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本發(fā)明根據(jù)由國(guó)土安全部授予的合同號(hào)hshqdc-14-c-b0048，在政府支持的情況下完成。政府具有本發(fā)明的某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
本文中公開的主題涉及斷層攝影重構(gòu)，并且具體地說，涉及字典學(xué)習(xí)算法的使用。
非侵入式成像技術(shù)允許獲得患者/對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)/特征的圖像而不在患者/對(duì)象上執(zhí)行侵入式規(guī)程。具體而言，此類非侵入式成像技術(shù)依賴各種物理原理（例如通過目標(biāo)體積的x射線的差分傳送、在體積內(nèi)聲波的反射、體積內(nèi)不同組織和材料的順磁屬性、身體內(nèi)目標(biāo)放射性核的分解等等）來(lái)采集數(shù)據(jù)和構(gòu)建圖像或以其它方式表示患者/對(duì)象的觀察到的內(nèi)部特征。
所有重構(gòu)算法遭受諸如條紋和噪聲的重構(gòu)偽影。為減少這些偽影，已引入基于正則化的方法。然而，在計(jì)算效率、劑量、掃描速率與圖像質(zhì)量之間經(jīng)常存在折衷。因此，存在用于改進(jìn)的重構(gòu)技術(shù)，特別是在低信號(hào)噪聲比(snr)成像上下文中的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
下面概述在范圍上與原來(lái)要求保護(hù)的主題相符的某些實(shí)施例。這些實(shí)施例不意圖限制要求保護(hù)的主題的范圍，但是而是這些實(shí)施例僅意圖提供可能實(shí)施例的簡(jiǎn)單總結(jié)。實(shí)際上，本發(fā)明可囊括與下面所闡述實(shí)施例類似或不同的多種形式。
在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，提供了一種構(gòu)建負(fù)字典的方法。根據(jù)此方法，訪問一個(gè)或更多個(gè)圖像。從一個(gè)或更多個(gè)圖像采樣多個(gè)圖像分塊。識(shí)別對(duì)應(yīng)于有害圖像特征或圖案的圖像分塊的子集。使用圖像分塊的子集來(lái)填充負(fù)字典。
在另外實(shí)現(xiàn)中，提供了一種重構(gòu)方法。根據(jù)此方法，為被成像體積采集測(cè)量集。使用負(fù)字典，執(zhí)行測(cè)量集的重構(gòu)。負(fù)字典包括對(duì)應(yīng)于在重構(gòu)期間主動(dòng)抑制或負(fù)加權(quán)的有害圖像特征或圖案的圖像分塊。將重構(gòu)的圖像生成為重構(gòu)的輸出。
在另一實(shí)現(xiàn)中，提供了一種圖像處理系統(tǒng)。根據(jù)此實(shí)現(xiàn)，圖像處理系統(tǒng)包含存儲(chǔ)一個(gè)或更多個(gè)例程的存儲(chǔ)器和配置成訪問先前或同時(shí)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)并且運(yùn)行在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的一個(gè)或更多個(gè)例程的處理組件。一個(gè)或更多個(gè)例程在由處理組件運(yùn)行時(shí)：使用負(fù)字典來(lái)執(zhí)行測(cè)量集的重構(gòu)，其中負(fù)字典包括對(duì)應(yīng)于在重構(gòu)期間主動(dòng)抑制或負(fù)加權(quán)的有害圖像特征或圖案的圖像分塊；以及將重構(gòu)的圖像生成為重構(gòu)的輸出。
本發(fā)明提供一組技術(shù)方案,如下:
1.一種構(gòu)建負(fù)字典的方法，包括：
訪問一個(gè)或更多個(gè)圖像；
對(duì)來(lái)自所述一個(gè)或更多個(gè)圖像的多個(gè)圖像分塊進(jìn)行采樣；
識(shí)別對(duì)應(yīng)于有害圖像特征或圖案的所述圖像分塊的子集；以及
使用圖像分塊的所述子集來(lái)填充所述負(fù)字典。
2.如技術(shù)方案1所述的方法，其中所述有害特征或圖案對(duì)應(yīng)于偽影圖案、條紋圖案、噪聲圖案、環(huán)狀偽影、模糊邊界或脈沖的一項(xiàng)或更多項(xiàng)。
3.如技術(shù)方案1所述的方法，其中：
訪問所述一個(gè)或更多個(gè)圖像包括訪問一個(gè)或更多個(gè)含噪圖像；以及
對(duì)所述多個(gè)圖像進(jìn)行采樣和識(shí)別圖像分塊的所述子集包括從所述含噪圖像提取偽影圖案或噪聲圖案中的一個(gè)或兩者。
4.如技術(shù)方案3所述的方法，其中從所述含噪圖像提取偽影圖案或噪聲圖案中的一個(gè)或兩者包括采用可操縱濾波或機(jī)器學(xué)習(xí)中的一個(gè)或兩者來(lái)提取所述偽影圖案或噪聲圖案。
5.如技術(shù)方案3所述的方法，其中從所述含噪圖像提取偽影圖案或噪聲圖案中的一個(gè)或兩者包括將所述含噪圖像的一個(gè)或更多個(gè)分成分量圖像，每個(gè)分量圖像對(duì)應(yīng)于某個(gè)類型的偽影圖案或噪聲圖案。
6.如技術(shù)方案1所述的方法，還包括：
模擬不同噪聲圖案和偽影圖案；
生成所述一個(gè)或更多個(gè)圖像以包含所述噪聲圖案和偽影圖案。
7.如技術(shù)方案6所述的方法，其中基于不同掃描幾何和掃描協(xié)議，模擬所述不同噪聲和偽影圖案。
8.如技術(shù)方案1所述的方法，還包括：
將噪聲圖案或偽影圖案中的一個(gè)或兩者添加到一個(gè)或更多個(gè)初始圖像以生成加噪圖像，或者添加到一個(gè)或更多個(gè)初始測(cè)量，其被重構(gòu)以生成所述一個(gè)或更多個(gè)加噪圖像；
在圖像減影過程中使用所述加噪圖像以生成所述一個(gè)或更多個(gè)圖像。
9.一種用于重構(gòu)圖像的方法，包括：
采集用于被成像體積的測(cè)量集；
使用負(fù)字典來(lái)執(zhí)行所述測(cè)量集的重構(gòu)，其中所述負(fù)字典包括對(duì)應(yīng)于在所述重構(gòu)期間主動(dòng)抑制或負(fù)加權(quán)的有害圖像特征或圖案的圖像分塊；以及
將重構(gòu)的圖像生成為所述重構(gòu)的輸出。
10.如技術(shù)方案9所述的方法，其中所述有害圖像特征或圖案對(duì)應(yīng)于偽影圖案、條紋圖案、噪聲圖案、環(huán)狀偽影、模糊邊界或脈沖的一項(xiàng)或更多項(xiàng)。
11.如技術(shù)方案9所述的方法，其中所述重構(gòu)包括基于模型的迭代重構(gòu)。
12.如技術(shù)方案11所述的方法，其中所述重構(gòu)包括更新步驟，其引導(dǎo)所述基于模型的迭代重構(gòu)遠(yuǎn)離在所述負(fù)字典中存在的所述圖像分塊中表示的所述有害圖像特征或圖案。
13.如技術(shù)方案11所述的方法，其中所述重構(gòu)使用所述負(fù)字典作為基于模型的迭代重構(gòu)的數(shù)據(jù)擬合項(xiàng)的一部分。
14.如技術(shù)方案13所述的方法，其中所述重構(gòu)基于在所述數(shù)據(jù)擬合項(xiàng)中負(fù)字典的使用，將重構(gòu)的圖像分成偽影項(xiàng)和圖像項(xiàng)。
15.如技術(shù)方案9所述的方法，其中所述重構(gòu)使用所述負(fù)字典作為成本函數(shù)中的項(xiàng)。
16.如技術(shù)方案15所述的方法，其中基于所述負(fù)字典的所述項(xiàng)具有與基于常規(guī)以前項(xiàng)的項(xiàng)相反的符號(hào)。
17.一種圖像處理系統(tǒng)，包括：
存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)一個(gè)或更多個(gè)例程；以及
處理組件，配置成訪問以前或同時(shí)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)，并且運(yùn)行在所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的所述一個(gè)或更多個(gè)例程，其中所述一個(gè)或更多個(gè)例程在由所述處理組件運(yùn)行時(shí)：
使用負(fù)字典來(lái)執(zhí)行測(cè)量集的重構(gòu)，其中所述負(fù)字典包括對(duì)應(yīng)于在所述重構(gòu)期間主動(dòng)抑制或負(fù)加權(quán)的有害圖像特征或圖案的圖像分塊；以及
將重構(gòu)的圖像生成為所述重構(gòu)的輸出。
18.如技術(shù)方案17所述的圖像處理系統(tǒng)，其中所述重構(gòu)包括基于模型的迭代重構(gòu)的更新步驟，其引導(dǎo)所述基于模型的迭代重構(gòu)遠(yuǎn)離在所述負(fù)字典中存在的所述圖像分塊中表示的所述有害圖像特征或圖案。
19.如技術(shù)方案17所述的圖像處理系統(tǒng)，其中所述重構(gòu)使用所述負(fù)字典作為基于模型的迭代重構(gòu)的數(shù)據(jù)擬合項(xiàng)的一部分。
20.如技術(shù)方案17所述的圖像處理系統(tǒng)，其中所述重構(gòu)使用所述負(fù)字典作為成本函數(shù)中的項(xiàng)。
附圖說明
在參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，附圖中相似的字符在圖形通篇中表示相似的部分，其中：
圖1是根據(jù)本公開的方面，描繪計(jì)算機(jī)斷層攝影(ct)成像系統(tǒng)的組件的框圖；
圖2根據(jù)本公開的方面，描繪供在字典學(xué)習(xí)方式中使用的字典的示例；
圖3根據(jù)本公開的方面，描繪用于通過其估計(jì)稀疏表示系數(shù)的稀疏編碼過程的過程流程；
圖4根據(jù)本公開的方面，描繪字典訓(xùn)練過程流程；
圖5描繪字典學(xué)習(xí)圖像重構(gòu)方式的現(xiàn)有技術(shù)過程流程；
圖6根據(jù)本公開的方面，描繪使用負(fù)字典的字典學(xué)習(xí)圖像重構(gòu)方式的過程流程；
圖7描繪初始體模圖像的示例；
圖8描繪在添加噪聲、偽影和模糊后圖7的圖像；以及
圖9根據(jù)本公開的方面，描繪在基于負(fù)字典，使用字典學(xué)習(xí)方式的圖像處理后圖8的圖像。
具體實(shí)施方式
下文將描述一個(gè)或更多個(gè)特定實(shí)施例。致力于提供這些實(shí)施例的簡(jiǎn)潔描述，在說明書中未描述實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征。應(yīng)領(lǐng)會(huì)，如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中一樣，在任何此種實(shí)際實(shí)現(xiàn)的開發(fā)中，必須做出許多實(shí)現(xiàn)特定的判定以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如符合系統(tǒng)有關(guān)和業(yè)務(wù)有關(guān)的約束，這些目標(biāo)將從一個(gè)實(shí)現(xiàn)變化到另一個(gè)。此外，應(yīng)領(lǐng)會(huì)，此種開發(fā)努力可能復(fù)雜的并且耗時(shí)的，但仍將是從本公開受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員的設(shè)計(jì)、制作和制造的例行任務(wù)。
雖然以下論述的方面在醫(yī)療成像的上下文中提供，但應(yīng)領(lǐng)會(huì)，本技術(shù)不限于此類醫(yī)療上下文。實(shí)際上，在此種醫(yī)療上下文中示例和解釋的提供只是要通過提供現(xiàn)實(shí)世界實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的實(shí)例來(lái)便于解釋。然而，本方式也可在其它上下文中利用，例如制造的部件或商品的無(wú)損檢查（即，質(zhì)量控制或質(zhì)量審查應(yīng)用）和/或包裝、盒、行李等的非侵入式檢查（即，安全或篩選應(yīng)用）。通常，在其中包含但不限于圖像重構(gòu)的高分辨率圖像處理是期望的任何成像或篩選上下文中，本方式可以是期望的。
此外，雖然ct示例主要經(jīng)由示例提供，但應(yīng)理解，本方式可在其它成像模態(tài)上下文中使用。例如，當(dāng)前描述的方式也適合供與其它類型的斷層攝影掃描儀一起使用，其它類型的斷層攝影掃描儀包含但不限于正電子發(fā)射斷層攝影(pet)、單光子發(fā)射計(jì)算斷層攝影(spect)和磁共振成像(mri)或通常的圖像恢復(fù)或去噪。
ct成像中所使用的一種圖像重構(gòu)技術(shù)是迭代重構(gòu)。對(duì)于多種原因，迭代重構(gòu)技術(shù)的使用（與分析方法形成對(duì)比）可以是期望的。迭代重構(gòu)算法能夠在為掃描采集的物理學(xué)建模（以及對(duì)其補(bǔ)償），為測(cè)量的統(tǒng)計(jì)學(xué)建模以改進(jìn)圖像質(zhì)量和合并以前的信息方面提供優(yōu)勢(shì)。例如，此類迭代重構(gòu)方法可基于離散成像模型，并且可逼真地為系統(tǒng)光學(xué)、掃描幾何和噪聲統(tǒng)計(jì)學(xué)建模。使用馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)鄰域正則化、高斯混合先驗(yàn)、字典學(xué)習(xí)技術(shù)等，可將以前的信息合并到迭代重構(gòu)中。
因此，迭代重構(gòu)技術(shù)因此經(jīng)常實(shí)現(xiàn)卓越的圖像質(zhì)量，雖然是以較高的計(jì)算成本來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，基于模型的迭代重構(gòu)(mbir)是從測(cè)量中迭代估計(jì)圖像體積的衰減系數(shù)的空間分布和值的重構(gòu)技術(shù)。mbir基于優(yōu)化問題，由此通過求解包含數(shù)據(jù)擬合和正則化矩陣項(xiàng)兩者的目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算重構(gòu)的圖像體積，數(shù)據(jù)擬合和正則化矩陣組合控制在數(shù)據(jù)保真度與圖像質(zhì)量之間的折衷。數(shù)據(jù)擬合（即，數(shù)據(jù)保真度）項(xiàng)根據(jù)將噪聲考慮在內(nèi)的準(zhǔn)確模型，最小化在重構(gòu)的結(jié)果與采集的數(shù)據(jù)之間的誤差。正則化矩陣項(xiàng)采用圖像的以前知識(shí)（例如，在小的鄰域內(nèi)類似的衰減系數(shù)）以降低可能的偽影，例如條紋和噪聲。因此，mbir容忍噪聲，并且即使在低劑量的情況下也執(zhí)行良好。
近來(lái)，字典學(xué)習(xí)(dl)方式由于此方式用來(lái)保持局部結(jié)構(gòu)和降低噪聲的能力而已被應(yīng)用為用于低劑量ct重構(gòu)的正則化矩陣。例如，在重構(gòu)函數(shù)的圖像以前項(xiàng)中，可采用字典學(xué)習(xí)公式而不是基于成對(duì)相鄰交互的常規(guī)函數(shù)。因此，在此種情形中，重構(gòu)函數(shù)將具有數(shù)據(jù)保真度項(xiàng)和基于字典學(xué)習(xí)的以前建模項(xiàng)。
如本文中討論的，描述了基于特定字典學(xué)習(xí)的方式。本文中稱為“負(fù)”字典學(xué)習(xí)的此方式通過添加約束以主動(dòng)抑制（例如，負(fù)加權(quán)或懲罰）某些字典圖案，有助于改進(jìn)以前信息的使用，例如以便為更具體的。也就是說，采用了不感興趣的圖像質(zhì)量或?qū)嶋H上對(duì)其有害的圖案的“負(fù)”字典。雖然重構(gòu)技術(shù)在本文中作為示例描述，但應(yīng)領(lǐng)會(huì)，本負(fù)或減去字典學(xué)習(xí)方式可更常在其它圖像處理上下文中使用，而不只是在重構(gòu)中使用。也就是說，本方式可在任何圖像處理上下文中使用，其中，字典學(xué)習(xí)的使用作為處理的一部分（例如，作為圖像或項(xiàng)正則化矩陣，作為數(shù)據(jù)擬合項(xiàng)，或作為成本函數(shù)分量）是適合的。類似地，雖然在本文中主要描述三維(3d)或體積成像以提供適合的上下文和示例，但本方式在其它維上下文中在圖像處理或重構(gòu)中同樣是可適用的。例如，本方式可適合供在二維上下文和四維（即，隨時(shí)間變化的3d）上下文以及作為示例提供的三維上下文中使用。
鑒于前述的介紹評(píng)注，本文中描述的方式可適合供與采用字典學(xué)習(xí)作為所運(yùn)行的算法的一部分的一系列圖像處理或重構(gòu)系統(tǒng)一起使用。為便于解釋，本公開將主要在一個(gè)特定上下文中，ct系統(tǒng)的那個(gè)上下文中討論本方式。然而，應(yīng)理解，下面討論也可以可適用于其它圖像模態(tài)和系統(tǒng)以及非醫(yī)療上下文或其中字典學(xué)習(xí)適合供在圖像處理或重構(gòu)上下文中使用的任何上下文。
鑒于此，圖1中提供了設(shè)計(jì)成圍繞患者在多個(gè)視域采集x射線衰減數(shù)據(jù)，并且適合用于使用mbir技術(shù)執(zhí)行圖像重構(gòu)的計(jì)算機(jī)斷層攝影(ct)成像系統(tǒng)10的示例。在圖1中圖示的實(shí)施例中，成像系統(tǒng)10包含與準(zhǔn)直儀14相鄰定位的x射線輻射源12。x射線源12可以是x射線管、分布式x射線源（例如固態(tài)或熱電子x射線源）或適合用于醫(yī)療或其它圖像的采集的x射線輻射的任何其它源。
準(zhǔn)直儀14將進(jìn)入其中患者/對(duì)象18被定位的區(qū)域的x射線16的射束成形或者對(duì)其進(jìn)行限制。在所描繪的示例中，x射線16準(zhǔn)直成通過被成像的體積的錐形射束，即，錐形束。一部分x射線輻射20通過或圍繞患者/對(duì)象18（或其它感興趣的受檢者），并且撞擊以參考數(shù)字22一般表示的檢測(cè)器陣列。陣列的檢測(cè)器元素產(chǎn)生表示入射x射線20的強(qiáng)度的電信號(hào)。這些信號(hào)被采集和處理以重構(gòu)患者/對(duì)象18內(nèi)特征的圖像。
源12由系統(tǒng)控制器24控制，其供應(yīng)功率和控制信號(hào)用于ct檢查序列，包含用來(lái)為隨后掃描協(xié)議識(shí)別患者/對(duì)象內(nèi)感興趣解剖結(jié)構(gòu)的二維定位器或偵察圖像的采集。在所描繪的實(shí)施例中，系統(tǒng)控制器24經(jīng)由可以是系統(tǒng)控制器24的組件的x射線控制器26來(lái)控制源12。在此種實(shí)施例中，x射線控制器26可配置成提供功率和定時(shí)信號(hào)到x射線源12。
此外，檢測(cè)器22耦合到控制在檢測(cè)器22中生成的信號(hào)的采集的系統(tǒng)控制器24。在所描繪的實(shí)施例中，系統(tǒng)控制器24使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)28采集由檢測(cè)器生成的信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)28接收由檢測(cè)器22的讀出電子器件收集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)28可接收來(lái)自檢測(cè)器22的采樣的模擬信號(hào)，并且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)用于通過下面討論的處理器30的隨后處理。備選地，在其它實(shí)施例中，數(shù)模轉(zhuǎn)換可由在檢測(cè)器22本身上提供的電路系統(tǒng)執(zhí)行。系統(tǒng)控制器24也可運(yùn)行關(guān)于采集的圖像信號(hào)的各種信號(hào)處理和濾波功能，例如用于動(dòng)態(tài)范圍的初始調(diào)整、數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的交錯(cuò)等等。
在圖1中圖示的實(shí)施例中，系統(tǒng)控制器24耦合到旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)32和線性定位子系統(tǒng)34。旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)32使x射線源12、準(zhǔn)直器14和檢測(cè)器22能夠圍繞患者/對(duì)象18旋轉(zhuǎn)一周或多周，例如主要在繞患者在x,y平面中旋轉(zhuǎn)。應(yīng)注意的是，旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)32可能包含機(jī)架，相應(yīng)x射線發(fā)射和檢測(cè)組件設(shè)置在機(jī)架上。因此，在此種實(shí)施例中，系統(tǒng)控制器24可用來(lái)操作機(jī)架。
線性定位子系統(tǒng)34可使患者/對(duì)象18或更具體地說支承患者的工作臺(tái)能夠例如相對(duì)于機(jī)架的旋轉(zhuǎn)在z方向上在ct系統(tǒng)10的膛內(nèi)移位。因此，工作臺(tái)可在機(jī)架內(nèi)線性移動(dòng)（以連續(xù)或逐步方式）以生成患者18的特定區(qū)的圖像。在所描繪的實(shí)施例中，系統(tǒng)控制器24經(jīng)由馬達(dá)控制器36控制旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)32和/或線性定位子系統(tǒng)34的移動(dòng)。
通常，系統(tǒng)控制器24命令成像系統(tǒng)10的操作（例如經(jīng)由上述源12、檢測(cè)器22和定位系統(tǒng)的操作）以運(yùn)行檢查協(xié)議和處理采集的數(shù)據(jù)。例如，經(jīng)由上述系統(tǒng)和控制器，系統(tǒng)控制器24可繞感興趣的受檢者旋轉(zhuǎn)支承源12和檢測(cè)器22的機(jī)架，使得可在相對(duì)于患者的一個(gè)或更多個(gè)視域獲得x射線衰減數(shù)據(jù)。在本上下文中，系統(tǒng)控制器24也可包含信號(hào)處理電路系統(tǒng)、用于存儲(chǔ)由計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序和例程（例如用于運(yùn)行本文中描述的圖像處理技術(shù)的例程）及配置參數(shù)、圖像數(shù)據(jù)等的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器電路系統(tǒng)。
在所描繪的實(shí)施例中，將由系統(tǒng)控制器24采集和處理的圖像信號(hào)提供到處理組件30用于根據(jù)當(dāng)前公開算法的圖像的重構(gòu)。處理組件30可以是一個(gè)或更多個(gè)通用或應(yīng)用特定微處理器。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)28收集的數(shù)據(jù)可直接或在存儲(chǔ)器28中存儲(chǔ)后傳送到處理組件30。適合用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的任何類型的存儲(chǔ)器可能由此種示范系統(tǒng)10利用。例如，存儲(chǔ)器38可包含一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)、磁性和/或固態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。此外，存儲(chǔ)器38可位于采集系統(tǒng)點(diǎn)處，和/或可包含如下所述的用于存儲(chǔ)用于圖像重構(gòu)的數(shù)據(jù)、處理參數(shù)和/或例程的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)裝置。
處理組件30可配置成經(jīng)由通常配有鍵盤和/或其它輸入裝置的操作員工作站40接收來(lái)自操作員的命令和掃描參數(shù)。操作員可經(jīng)由操作員工作站40控制系統(tǒng)10。因此，操作員可觀察重構(gòu)的圖像和/或使用操作員工作站40以其它方式操作系統(tǒng)10。例如，耦合到操作員工作站40的顯示器42可用來(lái)觀察重構(gòu)的圖像和控制成像。另外，圖像也可由可耦合到操作員工作站40的打印機(jī)44打印。
此外，處理組件30和操作員工作站40可耦合到其它輸出裝置，其可包含標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)器和關(guān)聯(lián)處理電路系統(tǒng)。一個(gè)或更多個(gè)操作員工作站40可還在系統(tǒng)中鏈接用于輸出系統(tǒng)參數(shù)，請(qǐng)求檢查，查看圖像等等。通常，在系統(tǒng)內(nèi)供應(yīng)的顯示器、打印機(jī)、工作站及類似裝置可在數(shù)據(jù)采集組件的本地，或者可遠(yuǎn)離這些組件，例如在機(jī)構(gòu)或醫(yī)院內(nèi)的別處，或者在完全不同的位置中，經(jīng)由諸如因特網(wǎng)、虛擬專用網(wǎng)等等一個(gè)或更多個(gè)可配置網(wǎng)絡(luò)鏈接到圖像采集系統(tǒng)。
還應(yīng)注意的是，操作員工作站40也可耦合到圖片存檔與通信系統(tǒng)(pacs)46。pacs46可又耦合到遠(yuǎn)程客戶端48、放射科信息系統(tǒng)(ris)、醫(yī)院信息系統(tǒng)(his)或內(nèi)部或外部網(wǎng)絡(luò)，使得在其它位置處的其它人可獲得對(duì)原始或處理的圖像數(shù)據(jù)的訪問權(quán)。
雖然前述的討論已單獨(dú)處理成像系統(tǒng)10的各種示范組件，但這些各種組件可在共用平臺(tái)內(nèi)或在互連平臺(tái)中提供。例如，處理組件30、存儲(chǔ)器38和操作員工作站40可集體提供作為配置成根據(jù)本公開的方面操作的通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)或工作站。在此類實(shí)施例中，通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)可相對(duì)于系統(tǒng)10的數(shù)據(jù)采集組件作為單獨(dú)的組件提供，或者可在具有此類組件的共用平臺(tái)中提供。同樣，系統(tǒng)控制器24可作為此種計(jì)算機(jī)或工作站的一部分提供，或者作為專用于圖像采集的單獨(dú)系統(tǒng)的一部分提供。
圖1的系統(tǒng)可用來(lái)對(duì)于繞患者的感興趣區(qū)域的多個(gè)視域采集x射線投影數(shù)據(jù)，以使用投影數(shù)據(jù)重構(gòu)被成像區(qū)域的圖像。具體而言，可使用如本文中討論的基于“負(fù)”字典學(xué)習(xí)的迭代重構(gòu)，迭代重構(gòu)由諸如成像系統(tǒng)10的系統(tǒng)采集的投影數(shù)據(jù)，或以其它方式對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)后處理。
在常規(guī)字典學(xué)習(xí)方式中，使用代表性圖像分塊（即，“原子”）的數(shù)據(jù)庫(kù)（即，“字典”），執(zhí)行圖像重構(gòu)。鼓勵(lì)進(jìn)行重構(gòu)過程以生成與數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖案/分塊具有一些類似性或看上去象來(lái)自字典的圖案的重疊的圖像。也就是說，圖像重構(gòu)過程使用字典圖像作為在迭代圖像重構(gòu)過程中要強(qiáng)調(diào)和強(qiáng)化的期望的結(jié)構(gòu)或目標(biāo)。
相反，本文中討論的本“負(fù)”字典方式包括不合需要的圖像分塊或圖案。負(fù)字典中可表示的不合需要的特征或結(jié)構(gòu)的示例包含但不限于與差圖像質(zhì)量關(guān)聯(lián)的特征或結(jié)構(gòu)，包含噪聲和/或偽影。因此，不同于常規(guī)字典，負(fù)字典在迭代重構(gòu)過程中用來(lái)主動(dòng)抑制或不再?gòu)?qiáng)調(diào)（例如，減去，負(fù)加權(quán)等等）在負(fù)字典中存在的結(jié)構(gòu)或圖案，這在最終圖像中不再?gòu)?qiáng)調(diào)或消除了此類結(jié)構(gòu)。例如，在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，可在重構(gòu)過程中對(duì)負(fù)字典中發(fā)現(xiàn)的圖案進(jìn)行懲罰或負(fù)加權(quán)。相比之下，這與其它方式形成對(duì)比，其中，在同時(shí)主動(dòng)強(qiáng)調(diào)良好或預(yù)期的圖像分塊的同時(shí)，在字典學(xué)習(xí)方式中識(shí)別的差或不合需要的圖像分塊只具有應(yīng)用到（即，不強(qiáng)調(diào)或鈍化）相應(yīng)圖案給定圖案的零權(quán)重。
如本文中所使用的，如下更詳細(xì)討論的一樣，字典是“原子”的集合，其中，每個(gè)原子是學(xué)習(xí)的圖像分塊。圖2中示出字典70的示例。字典70由原子72的集合組成。每個(gè)原子72是字典70中的列，并且用來(lái)學(xué)習(xí)此種字典70的圖像分塊能夠由此類原子72的線性組合表示，其中少量的原子具有非零系數(shù)。此種上下文中的圖像分塊是較小圖像，比如例如8x8圖像。為了學(xué)習(xí)字典70（如下更詳細(xì)討論的一樣），能夠從原患者/對(duì)象圖像或從諸如參考圖像的其它源采樣圖像分塊。
在包含負(fù)字典學(xué)習(xí)方式的字典學(xué)習(xí)方式中，通過學(xué)習(xí)的原子72的線性和來(lái)描述來(lái)自采集的圖像的局部圖像塊（包含或描繪基本結(jié)構(gòu)元素或特征的圖像塊）。此線性表達(dá)式的系數(shù)稱為稀疏系數(shù)(αs)，因?yàn)橹挥邢∈钄?shù)量的這些系數(shù)為非零的。在概念上，原子72構(gòu)成字典70的字詞或基本圖案，作為正則化過程的一部分，迭代處理圖像中的區(qū)域與其進(jìn)行比較或分解到其中。在這個(gè)意義上，字典學(xué)習(xí)采用了信號(hào)（即，圖像）的稀疏表示（如由稀疏表示系數(shù)αs所示）。使用構(gòu)成圖像特征或分量的字典70（本文中表示為d），信號(hào)通過字典元素（即，原子72）的稀疏線性組合來(lái)描述，在負(fù)字典學(xué)習(xí)的情況下，這些元素可以是不合需要的結(jié)構(gòu)或圖像特征，例如與只是應(yīng)用零加權(quán)到此類區(qū)域形成對(duì)比在處理期間可被主動(dòng)抑制或不再?gòu)?qiáng)調(diào)（例如，負(fù)加權(quán)或減去）的特征。
作為示例，在操作中，字典學(xué)習(xí)可嘗試最小化非零稀疏表示系數(shù)的數(shù)量和/或最小化在被采樣圖像的提取的局部分塊與對(duì)應(yīng)負(fù)字典表示之間的擬合誤差，以便識(shí)別和抑制在負(fù)字典內(nèi)發(fā)現(xiàn)的那些圖像分塊的出現(xiàn)。也就是說，在字典學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)中，算法可嘗試最小化未匹配區(qū)域的數(shù)量和最小化建模的分塊的擬合誤差。圖3中示出通過其可使用字典(d)70為輸入圖像(x)74估計(jì)稀疏表示系數(shù)α的稀疏編碼的高級(jí)示例。在此示例中，提取局部圖像分塊rs76（例如，非重疊圖像分塊）并且從每個(gè)分塊76提取平均值(dc)（步驟78）。隨后，為每個(gè)分塊76做出變化是小于ε還是大于或等于ε的確定（判定框80）。如果小于ε，則稀疏系數(shù)αs為0（步驟82）（即，變化由dc值囊括）。如果大于或等于ε，則正交匹配追蹤(omp)用來(lái)（步驟84）根據(jù)下式獲得稀疏系數(shù)αs：
條件為：
其中，αs是稀疏表示系數(shù)，rs是在像素s提取的局部圖像分塊，d是字典，x是輸入圖像，以及ε是目標(biāo)誤差。對(duì)于所有輸入分塊76，稀疏表示系數(shù)αs被確定（步驟86）。
如圖3中所示的那樣確定的稀疏表示系數(shù)αs可用作字典訓(xùn)練過程的一部分，在此實(shí)例中，如圖4中所示，訓(xùn)練可在本文中討論的基于負(fù)字典的重構(gòu)中使用的負(fù)字典。如圖4中所示，作為字典學(xué)習(xí)過程的初始和/或在進(jìn)行部分的一部分，可訓(xùn)練（例如使用k-svd算法）如在本文中使用的字典d70。此訓(xùn)練階段是基于所有分塊能夠由字典的列（原子）線性表示的假設(shè),其中只有稀疏數(shù)量的原子具有非零系數(shù)。這在等式(3)中示出：
其中，參數(shù)
在圖4的所描繪的示例中，字典訓(xùn)練過程涉及提供初始字典（離散余弦變換(dct)）90和已從其中提取均值(dc)的用于訓(xùn)練的收集的圖像分塊92（例如，8x8圖像分塊）集兩者。在步驟94處，基于圖像分塊92和初始字典90，例如使用上述omp方法，更新稀疏碼αs?；诟碌?i>αs，例如通過最小化下式，可逐一更新初始字典原子（步驟96）：
以生成更新的字典98。在本實(shí)現(xiàn)中，字典訓(xùn)練過程用來(lái)訓(xùn)練具有在迭代圖像重構(gòu)期間要不再?gòu)?qiáng)調(diào)或去除的原子或圖像分塊的實(shí)例的負(fù)字典。鑒于上面所述，描述的稀疏編碼和字典學(xué)習(xí)方式可作為開發(fā)和/或更新采用的負(fù)字典的一部分，與本方式一起使用。
鑒于前述，本方式的某些實(shí)現(xiàn)在mbir上下文（例如在低劑量ct圖像重構(gòu)上下文中）中利用基于負(fù)字典的算法，以從重構(gòu)的圖像中降低或去除不合需要的特征。這與其中此類區(qū)域只給定零權(quán)重的常規(guī)方式形成對(duì)比。例如，圖5描繪用于以前技術(shù)的簡(jiǎn)化過程流程，通過以前技術(shù)，不主動(dòng)抑制或去除“差”圖像分塊。在此示例中，基于一個(gè)或更多個(gè)參考圖像，或者從由當(dāng)前檢查導(dǎo)出的樣本圖像112，定義字典70（框110）。在此示例中，為了簡(jiǎn)潔，字典70可被視為具有要強(qiáng)調(diào)的圖像分塊（即，“良好”圖像分塊）和在重構(gòu)中要鈍化或不以其它方式主動(dòng)強(qiáng)調(diào)的圖像分塊（即，“差”圖像分塊）。
在常規(guī)方式中，在投影數(shù)據(jù)118的重構(gòu)（框116）期間，使用字典70。具體而言，在重構(gòu)過程中主動(dòng)增強(qiáng)（框120）（例如，給定正加權(quán)）對(duì)應(yīng)于良好圖像分塊的區(qū)域，而在重構(gòu)過程中對(duì)應(yīng)于差圖像分塊的區(qū)域是不活躍的（框122）（即，給定零權(quán)重或系數(shù)）。基于在重構(gòu)過程中采用的此差分加權(quán)，生成重構(gòu)的圖像124。
如本文中所述并且在圖6的過程流程圖中高級(jí)所示的本方式涵蓋除期望的結(jié)構(gòu)圖像特征的正（即，“良好”）字典142（即，dgood）（實(shí)際上，負(fù)和正字典均可組合為單個(gè)字典）外的負(fù)（即，“差”）字典140（即，dbad）和在負(fù)字典中發(fā)現(xiàn)的那些原子的主動(dòng)抑制的構(gòu)建和使用。例如，如所示，基于一個(gè)或更多個(gè)參考圖像，或者從由當(dāng)前檢查導(dǎo)出的樣本圖像112，可定義負(fù)字典140和正字典142（框110）。
在下面更詳細(xì)描述的本方式中，在投影數(shù)據(jù)118的重構(gòu)（框116）期間使用正字典142和負(fù)字典140兩者。在重構(gòu)過程中主動(dòng)增強(qiáng)（框120）（例如，給定正加權(quán)）對(duì)應(yīng)于在正字典142中發(fā)現(xiàn)的良好圖像分塊的區(qū)域。相反，并且不象上述常規(guī)方式，在重構(gòu)過程中主動(dòng)抑制（例如，給定負(fù)權(quán)重和/或以其它方式處理以去除或減去特征）對(duì)應(yīng)于在負(fù)字典140中發(fā)現(xiàn)的差圖像分塊的區(qū)域（框144）?；谠谥貥?gòu)過程期間負(fù)特征的此主動(dòng)抑制和正特征的主動(dòng)增強(qiáng)，生成重構(gòu)的圖像124。這些方式也涉及通常在圖像重構(gòu)或圖像處理中使用的成本函數(shù)或迭代算法的上下文中負(fù)字典140和正字典142的使用。
關(guān)于負(fù)字典140，可表示多種有害或不合需要的圖像特征或圖案?？杀硎镜膱D像特征的示例包含但不限于與以下所述關(guān)聯(lián)的圖像或圖像分量：偽影或條紋圖案；噪聲圖案；脈沖（即，隔離的高或低值）；環(huán)狀偽影；模糊邊界及其它二維、三維、二維（在不同方向上）或四維圖像圖案。
負(fù)字典140可使用多種方法構(gòu)建。例如，在可視為圖像處理實(shí)現(xiàn)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，通過圖像處理技術(shù)（例如經(jīng)由可操縱濾波）和機(jī)器學(xué)習(xí)，從現(xiàn)有含噪圖像提取偽影和噪聲。作為示例，在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，將給定含噪圖像分解為多個(gè)分量圖像，其中分量對(duì)應(yīng)于特定種類的偽影（例如，條紋、陰影等等）或噪聲。以此方式生成的分量圖像能夠很好地用來(lái)學(xué)習(xí)dbad140。
在可視為基于模擬的方法的另外實(shí)現(xiàn)中，可基于ct模擬為各種幾何和掃描協(xié)議模擬不同紋理的噪聲和不同類型的條紋。隨后，能夠從得到的模擬的含噪圖像中生成負(fù)字典dbad140。
在可視為噪聲插入方法的另一實(shí)現(xiàn)中，能夠?qū)F(xiàn)實(shí)噪聲或條紋添加到測(cè)量或圖像的現(xiàn)有高質(zhì)量數(shù)據(jù)（但則應(yīng)執(zhí)行某一形式的重構(gòu)如果這是在測(cè)量上進(jìn)行的話）。隨后，可從原始圖像中減去噪聲插入圖像，并且得到的差別圖像用來(lái)學(xué)習(xí)dbad140。
雖然上面孤立地描述了學(xué)習(xí)負(fù)字典的這些可能方式，但應(yīng)領(lǐng)會(huì)，這些方式可組合以提供用于學(xué)習(xí)dbad140的混合或組合方式。
關(guān)于正（即，“良好”）字典dgood142，可直接從現(xiàn)有高質(zhì)量圖像學(xué)習(xí)此字典，或者通過使用從其中先減去偽影和/或噪聲分量并且得到的差別圖像用來(lái)學(xué)習(xí)dgood142的圖像來(lái)學(xué)習(xí)此字典。以正字典的原子構(gòu)成在最終重構(gòu)的圖像124中通常預(yù)期（并且因此，在重構(gòu)迭代期間強(qiáng)調(diào)或強(qiáng)化）的圖像結(jié)構(gòu)或特征的理解，其它常規(guī)字典學(xué)習(xí)也可用來(lái)生成正字典142。
如上討論的一樣，本方法合并作為迭代重構(gòu)項(xiàng)的一部分的負(fù)字典140學(xué)習(xí)。作為示例，通過執(zhí)行自組織更新步驟(其引導(dǎo)迭代圖像重構(gòu)遠(yuǎn)離（即，主動(dòng)抑制或負(fù)加權(quán)）在負(fù)字典140中表示的對(duì)于其在重構(gòu)的圖像中觀察到類似性的圖案)，能夠?qū)崿F(xiàn)從負(fù)字典140的學(xué)習(xí)。在此種實(shí)現(xiàn)中，字典學(xué)習(xí)更新能夠與重構(gòu)步驟同時(shí)執(zhí)行，與重構(gòu)步驟交替執(zhí)行，或者在重構(gòu)后作為后處理步驟執(zhí)行。
作為示例，合并負(fù)字典的一個(gè)此種自組織更新步驟可表征為：
后面是：
其中：
以及：
其中，c1和c2對(duì)應(yīng)于用于不同方向的成本函數(shù)，wi是統(tǒng)計(jì)權(quán)重，指數(shù)i是正弦圖指數(shù)，pi是測(cè)量的投影數(shù)據(jù)，lij是系統(tǒng)模型（例如，投影機(jī)-背投影機(jī)）系數(shù)，指數(shù)j是體素指數(shù)，指數(shù)p是圖像分塊指數(shù)，
在不同實(shí)現(xiàn)中，負(fù)字典140能夠用作在迭代重構(gòu)過程中數(shù)據(jù)擬合項(xiàng)的一部分。在此種實(shí)現(xiàn)中，可使用負(fù)字典140將重構(gòu)的圖像分成偽影項(xiàng)和圖像項(xiàng)。也就是說，負(fù)字典140能夠用作迭代重構(gòu)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)據(jù)擬合方面的一部分，以識(shí)別可能是偽影或其它不合需要信號(hào)的圖像的那些方面，其能夠被分為與良好數(shù)據(jù)信號(hào)隨后不擬合的偽影分量。
作為示例，在數(shù)據(jù)擬合項(xiàng)中合并良好和差字典的懲罰加權(quán)最小二乘成本函數(shù)可表征為：
其中，
在另外實(shí)現(xiàn)中，負(fù)字典140可用作在圖像重構(gòu)優(yōu)化中使用的成本函數(shù)中的項(xiàng)。在此種方式中，基于負(fù)字典140的項(xiàng)可相對(duì)于傳統(tǒng)的以前項(xiàng)的符合具有相反的符號(hào)（例如，負(fù)(-)符號(hào)），其中，表示的圖像特征在重構(gòu)期間是預(yù)期的并且得以強(qiáng)化。以這種方式，在圖像重構(gòu)過程中可不再?gòu)?qiáng)調(diào)或減少在負(fù)字典140中表示的特征。
作為示例，合并具有用于差字典成本的相反符號(hào)的項(xiàng)的懲罰加權(quán)最小二乘成本函數(shù)可表征為：
其中，c1被最小化以確定α和β，并且c2被最小化以更新圖像估計(jì)μ。
備選地，成本函數(shù)實(shí)現(xiàn)的另一示例通過下式示出：
其中，在第一步驟中，μ、α和β被更新以便最小化成本函數(shù)c。在隨后步驟中，基于差字典類似性來(lái)更新μ。例如，可更新μ，使得：
此處，項(xiàng)
鑒于前述，并且轉(zhuǎn)到圖7-9，提供用來(lái)從圖像中去除噪聲和偽影的負(fù)字典學(xué)習(xí)方式的示例。在此示例中，圖7描繪使用已知大小、成分和放置的圓形體模162生成的初始圖像160。在其它因素不存在的情況下，體模生成具有已知屬性供在隨后操作中使用的干凈初始圖像。
轉(zhuǎn)到圖8，在此研究中，添加噪聲和模糊到初始圖像160以生成含噪圖像166。具體而言，如含噪圖像166中所示，處理初始圖像160以添加高斯模糊（基于圍繞3像素鄰域）、模擬的像素噪聲和水平與垂直條紋168。
隨后使用合并負(fù)字典140和在包含對(duì)應(yīng)于垂直和水平條紋偽影168的圖像分塊的負(fù)字典140中發(fā)現(xiàn)的圖像分塊的主動(dòng)抑制（例如，負(fù)加權(quán)）的迭代去模糊方式，處理含噪圖像166。如圖9所示，得到的處理的圖像170不再具有已基于在負(fù)字典140中定義的圖像分塊而被主動(dòng)抑制（即，去除）的條紋偽影168。因此，使用本方式的偽影去除和/或抑制導(dǎo)致了圖像改進(jìn)，包含但不限于偽影去除和/或抑制。
本發(fā)明的技術(shù)效果包含在諸如迭代圖像重構(gòu)過程的圖像重構(gòu)過程期間對(duì)要避免或不再?gòu)?qiáng)調(diào)的圖像圖案的數(shù)據(jù)庫(kù)（即，字典）的使用。此種字典可表征為負(fù)或“差”字典。負(fù)字典可用來(lái)約束圖像重構(gòu)過程，以避免或最小化在負(fù)字典中存在的圖案的存在。技術(shù)效果還包含圖像質(zhì)量的改進(jìn)（引起改進(jìn)的診斷值）和/或輻射劑量降低。
本書面描述使用包含最佳模式的示例來(lái)公開本發(fā)明，并且，還使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包含制作并使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的可取得的專利范圍由權(quán)利要求書定義，并且，可包含本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其他示例。如果這類其他示例具有沒有不同于權(quán)利要求的文字語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括具有與權(quán)利要求的文字語(yǔ)言的無(wú)實(shí)質(zhì)差異的等效結(jié)構(gòu)元件，則它們意圖處于權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。