基于能谱滤波和图像残差重投影的CT图像金属伪影校正方法与流程

本发明属于工业CT成像技术领域，特别涉及一种基于能谱滤波和图像残差重投影的CT图像金属伪影校正方法。

背景技术：

工业计算机断层成像技术(Industrial Computed Tomography，ICT)利用不同角度下X射线的透射衰减信息对物体进行断层成像，能够在非接触、无损伤的情况下获得物体的内部结构信息。与射线照相、超声检测、涡流检测技术等常规无损检测手段相比，工业CT具有检测速度快、空间及密度分辨率高等优点，能够直观地展示被检测物体内部的结构、组成及缺损状况，已经被广泛地应用于航空、航天、国防军工等诸多领域。在工业应用中，CT检测对象以金属物质居多。由于金属物质会使X射线发生射束硬化并产生大量散射光子，导致会在CT图像中产生与物体物理结构不相符的图像特征，称为金属伪影，严重影响物体内部有效信息的识别、提取和判断。由于血管支架、金属义齿等在临床的大量使用，金属伪影问题在医学CT成像中也普遍存在，成像目标表现为非金属物质中包含有限区域的金属物质。金属伪影对医学图像的影响主要体现在对金属物质周围组织观察困难，给临床诊断带来很大困扰。因此，对金属伪影校正方法的研究也一直是CT领域的研究热点和难点。

目前的金属伪影校正方法主要可以分为三类：插值校正法、迭代校正法x和混合校正法；其中，插值校正法也称为正弦图修复方法，是金属伪影去除中最常用的方法，该类方法首先需要在图像域对金属进行分割和定位，然后通过正投影确定金属对应的正弦图中投影区域，并把该区域的数据看作是被污染而剔除，再利用插值的方法修复剔除区域的数据，最后利用修复后的数据完成重建；迭代法也称逐步近似法，该方法同样需要确定金属在正弦图中的投影区域，并把该部分数据进行剔除，而后引入一定的先验知识，通过迭代的方法使用缺失数据的投影进行重建，其本质是属于缺失数据重建；混合校正法是插值法和迭代法的混合，主要特点是在插值修复过程中不是一次完成，而是通过不断迭代的过程逐步修复剔除的金属区域的数据，最后完成重建。这些方法都需要先对金属区域进行分割定位，并把定位到的受污染数据去除，然后通过或插值，或迭代，或插值和迭代混合的方法对去除的数据进行修复重建。因此，这些算法更多的适用于医学CT成像中检测目标是非金属物质中包含有限区域金属物质的情况，对于工业CT中检测目标是全金属物质的情况则不能有效适用。

技术实现要素：

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于能谱滤波和图像残差重投影的CT图像金属伪影校正方法，针对引起金属伪影的两个主要要素：射束硬化和光子散射进行研究，根据估计能谱和滤光片特性，设计出最优滤光片，在滤除低能射线的同时最大程度上保留用于成像的有效X射线，避免了使用结构复杂的探测器后准直器，通过对目标区域外杂散噪声进行提取和重投影，去除原投影图像中大量的散射信号，有效提高了成像质量和被检测目标内外轮廓的对比度。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于能谱滤波和图像残差重投影的CT图像金属伪影校正方法，包含如下步骤：

步骤1、根据衰减率变化曲线及有效射线透过率，设计最优滤光片；

步骤2、对原始重建图像目标区域外散射噪声进行估计，通过残差重投影方法在原始投影中去除散射噪声，得到修正投影；

步骤3、根据修正投影再次投影重建，得到最终校正图像。

上述的，步骤1具体包含如下内容：根据衰减率变化曲线及比尔定律公式I＝I₀e^-μl,计算得到滤光片的厚度；通过公式：计算得到不同材料滤光片的有效射线透过率，分析比较，设计出最优滤光片，其中，L为滤光片的厚度，I₀和I分别表示初始射线和透过射线强度，μ表示均匀物质衰减系数，l表示物质厚度。

上述的，步骤2具体包含如下内容：

步骤2.1、对原始投影进行投影重建，得到原始重建图像，对原始重建图像中目标轮廓进行提取，将原始重建图像中目标轮廓之外的体素值设为零，保持目标轮廓内的体素值不变，得到修正后的目标图像；

步骤2.2、利用原始重建图像减去修正后的目标图像，得到图像域残差；

步骤2.3、对图像域残差进行低通滤波，并进行散射信号估计；

步骤2.4、根据散射信号估计结果进行重投影，将散射信号从图像域转换到投影域；

步骤2.5、在原始投影中扣除步骤2.4得到的重投影结果，得到修正投影。

本发明的有益效果：

1、本发明针对引起金属伪影的两个主要要素：射束硬化和光子散射进行研究，根据估计能谱和滤光片特性，设计出最优滤光片，在滤除低能射线的同时最大程度上保留用于成像的有效X射线，避免了使用结构复杂的探测器后准直器，通过对目标区域外杂散噪声进行提取和重投影，去除原投影图像中大量的散射信号，有效提高了成像质量和被检测目标内外轮廓的对比度。

2、本发明首先根据初始射线能谱和能量相关的物质衰减系数变化率曲线计算得到滤光片厚度；并通过计算比较不同材料滤光片的有效高能射线透过率，确定最优滤光片；通过原始重建图像目标区域外杂散噪声提取和扣除，能够有效抑制原始图像中的散射伪影，提高图像对比度；滤光片的设计方法适用于多种情况，具有较高的鲁棒性；本发明中通过残差重投影方法在原始投影中去除散射噪声，不依赖结构复杂的探测器后准直器或散射校正板，也不需要成像物理等先验条件，能够去除原投影图像中大量的散射噪声，有效提高被检测目标内外轮廓的成像质量。

附图说明：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的通过残差重投影方法在原始投影中去除散射噪声的流程图；

图3为实施例二中验证实验所用的飞机发动机涡轮叶片示意图；

图4为不同滤光片对应的有效射线透过率表；

图5为无滤光片时涡轮叶片重建结果示意图；

图6为使用不同滤光片时涡轮叶片重建结果示意图；

图7为使用铜、铅、钨三种滤波片重建结果图像信噪比计算选取区域示意图；

图8为图7中所选取三个区域的平均信噪比；

图9为使用钨滤光片的校正过程中图像域残差和投影域残差示意图；

图10为使用本发明得到的最终校正图像示意图。

具体实施方式：

金属伪影的产生是多种因素的综合体现，大致可以分为射线硬化效应、光子散射效应、电子饥饿效应以及部分容积效应，其中射束硬化是主要因素。对于检测目标为全金属物质的情况，当检测电压达到几百kev时，X射线与物质相互作用以康普顿散射为主导，而金属又是强烈的散射源，此时，金属伪影可以看作是射束硬化效应和光子散射效应为主导共同作用的结果。

其中，射束硬化成因，由相同能量的光子组成的射线称为单能射线。通常，CT重建算法，包括绝大部分的解析和迭代类算法，都是基于X射线是单能的。而实际中，目前的商用X射线都是连续多能谱的。其中，高能X射线穿透物体的能力强，低能X射线穿透物体的能力相对较弱，这就使得连续多能谱的X射线穿过物体后，低能量的X射线更容易被衰减，从而使探测器接收到的X射线能谱相比入射X射线能谱发生了变化。这种变化表现为接收的X射线中高能成分比例增大，即所谓的射束硬化现象。

当射线为单能时，由比尔定律公式(1)可知，射线穿过均匀物质时的射线满足：

I＝I₀e^-μl, (1)

其中，I₀和I分别表示初始射线和透过射线强度，μ表示均匀物质衰减系数，l表示物质厚度。由公式(1)可知，投影数据满足：

$p=ln\left(\frac{I_0}{I}\right)=ul,---\left(2\right)$

即，投影值与穿透厚度l满足线性关系。

当射线为多能时，比尔定律公式可表述为

I＝I₀∫S(E)e^-∫u(E)dldE, (3)

可以看出，当u(E)不为常数时，多能射线时投影值p与穿透厚度l不再满足线性关系。因此，射束硬化伪影产生的本质原因是：入射X射线是连续多能谱的，并且同一物质对不同能量X射线的衰减能力不同。

另，散射伪影成因，散射是射线穿过物体时，入射X光子与物质原子的核外电子发生碰撞，从而降低能量和改变传输方向的过程。当发生散射时，探测器探元接收到的X射线不仅有直接入射的光子，而且有散射的光子。这些散射光子会使探元信号偏离真实值，导致CT图像中出现散射伪影。通常情况下，散射光子是随机射向四面八方的，散射剖面比较平滑。当很多射线发生散射时，相当于在原始信号上叠加了一层低频噪声。散射光子对投影值得影响可以表述为：

$p=\ln \left(\frac{I_0^{\′}}{I^{\′}}\right)=ln\left(\frac{I_0+I_s}{I+I_s}\right),---\left(4\right)$

其中，I_s表示散射光子强度。

因此，散射射线作为CT成像过程中一个重要的噪声来源，会使图像产生阴影、杯状伪影和条状伪影等，造成图像边缘模糊、对比度变差，严重降低了图像质量，尤其是在工业CT中对金属物质进行成像时，散射因素在金属伪影中所占的比重明显增大，必须要对散射伪影加以抑制。

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1所示，一种基于能谱滤波和图像残差重投影的CT图像金属伪影校正方法，包含如下步骤：

步骤1、根据衰减率变化曲线及有效射线透过率，设计最优滤光片；

步骤2、对原始重建图像目标区域外散射噪声进行估计，通过残差重投影方法在原始投影中去除散射噪声，得到修正投影；

步骤3、根据修正投影再次投影重建，得到最终校正图像。

本发明首先通过设计最优滤光片，滤除原始能谱中易于硬化的部分，同时保留最多的有效射线；然后，对重建图像目标区域外散射噪声进行估计，通过残差重投影的方法在原始投影中扣除散射噪声；最后，利用修正投影再次投影重建，得到最终校正图像，实现CT图像的金属伪影校正，能够有效抑制射束硬化和光子散射导致的金属伪影影响，提高图像对比度和改善成像质量。

实施例二，参见图1～10所示，一种基于能谱滤波和图像残差重投影的CT图像金属伪影校正方法，包含如下内容：

步骤1、根据衰减率变化曲线及有效射线透过率，设计最优滤光片，物质衰减率变化曲线为物质质量衰减系数对光子能量偏导数的绝对值，反应了物质衰减系数随光子能量改变而改变的剧烈程度，当衰减系数变化为零时，表示物质衰减系数不随光子能量的改变而改变，即衰减系数在连续能谱中具有恒定的值；而当衰减系数变化率增大时，表示物质衰减系数随光子能量改变而改变的程度增大，即衰减系数在不同光子能量下的差异性增大，对于衰减系数变化率接近零的能段，物质衰减系数近似相等，此时投影值满足如下：，当S(E)表示归一化能谱时，∫S(E)dE＝1，因此，p≈ul，即投影值与穿透长度l近似满足线性关系，符合基于单能假设的重建算法要求，使用这段能谱的射线进行成像时能够有效抑制射束硬化伪影，由衰减系数变化率曲线可以确定需要滤除的易于硬化部分，并根据衰减率变化曲线及比尔定律公式I＝I₀e^-μl，计算得到滤光片的厚度；有效射线透过率是指透过滤光片后用以成像的射线占原始射线的比例，滤光片在滤除低能X射线同时，也会过滤高能X射线；在CT成像中，统计噪声的大小与有效X射线强度的大小密切相关，增大射线强度会有效抑制统计噪声，提高所成图像的信噪比，通过公式：计算得到不同材料滤光片的有效射线透过率，分析比较，设计出最优滤光片，使得用以成像的射线强度最高，抑制硬化伪影的同时，提高图像的信噪比，其中，L为滤光片的厚度，I₀和I分别表示初始射线和透过射线强度，μ表示均匀物质衰减系数。

步骤2、对原始重建图像目标区域外散射噪声进行估计，通过残差重投影方法在原始投影中去除散射噪声，得到修正投影，基于散射成像中的两个物理事实，1)原始重建图像中目标轮廓之外的非零值应为伪影，这部分伪影主要来源于原始投影中的散射噪声；2)散射信号是一种低频信号，通过残差重投影方法在原始投影中去除散射噪声具体包含如下：

步骤2.1、对原始投影进行投影重建，得到原始重建图像，对原始重建图像中目标轮廓进行提取，将原始重建图像中目标轮廓之外的体素值设为零，保持目标轮廓内的体素值不变，得到修正后的目标图像，可使用常规的图像处理方式进行目标轮廓的提取，例如，使用基于阈值的图像分割方法；

步骤2.2、利用原始重建图像减去修正后的目标图像，得到图像域残差；

步骤2.3、对图像域残差进行低通滤波，并进行散射信号估计；

步骤2.4、根据散射信号估计结果进行重投影，将散射信号从图像域转换到投影域；

步骤2.5、在原始投影中扣除步骤2.4得到的重投影结果，得到修正投影。

步骤3、根据修正投影再次投影重建，得到最终校正图像。

本发明不依赖结构复杂的探测器后准直器或散射校正板，也不需要成像物理等先验条件，能够去除原投影图像中大量的散射噪声，有效提高被检测目标内外轮廓的成像质量。

下面通过具体实验对本发明做进一步说明：

采用实际工业CT系统对发动机涡轮叶片进行成像，实际工业CT系统中，射线源为美国Varian HPX-450-11，探测器为德国PerkinElmer-XRD-1621，飞机发动机涡轮叶片，如图3所示，并对校正前后的图像质量做了对比，分别在无滤波片和使用铝、铜、铅和钨四种滤波片的情况下对发动机涡轮叶片进行了图像采集和重建。通过计算，不同滤光片的最优厚度分别为150mm、16mm、1mm和0.8mm，对应的有效射线透过率如图4所示，由图4的数值比较可以看出，对初始能谱中有效X射线保留特性从高到底依次是钨、铅、铜、铝，即用于成像的有效X射线强度从大到小依次是钨、铅、铜、铝。因此，基于前面有效X射线强度与成像信噪比的分析，四种材料中，钨为最优先选择的滤光片，它能够在滤除低能X射线的同时保留最多的有效高能X射线，即校正硬化伪影的同时能够保持更好的图像信噪比。

实验条件为管电压300kv，投影采集间隔为1度，采集投影数360幅，图像重建使用FDK算法，无滤波片时重建结果如图5所示，使用四种滤光片的重建结果分别如图6所示，图6中：(a)表示使用铝滤波片的重建结果、(b)表示使用铜滤波片的重建结果、(c)表示使用铅滤波片的重建结果、(d)表示使用钨滤波片的重建结果，由图可知，不使用滤光片时的原始重建图像中包含了大量的金属伪影，图像对比度较差，边缘十分模糊，尤其是叶片内凹边缘受伪影的影像最为严重。由图6可以看出使用滤光片后，原始图像中硬化伪影得到了很大程度的去除，叶片边缘对比对增强，受伪影影响最为严重的内凹边缘依然变得清晰可见，但是，使用铝滤光片的校正结果明显没有其它滤光片好，这主要是因为铝在滤除低能X射线的同时滤除了大量的高能X射线，造成用以成像的有效X射线大大减少，所以直观去看图像的噪声最大，这与本文前面的分析一致；而铜、铅和钨的校正效果更好，这主要是因为这三种滤光片在滤除低能X射线时能够保留较多的高能X射线。直观观察，相比铅和钨滤光片，使用铜滤光片的结果中噪声更为明显。为进一步比较验证铜、铅、钨三种滤波片的作用效果，通过比较三种滤波片重建结果的图像信噪比，信噪比计算区域的选取如图7所示，三个区域的平均信噪比如图8所示，当使用铜滤波片时得到的图像信噪比为5.14，使用铅滤波片得到的图像信噪比为6.56，使用钨滤波片得到的图像信噪比为6.64，说明在以上4中材料中，钨的效果最好。

经过硬化伪影校正，原始重建图像质量得到了明显提升，叶片边缘得到了恢复和对比度提升，但是，受散射伪影的影响，图像目标区域外有大量的杂散噪声，使得边缘对比度依然不够理想。因此，基于钨滤光片的校正结果，进一步使用本文对散射伪影进行校正，其中，校正过程中的图像域残差和投影域残差分别如图9所示，图9中(a)表示图像域残差，(b)表示投影域残差，由图9中(a)可看出，原始图像中包含了大量的噪声信号，使用本文方法对这些噪声提取并转换到投影域的结果如图9中(b)所示，最终的校正结果图像由图10所示，通过在原始投影中扣除噪声信号后并再次重建的结果中大量的杂散噪声被有效去除，图像质量有明显改善，图像对比度进一步提高，叶片内外边缘更加清晰。

本发明针对引起金属伪影的两个主要要素：射束硬化和光子散射进行研究，根据估计能谱和滤光片特性，设计出最优滤光片，在滤除低能射线的同时最大程度上保留用于成像的有效X射线，避免了使用结构复杂的探测器后准直器，通过对目标区域外杂散噪声进行提取和重投影，去除原投影图像中大量的散射信号，有效提高了成像质量和被检测目标内外轮廓的对比度。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。