基于光子计数探测器的X光能谱CT成像研究

Compared with traditional CT, spectral CT with an energy-dispersive photon counting detector (PCD-SCT) can break through in capability and performance: 1) Change CT images from grayscale to colorful, from single information to multiple; 2) Greatly lower dose, improve image quality, higher material discrimation accuracy. Hence, PCD-SCT has been a hot research topic and is recognized as the future of X-ray imaging. This project will research carefully on the key technologies of PCD-SCT imaging including the fundamentall physics in imaging mechanics and system modelling, multi-parameter image reconstruction, multi-information extraction and retrievement, colorful region of intrest imaging. Especially, we will study the unique characteristic in energy dispersivity and photon counting of PCD-SCT and form a systematic methodology and computational model for reconstruction and information retrievement in cases of both whole object and ROI spectral CT imaging. An laboratorial PCD-SCT system will be built which, from our knowledge, will be the first one in China. Moreover, motivated by application requirements in medicine and public safety, we will experiment on typical samples, focus on the technology for precise and stable information extraction and visulization schemes for medical diagonosis and dangerous good detection so that the advantage of PCD-SCT in practical usage can be extended mostly. This work will bring CT imaging to a new level, and greatly push the development of radiation imaging.

与传统CT相比，基于有能谱分辨能力的光子计数探测器的能谱CT（PCD-SCT）可在功能和性能两方面实现突破：一、使CT图像由灰度向"真彩色"、单信息图像向多重信息图像发展；二、能大幅降低辐射剂量、提高图像质量、实现更精确的物质识别等。因此，PCD-SCT成为目前领域内的国际研究热点，被视作X光成像的未来发展方向。本项目拟就PCD-SCT的成像物理机制、图像重建、多重信息提取、局部彩色成像等关键技术进行深入研究，尤其是利用能谱分辨和光子计数的特殊数据形式，形成独特的PCD-SCT全局彩色成像和局部ROI彩色成像的多重信息提取/重建的方法框架和计算模型，并自主建设国内第一台PCD-SCT实验平台。本项目还将从医疗和危险品检测两个应用方向，针对性地设计高精度的、稳定的信息提取和显示方法，以发挥PCD-SCT的实际应用潜力。此项研究将把CT成像带到一个新的台阶，推动国内射线成像技术的发展。

相比于传统X光CT成像，基于有能谱分辨能力的光子计数探测器的能谱CT可以在可比剂量条件下有机结合不同能量通道信息提高信号的对比度、获得被扫描物体的电子密度、等效原子序数等多维度物理信息的空间分布，是本世纪以来X光成像技术的最大变革，也是X光CT成像领域的最大研究热点。本项目就PCD-SCT的成像物理机制、图像重建、多重信息提取、局部能谱CT成像等关键技术进行深入研究，利用能谱分辨和光子计数的特殊数据形式，完成了独特的PCD-SCT全局和局部ROI成像的的系统设计、多重信息提取/重建算法、能谱模型解析和分解、不完备数据处理等关键技术的研究，并自主建设了PCD-SCT实验平台。项目按照资助计划的要求执行，全面完成了研究目标，取得了多项核心研究成果。通过项目的研究，在光子计数探测器的能谱标定和能谱解析理论和方法、信号分解、能谱CT的图像重建和图像处理形成了多项式拟合多能窗非线性数据、通用意义基函数优化分解、结构先验引导图像重建、神经网络运算子交叉关联多能多维信息、图像空间分组低秩等理论和方法上的突破，建立了能谱CT成像从探测器信号模型到多维物理参数空间分布重建和优化的系统方法。在理论和方法的支撑下，针对实际光子计数探测器的工程局限，提出了概率化探测单元布局、可控加权数据采集、分段多能等多种新型能谱CT的系统设计，在能谱CT的系统布局和扫描方式上进行了创新。而此项目建立的仿真和实际实验平台建设方面，很好地为本项目的研究提供了基础和实验条件，也将为后续的进一步研究和拓展能谱CT的潜力提供很好的条件。综合而言，此项目系统完成了对基于光子计数探测器的能谱CT成像的物理和数学核心问题的理论和实验研究，从方法上解决了基于光子计数探测器的能谱CT的底层的关键技术问题，很大程度上丰富了能谱分辨成像理论和技术，并推动X光CT成像理论进入一个新的高度和发展前景，也将助力国内射线成像领域和相关产业的进一步发展。