CN101510298B - 一种ct伪影的综合校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CT伪影的综合校正方法，采集一组CT重建所需的投影图像后依次进行暗场校正、暗场波动校正、增益不一致校正、增益波动校正、坏象素校正、散射校正、射束硬化校正和数字图像滤波降噪；对经上述综合处理后的投影图像进行CT重建，得到伪影减少质量改善的切片图像。本发明避免了单独考虑某种因素而进行校正的片面性，系统地校正了CT图像中由于DR成像的因素造成的伪影，显著提高了CT图像的质量。

Description

一种CT伪影的综合校正方法

技术领域

本发明涉及一种CT伪影的综合校正方法，属于CT技术领域。

背景技术

CT(Computed Tomography)技术利用射线(一般为X射线)透射被检测物体，并在探测器上获取一组投影图像，再配合相应的重建算法得到物体的切片图像。目前研究和应用的CT可分为二维CT和三维CT两大类，根据扫描和重建方式的不同又可进行相应的细分。CT技术具有对物体整体(外部和内部)进行检测的能力，在医学和工业等领域已得到广泛应用。

从CT系统的成像原理可知，许多因素会影响CT图像的质量，其中伪影是一个重要方面。根据CT切片伪影的不同表现形式，可以将其大致划分为以下四种：(1)Streaking(可称为条状伪影)，主要与探测器(包括暗电流、增益、非线性和辐射损伤等)、检测对象的移动和金属物质引起的数据损失等因素有关；(2)Shading(可称为阴影伪影)，主要与部分容积效应、散射效应、探测器的余晖效应和物体截断等因素有关；(3)Rings(可称为环状伪影)，主要与探测器的响应不一致、响应不稳定等因素有关；(4)Cupping(可称为杯状伪影)，主要与射束硬化有关。

可见，CT切片的主要伪影来自于射线数字成像(Digital Radiography，DR)过程，即将获取的非理想投影图像直接用于CT重建所造成的。DR成像的一般过程为：射线机发射射线照射物体，射线与物体相互作用(包括瑞利散射、光电效应、康普顿散射和电子对效应等)而导致衰减，衰减后的透射射线以及由于衰减而生成的散射射线共同到达平板探测器，射线与闪烁体作用产生可见光，然后可见光通过光电二极管、薄膜晶体管、电荷放大器等电子器件由光信号转化为电信号，最后由A/D转换电路将电信号转换成数字图象信号，并作为投影图像保存到计算机硬盘。

关于CT伪影校正的文献有很多，但绝大部分都是仅针对某一特定方面进行研究，而实际上要想基本消除切片图像中的伪影以使图像质量接近理想状态，一般不可能仅通过某一种校正就能实现。因此，研究CT伪影的综合校正方法就显得非常必要。

发明内容

为了克服现有技术仅针对某一特定方面进行校正的不足，本发明提供了一种CT伪影的综合校正方法，按照一定的顺序比较全面地考虑了量子噪声、电路噪声、暗场、暗场波动、增益不一致、增益波动、散射和射束硬化等因素对投影图像质量的影响(投影图像的质量直接影响到重建切片图像的质量)，避免了单独考虑某种因素而进行校正的片面性，以使CT图像的伪影得到尽可能地消除或减少，最终提高CT图像的质量。

本发明根据DR成像的一般过程，将引起伪影的相关因素分为四大部分：探测器伪影、散射伪影、射束硬化伪影和无处不在的噪声，其中探测器伪影主要包括暗场、暗场波动、增益不一致和增益波动，噪声主要包括射线量子噪声、探测器电路噪声和校正方法带入的噪声。针对DR成像过程中可能引起伪影的这些因素，本发明提出一种CT伪影的综合校正方法，包括下列步骤：

(1)在满足CT投影图像基本要求的前提下，根据CT设备性能与扫描情况，采取适当的抑噪措施，采集一组CT重建所需的投影图像；

(2)对上一步中的投影图像进行暗场校正，校正方法为各投影图像分别与平均暗场图像相应象素的灰度相减，平均暗场图像由CT扫描前采集的若干幅暗场图像按对应象素灰度叠加求和并平均来得到；

(3)对经上一步处理后的投影图像进行暗场波动校正，校正方法采用公开的“锥束CT系统中平板探测器图像的抗干扰校正方法”；

(4)对经上一步处理后的投影图像进行增益不一致校正；

(5)对经上一步处理后的投影图像进行增益波动校正；

(6)对经上一步处理后的投影图像进行坏象素校正，校正方法可根据公知技术进行；

(7)对经上一步处理后的投影图像进行散射校正，校正方法可根据公知技术进行；

(8)对经上一步处理后的投影图像进行射束硬化校正，校正方法可根据公知技术进行；

(9)对经上一步处理后的投影图像进行数字图像滤波降噪，以进一步降低原始的噪声和上述校正处理可能带入的噪声，滤波方法可根据公知技术进行；

(10)对经上述综合处理后的投影图像进行CT重建，得到伪影减少质量改善的切片图像。

上述的CT伪影的综合校正方法不仅可以应用于二维CT，还可以应用于三维CT。

在上述方法第1步中，CT投影图像的基本要求是：在采集的所有投影图像中，射线均可有效穿透被扫描物体，并在无物体投影的空白区域不达到曝光饱和。抑噪主要是为了减少射线量子噪声和探测器电路噪声对投影图像质量的影响，措施包括增大射线源管电流、增大积分时间和投影图象多幅叠加三种，具体采用哪一种或者哪几种需根据CT设备性能与扫描情况而定。

在上述方法第4步中，投影图像增益不一致校正的公式为

${G3}_i^{\′}(x,y)=\frac{{G3}_i(x,y)\·\frac{1}{M\×N}\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S}(x,y)}{\stackrel{\‾}{S}(x,y)-\stackrel{\‾}{B}(x,y)}$

其中 $\stackrel{\‾}{S}(x,y)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j(x,y)$ 为平均无物体空白曝光图像中位于(x，y)的象素灰度，S_j(x，y)是第j幅无物体空白曝光图像中位于(x，y)的象素灰度，n是图像幅数，一般取值为10～50；B(x，y)为平均暗场图像中位于(x，y)的象素灰度，G3_i(x，y)为第3步处理后的第i幅投影图像中位于(x，y)的象素灰度，G3′_i(x，y)为增益不一致校正后的象素灰度，M×N为图像分辨率。

在上述方法第5步中，考虑到增益波动一般是整幅投影图像的灰度整体变大或者变小，因此采用的增益波动校正方法为：在投影图像中无物体投影的空白区域选取若干个5×5至15×15的小矩形区域(一般在投影图像的上侧和下侧各选取一个相同大小的矩形区域)，然后对该组所有投影图像中位于选取区域的象素灰度求平均，得到一个表示正常灰度水平的灰度值P；设第i幅投影图像中位于选取区域的象素灰度均值为P_i，则增益波动校正的计算式为

${G4}_i^{\′}(x,y)=\frac{P\·{G4}_i(x,y)}{P_i}$

其中G4_i(x，y)为第4步处理后的第i幅投影中位于(x，y)的象素灰度，G4′_i(x，y)为增益波动校正后的象素灰度。

本发明的有益效果是：从DR成像的角度比较全面地依次对CT系统中的量子与电路噪声、暗场、暗场波动、增益不一致、增益波动、坏象素、散射、射束硬化和处理过程带入的噪声等不利因素进行了抑制和校正，避免了单独考虑某种因素而进行校正的片面性，系统地校正了CT图像中由于DR成像的因素造成的伪影，显著提高了CT图像的质量。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明CT伪影综合校正流程；

图2为综合校正过程中的切片图像相同位置灰度比较。

具体实施方式

对一个材质为铁的被检测物体，应用本发明方法对其CT伪影进行综合校正，执行以下步骤：

(1)在满足CT投影图像基本要求的前提下，根据CT设备性能与扫描情况，采取增大射线源管电流的抑噪措施，采集一组CT重建所需的投影图像共360幅；

(2)对上一步中的投影图像进行暗场校正，校正方法为各投影图像分别与平均暗场图像相应象素的灰度相减，平均暗场图像由CT扫描前采集的12幅暗场图像按对应象素灰度叠加求和并平均来得到；

(3)对经上一步处理后的投影图像进行暗场波动校正，校正方法采用公开的“锥束CT系统中平板探测器图像的抗干扰校正方法”；

(4)对经上一步处理后的投影图像进行增益不一致校正，校正公式为

${G3}_i^{\′}(x,y)=\frac{{G3}_i(x,y)\·\frac{1}{M\×N}\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S}(x,y)}{\stackrel{\‾}{S}(x,y)-\stackrel{\‾}{B}(x,y)}$

其中 $\stackrel{\‾}{S}(x,y)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j(x,y)$ 为平均无物体空白曝光图像中位于(x，y)的象素灰度，B(x，y)为平均暗场图像中位于(x，y)的象素灰度，G3_i(x，y)为第3步处理后的第i幅投影图像中位于(x，y)的象素灰度，G3′_i(x，y)为增益不一致校正后的象素灰度，n＝16，M＝1024，N＝1024。

(5)对经上一步处理后的投影图像进行增益波动校正，考虑到增益波动一般是整幅投影图像的灰度整体变大或者变小，因此采用的增益波动校正方法为：在投影图像的上侧和下侧无物体投影的空白区域各选取一个9×9的小矩形区域，然后对该组所有投影图像中位于选取区域的象素灰度求平均，得到一个表示正常灰度水平的灰度值P；设第i幅投影图像中位于选取区域的象素灰度均值为P_i，则增益波动校正的计算式为

${G4}_i^{\′}(x,y)=\frac{P\·{G4}_i(x,y)}{P_i}$

其中G4_i(x，y)为第4步处理后的第i幅投影中位于(x，y)的象素灰度，G4′_i(x，y)为增益波动校正后的象素灰度；

(6)对经上一步处理后的投影图像进行坏象素校正，校正方法采用公知的3×3坏像素模板标记查补法；

(7)对经上一步处理后的投影图像进行散射校正，校正方法采用公开的“一种锥束CT系统的散射测定和校正方法”；

(8)对经上一步处理后的投影图像进行射束硬化校正，校正方法采用公开的“基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正方法”；

(9)对经上一步处理后的投影图像进行数字图像滤波降噪，以进一步降低原始的噪声和上述校正处理可能带入的噪声，滤波方法为高斯加权；

(10)对经上述综合处理后的投影图像进行CT重建，得到伪影减少质量改善的切片图像。

图2为综合校正过程中的切片图像相同位置灰度比较，可见随着校正种类的增加，切片图像中的伪影逐渐减少，最后经伪影综合校正后的图像中的伪影得到基本消除，切片图像的对比度和清晰度显著提高，表明本发明方法是切实可行的。

Claims (4)

1.一种CT伪影的综合校正方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)在满足CT投影图像基本要求的前提下，根据CT设备性能与扫描情况采取抑噪措施，采集一组CT重建所需的投影图像；

(2)对上一步中的投影图像进行暗场校正，校正方法为各投影图像分别与平均暗场图像相应象素的灰度相减，平均暗场图像由CT扫描前采集的若干幅暗场图像按对应象素灰度叠加求和并平均来得到；

(3)对经上一步处理后的投影图像进行暗场波动校正，校正方法采用公开的锥束CT系统中平板探测器图像的抗干扰校正方法；

(4)对经上一步处理后的投影图像进行增益不一致校正；

(5)对经上一步处理后的投影图像进行增益波动校正；

(6)对经上一步处理后的投影图像进行坏象素校正；

(7)对经上一步处理后的投影图像进行散射校正；

(8)对经上一步处理后的投影图像进行射束硬化校正；

(9)对经上一步处理后的投影图像进行数字图像滤波降噪；

(10)对经上述综合处理后的投影图像进行CT重建，得到伪影减少质量改善的切片图像。

2.根据权利要求1所述的一种CT伪影的综合校正方法，其特征在于：所述的步骤(1)中CT投影图像的基本要求是：在采集的所有投影图像中，射线均有效穿透被扫描物体，并在无物体投影的空白区域不达到曝光饱和；抑噪措施包括增大射线源管电流、增大积分时间和投影图象多幅叠加。

3.根据权利要求1所述的一种CT伪影的综合校正方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，投影图像增益不一致校正的公式为

其中 

为平均无物体空白曝光图像中位于(x，y)的象素灰度，S_j(x，y)是第j幅无物体空白曝光图像中位于(x，y)的象素灰度，n是图像幅数， 

为平均暗场图像中位于(x，y)的象素灰度，G3_i(x，y)为第3步处理后的第i 幅投影图像中位于(x，y)的象素灰度，G3′_i(x，y)为增益不一致校正后的象素灰度，M×N为图像分辨率。

4.根据权利要求1所述的一种CT伪影的综合校正方法，其特征在于：所述的步骤(5)中采用的增益波动校正方法为：在投影图像中无物体投影的空白区域选取若干个5×5至15×15的小矩形区域，然后对该组所有投影图像中位于选取区域的象素灰度求平均，得到一个表示正常灰度水平的灰度值P；设第i幅投影图像中位于选取区域的象素灰度均值为P_i，则增益波动校正的计算式为 其中G4_i(x，y)为第4步处理后的第i幅投影中位于(x，y)的象素灰度，G4′_i(x，y)为增益波动校正后的象素灰度。 

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