一种CT设备的波束硬化伪影校正方法和系统与流程

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一种ct设备的波束硬化伪影校正方法和系统
技术领域
1.本发明涉及ct成像技术领域，尤其涉及一种ct设备的波束硬化伪影校正方法和系统。

背景技术：

2.在cbct等ct成像设备中，ct成像系统由x射线源、被扫描目标和平面探测器组成，在扫描过程中，x射线穿过检测目标，衰减后的x射线照射探测器表面，探测器通过荧光材质、光电转换等处理量化呈现衰减后的x射线强度。在这一成像过程中，由于x射线源发射出的是多能x射线，x射线穿过目标时，会有一定量的低能x射线被吸收，此时的x射线相对于原x射线被硬化了，硬化后的x射线穿过后面的组织时，组织的线性衰减系数相对变小了，导致探测器呈现衰减后的x射线强度被增大了，这就是x射线波束硬化的原理，波束硬化会导致ct重建图像中出现杯状等波束硬化伪影。
3.为了在临床应用中更清晰地观察解剖组织的结构细节，cbct成像算法需要做波束硬化伪影去除处理。波束硬化伪影处理通常有两种处理方案，其中一种方案从投影图像出发，对投影数据做多项式处理，获得硬化伪影校正后的投影数据，再重建三维图像。这种方案是大多数文献和专利中介绍的方法。另一种方案是从重建图像出发，进而对投影数据进行校正，再重建三维图像，如公开号为cn103961125a的发明专利申请公开的一种用于锥束ct的ct值校正方法就是基于该思路提出的。
4.这两种方法的共同点都是间接校正过程，都需要事先在均匀材质中做校正获得校正系数，再将校正系数应用于待校正投影数据。不同点在于，第一种方案，在做约束处理时，是对整副图像处理，没有考虑到不同像素的差异性，而且超过预校正衰减范围之外的衰减信息的校正效果较差。第二种方案，虽然在做约束处理时是基于像素位置，但需要对重建图像做分割、前向投影处理等操作，来模拟x射线的衰减过程，从而获得前向投影数据。由于前向投影是经过一系列图像处理和模拟获得，很难真实的反应x射线的衰减过程，尤其是前向投影图像的灰度信息及其所包含的信息完整性都无法与真实的x射线衰减投影图像相提并论，故在基于投影图像信息的约束处理中，很难得到准确的校正系数。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于重建图像结果约束数学模型中的参数，从而获得最佳波束硬化伪影校正效果的方法，以克服现有技术的问题。
6.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种ct设备的波束硬化伪影校正方法，包括
7.步骤a：将标准模体放置于目标位置，启动ct设备获得投影数据；
8.步骤b：对投影数据进行三维重建得到体积图像；
9.步骤c：沿轴向对体积图像的不同层图像做平均处理得到轴向切片，计算轴向切片的剖面曲线；
10.步骤d：通过数学拟合方法得到轴向切片剖面曲线的拟合函数；
11.步骤e：基于标准模体的线性衰减系数和拟合函数计算得到波束硬化校正函数；
12.步骤f：以波束硬化校正函数作为权重修正投影数据的灰度值，并进行三维重建得到去除波束硬化伪影的图像。
13.本发明先对投影数据进行重建得到三维体积图像，然后对三维体积图像沿轴向进行平均切片处理获得其在剖面中因波束硬化伪影形成的曲线，然后对该曲线进行拟合，并结合射线在标准模体内的线性衰减系数，计算波束硬化校正函数，然后再对投影数据进行校正并再次重建得到三维图像，由此实现波束硬化伪影的校正，在重建图像中确定波束硬化伪影产生的影响，并在投影数据中修正该影响，从而获得最佳的波束硬化伪影校正效果。
14.优选的，所述标准模体为介质均匀的水模体或有机玻璃模体。
15.优选的，所述步骤b和步骤f中均通过fdk算法对投影数据进行三维重建得到三维图像。
16.优选的，步骤c中对体积图像沿轴向均匀处理确定轴向切片。
17.优选的，步骤e中，波束硬化校正函数的计算公式为：
18.c(r)＝t/f(r)
19.其中，c(r)为波束硬化校正函数、t为标准模体的线性衰减系数，f(r)为轴向切片图像的拟合函数，r为切片图像中像素点的二维坐标值。
20.优选的，步骤f中取投影数据灰度值和波束硬化校正函数的乘积进行校正，处理后的数据使用fdk算法进行重建得到校正后的三维图像。
21.本发明还提供了一种ct设备的波束硬化伪影校正系统，包括
22.投影模块：将标准模体放置于目标位置，启动ct设备获得投影数据；
23.重建模块：对投影数据进行三维重建得到体积图像；
24.切片模块：沿轴向对体积图像进行多层切片平均处理得到轴向切片，并计算轴向切片的剖面曲线；
25.拟合模块：通过数学拟合方法得到轴向切片图像的拟合函数；
26.函数计算模块：基于标准模体的线性衰减系数和拟合函数计算得到波束硬化校正函数；
27.校正重建模块：以波束硬化校正函数作为权重修正投影数据的灰度值，并进行三维重建得到去除波束硬化伪影的图像。
28.优选的，所述标准模体为介质均匀的水模体或有机玻璃模体。
29.优选的，所述重建模块和校正重建模块中均通过fdk算法对投影数据进行三维重建得到三维图像；切片模块中对体积图像沿轴向均匀分割确定切片位置。
30.优选的，所述函数计算模块计算波束硬化校正函数的公式为：
31.c(r)＝t/f(r)
32.其中，c(r)为波束硬化校正函数、t为标准模体的线性衰减系数，f(r)为切片图像的拟合函数，r为切片图像中像素点的二维坐标值；校正重建模块中取投影数据灰度值和波束硬化校正函数的乘积进行校正，处理后的数据使用fdk算法进行重建得到校正后的三维图像。
33.本发明提供的ct设备的波束硬化伪影校正方法和系统的优点在于：先对投影数据
进行重建得到三维体积图像，然后对三维体积图像沿轴向进行切片剖面处理获得其在剖面中因波束硬化伪影形成的曲线，然后对该曲线进行拟合，并结合射线在标准模体内的线性衰减系数，计算波束硬化校正函数，然后再对投影数据进行校正并再次重建得到三维图像，由此实现波束硬化伪影的校正，在重建图像中确定波束硬化伪影产生的影响，并在投影数据中修正该影响，从而获得最佳的波束硬化伪影校正效果。通过标准模体先进行投影和三维重建，以标定整个设备的校正参数。
附图说明
34.图1为本发明的实施例提供的ct设备的波束硬化伪影校正方法的流程图；
35.图2为本发明的实施例提供的cbct设备的成像原理图；
36.图3为本发明的实施例提供的ct设备的波束硬化伪影的示意图；
37.图4为本发明的实施例提供的ct设备成像图像的剖面曲线图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.如图1所示，本实施例提供了一种ct设备的波束硬化伪影校正方法，包括
40.步骤a：将标准模体放置于目标位置，启动ct设备获得投影数据；
41.步骤b：对投影数据进行三维重建得到体积图像；
42.步骤c：沿轴向对体积图像进行多层切片平均处理得到轴向切片，并计算轴向切片的剖面曲线；
43.步骤d：通过数学拟合方法得到轴向切片图像的拟合函数；
44.步骤e：基于标准模体的线性衰减系数和拟合函数计算得到波束硬化校正函数；
45.步骤f：以波束硬化校正函数作为权重修正投影数据的灰度值，并进行三维重建得到去除波束硬化伪影的图像。
46.本实施例先对投影数据进行重建得到三维体积图像，然后对三维体积图像沿轴向进行切片处理获得其在剖面中因波束硬化伪影形成的曲线，然后对该曲线进行拟合，并结合射线在标准模体内的线性衰减系数，计算波束硬化校正函数，然后再对投影数据进行校正并再次重建得到三维图像，由此实现波束硬化伪影的校正，在重建图像中确定波束硬化伪影产生的影响，并在投影数据中修正该影响，从而获得最佳的波束硬化伪影校正效果。
47.本实施例的原理如下，简易的cbct成像系统如图2所示，s为射线源，o为cbct系统的旋转中心，d表示探测器，射线源s与旋转中心o的距离为d
so
，射线源s与探测器d的距离为d
sd
，射线源s发出的锥形束x射线束照射放置于中心点o的目标p，探测器d检测通过目标衰减之后的x射线强度，在cbct扫描过程中，源s和探测器d围绕旋转中心在平面内做逆时针旋转，旋转一周，采集若干张投影图像，重建生产cbct图像。
48.如果目标p为材质均匀的圆柱体结构，在扫描过程中，每个角度θ采集目标p的一张投影图像，当x射线穿过目标p的中心轴时，硬化效果最严重，也就是说每个角度的投影图像
中目标p的中心轴处的灰度信息因为x射线硬化而导致的误差最大，由此在重建的cbct图像的轴向视角中，能够清楚的观察到图3所示的中间较边缘更深的杯状伪影。因为x射线的衰减及波束硬化过程是一个复杂的负指数与非线性运算过程，难以准确地用数学表达式来精确表示。另外每个角度的投影数据在成像过程受到波束硬化的影响，重建过程中，每张投影的波束硬化影响又被叠加在一起就形成了三维图像中轴向视角的杯状伪影。
49.重建的三维图像的剖面如图4所示，从图像边缘至图像中心，重建图像的灰度值由大变小。根据cbct重建的原理，知道cbct重建的三维图像的灰度值表示的是扫描目标的线性衰减系数，而标准模体中不同位置的线性衰减系数是相同的，所以重建的三维图像轴向切片的剖面图应该是一条近似恒等的直线。cbct重建过程，比如目前临床应用中广泛使用的fdk重建算法，是一种近似线性的处理过程。假设p(θ，u，v)表示角度θ位置的投影图像中的某一点的坐标，f表示fdk重建函数，f(r)表示重建后的三维图像的轴向切片图像中该点的坐标，则有
50.f(r)＝f(p(θ，u，v))
51.对重建后的图像做波束硬化伪影校正，假设c(r)为波束硬化伪影校正函数，则有f(r)*c(r)＝t
52.其中t为一个常数，数值上等于标准模体的线性衰减系数，调整公式形式得到t＝f(p(θ，u，v))*c(r)
53.由于f是一个线性函数，则
54.t＝f(c(r)*p(θ，u，v))
55.上式给出了一个波束硬化伪影校正处理的方法，即在投影图像中做波束硬化伪影校正，与在重建后的图像中做波束硬化伪影校正，具有相同的结果，都能得到完全去除波束硬化伪影的理想图像。基于此，波束硬化伪影校正函数为
56.c(r)＝t/f(r)
57.其中t是一个常数，f(r)为重建之后的轴向切片图像，以图3中的杯状阴影左侧端点为原点，其水平直径方向剖面图如图4所示，观察剖面图不难发现，有很多数学模型可以用描述该剖面图曲线，比如抛物线函数模型，分段指数函数模型等。
58.基于以上原理，得出步骤e中，波束硬化校正函数的计算公式为：
59.c(r)＝t/f(r)
60.其中，c(r)为波束硬化校正函数、t为标准模体的线性衰减系数，f(r)为切片图像的拟合函数，r为切片图像中像素点的二维坐标值。
61.步骤f中取投影数据灰度值和波束硬化校正函数的乘积进行校正，处理后的数据使用fdk算法进行重建得到校正后的三维图像。
62.所述标准模体可选择介质均匀的水模体或有机玻璃模体等常见的模体，t的数值根据标准模体的具体材料而确定。步骤b中同样使用现有技术中的fdk算法对投影数据进行三维重建。步骤c中根据实际尺寸和经验确定切片平均处理的数量，优选在中心平面上下间隔均匀的位置各选取10张切片图像，并对所有切片图像做平均操作得到轴向切片并计算其剖面曲线，然后进行数学拟合和计算即可。
63.本实施例还提供了一种ct设备的波束硬化伪影校正系统，包括
64.投影模块：将标准模体放置于目标位置，启动ct设备获得投影数据；
65.重建模块：对投影数据进行三维重建得到体积图像；
66.切片模块：沿轴向对体积图像进行多层切片平均处理得到轴向切片，并计算其剖面曲线；
67.拟合模块：通过数学拟合方法得到轴向切片图像的拟合函数；
68.函数计算模块：基于标准模体的线性衰减系数和拟合函数计算得到波束硬化校正函数；
69.校正重建模块：以波束硬化校正函数作为权重修正投影数据的灰度值，并进行三维重建得到去除波束硬化伪影的图像。
70.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种ct设备的波束硬化伪影校正方法，其特征在于：包括步骤a：将标准模体放置于目标位置，启动ct设备获得投影数据；步骤b：对投影数据进行三维重建得到体积图像；步骤c：沿轴向对体积图像进行多层切片平均处理得到轴向切片，并计算轴向切片的剖面曲线；步骤d：通过数学拟合方法得到轴向切片图像的拟合函数；步骤e：基于标准模体的线性衰减系数和拟合函数计算得到波束硬化校正函数；步骤f：以波束硬化校正函数作为权重修正投影数据的灰度值，并进行三维重建得到去除波束硬化伪影的图像。2.根据权利要求1所述的一种ct设备的波束硬化伪影校正方法，其特征在于：所述标准模体为介质均匀的水模体或有机玻璃模体。3.根据权利要求1所述的一种ct设备的波束硬化伪影校正方法，其特征在于：所述步骤b和步骤f中均通过fdk算法对投影数据进行三维重建得到三维图像。4.根据权利要求1所述的一种ct设备的波束硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤c中对体积图像沿轴向取多层切片平均获得轴向切片图像。5.根据权利要求1所述的一种ct设备的波束硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤e中，波束硬化校正函数的计算公式为：c(r)＝t/f(r)其中，c(r)为波束硬化校正函数、t为标准模体的线性衰减系数，f(r)为切片图像的拟合函数，r为切片图像中像素点的二维坐标值。6.根据权利要求1所述的一种ct设备的波束硬化伪影校正方法，其特征在于：步骤f中取投影数据灰度值和波束硬化校正函数的乘积进行校正，处理后的数据使用fdk算法进行重建得到校正后的三维图像。7.一种ct设备的波束硬化伪影校正系统，其特征在于：包括投影模块：将标准模体放置于目标位置，启动ct设备获得投影数据；重建模块：对投影数据进行三维重建得到体积图像；切片模块：沿轴向对体积图像进行多层切片平均处理得到轴向切片，并计算轴向切片的剖面曲线；拟合模块：通过数学拟合方法得到轴向切片图像的拟合函数；函数计算模块：基于标准模体的线性衰减系数和拟合函数计算得到波束硬化校正函数；校正重建模块：以波束硬化校正函数作为权重修正投影数据的灰度值，并进行三维重建得到去除波束硬化伪影的图像。8.根据权利要求7所述的一种ct设备的波束硬化伪影校正系统，其特征在于：所述标准模体为介质均匀的水模体或有机玻璃模体。9.根据权利要求7所述的一种ct设备的波束硬化伪影校正系统，其特征在于：所述重建模块和校正重建模块中均通过fdk算法对投影数据进行三维重建得到三维图像；切片模块中对体积图像沿轴向平均处理确定轴向切片。10.根据权利要求7所述的一种ct设备的波束硬化伪影校正系统，其特征在于：所述函
数计算模块计算波束硬化校正函数的公式为：c(r)＝t/f(r)其中，c(r)为波束硬化校正函数、t为标准模体的线性衰减系数，f(r)为切片图像的拟合函数，r为切片图像中像素点的二维坐标值；校正重建模块中取投影数据灰度值和波束硬化校正函数的乘积进行校正，处理后的数据使用fdk算法进行重建得到校正后的三维图像。

技术总结

本发明提供了一种CT设备的波束硬化伪影校正方法，包括，A：将标准模体放于目标位置，获得投影数据；B：进行三维重建得到体积图像；C：沿轴向对体积图像进行多层切片平均处理得到轴向切片，并计算其剖面曲线；D：拟合得到轴向切片图像的拟合函数；E：基于标准模体的射线衰减系数和拟合函数计算得到波束硬化校正函数；F：以波束硬化校正函数作为权重修正投影数据的灰度值，并进行三维重建得到去除波束硬化伪影的图像。本发明还提供了波束硬化伪影校正系统。本发明的优点在于：在重建图像中确定波束硬化伪影产生的影响，并在投影数据中修正该影响，从而获得最佳的波束硬化伪影校正效果。从而获得最佳的波束硬化伪影校正效果。从而获得最佳的波束硬化伪影校正效果。