在常规CT成像系统中, 发出的X射线是连续能谱的, 导致重建图像出现硬化伪影, 影响了材料组分区分, 无法进行定量表征。 解决这一问题的关键在于实现多能谱CT成像, 利用多个窄能谱段或单能量CT图像, 提高组分与图像灰度的对应性。 相对于传统CT, 能谱CT具有更强的组分区分能力, 有利于实现物体组分的定量分析。 现有的基于光子计数探测器多谱CT在成像时间分辨率和空间分辨率存在局限, 基于能谱滤波的多谱CT能谱区分度受限。 而基于变电压多谱投影序列盲分离的多谱CT, 通过分解连续能谱投影, 获取窄能谱投影, 进而实现能谱CT成像, 确保物质组分与重建图像灰度值的对应性, 实用性较强。 但是由于X射线能谱和物体组分的未知, 在盲分离过程中, 衰减系数未知, 并且能谱划分是不确定的, 导致窄能谱CT重建图像的能量指向性不强, 对应能量值与参考能量偏差偏大, 影响组分定量分析。 因此, 针对盲分离中能谱划分不确定性和重建图像能量指向性问题的开展研究。 利用衰减系数的光电效应和康普顿效应分解, 构建能量约束, 消除能量的不确定性, 降低分解所得投影重建图像的能量与参考能量值的偏差。 在基于以残差的局部方差和最小为优化目标的分解模型中, 将分解模型中的衰减系数按光电效应和康普顿效应分解为能量项和材料项, 利用能量项的可预知性, 依据预先划分的窄能谱段设置其值, 固定各分解投影对应的窄能谱段, 作为对能量的约束条件。 求解所得各分解投影为能量已知投影, 对其重建可得到能量确定的各窄能谱段的图像。 选择衰减系数相近的硅铝材质构成外硅内铝圆柱体进行实验验证, 在有能量约束的求解结果中, 硅铝衰减系数与参考值偏差小于无能量约束, 所得重建图像中硅铝变化率与理论值趋势较一致, 能量指向性强, 与参考能量偏差降低。 结果表明, 所提方法解决了基于变电压序列盲分离多谱CT成像的能量指向问题, 能谱分辨率更高, 组分表征更准确。

多谱CT成像是通过不同谱段的CT图像表征检测对象中的不同组分。 为了便于在同一视图中显示所有组分的信息, 需要研究多谱CT序列的融合方法; 但是常用融合方法如加权平均法、 小波变换融合法等都是针对图像细节信息的优化, 不能表达组分的物理特性, 从而导致融合图像的灰度不具有物理表征性, 影响CT的定量检测。 为此, 结合具有物理表征特征的数据约束模型(DCM), 开展了基于先验组分的多谱CT序列DCM融合算法研究。 首先通过能谱滤波分离的成像方法获得多个能谱范围内的多能投影数据, 采用TV-OSEM算法重建不同能谱段的CT序列; 其次, 利用传统DCM模型和改进DCM模型分别对多谱CT序列进行融合, 传统DCM模型是严格单能的, 由于滤波后能谱的非严格单能特性, 其融合结果不能表征出对象序列中的全部组分。 针对此问题提出了改进DCM模型。 改进DCM模型选择了新的体元定义, 并且在多谱CT序列融合中引入先验组分作为参照, 通过先验物质对融合结果中其他物质进行校准, 实现检测对象中各组分位置的准确分布。 仿真实验表明, 该方法可从物理表征正确性的角度, 实现多谱CT序列融合, 在满足CT序列中不同组分区分的同时, 其融合图像的灰度具有物理可参照性, 有利于后续的CT定量检测。

现有的X射线CT成像系统, 受限于多谱硬化伪影和传统单能假设的CT成像方法, 只适用于结构分析却无法实现材料组分的有效区分。 对此论文提出了基于能谱匹配先验的多谱CT成像方法。 首先依据材料组分先验, 构建能谱滤波匹配模型, 设置能谱范围参数, 并通过滤波获取该能谱范围内的多能投影序列; 其次, 针对多能投影序列, 以材料组分为先验选择不同参考能量, 采用改进后的ART迭代重建算法, 实现了多谱CT成像。 仿真实验结果表明, 对于衰减系数相近的多种材质, 通过选取两段不同能谱范围, 重建出相应参考能量下的结果, 在一定程度上改善了图像质量, 对比度提高明显, 可实现组分有效区分与成像。

复杂结构件在X射线成像时, 由于射线透照方向上有效厚度差异大、 成像器件动态范围受限等原因, 单一电压下的射线图像易出现过曝光和欠曝光共存现象, 投影信息缺失严重, 无法进行CT重建, 为此提出了变电压多谱CT成像理论与方法。 通过改变电压改变X光谱分布, 实现X光谱与检测对象有效厚度的匹配, 扩展图像动态范围, 确保检测对象投影信息的完整性； 同时基于虚拟设计思想, 建立了基于单能和多能的变电压虚拟CT模型, 实现了变电压X射线CT成像的虚拟仿真。 虚拟实验表明: 变电压多谱CT成像原理是可行的, 能够实现复杂结构件CT成像。