本發(fā)明屬于工業(yè)CT成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于能譜濾波和圖像殘差重投影的CT圖像金屬偽影校正方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)計算機(jī)斷層成像技術(shù)(Industrial Computed Tomography，ICT)利用不同角度下X射線的透射衰減信息對物體進(jìn)行斷層成像，能夠在非接觸、無損傷的情況下獲得物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。與射線照相、超聲檢測、渦流檢測技術(shù)等常規(guī)無損檢測手段相比，工業(yè)CT具有檢測速度快、空間及密度分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠直觀地展示被檢測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成及缺損狀況，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、國防軍工等諸多領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用中，CT檢測對象以金屬物質(zhì)居多。由于金屬物質(zhì)會使X射線發(fā)生射束硬化并產(chǎn)生大量散射光子，導(dǎo)致會在CT圖像中產(chǎn)生與物體物理結(jié)構(gòu)不相符的圖像特征，稱為金屬偽影，嚴(yán)重影響物體內(nèi)部有效信息的識別、提取和判斷。由于血管支架、金屬義齒等在臨床的大量使用，金屬偽影問題在醫(yī)學(xué)CT成像中也普遍存在，成像目標(biāo)表現(xiàn)為非金屬物質(zhì)中包含有限區(qū)域的金屬物質(zhì)。金屬偽影對醫(yī)學(xué)圖像的影響主要體現(xiàn)在對金屬物質(zhì)周圍組織觀察困難，給臨床診斷帶來很大困擾。因此，對金屬偽影校正方法的研究也一直是CT領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前的金屬偽影校正方法主要可以分為三類：插值校正法、迭代校正法x和混合校正法；其中，插值校正法也稱為正弦圖修復(fù)方法，是金屬偽影去除中最常用的方法，該類方法首先需要在圖像域?qū)饘龠M(jìn)行分割和定位，然后通過正投影確定金屬對應(yīng)的正弦圖中投影區(qū)域，并把該區(qū)域的數(shù)據(jù)看作是被污染而剔除，再利用插值的方法修復(fù)剔除區(qū)域的數(shù)據(jù)，最后利用修復(fù)后的數(shù)據(jù)完成重建；迭代法也稱逐步近似法，該方法同樣需要確定金屬在正弦圖中的投影區(qū)域，并把該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行剔除，而后引入一定的先驗知識，通過迭代的方法使用缺失數(shù)據(jù)的投影進(jìn)行重建，其本質(zhì)是屬于缺失數(shù)據(jù)重建；混合校正法是插值法和迭代法的混合，主要特點(diǎn)是在插值修復(fù)過程中不是一次完成，而是通過不斷迭代的過程逐步修復(fù)剔除的金屬區(qū)域的數(shù)據(jù)，最后完成重建。這些方法都需要先對金屬區(qū)域進(jìn)行分割定位，并把定位到的受污染數(shù)據(jù)去除，然后通過或插值，或迭代，或插值和迭代混合的方法對去除的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)重建。因此，這些算法更多的適用于醫(yī)學(xué)CT成像中檢測目標(biāo)是非金屬物質(zhì)中包含有限區(qū)域金屬物質(zhì)的情況，對于工業(yè)CT中檢測目標(biāo)是全金屬物質(zhì)的情況則不能有效適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種基于能譜濾波和圖像殘差重投影的CT圖像金屬偽影校正方法，針對引起金屬偽影的兩個主要要素：射束硬化和光子散射進(jìn)行研究，根據(jù)估計能譜和濾光片特性，設(shè)計出最優(yōu)濾光片，在濾除低能射線的同時最大程度上保留用于成像的有效X射線，避免了使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的探測器后準(zhǔn)直器，通過對目標(biāo)區(qū)域外雜散噪聲進(jìn)行提取和重投影，去除原投影圖像中大量的散射信號，有效提高了成像質(zhì)量和被檢測目標(biāo)內(nèi)外輪廓的對比度。

按照本發(fā)明所提供的設(shè)計方案，一種基于能譜濾波和圖像殘差重投影的CT圖像金屬偽影校正方法，包含如下步驟：

步驟1、根據(jù)衰減率變化曲線及有效射線透過率，設(shè)計最優(yōu)濾光片；

步驟2、對原始重建圖像目標(biāo)區(qū)域外散射噪聲進(jìn)行估計，通過殘差重投影方法在原始投影中去除散射噪聲，得到修正投影；

步驟3、根據(jù)修正投影再次投影重建，得到最終校正圖像。

上述的，步驟1具體包含如下內(nèi)容：根據(jù)衰減率變化曲線及比爾定律公式I＝I₀e^-μl,計算得到濾光片的厚度；通過公式：計算得到不同材料濾光片的有效射線透過率，分析比較，設(shè)計出最優(yōu)濾光片，其中，L為濾光片的厚度，I₀和I分別表示初始射線和透過射線強(qiáng)度，μ表示均勻物質(zhì)衰減系數(shù)，l表示物質(zhì)厚度。

上述的，步驟2具體包含如下內(nèi)容：

步驟2.1、對原始投影進(jìn)行投影重建，得到原始重建圖像，對原始重建圖像中目標(biāo)輪廓進(jìn)行提取，將原始重建圖像中目標(biāo)輪廓之外的體素值設(shè)為零，保持目標(biāo)輪廓內(nèi)的體素值不變，得到修正后的目標(biāo)圖像；

步驟2.2、利用原始重建圖像減去修正后的目標(biāo)圖像，得到圖像域殘差；

步驟2.3、對圖像域殘差進(jìn)行低通濾波，并進(jìn)行散射信號估計；

步驟2.4、根據(jù)散射信號估計結(jié)果進(jìn)行重投影，將散射信號從圖像域轉(zhuǎn)換到投影域；

步驟2.5、在原始投影中扣除步驟2.4得到的重投影結(jié)果，得到修正投影。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明針對引起金屬偽影的兩個主要要素：射束硬化和光子散射進(jìn)行研究，根據(jù)估計能譜和濾光片特性，設(shè)計出最優(yōu)濾光片，在濾除低能射線的同時最大程度上保留用于成像的有效X射線，避免了使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的探測器后準(zhǔn)直器，通過對目標(biāo)區(qū)域外雜散噪聲進(jìn)行提取和重投影，去除原投影圖像中大量的散射信號，有效提高了成像質(zhì)量和被檢測目標(biāo)內(nèi)外輪廓的對比度。

2、本發(fā)明首先根據(jù)初始射線能譜和能量相關(guān)的物質(zhì)衰減系數(shù)變化率曲線計算得到濾光片厚度；并通過計算比較不同材料濾光片的有效高能射線透過率，確定最優(yōu)濾光片；通過原始重建圖像目標(biāo)區(qū)域外雜散噪聲提取和扣除，能夠有效抑制原始圖像中的散射偽影，提高圖像對比度；濾光片的設(shè)計方法適用于多種情況，具有較高的魯棒性；本發(fā)明中通過殘差重投影方法在原始投影中去除散射噪聲，不依賴結(jié)構(gòu)復(fù)雜的探測器后準(zhǔn)直器或散射校正板，也不需要成像物理等先驗條件，能夠去除原投影圖像中大量的散射噪聲，有效提高被檢測目標(biāo)內(nèi)外輪廓的成像質(zhì)量。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的通過殘差重投影方法在原始投影中去除散射噪聲的流程圖；

圖3為實施例二中驗證實驗所用的飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪葉片示意圖；

圖4為不同濾光片對應(yīng)的有效射線透過率表；

圖5為無濾光片時渦輪葉片重建結(jié)果示意圖；

圖6為使用不同濾光片時渦輪葉片重建結(jié)果示意圖；

圖7為使用銅、鉛、鎢三種濾波片重建結(jié)果圖像信噪比計算選取區(qū)域示意圖；

圖8為圖7中所選取三個區(qū)域的平均信噪比；

圖9為使用鎢濾光片的校正過程中圖像域殘差和投影域殘差示意圖；

圖10為使用本發(fā)明得到的最終校正圖像示意圖。

具體實施方式：

金屬偽影的產(chǎn)生是多種因素的綜合體現(xiàn)，大致可以分為射線硬化效應(yīng)、光子散射效應(yīng)、電子饑餓效應(yīng)以及部分容積效應(yīng)，其中射束硬化是主要因素。對于檢測目標(biāo)為全金屬物質(zhì)的情況，當(dāng)檢測電壓達(dá)到幾百kev時，X射線與物質(zhì)相互作用以康普頓散射為主導(dǎo)，而金屬又是強(qiáng)烈的散射源，此時，金屬偽影可以看作是射束硬化效應(yīng)和光子散射效應(yīng)為主導(dǎo)共同作用的結(jié)果。

其中，射束硬化成因，由相同能量的光子組成的射線稱為單能射線。通常，CT重建算法，包括絕大部分的解析和迭代類算法，都是基于X射線是單能的。而實際中，目前的商用X射線都是連續(xù)多能譜的。其中，高能X射線穿透物體的能力強(qiáng)，低能X射線穿透物體的能力相對較弱，這就使得連續(xù)多能譜的X射線穿過物體后，低能量的X射線更容易被衰減，從而使探測器接收到的X射線能譜相比入射X射線能譜發(fā)生了變化。這種變化表現(xiàn)為接收的X射線中高能成分比例增大，即所謂的射束硬化現(xiàn)象。

當(dāng)射線為單能時，由比爾定律公式(1)可知，射線穿過均勻物質(zhì)時的射線滿足：

I＝I₀e^-μl, (1)

其中，I₀和I分別表示初始射線和透過射線強(qiáng)度，μ表示均勻物質(zhì)衰減系數(shù)，l表示物質(zhì)厚度。由公式(1)可知，投影數(shù)據(jù)滿足：

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

即，投影值與穿透厚度l滿足線性關(guān)系。

當(dāng)射線為多能時，比爾定律公式可表述為

I＝I₀∫S(E)e^-∫u(E)dldE, (3)

可以看出，當(dāng)u(E)不為常數(shù)時，多能射線時投影值p與穿透厚度l不再滿足線性關(guān)系。因此，射束硬化偽影產(chǎn)生的本質(zhì)原因是：入射X射線是連續(xù)多能譜的，并且同一物質(zhì)對不同能量X射線的衰減能力不同。

另，散射偽影成因，散射是射線穿過物體時，入射X光子與物質(zhì)原子的核外電子發(fā)生碰撞，從而降低能量和改變傳輸方向的過程。當(dāng)發(fā)生散射時，探測器探元接收到的X射線不僅有直接入射的光子，而且有散射的光子。這些散射光子會使探元信號偏離真實值，導(dǎo)致CT圖像中出現(xiàn)散射偽影。通常情況下，散射光子是隨機(jī)射向四面八方的，散射剖面比較平滑。當(dāng)很多射線發(fā)生散射時，相當(dāng)于在原始信號上疊加了一層低頻噪聲。散射光子對投影值得影響可以表述為：

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

其中，I_s表示散射光子強(qiáng)度。

因此，散射射線作為CT成像過程中一個重要的噪聲來源，會使圖像產(chǎn)生陰影、杯狀偽影和條狀偽影等，造成圖像邊緣模糊、對比度變差，嚴(yán)重降低了圖像質(zhì)量，尤其是在工業(yè)CT中對金屬物質(zhì)進(jìn)行成像時，散射因素在金屬偽影中所占的比重明顯增大，必須要對散射偽影加以抑制。

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，并通過優(yōu)選的實施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不限于此。

實施例一，參見圖1所示，一種基于能譜濾波和圖像殘差重投影的CT圖像金屬偽影校正方法，包含如下步驟：

步驟1、根據(jù)衰減率變化曲線及有效射線透過率，設(shè)計最優(yōu)濾光片；

步驟2、對原始重建圖像目標(biāo)區(qū)域外散射噪聲進(jìn)行估計，通過殘差重投影方法在原始投影中去除散射噪聲，得到修正投影；

步驟3、根據(jù)修正投影再次投影重建，得到最終校正圖像。

本發(fā)明首先通過設(shè)計最優(yōu)濾光片，濾除原始能譜中易于硬化的部分，同時保留最多的有效射線；然后，對重建圖像目標(biāo)區(qū)域外散射噪聲進(jìn)行估計，通過殘差重投影的方法在原始投影中扣除散射噪聲；最后，利用修正投影再次投影重建，得到最終校正圖像，實現(xiàn)CT圖像的金屬偽影校正，能夠有效抑制射束硬化和光子散射導(dǎo)致的金屬偽影影響，提高圖像對比度和改善成像質(zhì)量。

實施例二，參見圖1～10所示，一種基于能譜濾波和圖像殘差重投影的CT圖像金屬偽影校正方法，包含如下內(nèi)容：

步驟1、根據(jù)衰減率變化曲線及有效射線透過率，設(shè)計最優(yōu)濾光片，物質(zhì)衰減率變化曲線為物質(zhì)質(zhì)量衰減系數(shù)對光子能量偏導(dǎo)數(shù)的絕對值，反應(yīng)了物質(zhì)衰減系數(shù)隨光子能量改變而改變的劇烈程度，當(dāng)衰減系數(shù)變化為零時，表示物質(zhì)衰減系數(shù)不隨光子能量的改變而改變，即衰減系數(shù)在連續(xù)能譜中具有恒定的值；而當(dāng)衰減系數(shù)變化率增大時，表示物質(zhì)衰減系數(shù)隨光子能量改變而改變的程度增大，即衰減系數(shù)在不同光子能量下的差異性增大，對于衰減系數(shù)變化率接近零的能段，物質(zhì)衰減系數(shù)近似相等，此時投影值滿足如下：，當(dāng)S(E)表示歸一化能譜時，∫S(E)dE＝1，因此，p≈ul，即投影值與穿透長度l近似滿足線性關(guān)系，符合基于單能假設(shè)的重建算法要求，使用這段能譜的射線進(jìn)行成像時能夠有效抑制射束硬化偽影，由衰減系數(shù)變化率曲線可以確定需要濾除的易于硬化部分，并根據(jù)衰減率變化曲線及比爾定律公式I＝I₀e^-μl，計算得到濾光片的厚度；有效射線透過率是指透過濾光片后用以成像的射線占原始射線的比例，濾光片在濾除低能X射線同時，也會過濾高能X射線；在CT成像中，統(tǒng)計噪聲的大小與有效X射線強(qiáng)度的大小密切相關(guān)，增大射線強(qiáng)度會有效抑制統(tǒng)計噪聲，提高所成圖像的信噪比，通過公式：計算得到不同材料濾光片的有效射線透過率，分析比較，設(shè)計出最優(yōu)濾光片，使得用以成像的射線強(qiáng)度最高，抑制硬化偽影的同時，提高圖像的信噪比，其中，L為濾光片的厚度，I₀和I分別表示初始射線和透過射線強(qiáng)度，μ表示均勻物質(zhì)衰減系數(shù)。

步驟2、對原始重建圖像目標(biāo)區(qū)域外散射噪聲進(jìn)行估計，通過殘差重投影方法在原始投影中去除散射噪聲，得到修正投影，基于散射成像中的兩個物理事實，1)原始重建圖像中目標(biāo)輪廓之外的非零值應(yīng)為偽影，這部分偽影主要來源于原始投影中的散射噪聲；2)散射信號是一種低頻信號，通過殘差重投影方法在原始投影中去除散射噪聲具體包含如下：

步驟2.1、對原始投影進(jìn)行投影重建，得到原始重建圖像，對原始重建圖像中目標(biāo)輪廓進(jìn)行提取，將原始重建圖像中目標(biāo)輪廓之外的體素值設(shè)為零，保持目標(biāo)輪廓內(nèi)的體素值不變，得到修正后的目標(biāo)圖像，可使用常規(guī)的圖像處理方式進(jìn)行目標(biāo)輪廓的提取，例如，使用基于閾值的圖像分割方法；

步驟2.2、利用原始重建圖像減去修正后的目標(biāo)圖像，得到圖像域殘差；

步驟2.3、對圖像域殘差進(jìn)行低通濾波，并進(jìn)行散射信號估計；

步驟2.4、根據(jù)散射信號估計結(jié)果進(jìn)行重投影，將散射信號從圖像域轉(zhuǎn)換到投影域；

步驟2.5、在原始投影中扣除步驟2.4得到的重投影結(jié)果，得到修正投影。

步驟3、根據(jù)修正投影再次投影重建，得到最終校正圖像。

本發(fā)明不依賴結(jié)構(gòu)復(fù)雜的探測器后準(zhǔn)直器或散射校正板，也不需要成像物理等先驗條件，能夠去除原投影圖像中大量的散射噪聲，有效提高被檢測目標(biāo)內(nèi)外輪廓的成像質(zhì)量。

下面通過具體實驗對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

采用實際工業(yè)CT系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)渦輪葉片進(jìn)行成像，實際工業(yè)CT系統(tǒng)中，射線源為美國Varian HPX-450-11，探測器為德國PerkinElmer-XRD-1621，飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪葉片，如圖3所示，并對校正前后的圖像質(zhì)量做了對比，分別在無濾波片和使用鋁、銅、鉛和鎢四種濾波片的情況下對發(fā)動機(jī)渦輪葉片進(jìn)行了圖像采集和重建。通過計算，不同濾光片的最優(yōu)厚度分別為150mm、16mm、1mm和0.8mm，對應(yīng)的有效射線透過率如圖4所示，由圖4的數(shù)值比較可以看出，對初始能譜中有效X射線保留特性從高到底依次是鎢、鉛、銅、鋁，即用于成像的有效X射線強(qiáng)度從大到小依次是鎢、鉛、銅、鋁。因此，基于前面有效X射線強(qiáng)度與成像信噪比的分析，四種材料中，鎢為最優(yōu)先選擇的濾光片，它能夠在濾除低能X射線的同時保留最多的有效高能X射線，即校正硬化偽影的同時能夠保持更好的圖像信噪比。

實驗條件為管電壓300kv，投影采集間隔為1度，采集投影數(shù)360幅，圖像重建使用FDK算法，無濾波片時重建結(jié)果如圖5所示，使用四種濾光片的重建結(jié)果分別如圖6所示，圖6中：(a)表示使用鋁濾波片的重建結(jié)果、(b)表示使用銅濾波片的重建結(jié)果、(c)表示使用鉛濾波片的重建結(jié)果、(d)表示使用鎢濾波片的重建結(jié)果，由圖可知，不使用濾光片時的原始重建圖像中包含了大量的金屬偽影，圖像對比度較差，邊緣十分模糊，尤其是葉片內(nèi)凹邊緣受偽影的影像最為嚴(yán)重。由圖6可以看出使用濾光片后，原始圖像中硬化偽影得到了很大程度的去除，葉片邊緣對比對增強(qiáng)，受偽影影響最為嚴(yán)重的內(nèi)凹邊緣依然變得清晰可見，但是，使用鋁濾光片的校正結(jié)果明顯沒有其它濾光片好，這主要是因為鋁在濾除低能X射線的同時濾除了大量的高能X射線，造成用以成像的有效X射線大大減少，所以直觀去看圖像的噪聲最大，這與本文前面的分析一致；而銅、鉛和鎢的校正效果更好，這主要是因為這三種濾光片在濾除低能X射線時能夠保留較多的高能X射線。直觀觀察，相比鉛和鎢濾光片，使用銅濾光片的結(jié)果中噪聲更為明顯。為進(jìn)一步比較驗證銅、鉛、鎢三種濾波片的作用效果，通過比較三種濾波片重建結(jié)果的圖像信噪比，信噪比計算區(qū)域的選取如圖7所示，三個區(qū)域的平均信噪比如圖8所示，當(dāng)使用銅濾波片時得到的圖像信噪比為5.14，使用鉛濾波片得到的圖像信噪比為6.56，使用鎢濾波片得到的圖像信噪比為6.64，說明在以上4中材料中，鎢的效果最好。

經(jīng)過硬化偽影校正，原始重建圖像質(zhì)量得到了明顯提升，葉片邊緣得到了恢復(fù)和對比度提升，但是，受散射偽影的影響，圖像目標(biāo)區(qū)域外有大量的雜散噪聲，使得邊緣對比度依然不夠理想。因此，基于鎢濾光片的校正結(jié)果，進(jìn)一步使用本文對散射偽影進(jìn)行校正，其中，校正過程中的圖像域殘差和投影域殘差分別如圖9所示，圖9中(a)表示圖像域殘差，(b)表示投影域殘差，由圖9中(a)可看出，原始圖像中包含了大量的噪聲信號，使用本文方法對這些噪聲提取并轉(zhuǎn)換到投影域的結(jié)果如圖9中(b)所示，最終的校正結(jié)果圖像由圖10所示，通過在原始投影中扣除噪聲信號后并再次重建的結(jié)果中大量的雜散噪聲被有效去除，圖像質(zhì)量有明顯改善，圖像對比度進(jìn)一步提高，葉片內(nèi)外邊緣更加清晰。

本發(fā)明針對引起金屬偽影的兩個主要要素：射束硬化和光子散射進(jìn)行研究，根據(jù)估計能譜和濾光片特性，設(shè)計出最優(yōu)濾光片，在濾除低能射線的同時最大程度上保留用于成像的有效X射線，避免了使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的探測器后準(zhǔn)直器，通過對目標(biāo)區(qū)域外雜散噪聲進(jìn)行提取和重投影，去除原投影圖像中大量的散射信號，有效提高了成像質(zhì)量和被檢測目標(biāo)內(nèi)外輪廓的對比度。

本發(fā)明并不局限于上述具體實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可據(jù)此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或者類似的變化都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)。