專利名稱：基于基圖像tv模型的ct射束硬化校正方法
技術領域：
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：
CT(Computed Tomography, CT)技術是利用探測器對檢測物體進行一系列不同角度的射線投影測量，通過三維圖像重建算法直接計算出物體所有切片圖像的一種成像技術，在工業(yè)無損檢測和醫(yī)學應用領域中有著廣泛的應用。CT重建算法基于如下假設所使用的X射線是單能的，射線強度隨吸收物質厚度的增加按指數(shù)形式衰減，衰減系數(shù)為常數(shù)。而實際X射線源發(fā)出的射線是多能譜的，當多能譜射線與物質相互作用時，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。對于均勻鋁柱而言，越靠近鋁柱中心，射線穿過的厚度越厚，射束硬化現(xiàn)象越嚴重，射線的實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，射束硬化還會導致CT圖像中產(chǎn)生條狀、帶狀等偽影，這些偽影的存在嚴重影響了圖像質量，必須對其進行消除。目前已有許多硬化校正方法，但歸納起來主要可以分為單能法和雙能法兩大類。雙能法中，物質總的衰減系數(shù)被分解兩種能量下相應衰減系數(shù)的線性組合。這種方法的缺點是需要在不同的管電壓下對被成像物采集兩次投影數(shù)據(jù)，因此在實際應用中很少被采用。單能法易于實現(xiàn)，且校正效果良好，在實際中得到廣泛應用。中國發(fā)明專利 200710018779. X(公告號101126722，公告日2008年2月20日)提出了一種“基于配準模型仿真的錐束CT射束硬化校正方法”該方法首先從實際重建的零件序列切片圖像中提取輪廓點集，然后采用初始-精確兩步配準算法配準測量點集和CAD模型，并對配準后的CAD模型進行投影仿真，得到射線在各成像點上穿越零件的長度，最后采用新的指數(shù)函數(shù)擬合長度-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實驗條件依賴性強，一條校正曲線只能針對一種材料在特定實驗條件下使用，一旦實驗條件或被測工件材料發(fā)生變化，則需要重新擬合校正曲線，當被掃描物結構或成分較為復雜時，該算法的復雜度和計算量會大大增加，影響該方法的適用范圍和靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術不足，通過分析射束硬化對原始投影數(shù)據(jù)的影響，發(fā)現(xiàn)射束硬化造成原始投影中實際值低于理想值，且硬化程度越大偏離越嚴重的問題，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，在建立帶有可調參數(shù)的射束硬化校正模型的基礎上，通過下述步驟完成
首先，在不同的可調參數(shù)條件下，原始投影數(shù)據(jù)經(jīng)該模型預處理變換得到多組預處理投影序列，然后，分別對預處理投影序列進行重建得到一系列校正基圖像，并以目標圖像的全變分函數(shù)作為代價函數(shù)，通過迭代法求得加權系數(shù)最優(yōu)解，最后，將得到的系列基圖像加權求和，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)射束硬化對投影數(shù)據(jù)的影響進行分析，并在此基礎上建立射束硬化校正模型單能X射線穿過均勻物質的強度衰減公式，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度山表示透射射線強度；μ為物質衰減系數(shù)，與物質的密度和射線的能量有關表示射線所經(jīng)過物質的長度；那么，由式⑴可得μχ = -\ηγ-⑵-Inf即為我們通常所說的投影數(shù)據(jù)P，⑵式變?yōu)?br> 1OP = μ X (3)由式(3)可以看出對于單能射線，投影數(shù)據(jù)與射線穿越厚度之間呈線性關系；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)為被測截面上X點處的物質關于能量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，當射線具有多能譜分布時，投影數(shù)據(jù)和射線經(jīng)過物質的厚度表現(xiàn)為非線性關系，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，即實際投影值越大則其偏離理想投影值越遠；因此，對射束硬化進行校正可以定性為將較大投影值經(jīng)過校正變的更大，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，通過下述步驟建立射束硬化校正模型設P為多能譜射線條件下得到的原始投影，P'為P校正之后相應的投影數(shù)據(jù)，定義P與P之間存在如下函數(shù)關系P' = S(P) (6)其中，S為預校正函數(shù)，S是線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或冪函數(shù),結合冪函數(shù)與指數(shù)函數(shù)，設計函數(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η取不同的值則得到不同的Sn(P)，表示以不同的程度對投影值進行校正，這樣會出現(xiàn)欠校正和過校正的情況。因此，賦以SjP)不同的權重系數(shù)Cn，來平衡欠校正和過校正的現(xiàn)象。Sn(P)加權求和后作為最終的預處理投影數(shù)據(jù)，即，
權利要求
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參數(shù)的射束硬化校正模型的基礎上，通過下述步驟完成首先，在不同的可調參數(shù)條件下，原始投影數(shù)據(jù)經(jīng)該模型預處理變換得到多組預處理投影序列；然后，分別對預處理投影序列進行重建得到一系列校正基圖像，并以目標圖像的全變分函數(shù)作為代價函數(shù)，通過迭代法求得加權系數(shù)最優(yōu)解；最后，將得到的系列基圖像加權求和，形成最終重建圖像。
2.根據(jù)權利要求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)射束硬化對投影數(shù)據(jù)的影響進行分析，并在此基礎上建立射束硬化校正模型單能X射線穿過均勻物質的強度衰減公式，用比爾定律表示，如式(I)所示，
3.根據(jù)權利要求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 通過下述步驟建立射束硬化校正模型設P為多能譜射線條件下得到的原始投影^為P校正之后相應的投影數(shù)據(jù)，定義P 與P之間存在如下函數(shù)關系P' = S(P) (6)其中，S為預校正函數(shù)，S是線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或冪函數(shù)，結合冪函數(shù)與指數(shù)函數(shù)，設計函數(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η取不同的值則得到不同的Sn(P)，表示以不同的程度對投影值進行校正，針對出現(xiàn)欠校正和過校正的情況，賦以Sn(P)不同的權重系數(shù)Cn，來平衡欠校正和過校正的現(xiàn)象；Sn(P)加權求和后作為最終的預處理投影數(shù)據(jù)，即，
4.根據(jù)權利要求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作為代價函數(shù)來評價式中最終重建圖像f(r)，求解線性加權系數(shù)最優(yōu)解，通過求解式 c = argmin ( f G (c, r) d3r_a · c) (11)來確定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，在建立帶有可調參數(shù)的射束硬化校正模型的基礎上，通過下述步驟完成首先，在不同的可調參數(shù)條件下，原始投影數(shù)據(jù)經(jīng)該模型預處理變換得到多組預處理投影序列，然后，分別對預處理投影序列進行重建得到一系列校正基圖像，并以目標圖像的全變分函數(shù)作為代價函數(shù)，通過迭代法求得加權系數(shù)最優(yōu)解，最后，將得到的系列基圖像加權求和，形成最終重建圖像。與傳統(tǒng)方法相比，不需要掃描件材質、射線源條件等先驗知識，不受外在條件限制，通用性強；在確定加權系數(shù)時是對線性組合求解，因此具有計算復雜度小，運算時間短的優(yōu)點。
文檔編號G01N23/04GK102609908SQ201210010808
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權日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 申請人:中國人民解放軍信息工程大學