多能彩色CT关键技术研究

Computed Tomography (CT) has become a routine clinical screening device and played an irreplaceable role in the clinical diagnosis and treatment process because of its high resolution and scanning speed. But it still faces the limitations, such as the beam hardening artifacts, high radiation dose, low-contrast to soft tissues, and also it can only obtain geometric or morphological information in its images, but it cannot provide material information. X-rays have a continuous energy spectrum, the rays passing through matter contain a wealth of attenuation information, and how to effectively use and mine the multi-energy X-ray information has become the CT field of international research hot recently. Multi-spectral CT can effectively obtain the material composition information, reduce the radiation dose, enhance the soft tissue contrast. These wll improve the quality comprehensively of CT imaging and will promote the clinical diagnosis of the CT from morphological to functional and from qualitative to quantitative changes. In this study, based on our accumulated preliminary work and the experience in this field, we will investigate the core technology of multi-energy CT, which contains: 1) efficient multi-energy detector; 2) high-speed electronics equipment and the readout circuit; 3) multi-spectrum of image processing and reconstruction algorithms. And also a prototype of multi-energy CT will be built. The results of the study will narrow the gap between the CT core technology of China and international advanced level, and promote the leap development of Chinese CT industry.

计算机断层成像(CT)因其分辨率高、扫描速度快已经成为临床的常规检查设备，在临床诊疗过程中起着不可替代的作用，但它仍然面临射束硬化伪影、高辐射剂量、低对比度、组织分辨差，以及仅能成形态像,无法提供物质组成信息等问题。X射线具有连续的能谱，穿过物质后的射线中包含着丰富的衰减信息，如何有效利用和挖掘X射线中丰富的多能信息已经成为CT领域的国际研究热点。多能CT成像可以有效地获得物质成分信息，降低辐射剂量，增强软组织对比度，全方位提升CT的成像质量，推进CT从形态到功能、从定性到定量的转变。本研究基于项目组成员前期工作积累和经验针对多能CT成像以下几个核心技术开展研究：1）高效的多能谱探测器；2）高速微弱快信号前端电子电路；3）多能谱图像重建算法和图像处理方法,并在此基础上形成多能彩色CT的原理机。该研究将有助于缩小我国CT核心技术与国际先进水平的差距，推动我国CT产业跳跃式发展。

X 射线具有连续的能谱，穿过物质后的射线中包含着丰富的衰减信息，然而传统CT把多能的X射线当作单能量射线处理，遗失了不少有价值的信息。多能CT 成像区别于传统CT成像原理，可以有效地获得和利用能谱信息，这些信息可以用来辨别物质成分、降低辐射剂量、增强软组织对比度，全方位地提升了CT 的成像质量，推进CT 从形态到功能、从定性到定量的转变。本研究基于项目组成员前期工作积累和经验，聚焦在多能CT 成像原理、多能重建方法及多能图像处理方法、多能彩色CT原理机这几个方面。在4年的时间内（2013.01-2017.12），超出了项目申报时的预期，在以下几方面取的了较大的进展，具体包括：.（1）.开展了基于GATE平台的多能彩色CT成像过程模拟及多能图像分析；.a..基于GATE的双层探测器模拟双能CT系统光子放射过程分析；.b..基于GATE的能谱CT识别Li、Na、O单物质方法研究；.c..基于GATE的单能量去金属伪影方法研究。.（2）.提出了多种性能优越的能谱CT成像方法，包括：.a..基于梯度下降法的双能谱CT投影分解算法；.b..基于遗传算法的双能谱CT投影分解算法；.c..基于最大似然-可分离抛物面型替代函数的双能CT重建算法；.d..基于可分离二次型全变分最小化的CT稀疏投影和有限角度图像重建。.（3）.设计并实现了基于光子计数型X射线探测器及多能CT原理机：.a..高效的多能谱探测器及其高速微弱快信号前端电子电路研究；.b..同步脉冲透视多能CT及同步技术；.c..基于压缩感知的光子计数X射线能谱探测装置及成像系统；.d..基于visual C++的 多能彩色Micro-CT运动控制系统。.目前项目组已经完成了相应的研究工作，达到了结项要求，研究成果主要体现在：在国内外期刊和会议上发表学术论文16篇，其中SCI检索11篇，申请国内专利16项，出版专著1部，培养博士研究生6名，培养硕士研究生26名。项目组成员还充分利用东北大学与东软医疗系统有限公司的产学研关系，把项目研发的一些关键算法及技术成功应用到东软的产品中。课题的研究有助于缩小我国CT核心技术与国际先进水平的差距，推动我国CT 产业跨越式发展。