一种使用能量函数方法的锥束ct中杯状伪影的校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及医学图像处理技术领域，尤其设及锥束CT图像杯状伪影校正、灰度不 均匀校正医学图像处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 锥束CT作为近年来发展的医疗及工业检测仪器，常用于图像引导治疗、上腹部检 查、口腔检查、工业检测等方面。基于平板探测器的锥束CT(CBCT)与传统的二维CT相比，具 有突出的优点，主要表现在锥束CT一次圆周扫描周期内，可W得到完成数百甚至上千个断 层图像的投影，具有更高的扫描速度和福射利用率，并有效的减少X射线管的负载输出，降 低扫描成本。影响锥束CT重建图像质量的因素有很多，如X线散射、噪声、几何误差、能谱、探 测单元响应不一致等。但由于锥束平板CT使用大范围的X射线平板探测器，运使得成像质量 与传统CT相比较更易受到X射线散射及射束硬化的影响。因散射和射束硬化而形成的伪影 (主要包括杯状伪影和条纹状伪影)严重影响对重建图像的分析与判断。在医疗级别的锥束 CT重建图像中，杯状伪影占有很大比重，运些伪影对于基于阔值的可视化显示方面和基于 阔值的锥束CT图像分割方面影响非常严重。且杯状伪影的校正可W为其他伪影校正提供反 馈参考，为其他无先验的锥束CT散射及射束硬化校正提供验证信息。因此本发明关于锥束 CT中的杯状伪影的校正非常有意义。
[0003] 为了减少杯状伪影(即：CT值不均匀性伪影)的影响，目前，现有技术或文献资料的 研究主要集中在对投影图像上的散射校正。早期的伪影校正主要体现在基于硬件的校正， 如X射线滤线器、准直器或金属栅格、空气隙方法、扫描狭缝技术和铅条或铅板技术等。最近 几年伪影校正研究主要体现在基于蒙特卡洛方法、散射分析估计方法和基于部分散射射线 测量的散射校正方法。蒙特卡洛仿真在CBCT散射校正中是很有效的方法，但是计算量巨大。 近年来，一些改进的蒙特卡洛仿真算法也被提出来，如使用GPU加速技术，基于模型的体恢 复方法等。运些基于蒙特卡洛仿真的思想，都试图在模拟精度和计算代价上建立一个较好 的平衡点。但始终局限于计算代价太高，而不易于使用。
[0004] 基于部分射线遮挡的锥束CT伪影校正的方法，早期的有BSA散射校正板方法，是通 过测量在射线遮挡阵列下方的散射量，来插值出到达探测器上的整体散射分布。然后再进 行不含射线遮挡阵列的正常扫描，从扫描的投影图像中减去散射分布图像，就得到了校正 后的图像。运种方法要进行两次扫描，增加了扫描时间的同时也增加了 X射线照射剂量。后 来出现了可移动遮挡快的方法，能解决两次扫描问题。
[0005] 也有对在锥束CT重建后图像进行伪影校正的研究。该研究主要借助CT图像中的解 剖结构。运类方法完全依赖变形配准精度，且需要CT图像数据。
[0006] 现有技术的缺点主要包括：
[0007] (1)目前现有技术主要是针对投影图像校正，没有直接针对重建后切片图像的校 正，如专利 CN104408753A。
[000引（2)现有技术大多数集中在因散射而造成的伪影校正的方法中，并且大多需要添 加硬件设备，如:专利200710019084和201310039298,运两个专利都需要在昂贵的锥束CT设 备上添加硬件设备，增加了操作的复杂性和对设备造成潜在的安全风险。特别是专利 200710019084需要两次扫描被测物体，运样无疑增加的被测物的福射量。
[0009] 综上所述，在现有技术或文献资料的方法中，蒙特卡洛模拟方法非常耗费时间，初 级射线调制方法中校正结果受限于调制板自身的结构，基于部分散射射线测量方法，需要 增加照射剂量，现有方法对散射分布的估计准确度不高。而本发明能够很好地解决上面的 问题。
【发明内容】
[0010] 本发明目的在于解决了上述现有技术的不足，提出了一种使用通过最优化能量函 数对锥束CT中杯状伪影进行校正的方法。本方法针对重建后的切片图像，直接面向用户，不 对原有锥束CT设备进行任何改动，就可W完成校正工作，能够高效地进行锥束CT的杯状伪 影校正的同时还能够提高重建图像的同种物质的CT值均匀性，从而有助于重建图像中，完 善的体可视化和基于阔值的可视化技术的发展。该方法应用于锥束CT重建图像（即图像域） 校正技术领域。
[0011] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:本发明提供了一种使用锥束CT中重 建图像进行杯状伪影校正的最优化能量函数方法，该方法具有很强的鲁棒性，不需要重复 扫描被测物体，不增加锥束CT系统的复杂度。
[001^ 方法流程：
[0013] 步骤1:获取重建后的切片图像。
[0014] 步骤2:杯状伪影表示并构建能量函数
[0016]其中G(x) = (gi(x)，…卵(x))T为平滑基函数，Ci为常数，满足当XE Qi时，Ui(X) = 1 ;当X g Q,'时，Ui(X)=O ,W= (Wl,...WM)
[0017] 步骤3:固定的C和U，通过解方程
来获得F(u，c，w)的最小值。得到 揉二，乂一 V 0'
[001引步骤4:固定并使用更新的W和U，W C二C二(句，.为变量的F(u，C，W)最小值 解为：
[0020] 步骤5:固定并使用更新的W和C，Wu=(ui,…un)t为变量的F(u,c,w)最小值解时， 揉二(沒1..，.…沒入,满足如下条件：
[0021] 窃产 t 叫，。W \〇，/引m虹(X)
[0022] 其中，imin(x) =a;r卵in{f (x)-Ci-wTG(x)}。
[0023] 步骤6:若W稳定或迭代次数超过10次，则执行步骤7，否则回到步骤3。
[0024] 步骤7:校正后图像为 -二 / -./V二/-vv?G(.y)。
[0025] 进一步的，本发明直接面向锥束CT切片数据，不对原有锥束CT原有设备进行任何 改动，不需要用户和被测目标的先验信息。
[0026] 进一步的，本发明证明了杯状伪影是从重建图像分解出来，即：
[0028]其中fp表示真实无伪影的切片图像，fs表示散射和射束硬化造成伪影的切片图像， fn表示噪声n形成的切片图像。
[00巧]有益效果：
[0030] 1、本发明是直接针对重建后的切片图像的杯状伪影校正，该方法计算量相对较 小，能够高效的进行锥束CT切片图像杯状伪影校正的同时，提高了同种物质重建图像的CT 值均匀性。
[0031] 2、本发明直接面向CT切片需求用户，不对原有锥束CT原有设备进行任何改动，不 需要用户和被测目标的先验信息，很好地完成校正工作。
[0032] 3、本发明能够增加图像对比度，使校正后图像能更准确的表现被照物体原本信 息。
[0033] 4、本发明很好地改善并且实现了基于阔值的CT图像可视化、分割及病灶检测。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明的方法流程图。
[0035] 图2为本发明由重建图像校正前(左)后(右)的人头骨样本轴向视图。
[0036] 图3为本发明测量的人头骨模体的水平剖面值:纵轴是图像剖面。
[0037] 图4为本发明人头骨模体选择的感兴趣区域图像示意图。
[0038] 图5 (a)、图5 (b)为本发明散射校正前后化巧hanSOO中CTP486重建图像两个不同切 片的样本轴向视图。
[0039] 图6为本发明中图5所测量模体的水平剖面图。
[0040] 图7为小鼠骨的选择计算区域图像示意图。
[0041] 图8(a)、图8(b)分别为散射校正前后小鼠骨重建图像的样本轴向视图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
[0043] 如图1所示，本发明提供了一种使用能量函数方法的锥束CT中杯状伪影的校正方 法，该方法包括如下步骤：
[0044] 步骤1:根据FDK算法获取重建后的切片图像，且能从理论证明杯状伪影可W从重 建后图像分解出来。
[0045] 步骤2:杯状伪影表示并构建能量函数
[0047]其中G(x) = (gi(x)，…卵(x))T为平滑基函数，Ci为常数，满足当XE Qi时，Ui(X) = 1 ;当XgO,:时，Ui(X)=O ,W= (Wl,...WM)
[004引步骤3 :固定的C和U，通过解方程
I，来获得F(u , C ,W)的最小值。得到 # 二少V。
[0049]步骤4:固定并使用更新的W和U，Wc二C二为变量的F(u,c,w)最小值 解为：
[0051] 步骤5:固定并使用更新的W和C，Wu=(ui,…un)t为变量的F(u,c,w)最小值解时， 《二（!;,，...i;、）?满足如下条件： 岭气虹(乂）
[0化：3]其中，imin(x) =a;r卵in{f (x)-Ci-wTG(x)}。
[0054] 步骤6:若W稳定或迭代次数超过10次，则执行步骤7，否则回到步骤3。
[0055] 步骤7:校正后图像为./； =:/-.文=/- VV''G(.、'）。
[0056] 本发明杯状伪影可W从重建图像分解出来详细过程包括：
[0057] 锥束CT中重建图像W抑K算法