CN113192155B - 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-weighted conebeam filtered backprojection (CB-FBP) algorithm for image reconstruction inolumetric 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，为预测图中像素n的值，/>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。
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，中，/>为预测图中像素n的值，/>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；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：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。
4.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（3）中，损失函数采用均方误差损失函数，公式如下：
，
其中，为预测图中像素n的值，/>为真实图中像素n的值，N为图中像素总数。
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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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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