一种结合超声图像提高有限角度ct成像质量的方法
【专利摘要】本发明公开了一种结合超声图像提高有限角度CT(Computed?Tomography，计算机断层扫描)成像质量的方法，包括以下步骤：在目标组织上、下分别放置X射线发射器和接收器；在有限角度内使发射器绕组织移动并发射X射线，同时采集投影数据；利用同步代数重建技术进行初次重建；获取组织的三维超声图像；结合初次CT重建结果，对超声图像配准；提取超声图像的有效梯度信息；使用改进的同步代数重建技术进行再次重建，得到质量提高的有限角度CT成像结果。本发明利用超声成像在z方向边缘清晰的特性，解决了有限角度CT重建结果在z方向伪影严重、边界模糊的问题，具有创新性。
【专利说明】 一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学及图像处理领域，特别是一种结合超声图像提高有限角度CT (Computed Tomography,计算机断层扫描)成像质量的方法。
【背景技术】
[0002]传统的CT成像技术根据目标组织的不同部分对X射线的衰减系数不同这一特性来重建物体内部的三维结构。该方法主要是利用锥束型X射线发射器环绕目标组织360°，每隔一定角度发射一次X射线，并在每次发射时用X射线接收器在目标组织的另一边接收，从而得到若干组投影数据。从这些投影数据重建得到目标组织的三维图像的方法有很多，其中比较成熟的一种是同步代数重建技术(Simultaneous Algebraic ReconstructionTechnique,以下简写为SART)。该技术可以有效重建出目标组织的内部构成，且具有分辨率高、边缘清晰、噪声小的优点。然而在实际使用时，由于重建时间、X射线剂量等因素的制约，从360°对目标物体进行全面扫描这一条件往往很难得到满足，取而代之的是在某一有限角度范围内每隔一定角度进行一次X射线的发射与接收，也就是有限角度CT成像技术。该技术使探测器平面和目标组织保持静止，在目标组织的正上方的一个有限角度内使X射线发射器围绕目标组织弧形移动，从而采集到若干投影数据。然而与全角度CT成像相比，由于数据量的大量缩减，有限角度CT成像结果在垂直于接收器的方向上(以下称z方向)伪影严重，分辨率低，与实际被重建组织的差别很大，大大影响了此技术在各领域的有效运用，亟需优化改善。
[0003]三维超声图像重建作为对X射线图像重建的一种补充和辅助，其结果在z方向的分辨率高，边缘清晰，并且伪影比CT成像结果弱，恰恰可以弥补有限角度CT成像在z方向的不足，有效提高有限角度CT成像结果在z方向的质量。通过这种方法代入超声图像的边缘信息后，可以在保留X射线所成图像优点的前提下，大大提高其图像质量，对于有限角度CT成像技术的实际运用具有重大意义。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明所要解决的技术问题是针对有限角度CT成像结果在z方向上边缘不清晰，伪影严重的问题，提供一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的万法。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明公开了一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法，包括以下步骤:
[0006]步骤一，在目标组织上、下分别放置X射线发射器和接收器；
[0007]步骤二，在有限角度内使发射器绕组织移动并发射X射线，同时采集投影数据；
[0008]步骤三，利用SART算法进行初次重建；
[0009]步骤四，获取组织的三维超声图像；
[0010]步骤五，结合初次CT重建结果，对超声图像配准；
[0011]步骤六，提取超声图像的有效梯度信息；[0012]步骤七，使用改进的SART算法进行再次重建，得到质量提高的有限角度CT成像结果O
[0013]本发明中，优选地，所述步骤一中的X射线发射器发射锥束型X射线，目标组织贴近X射线接收器的面的尺寸应小于接收器尺寸，使得通过物块的X射线基本都被接收器所接收到。X射线发射器位于接收器的正上方，且与接收器达到一定的垂直距离，使得X射线能够完全覆盖目标组织。
[0014]本发明中，优选地，所述步骤二中以X射线发射器在接收器平面上的投影点为旋转中心，以发射器的初始位置为运动中心，过此旋转中心且平行于接收器某一条边的直线为轴，X射线发射器在垂直于接收器的平面内绕此轴作范围有限的弧形移动。该范围由弧形所对的圆心角表示，即旋转中心与发射器移动范围的左、右边界点所确定的圆心角，其中左、右边界点关于运动中心对称。采集过程中，X射线发射器从运动中心开始，先向某一边界点移动，每移动一定的角度向接收器发射X射线，接收器接收后视为采集到一组投影数据，到达该方向的边界点后将发射器移回运动中心，再向另一边界点移动，经过同样的发射、接收过程，发射器到达另一边界点后，采集过程结束，采集到若干组投影数据。
[0015]本发明中，优选地，所述步骤三中使用SART重建算法，对重建区域进行反复的投影-反投影迭代，不断利用估计的投影值与步骤二中所测得的实际投影值修正重建区域体素的值，最终使得结果满足最优化条件，获得初次有限角度CT成像结果。
[0016]本发明中，优选地，所述步骤四中超声传感器分别在目标组织上表面与下表面移动并向目标组织内部发射、接收超声波，从而获得上表面及下表面两组超声成像数据。超声传感器的移动范围要覆盖整个目标组织区域，以便于有限角度CT成像结果与超声成像结果的配准。
[0017]本发明中，优选地，所述步骤五中，由于三维超声成像的特点是沿着超声波发射、接收方向(即z方向)进行成像，也就是所成的图像在一系列平行于xOz或yOz的平面内(不失一般性，此处以三维超声图像重建在平行于xOz的平面内为例)，且沿着y方向的空间分辨率很低，因此在进行配准时，首先根据有限角度CT初次重建的结果，采用线性插值或剔除无效区域的方法，调整三维超声重建结果中平行于xOz的平面内球的大小和位置，使得在这些平面内超声重建结果中的肿块与相应平面内CT重建结果中的肿块大小、位置一致。然后通过线性插值的方法扩充I方向上超声重建结果，增加三维超声结果在y方向的数据量，从而使得平行于yOz的平面内的三维超声结果与CT成像结果的肿块位置、大小也达到一致，最后再适当调整CT成像的成像区域，使得两种重建结果达到配准。[0018]本发明中，优选地，所述步骤六选取超声成像结果在平行于xOz的平面内的梯度信息，该梯度有X和Z两个方向，对每个体素，其沿X方向的梯度值表示为该体素的值减去其右方相邻体素的差值，沿Z方向的梯度值表示为该体素的值减去其上方相邻体素的差值。对于某些超声成像质量不高的图像，按照以上方法对每张平行于XOz平面的图像求梯度后的梯度图形噪声大，肿块边缘模糊，边界线粗，可以在不影响整体图像信息的前提下对超声成像结果使用中值滤波、全变分优化等方法，也可以对计算得到的梯度图像进行中值滤波或者简单的形态学处理，从而得到噪声小、边缘清晰的梯度图像。
[0019]本发明中，所述步骤七从损失函数的角度对传统的SART重建算法进行的扩展与优化，传统的SART算法使用的损失函数为最小二乘函数
【权利要求】
1.一种结合超声图像提高有限角度CT (Computed Tomography,计算机断层扫描)成像质量的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，在目标组织上、下分别放置X射线发射器和接收器； 步骤二，在有限角度内使发射器绕组织移动并发射X射线，同时采集投影数据； 步骤三，利用 SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique,同步代数重建技术)算法进行初次重建； 步骤四，获取组织的三维超声图像； 步骤五，结合初次CT重建结果，对超声图像配准； 步骤六，提取超声图像的有效梯度信息； 步骤七，使用改进的SART算法进行再次重建，得到质量提高的有限角度CT成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法，其特征在于，所述步骤一中X射线发射器距离X射线接收器要达到一定距离，使得发射器发射的X射线能基本覆盖整个目标组织。
3.根据权利要求1所述的一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法，其特征在于，所述步骤二中X射线发射器围绕接收器在垂直于接收器的平面内作弧形移动，在有限的角度范围内，每隔一定角度向接收器发射X射线，接收器接收到若干次数据即为若干投影数据。
4.根据权利要求1所述的一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法，其特征在于，所述步骤三利用SART算法，对采集得到的投影数据进行三维重建，得到对目标组织的初次有限角度CT重建结果。
5.根据权利要求1所述的一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法，其特征在于，所述步骤四中的三维超声成像使用双向超声成像机制，即从目标组织的上、下表面分别对目标组织进行三维超声重建，然后将这两次重建结果进行标记与融合，从而得到对目标组织整体的三维超声重建结果。
6.根据权利要求1所述的一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法，其特征在于，所述步骤五中三维超声成像结果与有限角度CT成像结果的三维尺寸、有效重建区域以及相应区域内的肿块大小不一致，通过对超声图像尺寸的线性调整，得到一组配准后的超声图像，该图像的特点是在三维尺寸、有效区域、肿块位置、肿块大小等方面与CT重建结果基本一致。
7.根据权利要求1所述的一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法，其特征在于，所述步骤六中对配准后的超声成像结果提取有效梯度信息，是指提取三维超声图像的每个垂直于X射线接收器平面的图片的梯度信息，该梯度信息应包含此平面内两个方向的梯度信息。
8.根据权利要求1所述的一种结合超声图像提高有限角度CT成像质量的方法，其特征在于，所述步骤七中改进的SART算法是在原先SART算法的基础上，优化其损失函数，加入利用三维超声成像梯度信息优化重建结果的损失项，并推导得到相应的迭代公式。
【文档编号】G06T11/00GK103455989SQ201310436712
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】袁杰, 张星, 夏煦菁, 叶濛, 封婷, 邵真天, 朱毅, 李文超, 温馨, 沈庆宏, 都思丹 申请人:南京大学