CN103445803B - 基于正弦图的ct系统射束硬化消除方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法，包括如下步骤：获得CT投影图像数据；将扫描对象从CT机的检台移除，扫描获得CT亮场图像数据，并计算出所述CT亮场图像数据的平均亮场图像数据；扫描获得CT暗场图像数据，并计算出所述CT暗场图像数据的平均暗场图像数据；对CT投影图像数据进行预处理及坐标变换，得到投影数据正弦图并进行滤波处理和校正；基于校正后的投影数据正弦图进行CT图像重建。上述基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统，在进行CT图像重建之前会对CT投影图像数据进行一系列处理，从而提高了CT投影图像数据与实际的吻合度，因此上述基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统能够精确地消除射束硬化。

Description

基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统

技术领域

本发明涉及CT技术领域，特别是涉及一种基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统。

背景技术

射束硬化是由X射线束能谱的多能性和衰减系数与能量的相关性造成的。多能X射线穿过物体时，能量较低的X光子由于光电效应优先被吸收，使得穿透物质的X射线高能成分比例增加，表现为X射线的平均能量升高，从而使X射线随贯穿长度的增加，具有更强的穿透能力，频谱分布的峰值向较高的能量方向移动，这就是射束硬化效应。它会导致密度均匀的被测物体切片在重建CT图像上表现为亮度不一，图像上的灰度值分布呈中间黑边缘亮的“茶杯”状，即“杯状”伪影。

因此，射束硬化消除方法是近年来国际CT成像领域的研究热点。中国专利申请号200410009800.6提出了一种“基于原始投影正弦图的CT射束硬化校正方法”。在该专利中，提出一种基于原始投影正弦图的CT射束硬化消除方法，不需要事先进行建模扫描和计算，不受扫描对象和扫描条件限制，校正程序简单、实时，不需要特定校正硬件。但是由于该方法的校正程序过于简单，无法做到精确地消除射束硬化。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够精确地消除射束硬化的基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统。

一种基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法，包括如下步骤：

将扫描对象置于CT机的检台，对扫描对象进行360度CT扫描，获得CT投影图像数据；

将扫描对象从CT机的检台移除，扫描获得CT亮场图像数据，并计算出所述CT亮场图像数据的平均亮场图像数据；

扫描获得CT暗场图像数据，并计算出所述CT暗场图像数据的平均暗场图像数据；

基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理；

对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图；

对投影数据正弦图进行滤波处理；

对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正；以及

基于校正后的投影数据正弦图进行CT图像重建。

在其中一个实施例中，在所述基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理的步骤中，使用的预处理方法如下：

$B_i=\log \left(\frac{\stackrel{\‾}{F}-\stackrel{\‾}{D}}{A_i-\stackrel{\‾}{D}}\right),(i=1,...,360);$

其中，表示平均亮场图像数据，表示平均暗场图像数据，A_i(i＝1，...，360)表示CT投影图像数据，B_i(i＝1，...，360)表示经过预处理的CT投影图像数据。

在其中一个实施例中，所述对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图的步骤包括：

以CT探测器的探测通道为横坐标，以扫描角度为纵坐标，将经过预处理的CT投影图像数据变换为投影数据正弦图。

在其中一个实施例中，所述对投影数据正弦图进行滤波处理的步骤包括：

基于投影数据正弦图选取1*9的一维滤波器；

使用所述1*9的一维滤波器对投影数据正弦图中的像素按照如下公式进行逐一判断：

$\mathrm{Low}\≤|{\stackrel{\‾}{M}}_{\mathrm{edge}}-{\stackrel{\‾}{M}}_{\mathrm{middle}}|\≤\mathrm{High};---\left(1\right)$

其中，Low和High是系统常数，由所述1*9的一维滤波器两端共4个像素的灰度值取均值得到，由所述1*9的一维滤波器中间5个像素的灰度值取均值得到，当且仅当投影数据正弦图中的像素满足公式（1）时，进行如下操作：

$\left\{\begin{array}{cccc}\mathrm{if}& ({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}<0,& \mathrm{then}& c_{s,t}=c_{s,t}-|({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}|\\ \mathrm{if}& ({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}\&GreaterEqual;0,& \mathrm{then}& c_{s,t}=c_{s,t}-|({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5+c_{s,t}|\end{array}\right.$

其中，c_s，t为所述1*9的一维滤波器中间像素的灰度值。

在其中一个实施例中，所述对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正的步骤包括：

获取经过滤波后的投影数据正弦图中每一行像素灰度值的最小值，并将所有行像素灰度值的最小值保存至第一数组；

计算经过滤波后的投影数据正弦图中每一行所有像素灰度值的和，同时获取经过滤波后的投影数据正弦图中每一行像素灰度值的最大值，用经过滤波后的投影数据正弦图中每一行所有像素灰度值的和除以相应行中像素灰度值的最大值，并将计算结果保存至第二数组；

将第一数组与第二数组中对应位置的元素相乘，并将计算结果保存至第三数组；

将第三数组中所有元素乘以松弛因子，得到修正后的第三数组；以及

将经过滤波后的投影数据正弦图与修正后的第三数组中对应位置的元素相减，得到校正后的投影数据正弦图。

在其中一个实施例中，在所述将第三数组中所有元素乘以松弛因子，得到修正后的第三数组的步骤中，所述松弛因子的取值范围为0～2。

另外，还有必要提供一种基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统，其包括扫描单元、处理单元和重建单元，所述扫描单元、处理单元和重建单元顺次连接，所述扫描单元用于获取CT投影图像数据、CT亮场图像数据和CT暗场图像数据，所述处理单元基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理，并对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图，处理单元再对投影数据正弦图进行滤波处理，并对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正，所述重建单元用于基于校正后的投影数据正弦图进行CT图像重建。

在其中一个实施例中，所述处理单元包括预处理单元、变换单元、滤波单元以及校正单元，所述预处理单元用于基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理，所述变换单元用于对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图，所述滤波单元用于对投影数据正弦图进行滤波处理，所述校正单元用于对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正。

在其中一个实施例中，所述滤波单元为一维滤波单元或者二维滤波单元。

在其中一个实施例中，所述基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统还包括第一存储单元、第二存储单元和第三存储单元，所述第一存储单元、第二存储单元和第三存储单元均连接于所述处理单元，用于存储所述校正单元对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正产生的数据。

上述基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统，在进行CT图像重建之前会对CT投影图像数据进行预处理、坐标变换、滤波以及校正，从而提高了CT投影图像数据与实际的吻合度，因此上述基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统能够精确地消除射束硬化。

附图说明

图1为一个实施例的基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法的流程图；

图2为一个实施例的对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正的流程图；

图3为一个实施例的基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统的模块图。

具体实施方式

为了解决目前基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法无法做到精确地消除射束硬化的问题，本实施方式提供了一种基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统。下面结合具体的实施例，对基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法进行具体的描述。

请参考图1，本实施方式提供的基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法100，包括如下步骤：

步骤S110：将扫描对象置于CT机的检台，对扫描对象进行360度CT扫描，获得CT投影图像数据。在本步骤中，扫描对象可以是某一需要扫描的物体，将扫描对象放在CT机的检台上之后，开启CT机对扫描对象进行360度CT圆周扫描，获得360个角度对应的CT投影图像数据，并将这360个CT投影图像数据记为A_i(i＝1，...，360)。

步骤S120：将扫描对象从CT机的检台移除，扫描获得CT亮场图像数据，并计算出所述CT亮场图像数据的平均亮场图像数据。在本步骤中，将扫描对象从CT机的检台上拿走之后，使用与步骤S110中相同的电压、电流和曝光时间等CT机参数进行CT扫描，得到一系列CT亮场图像数据，对各幅亮场图像数据叠加并取平均后，得到CT亮场图像数据的平均亮场图像数据，并将平均亮场图像数据记为。

步骤S130：扫描获得CT暗场图像数据，并计算出所述CT暗场图像数据的平均暗场图像数据。在本步骤中，在不开X射线的情况下，再次进行CT扫描，得到一系列CT暗场图像数据，对各幅暗场图像数据叠加并取平均后，得到平均暗场图像数据，并将平均暗场图像数据记为

步骤S140：基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理。在本步骤中，使用的预处理方法如下：

$B_i=\log \left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{F}-\stackrel{\&OverBar;}{D}}{A_i-\stackrel{\&OverBar;}{D}}\right),(i=1,...,360);$

其中，B_i(i＝1，...，360)表示经过预处理的CT投影图像数据。

本步骤将360个CT投影图像数据逐一处理，得到360个经过预处理的CT投影图像数据B_i(i＝1，...，360)。

步骤S150：对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图。在本实施方式中，CT探测器使用的是平板探测器。在本步骤中，以平板探测器的每一行探测通道为横坐标，以扫描角度为纵坐标，将经过预处理的CT投影图像数据变换为投影数据正弦图C_j(j＝1，...，n)。

步骤S160：对投影数据正弦图进行滤波处理。滤波处理需选取滤波器，滤波器可以是一维滤波器，也可以是二维滤波器。在本实施方式中，选取的是1*9的一维滤波器。基于1*9的一维滤波器对投影数据正弦图进行滤波处理的具体方法如下：

在投影数据正弦图C_j(j＝1，...，n)上逐行从左至右依次取9个像素构成滤波器。而该滤波器的中心像素，也就是第5个像素，作为每次要判断的像素点。使用该1*9的一维滤波器对投影数据正弦图C_j(j＝1，...，n)中的像素按照如下公式进行逐一判断：

$\mathrm{Low}\&le;|{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}-{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}}|\&le;\mathrm{High};---\left(1\right)$

其中，Low和High是系统常数，由所述1*9的一维滤波器两端共4个像素的灰度值取均值得到，由所述1*9的一维滤波器中间5个像素的灰度值取均值得到，当且仅当投影数据正弦图中的像素满足公式（1）时，进行如下操作：

$\left\{\begin{array}{cccc}\mathrm{if}& ({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}<0,& \mathrm{then}& c_{s,t}=c_{s,t}-|({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}|\\ \mathrm{if}& ({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}\&GreaterEqual;0,& \mathrm{then}& c_{s,t}=c_{s,t}-|({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5+c_{s,t}|\end{array}\right.$

其中，c_s，t为所述1*9的一维滤波器中间像素的灰度值。

本步骤主要就是对投影数据正弦图C_j(j＝1，...，n)进行滤波，并得到经过滤波后的投影数据正弦图D_j。

步骤S170：对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正。请结合图2，在本步骤中，对经过滤波后的投影数据正弦图D_j进行校正具体包括如下步骤：

步骤S171：获取经过滤波后的投影数据正弦图中每一行像素灰度值的最小值，并将所有行像素灰度值的最小值保存至第一数组。在本步骤中，将经过滤波后的投影数据正弦图D_j中每一行像素灰度值的最小值全部存储到一维数组a中。

步骤S172：计算经过滤波后的投影数据正弦图中每一行所有像素灰度值的和，同时获取经过滤波后的投影数据正弦图中每一行像素灰度值的最大值，用经过滤波后的投影数据正弦图中每一行所有像素灰度值的和除以相应行中像素灰度值的最大值，并将计算结果保存至第二数组。在本步骤中，将计算结果存储到一维数组b中。

步骤S173：将第一数组与第二数组中对应位置的元素相乘，并将计算结果保存至第三数组。在本步骤中，也就是将数组a与数组b中对应位置的元素相乘，并将计算结果存储到一维数组c中。

步骤S174：将第三数组中所有元素乘以松弛因子，得到修正后的第三数组。在本步骤中，松弛因子的取值范围为0～2。松弛因子的取值可以根据实际需要进行选择。

步骤S175：将经过滤波后的投影数据正弦图与修正后的第三数组中对应位置的元素相减，得到校正后的投影数据正弦图。在本步骤中，将得到的校正后的投影数据正弦图记为E_j。

步骤S180：基于校正后的投影数据正弦图进行CT图像重建。在本步骤中，将步骤S175中得到的投影数据正弦图E_j送入CT重建动态库即可进行CT图像重建。

同时，还提供了一种基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统。请参考图3，该基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统包括扫描单元210、处理单元220和重建单元230。扫描单元210、处理单元220和重建单元230顺次连接。

扫描单元210用于获取CT投影图像数据、CT亮场图像数据和CT暗场图像数据。

处理单元220包括预处理单元222、变换单元224、滤波单元226以及校正单元228。预处理单元222用于基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理。变换单元224用于对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图。滤波单元226用于对投影数据正弦图进行滤波处理。滤波单元226可以是一维滤波单元或者二维滤波单元。校正单元228用于对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正。在本实施方式中，平均亮场图像数据和平均暗场图像数据由处理单元220根据CT亮场图像数据和CT暗场图像数据计算得到，且处理单元220中所有涉及对图像数据的处理过程均与前述基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法中对图像数据的处理方法相一致，此处不再赘述。

重建单元230用于基于校正后的投影数据正弦图进行CT图像重建。

此外，基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统还包括存储单元240。在本实施方式中，存储单元240包括第一存储单元、第二存储单元和第三存储单元。第一存储单元、第二存储单元和第三存储单元均连接于处理单元220，用于存储校正单元对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正产生的数据。进一步地，第一存储单元、第二存储单元和第三存储单元分别用于存放基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法中提及的数组a、数组b和数组c。

上述基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统，在进行CT图像重建之前会对CT投影图像数据进行预处理、坐标变换、滤波以及校正，从而提高了CT投影图像数据与实际的吻合度，因此上述基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法及其系统能够精确地消除射束硬化。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法，包括如下步骤：

将扫描对象置于CT机的检台，对扫描对象进行360度CT扫描，获得CT投影图像数据；

将扫描对象从CT机的检台移除，扫描获得CT亮场图像数据，并计算出所述CT亮场图像数据的平均亮场图像数据；

扫描获得CT暗场图像数据，并计算出所述CT暗场图像数据的平均暗场图像数据；

基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理；

对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图；

对投影数据正弦图进行滤波处理；

对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正；以及

基于校正后的投影数据正弦图进行CT图像重建；

所述基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理的步骤中，使用的预处理方法如下：

$B_i=\log \left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{F}-\stackrel{\&OverBar;}{D}}{A_i-\stackrel{\&OverBar;}{D}}\right),(i=1,...,360);$

其中，表示平均亮场图像数据，表示平均暗场图像数据，A_i(i＝1,...,360)表示CT投影图像数据，B_i(i＝1,...,360)表示经过预处理的CT投影图像数据；

所述对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正的步骤包括：

获取经过滤波后的投影数据正弦图中每一行像素灰度值的最小值，并将所有行像素灰度值的最小值保存至第一数组；

计算经过滤波后的投影数据正弦图中每一行所有像素灰度值的和，同时获取经过滤波后的投影数据正弦图中每一行像素灰度值的最大值，用经过滤波后的投影数据正弦图中每一行所有像素灰度值的和除以相应行中像素灰度值的最大值，并将计算结果保存至第二数组；

将第一数组与第二数组中对应位置的元素相乘，并将计算结果保存至第三数组；

将第三数组中所有元素乘以松弛因子，得到修正后的第三数组；以及

将经过滤波后的投影数据正弦图与修正后的第三数组中对应位置的元素相减，得到校正后的投影数据正弦图。

2.根据权利要求1所述的基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法，其特征在于，所述对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图的步骤包括：

以CT探测器的探测通道为横坐标，以扫描角度为纵坐标，将经过预处理的CT投影图像数据变换为投影数据正弦图。

3.根据权利要求1所述的基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法，其特征在于，所述对投影数据正弦图进行滤波处理的步骤包括：

基于投影数据正弦图选取1*9的一维滤波器；

使用所述1*9的一维滤波器对投影数据正弦图中的像素按照如下公式进行逐一判断：

$\mathrm{Low}\&le;|{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}-{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}}|\&le;\mathrm{High};---\left(1\right)$

其中，Low和High是系统常数，由所述1*9的一维滤波器两端共4个像素的灰度值取均值得到，由所述1*9的一维滤波器中间5个像素的灰度值取均值得到，当且仅当投影数据正弦图中的像素满足公式(1)时，进行如下操作：

$\left\{\begin{array}{cccc}\mathrm{if}& ({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}<0,& \mathrm{then}& c_{s,t}=c_{s,t}-|({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}|\\ \mathrm{if}& ({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5-c_{s,t}\&GreaterEqual;0,& \mathrm{then}& c_{s,t}=c_{s,t}-|({\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{edge}}+{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\mathrm{middle}})\&times;0.5+c_{s,t}|\end{array}\right.$

其中，c_s,t为所述1*9的一维滤波器中间像素的灰度值。

4.根据权利要求1所述的基于正弦图的CT系统射束硬化消除方法，其特征在于，在所述将第三数组中所有元素乘以松弛因子，得到修正后的第三数组的步骤中，所述松弛因子的取值范围为0～2。

5.一种基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统，其特征在于，包括扫描单元、处理单元和重建单元，所述扫描单元、处理单元和重建单元顺次连接，所述扫描单元用于获取CT投影图像数据、CT亮场图像数据和CT暗场图像数据，所述处理单元基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理，并对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图，处理单元再对投影数据正弦图进行滤波处理，并对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正，所述重建单元用于基于校正后的投影数据正弦图进行CT图像重建；

所述处理单元包括预处理单元、变换单元、滤波单元以及校正单元，所述预处理单元用于基于平均亮场图像数据和平均暗场图像数据对CT投影图像数据进行预处理，所述变换单元用于对经过预处理的CT投影图像数据进行坐标变换，得到投影数据正弦图，所述滤波单元用于对投影数据正弦图进行滤波处理，所述校正单元用于对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正。

6.根据权利要求5所述的基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统，其特征在于，所述滤波单元为一维滤波单元或者二维滤波单元。

7.根据权利要求5所述的基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统，其特征在于，所述基于正弦图的CT系统射束硬化消除系统还包括第一存储单元、第二存储单元和第三存储单元，所述第一存储单元、第二存储单元和第三存储单元均连接于所述处理单元，用于存储所述校正单元对经过滤波后的投影数据正弦图进行校正产生的数据。