CN1775176A - 基于原始投影正弦图的ct射束硬化校正方法 - Google Patents

Abstract

基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法，步骤为：(1)进行三代CT扫描，获得排列成矩阵的原始投影正弦图；(2)进行原始投影正弦图的暗电流和不一致性校正；(3)搜索投影正弦图每一行像素投影值的最小值；(4)确定一组小于1的正实数校正系数；(5)将投影正弦图每一行像素的投影值，减去步骤(3)获得的对应行最小值与步骤(4)获得的对应行校正系数的乘积，完成所有行投影射束硬化校正；(6)将校正后投影正弦图送入CT重建动态库。本发明不需要事先进行建模扫描和计算，不受扫描对象和扫描条件限制，校正程序简单、实时，不需要特定校正硬件。

Description

基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法

技术领域

本发明涉及一种CT射束硬化校正方法，特别是基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法，属于CT技术领域。

背景技术

在X射线CT***中，X射线源发出X射线，从不同角度穿过被检测物体的某一横截面，放置于射线源对面的探测器在相应角度接受，然后根据各角度射线不同程度的衰减，利用一定的重建算法和计算机进行运算，重建出物体被检测截面的射线线衰减系数分布映射图像，从而实现由投影重建图像，无损地再现物体在该截面内的介质密度、成分和结构形态等特征。

CT重建算法假设X射线源发出的是单能谱X射线束。实际CT***具有多色能谱X射线束，这个假设得不到满足。当多色X射线束与物质相互作用时，较低能量的X射线光子优先被物质吸收，较高能量的光子衰减较小，随着透照厚度的增加，射束有效能量向高能量方向移动，射束变得更难衰减，更“硬”，这就是射束硬化。射束硬化给CT重建带来严重问题。利用基于单色射线假设的重建算法，重建得到的物体线衰减系数比实际值小，重建图像会产生黑心伪影(也称为杯状伪影)。这些伪迹在医学上，经常导致肿瘤等病变组织漏诊；在工业上，则将细微裂纹、疏松等缺陷掩盖起来。

抑制硬化伪影的方法，称为射束硬化校正方法。射束硬化校正自1975年以来一直是国际CT成像领域的研究热点。目前，校正方法主要分为单能和双能两大类。双能法以康普顿散射、光电效应和断面物质分布函数来表示线衰减系数，以两次不同能量下的多色投影来估计单色投影，进而达到校正的目的。由于在操作上的复杂性，这种方法在工程实践中很少被采用。单能法只需一次物体扫描，易于实现，实际应用效果也比较好，因此得到了广泛的研究。

单能法根据处理顺序的不同，分为前处理和后处理两类。前处理方法直接对原始投影正弦图做校正，然后再利用单色重建算法进行重建；后处理方法则首先利用单色重建算法对原始投影正弦图进行重建，然后再对重建得到的图像进行硬化校正。

后处理校正方法的基本路线是：根据一定的准则，对重建得到的图像进行阈值分割，确定会发生硬化的扫描角度和区域；然后，在上述扫描角度和区域，利用重投影技术，生成无硬化投影，取代原始投影正弦图对应数据；最后，再利用单色重建算法对校正后投影正弦图进行重建。后处理方法存在计算耗时，图像信息损失等缺点，虽然国际上出现了许多后处理方法，但真正能为实际应用的还应考虑前处理方法。

前处理方法通常路线是：通过扫描一些特殊模体，建立针对某种检测对象的硬化曲线；根据一定准则计算校正函数；根据该函数对投影正弦图进行调整，完成硬化校正。杨民等，CT重构中射线硬化的校正研究，光学技术，2003，Vol.29(2)：177-182.中提出的拟合法是典型的前处理射束硬化方法，其校正思路是：在某一检测条件下，以多色射束对不同厚度的同种材质进行透照，建立多色射束透照数据与透照厚度的关系曲线，再对该曲线进行拟合，然后从坐标原点对该曲线做切线，以该切线作为单色射束透照数据与透照厚度厚度的关系，从而建立实际多色射束数据与单色射束数据的校正关系。在一定条件下，这种方法对单种物质构成的物体能产生较好的校正效果，但它存在如下缺陷：(1)校正程序烦琐，针对不同扫描对象，需要单独进行建模扫描和计算；(2)校正模型有效性依赖于扫描条件，条件改变，需要重新进行建模扫描和计算；(3)校正模型受噪声影响，校正后图像信噪比下降；(4)被校正图像必须由单种物质构成。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对目前射束硬化校正方法存在的上述缺点，提供一种基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法，该方法属于透射型X射线第三代CT的射束硬化校正方法，这种方法校正质量高，不需要事先进行建模扫描和计算，不受扫描对象和扫描条件限制，且校正程序简单、实时，不需要特定的校正硬件。

本发明的技术解决方案：基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法，其特点在于包括以下步骤：

(1)进行三代CT扫描，获得排列成矩阵的原始投影正弦图；

(2)进行原始投影正弦图的暗电流和不一致性校正；

(3)搜索投影正弦图每一行像素投影值的最小值；

(4)确定一组小于1的正实数校正系数；

(5)将投影正弦图每一行像素的投影值，减去步骤(3)获得的对应行最小值与步骤(4)获得的对应行校正系数的乘积，完成所有行投影射束硬化校正；

(6)将校正后投影正弦图送入CT重建动态库。

本发明的原理是基于下列三个物理事实和两个数学定理：

物理事实1：当发生射束硬化时，在第i个投影角度，探测器j采集的经过物体衰减后射线的强度I₂(i，j)大于理想强度I₁(i，j)。用于重建的(I₀(i)/I₂(i，j)将小于真实的(I₀(i)/I₁(i，j))。其中，I₀(i)表示第i个投影角度，无衰减射线强度。

物理事实2：当发生射束硬化时，射束穿过物体路径越长，硬化越严重，探测器接受的射线强度偏离理想强度越多。可用数学式子表示为：

         I₂₁(i，j)/I₂₂(i，j)＞I₁₁(i，j)/I₁₂(i，j)

I₁₁(i，j)为穿过物体路径较短时，探测器接受的理想射线强度；

      I₂₁(i，j)为穿过物体路径较长时，探测器接受的理想射线强度；

      I₁₂(i，j)为穿过物体路径较短时，探测器接受的实际射线强度；

      I₂₂(i，j)为穿过物体路径较长时，探测器接受的实际射线强度；

物理事实3：同一物体断面，在不同扫描角度下，其对射线的衰减总量相同。可用数学式子表示为：

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I(1,j)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I(2,j)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I(3,j)=\·\·\·=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I(M,j)$

I(i，j)为第i个扫描角度，探测器j接受的射线强度；N为探测器的个数；M为扫描角度分度数。

数学定理1：设A、B，C∈R⁺，且A＞B＞(C+1)＞1，则存在如下关系：((A-C)/(B-C))＞(A/B)。

证明：由假设有AC＞BC，所以，-AC＜-BC，所以，AB-AC＜AB-BC，

      所以A(B-C)＜B(A-C)，所以，有A/B＜(A-C)/(B-C)；

      结论得证。

数学定理2：设A、B，C，D∈R+，且A＞B＞(C+1)＞1，B＜D，则存在如下关系：((A-C)/(B-C))/(A/B)＞((A-C)/(D-C))/(A/D)。

证明：由假设有DC＞BC，所以，-DC＜-BC，所以，BD-BC＞BD-CD，

      所以AB(D-C)＞AD(B-C)，所以，有B/A(B-C)＞D/A(D-C)

      所以，((A-C)/(B-C))/(A/B)＞((A-C)/(D-C))/(A/D)；

      结论得证。

分析上述物理事实和数学定理可知：将上述定理中的A、B、D视为实际投影中的I₀(i)、I₂₂(i，j)、I₁₂(i，j)，C视为一个与原始投影相关的校正值，则数学定理1、2正好校正物理事实1、2导致的硬化现象。所以，将实际硬化投影减去一个与原始投影相关的值，就可以较好的逼近理想投影值。据此认识，提出本发明校正方法如下：

      I_C(i，j)＝I_O(i，j)-K(i)×min(I_O(i，j))

其中，I_O(i，j)表示硬化校正前，第i个扫描角度下，第j个探测器采集的射线强度信号；

      I_C(i，j)表示硬化校正后，第i个扫描角度下，第j个探测器采集的射线强度信号；

      K(i)表示第i个扫描角度下，硬化校正系数；min()表示对一维投影序列取最小值。

根据物理事实3确定_K(i)，方法如下：

$K\left(i\right)=C\×\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_0(i,j)/\max \left(S\right)--S\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_0(i,j)$

其中，I_O(i，j)表示硬化校正前，第i个扫描角度下，第j个探测器采集的射线强度信号；

      max()表示对一维数组取最大值；

      C：[0.5 0.8]间常数，根据经验选定。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明由于从每个扫描角度的原始投影提取硬化信息，确定各扫描角度各自的校正系数，故校正模型具有更高的有效性，校正质量高；

(2)校正过程只涉及原始投影的加、减等运算，故校正速度更高，校正程序实时；

(3)不需要事先进行建模扫描和计算，不受扫描对象和扫描条件限制，不需要特定的校正硬件，故校正更为简单；

(4)校正不需要事先建模，故受投影噪声影响小，校正信噪比更高。

附图说明

图1为本发明硬化校正方法流程图；

图2为扫描物体仅由一种物质(铝)构成时，使用未进行射束硬化校正的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；

图3为扫描物体仅由一种物质(铝)构成时，采用本发明校正后的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；

图4为采用背景技术中的对比文献的拟合射线硬化校正方法校正后的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；

图5为图3和图4重建图像对应行重建灰度值比较曲线；

图6为扫描物体由三种物质(铝，密度1.000g/cm³的纯水，密度1.005g/cm³的盐水)构成时，使用未进行射束硬化校正的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；

图7为扫描物体由三种物质(铝，密度1.000g/cm³的纯水，密度1.005g/cm³的盐水)构成时，使用本发明校正后的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；

图8为图3和图4重建图像对应行重建灰度值比较曲线。

具体实施方式

如图1，本发明的具体实施步骤如下：

(1)将被扫描物体放置于三代CT扫描***旋转检台，确保任一扫描角度下，物体被扇束覆盖；

(2)以经准直而成的扇束射线对物体实施透照，同时，检台匀速连续旋转，由多个排列成线阵的探测通道构成的探测器，以固定采样速度连续采集透射过物体的射线投影，获得多组一维信号；

(3)当检台旋转360度时，探测器停止采样，检台和射线源同时停止，即完成一次三代CT扫描；

(4)将步骤(2)获取的多组一维信号堆叠，排列成矩阵，形成原始CT投影正弦图。其中，矩阵的一列代表同一个探测通道在360度内采集的数据，矩阵的一行代表某一扫描角度下，所有探测通道采集的数据；

(5)无射线时，按步骤(2)、(3)和(4)方法，形成暗场投影图，将暗场投影图按列取平均值，得到一维暗场投影数组D；

(6)将物体从扫描台移走，确保射线源和线阵探测器间无任何物体；

(7)按步骤(2)、(3)和(4)方法，形成亮场投影图，将亮场投影图按列取平均值，得到一维亮场投影数组L；

(8)将L减去D，完成亮场暗电流校正，得到L1；

(9)求L1的平均值，以平均值除以L1的每个值，得到一维数组U；

(10)将步骤(4)获取的投影图每行数据减去D，完成暗电流校正；

(11)将步骤(10)获取的投影图每行数据乘以U，完成不一致性校正。

(12)搜索步骤(11)获取的投影正弦图每一行像素投影值的最小值，将它们存在一维数组A；

(13)计算步骤(11)获取的投影正弦图每一行所有像素投影值的和，将它们存在一维数组B；

(14)数组B每个值除以数组B最大值，将结果存在数组B；

(15)数组B与数组A对应数据相乘，结果存在数组A；

(16)将投影正弦图的第i行(i为从1到N的正整数，N为投影正弦图总行数)所有像素投影值减去数组A第i个(i为从1到N的正整数，N为数组A数据总数)数据；

(17)重复上述步骤(16)，直到投影正弦图的最后一行所有像素投影值减去数组A最后一个数据，形成校正后投影正弦图；

(18)将上述投影正弦图送入CT重建动态库。

图2-图5给出了被检测物体仅由一种物质(铝)构成的具体校正实例。图2为使用未进行射束硬化校正的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；图3为使用本发明射束硬化校正的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；图4为采用背景技术中的对比文献的拟合射线硬化校正方法校正后的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；图5为图3与图4对应行重建灰度曲线比较。图5中点划线为图2第256行像素的灰度值；粗实线为图3第256行像素的灰度值；细实线为图4第256行像素的灰度值。比较三条曲线可知，本发明校正效果最好。计算得到，图2、图3和图4的信噪比分别为：24.9、38.6和12.4，表明本发明校正后信噪比最高。

图6-图8给出了被检测物体由三种物质(铝，密度1.000g/cm3的纯水，密度1.005g/cm3的盐水)构成的具体校正实例。图6为使用未进行射束硬化校正的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；图7为使用本发明射束硬化校正的投影正弦图和滤波反投影重建算法，重建得到的CT图像；图8为图6与图7对应行重建灰度曲线比较。图8中点划线为图6第256行像素的灰度值；粗实线为图7第256行像素的灰度值。比较二条曲线可知，本发明对由多种物质构成的物体的射束硬化校正效果明显。

Claims (4)

1、基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)进行三代CT扫描，获得排列成矩阵的原始投影正弦图；

(2)进行原始投影正弦图的暗电流和不一致性校正；

(3)搜索投影正弦图每一行像素投影值的最小值；

(4)确定一组小于1的正实数校正系数；

(5)将投影正弦图每一行像素的投影值，减去步骤(3)获得的对应行最小值与步骤(4)获得的对应行校正系数的乘积，完成所有行投影射束硬化校正；

(6)将校正后投影正弦图送入CT重建动态库。

2、根据权利要求1所述的基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中进行三代CT扫描，获得排列成矩阵的原始投影正弦图的步骤为：

(1)将被扫描物体放置于三代CT扫描***旋转检台，确保任一扫描角度下，物体被扇束覆盖；

(2)以经准直而成的扇束射线对物体实施透照，同时，检台匀速连续旋转，由多个排列成线阵的探测通道构成的探测器，以固定采样速度连续采集透射过物体的射线投影，获得多组一维信号；

(3)当检台旋转360度时，探测器停止采样，检台和射线源同时停止，即完成一次三代CT扫描；

(4)将步骤(2)获取的多组一维信号堆叠，排列成矩阵，形成原始CT投影正弦图，其中，矩阵的一列代表同一个探测通道在360度内采集的数据，矩阵的一行代表某一扫描角度下，所有探测通道采集的数据。

3、根据权利要求1所述的基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法，其特征在于：所述的步骤(2)中进行原始投影正弦图的暗电流和不一致性校正的步骤为：

(1)无射线时，按权利要求2步骤(2)、(3)和(4)方法，形成暗场投影图，将暗场投影图按列取平均值，得到一维暗场投影数组D；

(2)将物体从扫描台移走，确保射线源和线阵探测器间无任何物体；

(3)按权利要求2中的步骤(2)、(3)和(4)方法，形成亮场投影图，将亮场投影图按列取平均值，得到一维亮场投影数组L；

(4)将L减去D，完成亮场暗电流校正，得到L1；

(5)求L1的平均值，以平均值除以L1的每个值，得到一维数组U；

(6)将权利要求2获取的投影图每行数据减去D，完成暗电流校正；

(7)将步骤(6)获取的投影图每行数据乘以U，完成不一致性校正。

4、根据权利要求1所述的基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法，其特征在于，所述的步骤(3)、(4)和(5)中射束硬化校正的步骤为：

(1)搜索权利要求3获取的投影正弦图每一行像素投影值的最小值，将它们存在一维数组A；

(2)计算权利要求3获取的投影正弦图每一行所有像素投影值的和，将它们存在一维数组B；

(3)数组B每个值除以数组B最大值，将结果存在数组B；

(4)数组B与数组A对应数据相乘，结果存在数组A；

(5)将投影正弦图的第i行(i为从1到N的正整数，N为投影正弦图总行数)所有像素投影值减去数组A第i个(i为从1到N的正整数，N为数组A数据总数)数据；

(6)重复上述步骤(5)，直到投影正弦图的最后一行所有像素投影值减去数组A最后一个数据，形成校正后投影正弦图；

(7)将上述投影正弦图送入CT重建动态库。

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