CN105608721B - 计算机断层成像伪影校正方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算机断层成像伪影校正方法及装置，该方法包括：使用计算机断层设备进行模体扫描；设定骨组织由第一物质及第二物质组成，获取不同厚度的所述第一及第二物质组合在断层扫描系统的理论投影值；对该理论投影值进行第一物质硬化校正，获取第一物质硬化校正后投影值；计算不同厚度的所述第一物质及第二物质组合在该断层扫描系统的理想投影值；根据所述第二物质的厚度、第一及第二物质的理想投影值及第一物质硬化校正后投影值，获得骨硬化校正系数；使用所述骨硬化校正系数进行伪影校正。本发明方案能够在具备良好普适性的前提下，高效地去除骨硬化伪影。
Description
【技术领域】
本发明涉及计算机断层成像技术领域，尤其涉及一种计算机断层成像伪影的校正方法及装置。
【背景技术】
计算机断层成像是用射线对人体的特定部位按一定厚度的层面进行扫描，根据不同的人体组织对射线的吸收能力不同，利用计算机重建出断层面图像的技术。
在利用X射线进行计算机断层扫描及重建过程中，因球管产生的X射线具有一定频谱宽度，物质对X射线的吸收系数随X线能量的增大而减小，连续能谱的X射线穿过如人体等被扫描物体后，低能量射线易被吸收，高能量射线较易穿过，射束平均能量会变高，射线逐渐变硬。该种效应称之为射束硬化效应。射束硬化效应的存在，会使图像重建时出现伪影，影响图像的重建质量。因而现有技术在重建图像之前会对投影数据进行基于水模的射线硬化校正，这种校正会将软组织的X射线硬化现象消除，但无法消除由于人体骨头引起的射线硬化伪影，即骨硬化伪影。
已知存在各种针对骨硬化伪影的校正方法：一种是基于图像后处理技术，通过经验参数来消除骨硬化伪影(如：Jiang Hsieh et al,“An iterative approach to thebeam hardening correction in cone beam CT”,Med.Phys.27 1,January 2000)，其弊端在于矫正系数的来源缺乏理论依据，校正准确性及效率较差；另一种是通过预先扫描特制的骨组织仿体来产生矫正系数(如：专利CN01124649.9-计算机层析X射线摄影设备)，其弊端在于通过扫描骨组织仿体得到的系数往往缺乏普适性(不同年龄人群的骨组织成分差异很大，往往不能用同样的矫正系数)。因而，上述方案均不能很好的解决骨硬化伪影问题。
因此，需要提出一种新的计算机断层成像骨硬化伪影校正方法及实施该方法的装置，能够在具备良好普适性的前提下，高效地去除骨硬化伪影。
【发明内容】
本发明解决的是计算机断层成像图像中出现骨硬化伪影的问题。
为解决上述问题，本发明提出一种计算机断层成像骨硬化伪影校正方法，包括：使用计算机断层设备进行模体扫描；设定骨组织由第一物质及第二物质组成，获取不同厚度的所述第一及第二物质组合在断层扫描系统的理论投影值；对该理论投影值进行第一物质硬化校正，获取第一物质硬化校正后投影值；计算不同厚度的所述第一物质及第二物质组合在该断层扫描系统的理想投影值；根据所述第二物质的厚度、第一及第二物质的理想投影值及第一物质硬化校正后投影值，获得骨硬化校正系数；使用所述骨硬化校正系数进行伪影校正。
可选地，还包括：获取使所述模体的测量投影值与理论投影值相等时的每个探测单元对应的等效滤过厚度。
可选地，所述模体为厚度及材料已知的均匀模体。
可选地，所述模体的材料为水或有机玻璃。
可选地，所述第一物质硬化校正包括：计算不同厚度第一物质在该断层扫描系统的理论投影值及理想投影值；对该理论投影值及理想投影值进行多项式拟合，获得第一物质硬化校正系数；使用该第一物质硬化校正系数进行校正。
可选地，所述根据所述第二物质厚度、理想投影值及第一物质硬化校正后投影值，获得骨硬化校正系数包括：以第二物质厚度为自变量，以理想投影值及第一物质硬化校正后投影值之差为因变量进行多项式拟合，获得骨硬化校正系数。
可选地，所述根据所述第二物质厚度、理想投影值及第一物质硬化校正后投影值，获得骨硬化校正系数包括：以第一物质厚度、第二物质厚度为自变量，以理想投影值及第一物质硬化校正后投影值之差为因变量进行曲面拟合，获得骨硬化校正系数。
可选地，所述第一物质为水，所述第二物质为含钙物质。
可选地，所述第二物质为磷酸钙。
本发明还提供一种计算机断层成像骨硬化伪影校正装置，包括：存储单元，存储有使用上述方法所获得的骨硬化伪影校正系数；校正单元，根据扫描数据选择所述校正系数进行骨硬化伪影校正。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：
本方案基于基材料理论，将骨组织认为由两种基材料物质组成，通过一次模体扫描，即可产生具有普适性的矫正系数，只需要在重建过程中应用合适的组织模型，即可得到较好的骨硬化伪影校正效果。
【附图说明】
图1是本发明的计算机断层成像系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例的骨硬化伪影校正方法流程示意图；
图3是本发明一实施例中利用水硬化校正系数进行校正的流程示意图；
图4是本发明一实施例中校正系数表示例。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1是一种计算机断层成像系统的结构示意图，如图1所示，计算机断层成像系统100包括机架110，所述机架110具有围绕系统轴线旋转的可旋转的部分130。可旋转的部分130具有相对设置的X射线源131和X射线探测器132的X射线系统。
计算机断层成像系统100还具有检查床120，在进行检查时，患者在该检查床120上可以沿着Z轴方向被推入到扫描腔体中。X射线源131绕S轴旋转，探测器132相对于X射线源131一起运动，以采集投影测量数据，这些数据在之后被用于重建图像。还可以进行螺旋扫描，在螺旋扫描期间，通过患者沿着S轴的连续运动和X射线源131的同时旋转，X射线源131相对于患者产生螺旋轨迹。
所述计算机断层成像系统100还可以包括控制单元和图像重建单元，所述控制单元用于在扫描过程中根据特定的扫描协议控制计算机断层成像系统100的各部件。所述图像重建单元用于根据探测器132采样的待校正数据重建出图像。
以上，仅以示例方式阐释了可使用本发明所提供骨硬化伪影校正方法的计算机断层成像设备，本领域技术人员理解，其它如使用X射线的C型臂系统等设备，或组合式医学成像系统(例如：组合式正电子发射断层成像-计算机断层成像，Positron EmissionTomography-Computed tomography Tomography,PET-CT)，或使用其它类型射线的断层成像设备等，均可适用本发明所述校正方法及装置，本发明对计算机断层成像设备的类型与结构并不做具体限定。
当受检对象在上述任一种类的计算机断层成像设备中进行扫描成像时，因射束硬化效应的存在会导致骨硬化伪影的存在，影响图像成像质量及导致阅图不便，因而需对此类伪影进行校正。以下，是根据本发明公布方案对骨硬化伪影进行校正的具体实施方式举例：
图2是根据本发明一实施例的骨硬化伪影校正方法流程示意图：
执行步骤S1，使用计算机断层设备进行模体扫描。此处的模体可选择使用厚度及材料已知的均匀模体，优选地，模体的材料可选择与人体软组织化学成分相似的材料，例如水或有机玻璃。
执行步骤S2，获取不同厚度的第一物质及第二物质组合在断层扫描系统的理论投影值。在X射线扫描中，根据基材料分解理论，任何组织的线性衰减系数可以表示为两种基材料的质量衰减系数的线性组合。本方案中设定骨组织由两种不同的物质(基材料)组成，例如，将骨组织认为是一定比例水和另外一种成分的物质混合构成。另外一种成分可优选为含钙量较高的物质(本实施例中选择磷酸钙)。
在对物体进行计算机断层扫描过程中，测量投影值表示探测器实际测到的被扫描物体投影值，理论投影值表示考虑X射线光子能量分布而计算得到的该被扫描物体的投影值，而理想投影值则表示光子能量均为E0时(E0为可配置参数，代表光子能量为单一的该特定值)的X射线经过该物体时的投影值。例如，测量投影值projMeas可表示如下：
公式(1)中，I0和I分别表示入射被扫描物体和透射出被扫描物体的X射线强度。
步骤S1中的模体的理论投影值ProjCal计算公式可表示如下：
公式(2)中，E代表X射线光子能量，S(E)为球管发出的X射线谱，D(E)为断层扫描系统的探测器响应，μfilter(E)和μphan(E)分别为等效滤过材料和模体材料的线性衰减系数，Lfilter为每一探测单元对应的等效滤过厚度，Lphan为步骤S1中扫描的模体厚度。
进一步地，该实施例中，Lfilter为使模体的测量投影值与理论投影值相等时(可在允许误差范围内)的每个探测单元所对应的等效滤过厚度。其可通过迭代的方法求取，例如，迭代修改该厚度值并根据公式(2)计算模体的理论投影值，直到该理论投影值与测量投影值相等时(允许误差范围内)为止。
在步骤S2中，定义ProjCali,j为不同厚度的第一物质及第二物质组合在断层扫描系统的理论投影值，则对于本实施例中的水与磷酸钙组合，其不同厚度组合的理论投影值可通过下述公式计算获得：
其中，μH2O(E)表示水的线性衰减系数，LH2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度，μphospca(E)表示磷酸钙的线性衰减系数，Lphospca,j(j＝0,1,2,…)表示不同的磷酸钙厚度(本说明书公式中，如未做特殊说明，相同符号变量含义均与其它公式相同)。
执行步骤S3，对该理论投影值进行第一物质硬化校正，获取第一物质硬化校正后投影值。对于本实施例中的水与磷酸钙组合，则进行水硬化校正，其可通过产生水硬化校正系数的方法进行。
图3示出了本实施例中利用水硬化校正系数进行水硬化校正的流程：
首先，执行步骤S301，确定不同厚度水的理论投影值。该值ProjCalH2O,i可通过以下公式获得：
其中,μH2O(E)表示水的线性衰减系数，LH2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度。
执行步骤S302，确定不同厚度水的理想投影值。该理想投影值ProjIdealH2O,i可通过以下公式获得：
ProjIdealH2O,i＝μH2O(E0)LH2O,i (5)
式(5)中，μH2O(E0)表示水对于能量为E0的X光子的线性衰减系数，LH2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度。
执行步骤S303，对不同厚度水的理想投影值及理论投影值进行多项式拟合，获得水硬化校正系数。该水硬化校正系数αk可通过以下公式获得：
式(6)中，N1表示多项式阶数，αk(k＝0,1,…)。
最后，执行步骤S304，使用该水硬化校正系数进行校正。针对步骤S2所获得的不同组合的水及磷酸钙组合的理论投影值ProjCali,j，其校正后投影值ProjCorrectedi,j可通过以下公式获得：
其中，αk为步骤S303中得到的水硬化矫正系数，k＝0,1,…。
完成第一物质硬化校正后，继续如图2所示，执行步骤S4，计算不同厚度的第一物质及第二物质组合在该断层扫描系统的理想投影值。本实施例中，该理想投影值ProjIdeali,j可通过以下公式获得：
ProjIdeali,j＝μH2O(E0)LH2O,i+μphospca(E0)Lphospca,j (8)
其中，μH2O(E0)表示水对于能量为E0的X光子的线性衰减系数，μphospca(E0)表示磷酸钙对于能量为E0的X光子的线性衰减系数，LH2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度，Lphospca,j(j＝0,1,2,…)表示不同的磷酸钙厚度。
执行步骤S5，根据所述第二物质的厚度、第一及第二物质的理想投影值及第一物质硬化校正后投影值，获得骨硬化校正系数。本实施例中，针对水与磷酸钙的组合，分别以水的厚度LH2O,i(i＝0,1,2,…)，磷酸钙的厚度Lphospca,j(j＝0,1,2,…)为自变量，以步骤S4中获取的不同厚度的水和磷酸钙组合的理想投影值和步骤S3中获得的水硬化矫正后投影值之差为因变量，进行曲面拟合，获得拟合参数作为骨硬化矫正系数，该过程可依据以下公式实现：
ProjErrori,j＝ProjIdeali,j-ProjCorrectedi,j＝f(LH2O,i,Lphospca,j) (9)
式(9)中，f(LH2O,i,Lphospca,j)为以LH2O,i(i＝0,1,2,…)和Lphospca,j(j＝0,1,2,…)为自变量的曲面函数。
根据本实施例的一个变化例，也可以磷酸钙厚度Lphospca,j(j＝0,1,2,…)为自变量，以步骤S4中获取的不同厚度的水和磷酸钙组合的理想投影值和步骤S3中获得的水硬化矫正后投影值之差为因变量进行多项式拟合，产生骨硬化矫正系数，该变化例过程可依据以下公式实现：
式(10)中，下标i0表示水的厚度为固定值LH2O,i0，N2为多项式阶数，βk(k＝0,1,…,N2)为多项式系数。
执行步骤S6，使用该骨硬化伪影校正系数进行伪影校正。根据步骤S5获取的校正系数可以图4所示形式存储于计算机断层扫描设备重建单元中，扫描重建时，根据扫描对象选择相应的骨组织模型(不同成分比例组合的基材料模型)，再根据骨组织模型提取原始图像中X射线经过的基材料的等效厚度，来选择对应的骨伪影校正系数进行校正，即可得到较好的骨硬化伪影去除效果。
例如，使用该伪影校正系数进行校正的一种实施方式可以为：接收扫描数据，并基于该扫描数据重建待校正图像及该待校正图像的参照图像；对该参照图像的像素点赋予第一物质比例，并基于该第一物质比例获取该参照图像的第一物质基图；对该第一物质基图及该参照图像进行投影，获取该投影操作每一投影射线对应的第一物质等效长度；根据所述每一投影射线对应的第一物质等效长度，确定伪影校正系数表中的伪影校正系数；使用该伪影校正系数对所述待校正图像进行伪影校正。
相应地，本发明也提出了一种骨硬化伪影校正装置，包括：存储单元，存储有根据上述方法所获得的骨硬化伪影校正系数；校正单元，根据扫描数据选择所述校正系数进行骨硬化伪影校正。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括但不限于：软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、磁卡或光卡、闪存、或适于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。
本发明中，各实施例采用递进式写法，重点描述与前述实施例的不同之处，各实施例中的相同方法或结构参照前述实施例的相同部分。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种计算机断层成像伪影校正方法，其特征在于，包括：
使用计算机断层设备进行模体扫描；
设定骨组织由第一物质及第二物质组成，获取不同厚度的所述第一及第二物质组合在断层扫描系统的理论投影值；
对该理论投影值进行第一物质硬化校正，获取第一物质硬化校正后投影值；
计算不同厚度的所述第一物质及第二物质组合在该断层扫描系统的理想投影值；
根据所述第二物质的厚度、第一及第二物质的理想投影值及第一物质硬化校正后投影值，获得骨硬化校正系数；
使用所述骨硬化校正系数进行伪影校正。
2.根据权利要求1所述的伪影校正方法，其特征在于，还包括：
获取使所述模体的测量投影值与理论投影值相等时的每个探测单元对应的等效滤过厚度。
3.根据权利要求1所述的伪影校正方法，其特征在于，所述模体为厚度及材料已知的均匀模体。
4.根据权利要求2所述的伪影校正方法，其特征在于，所述模体的材料为水或有机玻璃。
5.根据权利要求1所述的伪影校正方法，其特征在于，所述第一物质硬化校正包括：
计算不同厚度第一物质在该断层扫描系统的理论投影值及理想投影值；
对该理论投影值及理想投影值进行多项式拟合，获得第一物质硬化校正系数；
使用该第一物质硬化校正系数进行校正。
6.根据权利要求1所述的伪影校正方法，其特征在于，所述根据所述第二物质厚度、理想投影值及第一物质硬化校正后投影值，获得骨硬化校正系数包括：
以第二物质厚度为自变量，以理想投影值及第一物质硬化校正后投影值之差为因变量进行多项式拟合，获得骨硬化校正系数。
7.根据权利要求1所述的伪影校正方法，其特征在于，所述根据所述第二物质厚度、理想投影值及第一物质硬化校正后投影值，获得骨硬化校正系数包括：
以第一物质厚度、第二物质厚度为自变量，以理想投影值及第一物质硬化校正后投影值之差为因变量进行曲面拟合，获得骨硬化校正系数。
8.根据权利要求1所述的伪影校正方法，其特征在于，所述第一物质为水，所述第二物质为含钙物质。
9.根据权利要求8所述的伪影校正方法，其特征在于，所述第二物质为磷酸钙。
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