基于系统精准建模的超低剂量SCT优质成像新方法研究

Using the energy spectrum of X-ray photons and the specific energy-dependent attenuation curve for each substance, spectral CT (SCT) is expected to overcome the drawbacks of conventional CT with high radiation dose but only performing anatomical imaging. However, current SCT imaging does not notably reduce the radiation dose and in some particular applications even greatly increase it as compared to the conventional CT imaging. In order to make the SCT more clinically appealing, controlling the radiation dose becomes a key problem to be solved. This project intends to carry out high-quality ultra low-dose SCT imaging with novel techniques based on accurate system modeling. The main contents include: (1) with the related knowledge, we construct an accurate imaging model and a statistical model to provide accurate measurement for ultra low-dose SCT projection data correction and image reconstruction; (2) based on the characteristics of SCT imaging and the system model, we construct projection data correction models and image reconstruction models to realize accurate and robust ultra low-dose SCT imaging; and (3) based on the corrected projection data and reconstructed images, we carry out SCT parameters imaging and perform the associated analysis and evaluations to yield accurate SCT diagnostic information.

利用X射线的连续能谱特性以及与物质作用后的丰富衰减信息，能谱CT(Spectral CT,SCT)有望弥补或解决常规CT所面临的高辐射剂量且仅为解剖成像的缺陷。然而，当前SCT成像中的辐射剂量较常规CT并未显著降低且在特定应用时反而大幅增加。囿于此，为使SCT更具临床生命力, 控制其辐射剂量已是CT领域亟待解决的关键性课题。本项目拟在保证诊断用影像质量的前提下，全力开展基于系统精准建模的超低剂量SCT优质成像新方法研究，其重点包括:(1)源于相关知识工程，构建精准的系统光学模型和系统统计模型，为超低剂量SCT投影数据校正与图像重建提供准确的测量方程；(2)结合SCT成像特点，构建基于系统模型的投影数据校正模型和图像重建模型，以期实现准确、鲁棒的超低剂量SCT优质成像；(3)基于校正的投影数据和重建图像，开展SCT参数成像及其分析与评价研究，以期获得准确的临床SCT影像诊断信息。

利用X 射线的连续能谱特性以及与物质作用后的丰富衰减信息，能谱CT(Spectral CT,SCT)有望弥补或解决常规CT 所面临的高辐射剂量且仅为解剖成像的缺陷。然而，当前SCT 成像中的辐射剂量较常规CT 并未显著降低且在特定应用时反而大幅增加。囿于此，为使SCT 更具临床生命力, 控制其辐射剂量已是CT 领域亟待解决的关键性课题。本项目以课题组多年来在低剂量CT成像领域的科研积累为基础，按照项目研究计划，重点研究了通过降低管电流（mA）或管电压（kV）以实现超低剂量SCT优质成像的图像重建方法，主要包括利用现代SCT成像系统设计理念和技术，从SCT成像的特点出发，采用精准的系统建模、统计分析与临床实验等手段，构建了超低剂量CT投影数据方差估计新形式，为超低计量SCT图像重建提供了重要的理论基础；从SCT图像后处理及统计迭代重建层面分别提出了相应的超低剂量SCT优质成像新模型，并发展了已有的模型优化算法，以适应于工程应用；本项目中提出的多项低剂量SCT成像新技术已申报国家发明专利，部分成果已在国内CT设备企业进行初步技术转化。在本项目资助下，课题组共发表期刊论文32篇（其中SCI论文收录27篇），发表国际会议论文21篇，申报国家发明专利17项，授权10项，登记软件版权1项，培养博士生10人、硕士生12人，已毕业博士8人、硕士8人，培养中青年学术带头人3人，其中1人由助理研究员晋升为副研究员，1人由讲师晋升为副教授，1人毕业进入高校工作后由讲师晋升为副教授，超额完成了项目既定目标。