基于能谱分离的变能量X射线多谱CT成像方法研究

For X-ray single-energy imaging, the energy spectrum information of X-ray multi-spectrum imaging is more abundant. Based on the multi-spectrum congruity between energy spectrum and attenuation coefficient, multi-spectrum fusion can realize qualitative and quantitative detection for the micro information of the testing object. However in multi-spectrum imaging, the photon-counting detector has special superiority. It can realize spectrum separation and resolving in the data collection. But because of the higher price, the less energy peak bearing, and the restriction of separation level, this detector can't apply to engineering. So based on no-change the physical composition of imaging system，using ray filtering and varying energy imaging, the project will research an equivalent method of multi-spectrum information acquisition, which is the spectrum separation at the ray emission. Then for its specificity, by coupling the priori of varying energy multi-spectrum imaging, research the reconstruction algorithm of X-ray multi-spectrum CT based spectrum separation. Also by energy estimate and compensation, the physical level multi-spectrum imaging will be realized. This project can reveal the corresponding relationship between imaging system and multi-spectrum CT, ensure the correctness of physical characterization about multi-spectrum imaging，and promote the multi-spectrum imaging and quantitative detection technology development. Also it tremendously expand the hardware proficiency of the imaging system in service，and makes the CT system in service possess multi-spectrum CT.

X射线多谱成像相对于单能谱成像，其能谱信息更丰富，可依据能谱与衰减系数的多谱对应性，实现检测对象微观信息的定性与定量检测。而在多谱成像中，光子计数型探测器具有独特的优势，可直接在数据接收端实现能谱分离与解析，但是由于价格昂贵、承受能量峰值小、分离能级受限等，无法工程化应用。为此项目针对现有在役CT系统，在不改变CT系统物理组成的基础上，利用射线滤波和变能量成像技术，研究一种等效的多谱信息获取方法- - 射线发射端能谱分离。其次，针对其特殊性，耦合变能量多谱成像先验，研究基于能谱分离的变能量X射线多谱CT重建算法，并通过能谱评估与补偿，实现物理层面上的多谱成像。本项目的研究可揭示成像系统与多谱CT的物理对应关系，确保多谱成像的物理表征正确性，促进多谱成像及定量检测技术的发展；同时极大地拓展在役CT系统的硬件潜能，使现有在役CT系统具备多谱CT功能。

本项目针对光子计数型多谱CT的应用局限性以及在役CT系统多谱功能扩展的必要性，研究基于能谱滤波分离的多谱CT成像方法，实现常规CT系统的多谱“彩色”CT成像。项目按照原计划，从递变能量能谱滤波匹配与优化、多谱CT重建、CT序列融合与表征、技术应用四个方面开展研究。具体工作如下：项目建立了与材料组分相关的X射线发射端能谱滤波优化匹配模型，并结合Geant4构建了能谱滤波分离虚拟CT平台，实现了滤波片参数选择的优化，同时结合提出的基于线性散布度和平均对比度的射线成像质量综合评价方法，实现了射线能量递变过程中的投影数据的优化获取。针对滤波后投影的多能伪影和低剂量噪声，提出了基于递变能量多谱CT重建算法和基于全变分（TV）最小化的EM重建算法；进一步改进，提出了基于参考能量的多能CT的成像方法，该方法对比能谱滤波分离成像方法，只需滤去较少一部分能量，减小了滤波片参数优化的难度，材料组分区分度可得到有效提高。针对多谱CT序列，提出了基于PCA的多谱CT序列融合方法，实现了同一视图中能够显示检测对象的多种信息，同时，针对融合结果的物理表征正确性问题，提出了基于改进的DCM多谱CT序列融合与能谱校准方法，实现了物理层面上的多谱CT成像。在此基础上，提出了基于结构连续先验的CT图像序列自适应分割算法和基于超像素分割的随机游走CT图像序列自适应分割算法，实现了CT序列各组分有效快速分割及可视化。基于以上成果，在药柱内孔分布在线测试和致密油储集岩渗透特性分析方面开展了应用研究。总之，项目提出的与光子计数型探测器等效的多谱信息优化获取方法，通过多谱CT重建和CT序列融合表征，可有效抑制多谱硬化伪影，提高材料组分的区分度，实现物理层面上的多谱CT成像。