CN1983331B - 校正计算机断层造影中因过度曝光引起的图像伪影的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从多个二维投影图像中再现三维CT图像的方法，其中，每一幅二维投影图像在任意选择的位置上被一条实际上垂直的图像线分开，对该投影图像进行自动电子分析以检测该图像线的左侧或右侧或两侧是否存在缺口。在该图像线的检测到缺口的每一侧，标识出该缺口结束处的水平坐标。外推出在相对于该图像线所在的一侧的上述x坐标一侧的数据(灰度值)。然后将校正后的二维投影用于再现若不采用校正则会出现盖帽伪影的三维图像，而由于二维投影中的校正使得该盖帽伪影被避免或实际上降至最少。

Description

校正计算机断层造影中因过度曝光引起的图像伪影的方法

技术领域

本发明涉及一种在再现计算机断层造影图像时校正该图像中由于计算机断层造影设备的辐射检测器的过度曝光而引起的伪影的方法。

背景技术

在计算机断层造影中使用平面数字检测器来检测x射线变得越来越普遍。适用于该用途的典型的平面数字检测器具有14位的动态范围。传统上用于处理原始图像数据的数字图像像素处理器将该动态范围减小到只有12位，这比典型的在18到20位之间的传统计算机断层造影辐射检测器的动态范围低。

12位的动态范围通常不足以避免二维投影图像中的曝光过度，也就是说再现后的密度值(Hounsfield(亨斯费尔德)值)太小。这一负面影响尤其是可以在三维成像中见到。此外会出现所谓的“盖帽伪影(capping artifact)”。盖帽伪影的产生是因为即使对均匀对象来说再现后的Hounsfield值也不会由于简单的DC偏移而减小，但朝着对象边缘其减小的速度会加快。在图1中示意性地针对均匀圆柱体示出了这种现象。盖帽伪影会对检测再现图像中的低对比度对象造成极大的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单而有效的校正方法，可以减少计算机断层造影图像中由于检测器曝光过度而出现的盖帽伪影，由此改善了图像中的低对比度对象的分辨率并实际上提高了再现图像的质量。

上述目的按照本发明是通过用于再现三维CT图像的方法来达到的，其中将加入三维图像再现的每一幅二维投影图像在任意选择的位置上被一条实际上垂直的图像线分开，对该投影图像进行自动电子分析以检测该图像线的左侧或右侧或两侧是否存在缺口(clipping)。在该图像线检测到缺口的每一侧，标识出该缺口结束处的x坐标，并自动外推出在相对于该图像线所在的一侧的上述x坐标一侧的数据(灰度值)，从而消除缺口。然后将校正后的二维投影用于再现若不采用校正则会出现盖帽伪影的三维图像，而由于二维投影中的校正使得该盖帽伪影被避免或实际上降至最少。

如果对该图像的分析表明由于曝光过度而产生的缺口存在于图像线的中心部分，如在对肺部成像时产生的，则平滑外推出该中心区域的灰度值。

附图说明

图1示出均匀圆柱体的亨斯费尔德(Hounsfield)值并示意性示出缺口伪影。

图2示出用于解释本发明方法的密度值和强度。

图3示出图像g(x，y，λ)沿着线j的轮廓，其中可以看见由于曝光过度产生的缺口。

图4示出用于在本发明方法中估计参数ζ的正交投影的使用。

图5示出水样均匀圆柱体的再现的断层，其中由于曝光过度产生缺口的投影区域没有被校正，还示出所涉及的图像线的轮廓、展示的缺口伪影。

图6示出图15所示的同一对象的采用了根据本发明的过度曝光校正的再现图像，以及所涉及的图像线的轮廓。

图7示出CATPHAM模型的再现断层，其中左侧示出没有经过过度曝光校正的再现，右侧示出经过了按照本发明方法的过度曝光校正的再现。

具体实施方式

图1示意性示出削波现象，其中示出直径为R的均匀圆柱体沿着x轴方向的亨斯费尔德值，纵轴显示的是亨斯费尔德值HU。由于上面讨论的过度曝光，导致图像再现的Hounsfield值在边缘更小，由此导致所涉及的线(实心曲线)相对于没有盖帽伪影存在的虚线展现出盖帽伪影。

下面提供了用于解释本发明方法及其在血管计算机断层造影成像中的应用的一般背景信息。

针对图像再现算法的输入必须是感兴趣对象的线性积分∫μ(r)ds。线性积分定义如下：

$\∫\mathrm{\μ}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)\mathrm{ds}=\mathrm{In}\left(\frac{I_0}{I(x,y)}\right)$

其中I₀是没有对象存在时的最大强度，I(x，y)是射线穿过对象之后测量的强度，如图2示意性所示。

二维投影图像中测量的灰度值g(x，y)和最大灰度值g₀(λ)是I(x，y)和I₀的函数，即

g(x，y)＝f(I(x，y))

g₀(λ)＝f(I₀)

由于计算机断层造影系统连续地重新调整管电压、管电流和脉冲宽度，因此最大值g₀(λ)对每个投影λ都是不同的。最大值g₀(λ)通常大于可以用12位成像系统表示的最大值4095。因此二维投影数据组在边缘出现缺口，导致在再现的三维数据组中产生上面讨论的盖帽伪影。

这些伪影在按照本发明的方法中得到实质性的减少或避免，其中对每个投影λ都将最大灰度值g₀(λ)确定为管电压、管电流和脉冲宽度的函数。然后如下分析图像g(x，y，λ)。任意选择一条垂直或基本上垂直的图像线，如果该图像在该图像线的左侧展现出缺口，则确定该缺口结束处的x坐标x_0，I，如图3所示。在x_0，I的左侧，图像数据g(x，y，λ)外推如下：

$g(x,y,\mathrm{\λ})=g_0\left(\mathrm{\λ}\right)-e^{-{(x-x_{0,I})}^2/{\mathrm{\ξ}}_I^2}\·[A_l\·(x-x_{0,l})+B_l]$

参数A_I和B_I通过要求g(x，y，z)及其在x方向上的一阶导数都是连续的来确定，即：

B_l＝g₀(λ)-g(x_0，l，yλ)，

A_l＝-g′(x_0，l，y，λ)，

参数ζ_I涉及对象的尺寸并表明渐进达到最大强度g₀(λ)的速度有多快。如果假设水样的椭圆体，就可以利用正交投影来估计ζ_I，因为该正交投影的中心射线包含沿着期望方向的线积分，如图4所示。

如果图像g(x，y，λ)的分析表明在图像线的右侧存在缺口，则确定该缺口结束处的x坐标x_0，r，如图3所示。

在x_0，r的右侧，图像g(x，y，λ)外推如下：

$g(x,y,\mathrm{\λ})=g_0\left(\mathrm{\λ}\right)-e^{-{(x-x_{0,r})}^2/{\mathrm{\ξ}}_r^2}\·[A_r\·(x-x_{0,r})+B_r]$

类似于上述过程来确定参数A_r和B_r：

B_r＝g₀(λ)-g(x_0，r，yλ)，

A_r＝-g′(x_0，r，y，λ)

还是利用正交投影来估计ζ_r。

如果例如在对肺成像时由于曝光过度而产生的缺口存在于图像线的中心部分，则平滑外推出该中心区域的灰度值，因为意识到由于Shepp-Logan滤波器一阶导数必然是连续的。

用仿真和测量的数据实施和测试了本发明的方法。

图5示出直径为16cm的均匀水样圆柱体的再现断层。该二维投影图像是以Artis系统(Siemens公司提供到市场上的)获取投影数据的方式来仿真的。由于过度曝光，该二维投影数据在该圆柱体的边缘出现缺口。在图5中没有进行过度曝光校正。HU值太小并展现出上述盖帽伪影(在对象中心为-20HU而不是0HU，在对象边缘HU值减小为-80HU)。图6示出同一个对象，但采用了按照本发明的过度曝光校正。沿着整个轮廓校正HU值。

图7示出CATPHAN模型(低对比度CTP 515个模块)的再现断层。断层厚度选择为10mm。该二维投影图像在对象边缘展现出由于曝光过度产生的缺口。左侧的图像是在没有过度曝光校正的情况下再现的，其中可以在边缘看见清楚和非对称的HU值盖帽。右侧的图像显示出同一个断层，但采用了按照本发明的过度曝光校正。盖帽伪影大大减少。

本发明的方法实现了对由于检测器过度曝光而出现的伪影的高效而可靠的校正，由此提高了用C臂x射线系统获得的三维再现图像的质量，尤其是在出现低对比度分辨率的情况下，例如在血管计算机断层造影中，并一般用于锥形光束的断层造影。该有伪影的投影根据图像中对象的尺寸而发展。计算负荷比较小，只涉及在再现之前对二维投影图像的简单外推。

尽管本领域的技术人员可以给出修正和改变，本发明意欲在本专利的范围内体现所有合理的改变和修正并恰当地落入其对本领域的贡献范围内。

Claims (4)

1.一种用于在计算机断层造影中校正由于检测器曝光过度而产生的图像伪影的方法，包括步骤：

在多个由于用于产生二维投影图像的辐射检测器曝光过度而产生缺口的计算机断层造影二维投影图像的每一幅图像中，自动电子地确定作为用于产生该二维投影图像的x射线管电压、x射线管电流和脉冲宽度的函数的最大灰度值；

在每一幅所述二维投影图像中选择一条垂直的图像线并自动电子地确定在该二维投影图像中的所述图像线的左侧或右侧是否存在缺口；

对于存在缺口的图像线的任何一侧，参照该图像线确定该缺口结束处的水平坐标；

对于每一幅所述二维投影图像中存在缺口的那一侧，根据最大强度和该二维投影图像中对象的尺寸用外推公式自动电子地外推出在缺口结束处的水平坐标和该二维图像中最接近于该缺口结束处水平坐标的边缘之间的灰度值，以获得校正的二维投影图像，其中缺口得到了实质性的补偿；

从多个校正的二维投影图像中再现出该对象的三维图像，所述三维图像实质上没有由于过度曝光而产生的盖帽伪影。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于由g(x，y，λ)表示的二维投影图像λ，在所述图像线左侧缺口结束处的水平坐标是x_0，l，在所述图像线右侧缺口结束处的水平坐标是x_0，r，并包括根据下式外推出在所述图像线的左侧的灰度值：

$g(x,y,\mathrm{\λ})=g_0\left(\mathrm{\λ}\right)-e^{-{(x-x_{0,I})}^2/{\mathrm{\ζ}}_I^2}\·[A_l\·(x-x_{0,l})+B_l]$

其中

B_l＝g₀(λ)-g(x_0，l，y，λ)，

A_l＝-g′(x_0，l，y，λ)，

其中g₀(λ)是所述最大强度，参数ζ_I涉及对象的尺寸并表明在所述左侧渐进达到最大强度g₀(λ)的速度，以及包括根据下式外推出在所述图像线的右侧的灰度值：

$g(x,y,\mathrm{\λ})=g_0\left(\mathrm{\λ}\right)-e^{-{(x-x_{0,r})}^2/{\mathrm{\ζ}}_r^2}\·[A_r\·(x-x_{0,r})+B_r]$

其中

B_r＝g₀(λ)-g(x_0，r，y，λ)，

A_r＝-g′(x_0，r，y，λ)，

其中ζ_r是涉及对象尺寸的参数并表明在所述图像线的右侧渐进达到最大强度g₀(λ)的速度，

其中，

g(x_0，l，y，λ)是投影图像λ中的在图像线y中的水平x坐标x_0，l处的灰度值，

g(x_0，r，y，λ)是投影图像λ中的在图像线y中的水平x坐标x_0，r处的灰度值，

g’(x_0，l，y，λ)是投影图像λ中的在图像线y中的水平x坐标x_0，l处的灰度值关于x方向的一阶导数，

g’(x_0，r，y，λ)是投影图像λ中的在图像线y中的水平x坐标x_0，r处的灰度值关于x方向的一阶导数。

3.根据权利要求2所述的方法，包括通过对象的正交投影来估计ζ_l和ζ_r。

4.根据权利要求1所述的方法，包括另外分析每幅二维投影图像以确定在该二维投影图像的中心区域是否出现缺口，如果出现，则平滑外推出该中心区域的灰度值，以实质性补偿在该中心区域的所述缺口。

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