CN114886450A - 一种基于射束阻挡板的cbct散射伪影校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，将由高原子序数材料加工制成的射束阻挡板安装在CBCT成像系统上，获得阻挡区域CBCT投影信号和开放区域CBCT投影信号，阻挡区域CBCT投影信号包含两部分，被射束阻挡板遮挡区域的测量散射信号和遮挡区域之间的由阻挡原射信号和阻挡散射信号组成的阻挡总投影信号；开放区域CBCT投影信号包含由开放原射信号和开放散射信号组成的开放总投影信号；利用测量散射信号校正阻挡总投影信号，得到阻挡原射信号；利用阻挡原射信号计算开放原射信号；将开放原射信号从开放总投影信号中减去，得到开放散射信号，平滑处理得到开放区域的最终散射信号，并进行散射校正，对最终原射信号进行降噪处理并重建得到校正CBCT图像。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像技术领域，具体涉及一种基于射束阻挡板的锥束计算机断层扫描(cone beam computed tomography，CBCT)散射伪影校正方法。
背景技术
CBCT成像系统主要由X射线管，平板探测器，旋转系统和图像处理系统组成。由于具有体积小，成本低，易于集成，单圈三维容积成像等优势，CBCT成像系统被广泛地在临床上推广使用，如现有的牙科CBCT，乳腺CBCT，C-arm和图像引导放疗设备上的机载CBCT等。然而，随着扫描视野的增大，平板探测器会接收到更多的散射信号，这会导致CBCT图像存在严重的散射伪影，极大地降低CBCT的图像质量，限制了基于CBCT的临床应用的发展。为提高CBCT图像质量,不同的散射校正算法被提出，这些散射校正算法可以分为基于硬件和基于软件的两大类。基于硬件的散射校正算法是通过修改现有的成像系统来达到抑制散射信号或者校正散射信号的目的。基于射束阻挡板的散射校正方法是一个典型的方法，在该类方法中，通常是在光源和扫描物体之间安装射束阻挡板，测量出散射信号，从而进行散射校正。为了更好地测量散射信号，射束阻挡板应用的相关参数也不断地被优化，这些参数主要包括阻挡板的厚度，射束阻挡板中高原子序数材料的布局，射束阻挡板在成像系统中放置的位置。在现有的方法中，在阻挡区域中被高原子序数遮挡住的信号被认为是测量散射信号，这些散射信号被平滑处理之后，直接被用于散射校正。但是，在使用射束阻挡板和不使用射束阻挡板的情况下，扫描物体曝光体积是不同的，导致散射信号强度的在两种情况下不同。如果直接使用测量散射信号进行散射校正，得到的CBCT图像中依然存在明显的散射伪影。因此，为了达到良好的校正效果，现有基于射束阻挡器的散射校正方法需要将测量散射信号乘以一个校正因子来补偿散射信号强度的差异。然而该校正因子通常是经验性决定的，在实际应用中，需要不断测试来进行优化，并且优化过程中的停止条件并没有客观条件，导致现有方法在实际应用中耗时较长，校正效果不稳定，难以在临床上推广应用。本发明提出一种不需要校正因子，且稳定高效的基于射束阻挡板的CBCT散射校正方法。
发明内容
本发明技术解决问题：克服了现有方法校正效果对校正因子高度依赖的问题，提供一种基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，在不需要校正因子的经验性优化过程的前提下，仍然可以快速准确地估计出散射信号，有效地解决了现有方法对散射信号强度校正因子的高度依赖，从而实现高效稳定地获取高质量CBCT图像的目的。
本发明的技术解决方案为：一种基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，包括以下步骤：
步骤1：首先将由高原子序数材料加工制成的射束阻挡板安装在CBCT成像系统上，通过扫描获得阻挡区域的CBCT投影信号和开放区域的CBCT投影信号；其中，阻挡区域CBCT投影信号包含两部分信号，即被高原子序数材料遮挡区域的测量散射信号和遮挡区域之间的由阻挡原射信号和阻挡散射信号组成的阻挡总投影信号；开放区域CBCT投影信号仅包含由开放原射信号和开放散射信号组成的开放总投影信号；
步骤2：对测量散射信号进行平滑处理，得到阻挡总投影信号中的散射信号，利用该计算得散射信号对阻挡总投影信号进行散射校正，得到阻挡区域总投影信号的阻挡原射信号；
步骤3：利用阻挡原射信号计算出开放区域CBCT投影信号中的开放原射信号；
步骤4：将开放原射信号从开放总投影信号中减去，得到开放区域CBCT投影的开放散射信号；
步骤5：对开放散射信号进行平滑处理，得到开放区域的最终散射信号，然后对开放总投影信号进行散射校正，得到开放区域CBCT投影的最终原射信号；
步骤6：对最终原射信号进行降噪处理并重建得到校正CBCT图像。
所述步骤1中，射束阻挡板中高原子序数材料的厚度至少能阻挡掉99.9％的X射线球管的出射信号；射束阻挡板采用全束阻挡板或者半束阻挡板；
当射束阻挡板为全束阻挡板时，射束阻挡板在探测器上的投影范围应大于扫描物体在探测器上投影的最大范围；在使用全束阻挡板的情形下，扫描物体需要进行扫描两次以获取数据，一次是在成像系统安装全束阻挡板的情形下，进行扫描以获得阻挡区域CBCT投影信号，另一次是在成像系统没有安装全束阻挡板的情形下，进行扫描以获得开放区域CBCT投影信号；扫描模式为CBCT全扫描模式和CBCT短扫描模式；
当射束阻挡板为半束阻挡板时，为保证获得足够的成像数据，半束阻挡板阻挡区域在探测器上的投影在长度方向上应小于探测器长度的一半，半束阻挡板阻挡区域在探测器上的投影在宽度方向上应大于扫描物体在探测器上的投影宽度；半束阻挡板在阻挡区域的信号为阻挡区域CBCT投影信号，在未阻挡区域为开放区域CBCT投影信号；在安装半束阻挡板的情况下，对应扫描模式是CBCT全扫描模式。
所述步骤2、3、4中，测量散射信号被用于阻挡总投影信号的散射校正，然后利用散射校正得到的阻挡原射信号计算出开放原射信号，进而利用开放原射信号计算出开放散射信号。
所述步骤3中，利用阻挡区域的阻挡原射信号，计算得到射线在扫描物体中的衰减系数，然后通过射线在扫描物体中的衰减系数计算出开放区域CBCT投影中的开放原射信号。
所述步骤2、5中，平滑过程采用滤波，插值或者和滤波与插值相结合的方式实现，平滑之后需要对平滑散射信号进行阈值处理，阈值处理通过软阈值或者硬阈值算法实现。
所述步骤6中，所述降噪处理通过最小惩罚权重二乘法，滤波或者迭代的方式进行，重建通过FDK、迭代或者深度学习网络实现。
本发明与现有的散射校正方法相比的优点在于：
(1)本发明充分利用现有方法中未使用的高原子序数材料遮挡区域之间的阻挡总投影信号。该阻挡总投影信号在本发明方法中用来计算开放区域的散射信号，从而避免估计散射信号的准确性对校正因子的高度依赖。在现有的方法中，只有高原子序数材料遮挡部分的测量散射信号被利用，该测量散射信号与校正因子相乘后，直接被认为是开放区域的开放散射信号。然而在本发明提出的方法中，高原子序数材料遮挡部分的测量散射信号被用于高原子序数材料遮挡区域之间的阻挡总投影信号的散射校正，从而获得高原子序数材料遮挡区域之间的阻挡原射信号，该阻挡原射信号被用来估计开放区域的开放散射信号。
(2)本发明方法通过利用散射阻挡板中高原子序数材料遮挡区域之间的阻挡总投影信号，准确地计算出开放区域的散射信号，避免了射束阻挡板本身对开放区域散射信号估计的影响，从而可以快速稳定地获取准确的散射信号，进而保证散射校正后的图像准确性。
(3)本发明中所提出的散射校正方法避免了现有方法中的校正因子优化过程，从而现有方法中所需要的散射校正和图像质量评估的多次迭代计算流程，在本发明方法中是不需要的。因此，本发明方法极大地简化了图像处理过程，提高了图像散射校正效率。
附图说明
图1是集成射束阻挡板的锥束CT成像系统的示意图；
图2是射束阻挡板的结构示意图，(a)是全束阻挡板，(b)是半束阻挡板；
图3是本发明的基于射束阻挡板的锥束CT散射伪影校正方法的实现流程图；
图4是本发明方法和现有方法在全束阻挡板情况下的Catphan@600体模散射校正结果对比图；
图5是本发明方法和现有方法在半束阻挡板情况下的Catphan@600体模散射校正结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，将图2中的射束阻挡板安装在x射线光源前端，然后对物体进行扫描，之后按图3中的散射伪影校正方法流程图执行。本方法的实施需要CBCT成像系统的几何参数设置和通过成像系统获得的扫描物体在阻挡区域CBCT投影信号和扫描物体在开放区域CBCT投影信号以及对应的空场扫描数据。
如图3所示，本发明方法具体实施如下：
步骤1：首先将由高原子序数材料加工制成的射束阻挡板安装在现有的CBCT成像系统上，通过扫描获得阻挡区域的CBCT投影信号和开放区域的CBCT投影信号；阻挡区域CBCT投影信号包含两部分信号，即被高原子序数材料遮挡区域的测量散射信号和遮挡区域之间的由阻挡原射信号和阻挡散射信号组成的阻挡总投影信号；开放区域CBCT投影信号仅包含由开放原射信号和开放散射信号组成的开放总投影信号。
当射束阻挡板为全束阻挡板时，射束阻挡板在探测器上的投影范围应大于扫描物体在探测器上投影的最大范围；在使用全束阻挡板的情形下，扫描物体需要进行扫描两次以获取数据，一次是在成像系统安装全束阻挡板的情形下，进行扫描以获得阻挡区域CBCT投影信号，另一次是在成像系统没有安装全束阻挡板的情形下，进行扫描以获得开放区域CBCT投影信号；扫描模式为CBCT全扫描模式和CBCT短扫描模式；
当射束阻挡板为半束阻挡板时，为保证获得足够的成像数据，半束阻挡板阻挡区域在探测器上的投影在长度方向上应小于探测器长度的一半，半束阻挡板阻挡区域在探测器上的投影在宽度方向上应大于扫描物体在探测器上的投影宽度；半束阻挡板在阻挡区域的信号为阻挡区域CBCT投影信号，在未阻挡区域为开放区域CBCT投影信号；在安装半束阻挡板的情况下，对应扫描模式是CBCT全扫描模式。
步骤2：对测量散射信号进行平滑处理，得到阻挡总投影信号中的散射信号，利用该计算得散射信号对阻挡总投影信号进行散射校正，得到阻挡区域总投影信号的阻挡原射信号。在计算过程中平滑采用滤波，插值或者和滤波与插值相结合的方式实现，平滑之后需要对平滑散射信号进行阈值处理，阈值处理通过软阈值或者硬阈值算法实现。本实施例中使用局域滤波对阻挡散射信号进行平滑处理，然后使用软阈值算法对阻挡散射信号进行阈值处理。
步骤3：利用阻挡区域的阻挡原射信号，计算得到射线在扫描物体中的衰减系数，然后通过射线在扫描物体中的衰减系数计算出开放区域CBCT投影中的开放原射信号。
步骤4：将开放原射信号从开放总投影信号中减去，得到开放区域CBCT投影的开放散射信号。
步骤5：对步骤4计算出的开放散射信号进行平滑处理，得到最终散射信号。然后，将最终散射信号从开放总投影信号中减去得到开放区域的原射信号。计算过程中平滑采用滤波，插值或者和滤波与插值相结合的方式实现，平滑之后需要对平滑散射信号进行阈值处理，阈值处理通过软阈值或者硬阈值算法实现。本实施例中使用局域滤波对开放散射信号进行平滑处理并使用软阈值算法计算得到最终散射信号。
步骤6：对步骤5得到的最终原射信号进行降噪处理，并重建得到校正的CBCT图像。降噪处理可以通过最小惩罚权重二乘法，滤波或者迭代的方式进行，重建可以通过FDK,迭代或者深度学习网络实现。本实施例中使用最小惩罚权重二乘法对最终原射信号进行降噪，使用FDK算法对降噪后的最终原射信号进行三维重建。
如图4所示，本发明方法和现有方法在全束阻挡板情况下的Catphan@600体模散射校正结果对比图；第一列从左到右分别为作为参考图像的扇束CT，没有经过散射校正的CBCT图像和本发明所提出方法校正的CBCT图像，第二列是现有方法使用不同校正因子所得到校正CBCT图像，在实验过程中，如果以CT值准确性为准，现有方法的最优的校正因子F取值为1.3。从现有方法的CBCT图像中可以看出，CBCT图像亮暗程度和校正因子的取值相关，这意味着使用不同的校正因子，CBCT图像中相同组织结构的CT值会有明显差异，说明现有的方法在实际应用中效果是不稳定的。在现有方法的实施过程中，为了寻找最优的校正因子，需要不断地将整个校正流程进行迭代并对图像进行评估，导致现有方法实际应用中处理过程复杂且耗时。此外，在临床应用中，待重建的CBCT图像通常没有真值作为参考，最优的校正因子也很难客观地决定，导致现有的方法很难在临床上实施。
如图5所示，本发明方法和现有方法在半束阻挡板情况下的Catphan@600体模散射校正结果对比图；从左到右分别为作为本发明所提出方法校正的CBCT图像和现有方法使用不同校正因子所得到校正CBCT图像。从图像上可以看出，现有方法校正的CBCT图像和全束阻挡器的情况下的CBCT图像存在一样的问题。然而，因为半束阻挡器对散射信号的影响是不均匀的，在全束阻挡板情形下使用的常数校正因子在半束阻挡器下是不足够的。如图中箭头所提出，额外的不均匀伪影出现在现有方法校正的CBCT图像中。可以猜测，在半束阻挡板的情况下，使用一个矩阵对校正因子进行优化，是可以克服半束阻挡器对散射信号的影响的，但该优化过程势必更为复杂，在临床上应用也更为艰难。而本发明方法不需要这个优化迭代过程，依然可以快速准确得到高质量的CBCT图像。
总之，本发明充分利用了射束阻挡板中高原子序数材料遮挡区域之间的信号，避免了射束阻挡板对散射估计的影响，在不需要对测量信号强度进行优化的情况下，可以准确地得到散射信号，简化了散射估计流程，提高了基于射束阻挡板的散射校正效率。该发明所提出的散射校正方法可以集成于使用射束阻挡板进行散射校正的CBCT成像系统中，来提高散射校正效果的稳定性和效率。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：首先将由高原子序数材料加工制成的射束阻挡板安装在CBCT成像系统上，通过扫描获得阻挡区域的CBCT投影信号和开放区域的CBCT投影信号；其中，阻挡区域CBCT投影信号包含两部分信号，即被高原子序数材料遮挡区域的测量散射信号和遮挡区域之间的由阻挡原射信号和阻挡散射信号组成的阻挡总投影信号；开放区域CBCT投影信号仅包含由开放原射信号和开放散射信号组成的开放总投影信号；
步骤2：对测量散射信号进行平滑处理，得到阻挡总投影信号中的散射信号，利用该计算得散射信号对阻挡总投影信号进行散射校正，得到阻挡区域总投影信号的阻挡原射信号；
步骤3：利用阻挡原射信号计算出开放区域CBCT投影信号中的开放原射信号；
步骤4：将开放原射信号从开放总投影信号中减去，得到开放区域CBCT投影的开放散射信号；
步骤5：对开放散射信号进行平滑处理，得到开放区域的最终散射信号，然后对开放总投影信号进行散射校正，得到开放区域CBCT投影的最终原射信号；
步骤6：对最终原射信号进行降噪处理并重建得到校正CBCT图像。
2.根据权利要求1所述的基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，其特征在于：所述步骤1中，射束阻挡板中高原子序数材料的厚度至少能阻挡掉99.9％的X射线球管的出射信号；射束阻挡板采用全束阻挡板或者半束阻挡板；
当射束阻挡板为全束阻挡板时，射束阻挡板在探测器上的投影范围应大于扫描物体在探测器上投影的最大范围；在使用全束阻挡板的情形下，扫描物体需要进行扫描两次以获取数据，一次是在成像系统安装全束阻挡板的情形下，进行扫描以获得阻挡区域CBCT投影信号，另一次是在成像系统没有安装全束阻挡板的情形下，进行扫描以获得开放区域CBCT投影信号；扫描模式为CBCT全扫描模式和CBCT短扫描模式；
当射束阻挡板为半束阻挡板时，为保证获得足够的成像数据，半束阻挡板阻挡区域在探测器上的投影在长度方向上应小于探测器长度的一半，半束阻挡板阻挡区域在探测器上的投影在宽度方向上应大于扫描物体在探测器上的投影宽度；半束阻挡板在阻挡区域的信号为阻挡区域CBCT投影信号，在未阻挡区域为开放区域CBCT投影信号；在安装半束阻挡板的情况下，对应扫描模式是CBCT全扫描模式。
3.根据权利要求1所述的基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，其特征在于：所述步骤2、3、4中，测量散射信号被用于阻挡总投影信号的散射校正，然后利用散射校正得到的阻挡原射信号计算出开放原射信号，进而利用开放原射信号计算出开放散射信号。
4.根据权利要求1所述的基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，其特征在于：所述步骤3中，利用阻挡原射信号计算出开放区域CBCT投影信号中的开放原射信号，具体实现为：利用阻挡区域的阻挡原射信号，计算得到射线在扫描物体中的衰减系数，然后通过射线在扫描物体中的衰减系数计算出开放区域CBCT投影中的开放原射信号。
5.根据权利要求1所述的基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，其特征在于：所述步骤2、5中，平滑过程采用滤波，插值或者和滤波与插值相结合的方式实现，平滑之后需要对平滑散射信号进行阈值处理，阈值处理通过软阈值或者硬阈值算法实现。
6.根据权利要求1所述的基于射束阻挡板的CBCT散射伪影校正方法，其特征在于：所述步骤6中，所述降噪处理通过最小惩罚权重二乘法，滤波或者迭代的方式进行，重建通过FDK、迭代或者深度学习网络实现。
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