[發明專利]一種光譜層析成像中的圖像重建和編碼方法

在審

• 申請號: 202011018487.8
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112270725A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 仇飛;顏森林
• 申請（專利權）人: 南京曉莊學院
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;G06N3/08
• 代理公司: 北京中索知識產權代理有限公司 11640
• 代理人: 鄒長斌

本發明提供一種光譜層析成像中的圖像重建和編碼方法，包括如下步驟：獲取光譜層析圖像信號X作為訓練數據，對數據灰度預處理并完成信號的腐蝕得到X1；搭建自編碼去噪稀疏網絡的編碼子網絡，編碼子網絡為一個三層全連接神經網絡，光譜層析圖像信號X通過編碼子網絡得到測量值y；搭建自編碼去噪稀疏網絡的解碼子網絡，解碼子網絡是與編碼子網絡結構對稱的三層全連接神經網絡，測量值y通過解碼子網絡得到重建圖片X2；引入稀疏性的限制，生成損失函數；對編碼和解碼子網絡進行聯合訓練，通過反向傳播算法對損失函數進行優化，更新參數并得到最優的稀疏去噪自編碼網絡。本發明提出的方法在提高重建圖片質量的同時極大的降低重構時間，極大的減少了計算機存儲器的計算工作量和使用量。

技術領域

本發明涉及圖像處理領域，特別是指一種光譜層析成像中的圖像重建和編 碼方法。

背景技術

光譜層析成像(CT)是近幾十年來醫學成像中最重要的創新之一，它可以 通過對患者的組織和器官進行3D視覺檢查來提供快速有效的分析和病變識別。 隨著CT技術的發展，錐束CT(CBCT)憑借其高的空間分辨率，易于操作和相對 較低的購置費用而受到放射成像和治療的日益關注。盡管機載體積成像質量很 高，但人們仍然擔心過多的X射線會輻射到患者體內，這比常規診斷X射線要 高得多。預期CT掃描和成像過程可以在保持CT圖像質量的同時盡可能減少X 射線輻射。為減少CT掃描中X射線投影的數量，可直接減少輻射劑量，從而導 致采樣數據不足。發現當將FDK類型算法應用于欠采樣投影時，重構圖像的質量急劇下降。這是由于傅立葉域中的信息不完整。相比之下，另一類迭代重建 算法可以使用欠采樣的測量數據來提供更好的成像質量。這類算法是基于指定 成本函數的計算優化來求解CT測量數據的線性矩陣方程。由于測量數據和測量 矩陣是大維的，因此迭代算法執行重復的大維矩陣乘法運算以計算最佳重構解。 這些矩陣乘法運算需要大量的計算工作量，并且需要大量的計算機存儲器來存 儲矩陣數據。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術中的上述缺陷，提出一種提高重建圖 像的質量，并減少存儲器空間的圖像重構和編碼方法。

本發明采用如下技術方案：

光譜層析成像中的圖像重建和編碼方法，其特征在于，

步驟S1：獲取光譜層析圖像信號X作為訓練數據，對數據灰度預處理并完成 信號的腐蝕得到X1；

步驟S2：搭建自編碼去噪稀疏網絡的編碼子網絡，編碼子網絡為一個三層 全連接神經網絡，光譜層析圖像信號X通過編碼子網絡得到測量值y；

步驟S3：搭建自編碼去噪稀疏網絡的解碼子網絡，解碼子網絡是與編碼子 網絡結構對稱的三層全連接神經網絡，測量值y通過解碼子網絡得到重建圖片X2；

步驟S4：引入稀疏性的限制，生成損失函數；

步驟S5：對編碼和解碼子網絡進行聯合訓練，通過反向傳播算法對損失函 數進行優化，更新參數并得到最優的稀疏去噪自編碼網絡。

優選地，所述步驟S1對圖像信號X進行灰度處理，并加入一定概率分布的 高斯白噪聲對信號得到腐蝕信號：X1＝X+λn，其中n表示為零均值和方差為 1的加性高斯采樣噪聲，λ表示為信號腐蝕強度。

優選的，所述步驟S2建立稀疏去噪自編碼網絡的編碼子網絡Te(.)，并得 到測量值y，所述編碼子網絡為一個三層全連接神經網絡：輸入層，隱藏層和輸 出層，將腐蝕信號X1＝X+λn作為輸入數據，隱藏層特征向量表示為：

a1＝f(W1X1+b1)

輸出層輸出即測量值y表示為：

y＝f(W2a1+b2)

式中W1、b1表示l層和l+1層之間的權重矩陣和偏置值，f(.)表示 sigmoid激活函數；將三層網絡看做一個整體得到編碼子網絡Te(.)，編碼過 程如下: