一種使用能量函數(shù)方法的錐束ct中杯狀偽影的校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及醫(yī)學圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其設及錐束CT圖像杯狀偽影校正、灰度不 均勻校正醫(yī)學圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 錐束CT作為近年來發(fā)展的醫(yī)療及工業(yè)檢測儀器，常用于圖像引導治療、上腹部檢 查、口腔檢查、工業(yè)檢測等方面。基于平板探測器的錐束CT(CBCT)與傳統(tǒng)的二維CT相比，具 有突出的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在錐束CT一次圓周掃描周期內(nèi)，可W得到完成數(shù)百甚至上千個斷 層圖像的投影，具有更高的掃描速度和福射利用率，并有效的減少X射線管的負載輸出，降 低掃描成本。影響錐束CT重建圖像質(zhì)量的因素有很多，如X線散射、噪聲、幾何誤差、能譜、探 測單元響應不一致等。但由于錐束平板CT使用大范圍的X射線平板探測器，運使得成像質(zhì)量 與傳統(tǒng)CT相比較更易受到X射線散射及射束硬化的影響。因散射和射束硬化而形成的偽影 (主要包括杯狀偽影和條紋狀偽影)嚴重影響對重建圖像的分析與判斷。在醫(yī)療級別的錐束 CT重建圖像中，杯狀偽影占有很大比重，運些偽影對于基于闊值的可視化顯示方面和基于 闊值的錐束CT圖像分割方面影響非常嚴重。且杯狀偽影的校正可W為其他偽影校正提供反 饋參考，為其他無先驗的錐束CT散射及射束硬化校正提供驗證信息。因此本發(fā)明關(guān)于錐束 CT中的杯狀偽影的校正非常有意義。
[0003] 為了減少杯狀偽影(即：CT值不均勻性偽影)的影響，目前，現(xiàn)有技術(shù)或文獻資料的 研究主要集中在對投影圖像上的散射校正。早期的偽影校正主要體現(xiàn)在基于硬件的校正， 如X射線濾線器、準直器或金屬柵格、空氣隙方法、掃描狹縫技術(shù)和鉛條或鉛板技術(shù)等。最近 幾年偽影校正研究主要體現(xiàn)在基于蒙特卡洛方法、散射分析估計方法和基于部分散射射線 測量的散射校正方法。蒙特卡洛仿真在CBCT散射校正中是很有效的方法，但是計算量巨大。 近年來，一些改進的蒙特卡洛仿真算法也被提出來，如使用GPU加速技術(shù)，基于模型的體恢 復方法等。運些基于蒙特卡洛仿真的思想，都試圖在模擬精度和計算代價上建立一個較好 的平衡點。但始終局限于計算代價太高，而不易于使用。
[0004] 基于部分射線遮擋的錐束CT偽影校正的方法，早期的有BSA散射校正板方法，是通 過測量在射線遮擋陣列下方的散射量，來插值出到達探測器上的整體散射分布。然后再進 行不含射線遮擋陣列的正常掃描，從掃描的投影圖像中減去散射分布圖像，就得到了校正 后的圖像。運種方法要進行兩次掃描，增加了掃描時間的同時也增加了 X射線照射劑量。后 來出現(xiàn)了可移動遮擋快的方法，能解決兩次掃描問題。
[0005] 也有對在錐束CT重建后圖像進行偽影校正的研究。該研究主要借助CT圖像中的解 剖結(jié)構(gòu)。運類方法完全依賴變形配準精度，且需要CT圖像數(shù)據(jù)。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)的缺點主要包括：
[0007] (1)目前現(xiàn)有技術(shù)主要是針對投影圖像校正，沒有直接針對重建后切片圖像的校 正，如專利 CN104408753A。
[000引（2)現(xiàn)有技術(shù)大多數(shù)集中在因散射而造成的偽影校正的方法中，并且大多需要添 加硬件設備，如:專利200710019084和201310039298,運兩個專利都需要在昂貴的錐束CT設 備上添加硬件設備，增加了操作的復雜性和對設備造成潛在的安全風險。特別是專利 200710019084需要兩次掃描被測物體，運樣無疑增加的被測物的福射量。
[0009] 綜上所述，在現(xiàn)有技術(shù)或文獻資料的方法中，蒙特卡洛模擬方法非常耗費時間，初 級射線調(diào)制方法中校正結(jié)果受限于調(diào)制板自身的結(jié)構(gòu)，基于部分散射射線測量方法，需要 增加照射劑量，現(xiàn)有方法對散射分布的估計準確度不高。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的 問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明目的在于解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種使用通過最優(yōu)化能量函 數(shù)對錐束CT中杯狀偽影進行校正的方法。本方法針對重建后的切片圖像，直接面向用戶，不 對原有錐束CT設備進行任何改動，就可W完成校正工作，能夠高效地進行錐束CT的杯狀偽 影校正的同時還能夠提高重建圖像的同種物質(zhì)的CT值均勻性，從而有助于重建圖像中，完 善的體可視化和基于闊值的可視化技術(shù)的發(fā)展。該方法應用于錐束CT重建圖像（即圖像域） 校正技術(shù)領(lǐng)域。
[0011] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明提供了一種使用錐束CT中重 建圖像進行杯狀偽影校正的最優(yōu)化能量函數(shù)方法，該方法具有很強的魯棒性，不需要重復 掃描被測物體，不增加錐束CT系統(tǒng)的復雜度。
[001^ 方法流程：
[0013] 步驟1:獲取重建后的切片圖像。
[0014] 步驟2:杯狀偽影表示并構(gòu)建能量函數(shù)
[0016]其中G(x) = (gi(x)，…卵(x))T為平滑基函數(shù)，Ci為常數(shù)，滿足當XE Qi時，Ui(X) = 1 ;當X g Q,'時，Ui(X)=O ,W= (Wl,...WM)
[0017] 步驟3:固定的C和U，通過解方程
來獲得F(u，c，w)的最小值。得到 揉二，乂一 V 0'
[001引步驟4:固定并使用更新的W和U，W C二C二(句，.為變量的F(u，C，W)最小值 解為：
[0020] 步驟5:固定并使用更新的W和C，Wu=(ui,…un)t為變量的F(u,c,w)最小值解時， 揉二(沒1..，.…沒入,滿足如下條件：
[0021] 竊產(chǎn) t 叫，。W \〇，/引m虹(X)
[0022] 其中，imin(x) =a;r卵in{f (x)-Ci-wTG(x)}。
[0023] 步驟6:若W穩(wěn)定或迭代次數(shù)超過10次，則執(zhí)行步驟7，否則回到步驟3。
[0024] 步驟7:校正后圖像為 -二 / -./V二/-vv?G(.y)。
[0025] 進一步的，本發(fā)明直接面向錐束CT切片數(shù)據(jù)，不對原有錐束CT原有設備進行任何 改動，不需要用戶和被測目標的先驗信息。
[0026] 進一步的，本發(fā)明證明了杯狀偽影是從重建圖像分解出來，即：
[0028]其中fp表示真實無偽影的切片圖像，fs表示散射和射束硬化造成偽影的切片圖像， fn表示噪聲n形成的切片圖像。
[00巧]有益效果：
[0030] 1、本發(fā)明是直接針對重建后的切片圖像的杯狀偽影校正，該方法計算量相對較 小，能夠高效的進行錐束CT切片圖像杯狀偽影校正的同時，提高了同種物質(zhì)重建圖像的CT 值均勻性。
[0031] 2、本發(fā)明直接面向CT切片需求用戶，不對原有錐束CT原有設備進行任何改動，不 需要用戶和被測目標的先驗信息，很好地完成校正工作。
[0032] 3、本發(fā)明能夠增加圖像對比度，使校正后圖像能更準確的表現(xiàn)被照物體原本信 息。
[0033] 4、本發(fā)明很好地改善并且實現(xiàn)了基于闊值的CT圖像可視化、分割及病灶檢測。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
[0035] 圖2為本發(fā)明由重建圖像校正前(左)后(右)的人頭骨樣本軸向視圖。
[0036] 圖3為本發(fā)明測量的人頭骨模體的水平剖面值:縱軸是圖像剖面。
[0037] 圖4為本發(fā)明人頭骨模體選擇的感興趣區(qū)域圖像示意圖。
[0038] 圖5 (a)、圖5 (b)為本發(fā)明散射校正前后化巧hanSOO中CTP486重建圖像兩個不同切 片的樣本軸向視圖。
[0039] 圖6為本發(fā)明中圖5所測量模體的水平剖面圖。
[0040] 圖7為小鼠骨的選擇計算區(qū)域圖像示意圖。
[0041] 圖8(a)、圖8(b)分別為散射校正前后小鼠骨重建圖像的樣本軸向視圖。
【具體實施方式】
[0042] 下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進一步的詳細說明。
[0043] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種使用能量函數(shù)方法的錐束CT中杯狀偽影的校正方 法，該方法包括如下步驟：
[0044] 步驟1:根據(jù)FDK算法獲取重建后的切片圖像，且能從理論證明杯狀偽影可W從重 建后圖像分解出來。
[0045] 步驟2:杯狀偽影表示并構(gòu)建能量函數(shù)
[0047]其中G(x) = (gi(x)，…卵(x))T為平滑基函數(shù)，Ci為常數(shù)，滿足當XE Qi時，Ui(X) = 1 ;當XgO,:時，Ui(X)=O ,W= (Wl,...WM)
[004引步驟3 :固定的C和U，通過解方程
I，來獲得F(u , C ,W)的最小值。得到 # 二少V。
[0049]步驟4:固定并使用更新的W和U，Wc二C二為變量的F(u,c,w)最小值 解為：
[0051] 步驟5:固定并使用更新的W和C，Wu=(ui,…un)t為變量的F(u,c,w)最小值解時， 《二（!;,，...i;、）?滿足如下條件： 嶺氣虹(乂）
[0化：3]其中，imin(x) =a;r卵in{f (x)-Ci-wTG(x)}。
[0054] 步驟6:若W穩(wěn)定或迭代次數(shù)超過10次，則執(zhí)行步驟7，否則回到步驟3。
[0055] 步驟7:校正后圖像為./； =:/-.文=/- VV''G(.、'）。
[0056] 本發(fā)明杯狀偽影可W從重建圖像分解出來詳細過程包括：
[0057] 錐束CT中重建圖像W抑K算法