一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度ct成像質(zhì)量的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT(Computed?Tomography，計(jì)算機(jī)斷層掃描)成像質(zhì)量的方法，包括以下步驟：在目標(biāo)組織上、下分別放置X射線發(fā)射器和接收器；在有限角度內(nèi)使發(fā)射器繞組織移動(dòng)并發(fā)射X射線，同時(shí)采集投影數(shù)據(jù)；利用同步代數(shù)重建技術(shù)進(jìn)行初次重建；獲取組織的三維超聲圖像；結(jié)合初次CT重建結(jié)果，對(duì)超聲圖像配準(zhǔn)；提取超聲圖像的有效梯度信息；使用改進(jìn)的同步代數(shù)重建技術(shù)進(jìn)行再次重建，得到質(zhì)量提高的有限角度CT成像結(jié)果。本發(fā)明利用超聲成像在z方向邊緣清晰的特性，解決了有限角度CT重建結(jié)果在z方向偽影嚴(yán)重、邊界模糊的問(wèn)題，具有創(chuàng)新性。
【專利說(shuō)明】 一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)及圖像處理領(lǐng)域，特別是一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT (Computed Tomography,計(jì)算機(jī)斷層掃描)成像質(zhì)量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的CT成像技術(shù)根據(jù)目標(biāo)組織的不同部分對(duì)X射線的衰減系數(shù)不同這一特性來(lái)重建物體內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)。該方法主要是利用錐束型X射線發(fā)射器環(huán)繞目標(biāo)組織360°，每隔一定角度發(fā)射一次X射線，并在每次發(fā)射時(shí)用X射線接收器在目標(biāo)組織的另一邊接收，從而得到若干組投影數(shù)據(jù)。從這些投影數(shù)據(jù)重建得到目標(biāo)組織的三維圖像的方法有很多，其中比較成熟的一種是同步代數(shù)重建技術(shù)(Simultaneous Algebraic ReconstructionTechnique,以下簡(jiǎn)寫(xiě)為SART)。該技術(shù)可以有效重建出目標(biāo)組織的內(nèi)部構(gòu)成，且具有分辨率高、邊緣清晰、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。然而在實(shí)際使用時(shí)，由于重建時(shí)間、X射線劑量等因素的制約，從360°對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行全面掃描這一條件往往很難得到滿足，取而代之的是在某一有限角度范圍內(nèi)每隔一定角度進(jìn)行一次X射線的發(fā)射與接收，也就是有限角度CT成像技術(shù)。該技術(shù)使探測(cè)器平面和目標(biāo)組織保持靜止，在目標(biāo)組織的正上方的一個(gè)有限角度內(nèi)使X射線發(fā)射器圍繞目標(biāo)組織弧形移動(dòng)，從而采集到若干投影數(shù)據(jù)。然而與全角度CT成像相比，由于數(shù)據(jù)量的大量縮減，有限角度CT成像結(jié)果在垂直于接收器的方向上(以下稱z方向)偽影嚴(yán)重，分辨率低，與實(shí)際被重建組織的差別很大，大大影響了此技術(shù)在各領(lǐng)域的有效運(yùn)用，亟需優(yōu)化改善。
[0003]三維超聲圖像重建作為對(duì)X射線圖像重建的一種補(bǔ)充和輔助，其結(jié)果在z方向的分辨率高，邊緣清晰，并且偽影比CT成像結(jié)果弱，恰恰可以彌補(bǔ)有限角度CT成像在z方向的不足，有效提高有限角度CT成像結(jié)果在z方向的質(zhì)量。通過(guò)這種方法代入超聲圖像的邊緣信息后，可以在保留X射線所成圖像優(yōu)點(diǎn)的前提下，大大提高其圖像質(zhì)量，對(duì)于有限角度CT成像技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)有限角度CT成像結(jié)果在z方向上邊緣不清晰，偽影嚴(yán)重的問(wèn)題，提供一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的萬(wàn)法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一，在目標(biāo)組織上、下分別放置X射線發(fā)射器和接收器；
[0007]步驟二，在有限角度內(nèi)使發(fā)射器繞組織移動(dòng)并發(fā)射X射線，同時(shí)采集投影數(shù)據(jù)；
[0008]步驟三，利用SART算法進(jìn)行初次重建；
[0009]步驟四，獲取組織的三維超聲圖像；
[0010]步驟五，結(jié)合初次CT重建結(jié)果，對(duì)超聲圖像配準(zhǔn)；
[0011]步驟六，提取超聲圖像的有效梯度信息；[0012]步驟七，使用改進(jìn)的SART算法進(jìn)行再次重建，得到質(zhì)量提高的有限角度CT成像結(jié)果O
[0013]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟一中的X射線發(fā)射器發(fā)射錐束型X射線，目標(biāo)組織貼近X射線接收器的面的尺寸應(yīng)小于接收器尺寸，使得通過(guò)物塊的X射線基本都被接收器所接收到。X射線發(fā)射器位于接收器的正上方，且與接收器達(dá)到一定的垂直距離，使得X射線能夠完全覆蓋目標(biāo)組織。
[0014]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟二中以X射線發(fā)射器在接收器平面上的投影點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，以發(fā)射器的初始位置為運(yùn)動(dòng)中心，過(guò)此旋轉(zhuǎn)中心且平行于接收器某一條邊的直線為軸，X射線發(fā)射器在垂直于接收器的平面內(nèi)繞此軸作范圍有限的弧形移動(dòng)。該范圍由弧形所對(duì)的圓心角表示，即旋轉(zhuǎn)中心與發(fā)射器移動(dòng)范圍的左、右邊界點(diǎn)所確定的圓心角，其中左、右邊界點(diǎn)關(guān)于運(yùn)動(dòng)中心對(duì)稱。采集過(guò)程中，X射線發(fā)射器從運(yùn)動(dòng)中心開(kāi)始，先向某一邊界點(diǎn)移動(dòng)，每移動(dòng)一定的角度向接收器發(fā)射X射線，接收器接收后視為采集到一組投影數(shù)據(jù)，到達(dá)該方向的邊界點(diǎn)后將發(fā)射器移回運(yùn)動(dòng)中心，再向另一邊界點(diǎn)移動(dòng)，經(jīng)過(guò)同樣的發(fā)射、接收過(guò)程，發(fā)射器到達(dá)另一邊界點(diǎn)后，采集過(guò)程結(jié)束，采集到若干組投影數(shù)據(jù)。
[0015]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟三中使用SART重建算法，對(duì)重建區(qū)域進(jìn)行反復(fù)的投影-反投影迭代，不斷利用估計(jì)的投影值與步驟二中所測(cè)得的實(shí)際投影值修正重建區(qū)域體素的值，最終使得結(jié)果滿足最優(yōu)化條件，獲得初次有限角度CT成像結(jié)果。
[0016]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟四中超聲傳感器分別在目標(biāo)組織上表面與下表面移動(dòng)并向目標(biāo)組織內(nèi)部發(fā)射、接收超聲波，從而獲得上表面及下表面兩組超聲成像數(shù)據(jù)。超聲傳感器的移動(dòng)范圍要覆蓋整個(gè)目標(biāo)組織區(qū)域，以便于有限角度CT成像結(jié)果與超聲成像結(jié)果的配準(zhǔn)。
[0017]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟五中，由于三維超聲成像的特點(diǎn)是沿著超聲波發(fā)射、接收方向(即z方向)進(jìn)行成像，也就是所成的圖像在一系列平行于xOz或yOz的平面內(nèi)(不失一般性，此處以三維超聲圖像重建在平行于xOz的平面內(nèi)為例)，且沿著y方向的空間分辨率很低，因此在進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí)，首先根據(jù)有限角度CT初次重建的結(jié)果，采用線性插值或剔除無(wú)效區(qū)域的方法，調(diào)整三維超聲重建結(jié)果中平行于xOz的平面內(nèi)球的大小和位置，使得在這些平面內(nèi)超聲重建結(jié)果中的腫塊與相應(yīng)平面內(nèi)CT重建結(jié)果中的腫塊大小、位置一致。然后通過(guò)線性插值的方法擴(kuò)充I方向上超聲重建結(jié)果，增加三維超聲結(jié)果在y方向的數(shù)據(jù)量，從而使得平行于yOz的平面內(nèi)的三維超聲結(jié)果與CT成像結(jié)果的腫塊位置、大小也達(dá)到一致，最后再適當(dāng)調(diào)整CT成像的成像區(qū)域，使得兩種重建結(jié)果達(dá)到配準(zhǔn)。[0018]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟六選取超聲成像結(jié)果在平行于xOz的平面內(nèi)的梯度信息，該梯度有X和Z兩個(gè)方向，對(duì)每個(gè)體素，其沿X方向的梯度值表示為該體素的值減去其右方相鄰體素的差值，沿Z方向的梯度值表示為該體素的值減去其上方相鄰體素的差值。對(duì)于某些超聲成像質(zhì)量不高的圖像，按照以上方法對(duì)每張平行于XOz平面的圖像求梯度后的梯度圖形噪聲大，腫塊邊緣模糊，邊界線粗，可以在不影響整體圖像信息的前提下對(duì)超聲成像結(jié)果使用中值濾波、全變分優(yōu)化等方法，也可以對(duì)計(jì)算得到的梯度圖像進(jìn)行中值濾波或者簡(jiǎn)單的形態(tài)學(xué)處理，從而得到噪聲小、邊緣清晰的梯度圖像。
[0019]本發(fā)明中，所述步驟七從損失函數(shù)的角度對(duì)傳統(tǒng)的SART重建算法進(jìn)行的擴(kuò)展與優(yōu)化，傳統(tǒng)的SART算法使用的損失函數(shù)為最小二乘函數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT (Computed Tomography,計(jì)算機(jī)斷層掃描)成像質(zhì)量的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，在目標(biāo)組織上、下分別放置X射線發(fā)射器和接收器； 步驟二，在有限角度內(nèi)使發(fā)射器繞組織移動(dòng)并發(fā)射X射線，同時(shí)采集投影數(shù)據(jù)； 步驟三，利用 SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique,同步代數(shù)重建技術(shù))算法進(jìn)行初次重建； 步驟四，獲取組織的三維超聲圖像； 步驟五，結(jié)合初次CT重建結(jié)果，對(duì)超聲圖像配準(zhǔn)； 步驟六，提取超聲圖像的有效梯度信息； 步驟七，使用改進(jìn)的SART算法進(jìn)行再次重建，得到質(zhì)量提高的有限角度CT成像結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法，其特征在于，所述步驟一中X射線發(fā)射器距離X射線接收器要達(dá)到一定距離，使得發(fā)射器發(fā)射的X射線能基本覆蓋整個(gè)目標(biāo)組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法，其特征在于，所述步驟二中X射線發(fā)射器圍繞接收器在垂直于接收器的平面內(nèi)作弧形移動(dòng)，在有限的角度范圍內(nèi)，每隔一定角度向接收器發(fā)射X射線，接收器接收到若干次數(shù)據(jù)即為若干投影數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法，其特征在于，所述步驟三利用SART算法，對(duì)采集得到的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，得到對(duì)目標(biāo)組織的初次有限角度CT重建結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法，其特征在于，所述步驟四中的三維超聲成像使用雙向超聲成像機(jī)制，即從目標(biāo)組織的上、下表面分別對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行三維超聲重建，然后將這兩次重建結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記與融合，從而得到對(duì)目標(biāo)組織整體的三維超聲重建結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法，其特征在于，所述步驟五中三維超聲成像結(jié)果與有限角度CT成像結(jié)果的三維尺寸、有效重建區(qū)域以及相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的腫塊大小不一致，通過(guò)對(duì)超聲圖像尺寸的線性調(diào)整，得到一組配準(zhǔn)后的超聲圖像，該圖像的特點(diǎn)是在三維尺寸、有效區(qū)域、腫塊位置、腫塊大小等方面與CT重建結(jié)果基本一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法，其特征在于，所述步驟六中對(duì)配準(zhǔn)后的超聲成像結(jié)果提取有效梯度信息，是指提取三維超聲圖像的每個(gè)垂直于X射線接收器平面的圖片的梯度信息，該梯度信息應(yīng)包含此平面內(nèi)兩個(gè)方向的梯度信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合超聲圖像提高有限角度CT成像質(zhì)量的方法，其特征在于，所述步驟七中改進(jìn)的SART算法是在原先SART算法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化其損失函數(shù)，加入利用三維超聲成像梯度信息優(yōu)化重建結(jié)果的損失項(xiàng)，并推導(dǎo)得到相應(yīng)的迭代公式。
【文檔編號(hào)】G06T11/00GK103455989SQ201310436712
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】袁杰, 張星, 夏煦菁, 葉濛, 封婷, 邵真天, 朱毅, 李文超, 溫馨, 沈慶宏, 都思丹 申請(qǐng)人:南京大學(xué)