[發明專利]一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法

有效

• 申請號: 201310618206.6
• 申請日: 2013-11-26
• 公開（公告）號: CN103679706B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 戎軍艷;盧虹冰;廖琪梅;劉文磊;高鵬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍第四軍醫大學
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13;G06T11/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發明針對計算機斷層掃描儀的低劑量掃描和重建，主要涉及數字圖像處理和CT圖像重建方法，具體涉及一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法。

背景技術

1967年Hounsfield發明了世界上第一臺計算機斷層掃描(Computed Tomography,CT)設備。CT技術通過采集X射線穿過物體后多個角度的投影數據，利用計算機重建圖像，進而獲得物體內部結構的斷層圖像。由于CT設備利用X射線的穿透性，在不破壞物體的情況下可檢測物體的內部結構，至今已廣泛應用于醫學診斷、工業檢測、考古研究、珠寶鑒定等多個領域。

然而，醫學研究表明，X射線對人體有損傷，電離輻射可從分子水平和細胞水平對生物體造成損傷，照射X光可誘發癌癥、白血病或其他遺傳性疾病。而醫學CT是利用X射線進行的一種高輻射劑量的檢查，其輻射危害對于胎兒和兒童尤為嚴重。據新英格蘭醫學雜志2009年針對95萬人的統計顯示，在所有能夠產生輻射的醫學成像設備中，檢查量僅占總數21%的CT及核醫學成像，產生的輻射量卻占總量的75%以上，特別是CT，產生的輻射量接近總量的50%。因此如何在保持圖像質量的前提下有效的降低輻射劑量引起越來越多的關注，國外廠商西門子、GE等都在積極的研究可能的方案。

提高探測器檢測效率或使用準直器等硬件方案以減少輻射劑量非常有效，但是會增加額外的成本，且某些方案技術難度較大。在不改變硬件配置的前提下，降低輻射劑量通常采用的方式是減少投影角度或降低電流。前者面臨著CT投影數據的不完全和稀疏角度投影的重建困難，后者會帶來圖像的高噪聲。為改善圖像質量，研究者針對兩種情況分別提出了很多改進的算法。其中利用壓縮感知(Compressed Sensing,CS)理論，結合人體組織結構分片連續的特點，可較好的實現稀疏角度的重建。壓縮感知理論指出，只要信號是可壓縮的或在某個變換域是稀疏的，就可以用一個與變換基不相關的觀測矩陣將變換所得高維信號投影到一個低維空間上，通過求解一個優化問題從這個低維信號的少量投影中以高概率重構出原信號，該投影包含了重構信號的足夠信息，并在理論上證明了該技術的錯誤率是無窮小，從而奠定了CS技術的理論基礎，引發了采樣技術的革命性變化，成為近年來最熱門的研究技術之一。CS的思想是從盡量少的數據中提取盡量多的信息，從而實現信號在較低采樣率下的采集和復原，其前提條件是圖像本身是稀疏的或者圖像是可壓縮的。

CT圖像經過梯度變換在不同程度上滿足稀疏化條件。根據CS理論，重構稀疏信號采用求解其l₀范數最小化的方法，而實際中往往轉換為求其l₁范數最小化，研究者提出采用CT圖像梯度向量的模的l₁范數（即CT圖像的總變差Total Variation，TV）最小化方法重建CT圖像。傳統的TV計算采用圖像像素梯度向量的模相加得到，而梯度向量的模為圖像像素沿x和y兩個方向的一階導數(即梯度的分量)的平方和相加后的平方根（式(1)），其在x和y方向的一階導數的權重因子是相同的（即各向同性），均為1，未考慮圖像梯度的方向性，因此在圖像求解過程中不可避免的帶來圖像邊緣的模糊和分辨率的下降。

中國專利CN 103136773A提出的“一種稀疏角度X射線CT成像方法”中對首次掃描的全角度數據重建圖像與當前稀疏角度重建的圖像采用加權平均濾波處理獲得先驗圖像，由此先驗圖像構建稀疏角度CT圖像重建模型，再對稀疏角度重建的圖像優化求解獲得最終的重建圖像。此專利雖然可以消除由于先前掃描的CT圖像與當前重建的CT圖像之間因成像位置不匹配引起的運動偽影，但是需要有全角度數據重建的先驗圖像用以構建稀疏角度重建模型，且其TV計算仍然采用傳統的梯度的相加的方法。

如上指出的，傳統的TV最小化方法用于CT稀疏角度重建時，采用梯度分量等權重加和的方法計算各像素梯度的模，是一種各向同性的梯度模稀疏化方法，并且重建過程中梯度分量的加權權重保持不變，會導致重建圖像的邊緣模糊，影響圖像中較小組織結構的分辨。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法。

為達到上述目的，本發明采用了以下技術方案。

該CT稀疏角度重建方法將CT圖像特征與CT圖像重建相結合，利用圖像各向異性邊緣檢測的邊緣信息改變圖像總變差計算中各分量的加權權重，并采用圖像總變差最小化的方法重建圖像。

所述CT稀疏角度重建方法具體包括以下步驟：