基于MARS系统的X射线能谱CT研究

X射线是19世纪末物理学的三大发现（X射线1895年、放射性1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的诞生。由于X射线是波长介于紫外线和γ射线之间的电磁辐射，因而它具有很高的穿透本领，能穿透许多对可见光不透明的物质，基于此，可用来帮助人们进行医学诊断和治疗，或者用于工业等领域的非破坏性材料的检查。X射线CT (X-ray Computed Tomography, X-CT)正是如此。X-CT是计算机层析成像或断层扫描成像技术的简称，它是通过对X射线的利用，采用一定的图像重建算法，重建出物体一个切面（断层）图像，能以图像的形式，直观、清晰展现物体内部结构状况及材质组成，已在生物医学、航空航天器械、地质考古、军工武器、桥梁堤坝建筑及放射性污染等领域得到了广泛的应用。X射线是一种连续能谱，与可见光相似，因波长或频率的不同，可以分为不同的能谱。近年来，基于X射线能量分辨光子计数探测器（类似于白光三棱镜）技术，产生了一种新型X-CT技术——X射线能谱CT技术。它是利用不同能量的入射X射线与被检测物体作用后的透射X射线所携带的信息而进行计算机断层扫描成像的一种技术，不仅能够显示丰富的X射线衰减特性以呈现物体内部结构状况，而且还可以提供有利于判别物质特性的信息以鉴别材质的类别。因此，在X-CT技术发展历程中，X射线能谱CT技术的诞生具有里程碑意义，已成为目前X-CT领域追逐研究的前沿技术或竞相研究的一个热点。本论文的研究工作成果，是作者在中国留学基金委“国家建设高水平大学公派研究生项目”（录取文号：2010605056，批件号：留金发[2010]3006）资助下，分别于美国弗吉尼亚理工大学（Virginia Polytechnic Institute and State University）生物医学成像实验室和新西兰坎特伯雷大学（University of Canterbury）空间与物理系历经四年多时间在国内外教授联合指导下完成的。研究工作立足于X射线能谱CT技术的典型代表——MARS（Medipix All Resolution System）CT系统，依托于美国国家卫生研究院(National Institutes of Health，NIH)有关科研项目（USNIH/NIBIB Grant EB011785）及国家自然科学基金项目（项目编号：60172074）、国家“深部探测计划”项目（项目编号：SinoProbe-03-01-4F）等科研课题而展开的。论文的研究内容，主要包括：①研究了MARS X射线能谱CT系统结构特点及成像系统几何校准方法。针对如何校准射线束水平中心平面位置问题，提出了一种基于正弦图中心线的射线束水平中心平面位置校准方法。较之于常规校准方法，该方法更为科学合理，易于实现，无需考虑系统旋转中心轴位置和参照物放置位置等问题，提高了系统校准精度，这为X射线能谱CT图像精确重建奠定了基础。②研究了X射线能谱CT投影数据特点及图像重建算法。X射线能谱CT往往是在有限的X射线能量范围内探测X射线的，在有限的X射线能量范围内，多色（多能量）X射线光管产生的光子数目也是有限的，导致投影图像中存在较大的量子噪声。此外，目前X射线能谱CT探测系统（X射线能量分辨光子计数探测器）还存在一些不足，致使获取的投影数据存在较多的噪声和伪影。为了提高X射线能谱CT图像重建质量，在借助于预处理技术处理投影数据的同时，将基于图像全变差（Total Variation，TV）最小化的有序子集同时代数重建算法（Order-subsetSimultaneous Algebraic Reconstruction Technique，OS-SART）应用于X射线能谱CT图像重建中。该算法将基于TV的优化算法与OS-SART重建算法相结合，使得在加速迭代收敛性的同时，可以有效抑制重建图像中的噪声和伪影。③研究了基于K-edge（K边缘）特性的物质识别方法。从物理学角度分析，不同物质有着不同的X射线吸收特性，尤其是，物质的K-edge特性不同，借以鉴别其材质。与传统或常规X-CT技术相比，X射线能谱CT技术能够显示不同能量X射线的衰减特性。为了分析物质的不同物理特性，本文基于MARS X射线能谱CT系统，试验研究了一些对比剂（造影剂）和金属材料的K-edge特性，进而评估了MARS X射线能谱CT鉴别材质的能力。④研究了X射线能谱CT数据评估及彩色CT图像重建方法。为了展示X射线能谱CT能够提供判别物质特性的潜能，本文利用主成分分析（PrincipalComponents Analysis， PCA）方法对X射线能谱CT数据进行了分析评估，提取和量化了X射线能谱CT数据的主要特征，重新表征了X射线能谱CT数据。与此同时，将新的能谱CT数据矩阵中最大的三个特征值所对应的三个特征向量作为彩色图像RGB（Red/Green/Blue）分量，融合出彩色的CT图像，借以彩色CT图像，呈现了丰富的X射线衰减特性信息。⑤系统、深入研究了K-edge（K边缘）成像技术。K-edge成像是X射线能谱CT重要的应用之一。在物质K-edge前后，X射线衰减系数差异很大，为了提高已知材料成像对比度，可以利用X射线能谱CT在衰减系数跳变前后两个X射线能量段分别进行成像。本文针对如何设置K-edge前后两个X射线能量段的宽度问题，提出了一种优化的K-edge成像理论模型。该理论模型将信号差异噪声比（SignalDifference to Noise Ratio， SDNR）作为最优化准则，在这个最优化准则的约束下，选取了最佳的X射线能量段的宽度进行K-edge成像。实验研究表明，该理论模型能够在保证重建的两个能谱CT图像感兴趣区域噪声最小化的同时，可以获得最大的对比度差异，从而达到提高已知材料成像对比度的目的。本文主要研究工作处于学科研究前沿，属于交叉学科范畴，涉及了核技术领域的X射线原理与探测应用研究，光学工程领域的精密机械扫描系统校准研究，量子物理领域的物质K-edge特性分析研究，计算机领域的数字图像处理和CT图像重建研究，以及数学领域的最优化模型研究，等等。因此，研究成果综合了各学科研究工作的结晶，凸显了多学科交叉研究的优势。目前，X射线能谱CT技术尚处于研究与开发的初创阶段，但因其有着传统X-CT技术无法比拟的优势，因此，开展X射线能谱CT技术的研究，不仅具有重要而深远的理论意义，而且有助于拓展更为广阔的应用领域。