锥束CT中散射的数学建模方法研究

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计算机断层成像技术即CT(Computed Tomography)在临床医学上的应用,是20世纪生物医学技术进步的重要标志之一。随着实时有源面阵探测器等硬件技术的发展,锥束CT系统的研究和开发成为CT领域重要的研究热点和发展方向。锥束CT能够利用快速采集的二维投影数据直接重建被检测对象的三维断层图像。锥束CT可视为体积CT扫描系统。与传统的二维CT相比,锥束CT具有扫描速度快,图像分辨率高,射线利用效率高等显著优点。   在用X射线对三维物体进行投影形成二维图像时,照射在物体上的X射线光子可能贯穿该物体,与之不发生任何作用而到达探测器,也可能与该物体产生一次或多次相互作用后到达探测器。前者称为直射(或原发射线),后者称为散射(或继发射线)。X射线散射主要起源于射线与被检测物体相互作用的康普顿效应。由于康普顿效应,部分散射光子使被探测到的信号偏离了X射线强度的真实测量结果,导致重建图像中CT数的偏移,产生伪影。因此,对重建图像进行散射校正具有很强的实际意义。   本文在锥束CT散射校正的散射核重叠方法的基础上,改进了基于散射点扩展函数的锥束CT散射的数学建模方法,并成功应用于散射校正方法中。散射建模的主要思想是将散射核建模为以主射线分量作为输入,散射线分量作为输出的点扩展函数,即散射是主射线与散射核卷积的结果。首先运用蒙特卡罗模拟软件Geant4构造X射线仿真系统。然后根据需要,构造不同形状和尺寸的体模,从而获取投影数据。最后根据散射核函数和从真实投影数据得到的拟合参数,获得散射的数学模型。实验表明散射建模能够精确刻画散射的分布。   将散射核函数应用于散射校正中,取得了良好的效果。首先将主射线图像估计拆分为多个主射线分量估计,每个分量估计与对应的散射核卷积,得到散射分量估计,再合并成为散射图像估计。然后用原始投影图像减去散射图像估计,得到新的主射线图像估计。重复上述操作,直到主射线图像估计值收敛为止。于是,我们就得到了校正后的投影图像。实验表明,对于均匀和非均匀厚度的体模,散射校正算法能够在有限迭代次数内,达到降低锥束CT投影图像散射的目的。
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