本发明涉及ct成像领域，尤其涉及一种基于双能投影域的硬化伪影校正方法、系统和装置。
背景技术：
1、在口腔锥形束ct成像系统中，球管的阴极电子枪发射高速电子轰击阳极靶时，产生韧致辐射，形成具有多能谱特性的x射线。物质对x射线的吸收能力取决于射线的能量和物质本身的特性，cbct重建的关键参数是质量衰减系数。质量衰减系数与x射线的能量有关，低能软射线在穿透物体时衰减更快，更容易被物质吸收，而高能射线则更容易穿透物质。由于物质的质量衰减系数受x光子能量的影响，射线穿透物体时不符合线性衰减规律，导致射束硬化伪影，造成骨边界的模糊、软组织器官无法清晰区分、图像中出现暗影或亮斑等问题，进而影响骨边缘区和软组织区域的成像质量。
2、目前cbct系统中硬化伪影校正方法可以分为硬件方法和软件方法，软件校正方法主要有多项式拟合、蒙特卡洛模拟法、双能校正法和迭代校正法。
3、硬件校正方法主要有水袋校正和滤波片预滤过法，通过硬件装置使x射线更硬，更接近单能射线，该方法只能减弱硬化效应的影响，且重建影像信噪比降低。
4、多项式拟合校正方法通过制作一系列具有扫描物体材料相同、长度已知的阶梯状模体，对阶梯状模体投影，通过多项式拟合穿透长度和多能投影关系，最终通过数学关系式将多能投影转换成单能投影。该方法扫描模体很难使用多种物体，适用性较差，对于体积密度大的物体，需要更高次项拟合多能投影。
5、蒙特卡洛模拟校正方法，通过数学计算对多能x射线与不同物质发生相互作用的过程进行模拟，从而得到多能投影与单能投影的非线性关系。该方法计算复杂度高，在模拟前需要对系统模体进行准确建模与分析。
6、迭代校正法通过不断对重建影像需求最优解的过程，该算法在校正影像的同时降低影像的空间分辨率，且迭代算法重建速度慢，不太适用实际应用场景中。
7、现有技术存在如下缺点：
8、(1)硬件校正方法和软件校正方法中的多项式校正，需要在硬件上对原有系统进行修改，并需要设计专用的模体去校正，且模体只能对专用的部分材料适用，通用性较差，去硬化伪影方面只能起到抑制无法完全去除。
9、(2)蒙特卡罗模拟需要对整个系统采集过程进行建模分析，计算复杂度较高。
10、(3)迭代校正法重建速度慢且容易降低影像空间分辨率，难以满足实际应用。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是设计一种基于双能投影域的硬化伪影校正方法，该方法不需对原有系统结构进行修改，不需要单独设计模体，通过快速kvp切换扫描拍摄模式扫描一圈，获取拍摄物体高低能投影数据，通过快速求解算法求解高低能非线性方程组，获取高低能分解投影系数，结合高低能能谱生成各个能级的虚拟单能ct影像，有效的去除硬化伪影，提升影像质量，帮助医生更准确地诊断疾病，解决现有的技术问题。
2、为解决上述技术问题，本发明的基于双能投影域的硬化伪影校正方法包括如下步骤：
3、步骤s1：通过快速kvp切换扫描模式获取物体高低能投影数据。
4、步骤s2：基材料线性衰减系数和高低能能谱估计。
5、步骤s3：构建基材料分解投影模型，并求解分解系数投影。
6、步骤s4：对求解出的分解系数投影进行自适应双边滤波降噪。
7、步骤s5：重建分解系数投影，获得高低能分解系数。
8、步骤s6：根据高低能分解系数结合对应基材料线性衰减系数获取虚拟单能影像。
9、进一步的，步骤s1中，相同扫描模式下获取两组不同电压下空气数据，对扫描物体高低能投影进行物理校正和几何校正。
10、进一步的，步骤s2中，选取基材料并获取基材料的线性衰减系数，根据montecarlo模拟软件geant4仿真x射线高低能，准确估计探测器各元素的归一化高能谱sh(e)和低能谱sl(e)。
11、进一步的，步骤s3具体包括如下步骤：
12、步骤s31：对校正完的高低能投影进行降采样操作，得到降采样高能投影ph、低能投影pl。
13、步骤s32：根据降采样后高低能投影构建基材料分解投影模型。
14、步骤s33：求解分解投影模型获取分解投影系数。
15、步骤s34：对求解得到的分解系数投影插值上采样。
16、进一步的，步骤s32中，具体包括：
17、基材料模型公式为μ(e)＝b1μ1(e)+b2μ2(e)，式中，μ(e)为对应最终求解的虚拟单能影像的线性衰减系数，μ1(e)和μ2(e)为对应步骤s2估计选取的两种基材料各能级下的线性衰减系数，b1和b2为对应基材料的待求解的分解系数。
18、对于连续能谱x射线穿过物体后的射线强度衰减信息，经负对数运算后获得投影数据p，公式为：p＝-ln{∫s(e)exp[-∫μ(x，y，e)dl]de}，式中s(e)为归一化能谱，μ(x，y，e)为线性衰减系数。
19、构建基材料分解系数投影方程组，公式如下：
20、
21、式中，ph和pl分别为降采样的高低能投影，sh(e)和sl(e)分别为估计获得的高低能能谱，b1和b2为基材料分解系数投影。
22、进一步的，步骤s33中，根据构建的基材料分解系数投影非线性方程组，采用非线性最小二乘法levenberg-marquardt求解方程组获得基材料分解系数。根据方程组构建无约束的二元非线性最小化问题，公式如下所示：
23、f(b1,b2)＝[pl(b1,b2)-pl]2+[ph(b1,b2)-ph]2；
24、(b1,b2)＝arg min[f(b1,b2)]；
25、式中，pl(b1,b2)、ph(b1,b2)为模拟的高低能投影值，通过迭代求解b1、b2使模拟投影值接近真实投影值。
26、进一步的，定义初始化参数范围初始阻尼因子λ0，最大迭代次数nmax以及收敛阈值ε，计算每次迭代的试探步公式如下：
27、
28、式中，fk表示k次迭代的f(b1,b2)，jk表示雅可比矩阵，t代表转置矩阵，λk表示k次迭代的阻尼因子，用来克服雅可比矩阵奇异无法求解的问题，i是单位矩阵。
29、通过求解dk更新参数b1、b2，更新计算残差函数f(b1,b2)，根据残差的下降情况调整阻尼因子λk，当残差的范数小于设置收敛阈值ε，或达到最大迭代次数nmax，则迭代结束。
30、进一步的，迭代求解分解系数投影b1、b2时运算量较大，本发明采用cuda以及eigen库并行加速求解。
31、进一步的，步骤s5中，根据分解系数投影，通过fdk滤波反投影求解高低能分解系数，fdk重建算法公式如下：
32、
33、式中，表示加权系数，表示其它点对投影的贡献，dso表示射线源到旋转中心距离，r、s分别表示投影点z方向、y方向在x轴的距离，为投影角度、t是旋转中心到平行射线的距离，z(r)是投影点在z方向距离，|w|表示滤波算子。
34、本发明还提供一种基于双能投影域的硬化伪影校正系统，包括：
35、投影数据拍摄模块：用于获取物体高低能投影数据。
36、校正模块：用于对高低能投影数据进行物理校正和几何校正。
37、能谱估计模块：用于准确估计探测器各元素的归一化高能谱sh(e)和低能谱sl(e)。
38、分解系数投影计算模块：用于构建基材料分解投影模型，并求解分解系数投影。
39、降噪模块：用于对分解系数投影进行自适应双边滤波降噪。
40、分解系数计算模块：用于根据分解系数投影求解高低能分解系数。
41、虚拟单能影像获取模块：用于根据高低能分解系数结合对应基材料线性衰减系数获取任意能级下的虚拟单能影像。
42、本发明还提供一种基于双能投影域的硬化伪影校正装置，包括：
43、至少一个处理器；以及
44、至少一个与所述处理器通信连接的存储器；
45、其中，所述存储器存储有可被处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使校正装置执行前述的基于双能投影域的硬化伪影校正方法。
46、发明的有益效果：
47、(1)与传统硬化校正方法相比，本专利不需要单独设计模体，不需要在原有扫描系统结构进行更改，通用性较强。
48、(2)针对传统双能数据采集方式的缺点，本发明采用快速切换kvp扫描方式采集高低能投影数据，降低了拍摄患者所受剂量，同时避免扫描时间过长导致的运动伪影。
49、(3)通过降采样的方式在保证最终分解系数影像质量不变的情况下，极大加速了整个算法的运行速度，节省计算机消耗资源。
50、(4)采用levenberg-marquardt求解非线性方程组，解决了雅克比矩阵奇异所带来的难点，快速寻找方程最优解，同时结合cuda和eigen库进一步对方程求解加速。
51、(5)对求解的分解系数投影进行自适应双边滤波降噪，解决双能材料分解产生的噪声。
52、(6)采用双能去硬化伪影相比其他传统方法，能够完全去除伪影，同时恢复周围软组织，保证影像的分辨率。
1.一种基于双能投影域的硬化伪影校正方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于双能投影域的硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤s1中，相同扫描模式下获取两组不同电压下空气数据，对扫描物体高低能投影进行物理校正和几何校正。
3.根据权利要求1所述的基于双能投影域的硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤s2中，选取基材料并获取基材料的线性衰减系数，根据monte carlo模拟软件geant4仿真x射线高低能，准确估计探测器各元素的归一化高能谱sh(e)和低能谱sl(e)。
4.根据权利要求1所述的基于双能投影域的硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤s3具体包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的基于双能投影域的硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤s32中，具体包括：
6.根据权利要求5所述的基于双能投影域的硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤s33中，根据方程组构建无约束的二元非线性最小化问题，公式如下所示：
7.根据权利要求6所述的基于双能投影域的硬化伪影校正方法，其特征在于：定义初始化参数范围初始阻尼因子λ0，最大迭代次数nmax以及收敛阈值ε，计算每次迭代的试探步公式如下：
8.根据权利要求1所述的基于双能投影域的硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤s5中，根据分解系数投影，通过fdk滤波反投影求解高低能分解系数，fdk重建算法公式如下：
9.一种基于双能投影域的硬化伪影校正系统，其特征在于：包括：
10.一种基于双能投影域的硬化伪影校正装置，其特征在于：包括：
