双能dr物质识别算法在ct成像系统中的应用

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1、双能DR物质识别算法在CT成像系统中的应用作者：汤昕烨，张丽，陈志强，高河伟，张国伟【摘要】本文介绍一种适用于计算机断层成像（CT）的双能透视（DR）物质识别算法，此算法基于单能CT重建图像，通过对CT图像的分割及对断层几何信息的提取，分块重建材料有效原子序数及电子密度的分布。结合各种扫描轨迹的CT成像系统，可以实现有效的物质材料识别。同时，对比于传统的双能CT方法，本方法结合单能CT重建图像，改善了双能DR识别效果，能够实现较为精确的物质识别，在安全检查等应用领域有着现实意义。【关键词】双能DR；CT成像；物质识别Abstract:Adualenergydigit

2、alradiography(DR)methodassistedbysegmentationofsingleenergyreconstructionimageisproposedformaterialrecognitioninXrayCTinspectionsystems.Theeffectiveatomicnumberandequivalentelectrondensitydistributionofthescannedobjectscanbereconstructedethod.paredtotheconventionaldualenergyputedtomogr

3、aphy(CT)technique,thismethodmarkedlyreducestheamountofdualenergydetectorsinthesystemofCTscanning,agesystem;materialrecognition引言自“九一一”事件以来，在全世界范围内公众对恐怖事件的关注日益增加。出于公共安全因素的考虑，对乘客行李中炸药及其他危险品或违禁品的检查正越发得到重视。目前，机场和火车站入口使用的安全检查系统主要通过双能X射线方法来对乘客行李内的物质进行区分及检查［1］。Alvarez和Macovski［2］于1976年最早提出了双能

4、X射线断层扫描的基本重建方法，通过解决非线性方程式重建物质原子序数及密度的分布。近年来提出的一种双能曲线方法［3,4］，则通过对探测器得到的高、低能透明度进行曲线拟合，实现对未知均匀材料有效原子序数和质量厚度的精确重建。计算机断层成像（CT）技术解决了一般透视成像中的物体重叠问题，如果投影数据完备，就可以得到精确的断层图像。至今，CT成像系统已经发展到第五代。英国工程师Hounsfield于1967年设计了第一代CT机，所采用的是平行束平移—旋转方式。第二代CT机采用扇束平移—旋转方式。第三代CT机采用的是目前常用的扇形束探测器与源旋转扫描方式。第四代CT机的扫描方式

5、和第三代的相似，但是扫描过程中只有X射线源旋转运动。第五代CT机是电子束扫描机（ElectronbeamScanner），它通过电子束的旋转来实现X光源的旋转运动，从而实现毫秒级的快速扫描［5］。结合上述技术的特点，开发基于双能技术的CT成像系统用于机场、海关、车站等行李物品的检查，不但能得到断层图像，辨认叠放物品，还能够获得被检物品的材料信息，实现较为准确的物质识别。本文提出了一种基于CT重建图像的双能DR重建方法，能够较为准确地重建材料的有效原子序数和电子密度分布。与常规双能DR算法相比，此方法可以解决材料重叠的问题。与基于求解非线性方程组的常规双能CT算法相比

6、，该方法通过图像分割技术，采用分块重建和求解线性方程组的方法。与CT成像系统相结合，能够通过使用少量双能探测器实现较为准确的快速物质识别，适用于安全检查系统对高通关率的要求。1双能断层成像重建传统的双能CT算法利用双能量投影数据信息重建待测物体的物质特性。通过对线性吸收系数进行分解，可将其表示为与物质特性相关量的线性组合，基本分解函数可分为不同的两类:由康普顿散射和光电吸收所引起衰减的线性组合：μ(E)=c1μp(E)+c2μC(E),(1)其中μp(E)是光电效应引起的线性衰减，μC(E)是由于康普顿散射引起的线性衰减。常数c1和c2是所测材料的未知比例系数。两种所

7、选基础材料的衰减系数的线性组合：μ(E)=a1μA(E)+a2μB(E),(2)其中μA(E)和μB(E)是两种所选基础材料的线性衰减系数。根据Beer法则，对一个实际X射线成像系统来说，当X射线通过均匀物质发生衰减时，探测器的高、低能透明度输出可分别表示为:TH=∫EHN(E)exp-∫μ(E)dlEPd(E)dE，(3a)TL=∫ELN(E)exp-∫μ(E)dlEPd(E)dE，(3b)其中N(E)是X射线能量谱，Pd(E)是探测器的能量响应函数，μ是线性衰减系数。因此，材料的物质特性可以通过已知的双能量投影数据以及对其中线性衰减系数的基本分解