專利名稱：基于原始投影正弦圖的ct射束硬化校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CT射束硬化校正方法，特別是基于原始投影正弦圖的CT射束硬化校正方法，屬于CT技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在X射線CT系統(tǒng)中，X射線源發(fā)出X射線，從不同角度穿過(guò)被檢測(cè)物體的某一橫截面，放置于射線源對(duì)面的探測(cè)器在相應(yīng)角度接受，然后根據(jù)各角度射線不同程度的衰減，利用一定的重建算法和計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，重建出物體被檢測(cè)截面的射線線衰減系數(shù)分布映射圖像，從而實(shí)現(xiàn)由投影重建圖像，無(wú)損地再現(xiàn)物體在該截面內(nèi)的介質(zhì)密度、成分和結(jié)構(gòu)形態(tài)等特征。
CT重建算法假設(shè)X射線源發(fā)出的是單能譜X射線束。實(shí)際CT系統(tǒng)具有多色能譜X射線束，這個(gè)假設(shè)得不到滿足。當(dāng)多色X射線束與物質(zhì)相互作用時(shí)，較低能量的X射線光子優(yōu)先被物質(zhì)吸收，較高能量的光子衰減較小，隨著透照厚度的增加，射束有效能量向高能量方向移動(dòng)，射束變得更難衰減，更“硬”，這就是射束硬化。射束硬化給CT重建帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題。利用基于單色射線假設(shè)的重建算法，重建得到的物體線衰減系數(shù)比實(shí)際值小，重建圖像會(huì)產(chǎn)生黑心偽影(也稱為杯狀偽影)。這些偽跡在醫(yī)學(xué)上，經(jīng)常導(dǎo)致腫瘤等病變組織漏診；在工業(yè)上，則將細(xì)微裂紋、疏松等缺陷掩蓋起來(lái)。
抑制硬化偽影的方法，稱為射束硬化校正方法。射束硬化校正自1975年以來(lái)一直是國(guó)際CT成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，校正方法主要分為單能和雙能兩大類。雙能法以康普頓散射、光電效應(yīng)和斷面物質(zhì)分布函數(shù)來(lái)表示線衰減系數(shù)，以兩次不同能量下的多色投影來(lái)估計(jì)單色投影，進(jìn)而達(dá)到校正的目的。由于在操作上的復(fù)雜性，這種方法在工程實(shí)踐中很少被采用。單能法只需一次物體掃描，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用效果也比較好，因此得到了廣泛的研究。
單能法根據(jù)處理順序的不同，分為前處理和后處理兩類。前處理方法直接對(duì)原始投影正弦圖做校正，然后再利用單色重建算法進(jìn)行重建；后處理方法則首先利用單色重建算法對(duì)原始投影正弦圖進(jìn)行重建，然后再對(duì)重建得到的圖像進(jìn)行硬化校正。
后處理校正方法的基本路線是根據(jù)一定的準(zhǔn)則，對(duì)重建得到的圖像進(jìn)行閾值分割，確定會(huì)發(fā)生硬化的掃描角度和區(qū)域；然后，在上述掃描角度和區(qū)域，利用重投影技術(shù)，生成無(wú)硬化投影，取代原始投影正弦圖對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)；最后，再利用單色重建算法對(duì)校正后投影正弦圖進(jìn)行重建。后處理方法存在計(jì)算耗時(shí)，圖像信息損失等缺點(diǎn)，雖然國(guó)際上出現(xiàn)了許多后處理方法，但真正能為實(shí)際應(yīng)用的還應(yīng)考慮前處理方法。
前處理方法通常路線是通過(guò)掃描一些特殊模體，建立針對(duì)某種檢測(cè)對(duì)象的硬化曲線；根據(jù)一定準(zhǔn)則計(jì)算校正函數(shù)；根據(jù)該函數(shù)對(duì)投影正弦圖進(jìn)行調(diào)整，完成硬化校正。楊民等，CT重構(gòu)中射線硬化的校正研究，光學(xué)技術(shù)，2003，Vol.29(2)177-182.中提出的擬合法是典型的前處理射束硬化方法，其校正思路是在某一檢測(cè)條件下，以多色射束對(duì)不同厚度的同種材質(zhì)進(jìn)行透照，建立多色射束透照數(shù)據(jù)與透照厚度的關(guān)系曲線，再對(duì)該曲線進(jìn)行擬合，然后從坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)該曲線做切線，以該切線作為單色射束透照數(shù)據(jù)與透照厚度厚度的關(guān)系，從而建立實(shí)際多色射束數(shù)據(jù)與單色射束數(shù)據(jù)的校正關(guān)系。在一定條件下，這種方法對(duì)單種物質(zhì)構(gòu)成的物體能產(chǎn)生較好的校正效果，但它存在如下缺陷(1)校正程序煩瑣，針對(duì)不同掃描對(duì)象，需要單獨(dú)進(jìn)行建模掃描和計(jì)算；(2)校正模型有效性依賴于掃描條件，條件改變，需要重新進(jìn)行建模掃描和計(jì)算；(3)校正模型受噪聲影響，校正后圖像信噪比下降；(4)被校正圖像必須由單種物質(zhì)構(gòu)成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是針對(duì)目前射束硬化校正方法存在的上述缺點(diǎn)，提供一種基于原始投影正弦圖的CT射束硬化校正方法，該方法屬于透射型X射線第三代CT的射束硬化校正方法，這種方法校正質(zhì)量高，不需要事先進(jìn)行建模掃描和計(jì)算，不受掃描對(duì)象和掃描條件限制，且校正程序簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)，不需要特定的校正硬件。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案基于原始投影正弦圖的CT射束硬化校正方法，其特點(diǎn)在于包括以下步驟(1)進(jìn)行三代CT掃描，獲得排列成矩陣的原始投影正弦圖；(2)進(jìn)行原始投影正弦圖的暗電流和不一致性校正；(3)搜索投影正弦圖每一行像素投影值的最小值；(4)確定一組小于1的正實(shí)數(shù)校正系數(shù)；(5)將投影正弦圖每一行像素的投影值，減去步驟(3)獲得的對(duì)應(yīng)行最小值與步驟(4)獲得的對(duì)應(yīng)行校正系數(shù)的乘積，完成所有行投影射束硬化校正；(6)將校正后投影正弦圖送入CT重建動(dòng)態(tài)庫(kù)。
本發(fā)明的原理是基于下列三個(gè)物理事實(shí)和兩個(gè)數(shù)學(xué)定理物理事實(shí)1當(dāng)發(fā)生射束硬化時(shí)，在第i個(gè)投影角度，探測(cè)器j采集的經(jīng)過(guò)物體衰減后射線的強(qiáng)度I2(i，j)大于理想強(qiáng)度I1(i，j)。用于重建的(I0(i)/I2(i，j)將小于真實(shí)的(I0(i)/I1(i，j))。其中，I0(i)表示第i個(gè)投影角度，無(wú)衰減射線強(qiáng)度。
物理事實(shí)2當(dāng)發(fā)生射束硬化時(shí)，射束穿過(guò)物體路徑越長(zhǎng)，硬化越嚴(yán)重，探測(cè)器接受的射線強(qiáng)度偏離理想強(qiáng)度越多?？捎脭?shù)學(xué)式子表示為I21(i，j)/I22(i，j)＞I11(i，j)/I12(i，j) I11(i，j)為穿過(guò)物體路徑較短時(shí)，探測(cè)器接受的理想射線強(qiáng)度；I21(i，j)為穿過(guò)物體路徑較長(zhǎng)時(shí)，探測(cè)器接受的理想射線強(qiáng)度；I12(i，j)為穿過(guò)物體路徑較短時(shí)，探測(cè)器接受的實(shí)際射線強(qiáng)度；I22(i，j)為穿過(guò)物體路徑較長(zhǎng)時(shí)，探測(cè)器接受的實(shí)際射線強(qiáng)度；物理事實(shí)3同一物體斷面，在不同掃描角度下，其對(duì)射線的衰減總量相同。可用數(shù)學(xué)式子表示為
Σj=1NI(1,j)=Σj=1NI(2,j)=Σj=1NI(3,j)=···=Σj=1NI(M,j)]]> I(i，j)為第i個(gè)掃描角度，探測(cè)器j接受的射線強(qiáng)度；N為探測(cè)器的個(gè)數(shù)；M為掃描角度分度數(shù)。
數(shù)學(xué)定理1設(shè)A、B，C∈R+，且A＞B＞(C+1)＞1，則存在如下關(guān)系((A-C)/(B-C))＞(A/B)。
證明由假設(shè)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)；結(jié)論得證。
數(shù)學(xué)定理2設(shè)A、B，C，D∈R+，且A＞B＞(C+1)＞1，B＜D，則存在如下關(guān)系((A-C)/(B-C))/(A/B)＞((A-C)/(D-C))/(A/D)。
證明由假設(shè)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)；結(jié)論得證。
分析上述物理事實(shí)和數(shù)學(xué)定理可知將上述定理中的A、B、D視為實(shí)際投影中的I0(i)、I22(i，j)、I12(i，j)，C視為一個(gè)與原始投影相關(guān)的校正值，則數(shù)學(xué)定理1、2正好校正物理事實(shí)1、2導(dǎo)致的硬化現(xiàn)象。所以，將實(shí)際硬化投影減去一個(gè)與原始投影相關(guān)的值，就可以較好的逼近理想投影值。據(jù)此認(rèn)識(shí)，提出本發(fā)明校正方法如下IC(i，j)＝IO(i，j)-K(i)×min(IO(i，j))其中，IO(i，j)表示硬化校正前，第i個(gè)掃描角度下，第j個(gè)探測(cè)器采集的射線強(qiáng)度信號(hào)；IC(i，j)表示硬化校正后，第i個(gè)掃描角度下，第j個(gè)探測(cè)器采集的射線強(qiáng)度信號(hào)；K(i)表示第i個(gè)掃描角度下，硬化校正系數(shù)；min()表示對(duì)一維投影序列取最小值。
根據(jù)物理事實(shí)3確定K(i)，方法如下K(i)=C×Σj=1NI0(i,j)/max(S)--S(i)=Σj=1NI0(i,j)]]>其中，IO(i，j)表示硬化校正前，第i個(gè)掃描角度下，第j個(gè)探測(cè)器采集的射線強(qiáng)度信號(hào)；max()表示對(duì)一維數(shù)組取最大值；C
間常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)如下(1)本發(fā)明由于從每個(gè)掃描角度的原始投影提取硬化信息，確定各掃描角度各自的校正系數(shù)，故校正模型具有更高的有效性，校正質(zhì)量高；(2)校正過(guò)程只涉及原始投影的加、減等運(yùn)算，故校正速度更高，校正程序?qū)崟r(shí)；(3)不需要事先進(jìn)行建模掃描和計(jì)算，不受掃描對(duì)象和掃描條件限制，不需要特定的校正硬件，故校正更為簡(jiǎn)單；(4)校正不需要事先建模，故受投影噪聲影響小，校正信噪比更高。


圖1為本發(fā)明硬化校正方法流程圖；圖2為掃描物體僅由一種物質(zhì)(鋁)構(gòu)成時(shí)，使用未進(jìn)行射束硬化校正的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖3為掃描物體僅由一種物質(zhì)(鋁)構(gòu)成時(shí)，采用本發(fā)明校正后的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖4為采用背景技術(shù)中的對(duì)比文獻(xiàn)的擬合射線硬化校正方法校正后的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖5為圖3和圖4重建圖像對(duì)應(yīng)行重建灰度值比較曲線；圖6為掃描物體由三種物質(zhì)(鋁，密度1.000g/cm3的純水，密度1.005g/cm3的鹽水)構(gòu)成時(shí)，使用未進(jìn)行射束硬化校正的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖7為掃描物體由三種物質(zhì)(鋁，密度1.000g/cm3的純水，密度1.005g/cm3的鹽水)構(gòu)成時(shí)，使用本發(fā)明校正后的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖8為圖3和圖4重建圖像對(duì)應(yīng)行重建灰度值比較曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖1，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下
(1)將被掃描物體放置于三代CT掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)檢臺(tái)，確保任一掃描角度下，物體被扇束覆蓋；(2)以經(jīng)準(zhǔn)直而成的扇束射線對(duì)物體實(shí)施透照，同時(shí)，檢臺(tái)勻速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由多個(gè)排列成線陣的探測(cè)通道構(gòu)成的探測(cè)器，以固定采樣速度連續(xù)采集透射過(guò)物體的射線投影，獲得多組一維信號(hào)；(3)當(dāng)檢臺(tái)旋轉(zhuǎn)360度時(shí)，探測(cè)器停止采樣，檢臺(tái)和射線源同時(shí)停止，即完成一次三代CT掃描；(4)將步驟(2)獲取的多組一維信號(hào)堆疊，排列成矩陣，形成原始CT投影正弦圖。其中，矩陣的一列代表同一個(gè)探測(cè)通道在360度內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，矩陣的一行代表某一掃描角度下，所有探測(cè)通道采集的數(shù)據(jù)；(5)無(wú)射線時(shí)，按步驟(2)、(3)和(4)方法，形成暗場(chǎng)投影圖，將暗場(chǎng)投影圖按列取平均值，得到一維暗場(chǎng)投影數(shù)組D；(6)將物體從掃描臺(tái)移走，確保射線源和線陣探測(cè)器間無(wú)任何物體；(7)按步驟(2)、(3)和(4)方法，形成亮場(chǎng)投影圖，將亮場(chǎng)投影圖按列取平均值，得到一維亮場(chǎng)投影數(shù)組L；(8)將L減去D，完成亮場(chǎng)暗電流校正，得到L1；(9)求L1的平均值，以平均值除以L1的每個(gè)值，得到一維數(shù)組U；(10)將步驟(4)獲取的投影圖每行數(shù)據(jù)減去D，完成暗電流校正；(11)將步驟(10)獲取的投影圖每行數(shù)據(jù)乘以U，完成不一致性校正。
(12)搜索步驟(11)獲取的投影正弦圖每一行像素投影值的最小值，將它們存在一維數(shù)組A；(13)計(jì)算步驟(11)獲取的投影正弦圖每一行所有像素投影值的和，將它們存在一維數(shù)組B；(14)數(shù)組B每個(gè)值除以數(shù)組B最大值，將結(jié)果存在數(shù)組B；(15)數(shù)組B與數(shù)組A對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)相乘，結(jié)果存在數(shù)組A；(16)將投影正弦圖的第i行(i為從1到N的正整數(shù)，N為投影正弦圖總行數(shù))所有像素投影值減去數(shù)組A第i個(gè)(i為從1到N的正整數(shù)，N為數(shù)組A數(shù)據(jù)總數(shù))數(shù)據(jù)；(17)重復(fù)上述步驟(16)，直到投影正弦圖的最后一行所有像素投影值減去數(shù)組A最后一個(gè)數(shù)據(jù)，形成校正后投影正弦圖；(18)將上述投影正弦圖送入CT重建動(dòng)態(tài)庫(kù)。
圖2-圖5給出了被檢測(cè)物體僅由一種物質(zhì)(鋁)構(gòu)成的具體校正實(shí)例。圖2為使用未進(jìn)行射束硬化校正的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖3為使用本發(fā)明射束硬化校正的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖4為采用背景技術(shù)中的對(duì)比文獻(xiàn)的擬合射線硬化校正方法校正后的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖5為圖3與圖4對(duì)應(yīng)行重建灰度曲線比較。圖5中點(diǎn)劃線為圖2第256行像素的灰度值；粗實(shí)線為圖3第256行像素的灰度值；細(xì)實(shí)線為圖4第256行像素的灰度值。比較三條曲線可知，本發(fā)明校正效果最好。計(jì)算得到，圖2、圖3和圖4的信噪比分別為24.9、38.6和12.4，表明本發(fā)明校正后信噪比最高。
圖6-圖8給出了被檢測(cè)物體由三種物質(zhì)(鋁，密度1.000g/cm3的純水，密度1.005g/cm3的鹽水)構(gòu)成的具體校正實(shí)例。圖6為使用未進(jìn)行射束硬化校正的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖7為使用本發(fā)明射束硬化校正的投影正弦圖和濾波反投影重建算法，重建得到的CT圖像；圖8為圖6與圖7對(duì)應(yīng)行重建灰度曲線比較。圖8中點(diǎn)劃線為圖6第256行像素的灰度值；粗實(shí)線為圖7第256行像素的灰度值。比較二條曲線可知，本發(fā)明對(duì)由多種物質(zhì)構(gòu)成的物體的射束硬化校正效果明顯。
權(quán)利要求
1.基于原始投影正弦圖的CT射束硬化校正方法，其特征在于包括下列步驟(1)進(jìn)行三代CT掃描，獲得排列成矩陣的原始投影正弦圖；(2)進(jìn)行原始投影正弦圖的暗電流和不一致性校正；(3)搜索投影正弦圖每一行像素投影值的最小值；(4)確定一組小于1的正實(shí)數(shù)校正系數(shù)；(5)將投影正弦圖每一行像素的投影值，減去步驟(3)獲得的對(duì)應(yīng)行最小值與步驟(4)獲得的對(duì)應(yīng)行校正系數(shù)的乘積，完成所有行投影射束硬化校正；(6)將校正后投影正弦圖送入CT重建動(dòng)態(tài)庫(kù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于原始投影正弦圖的CT射束硬化校正方法，其特征在于所述步驟(1)中進(jìn)行三代CT掃描，獲得排列成矩陣的原始投影正弦圖的步驟為(1)將被掃描物體放置于三代CT掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)檢臺(tái)，確保任一掃描角度下，物體被扇束覆蓋；(2)以經(jīng)準(zhǔn)直而成的扇束射線對(duì)物體實(shí)施透照，同時(shí)，檢臺(tái)勻速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由多個(gè)排列成線陣的探測(cè)通道構(gòu)成的探測(cè)器，以固定采樣速度連續(xù)采集透射過(guò)物體的射線投影，獲得多組一維信號(hào)；(3)當(dāng)檢臺(tái)旋轉(zhuǎn)360度時(shí)，探測(cè)器停止采樣，檢臺(tái)和射線源同時(shí)停止，即完成一次三代CT掃描；(4)將步驟(2)獲取的多組一維信號(hào)堆疊，排列成矩陣，形成原始CT投影正弦圖，其中，矩陣的一列代表同一個(gè)探測(cè)通道在360度內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，矩陣的一行代表某一掃描角度下，所有探測(cè)通道采集的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于原始投影正弦圖的CT射束硬化校正方法，其特征在于所述的步驟(2)中進(jìn)行原始投影正弦圖的暗電流和不一致性校正的步驟為(1)無(wú)射線時(shí)，按權(quán)利要求2步驟(2)、(3)和(4)方法，形成暗場(chǎng)投影圖，將暗場(chǎng)投影圖按列取平均值，得到一維暗場(chǎng)投影數(shù)組D；(2)將物體從掃描臺(tái)移走，確保射線源和線陣探測(cè)器間無(wú)任何物體；(3)按權(quán)利要求2中的步驟(2)、(3)和(4)方法，形成亮場(chǎng)投影圖，將亮場(chǎng)投影圖按列取平均值，得到一維亮場(chǎng)投影數(shù)組L；(4)將L減去D，完成亮場(chǎng)暗電流校正，得到L1；(5)求L1的平均值，以平均值除以L1的每個(gè)值，得到一維數(shù)組U；(6)將權(quán)利要求2獲取的投影圖每行數(shù)據(jù)減去D，完成暗電流校正；(7)將步驟(6)獲取的投影圖每行數(shù)據(jù)乘以U，完成不一致性校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于原始投影正弦圖的CT射束硬化校正方法，其特征在于，所述的步驟(3)、(4)和(5)中射束硬化校正的步驟為(1)搜索權(quán)利要求3獲取的投影正弦圖每一行像素投影值的最小值，將它們存在一維數(shù)組A；(2)計(jì)算權(quán)利要求3獲取的投影正弦圖每一行所有像素投影值的和，將它們存在一維數(shù)組B；(3)數(shù)組B每個(gè)值除以數(shù)組B最大值，將結(jié)果存在數(shù)組B；(4)數(shù)組B與數(shù)組A對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)相乘，結(jié)果存在數(shù)組A；(5)將投影正弦圖的第i行(i為從1到N的正整數(shù)，N為投影正弦圖總行數(shù))所有像素投影值減去數(shù)組A第i個(gè)(i為從1到N的正整數(shù)，N為數(shù)組A數(shù)據(jù)總數(shù))數(shù)據(jù)；(6)重復(fù)上述步驟(5)，直到投影正弦圖的最后一行所有像素投影值減去數(shù)組A最后一個(gè)數(shù)據(jù)，形成校正后投影正弦圖；(7)將上述投影正弦圖送入CT重建動(dòng)態(tài)庫(kù)。
全文摘要
基于原始投影正弦圖的CT射束硬化校正方法，步驟為(1)進(jìn)行三代CT掃描，獲得排列成矩陣的原始投影正弦圖；(2)進(jìn)行原始投影正弦圖的暗電流和不一致性校正；(3)搜索投影正弦圖每一行像素投影值的最小值；(4)確定一組小于1的正實(shí)數(shù)校正系數(shù)；(5)將投影正弦圖每一行像素的投影值，減去步驟(3)獲得的對(duì)應(yīng)行最小值與步驟(4)獲得的對(duì)應(yīng)行校正系數(shù)的乘積，完成所有行投影射束硬化校正；(6)將校正后投影正弦圖送入CT重建動(dòng)態(tài)庫(kù)。本發(fā)明不需要事先進(jìn)行建模掃描和計(jì)算，不受掃描對(duì)象和掃描條件限制，校正程序簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)，不需要特定校正硬件。
文檔編號(hào)A61B6/03GK1775176SQ200410009800
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2004年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月16日
發(fā)明者傅健, 路宏年, 張全紅, 黃瓊 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)