【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種計(jì)算機(jī)斷層成像偽影的校正方法及裝置。

背景技術(shù)：

計(jì)算機(jī)斷層成像是用射線對(duì)人體的特定部位按一定厚度的層面進(jìn)行掃描，根據(jù)不同的人體組織對(duì)射線的吸收能力不同，利用計(jì)算機(jī)重建出斷層面圖像的技術(shù)。

在利用X射線進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描及重建過(guò)程中，因球管產(chǎn)生的X射線具有一定頻譜寬度，物質(zhì)對(duì)X射線的吸收系數(shù)隨X線能量的增大而減小，連續(xù)能譜的X射線穿過(guò)如人體等被掃描物體后，低能量射線易被吸收，高能量射線較易穿過(guò)，射束平均能量會(huì)變高，射線逐漸變硬。該種效應(yīng)稱之為射束硬化效應(yīng)。射束硬化效應(yīng)的存在，會(huì)使圖像重建時(shí)出現(xiàn)偽影，影響圖像的重建質(zhì)量。因而現(xiàn)有技術(shù)在重建圖像之前會(huì)對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行基于水模的射線硬化校正，這種校正會(huì)將軟組織的X射線硬化現(xiàn)象消除，但無(wú)法消除由于人體骨頭引起的射線硬化偽影，即骨硬化偽影。

已知存在各種針對(duì)骨硬化偽影的校正方法：一種是基于圖像后處理技術(shù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來(lái)消除骨硬化偽影(如：Jiang Hsieh et al,“An iterative approach to the beam hardening correction in cone beam CT”,Med.Phys.27 1,January 2000)，其弊端在于矯正系數(shù)的來(lái)源缺乏理論依據(jù)，校正準(zhǔn)確性及效率較差；另一種是通過(guò)預(yù)先掃描特制的骨組織仿體來(lái)產(chǎn)生矯正系數(shù)(如：專利CN01124649.9-計(jì)算機(jī)層析X射線攝影設(shè)備)，其弊端在于通過(guò)掃描骨組織仿體得到的系數(shù)往往缺乏普適性(不同年齡人群的骨組織成分差異很大，往往不能用同樣的矯正系數(shù))。因而，上述方案均不能很好的解決骨硬化偽影問(wèn)題。

因此，需要提出一種新的計(jì)算機(jī)斷層成像骨硬化偽影校正方法及實(shí)施該方法的裝置，能夠在具備良好普適性的前提下，高效地去除骨硬化偽影。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的是計(jì)算機(jī)斷層成像圖像中出現(xiàn)骨硬化偽影的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種計(jì)算機(jī)斷層成像骨硬化偽影校正方法，包括：使用計(jì)算機(jī)斷層設(shè)備進(jìn)行模體掃描；設(shè)定骨組織由第一物質(zhì)及第二物質(zhì)組成，獲取不同厚度的所述第一及第二物質(zhì)組合在斷層掃描系統(tǒng)的理論投影值；對(duì)該理論投影值進(jìn)行第一物質(zhì)硬化校正，獲取第一物質(zhì)硬化校正后投影值；計(jì)算不同厚度的所述第一物質(zhì)及第二物質(zhì)組合在該斷層掃描系統(tǒng)的理想投影值；根據(jù)所述第二物質(zhì)的厚度、第一及第二物質(zhì)的理想投影值及第一物質(zhì)硬化校正后投影值，獲得骨硬化校正系數(shù)；使用所述骨硬化校正系數(shù)進(jìn)行偽影校正。

可選地，還包括：獲取使所述模體的測(cè)量投影值與理論投影值相等時(shí)的每個(gè)探測(cè)單元對(duì)應(yīng)的等效濾過(guò)厚度。

可選地，所述模體為厚度及材料已知的均勻模體。

可選地，所述模體的材料為水或有機(jī)玻璃。

可選地，所述第一物質(zhì)硬化校正包括：計(jì)算不同厚度第一物質(zhì)在該斷層掃描系統(tǒng)的理論投影值及理想投影值；對(duì)該理論投影值及理想投影值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，獲得第一物質(zhì)硬化校正系數(shù)；使用該第一物質(zhì)硬化校正系數(shù)進(jìn)行校正。

可選地，所述根據(jù)所述第二物質(zhì)厚度、理想投影值及第一物質(zhì)硬化校正后投影值，獲得骨硬化校正系數(shù)包括：以第二物質(zhì)厚度為自變量，以理想投影值及第一物質(zhì)硬化校正后投影值之差為因變量進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，獲得骨硬化校正系數(shù)。

可選地，所述根據(jù)所述第二物質(zhì)厚度、理想投影值及第一物質(zhì)硬化校正后投影值，獲得骨硬化校正系數(shù)包括：以第一物質(zhì)厚度、第二物質(zhì)厚度為自變量，以理想投影值及第一物質(zhì)硬化校正后投影值之差為因變量進(jìn)行曲面擬合，獲得骨硬化校正系數(shù)。

可選地，所述第一物質(zhì)為水，所述第二物質(zhì)為含鈣物質(zhì)。

可選地，所述第二物質(zhì)為磷酸鈣。

本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)斷層成像骨硬化偽影校正裝置，包括：存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)有使用上述方法所獲得的骨硬化偽影校正系數(shù)；校正單元，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)選擇所述校正系數(shù)進(jìn)行骨硬化偽影校正。

本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：

本方案基于基材料理論，將骨組織認(rèn)為由兩種基材料物質(zhì)組成，通過(guò)一次模體掃描，即可產(chǎn)生具有普適性的矯正系數(shù)，只需要在重建過(guò)程中應(yīng)用合適的組織模型，即可得到較好的骨硬化偽影校正效果。

【附圖說(shuō)明】

圖1是本發(fā)明的計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的骨硬化偽影校正方法流程示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中利用水硬化校正系數(shù)進(jìn)行校正的流程示意圖；

圖4是本發(fā)明一實(shí)施例中校正系數(shù)表示例。

【具體實(shí)施方式】

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1是一種計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)100包括機(jī)架110，所述機(jī)架110具有圍繞系統(tǒng)軸線旋轉(zhuǎn)的可旋轉(zhuǎn)的部分130。可旋轉(zhuǎn)的部分130具有相對(duì)設(shè)置的X射線源131和X射線探測(cè)器132的X射線系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)100還具有檢查床120，在進(jìn)行檢查時(shí)，患者在該檢查床120上可以沿著Z軸方向被推入到掃描腔體中。X射線源131繞S軸旋轉(zhuǎn)，探測(cè)器132相對(duì)于X射線源131一起運(yùn)動(dòng)，以采集投影測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在之后被用于重建圖像。還可以進(jìn)行螺旋掃描，在螺旋掃描期間，通過(guò)患者沿著S軸的連續(xù)運(yùn)動(dòng)和X射線源131的同時(shí)旋轉(zhuǎn)，X射線源131相對(duì)于患者產(chǎn)生螺旋軌跡。

所述計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)100還可以包括控制單元和圖像重建單元，所述控制單元用于在掃描過(guò)程中根據(jù)特定的掃描協(xié)議控制計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)100的各部件。所述圖像重建單元用于根據(jù)探測(cè)器132采樣的待校正數(shù)據(jù)重建出圖像。

以上，僅以示例方式闡釋了可使用本發(fā)明所提供骨硬化偽影校正方法的計(jì)算機(jī)斷層成像設(shè)備，本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，其它如使用X射線的C型臂系統(tǒng)等設(shè)備，或組合式醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)(例如：組合式正電子發(fā)射斷層成像-計(jì)算機(jī)斷層成像，Positron Emission Tomography-Computed tomography Tomography,PET-CT)，或使用其它類型射線的斷層成像設(shè)備等，均可適用本發(fā)明所述校正方法及裝置，本發(fā)明對(duì)計(jì)算機(jī)斷層成像設(shè)備的類型與結(jié)構(gòu)并不做具體限定。

當(dāng)受檢對(duì)象在上述任一種類的計(jì)算機(jī)斷層成像設(shè)備中進(jìn)行掃描成像時(shí)，因射束硬化效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致骨硬化偽影的存在，影響圖像成像質(zhì)量及導(dǎo)致閱圖不便，因而需對(duì)此類偽影進(jìn)行校正。以下，是根據(jù)本發(fā)明公布方案對(duì)骨硬化偽影進(jìn)行校正的具體實(shí)施方式舉例：

圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的骨硬化偽影校正方法流程示意圖：

執(zhí)行步驟S1，使用計(jì)算機(jī)斷層設(shè)備進(jìn)行模體掃描。此處的模體可選擇使用厚度及材料已知的均勻模體，優(yōu)選地，模體的材料可選擇與人體軟組織化學(xué)成分相似的材料，例如水或有機(jī)玻璃。

執(zhí)行步驟S2，獲取不同厚度的第一物質(zhì)及第二物質(zhì)組合在斷層掃描系統(tǒng)的理論投影值。在X射線掃描中，根據(jù)基材料分解理論，任何組織的線性衰減系數(shù)可以表示為兩種基材料的質(zhì)量衰減系數(shù)的線性組合。本方案中設(shè)定骨組織由兩種不同的物質(zhì)(基材料)組成，例如，將骨組織認(rèn)為是一定比例水和另外一種成分的物質(zhì)混合構(gòu)成。另外一種成分可優(yōu)選為含鈣量較高的物質(zhì)(本實(shí)施例中選擇磷酸鈣)。

在對(duì)物體進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描過(guò)程中，測(cè)量投影值表示探測(cè)器實(shí)際測(cè)到的被掃描物體投影值，理論投影值表示考慮X射線光子能量分布而計(jì)算得到的該被掃描物體的投影值，而理想投影值則表示光子能量均為E0時(shí)(E0為可配置參數(shù)，代表光子能量為單一的該特定值)的X射線經(jīng)過(guò)該物體時(shí)的投影值。例如，測(cè)量投影值projMeas可表示如下：

公式(1)中，I₀和I分別表示入射被掃描物體和透射出被掃描物體的X射線強(qiáng)度。

步驟S1中的模體的理論投影值ProjCal計(jì)算公式可表示如下：

公式(2)中，E代表X射線光子能量，S(E)為球管發(fā)出的X射線譜，D(E)為斷層掃描系統(tǒng)的探測(cè)器響應(yīng)，μ_filter(E)和μ_phan(E)分別為等效濾過(guò)材料和模體材料的線性衰減系數(shù)，L_filter為每一探測(cè)單元對(duì)應(yīng)的等效濾過(guò)厚度，L_phan為步驟S1中掃描的模體厚度。

進(jìn)一步地，該實(shí)施例中，L_filter為使模體的測(cè)量投影值與理論投影值相等時(shí)(可在允許誤差范圍內(nèi))的每個(gè)探測(cè)單元所對(duì)應(yīng)的等效濾過(guò)厚度。其可通過(guò)迭代的方法求取，例如，迭代修改該厚度值并根據(jù)公式(2)計(jì)算模體的理論投影值，直到該理論投影值與測(cè)量投影值相等時(shí)(允許誤差范圍內(nèi))為止。

在步驟S2中，定義ProjCal_i,j為不同厚度的第一物質(zhì)及第二物質(zhì)組合在斷層掃描系統(tǒng)的理論投影值，則對(duì)于本實(shí)施例中的水與磷酸鈣組合，其不同厚度組合的理論投影值可通過(guò)下述公式計(jì)算獲得：

其中，μ_H2O(E)表示水的線性衰減系數(shù)，L_H2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度，μ_phospca(E)表示磷酸鈣的線性衰減系數(shù)，L_phospca,j(j＝0,1,2,…)表示不同的磷酸鈣厚度(本說(shuō)明書(shū)公式中，如未做特殊說(shuō)明，相同符號(hào)變量含義均與其它公式相同)。

執(zhí)行步驟S3，對(duì)該理論投影值進(jìn)行第一物質(zhì)硬化校正，獲取第一物質(zhì)硬化校正后投影值。對(duì)于本實(shí)施例中的水與磷酸鈣組合，則進(jìn)行水硬化校正，其可通過(guò)產(chǎn)生水硬化校正系數(shù)的方法進(jìn)行。

圖3示出了本實(shí)施例中利用水硬化校正系數(shù)進(jìn)行水硬化校正的流程：

首先，執(zhí)行步驟S301，確定不同厚度水的理論投影值。該值ProjCal_H2O,i可通過(guò)以下公式獲得：

其中,μ_H2O(E)表示水的線性衰減系數(shù)，L_H2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度。

執(zhí)行步驟S302，確定不同厚度水的理想投影值。該理想投影值ProjIdeal_H2O,i可通過(guò)以下公式獲得：

ProjIdeal_H2O,i＝μ_H2O(E0)L_H2O,i (5)

式(5)中，μ_H2O(E0)表示水對(duì)于能量為E0的X光子的線性衰減系數(shù)，L_H2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度。

執(zhí)行步驟S303，對(duì)不同厚度水的理想投影值及理論投影值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，獲得水硬化校正系數(shù)。該水硬化校正系數(shù)α_k可通過(guò)以下公式獲得：

式(6)中，N1表示多項(xiàng)式階數(shù)，α_k(k＝0,1,…)。

最后，執(zhí)行步驟S304，使用該水硬化校正系數(shù)進(jìn)行校正。針對(duì)步驟S2所獲得的不同組合的水及磷酸鈣組合的理論投影值ProjCal_i,j，其校正后投影值ProjCorrected_i,j可通過(guò)以下公式獲得：

其中，α_k為步驟S303中得到的水硬化矯正系數(shù)，k＝0,1,…。

完成第一物質(zhì)硬化校正后，繼續(xù)如圖2所示，執(zhí)行步驟S4，計(jì)算不同厚度的第一物質(zhì)及第二物質(zhì)組合在該斷層掃描系統(tǒng)的理想投影值。本實(shí)施例中，該理想投影值ProjIdeal_i,j可通過(guò)以下公式獲得：

ProjIdeal_i,j＝μ_H2O(E0)L_H2O,i+μ_phospca(E0)L_phospca,j (8)

其中，μ_H2O(E0)表示水對(duì)于能量為E0的X光子的線性衰減系數(shù)，μ_phospca(E0)表示磷酸鈣對(duì)于能量為E0的X光子的線性衰減系數(shù)，L_H2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度，L_phospca,j(j＝0,1,2,…)表示不同的磷酸鈣厚度。

執(zhí)行步驟S5，根據(jù)所述第二物質(zhì)的厚度、第一及第二物質(zhì)的理想投影值及第一物質(zhì)硬化校正后投影值，獲得骨硬化校正系數(shù)。本實(shí)施例中，針對(duì)水與磷酸鈣的組合，分別以水的厚度L_H2O,i(i＝0,1,2,…)，磷酸鈣的厚度L_phospca,j(j＝0,1,2,…)為自變量，以步驟S4中獲取的不同厚度的水和磷酸鈣組合的理想投影值和步驟S3中獲得的水硬化矯正后投影值之差為因變量，進(jìn)行曲面擬合，獲得擬合參數(shù)作為骨硬化矯正系數(shù)，該過(guò)程可依據(jù)以下公式實(shí)現(xiàn)：

ProjError_i,j＝ProjIdeal_i,j-ProjCorrected_i,j＝f(L_H2O,i,L_phospca,j) (9)

式(9)中，f(L_H2O,i,L_phospca,j)為以L_H2O,i(i＝0,1,2,…)和L_phospca,j(j＝0,1,2,…)為自變量的曲面函數(shù)。

根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)變化例，也可以磷酸鈣厚度L_phospca,j(j＝0,1,2,…)為自變量，以步驟S4中獲取的不同厚度的水和磷酸鈣組合的理想投影值和步驟S3中獲得的水硬化矯正后投影值之差為因變量進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，產(chǎn)生骨硬化矯正系數(shù)，該變化例過(guò)程可依據(jù)以下公式實(shí)現(xiàn)：

式(10)中，下標(biāo)i0表示水的厚度為固定值L_H2O,i0，N2為多項(xiàng)式階數(shù)，β_k(k＝0,1,…,N2)為多項(xiàng)式系數(shù)。

執(zhí)行步驟S6，使用該骨硬化偽影校正系數(shù)進(jìn)行偽影校正。根據(jù)步驟S5獲取的校正系數(shù)可以圖4所示形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備重建單元中，掃描重建時(shí)，根據(jù)掃描對(duì)象選擇相應(yīng)的骨組織模型(不同成分比例組合的基材料模型)，再根據(jù)骨組織模型提取原始圖像中X射線經(jīng)過(guò)的基材料的等效厚度，來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的骨偽影校正系數(shù)進(jìn)行校正，即可得到較好的骨硬化偽影去除效果。

例如，使用該偽影校正系數(shù)進(jìn)行校正的一種實(shí)施方式可以為：接收掃描數(shù)據(jù)，并基于該掃描數(shù)據(jù)重建待校正圖像及該待校正圖像的參照?qǐng)D像；對(duì)該參照?qǐng)D像的像素點(diǎn)賦予第一物質(zhì)比例，并基于該第一物質(zhì)比例獲取該參照?qǐng)D像的第一物質(zhì)基圖；對(duì)該第一物質(zhì)基圖及該參照?qǐng)D像進(jìn)行投影，獲取該投影操作每一投影射線對(duì)應(yīng)的第一物質(zhì)等效長(zhǎng)度；根據(jù)所述每一投影射線對(duì)應(yīng)的第一物質(zhì)等效長(zhǎng)度，確定偽影校正系數(shù)表中的偽影校正系數(shù)；使用該偽影校正系數(shù)對(duì)所述待校正圖像進(jìn)行偽影校正。

相應(yīng)地，本發(fā)明也提出了一種骨硬化偽影校正裝置，包括：存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)有根據(jù)上述方法所獲得的骨硬化偽影校正系數(shù)；校正單元，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)選擇所述校正系數(shù)進(jìn)行骨硬化偽影校正。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解上述實(shí)施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過(guò)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，該程序可以存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括但不限于：軟盤(pán)、光盤(pán)、CD-ROM、磁光盤(pán)、ROM(只讀存儲(chǔ)器)、RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、EPROM(可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)、EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)、磁卡或光卡、閃存、或適于存儲(chǔ)機(jī)器可執(zhí)行指令的其他類型的介質(zhì)/機(jī)器可讀介質(zhì)。

本發(fā)明中，各實(shí)施例采用遞進(jìn)式寫(xiě)法，重點(diǎn)描述與前述實(shí)施例的不同之處，各實(shí)施例中的相同方法或結(jié)構(gòu)參照前述實(shí)施例的相同部分。

本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。