骨硬化偽影校正係數計算方法及裝置與流程
2023-09-23 07:36:50
【技術領域】
本發明涉及計算機斷層成像技術領域，尤其涉及一種計算機斷層成像偽影的校正方法及裝置。
背景技術：
計算機斷層成像是用射線對人體的特定部位按一定厚度的層面進行掃描，根據不同的人體組織對射線的吸收能力不同，利用計算機重建出斷層面圖像的技術。
在利用X射線進行計算機斷層掃描及重建過程中，因球管產生的X射線具有一定頻譜寬度，物質對X射線的吸收係數隨X線能量的增大而減小，連續能譜的X射線穿過如人體等被掃描物體後，低能量射線易被吸收，高能量射線較易穿過，射束平均能量會變高，射線逐漸變硬。該種效應稱之為射束硬化效應。射束硬化效應的存在，會使圖像重建時出現偽影，影響圖像的重建質量。因而現有技術在重建圖像之前會對投影數據進行基於水模的射線硬化校正，這種校正會將軟組織的X射線硬化現象消除，但無法消除由於人體骨頭引起的射線硬化偽影，即骨硬化偽影。
已知存在各種針對骨硬化偽影的校正方法：一種是基於圖像後處理技術，通過經驗參數來消除骨硬化偽影(如：Jiang Hsieh et al,「An iterative approach to the beam hardening correction in cone beam CT」,Med.Phys.27 1,January 2000)，其弊端在於矯正係數的來源缺乏理論依據，校正準確性及效率較差；另一種是通過預先掃描特製的骨組織仿體來產生矯正係數(如：專利CN01124649.9-計算機層析X射線攝影設備)，其弊端在於通過掃描骨組織仿體得到的係數往往缺乏普適性(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係數)。因而，上述方案均不能很好的解決骨硬化偽影問題。
因此，需要提出一種新的計算機斷層成像骨硬化偽影校正方法及實施該方法的裝置，能夠在具備良好普適性的前提下，高效地去除骨硬化偽影。
技術實現要素：
本發明解決的是計算機斷層成像圖像中出現骨硬化偽影的問題。
為解決上述問題，本發明提出一種計算機斷層成像骨硬化偽影校正方法，包括：使用計算機斷層設備進行模體掃描；設定骨組織由第一物質及第二物質組成，獲取不同厚度的所述第一及第二物質組合在斷層掃描系統的理論投影值；對該理論投影值進行第一物質硬化校正，獲取第一物質硬化校正後投影值；計算不同厚度的所述第一物質及第二物質組合在該斷層掃描系統的理想投影值；根據所述第二物質的厚度、第一及第二物質的理想投影值及第一物質硬化校正後投影值，獲得骨硬化校正係數；使用所述骨硬化校正係數進行偽影校正。
可選地，還包括：獲取使所述模體的測量投影值與理論投影值相等時的每個探測單元對應的等效濾過厚度。
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玻璃。
可選地，所述第一物質硬化校正包括：計算不同厚度第一物質在該斷層掃描系統的理論投影值及理想投影值；對該理論投影值及理想投影值進行多項式擬合，獲得第一物質硬化校正係數；使用該第一物質硬化校正係數進行校正。
可選地，所述根據所述第二物質厚度、理想投影值及第一物質硬化校正後投影值，獲得骨硬化校正係數包括：以第二物質厚度為自變量，以理想投影值及第一物質硬化校正後投影值之差為因變量進行多項式擬合，獲得骨硬化校正係數。
可選地，所述根據所述第二物質厚度、理想投影值及第一物質硬化校正後投影值，獲得骨硬化校正係數包括：以第一物質厚度、第二物質厚度為自變量，以理想投影值及第一物質硬化校正後投影值之差為因變量進行曲面擬合，獲得骨硬化校正係數。
可選地，所述第一物質為水，所述第二物質為含鈣物質。
可選地，所述第二物質為磷酸鈣。
本發明還提供一種計算機斷層成像骨硬化偽影校正裝置，包括：存儲單元，存儲有使用上述方法所獲得的骨硬化偽影校正係數；校正單元，根據掃描數據選擇所述校正係數進行骨硬化偽影校正。
本發明對比現有技術有如下的有益效果：
本方案基於基材料理論，將骨組織認為由兩種基材料物質組成，通過一次模體掃描，即可產生具有普適性的矯正係數，只需要在重建過程中應用合適的組織模型，即可得到較好的骨硬化偽影校正效果。
【附圖說明】
圖1是本發明的計算機斷層成像系統的結構示意圖；
圖2是本發明一實施例的骨硬化偽影校正方法流程示意圖；
圖3是本發明一實施例中利用水硬化校正係數進行校正的流程示意圖；
圖4是本發明一實施例中校正係數表示例。
【具體實施方式】
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
圖1是一種計算機斷層成像系統的結構示意圖，如圖1所示，計算機斷層成像系統100包括機架110，所述機架110具有圍繞系統軸線旋轉的可旋轉的部分130。可旋轉的部分130具有相對設置的X射線源131和X射線探測器132的X射線系統。
計算機斷層成像系統100還具有檢查床120，在進行檢查時，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，探測器132相對於X射線源131一起運動，以採集投影測量數據，這些數據在之後被用於重建圖像。還可以進行螺旋掃描，在螺旋掃描期間，通過患者沿著S軸的連續運動和X射線源131的同時旋轉，X射線源131相對於患者產生螺旋軌跡。
所述計算機斷層成像系統100還可以包括控制單元和圖像重建單元，所述控制單元用於在掃描過程中根據特定的掃描協議控制計算機斷層成像系統100的各部件。所述圖像重建單元用於根據探測器132採樣的待校正數據重建出圖像。
以上，僅以示例方式闡釋了可使用本發明所提供骨硬化偽影校正方法的計算機斷層成像設備，本領域技術人員理解，其它如使用X射線的C型臂系統等設備，或組合式醫學成像系統(例如：組合式正電子發射斷層成像-計算機斷層成像，Positron Emission Tomography-Computed tomography Tomography,PET-CT)，或使用其它類型射線的斷層成像設備等，均可適用本發明所述校正方法及裝置，本發明對計算機斷層成像設備的類型與結構並不做具體限定。
當受檢對象在上述任一種類的計算機斷層成像設備中進行掃描成像時，因射束硬化效應的存在會導致骨硬化偽影的存在，影響圖像成像質量及導致閱圖不便，因而需對此類偽影進行校正。以下，是根據本發明公布方案對骨硬化偽影進行校正的具體實施方式舉例：
圖2是根據本發明一實施例的骨硬化偽影校正方法流程示意圖：
執行步驟S1，使用計算機斷層設備進行模體掃描。此處的模體可選擇使用厚度及材料已知的均勻模體，優選地，模體的材料可選擇與人體軟組織化學成分相似的材料，例如水或有機玻璃。
執行步驟S2，獲取不同厚度的第一物質及第二物質組合在斷層掃描系統的理論投影值。在X射線掃描中，根據基材料分解理論，任何組織的線性衰減係數可以表示為兩種基材料的質量衰減係數的線性組合。本方案中設定骨組織由兩種不同的物質(基材料)組成，例如，將骨組織認為是一定比例水和另外一種成分的物質混合構成。另外一種成分可優選為含鈣量較高的物質(本實施例中選擇磷酸鈣)。
在對物體進行計算機斷層掃描過程中，測量投影值表示探測器實際測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(E0為可配置參數，代表光子能量為單一的該特定值)的X射線經過該物體時的投影值。例如，測量投影值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射線強度。
步驟S1中的模體的理論投影值ProjCal計算公式可表示如下：
公式(2)中，E代表X射線光子能量，S(E)為球管發出的X射線譜，D(E)為斷層掃描系統的探測器響應，μfilter(E)和μphan(E)分別為等效濾過材料和模體材料的線性衰減係數，Lfilter為每一探測單元對應的等效濾過厚度，Lphan為步驟S1中掃描的模體厚度。
進一步地，該實施例中，Lfilter為使模體的測量投影值與理論投影值相等時(可在允許誤差範圍內)的每個探測單元所對應的等效濾過厚度。其可通過迭代的方法求取，例如，迭代修改該厚度值並根據公式(2)計算模體的理論投影值，直到該理論投影值與測量投影值相等時(允許誤差範圍內)為止。
在步驟S2中，定義ProjCali,j為不同厚度的第一物質及第二物質組合在斷層掃描系統的理論投影值，則對於本實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下述公式計算獲得：
其中，μH2O(E)表示水的線性衰減係數，LH2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度，μphospca(E)表示磷酸鈣的線性衰減係數，Lphospca,j(j＝0,1,2,…)表示不同的磷酸鈣厚度(本說明書公式中，如未做特殊說明，相同符號變量含義均與其它公式相同)。
執行步驟S3，對該理論投影值進行第一物質硬化校正，獲取第一物質硬化校正後投影值。對於本實施例中的水與磷酸鈣組合，則進行水硬化校正，其可通過產生水硬化校正係數的方法進行。
圖3示出了本實施例中利用水硬化校正係數進行水硬化校正的流程：
首先，執行步驟S301，確定不同厚度水的理論投影值。該值ProjCalH2O,i可通過以下公式獲得：
其中,μH2O(E)表示水的線性衰減係數，LH2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度。
執行步驟S302，確定不同厚度水的理想投影值。該理想投影值ProjIdealH2O,i可通過以下公式獲得：
ProjIdealH2O,i＝μH2O(E0)LH2O,i (5)
式(5)中，μH2O(E0)表示水對於能量為E0的X光子的線性衰減係數，LH2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度。
執行步驟S303，對不同厚度水的理想投影值及理論投影值進行多項式擬合，獲得水硬化校正係數。該水硬化校正係數αk可通過以下公式獲得：
式(6)中，N1表示多項式階數，αk(k＝0,1,…)。
最後，執行步驟S304，使用該水硬化校正係數進行校正。針對步驟S2所獲得的不同組合的水及磷酸鈣組合的理論投影值ProjCali,j，其校正後投影值ProjCorrectedi,j可通過以下公式獲得：
其中，αk為步驟S303中得到的水硬化矯正係數，k＝0,1,…。
完成第一物質硬化校正後，繼續如圖2所示，執行步驟S4，計算不同厚度的第一物質及第二物質組合在該斷層掃描系統的理想投影值。本實施例中，該理想投影值ProjIdeali,j可通過以下公式獲得：
ProjIdeali,j＝μH2O(E0)LH2O,i+μphospca(E0)Lphospca,j (8)
其中，μH2O(E0)表示水對於能量為E0的X光子的線性衰減係數，μphospca(E0)表示磷酸鈣對於能量為E0的X光子的線性衰減係數，LH2O,i(i＝0,1,2,…)表示不同的水厚度，Lphospca,j(j＝0,1,2,…)表示不同的磷酸鈣厚度。
執行步驟S5，根據所述第二物質的厚度、第一及第二物質的理想投影值及第一物質硬化校正後投影值，獲得骨硬化校正係數。本實施例中，針對水與磷酸鈣的組合，分別以水的厚度LH2O,i(i＝0,1,2,…)，磷酸鈣的厚度Lphospca,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後投影值之差為因變量，進行曲面擬合，獲得擬合參數作為骨硬化矯正係數，該過程可依據以下公式實現：
ProjErrori,j＝ProjIdeali,j-ProjCorrectedi,j＝f(LH2O,i,Lphospca,j) (9)
式(9)中，f(LH2O,i,Lphospca,j)為以LH2O,i(i＝0,1,2,…)和Lphospca,j(j＝0,1,2,…)為自變量的曲面函數。
根據本實施例的一個變化例，也可以磷酸鈣厚度Lphospca,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後投影值之差為因變量進行多項式擬合，產生骨硬化矯正係數，該變化例過程可依據以下公式實現：
式(10)中，下標i0表示水的厚度為固定值LH2O,i0，N2為多項式階數，βk(k＝0,1,…,N2)為多項式係數。
執行步驟S6，使用該骨硬化偽影校正係數進行偽影校正。根據步驟S5獲取的校正係數可以圖4所示形式存儲於計算機斷層掃描設備重建單元中，掃描重建時，根據掃描對象選擇相應的骨組織模型(不同成分比例組合的基材料模型)，再根據骨組織模型提取原始圖像中X射線經過的基材料的等效厚度，來選擇對應的骨偽影校正係數進行校正，即可得到較好的骨硬化偽影去除效果。
例如，使用該偽影校正係數進行校正的一種實施方式可以為：接收掃描數據，並基於該掃描數據重建待校正圖像及該待校正圖像的參照圖像；對該參照圖像的像素點賦予第一物質比例，並基於該第一物質比例獲取該參照圖像的第一物質基圖；對該第一物質基圖及該參照圖像進行投影，獲取該投影操作每一投影射線對應的第一物質等效長度；根據所述每一投影射線對應的第一物質等效長度，確定偽影校正係數表中的偽影校正係數；使用該偽影校正係數對所述待校正圖像進行偽影校正。
相應地，本發明也提出了一種骨硬化偽影校正裝置，包括：存儲單元，存儲有根據上述方法所獲得的骨硬化偽影校正係數；校正單元，根據掃描數據選擇所述校正係數進行骨硬化偽影校正。
本領域普通技術人員可以理解上述實施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬體來完成，該程序可以存儲於計算機可讀存儲介質中，存儲介質可以包括但不限於：軟盤、光碟、CD-ROM、磁光碟、ROM(只讀存儲器)、RAM(隨機存取存儲器)、EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)、EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)、磁卡或光卡、快閃記憶體、或適於存儲機器可執行指令的其他類型的介質/機器可讀介質。
本發明中，各實施例採用遞進式寫法，重點描述與前述實施例的不同之處，各實施例中的相同方法或結構參照前述實施例的相同部分。
本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。