專利名稱：一種含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光子成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種圖像重建系統(tǒng)及方法，尤其是一種含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在光子成像系統(tǒng)中，光子在輸運(yùn)過程中與照相器件發(fā)生相互作用，如康普頓散射、光電效應(yīng)、電子對效應(yīng)等，這些作用產(chǎn)生大量的散射光子，給底片圖像帶來嚴(yán)重的散射偽影，大大降低圖像的對比度，特別是對強(qiáng)散射材料，散射對于記錄平面上照射量的貢獻(xiàn)往往會超過甚至淹沒所關(guān)注部位上的直穿照射量。故能否精確地從底片中扣除散射量對圖像重 建結(jié)果影響很大?；诖?，對散射來源進(jìn)行研究并開展降低散射和扣除散射技術(shù)的研究，對提高圖像品質(zhì)、獲得精確的直穿量信息進(jìn)而正確提取被照客體的線性吸收系數(shù)的空間分布有重要的意義。目前國內(nèi)外開展了大量地散射校正技術(shù)研究，其中主要包括硬件校正和軟件校正以及軟硬件混合校正技術(shù)。其中硬件校正技術(shù)，是指在成像系統(tǒng)儀器部件上安裝校正工具，直接減少散射量。這類方法主要有前后保護(hù)器、X射線濾線器、準(zhǔn)直器或金屬柵格、經(jīng)典的空氣隙方法、掃描狹縫技術(shù)和鉛條或鉛板技術(shù)。軟件校正技術(shù)，是指在依據(jù)數(shù)字圖像處理的方法，通過分析投影圖像、估計被照物體性質(zhì)，得到散射分布圖，用于散射校正。軟硬件混合校正方法主要包括散射校正板方法、射束衰減網(wǎng)格校正方法、頻率調(diào)制方法、初級調(diào)制方法。其中散射校正板方法是針對錐束CT系統(tǒng)是一種新型有效的校正方法，但是該方法會使掃描時間加倍，數(shù)據(jù)處理量也加倍，且對于工業(yè)高能錐束CT系統(tǒng)的檢測，鉛球尺寸往往難以保證；射束衰減網(wǎng)格校正方法同樣存在效率非常低下的問題。頻率調(diào)制方法則有散射校正器材簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是對于不同的被測物體和不同的成像精度需要調(diào)整合適的網(wǎng)格間距；頻率調(diào)制方法及初級調(diào)制方法在實(shí)際運(yùn)用中要求非常高，不易實(shí)現(xiàn)，目前尚沒有在工業(yè)CT上運(yùn)用的報道。軟件校正法是近年來研究的熱點(diǎn)，這類校正方法主要有卷積法、反卷積法、模型估計法和蒙特卡羅模擬法等。卷積法和反卷積法提出較早，在筆形束和扇形束工業(yè)CT系統(tǒng)中運(yùn)用較多，在錐形工業(yè)CT中，因?yàn)楸徽湛腕w截面大以及數(shù)據(jù)采集量大，其難以滿足速度的要求。蒙特卡羅方法具有精度高、幾何適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其計算效率極其低下；國外文獻(xiàn)中有提出結(jié)合蒙特卡羅模擬與點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行散射量計算的方法，但該方法只實(shí)現(xiàn)了針對簡單幾何問題的散射校正。故一種高效率、高精度以及高幾何適應(yīng)性的散射校正方法以及基于此的圖像重建系統(tǒng)的開發(fā)成為必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建系統(tǒng)及方法，其能夠提高效率、保證精度且節(jié)約成本的光子成像系統(tǒng)的散射校正方法，其圖像重建能夠具有很高地幾何適應(yīng)性，且具有很高地計算效率，并且能在圖像重建過程中明顯地提高精度。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的這種含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建系統(tǒng)，包括散射量計算模塊，基于快速光子輸運(yùn)過程散射量求解器獲取散射強(qiáng)度分布圖；散射修正模塊，通過對探測器通量信息與散射強(qiáng)度分布圖之差得到校正后的投影圖像集；圖像重建模塊，用于對上述校正后的投影圖像集進(jìn)行圖像重建獲得被測客體材料線性吸收系數(shù)或者密度；迭代更新，將上一步圖像重建獲得的客體材料密度信息傳給散射量計算模塊重新計算其散射量分布進(jìn)行更精確地散射修正；如此，迭代直至收斂，獲得精確 的散射校正信息和圖像重建結(jié)果。其中散射量計算模塊采用了快速光子輸運(yùn)解析求解方法，在光子輸運(yùn)過程中，散射量光子主要來源于初級散射光子，且對于幾何結(jié)構(gòu)確定且總質(zhì)量不變地被掃描客體其次級散射光子占總散射量的份額基本是不變的。故在求解散射量的過程中采取精確求解光子輸運(yùn)過程中初級散射量，對次級散射光子采用數(shù)值修正系數(shù)的方法。該數(shù)值修正系數(shù)是采用蒙特卡羅方法對次級散射光子的特性做大量分析得到。同時在整個方法系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)對三維任意幾何結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，采用基于著名的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件AUTOCAD 二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)其幾何預(yù)處理。本發(fā)明還提出一種基于上述系統(tǒng)的含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建方法，包括以下步驟I)由光子成像信息通過圖像重建模塊，得到被探測客體線性吸收系數(shù)初值；2)由上述所得客體線性吸收系數(shù)初值，通過快速光子正向輸運(yùn)散射量計算模塊得到其散射量貢獻(xiàn)，得到散射強(qiáng)度分布圖；3)散射修正模塊中，由成像底片信息所得的圖像投影集扣除散射強(qiáng)度分布圖，得到散射修正后的投影圖集；4)由上述得到的散射修正后的投影圖集，返回到圖像重建模塊，進(jìn)行圖像重建，獲得更為精確的探測客體密度值；5)如此，重復(fù)上述步驟2)至步驟4)，反復(fù)迭代直至收斂，能夠得到被測客體信息。進(jìn)一步的，上述步驟I)中，圖像重建模塊的圖像重建的過程具體為從以下公式(I) - (3)出發(fā)，由圖片信息反演被測客體的線性吸收系數(shù)
f \I = I0 exp - YjElJik(I)
V k J(I)式可整理如下^djkLk =Ini-^-(2)
k、i J寫成矩陣形式
《2 ^13 …b'
^2,2 ^23 …U2ne Σ2 b2.:: :；:=:
Λ(fd· . · (IVJj
_ mimbei',\ number,! mimber,3number,ne JL ^ J L Jf j
其中ItlU分別為光子束穿過客體前后的光子強(qiáng)度；Σ Pdi,,分別為第k層客體的線性吸收系數(shù)和射線穿過該客體層的厚度；number為探測點(diǎn)數(shù)；ne為材料區(qū)數(shù)。進(jìn)一步的，上述步驟3)中，散射修正模塊的修整過程包括如下兩個步驟步驟一，通過快速光子正向輸運(yùn)計算模塊得到其散射量貢獻(xiàn)，得到散射強(qiáng)度分布圖；步驟二，由成像底片信息所得的圖像投影集扣除散射強(qiáng)度分布圖，得到散射修正后的投影圖集。以上步驟一具體包括以下內(nèi)容(I) 一次散射量計算
在點(diǎn)探測系統(tǒng)中，考慮光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)，光子與物質(zhì)相互作用的一次散射后，將客體外點(diǎn)光子源離散為客體內(nèi)分布的體散射源，其中該散射源由康普頓效應(yīng)散射源及對生成效應(yīng)散射源組成；客體某一點(diǎn)的康普頓效應(yīng)及對生成效應(yīng)的散射源項(xiàng)分別表示成
權(quán)利要求
1.一種含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建系統(tǒng)，其特征在于，包括 散射量計算模塊，基于快速光子輸運(yùn)過程散射量求解器獲取散射強(qiáng)度分布圖； 散射修正模塊，通過對探測器通量信息與散射強(qiáng)度分布圖之差得到校正后的投影圖像集; 圖像重建模塊，用于對上述校正后的投影圖像集進(jìn)行圖像重建獲得被測客體材料線性吸收系數(shù)或者密度；迭代更新，將上一步圖像重建獲得的客體材料密度信息傳給散射量計算模塊重新計算其散射量分布進(jìn)行更精確地散射修正；如此，迭代直至收斂，獲得精確的散射校正信息和圖像重建結(jié)果。
2.一種含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建方法，其特征在于，包括以下步驟 1)由光子成像信息通過圖像重建模塊，得到被探測客體線性吸收系數(shù)初值； 2)由上述所得客體線性吸收系數(shù)初值，通過快速光子正向輸運(yùn)散射量計算模塊得到其散射量貢獻(xiàn)，得到散射強(qiáng)度分布圖； 3)散射修正模塊中，由成像底片信息所得的圖像投影集扣除散射強(qiáng)度分布圖，得到散射修正后的投影圖集； 4)由上述得到的散射修正后的投影圖集，返回到圖像重建模塊，進(jìn)行圖像重建，獲得更為精確的探測客體密度值； 5)如此，重復(fù)上述步驟2)至步驟4)，反復(fù)迭代直至收斂，能夠得到被測客體信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建方法，其特征在于，步驟I)中，圖像重建模塊的圖像重建的過程具體為 從以下公式(I) - (3)出發(fā)，由圖片信息反演被測客體的線性吸收系數(shù)
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建方法，其特征在于，步驟3)中，散射修正模塊的修整過程包括如下兩個步驟 步驟一，通過快速光子正向輸運(yùn)計算模塊得到其散射量貢獻(xiàn)，得到散射強(qiáng)度分布圖；步驟二，由成像底片信息所得的圖像投影集扣除散射強(qiáng)度分布圖，得到散射修正后的投影圖集。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建方法，其特征在于，步驟一具體包括以下內(nèi)容 (1)一次散射量計算 在點(diǎn)探測系統(tǒng)中，考慮光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)，光子與物質(zhì)相互作用的一次散射后，將客體外點(diǎn)光子源離散為客體內(nèi)分布的體散射源，其中該散射源由康普頓效應(yīng)散射源及對生成效應(yīng)散射源組成；客體某一點(diǎn)的康普頓效應(yīng)及對生成效應(yīng)的散射源項(xiàng)分別表不成:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含散射修正的光子成像系統(tǒng)圖像重建系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括散射量計算模塊，基于快速光子輸運(yùn)過程散射量求解器獲取散射強(qiáng)度分布圖；散射修正模塊，通過對探測器通量信息與散射強(qiáng)度分布圖之差得到校正后的投影圖像集；圖像重建模塊，用于對上述校正后的投影圖像集進(jìn)行圖像重建獲得被測客體材料線性吸收系數(shù)或者密度；迭代更新，并迭代直至收斂，獲得精確的散射校正信息和圖像重建結(jié)果。本發(fā)明能夠提高效率、保證精度且節(jié)約成本的光子成像系統(tǒng)的散射校正方法，其圖像重建能夠具有很高地幾何適應(yīng)性，且具有很高地計算效率，并且能在圖像重建過程中明顯地提高精度。
文檔編號G01N21/17GK102967555SQ20121046886
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者曹良志, 王夢琪, 吳宏春, 鄭友琦 申請人:西安交通大學(xué)