[00653644]基于小框架迭代最大似然重建算法的彩色能谱CT

自1971第一台CT问世,距今已有40多年,在这40多年中,CT技术和临床应用得到了迅速发展,从最初的头部专用CT到以全身CT检查为主的体部CT,从非螺旋CT到以CT血管成像检查为主的螺旋CT（1989年）,从单排CT到以CT的心脏冠脉成像检查为主的多排CT（1998年）,再从多排CT到以多参数为主的双管能量CT（2008年）。随着科技水平的不断进步,自2013年开始,各大CT生产家开始侧重研发能谱CT,主要两大类型：第一类：硬件更新升级,对相应的高压发生器、球管、探测器、数据采集等各系统进行适当升级;第二类：保持现有硬件功能,重点对数据采集、软件开发、运算方式进行革命性改革,达到取长补短,完成能谱CT的成像功能。前者投入资金巨大,研发周期超长,效果不稳定;后者投入资金少,性价比高。 与传统CT成像技术相比,CT能谱成像的空间分辨率和时间分辦率更高:同时CT能谱成像可以减少硬化伪影和容积效应,可以提供对比噪声比最佳的能谱图像及碘基图像,强化碘对比剂的显示,从而避免小病灶的遗漏和误诊,提高小病处和多发病灶的检出率。 识别强化这是物质分离的一个重要应用方向。由于常规CT固有的硬化效应会造成CT值偏移或CT值不准确,使病灶中有无真正强化很难分辨,据统计,常规CT中10％-15％的小病灶因无法明确是否有含碘对比剂的强化,而不得不进行更多的轴助检查如 PET CT或MR),以排除发生恶性肿瘤的可能性。能谱成像中选择水和碘配对,其物质密度图像则可以有效解决此问题,应用碘密度图可以敏感地识别病灶中的含碘对比剂,从而提供有无强化的确诊信息。 能谱技术利用组织在不同能量X线下吸收的差异性,帮助我们去发现相应的征象,进而体现其在肿瘤的检出,诊断和鉴别诊断及疗效评价中的价值。 本项目研发的彩色能谱CT技术利用基于小框架的迭代最大似然重建算法的新技术,通过新的软件方法,能够利用通用CT能量集成单次扫描数据,实现了光电效应图像、康普顿散射图像、根据不同KeV值合成的单能量图像、彩色能谱图像的重建,实现了新的创新突破。这些图像可以展现患者各个部位各个组织的多种不同影像,可以为临床医师提供更加丰富的临床图像信息,可以为病症的诊断起到重要的作用,也为患者提供了更为直观的彩色诊断图像。 本项目的核心技术是基于小框架的重建算法。小框架是近年来从小波理论发展而来,其根本思想起源于压缩感知。为了得到能谱信息,物体的每一个点都设两个未知量,一个为光电效应吸收系数,另一个为康普顿散射吸收系数。因此,如果一个物体被离散化为 个重建点,我们一共就有 个未知量需要重建。这是常规黑白CT重建未知量的两倍。 本项目的重建算法为对这 个未知量进行一个最大似然率的一个迭代算法。其中心特点是在每一步迭代过程中,我们将数据转换成小框架领域的数据,实施有效降维与优化。在小框架领域进行处理之后,再返回数据领域。这个思想在图像处理中近年来有许多重要的应用。由于我们的能谱词重建是一个非线性问题,本项目也是小框架思想第一次成功地运用到了非线性问题之上。 重建得到的光电吸收和康普顿散射图像的尺寸均为512*512像素,图像切片层厚可调节范围在0.5mm至5mm之间。根据得到的两光电吸收和康普顿散射图像合成指定能量下的keV图像,给定的能量范围在40keV至120keV之间。 本能谱CT软件重建技术能够利用通用CT从能量集成单次扫描数据中重建出光电效应图像、康普顿散射图像、根据不同KeV值合成的单能量图像、彩色合成图像。这些图像可以展现患者各个部位各个组织的不同影像,可以为临床医师提供更加丰富的临床图像信息,可以为病症的诊断起到重要的作用。 这四种一套的临床医学图像也可以为病人提供更加直观的诊断信息。尤其是合成彩色CT图像,在当今大众对彩色照片、彩色电影、彩色电视、彩色屏幕显示视为习惯的情况下,会为患者和家属带来更亲切的医疗体验。这也为有关医院提高病人满意度提供支持。 能谱CT的另一个重要优点是能够减少金属伪影,这是能谱算法的自然优势。另外,普通通用CT在重建头颅影像时,均会出现靠近颅骨的脑组织变暗的伪影,为此普通CT重建程序均额外增加补偿调整。我们的能谱CT影像没有这类颅骨伪影。 本项目采用基于小框架的迭代最大似然重建算法的新技术,通过新的软件方法,实现了从能量集成通用CT单次扫描数据重建出光电效应图像新的创新突破。 成果已成功应用到山西运城第一医院、福建闽东医院等多家临床医院,运行稳定可靠,取得了初步的经济、社会效益,应用前景广阔。