面向生物医学软组织基于高分辨率X光谱仪的能谱CT成像应用基础研究

X-ray spectral CT technique is a research hotspot in current medical X-CT field. To break overseas monopoly and blockade in x-ray spectral CT technique field, and overcome unconsistency and energy low-resolution for the existing x-ray spectral CT detectors, this project will develop an energy high-resolution x-ray spectral CT based on high-resolution x-ray spectrometer. By means of this spectral CT system，we carries out imaging application research on biomedical soft tissues, including obtaining high-quality projection data of biomedical soft tissues in the low-energy range, establishing reasonable CT imaging model based on K-edge characteristics of medical contrast agents, and developing some key techniques to improving imaging contrast for different soft tissues. Eventually the aim of this project is to establish basic theory and key techniques of x-ray spectral CT system with our own intellectual property rights in biomedical application, which has important and far-reaching significance in exploiting application potential of x-ray spectral CT technique, improving research level of x-ray spectral CT field in China, and solving bottleneck problem of restricting medical X-CT development.

X射线能谱CT技术是当今医学X-CT领域的研究热点之一。为了冲破国外在X射线能谱CT技术领域的封锁与垄断，克服现有X射线能谱CT探测器一致性差及能量分辨率低等诸多局限。本项目从高分辨率X光谱仪着手，研制一种能量高分辨率的X射线能谱CT系统。基于此，开展面向生物医学软组织的能谱X-CT成像应用基础研究，在X射线低能区获取高质量的CT扫描投影数据，借助于医学造影剂的K-edge特性，建立优化CT成像模型，解决不同医学软组织CT成像对比度较差等关键技术问题。最终，构建我国自主知识产权的生物医学能谱X-CT成像系统基本理论及关键核心技术，这对于挖掘X射线能谱CT技术的应用潜力，提高我国在X射线能谱CT技术领域的研究水平，突破制约医学X-CT发展的瓶颈，具有重要而深远的意义。

本项目立足于X射线能谱CT技术，以高分辨率X光谱仪为基础，研制了一种既能克服X射线探测单元一致性差的缺点又能提高X射线能量分辨率的能谱X-CT系统。基于此，开展了面向生物医学软组织的能谱X-CT成像应用基础研究，在X射线低能区获取高质量的CT扫描投影数据，借助于医学造影剂的K-edge特性，建立了优化CT成像模型，解决不同医学软组织CT成像对比度较差等关键技术问题。.1）研究并构建了能量高分辨率的X射线能谱CT成像系统。以提高医学软组织CT成像对比度差异为研究目的，选用低能X光管作为该系统的射线源，便于在低能区对X射线进行探测成像；依据单像素探测器特点，设计CT成像系统的机械扫描装置，实现X射线能谱CT系统的构建。研究该系统的成像几何校准问题，为CT图像精确重建奠定基础；设计有效的散射校准补偿模型，尽可能消除散射效应对X射线光子探测的影响。.2）研究了探测数据的处理方法与能谱X-CT重建算法。针对所探测到的X射线能谱数据，构建数据分析处理模型，基于此，开展相应的投影数据校准研究；针对X射线能谱CT数据噪声大的特点，研究基于压缩感知的重建算法，以此抑制CT重建图像中的噪声和伪影，在稀疏采样的情况下，能够重建出较高质量的CT图像。.3）开展了生物医学软组织多能谱CT成像实验研究。与第三军医大学西南医院合作，有目的选择生物医学软组织样本。结合造影成像技术，研究了基于造影材料K-edge特性的成像模型，优化成像能窗，在保证不同软组织成像对比度差异最大化的同时，提高成像的信噪比。