一种基于平板射线源的随机射线成像方法与流程

本发明涉及医学图像处理领域，特别是涉及一种基于平板射线源的随机射线成像方法。

背景技术：

锥形束计算机断层扫描(cone-beamcomputedtomography,cbct)由于采用锥形束射线源和平板探测器，采集投影速度得到了大幅度加速，并且射线利用率和图像的轴向分辨率也有了很好地提升，使得cbct在医学、工业等领域广泛应用。目前cbct是图像引导放射治疗(image-guidedradiationtherapy,igrt)领域中应用最广泛的图像引导工具。cbct可以提供3维内部结构信息来精确定位病人位置。然而，过量的辐射剂量会增加病人的患癌风险。因此，低剂量ct图像重建成为近几年一个关心的焦点。

在低剂量ct图像重建领域，压缩感知(compressedsensing,cs)理论在过去的几十年中已经表现出了巨大潜力，cs可以从很少数量的测量数据中精确地恢复图像信号(candesej,rombergjandtaot,robustuncertaintyprinciples:exactsignalreconstructionfromhighlyincompletefrequencyinformation,2004,ieeetransactionsoninformationtheory)。其中一些策略方法是减少cbct的扫描剂量：例如，降低毫安秒(milliamperesecond,mas)，减少投影数量，有限角度扫描等等。还有一种策略是欠采样，可以分为有规律的视图欠采样，有规律的射线欠采样，以及随机射线欠采样。这类方法本质上影响了相应投影矩阵的属性，投影矩阵由从全投影算子中提取的奇异向量所表示的投影算子组成，已经有文献证明随机射线欠采样在保留全投影算子的数学属性方面优于其他两种方法。但是如何在cbct机器中实现随机射线欠采样目前仍然是个未解决的问题。

因此，针对现有技术不足，提供一种基于平板射线源的随机射线成像方法以克服现有技术不足甚为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于平板射线源的随机射线成像方法，该基于平板射线源的随机射线成像方法能够在降低辐射剂量的同时保持重建图像的质量。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

一种基于平板射线源的随机射线成像方法，包括以下步骤：

(1)设置处于关闭状态的射线源单元数量和产生射线的射线源单元数量；

然后使用平板射线源随机产生射线分布，采集得到具有缺失数据的投影；

(2)使用霍夫变换找出每一张投影中的黑色圆圈区域，分割出投影中的黑色圆圈所代表的缺失数据；

(3)根据第(2)步霍夫变换分割出的结果，生成一个黑色圆圈的模具并从中提取出每个圆圈的中心；

(4)用第(3)步的圆圈分布结果标定出原始投影中黑色圆圈的范围，生成无效投影区域模板，并且分离出有效射线投影；

(5)利用有效射线投影，在最小二乘模型上加入一个全变差正则项，然后使用交替方向乘子算法求解最小二乘tv正则化模型，完成图像重建。

优选的，上述步骤(5)具体包括：

(5.1)建立最小二乘模型，

其中a代表系统矩阵，x是需要求得图像衰减系数，y是测量得到的有效射线投影；

(5.2)进行正则化处理，得到正则化模型；

(5.3)迭代求解，得到重建图像。

优选的，上述步骤(5.2)采用非局部均值法、紧框架法或者全变差正则化处理。

优选的，上述步骤(5.2)的正则化模型为，

其中是梯度算子，||·||1代表1范数，β是用来平衡保真项和正则项的正常数。

优选的，上述的基于平板射线源的随机射线成像方法，

采用交替方向乘子算法进行分解得到式(3)至式(5)，并进行迭代求解；

其中b和d是引入的辅助变量，k代表迭代次数，λ>0是中间参数；

式(3)是一个最小二乘问题，用经典的梯度下降法或是共轭梯度法来求解；

式(4)采用如下收缩算子解决：

优选的，上述步骤(1)中采集得到具有缺失数据的投影具体步骤为平板射线源与探测器围绕待成像物体旋转360°，采集得到360个具有缺失数据的投影。

一种基于平板射线源的随机射线成像方法，包括以下步骤：(1)设置处于关闭状态的射线源单元数量和产生射线的射线源单元数量；然后使用平板射线源随机产生射线分布，采集得到具有缺失数据的投影；(2)使用霍夫变换找出每一张投影中的黑色圆圈区域，分割出投影中的黑色圆圈所代表的缺失数据；(3)根据第(2)步霍夫变换分割出的结果，生成一个黑色圆圈的模具并从中提取出每个圆圈的中心；(4)用第(3)步的圆圈分布结果标定出原始投影中黑色圆圈的范围，生成无效投影区域模板，并且分离出有效射线投影；(5)利用有效射线投影，在最小二乘模型上加入一个全变差正则项，然后使用交替方向乘子算法求解最小二乘tv正则化模型，完成图像重建。本发明的基于平板射线源的随机射线成像方法，既能达到降低辐射剂量的目的，又能避免重建图像质量出现较大失真。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明的基于平板射线源的随机射线成像方法流程图。

图2是catphan600体模第36层重建结果。(a)是参考图像(groundtruth,gt)；(b)是降低10％剂量的重建图像；(c)是降低30％剂量的重建图像；(d)是降低50％剂量的重建图像；(e)是降低60％剂量的重建图像；(f)是降低80％剂量的重建图像。

图3是降低射线剂量后的各个数据分析图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种基于平板射线源的随机射线成像方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)设置处于关闭状态的射线源单元数量和产生射线的射线源单元数量；

然后使用平板射线源随机产生射线分布，采集得到具有缺失数据的投影；

(2)使用霍夫变换找出每一张投影中的黑色圆圈区域，分割出投影中的黑色圆圈所代表的缺失数据；

(3)根据第(2)步霍夫变换分割出的结果，生成一个黑色圆圈的模具并从中提取出每个圆圈的中心；

(4)用第(3)步的圆圈分布结果标定出原始投影中黑色圆圈的范围，生成无效投影区域模板，并且分离出有效射线投影；

(5)利用有效射线投影，在最小二乘模型上加入一个全变差正则项，然后使用交替方向乘子算法求解最小二乘tv正则化模型，完成图像重建。

上述步骤(5)具体包括：

(5.1)建立最小二乘模型，

其中a代表系统矩阵，是代表所使用的测试机器的参数；x是需要求得图像衰减系数，y是测量得到的有效射线投影；

(5.2)进行正则化处理，得到正则化模型；可以采用非局部均值法、紧框架法或者全变差正则化处理；

(5.3)迭代求解，得到重建图像。

本实施例中，步骤(5.2)的正则化模型为，

其中是梯度算子，||·||1代表1范数，β是用来平衡保真项和正则项的正常数。

该基于平板射线源的随机射线成像方法，采用交替方向乘子算法进行分解得到式(3)至式(5)，并进行迭代求解；

其中b和d是引入的辅助变量，k代表迭代次数，λ>0是中间参数；

式(3)是一个最小二乘问题，用经典的梯度下降法或是共轭梯度法来求解；

式(4)采用如下收缩算子解决：

本发明的一种基于平板射线源的随机射线成像方法，既能达到降低辐射剂量的目的，又能避免重建图像质量出现较大失真。

实施例2。

一种基于平板射线源的随机射线成像方法，通过使用一个名为600的体模对本发明方法进行定量和定性评估。

600包含聚四氟乙烯，腈纶，聚甲醛树脂，聚苯乙烯，低密度聚乙烯，聚甲基戊烯等成分，可以对重建图像的空间分辨率和密度分辨率进行测量评价。重建图像的分辨率为512×512×100，每个体素大小为0.98×0.98×2.5mm3。探测器分辨率为512×384，每个探测器单元大小为1×1mm2，射线源到旋转中心距离为1000mm，射线源到探测器距离为1500mm。尽管平板射线源可以让发射锥形束信号的射线源单元随机分布，但是我们可以控制处于关闭状态的射线源单元数量占所有射线源单元总数的比重，达到具体量化总辐射剂量降低比例的目的。

具体实施步骤如下：

第一步，设置处于关闭状态的射线源单元数量占总单元数量的比例，降低10％的射线源单元数量，然后使用平板射线源随机产生射线分布，旋转360°采集得到360个具有缺失数据的投影数据。

第二步，使用霍夫变换找出每一张投影中的黑色圆圈区域。

霍夫变换是图像处理中从图像中识别几何形状的基本方法，具体的原理操作已经是公知技术，在此就不再具体赘述。

第三步，根据上一步霍夫变换分割出的结果，生成一个黑色圆圈的模具并从中提取出每个圆圈的中心。

第四步，应用数学上的映射关系，具体计算出在本实例中，平板射线源上每个射线源在探测器上映射范围为一个直径为0.14mm的圆圈，然后使用第三步的圆圈分布结果标定出原始投影中黑色圆圈的范围，达到生成无效投影区域模板，并且分离出有效射线投影的目的。

第五步，在最小二乘模型上加入一个tv正则项，然后使用交替方向乘子算法admm求解最小二乘tv正则化模型，重建出医学图像。

图2是600体膜第36层降低不同比例剂量之后的重建图像结果，参考图像(a)是常规剂量重建图像，(b)是在(a)剂量基础上降低10％的重建结果。从图2(b)中可以很清楚地看到，剂量降低10％的重建图像质量接近原剂量图像(a)。

使用对比度和相对对比度(relativecontrast,rc)对图2中的7个感兴趣区域(regionofinterest,roi)进行定量评价。rc定义如下：

其中contrasto代表目标图像的对比度，contrastg表示参考图像(groundtruth,gt)相应区域的对比度。

结果如图3表中所示：可以看出，降低射线剂量比例在10％之内，平均rc可以控制在90％以上，

结论：应用本发明方法可以在降低10％辐射剂量的同时保持重建图像的质量，既能达到降低辐射剂量的目的，又能避免重建图像质量出现较大失真。

实施例3。

一种基于平板射线源的随机射线成像方法，其它具体操作方法与实施例2相同，不同之处在于：降低30％的射线源单元数量，从图2(c)、图3中可以很清楚地看到，剂量降低10％的重建图像质量接近原剂量图像(a)。

实施例4。

一种基于平板射线源的随机射线成像方法，其它具体操作方法与实施例2或3相同，不同之处在于：降低50％的射线源单元数量，从图2(d)中可以很清楚地看到，降低50％剂量的图像会产生条形伪影和白色噪点，但是图像结果在可接受水平，如图3所示降低射线剂量比例在50％之内，平均rc可以控制在90％以上。

实施例5。

一种基于平板射线源的随机射线成像方法，其它具体操作方法与实施例2或3或4相同，不同之处在于：射线剂量降低比例在60％至80％区间，伪影噪声在降低60％剂量的图像中表现得更为明显，降低80％剂量的图像则基本上没有显示出目标图像，平均rc会迅速下降最终到达69％。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。