一種基于探測(cè)器單元標(biāo)定的ct圖像偽影校正方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于檢測(cè)儀器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種X射線CT圖像偽影校正方法及應(yīng)用， 尤其是可應(yīng)用于巖屯、CT，W及工業(yè)、醫(yī)學(xué)等一類(lèi)對(duì)象的CT圖像偽影校正中。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，數(shù)字巖屯、分析技術(shù)快速發(fā)展，在致密油氣、頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)中的作用逐漸顯 現(xiàn)。CT技術(shù)可W直接重構(gòu)巖屯、的Ξ維空間結(jié)構(gòu)信息，成為構(gòu)建Ξ維真實(shí)數(shù)字巖屯、的重要方 法之一。為構(gòu)建數(shù)字巖屯、模型，需要對(duì)樣品進(jìn)行CT成像，并對(duì)其成分分布進(jìn)行Ξ維圖像分 害d。而CT圖像偽影會(huì)導(dǎo)致分割錯(cuò)誤，進(jìn)而影響數(shù)字建模的精確性。
[0003] 標(biāo)準(zhǔn)巖屯、通常為圓柱狀樣品。為得到數(shù)字巖屯、模型，需要對(duì)其進(jìn)行CT成像。眾所周 知，通常用于CT成像的射線由多能光子組成，CT數(shù)據(jù)獲取的數(shù)學(xué)模型是非線性的，而常用CT 圖像重建算法如FBP、ART等均是基于單能光子的線性數(shù)學(xué)模型。從而導(dǎo)致巖屯、CT成像會(huì)產(chǎn) 生圖像偽影如圖像環(huán)狀偽影、硬化偽影W及CT值崎變等。運(yùn)些圖像偽影設(shè)及多種因素，包括 射線源因素(如能譜、流強(qiáng)穩(wěn)定性）、濾波片因素(材質(zhì)、幾何形態(tài)）、衰減器因素(材質(zhì)、幾何 形態(tài)）、探測(cè)器因素（如探測(cè)器單元對(duì)不同能量光子的探測(cè)效率差異，各個(gè)探測(cè)器單元的探 測(cè)效率差異)和圖像重建算法。
[0004] 有關(guān)CT圖像環(huán)狀偽影、硬化偽影、CT值崎變校正方法已有很多研究，但現(xiàn)有方法尚 不能較好地消除緩變環(huán)狀偽影、硬化偽影和CT值崎變。本發(fā)明將給出一種基于探測(cè)器單元 標(biāo)定的CT圖像偽影校正方法，通過(guò)檢索，尚未檢索到與本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)相關(guān)的專(zhuān)利公開(kāi)文 獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于探測(cè)器單元標(biāo)定的CT 圖像偽影校正方法，該方法能較好地消除巖屯、CT圖像中的緩變環(huán)狀偽影和高頻環(huán)狀偽影， 同時(shí)能減輕由于衰減器射束硬化而引起的圖像CT值崎變，該偽影校正方法還可W用于校正 其它CT成像中的圖像偽影，如工業(yè)構(gòu)件CT圖像偽影、乳腺CT圖像偽影等。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于探測(cè)器單元標(biāo)定的CT圖像偽影校正方法，步驟如下：
[0008] (1)通過(guò)幾個(gè)已知均勻材料的模體，按每個(gè)探測(cè)器單元獲取一系列材料等效厚度下 的多能投影數(shù)據(jù)的采樣值；
[0009] 間由該系列已知材料等效厚度下的多能投影數(shù)據(jù)的采樣值，W及之間的固有性質(zhì) 擬合出每個(gè)探測(cè)器單元的多能投影與材料等效厚度的函數(shù)關(guān)系的反函數(shù)，即多能投影到材 料等效厚度的映射關(guān)系；
[0010] 間在實(shí)際CT成像中，獲得待校正的樣品的多能投影數(shù)據(jù)，按照上述擬合得到的反 函數(shù)，將多能投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成已知材料的等效厚度，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作Wavelet-FFT濾波 處理；
[0011] (4)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)按通常CT算法進(jìn)行圖像重建，即可得到偽影校正后的CT圖像。
[0012] 而且，對(duì)每個(gè)探測(cè)器單元標(biāo)定多能投影到材料等效厚度的映射關(guān)系，不同探測(cè)器 單元對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系不完全相同。
[0013] 而且，所述步驟(1)中獲取多能投影數(shù)據(jù)的采樣值時(shí)，同時(shí)使用幾個(gè)不同尺寸的模 體進(jìn)行掃描，或者，將模體放置在視野中的不同位置多次掃描，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的CT圖像，利 用分割的方法獲取一系列材料等效厚度下的多能投影數(shù)據(jù)的采樣值。
[0014] 而且，所述步驟(1)中獲取多能投影數(shù)據(jù)的采樣值為利用已知厚度的均勻材料的板 狀模體的多能投影數(shù)據(jù)獲取一系列材料等效厚度與多能投影數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的采樣值。
[0015] 而且，所述步驟間的具體方法為:根據(jù)設(shè)備要求采集充分多的采樣值，直接擬合每 個(gè)探測(cè)器單元的多能投影數(shù)據(jù)到材料等效厚度的映射關(guān)系；或者，采集一部分等效厚度下 的多能投影的采樣值，利用材料等效厚度與多能投影的固有性質(zhì)擬合出每個(gè)探測(cè)器單元的 多能投影到材料等效厚度的映射關(guān)系。
[0016] 而且，所述步驟(1)中幾個(gè)已知均勻材料的模體是指已知模體的厚度尺寸、模體個(gè) 數(shù)和模體的X射線吸收系數(shù)，其模體個(gè)數(shù)和厚度尺寸由成像設(shè)備和放置位置決定，但在給定 成像設(shè)備和放置位置條件下模體個(gè)數(shù)和厚度尺寸并不唯一;或者，所述步驟(1)中模體的形 狀為柱狀、錐狀、球狀、楠球狀、圓臺(tái)狀、棱臺(tái)狀、球冠狀或楠球冠狀物體。
[0017] 而且，具體步驟如下；
[001引（1)數(shù)學(xué)模型：
[0019] 巖屯、CT掃描系統(tǒng)，由射線源、探測(cè)器、機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、衰減器W及控制和計(jì)算機(jī)構(gòu) 成，巖屯、CT的數(shù)學(xué)模型如下：
[0020]
[0021] 其中，X表示固定坐標(biāo)系中的點(diǎn)，U為探測(cè)器坐標(biāo)，L(u)表示從射線源到U的射線，β 為巖屯、繞定軸旋轉(zhuǎn)的角度，R(e)為旋轉(zhuǎn)矩陣，μ(χ，Ε)表示初始時(shí)刻巖屯、對(duì)能量為Ε的光子的 線性衰減系數(shù)分布，μΚΕ)表示衰減器單位長(zhǎng)度對(duì)能量Ε的光子的線性衰減系數(shù)，r(u)為射 線到達(dá)探測(cè)器單元U所透過(guò)的衰減器的厚度，丫化，U)表示探測(cè)器單元U的射線探測(cè)效率，1〇 化，U)代表能量為E的光子的入射強(qiáng)度，其中Emin和Emax分別表示光子能量的最小值和最大 值，Ι(ιι，β)代表探測(cè)器單元U在角度β所采集的光子數(shù)，0(u)表示其中包含的散射光子數(shù)；
[0022] 當(dāng)不放掃描物體時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到的光子數(shù)可W表示為：
[0026]間多能投影數(shù)據(jù)與均勻材料厚度的函數(shù)關(guān)系：
[0027]當(dāng)X射線由多能光子組成時(shí)，多能投影數(shù)據(jù)由公式(3)給出，當(dāng)被測(cè)物體為單材質(zhì) 物體時(shí)，即4山6)=4〇巧)0^)，/3的=〇，^〇 ;由公式(3)，可^得到
[0031] p = p(t，u)反映了探測(cè)器單元U采集到的多能投影數(shù)據(jù)與該材料等效厚度的函數(shù) 關(guān)系；
[0032] 間由均勻材料圓柱狀模體恢復(fù)t = t(p，u)的方法：
[0033] ①利用相同材料制作若干個(gè)均勻材質(zhì)的模體；
[0034] ②用CT掃描運(yùn)些模體并由多能投影數(shù)據(jù)重建圖像；
[0035] ③通過(guò)對(duì)圖像分割，按探測(cè)器單元確定每個(gè)多能投影對(duì)應(yīng)的模體等效厚度獲取一 系列數(shù)據(jù)對(duì)，或者根據(jù)模體的已知厚度和其多能投影值獲取每個(gè)探測(cè)器單元對(duì)應(yīng)的一系列 數(shù)據(jù)對(duì)；
[0036] ④建立恢復(fù)t = t(p，u)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并從一系列模體等效厚度和多能投影數(shù) 據(jù)對(duì)恢復(fù)t = t(p ,11);
[0037] 具體為：
[0038] 記模體的密度函數(shù)為μ(χ，Ε)=μ〇化)P(x)，通過(guò)CT掃描得到?jīng)]有物體時(shí)的空掃描 數(shù)據(jù)lo(uj)和加載物體后的掃描數(shù)據(jù)Kuj，故），_]'￡^4￡1(，此處^'和4分別是探測(cè)器單元序 號(hào)和角度采樣序號(hào)，于是可W得到一組多能投影數(shù)據(jù)
jej，keK，由此數(shù) 據(jù)直接重建一副CT圖像知X)，其中可能含有噪聲和CT值崎變，將圖像/'(.V)分割，對(duì)每個(gè)pkj 計(jì)算出tk, j，于是得Sju = {(tk, j，Pk, j)，j E J,keK};對(duì)逐個(gè)探測(cè)器單元Uj，用多項(xiàng)式逼近t = t(p，w)，即假設(shè)探測(cè)器u=u苗f應(yīng)的多項(xiàng)式為
[0039]
[0040] 由 U={(tk,j，pk,j)，jeJ，keK}恢復(fù)t = t(p，uj)的優(yōu)化問(wèn)題如下：
[0043] (4)優(yōu)化問(wèn)題求解方法：
[0044] 令a={a日j，aリ，L，anj}，則目標(biāo)函數(shù)表示戈
多項(xiàng)式的一階導(dǎo) 數(shù)為 & 似=",/+ 五。2/扔化.+ ，多項(xiàng)式的二階導(dǎo)數(shù)為/,,; (?) = + 的,+L + n(" - U。,,，記， 貝1J約束條件表示為:gk(曰）&g