一种基于压缩感知的CT成像方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于压缩感知的CT成像方法和装置，方法具体包括以下步骤：CT机采用角度压缩比进行物体扫描，获取投影数据；采集投影数据输入至CT逆成像模型；基于ADMM算法求解CT逆成像模型；根据求解结果构建二维图像。与现有技术相比，本发明专利技术基于lasso模型构建了全新的CT逆成像模型，因为该模型具有稀疏性，所以CT机能够采用一定的角度压缩比进行投影采集，显著提高了CT机的扫描速度，减少数据的采集量，使其能够满足运动性大的器官的扫描。同时，本发明专利技术采用ADMM算法对CT逆成像模型进行求解，减少了数据计算量，减轻计算机系统的计算负荷，极大提高了成像速度。

A Compressive Sensing Based CT Imaging Method and Device

【技术实现步骤摘要】
一种基于压缩感知的CT成像方法和装置
本专利技术涉及一种CT成像
，尤其是涉及一种一种基于压缩感知的CT成像方法和装置
技术介绍
CT(ComputedTomography)可以在不破坏样品的情况下，利用样品对X射线能量的吸收特性，对生物组织和工程材料的样品进行成像来获取样品内部的结构信息。当X射线扫描人体组织时，部分射线被组织吸收，部分射线穿过人体被检测器接收，形成接受信号。因为人体各种组织的疏密程度不同，X射线的穿透能力不同，穿透人体组织的距离不同，所以探测器接收到的射线就有了差异。将所接收到的信号，转换为数字信息后计算机进行处理，显示出断层图像。CT机采取旋转/平移方式，在病人的两侧分别装有一个X线管和一个晶体检测器，在对X线管所产生的光束进行准直后，使光束与检测器成为一条连线，当作扫描运动时X线管和检测器作平移运动扫描，然后，X线管和检测器绕病人旋转1°，再作一次平移扫描，如此重复，总共旋转180°，这样，就能从不同的方向上采集某一扫描部位的投影信号。但是现有的CT机存在以下问题：(1)随着CT机在医学上的广泛应用，由于高剂量X射线对人体的照射，可能引起基因突变、诱发癌症等。但降低剂量就会增加CT成像的统计噪声，对诊断造成困难。(2)CT成像的扫描过程需要花费时间，要3.5～6分钟才完成一次扫描，同时成像时间长，无法对运动性大的器官进行扫描。(3)扫描数据量大，对计算机内存要求较高。(4)减少扫描角度是解决上述问题的合理方法，但传统的重构算法(例如滤波反投影算法)重构的图像退化严重，未能考虑到数据的稀疏性等。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于压缩感知的CT成像方法和装置。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于压缩感知的CT成像方法，具体包括以下步骤：S1、CT机采用角度压缩比进行物体扫描，获取投影数据；S2、采集投影数据输入至CT逆成像模型，该CT逆成像模型表达式如下：式中，E为第二矩阵，x为求解量，b为投影数据中的射线吸收量，δ为预设参数；S3、基于ADMM算法求解CT逆成像模型；S4、根据求解结果构建二维图像。进一步地，所述的第二矩阵E获取步骤如下：A1、根据CT机参数获取第一矩阵D(α,k)，其中，α为CT机的扫描角度，k为CT机发出射线的数量，第一矩阵D(α,k)表示α角度,第k条射线穿过扫描区域距离矩阵；A2、将矩阵D(α,k)按列连接转换成行向量d(α,k)；A3、按照α和k的顺序，将行向量d(α,k)重新组合成第二矩阵E，其表达式为：进一步地，步骤S3中，基于ADMM算法求解CT逆成像模型步骤为：首先，将CT逆成像模型表达式转化为：s·t·x＝y；x，y∈Rn；然后采用如下迭代公式进行求解：式中，ρ为惩罚参数，τ为正则化变量。进一步地，步骤S1中，角度压缩比大于等于4。一种CT成像装置，所述的装置包括处理器以及存储器，所述处理器调用存储器中的程序，用于实现以下步骤：S1、CT机采用角度压缩比进行物体扫描，获取投影数据；S2、采集投影数据输入至CT逆成像模型，该CT逆成像模型表达式如下：式中，E为第二矩阵，x为求解量，b为投影数据中的射线吸收量，δ为预设参数；S3、基于ADMM算法求解CT逆成像模型；S4、根据求解结果构建二维图像。进一步地，所述的第二矩阵E获取步骤如下：A1、根据CT机参数获取第一矩阵D(α,k)，其中，α为CT机的扫描角度，k为CT机发出射线的数量，第一矩阵D(α,k)表示α角度,第k条射线穿过扫描区域距离矩阵；A2、将矩阵D(α,k)按列连接转换成行向量d(α,k)；A3、按照α和k的顺序，将行向量d(α,k)重新组合成第二矩阵E，其表达式为：进一步地，步骤S3中，基于ADMM算法求解CT逆成像模型步骤为：首先，将CT逆成像模型表达式转化为：s.t.x＝y；x,y∈Rn；然后采用如下迭代公式进行求解：式中，ρ为惩罚参数，τ为正则化变量。进一步地，步骤S1中，角度压缩比大于等于4。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术利用CT投影信号的稀疏性，构建了基于lasso模型全新的CT逆成像模型。(2)该模型使得能够采用一定的角度压缩比进行投影采集，显著提高了CT机的扫描速度，减少数据的采集量，减小了射线可能对人体的伤害，使其能够满足运动性大的器官的扫描。(3)对采集数据预先进行筛选后，仅对有效数据进行处理，减少了数据计算量，减轻计算机系统的计算负荷。(4)本专利技术采用ADMM算法对CT逆成像模型进行求解。由于该算法在求解CT成像模型具有解析解，所以极大提高了计算速度。附图说明图1为本专利技术的流程示意图。图2为CT成像原理示意图。图3为扫描区域划分示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本实施例提供了一种基于压缩感知的CT成像方法，具体包括以下步骤：S1、CT机采用大于等于4的角度压缩比进行物体扫描，获取投影数据；S2、采集投影数据输入至CT逆成像模型，该CT逆成像模型表达式如下：式中，E为第二矩阵，x为求解量，b为投影数据中的射线吸收量，δ为预设参数；S3、基于ADMM算法求解CT逆成像模型：首先，将CT逆成像模型表达式转化为：s.t.x＝y；x,y∈Rn；然后采用如下迭代公式进行求解：式中，ρ为惩罚参数，τ为正则化变量；S4、根据求解结果采用现有的算法构建二维图像。该方法的理论说明如下：一、CT成像的数学描述如图1所示，CT机的工作原理为：平行入射的X射线垂直于探测器平面，等距排列的每一个探测器单元都是接收器。X射线的发射器和探测器相对位置固定不变，整个CT机绕某个固定旋转中心旋转180(α)次。每旋转一次都会得到521(k)组等距单元探测器接收到的衰减后X射线，通过增益处理得到180组信息，再通过计算机对采集到的180组信息进行处理、运算和反演，从而得到物体的横断图。CT机从本质意义上看就是建立CT系统的数学模型，根据接收信息来求得未知介质的对X射线的吸收状态，判断未知介质是否发生病变等。CT机实现上述功能的关键在于求得函数关系，建立成像模型。如图2所示，将含有该介质的正方形扫描区域划分为若干个小的像素方格，可看作矩阵X，即：其中，xij表示第i行第j列的像素格的吸收率。CT机的任意一束X射线在穿过介质时，关注该射线穿过的像素格的距离。设矩阵D如下：元素dij表示射线穿过第i行第j列的像素格的距离。该像素方格吸收率矩阵x(i,j)，则该像素格的吸量为dijxij。利用上述的CT成像模型，则某射线对扫描区域的所有像素格的吸收量为：该射线在扫描区域的全部吸收量b(采集量)为所有像素格上吸收量的和，即：显然，b也就是矩阵D和X的点乘所得到的矩阵的F1范数。二、CT成像的数学模型CT机共有k＝1,2,…,512共512条射线l，且从角度α＝1,2,…,180度，共180个角度实现对扫描区域的扫描。记b(α,k)表示以角度α，第k条射线l(α,k)穿过扫描区域的吸收量。该吸收量在考虑了CT机的吸收衰减后，与公式(4)计算的结果一致。根据CT机的扫描结果得到b(α,k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压缩感知的CT成像方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、CT机采用角度压缩比进行物体扫描，获取投影数据；S2、采集投影数据输入至CT逆成像模型，该CT逆成像模型表达式如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的CT成像方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、CT机采用角度压缩比进行物体扫描，获取投影数据；S2、采集投影数据输入至CT逆成像模型，该CT逆成像模型表达式如下：式中，E为第二矩阵，x为求解量，b为投影数据中的射线吸收量，δ为预设参数；S3、基于ADMM算法求解CT逆成像模型；S4、根据求解结果构建二维图像。2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的CT成像方法，其特征在于，所述的第二矩阵E获取步骤如下：A1、根据CT机参数获取第一矩阵D(α,k)，其中，α为CT机的扫描角度，k为CT机发出射线的数量，第一矩阵D(α,k)表示α角度,第k条射线穿过扫描区域距离矩阵；A2、将矩阵D(α,k)按列连接转换成行向量d(α,k)；A3、按照α和k的顺序，将行向量d(α,k)重新组合成第二矩阵E，其表达式为：3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的CT成像方法，其特征在于，步骤S3中，基于ADMM算法求解CT逆成像模型步骤为：首先，将CT逆成像模型表达式转化为：s.t.x＝y；x,y∈Rn；然后采用如下迭代公式进行求解：式中，ρ为惩罚参数，τ为正则化变量。4.根据权利要求1所述的基于压缩感知的CT成像方法，其特征在于，步骤S1中，角度压缩比大于等于4。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖海涛，李路，秦镛淇，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31