CN113192155A - 螺旋ct锥束扫描图像重建方法、扫描系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医学成像技术领域,公开了一种螺旋CT锥束扫描图像重建方法、扫描系统及存储介质,方法包括步骤:创建CT扫描数据集:选定多个CT扫描系统的螺距,在每个选定螺距下,采集低排数投影数据和高排数投影数据;对数据进行预处理生成训练集:对投影数据进行重建,得到对应的低排数重建图像和高排数重建图像并对其进行坐标转换,将对应的螺距值存储为独立的螺距模型和权重文件;设计网络结构:神经网络的输出端设计能够根据不同的螺距动态调整卷积核的数量Meta‑learning模块。本发明能够实现对任意螺距伪影抑制,提高目标图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域,具体涉及一种螺旋CT锥束扫描图像重建方法、扫描系统及存储介质。
背景技术
CT医学成像系统自20世纪70年代发明了之后经过了长足的进步,扫描速度从开始要 几分钟到现在的0.2秒。探测器排数也从开始的单排双排,到现在的64排,128排,甚至256排。这其中的变化不单单是系统硬件的升级换代,系统的图像重建技术也带来了革 命性的变化。初期的CT系统由于只有一排探测器,所以X射线束是扇形束,所用到的重 建技术也都是二维的扇形束重建技术。因为每次只能扫描一层,整个扫描需要很长的时 间,后来多排CT引入就是为了加快扫描的速度,比如16排,32排的系统以及锥束CT, 128排,256排等,这时候X射线也变成了三维的锥形束。
螺旋CT的引入可以连续地采集数据,对物体进行容积扫描三维重建,不仅缩短了扫 描时间,而且提升了图像质量。和之前的几何结构和扫描方式有了些区别,所以必须要用螺旋锥形束重建技术来重建图像。虽然锥形束精确重建技术的数学理论已经被提出来很久,但是由于算法的复杂性,还是没有能够普遍的应用到系统中。目前主流产品中所 应用的锥形束重建技术都是基于FDK算法的近似算法。除了这些解析类的算法之外,还 有应用迭代重建算法来减少误差,改善图像质量。
螺旋CT扫描方式扩展了CT的临床应用,针对不同的扫描部位通常会设置不同的扫描螺距,例如心脏扫描的螺距为0.1到0.3,胸腹部扫描螺距为1.0到1.5,头部扫描螺距0.5到1.0等。重建误差和锥角(正比于探测器的排数)的平方成正比,所以在锥角(探测器 排数)比较小的时候FDK类方法还能够得到比较好的效果(小于等于16排)。但是当探测器 排数增大到128甚至256排的时候就会带来很大的误差,而且不同螺距下伪影表现形式不 一样。导致图像不能够满足临床诊断的要求(图3)。文献【1】(A three-dimensional-weightedcone beam filtered backprojection(CB-FBP)algorithm for image reconstructionin olumetric CT—helical scanning)中通过3D weighting的方式来减少伪影,该方法针对不同的螺距需 要调整不同的weighting,且在大锥角的情况下该方法不能达到令人满意图像质量。如图3所示,常规方法在128排的几何结构下会造成严重的锥形束伪影,从左到右依次为螺距 0.5,1.0,1.5。
现有基于深度学习的方法,都是基于卷积神经网络。卷积神经网络的优点是,空间不变性,因此能够用比较小的网络来达到比较好的处理效果。但这也是卷积网络最大的 弱点,因为图像重建中所遇到的伪影是随着空间位置的变化,不同位置的伪影的强度、 方向、样式都会不断的变换。因此目前的基于AI的方法都还存在着这个缺陷。
文献【2】(Cone Beam Artifacts Correction in Multidetector ComputedTomography Using Deep Neural Networks,The 6th International Conference onImage Formation in X-Ray Computed Tomography,Hao Zhao,Yanyan Liu,and GuotaoQuan)提出的锥束伪影 的抑制技术。该方法还是基于图像域的处理,在输入端增加了锥角map。该方法增加了 注意力机制,但是没有考虑神经网络的空间不变性,而且不适用螺旋扫描的情况。迭代 算法虽然能够改善图像质量,但是算法的计算量很大,很难满足临床的实际应用。
发明内容
技术目的:为克服上述不足,本发明提供了一种螺旋CT锥束扫描图像重建方法、扫描系统及存储介质,其能够减少锥形束伪影对图像质量带来的影响,进一步提高图像 质量。
技术方案:为实现上述技术目的,本发明采用了如下技术方案:
一种螺旋CT锥束扫描图像重建方法,其特征在于,包括步骤:
(1)、创建CT扫描数据集:选定多个CT扫描系统的螺距,在每个选定螺距下, 分别用低排数和高排数的CT扫描系统对患者同一部位进行扫描,得到同一部位对应的 低排数投影数据和高排数投影数据;
(2)、数据预处理生成训练集:收集不同扫描部位的投影数据,分别对低排数投 影数据和高排数投影数据进行重建,得到对应的螺距值、低排数重建图像和高排数重建 图像;对低排数重建图像和高排数重建图像进行坐标变换,将图像由直角坐标系转移到 具有平移不变性的坐标系中,得到对应的低排数变换图像、高排数变换图像;
与低排数变换图像、高排数变换图像对应的CT扫描系统的螺距值,存储为独立的螺距模型weights文件;
(3)、设计网络结构和损失函数:构建神经网络作为螺旋锥束伪影抑制网络,所 述神经网络的输出端设计Meta-learning模块;步骤(2)中得到的高排变换图像作为神 经网络的第一输入,对应的螺距模型weights文件作为神经网络的第二输入、低排数变 换图像作为神经网络的输出图像;Meta-learning模块用于根据不同的螺距动态调整卷积 核的数量;
(4)、网络训练:将训练集和测试集数据输入到神经网络进行训练;训练过程中,使用仿射变换和弹性变换进行数据增广,最后训练完成,得到网络的网络参数;将训练 好的网络,部署到实际的CT系统中;
(5)、在所述CT扫描系统中对患者进行CT扫描,扫描部位重建出高排数图像, 输入到神经网络中,得到目标图像,供医生查阅。
作为优选,所述神经网络采用卷积神经网络。
作为优选,所述步骤(2)中,坐标变换采用小波变换、曲波变换、轮廓波变换或 极坐标变换中的任一种。
作为优选,所述步骤(3)中,损失函数采用均方误差损失函数,公式如下:
其中,Pn为预测图中像素n的值,gn为真实图中像素n的值,N为图中像素总数。
作为优选,所述步骤(4)中,神经网络使用Adam优化器、以初始学习率为0.001 进行训练。
作为优选,所述步骤(1)中,通过数值模拟仿真的方式,分别用低排数和高排数 的CT扫描系统,对数字体膜进行CT投影仿真,得到对比数据集。
一种扫描系统,执行所述方法,其特征在于,包括:
CT扫描模块,包括低排数CT设备和高排数CT设备,用于对患者进行扫描,得到 对应的低排数投影数据和高排数投影数据;
图像重建模块,用于对低排数投影数据和高排数投影数据进行重建,得到对应的低 排数重建图像和高排数重建图像;
图像处理模块,用于对低高排数重建图像和高排数重建图像进行坐标转换,将图像 由直角坐标系转移到具有平移不变性的坐标系中,得到对应的低排数变换图像和高排数 变换图像;并将此时对应的CT扫描系统的螺距值存储为一个螺距模型weights文件;
神经网络模块,将高排数变换图像及其对应的螺距模型weights文件分别作为第一 输入和第二输入,经神经网络处理后输出伪影得到抑制的目标图像;
图像输出模块,用于输出供医生查阅的目标图像。
一种存储介质,其特征在于:所述存储介质存储有至少一个可被处理器执行的指令, 其中至少一个指令被处理器执行时,用于执行所述螺旋CT锥束扫描图像重建方法。
有益效果:由于采用了上述技术方案,本发明具有如下技术效果:
本发明通过结合深度学习和传统重建的方法来处理图像,不同于常规的基于深度学 习的图像处理方法,其基于Meta-learning,对任意pitch动态预测滤波器的权重,不同螺 距只需要存储一个模型weights文件,能够实现对任意螺距伪影抑制,提高目标图像质量。
附图说明
图1为本发明方法应用在U-net神经网络中的网络模型示意图;
图2为本发明方法中Meta-learning Module的结构示意图;
图3为传统方法在128排的几何结构下的重建图像的示意图,从左至右分别对应不同 螺距0.5、1.0、1.5;
图4为本发明方法与传统方法重建图像的对比图,其中上层三幅为传统方法对应的 图像、下图为本发明对应的图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
本发明的目的通过深度学习结合传统重建的方法来处理图像。不同于常规的基于深 度学习的图像处理方法(输入只有原始图像,这个图像经过网络处理之后,就是输出的图像)。螺旋CT重建伪影的位置和强度随螺距成周期性变化。这里为了能够达到更好的 效果,首先把图像经过变换到更加具有平移不变空间中,如把图像进行旋转变换,保持 伪影在同一个位置。输入的数据和目标图像都首先经过对应变换到新的空间中,然后在 新的空间中进行训练。传统深度学习的方法需要把不同螺距看作是独立的任务,然后分 别训练模型,保存独立的模型和权重文件,使用起来不方便。螺旋锥束CT伪影与螺距相 关,本发明基于Meta-learning,对任意pitch动态预测滤波器的权重,即神经网络卷积核 的权重参数;不同螺距只需要存储一个模型weights文件,实现对任意螺距伪影抑制。
1、首先创建CT扫描数据集:包括各个部位的常规任意螺距CT扫描数据,分别用低排数和高排数(比如128排)的CT对同一部位进行扫描,此外,也可以是通过数值模拟仿 真的方式,分别用低排数和高排数CT系统,对数字体膜进行CT投影仿真,得到对比数 据集。一般来说,低排数CT指探测器排数在32排及以下的CT设备,高排数CT指探测器 排数在128排及以上的CT设备。
2、数据预处理生成训练集:对输入数据和目标数据进行旋转变换,保持每个病人的锥束伪影在同一位置。由于伪影在位置上是具有周期性的、与扫描角度相关,按照重 建中心旋转某一角度就能保证每个病人的伪影在同一位置。
3、设计网络结构和损失函数:如图1和图2所示,构建神经网络作为螺旋锥束伪影抑制网络,该网络有两个输入:高排数CT系统重建图像及其对应的pitch(螺距)值,网 络输出端提出一个Meta Learning Module,根据不同的螺距动态调整卷积核的数量。 MetaLearning Module针对不同的螺距pitch,通过调整卷积层conv中卷积核的数量,使 得抑制不同螺距的伪影效果达到最佳,提高鲁棒性。Meta Learning Module共享特征,相 辅相成,提升精度,即Meta Learning Module针对不同螺距,会有多个分支(每个分支仅 只有卷积核的数量不同),该多个分支的输入均为一个特征图,所以说Meta Learning Module共享一个特征图。
卷积神经网络处理数据是分批处理的,图2中,Batch是批的意思,Batch就是每批处理的样本的个数。inC、inH、inW表示当前特征图的通道数、高度和宽度。inC*pitch 表示针对不同的螺距(pitch),调整卷积核的数量。
损失函数采用均方误差损失,公式如下:
其中,LMSE中,pn为预测图中像素n的值,gn为真实图中像素n的值,N为图中像 素总数。
4、网络训练:将训练集和测试集数据输入到网络中,网络使用Adam优化器、初始学习率为0.001进行训练,训练过程中,使用仿射变换和弹性变换进行数据增广,最后训 练完成得到网络的网络参数。Adam优化器,是计算和更新每个神经网络参数的自适应 学习的一种方法,利用梯度的一阶矩估计和二阶矩估计动态调整每个参数的学习率。
5、训练好的网络,并部署到实际的系统中,扫描部位重建出高排数图像,输入到网络中,得到目标图像。测试结果如图4所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员 来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种螺旋CT锥束扫描图像重建方法,其特征在于,包括步骤:
(1)、创建CT扫描数据集:选定多个CT扫描系统的螺距,在每个选定螺距下,分别用低排数和高排数的CT扫描系统对患者同一部位进行扫描,得到同一部位对应的低排数投影数据和高排数投影数据;
(2)、数据预处理生成训练集:收集不同扫描部位的投影数据,分别对低排数投影数据和高排数投影数据进行重建,得到对应的螺距值、低排数重建图像和高排数重建图像;对低排数重建图像和高排数重建图像进行坐标变换,将图像由直角坐标系转移到具有平移不变性的坐标系中,得到对应的低排数变换图像、高排数变换图像;
与低排数变换图像、高排数变换图像对应的CT扫描系统的螺距值,存储为独立的螺距模型weights文件;
(3)、设计网络结构和损失函数:构建神经网络作为螺旋锥束伪影抑制网络,所述神经网络的输出端设计Meta-learning模块;步骤(2)中得到的高排变换图像作为神经网络的第一输入,对应的螺距模型weights文件作为神经网络的第二输入、低排数变换图像作为神经网络的输出图像;Meta-learning模块用于根据不同的螺距动态调整卷积核的数量;
(4)、网络训练:将训练集和测试集数据输入到神经网络进行训练;训练过程中,使用仿射变换和弹性变换进行数据增广,最后训练完成,得到网络的网络参数;将训练好的网络,部署到实际的CT系统中;
(5)、在所述CT扫描系统中对患者进行CT扫描,扫描部位重建出高排数图像,输入到神经网络中,得到目标图像,供医生查阅。
2.根据权利要求1所述的螺旋CT锥束扫描图像重建方法,其特征在于:所述神经网络采用卷积神经网络。
3.根据权利要求1所述的螺旋CT锥束扫描图像重建方法,其特征在于:所述步骤(2)中,坐标变换采用小波变换、曲波变换、轮廓波变换或极坐标变换中的任一种。
5.根据权利要求1所述的螺旋CT锥束扫描图像重建方法,其特征在于:所述步骤(4)中,神经网络使用Adam优化器、以初始学习率为0.001进行训练。
6.根据权利要求1所述的螺旋CT锥束扫描图像重建方法,其特征在于:所述步骤(1)中,通过数值模拟仿真的方式,分别用低排数和高排数的CT扫描系统,对数字体膜进行CT投影仿真,得到对比数据集。
7.一种扫描系统,执行权利要求1-6任一所述方法,其特征在于,包括:
CT扫描模块,包括低排数CT设备和高排数CT设备,用于对患者进行扫描,得到对应的低排数投影数据和高排数投影数据;
图像重建模块,用于对低排数投影数据和高排数投影数据进行重建,得到对应的低排数重建图像和高排数重建图像;
图像处理模块,用于对低高排数重建图像和高排数重建图像进行坐标转换,将图像由直角坐标系转移到具有平移不变性的坐标系中,得到对应的低排数变换图像和高排数变换图像;并将此时对应的CT扫描系统的螺距值存储为一个螺距模型weights文件;
神经网络模块,将高排数变换图像及其对应的螺距模型weights文件分别作为第一输入和第二输入,经神经网络处理后输出伪影得到抑制的目标图像;
图像输出模块,用于输出供医生查阅的目标图像。
8.一种存储介质,其特征在于:所述存储介质存储有至少一个可被处理器执行的指令,其中至少一个指令被处理器执行时,用于执行如权利要求1至6中任一所述螺旋CT锥束扫描图像重建方法。
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CN116740218A (zh) * | 2023-08-11 | 2023-09-12 | 南京安科医疗科技有限公司 | 一种心脏ct成像图像质量优化方法、设备及介质 |
CN116740218B (zh) * | 2023-08-11 | 2023-10-27 | 南京安科医疗科技有限公司 | 一种心脏ct成像图像质量优化方法、设备及介质 |
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CN113192155B (zh) | 2023-09-26 |
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