基于小波变换和非局部权值先验的低剂量CT优质成像研究

摘要

自1895年伦琴发现X线以后,X线就被广泛用于人体进行检查,作为对疾病诊断的依据。20世纪70年代出现的计算机断层成像(Computed Tomography,CT),是近代飞跃发展的计算机技术和X线检查技术相结合的产物。经过近四十年的发展,CT的发展进入一个新的阶段,由上世纪七十年代的满足不同体位扫描(头部-肺部-体部),到90年代的扫描速度的演变(2s-1s-0.75s),以及扫描层次的加强(2层-4层-16层-64层-128层等),和双源、4D双源、炫速双源的投入使用。CT的发展精髓做到了低辐射、高分辨率、扫描范围大、扫描速度快、高质量图像和精细立体图形的建立。CT在临床医学的作用越来越大,也为临床医学向更高的发展奠定了良好的基础。
　　 随着现代医学影像学事业突飞猛进的发展,CT技术已成为医学影像学的核心技术之一。目前CT正处于快速发展的阶段,各种新技术的出现再次扩展了它的应用领域,如多排CT,双源CT的出现,使得心脏、肺的动态检查以及大器官的灌注研究在临床上得到应用。为了得到高质量的医学图像,很多CT设备加大X线剂量。但照射剂量偏高,限制了其在临床很多方面的应用,如高危人群肺癌的筛选,肺癌术后及放化疗后随访观察、孕妇、婴幼儿和儿童肺部检查等等。针对上述现象,临床多采用降低剂量的扫描方案,但低剂量CT扫描时受到量子噪声的影响,使得图像质量下降,影响诊断的准确性。
　　 CT扫描所获得图像均存在一定的噪声,特别是当辐射剂量降低时,图像噪声急剧增高,当辐射剂量降低到一定程度时,随着噪声的增高,图像也将不能满足临床诊断要求。为此,世界卫生组织(WHO)和国际放射委员会(ICRP)以及国际医学物理组织(IOMP)制定了医疗照射质量保证和质量控制标准,主张X-线诊断应遵循实践正当性、防护最优化的原则(As Low As ReasonableAchievable,ALARA),以最小的代价和辐射剂量获得最佳的诊断效果,这为低剂量CT技术的应用和研究提供了广阔的空间。合理使用低剂量建议在满足临床诊断要求的前提下尽量降低患者辐射剂量。
　　 相比传统标准剂量扫描,低剂量CT应用于临床具有重要的意义。低剂量CT工具有以下优点:
　　 (1)降低受检者辐射危害,提高成像质量。低剂量CT大大降低了受检者X线辐射剂量,消除了部分患者对X线的恐惧心理,使其可用于大规模人群普查及孕妇、儿童的诊断检查,既能满足病情诊断的需要,又注意到远期辐射效应可能产生的不良后果。
　　 (2)减少CT球管损耗、探测器损伤,节约CT运行成本。使用低剂量CT技术可以延长球管的使用寿命,减少CT运行成本,从而降低患者的诊断费用。
　　 合理应用低剂量CT技术使之产生的图像能满足临床诊断要求,是低剂量CT优质重建研究的重要课题。对低剂量CT和标准剂量CT图像的质量或诊断接受率的比较成为评估低剂量CT技术应用可行性的主要方面。目前对低剂量CT技术的研究主要通过计算机软件将常规噪声加到常规CT图像上来模拟低剂量CT图像,这样可以避免直接在患者进行低剂量的试验。对低剂量CT图像质量的评估目前还处于尝试阶段,大部分研究表明标准剂量和低剂量在对疾病的探测上差异无统计意义。因此临床上给低剂量CT技术的发展提供了一个更广阔的发展空间,“绿色CT”受到越来越多人的关注。
　　 本文根据先前标准剂量CT图像与低剂量CT图像之间冗余性信息,引入标准剂量图像作为权值先验信息来引导低剂量图像的恢复,而非基于低剂量图像自身。结合实际扫描过程中会得到序列图像信息,考虑到不同层间亦有解剖冗余性信息可以利用,提出了3D权值先验信息应用于序列低剂量CT图像恢复。由于3D NLM滤波计算量大,当前,GPU拥有强大的并行计算能力,而NLM算法适合并行处理,故考虑采用GPU进行硬件加速。由于同一病人相同部位的标准剂量图像相比低剂量图像包含更多更好的冗余信息,因此本文方法比传统NLM方法对低剂量图像的成像效果要好。
　　 同时在分析低剂量CT投影数据噪声统计特性的基础上,根据小波变换良好的时域、频域局部特性,利用稳定的Anscome方差变换公式,分别对Anscombe变换后投影数据进行小波域尺度系数和小波系数BM3D滤波,其后对小波逆变换和Anscombe逆变换的投影数据实现快速的解析FBP重建。相比直接在投影域进行BM3D滤波方法,本文方法利用小波变换对信号的自适应性,对小波分解后得到的低频和高频系数,分别进行滤波。由于小波变换具有良好的时.频局部特性,而且小波变换为线性变换,服从高斯分布的噪声经过小波变换后仍然满足高斯分布,均匀分布在整个空间,但噪声主要集中在高频区域,因此对分解的小波系数和尺度系数分别进行滤波,可获得较好的效果。
　　 本文根据先前标准剂量CT图像与低剂量CT图像之间的冗余性信息及低剂量CT投影数据的噪声特性,提出了两种低剂量CT优质成像的新方法。
　　 (1)根据先前标准剂量CT图像与低剂量CT图像之间的冗余性信息,提出了一种基于非局部权值先验和GPU加速的3D低剂量CT成像新方法。在肿瘤监测和放疗计划制定中,常常需要多次CT照射,使得辐射剂量问题受到人们广泛关注。针对低剂量CT成像质量退化问题,本文提出一种3D低剂量CT成像新方法。新方法属于图像后处理技术,是利用先前标准剂量的冗余信息优化非局部均值(Non-Local Means,NLM)滤波。针对前后两次扫描得到的图像结构信息可能不一致,新方法首先将3D标准剂量图像与3D低剂量图像进行解剖结构上的配准,其后进行NLM权重先验的设计；由于3D NLM滤波计算量大,故本文采用GPU硬件加速。临床3D CT图像数据实验证明,新方法较传统NLM滤波在低剂量图像的噪声消除和细节信息保持方面均有明显优势,且GPU加速后的执行效率大幅提升。
　　 (2)根据低剂量CT投影数据的噪声特性,提出了一种基于小波变换的低剂量CT投影数据滤波新方法。新方法首先对经过Anscombe变换的低剂量CT投影数据进行小波分解,然后分别对分解后尺度系数和小波系数进行BM3D滤波,接着对滤波后的系数进行逆小波变换和Anscombe逆变换,最后对处理后的投影数据采用经典的滤波反投影(FBP)算法完成图像重建。实验表明,新方法在噪声抑制和图像细节保持等方面均有上佳表现。