CN109345608B - 一种基于非对称散射校正板的锥束ct图像重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锥束CT图像重建技术领域，特别涉及一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，该方法首先将基于非对称散射校正板采集的锥束CT投影数据散射校正后的校正板遮挡区域数据置零；然后采用局部滤波算子替换原有全局滤波算子进行加权滤波处理，有效避免了截断伪影影响；最后合理利用投影数据的冗余一致性进行加窗反投影重建，提高了重建图像质量，并且只需单次圆周扫描的投影数据即可重建得到质量良好的CT图像，有效减少了扫描次数，极大提高了扫描效率，降低了辐射剂量。

Description

一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法

技术领域

本发明属于锥束CT图像重建技术领域，特别涉及一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法。

背景技术

在锥束CT成像***中，由于受射线锥角、辐照视野、信号串扰等因素的影响，平板探测器接收的入射射线中往往含有较多的散射射线，使得重建图像的CT值偏离理想真值，形成杯状、条形或带状伪影、阴影，极大降低了图像对比度，严重影响重建图像的质量。因此，通常需要对获取的CT数据在三维重建前进行散射伪影校正，以提升重建图像质量，提高重建图像辨识度。

基于非对称散射校正板(结构如图2所示)的直接测量校正方法通过利用长度较大的铅条对X射线的高衰减作用，可直接测量出投影的高精度散射分布，避免了考虑X射线光子和物体相互作用的复杂过程，对结构复杂的物体相比其他算法能取得较好的校正效果。但由于铅的遮挡造成的初级信号丢失，直接利用FDK算法进行三维重建往往会有截断伪影产生，严重影响重建图像质量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，该方法基于局部滤波算子和投影数据的冗余性，只需要进行单次扫描即可抑制截断伪影影响完成对投影数据的散射校正重建，得到质量较好的三维重建图像。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供的一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，包含以下步骤：

步骤1，对散射校正后的投影数据进行置零预处理；

步骤2，对置零预处理后的投影数据加权修正，将锥束投影数据近似修正为扇束数据；

步骤3，对修正后的投影数据逐行局部滤波；

步骤4，利用窗函数对滤波后投影数据加权消除投影数据的冗余差异性；

步骤5，反投影重建得到锥束CT三维图像。

进一步地，在所述步骤1之前还包括：

将非对称散射校正板放置于物体和探测器之间，并利用锥束CT***单次扫描采集投影数据；

对采集的投影数据进行散射校正。

进一步地，所述对采集的投影数据进行散射校正的实现过程如下：

步骤201，提取有效测量值

取投影中铅条遮挡区域中心三分之一宽度内的数据为有效测量值，并将每个铅条有效区域的纵向取均值作为该铅条各个纵向中心位置处的测量值；

步骤202，平滑降噪

对提取的有效测量值进行均值滤波；

步骤203，三次样条插值

以平滑处理后的离散测量值为基础，利用三次样条函数首先对纵向数据进行插值，然后对横向数据进行插值，得到该角度下投影的整体散射分布；

步骤204，扣除散射分布

从投影数据中直接扣除插值得到的整体散射分布值；

步骤205，BM3D平滑波动

利用BM3D算法来平滑由直接扣除散射分布引起的投影数据波动。

进一步地，所述步骤1中置零预处理是对非对称散射校正板铅条遮挡区域的数据置零，定义置零模板如公式(1)所示：

其中，D为投影中铅条遮挡的区域集合，(i,j)为投影中的像元坐标，将置零模板与投影数据卷积相乘即可。

进一步地，所述步骤2对置零预处理后的投影数据加权修正的过程如公式(2)所示：

其中，d为光源到旋转中心的距离，(u(j),v(i))为探测器平面坐标，

表示第θ角度的投影置零预处理后数据，P′_θ(i,j)表示对投影数据加权修正的结果。

进一步地，所述步骤3中局部滤波是对修正后的整幅投影数据进行逐行滤波，并进行截断误差抑制处理，滤波过程如公式(3)所示：

其中，P″_θ(i,j)为局部滤波后的投影；通过截断误差抑制处理，将滤波后投影数据在铅条遮挡区域内的值置零。

进一步地，所述步骤4中窗函数是基于非对称散射校正板设计，定义窗函数如公式(4)所示：

进一步地，所述步骤4利用窗函数对滤波后投影数据加权消除投影数据的冗余差异性的过程如公式(5)所示：

其中，

为消除冗余差异性的投影。

进一步地，所述步骤5反投影重建得到锥束CT三维图像的过程如公式(6)所示：

其中，f(x,y,z)表示被重建点，u(x,y,θ)，v(x,y,z,θ)分别表示点(x,y,z)投影到探测器上的坐标。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明公开了一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，该方法首先将基于非对称散射校正板采集的锥束CT投影数据散射校正后的校正板遮挡区域数据置零；然后采用局部滤波算子替换原有全局滤波算子进行加权滤波处理，有效避免了截断伪影影响；最后合理利用投影数据的冗余一致性进行加窗反投影重建，提高了重建图像质量，并且只需单次圆周扫描的投影数据即可重建得到质量良好的CT图像，有效减少了扫描次数，极大提高了扫描效率，降低了辐射剂量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法的流程图；

图2是非对称散射校正板的结构示意图；

图3是利用本发明方法采集体模投影，重建得到的二维切片图；

图4是不加非对称散射校正板全扫描采集体模投影，重建得到的与图3相同层的二维切片图；

图5是图3横向中线的剖线图；

图6是图4横向中线的剖线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，有效避免了截断伪影影响，得到质量较好的三维重建图像。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，本实施例的一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，包含以下步骤：

步骤S101，将非对称散射校正板放置于物体和探测器之间，并利用锥束CT***单次圆周扫描采集投影数据。

步骤S102，对步骤1采集的投影数据进行散射校正，具体实现过程如下：

步骤S1021，提取有效测量值

为减少测量误差，取投影中铅条遮挡区域中心w/3宽度内的数据为有效测量值，并将每个铅条有效区域的纵向取均值作为该铅条各个纵向中心位置处的测量值；

步骤S1022，平滑降噪

对提取的有效测量值进行均值滤波以减少测量值中的噪声干扰；

步骤S1023，三次样条插值

以平滑处理后的离散测量值为基础，利用三次样条函数首先对纵向数据进行插值，然后对横向数据进行插值，得到该角度下投影的整体散射分布；

步骤S1024，扣除散射分布

从投影数据中直接扣除插值得到的整体散射分布值；

步骤S1025，BM3D平滑波动

直接扣除散射分布后，投影数据的波动性较大，影响后续重建结果，因此进一步利用BM3D算法来平滑投影数据的波动。

步骤S103，对散射校正后的投影数据进行置零预处理；

由于校正板铅条的屏蔽作用，X射线在每张投影数据的铅条遮挡区都不能得到正确的照射物体的数据，将该部分数据参与重建过程会得到错误的重建结果，需要将该部分数据置零，仅利用其冗余角度的投影信息重建得到正确结果。因此在滤波反投影前，首先对散射校正后的投影数据进行置零预处理，定义置零模板如公式(1)所示：

其中，D为投影中铅条遮挡的区域集合，(i,j)为投影中的像元坐标，将置零模板与投影数据卷积相乘即可。

步骤S104，对置零预处理后的投影数据加权修正，将锥束投影数据近似修正为扇束数据，加权修正过程如公式(2)所示：

其中，d为光源到旋转中心的距离，(u(j),v(i))))为探测器平面坐标，

表示第θ角度的投影置零预处理后数据，P_θ′(i,j)表示对投影数据加权修正的结果。

步骤S105，对修正后的投影数据逐行局部滤波，抑制由铅条遮挡导致的横向截面伪影，滤波过程如公式(3)所示：

其中，P″_θ(i,j)为局部滤波后的投影；通过截断误差抑制处理，将滤波后投影数据在铅条遮挡区域D内的值置零，减少滤波误差向重建图像的传递。

步骤S106，利用窗函数对滤波后投影数据加权消除投影数据的冗余差异性。

受铅条屏蔽的影响，投影数据中每个点的冗余度不一致，直接进行反投影会由于冗余度差异产生伪影，为了消除这种伪影，在反投影前需要对不同位置的数据进行加权确保投影数据反投冗余的一致性；定义窗函数如公式(4)所示：

则对投影数据加权消除冗余差异性的过程如公式(5)所示：

其中，

为消除冗余差异性的投影。

步骤S107，反投影重建得到锥束CT三维图像，反投影重建过程如公式(6)所示：

其中，f(x,y,z)表示被重建点，u(x,y,θ)，v(x,y,z,θ)分别表示点(x,y,z)投影到探测器上的坐标。

下面对具体投影数据采用本发明方法进行处理来进一步说明本发明方法的效果。

利用本发明方法采集体模投影，重建得到的二维切片如图3所示，不加非对称散射校正板全扫描采集体模投影，重建得到的与图3相同层的二维切片如图4所示，图5是图3横向中线的剖线图，图6是图4横向中线的剖线图。从重建切片图3可以明显看出，本发明方法有效抑制了截断数据的影响，重建得到了质量良好的CT图像；同时对比图3和图4可以发现本发明方法重建图像的对比度相比全扫描重建图像的对比度有明显提升，本发明方法明显改善了散射阴影导致的图像中对比度较低的部分(如图3中黑色箭头所指的部位)和边缘模糊问题，使内外层两种材质的物体已可以被直观区分出来。另外从剖线图上对比可以发现，本发明方法的CT值在同种材质中基本持平，杯状伪影也得到了有效抑制。

为进一步对本发明方法重建结果进行评价，计算了对比度和杯状伪影的量化数据进行定量分析，具体量化数据如表1所示，其中contrast＝|μ₁-μ₂|，μ₁是物体内部矩形框内的平均CT值，μ₂是物体内部矩形框附近矩形框内的平均CT值。

μ_a是物体外侧圆形区域的平均CT值，μ_b是物体中心圆形区域的平均CT值，矩形框和圆形区域如图3和图4中所示。从量化表中明显可以看出，本发明方法有效抑制了重建图像中的杯状伪影，提升了图像对比度，避免了截断伪影的影响。

表1校正前后体模的量化分析表

本发明的一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，对采集的投影数据利用局部滤波算子进行加窗反投影重建，有效避免了截断伪影影响，充分利用了投影数据的冗余性，提高了重建图像质量，只需要一次扫描就可以实现散射校正CT图像的良好重建，提高了扫描效率，降低了辐射剂量。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，对散射校正后的投影数据进行置零预处理；

步骤2，对置零预处理后的投影数据加权修正，将锥束投影数据近似修正为扇束数据；所述步骤2对置零预处理后的投影数据加权修正的过程如公式(2)所示：

其中，d为光源到旋转中心的距离，(u(j),v(i))为探测器平面坐标，

表示第θ角度的投影置零预处理后数据，P_θ′(i,j)表示对投影数据加权修正的结果；

步骤3，对修正后的投影数据逐行局部滤波；所述步骤3中局部滤波是对修正后的整幅投影数据进行逐行滤波，并进行截断误差抑制处理，滤波过程如公式(3)所示：

其中，P″_θ(i,j)为局部滤波后的投影；通过截断误差抑制处理，将滤波后投影数据在铅条遮挡区域内的值置零；

步骤4，利用窗函数对滤波后投影数据加权消除投影数据的冗余差异性；所述步骤4中窗函数是基于非对称散射校正板设计，定义窗函数如公式(4)所示：

对应地，步骤4的过程如公式(5)所示：

其中，

为消除冗余差异性的投影；

步骤5，反投影重建得到锥束CT三维图像；所述步骤5反投影重建得到锥束CT三维图像的过程如公式(6)所示：

其中，f(x,y,z)表示被重建点，u(x,y,θ)，v(x,y,z,θ)分别表示点(x,y,z)投影到探测器上的坐标。

2.根据权利要求1所述的基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，其特征在于，在所述步骤1之前还包括：

将非对称散射校正板放置于物体和探测器之间，并利用锥束CT***单次扫描采集投影数据；

对采集的投影数据进行散射校正。

3.根据权利要求2所述的基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，其特征在于，所述对采集的投影数据进行散射校正的实现过程如下：

步骤201，提取有效测量值

取投影中铅条遮挡区域中心三分之一宽度内的数据为有效测量值，并将每个铅条有效区域的纵向取均值作为该铅条各个纵向中心位置处的测量值；

步骤202，平滑降噪

对提取的有效测量值进行均值滤波；

步骤203，三次样条插值

以平滑处理后的离散测量值为基础，利用三次样条函数首先对纵向数据进行插值，然后对横向数据进行插值，得到该角度下投影的整体散射分布；

步骤204，扣除散射分布

从投影数据中直接扣除插值得到的整体散射分布值；

步骤205，BM3D平滑波动

利用BM3D算法来平滑由直接扣除散射分布引起的投影数据波动。

4.根据权利要求3所述的基于非对称散射校正板的锥束CT图像重建方法，其特征在于，所述步骤1中置零预处理是对非对称散射校正板铅条遮挡区域的数据置零，定义置零模板如公式(1)所示：

其中，D为投影中铅条遮挡的区域集合，(i,j)为投影中的像元坐标，将置零模板与投影数据卷积相乘即可。

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