X射线双能谱显微CT研究与开发

基于X射线靶向造影剂的功能CT是近年来国际研究的热点，X射线靶向造影剂能够更多地聚集在特定的肿瘤细胞上，增强病变组织和正常组织对射线吸收的对比度。X射线靶向造影剂技术有着巨大的发展前景，但该技术从实验室进入临床应用还需进行大量动物成像实验，而且目前所用的单能谱CT难以有效区分富集靶向造影剂的病变组织和正常组织。为此本项目将开展X射线双能谱显微CT关键理论与技术研究，并开发一套用于小动物功能成像实验的双能谱显微CT系统。双能谱显微CT通过两个能谱的X射线强度数据，能够重建出被测物的更多信息，显著提高区分聚集造影剂的病变组织和正常组织的能力。双能谱显微CT系统有望成为一种既有高空间分辨率，又能反映组织分子水平病变的"功能成像"仪器。本项目所取得的关键理论与技术将有助于促进我国医学双能谱CT和功能CT设备的自主研发，还可用于石油岩芯、材料成像分析等应用。

X射线显微CT在石油、地质、材料、微电子、生物等诸多领域以及国防工业中有广泛的应用需求。然而传统基于单能谱数据的X射线显微CT经常不能充分揭示物质的差异，从而不能满足众多应用需求；而双能谱显微CT通过高低能谱的两组数据重建两幅CT图像，具有更高的物质区分能力。本项目主要研究双能谱显微CT关键理论和技术，在此基础上研制双能谱显微CT设备样机，并在新材料、石油岩心、生物医学等方面示范应用。 .项目组主要成果如下：.项目组提出了几种双能谱CT图像重建算法，实现了基于效应分解和基于基材分解的两类双能谱图像重建，有效提高了显微CT对样品的物质区分能力。其中E-ART迭代重建算法、基于FBP的迭代重建算法等，不但适用于常用的各种双能谱数据获取方式，而且对数据噪声有良好的抑制作用，在图像质量、重建速度等多方面表现出优异的性能。此外，还改进了作为双能谱CT图像重建基础的X射线能谱估计方法。.在提高显微CT空间分辨率方面，项目组提出了多项新方法和新技术。如，基于交叉丝的扫描几何参数估计方法，可以有效去除图像几何伪影，简化扫描系统硬件设计，降低系统安装、调试和维护难度；X射线源焦点漂移估计方法，可以有效消除焦点随机漂移引起的图像模糊，降低显微CT成像对射线源的稳定性要求，进而大大降低硬件成本。项目组提出的失效数据识别和修复方法、多能投影数据逐探测器单元标定方法、基于ROF模型的去噪方法、GPU加速技术等综合应用，消除了诸多因素引起的图像模糊、图像伪影或畸变，大大提高了图像空间分辨率和图像质量。.项目组自主发展了包括闪烁片、光学镜头以及光耦合探测器在内的设计、加工和集成技术，设计和研制了高精密转台、滤波片、标定模体、测量模体等。这些技术奠定了研制双能谱显微CT的硬件基础。.在上述成果基础上，项目组研制成功了我国首台双能谱显微CT设备，性能指标达到了国际先进水平，并具有多项特色功能，如：双能谱显微CT三维成像功能、扫描参数自动标定功能、按任意方向重建断层图像功能等。项目组通过联合组建的高科技公司进行成果推广，已为国防、石油、材料、农业和科研院所等多个用户开发了显微CT系统。项目组发表期刊论文18篇，其中SCI论文12篇，多篇发表在IEEE TMI、Medical Physics、Optics Express等本领域重要期刊上；申报发明专利11项，其中授权4项、公开4项；获软件著作权2项。