能譜射線投影值越偏離單能射線投影值，即實(shí)際投影值越大則其偏離理想投影值越遠(yuǎn)；因此，對(duì)射束硬化進(jìn)行校正可以定性為將較大投影值經(jīng)過(guò)校正變的更大，保持較小投影值基本不變。所述的基于基圖像TV模型的CT射束硬化校正方法，通過(guò)下述步驟建立射束硬化校正模型設(shè)P為多能譜射線條件下得到的原始投影，P'為P校正之后相應(yīng)的投影數(shù)據(jù)，定義P與P之間存在如下函數(shù)關(guān)系P' = S(P) (6)其中，S為預(yù)校正函數(shù)，S是線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或冪函數(shù),結(jié)合冪函數(shù)與指數(shù)函數(shù)，設(shè)計(jì)函數(shù)S的形式如下S(P) =P (7)加入不定參數(shù)η (n e N.)，即Sn(P) = Pn(n e N+)，利用Sn(P)擬合校正曲線，對(duì)η取不同的值則得到不同的Sn(P)，表示以不同的程度對(duì)投影值進(jìn)行校正，這樣會(huì)出現(xiàn)欠校正和過(guò)校正的情況。因此，賦以SjP)不同的權(quán)重系數(shù)Cn，來(lái)平衡欠校正和過(guò)校正的現(xiàn)象。Sn(P)加權(quán)求和后作為最終的預(yù)處理投影數(shù)據(jù)，即，
權(quán)利要求
1.一種基于基圖像TV模型的CT射束硬化校正方法，其特征是在建立帶有可調(diào)參數(shù)的射束硬化校正模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)下述步驟完成首先，在不同的可調(diào)參數(shù)條件下，原始投影數(shù)據(jù)經(jīng)該模型預(yù)處理變換得到多組預(yù)處理投影序列；然后，分別對(duì)預(yù)處理投影序列進(jìn)行重建得到一系列校正基圖像，并以目標(biāo)圖像的全變分函數(shù)作為代價(jià)函數(shù)，通過(guò)迭代法求得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解；最后，將得到的系列基圖像加權(quán)求和，形成最終重建圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于基圖像TV模型的CT射束硬化校正方法，其特征是根據(jù)射束硬化對(duì)投影數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上建立射束硬化校正模型單能X射線穿過(guò)均勻物質(zhì)的強(qiáng)度衰減公式，用比爾定律表示，如式(I)所示，
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于基圖像TV模型的CT射束硬化校正方法，其特征是 通過(guò)下述步驟建立射束硬化校正模型設(shè)P為多能譜射線條件下得到的原始投影^為P校正之后相應(yīng)的投影數(shù)據(jù)，定義P 與P之間存在如下函數(shù)關(guān)系P' = S(P) (6)其中，S為預(yù)校正函數(shù)，S是線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或冪函數(shù)，結(jié)合冪函數(shù)與指數(shù)函數(shù)，設(shè)計(jì)函數(shù)S的形式如下S(P) =P (7)加入不定參數(shù)n(n e N+)，即Sn(P) = Pn (n e N+)，利用Sn(P)擬合校正曲線，對(duì)η取不同的值則得到不同的Sn(P)，表示以不同的程度對(duì)投影值進(jìn)行校正，針對(duì)出現(xiàn)欠校正和過(guò)校正的情況，賦以Sn(P)不同的權(quán)重系數(shù)Cn，來(lái)平衡欠校正和過(guò)校正的現(xiàn)象；Sn(P)加權(quán)求和后作為最終的預(yù)處理投影數(shù)據(jù)，即，
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于基圖像TV模型的CT射束硬化校正方法，其特征是使用 TV作為代價(jià)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)式中最終重建圖像f(r)，求解線性加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解，通過(guò)求解式 c = argmin ( f G (c, r) d3r_a · c) (11)來(lái)確定c,式中加入約束條件a · c = const以避免c = 0的情況，
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CT透射成像射束硬化校正方法，特別是涉及一種基于基圖像TV最小化模型的CT射束硬化校正方法。一種基于基圖像TV模型的CT射束硬化校正方法，在建立帶有可調(diào)參數(shù)的射束硬化校正模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)下述步驟完成首先，在不同的可調(diào)參數(shù)條件下，原始投影數(shù)據(jù)經(jīng)該模型預(yù)處理變換得到多組預(yù)處理投影序列，然后，分別對(duì)預(yù)處理投影序列進(jìn)行重建得到一系列校正基圖像，并以目標(biāo)圖像的全變分函數(shù)作為代價(jià)函數(shù)，通過(guò)迭代法求得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解，最后，將得到的系列基圖像加權(quán)求和，形成最終重建圖像。與傳統(tǒng)方法相比，不需要掃描件材質(zhì)、射線源條件等先驗(yàn)知識(shí)，不受外在條件限制，通用性強(qiáng)；在確定加權(quán)系數(shù)時(shí)是對(duì)線性組合求解，因此具有計(jì)算復(fù)雜度小，運(yùn)算時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N23/04GK102609908SQ201210010808
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者孫紅勝, 張俊, 李慶亮, 李磊, 潘冬存, 閆鑌 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué)