基于MARS系統(tǒng)的X射線能譜CT研究.pdf

1、X射線是19世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1895年、放射性1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的誕生。由于X射線是波長(zhǎng)介于紫外線和γ射線之間的電磁輻射，因而它具有很高的穿透本領(lǐng)，能穿透許多對(duì)可見(jiàn)光不透明的物質(zhì)，基于此，可用來(lái)幫助人們進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷和治療，或者用于工業(yè)等領(lǐng)域的非破壞性材料的檢查。X射線CT(X-ray Computed Tomography, X-CT)正是如此。X-CT是計(jì)算機(jī)層析成像或斷層掃描成像

2、技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是通過(guò)對(duì)X射線的利用，采用一定的圖像重建算法，重建出物體一個(gè)切面（斷層）圖像，能以圖像的形式，直觀、清晰展現(xiàn)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況及材質(zhì)組成，已在生物醫(yī)學(xué)、航空航天器械、地質(zhì)考古、軍工武器、橋梁堤壩建筑及放射性污染等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
　　X射線是一種連續(xù)能譜，與可見(jiàn)光相似，因波長(zhǎng)或頻率的不同，可以分為不同的能譜。近年來(lái)，基于 X射線能量分辨光子計(jì)數(shù)探測(cè)器（類(lèi)似于白光三棱鏡）技術(shù)，產(chǎn)生了一種新型X-CT技術(shù)——X射線能

3、譜CT技術(shù)。它是利用不同能量的入射X射線與被檢測(cè)物體作用后的透射X射線所攜帶的信息而進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描成像的一種技術(shù)，不僅能夠顯示豐富的X射線衰減特性以呈現(xiàn)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而且還可以提供有利于判別物質(zhì)特性的信息以鑒別材質(zhì)的類(lèi)別。因此，在X-CT技術(shù)發(fā)展歷程中，X射線能譜CT技術(shù)的誕生具有里程碑意義，已成為目前X-CT領(lǐng)域追逐研究的前沿技術(shù)或競(jìng)相研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　本論文的研究工作成果，是作者在中國(guó)留學(xué)基金委―國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)

4、公派研究生項(xiàng)目（錄取文號(hào)：2010605056，批件號(hào)：留金發(fā)[2010]3006）資助下，分別于美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)（Virginia Polytechnic Institute and State University）生物醫(yī)學(xué)成像實(shí)驗(yàn)室和新西蘭坎特伯雷大學(xué)（University of Canterbury）空間與物理系歷經(jīng)四年多時(shí)間在國(guó)內(nèi)外教授聯(lián)合指導(dǎo)下完成的。研究工作立足于X射線能譜CT技術(shù)的典型代表——MARS（Medipix

5、 All Resolution System）CT系統(tǒng)，依托于美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health，NIH)有關(guān)科研項(xiàng)目（US NIH/NIBIB Grant EB011785）及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：60172074）、國(guó)家―深部探測(cè)計(jì)劃‖項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：SinoProbe-03-01-4F）等科研課題而展開(kāi)的。
　　論文的研究?jī)?nèi)容，主要包括：
　　①研究了MARS X射

6、線能譜CT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成像系統(tǒng)幾何校準(zhǔn)方法。針對(duì)如何校準(zhǔn)射線束水平中心平面位置問(wèn)題，提出了一種基于正弦圖中心線的射線束水平中心平面位置校準(zhǔn)方法。較之于常規(guī)校準(zhǔn)方法，該方法更為科學(xué)合理，易于實(shí)現(xiàn)，無(wú)需考慮系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心軸位置和參照物放置位置等問(wèn)題，提高了系統(tǒng)校準(zhǔn)精度，這為X射線能譜CT圖像精確重建奠定了基礎(chǔ)。
　　②研究了X射線能譜CT投影數(shù)據(jù)特點(diǎn)及圖像重建算法。X射線能譜CT往往是在有限的X射線能量范圍內(nèi)探測(cè)X射線的，在有限的X射

7、線能量范圍內(nèi)，多色（多能量）X射線光管產(chǎn)生的光子數(shù)目也是有限的，導(dǎo)致投影圖像中存在較大的量子噪聲。此外，目前X射線能譜CT探測(cè)系統(tǒng)（X射線能量分辨光子計(jì)數(shù)探測(cè)器）還存在一些不足，致使獲取的投影數(shù)據(jù)存在較多的噪聲和偽影。為了提高 X射線能譜CT圖像重建質(zhì)量，在借助于預(yù)處理技術(shù)處理投影數(shù)據(jù)的同時(shí)，將基于圖像全變差（Total Variation，TV）最小化的有序子集同時(shí)代數(shù)重建算法（Order-subset Simultaneous Al

8、gebraic Reconstruction Technique，OS-SART）應(yīng)用于X射線能譜CT圖像重建中。該算法將基于TV的優(yōu)化算法與OS-SART重建算法相結(jié)合，使得在加速迭代收斂性的同時(shí)，可以有效抑制重建圖像中的噪聲和偽影。
　　③研究了基于 K-edge（K邊緣）特性的物質(zhì)識(shí)別方法。從物理學(xué)角度分析，不同物質(zhì)有著不同的X射線吸收特性，尤其是，物質(zhì)的K-edge特性不同，借以鑒別其材質(zhì)。與傳統(tǒng)或常規(guī)X-CT技術(shù)相比，X

9、射線能譜CT技術(shù)能夠顯示不同能量X射線的衰減特性。為了分析物質(zhì)的不同物理特性，本文基于MARS X射線能譜CT系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了一些對(duì)比劑（造影劑）和金屬材料的K-edge特性，進(jìn)而評(píng)估了MARS X射線能譜CT鑒別材質(zhì)的能力。
　　④研究了X射線能譜CT數(shù)據(jù)評(píng)估及彩色CT圖像重建方法。為了展示X射線能譜 CT能夠提供判別物質(zhì)特性的潛能，本文利用主成分分析（Principal Components Analysis，PCA）方法對(duì)X

10、射線能譜CT數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析評(píng)估，提取和量化了X射線能譜CT數(shù)據(jù)的主要特征，重新表征了X射線能譜CT數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將新的能譜CT數(shù)據(jù)矩陣中最大的三個(gè)特征值所對(duì)應(yīng)的三個(gè)特征向量作為彩色圖像RGB（Red/Green/Blue）分量，融合出彩色的CT圖像，借以彩色CT圖像，呈現(xiàn)了豐富的X射線衰減特性信息。
　?、菹到y(tǒng)、深入研究了K-edge（K邊緣）成像技術(shù)。K-edge成像是X射線能譜CT重要的應(yīng)用之一。在物質(zhì) K-edge前后，X

11、射線衰減系數(shù)差異很大，為了提高已知材料成像對(duì)比度，可以利用X射線能譜CT在衰減系數(shù)跳變前后兩個(gè)X射線能量段分別進(jìn)行成像。本文針對(duì)如何設(shè)置K-edge前后兩個(gè)X射線能量段的寬度問(wèn)題，提出了一種優(yōu)化的K-edge成像理論模型。該理論模型將信號(hào)差異噪聲比（Signal Difference to Noise Ratio，SDNR）作為最優(yōu)化準(zhǔn)則，在這個(gè)最優(yōu)化準(zhǔn)則的約束下，選取了最佳的X射線能量段的寬度進(jìn)行K-edge成像。實(shí)驗(yàn)研究表明，該理論

12、模型能夠在保證重建的兩個(gè)能譜CT圖像感興趣區(qū)域噪聲最小化的同時(shí)，可以獲得最大的對(duì)比度差異，從而達(dá)到提高已知材料成像對(duì)比度的目的。
　　本文主要研究工作處于學(xué)科研究前沿，屬于交叉學(xué)科范疇，涉及了核技術(shù)領(lǐng)域的X射線原理與探測(cè)應(yīng)用研究，光學(xué)工程領(lǐng)域的精密機(jī)械掃描系統(tǒng)校準(zhǔn)研究，量子物理領(lǐng)域的物質(zhì)K-edge特性分析研究，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的數(shù)字圖像處理和CT圖像重建研究，以及數(shù)學(xué)領(lǐng)域的最優(yōu)化模型研究，等等。因此，研究成果綜合了各學(xué)科研究工作的結(jié)晶