一种术中CT图像射束硬化伪影校正方法及装置

摘要

本发明公开一种术中CT图像射束硬化伪影校正方法及装置。本发明从原始CT图像中分离出仅含高密度组织的分离CT图像，并对这两种图像分别进行重投影，然后对重投影数据进行校正，使用校正后的重投影数据进行图像重建得到误差CT图像，利用该误差CT图像对原始CT图像进行校正，最后获得校正CT图像。通过本发明的校正，CT图像的伪影基本被消除或减弱，实现了对原始CT图像校正的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及术中CT图像处理领域，尤其涉及一种术中CT图像射束硬化伪影校正方法及装置。

背景技术

因为术中CT（一种CT医疗诊断设备）具有体积小、质量轻、使用灵活等特点，因而应用越来越广泛，与传统CT一样，术中CT也可对病人进行断层扫描，得到感兴趣区的切片图像，应用于早期诊疗、无创诊断等领域。术中CT的应用范围广，在需要进行CT扫描的场合中都可使用，比如手术室、ICU重症监护室、急诊室等，通过使用术中CT，可以达到提高手术成功率、延长病人寿命的目的。

但是术中CT所得到的图像中广泛存在的一种伪影，其主要是由射束硬化现象引入的，所谓射束硬化现象是指低能量的射线易于被物质吸收衰减的现象，射束硬化还会带来条状伪影，射束硬化对图像质量的影响严重，特别是在对头颅等组织进行扫描时，这种射束硬化伪影更加明显。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种术中CT图像射束硬化伪影校正方法及装置，旨在解决现有技术中术中CT射束硬化现象带来的伪影问题。

本发明的技术方案如下：

一种术中CT图像射束硬化伪影校正方法，其中，包括步骤：

A、通过设置一预定的分割阀值从原始CT图像中分离提取高密度组织区域获得仅包含高密度组织区域的分离CT图像；

B、使用平行光源在预定的角度范围内分别对原始CT图像和分离CT图像进行重投影获得原始CT图像重投影数据和分离CT图像重投影数据；

C、根据所述原始CT图像重投影数据设置一校正区域和重置区域，将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据；

D、对所述分离CT图像重投影校正数据进行CT图像重建获得误差CT图像；

E、利用所述误差CT图像对所述原始CT图像进行校正处理获得校正CT图像。

所述术中CT图像射束硬化伪影校正方法，其中，所述步骤A的分割阀值大于1000Hu，当所述原始CT图像的目标区域的CT值大于所述分割阀值时，则该目标区域为高密度组织区域。

所述术中CT图像射束硬化伪影校正方法，其中，所述步骤B的角度范围为                                                ，平行光源的角度增量，所述平行光源共有256条射线，所述分离CT图像重投影数据为，为当前射线入射到原始CT图像的像素，为平行光源的第i个重投影角度，为常量。

所述术中CT图像射束硬化伪影校正方法，其中，所述步骤C具体包括：

C1、设置常量和，当，则判定该投影数据为重置区域，当，则判定该投影数据为校正区域，其中，为原始CT图像重投影数据在角度s处的投影数据；

C2、将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据。

所述术中CT图像射束硬化伪影校正方法，其中，所述步骤D具体包括：

D1、设置与所述分离CT图像重投影校正数据对应的滤波核；

D2、对所述分离CT图像重投影校正数据和滤波核分别进行快速傅里叶变换获得分离CT图像重投影校正数据频域以及滤波核频域；

D3、将所述分离CT图像重投影校正数据频域以及滤波核频域在频域内相乘获得频域的滤波数据；

D4、对所述滤波数据进行离散傅里叶逆变换获得滤波投影数据；

D5、对所述滤波投影数据进行反投影计算，获得误差CT图像。

所述术中CT图像射束硬化伪影校正方法，其中，所述步骤E具体包括：

将原始CT图像与误差CT图像中的每一像素进行逐行累加，获得校正CT图像。

所述术中CT图像射束硬化伪影校正方法，其中，所述步骤A之前还包括：

利用探测器探测多个视角的投影帧数据，并对所述投影帧数据进行切片重建获取重建切片的原始CT图像。

一种术中CT图像射束硬化伪影校正装置，其中，包括：

分离CT图像获取模块，用于通过设置一预定的分割阀值从原始CT图像中分离提取高密度组织区域获得仅包含高密度组织区域的分离CT图像；

重投影模块，用于使用平行光源在预定的角度范围内分别对原始CT图像和分离CT图像进行重投影获得原始CT图像重投影数据和分离CT图像重投影数据；

重投影数据校正模块，用于根据所述原始CT图像重投影数据设置一校正区域和重置区域，将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据；

误差CT图像重建模块，用于对所述分离CT图像重投影校正数据进行CT图像重建获得误差CT图像；

校正处理模块，用于利用所述误差CT图像对所述原始CT图像进行校正处理获得校正CT图像；

所述分离CT图像获取模块、重投影模块、重投影数据校正模块、误差CT图像重建模块、校正处理模块依次连接。

所述术中CT图像射束硬化伪影校正装置，其中，所述重投影数据校正模块包括：

区域设置单元，用于设置常量和，当，则判定该投影数据为重置区域，当，则判定该投影数据为校正区域，其中，为原始CT图像重投影数据在角度s处的投影数据；

重投影数据校正单元，用于将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据；

所述区域设置单元与重投影数据校正单元相连接。

所述术中CT图像射束硬化伪影校正装置，其中，所述误差CT图像重建模块包括：

滤波核设置单元，用于设置与所述分离CT图像重投影校正数据对应的滤波核；

快速傅里叶变换单元，用于对所述分离CT图像重投影校正数据和滤波核分别进行快速傅里叶变换获得分离CT图像重投影校正数据频域以及滤波核频域；

滤波数据获取单元，用于将所述分离CT图像重投影校正数据频域以及滤波核频域在频域内相乘获得频域的滤波数据；

离散傅里叶变换单元，用于对所述滤波数据进行离散傅里叶逆变换获得滤波投影数据；

误差CT图像获取单元，用于对所述滤波投影数据进行反投影计算，获得误差CT图像；

所述滤波核设置单元、快速傅里叶变换单元、滤波数据获取单元、离散傅里叶变换单元、误差CT图像获取单元依次连接。

有益效果：本发明射束硬化伪影的校正方法及装置，从原始CT图像中分离出仅含高密度组织的分离CT图像，并对这两种图像分别进行重投影，然后对重投影数据进行骨校正，使用校正后的重投影数据进行图像重建得到误差CT图像，利用该误差CT图像对原始CT图像进行校正，最后获得校正CT图像。通过本发明的校正，CT图像的伪影基本被消除或减弱， 实现了对原始CT图像校正的目的，并且本发明降低了数据处理量，加快了图像处理速度，从而提高了校正效率。

附图说明

图1为本发明术中CT图像射束硬化伪影校正方法较佳实施例的流程图。

图2为图1所示方法中CT图像重建的具体流程图。

图3为本发明实施例中原始CT图像的示意图。

图4为采用本发明的校正方法后获得的校正CT图像的示意图。

图5为本发明术中CT图像射束硬化伪影校正装置较佳实施例的结构框图。

图6为图5所示装置中重投影数据校正模块的结构框图。

图7为图5所示装置中误差CT图像重建模块的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种术中CT图像射束硬化伪影校正方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明术中CT图像射束硬化伪影校正方法较佳实施例的流程图，如图所示，包括步骤：

S101、通过设置一预定的分割阀值从原始CT图像中分离提取高密度组织区域获得仅包含高密度组织区域的分离CT图像；

S102、使用平行光源在预定的角度范围内分别对原始CT图像和分离CT图像进行重投影获得原始CT图像重投影数据和分离CT图像重投影数据；

S103、根据所述原始CT图像重投影数据设置一校正区域和重置区域，将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据；

S104、对所述分离CT图像重投影校正数据进行CT图像重建获得误差CT图像；

S105、利用所述误差CT图像对所述原始CT图像进行校正处理获得校正CT图像。

在步骤S101中，原始CT图像是从对探测器探测到的多个视角的投影帧数据进行切片重建获取的，下文会具体对其进行说明。在获取了原始CT图像后，需要从原始CT图像中获得仅含高密度组织区域的分离CT图像，高密度组织是指组织密度相对较高的物质，例如骨骼、金属等。具体的分离方法为设置一分割阀值，对于原始CT图像中CT值大于分割阀值的区域则为高密度组织区域，对于原始CT图像中CT值小于分割阀值的区域则为低密度组织区域，并将该低密度组织区域的CT值重置为0，如此，即可获得仅含高密度组织区域的分离CT图像。本发明中，对于不同的组织结构，所设定的分割阀值也不同，对于高密度组织，分割阀值一般设置为1000Hu以上。本发明中，CT值的单位为Hu。

假设需要对原始CT图像的头骨进行分离，获得仅含头骨的分离CT图像，用表示原始CT图像，表示坐标，其大小为，其中，而设置头骨的CT值为1200Hu，那么可设置分割阀值Hu，通过下面的算法来获得分离得到仅含头骨的分离CT图像；

FOR i←1:512,j←1:512

DO IF f(i,j)<th

DO b(I,j)=0

                              ELSE b(I,j) = f(i,j)

End IF

如此，即可获得包含了切片组织的原始CT图像，以及仅包含头骨的分离CT图像。

S102、获取了原始CT图像和分离CT图像后，需要对他们进行重投影，以获得重投影数据，这种重投影包括对多种扫描方式下的图像进行重投影，例如平行束、扇束扫描等二维扫描方式下的图像，或者锥束扫描、螺旋扫描等立体扫描方式下的图像。而对于重投影则可使用平行光源在预定的角度范围内分别对原始CT图像和分离CT图像进行重投影，以获得原始CT图像重投影数据和分离CT图像重投影数据。

例如对于分辨率的CT图像，平行光源在的角度范围内进行曝光，平行光源的起始重投影角度用表示，角度增量为，那么第个重投影角度表示为，其中,。而在位置处，平行光源的相邻射线的间距为，平行光源中第j条射线的重投影数据可表示为，其中的表示重投影角度，l表示射线，i表示第i个重投影角度，j表示第j条射线，那么所有角度下的重投影数据表示为和，表示原始CT图像的重投影数据，表示分离CT图像的重投影数据，s、t表示坐标。重投影的总的思路是：根据重投影角度确定射线的间隔，然后确定下一个像素坐标，求解当前射线上的线积分，然后对线积分进行对数运算。

现对于重投影的实现方式用一实施例来具体说明，对原始CT图像进行重投影，x和y表示坐标，平行光源曝光的角度范围，角度增量，平行光源共有256条分布均匀地射线，在当前角度下，射线的间距为，像素的递增分量是，当前射线通过的入射像素是，则其下一个像素是，出射像素是。如此，的重投影表示为，这样，所有角度的重投影数据可以表示为，s表示平行光源的角度，x表示像素。采用上述方法同样可得到分离CT图像重投影数据为。

在步骤S103中，获取了原始CT图像重投影数据和分离CT图像重投影数据之后，需要对其进行校正，具体可根据所述原始CT图像重投影数据设置一校正区域和重置区域，将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据。例如，设置两个常值和，若满足， 为原始CT图像重投影数据在角度s处的投影数据，则判定此处投影所在的射线不包含高密度组织，并且设置；否则，判定此处投影所在的射线包含高密度组织，并且使用预先定义的预定常量代替该处的投影值，从而实现对重投影数据的校正获得分离CT图像重投影校正数据。本发明采用上述方法对原始CT图像和分离CT图像进行重投影，然后利用原始CT图像重投影数据对分离CT图像重投影数据进行校正，大大减少了计算量，处理运算过程都大大降低，提高了图像校正的速度和质量。

本步骤可具体细化为以下步骤：

S201、设置常量和，当，则判定该投影数据为重置区域，当，则判定该投影数据为校正区域，其中，为原始CT图像重投影数据在角度s处的投影数据，从实际经验得出，一般需小于1，此时判定结构将更加准确；

S202、将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据。

在步骤S104中，获取了分离CT图像重投影校正数据之后，需要对其进行CT图像重建获取误差CT图像，具体如图2所示，其包括步骤：

S301、设置与所述分离CT图像重投影校正数据对应的滤波核；

S302、对所述分离CT图像重投影校正数据和滤波核分别进行快速傅里叶变换获得分离CT图像重投影校正数据频域以及滤波核频域；

S303、将所述分离CT图像重投影校正数据频域以及滤波核频域在频域内相乘获得频域的滤波数据；

S304、对所述滤波数据进行离散傅里叶逆变换获得滤波投影数据；

S305、对所述滤波投影数据进行反投影计算，获得误差CT图像。

举例说明，假设在角度处，分离CT图像重投影校正数据表示为，对进行快速傅立叶变化，得到分离CT图像重投影校正数据的频域，其表达式为，其中，对滤波核进行快速傅立叶变化，得到滤波核频域的表达式，其中；在频域内计算，得到频域的滤波数据；对进行离散傅立叶逆变换，得到滤波投影数据；再使用前述的重投影算法进行反投影计算，对当前射线上的所有像素用进行累加，从而获得误差CT图像。

在步骤S105中，获得误差CT图像后，利用该误差CT图像对原始CT图像进行校正处理得到校正CT图像并存储。其主要是通过对原始CT图像和误差CT图像中的每一像素进行逐行累加，得到校正CT图像，用表达式表示为。例如，对于像素，首先对进行插值计算，得到更新后的误差CT图像，；

第一列像素可以进行如下运算，

；

第二列像素可以进行如下运算，

；

第三列像素可以进行如下运算，

；

这里，、、、、、、、是加权系数，满足，。

校正CT图像，通过对原始CT图像进行累加得到，

第一行像素可以进行如下运算，

第二行像素可以进行如下运算，

第三行像素可以进行如下运算，

这里，、、、、、、、是加权系数，满足，。

通过这些运算，得到校正CT图像，然后使用转换为16位格式进行存储，其中运算符表示二进制与运算。图像存储格式需符合DICOM标准（一种图像格式标准），文件开头写入128个空字符(0)，写入字符”DICM”，写入标识扫描机生产商、扫描协议、图像大小等信息的图像信息单元，再写入像素的CT值，然后进行存储。

在本发明中，原始CT图像是通过术中CT机的X射线球管发射X射线，经过准直后形成扇形光束并穿透感兴趣区，衰减后的X射线达到探测器阵列并被采集，X射线球管在切片平面内围绕着被扫描区域进行旋转扫描，在每一个曝光位置，探测器阵列采集到一组投影数据，形成一个视角的投影帧，X射线球管在360度范围内进行曝光形成多帧投影，形成对切片的一次完整扫描，利用上述投影的投影数据进行切片重建即可获得原始CT图像，原始CT图像反映了物质的X射线衰减系数分布函数，也反映了物质的相对密度，在原始CT图像中，X射线衰减系数转化为CT值，用以控制原始CT图像在图像输出设备上的显示。本发明中，到达探测器阵列的X射线强度取决于切片的组织密度，不同的组织密度具有不同的X射线衰减率，探测器阵列中的探测器单元是彼此独立的。

而射束硬化的原因则主要是：X射线球管发射出的X射线是宽能带的，而且相同密度的物质，其X射线衰减系数随着X射线强度而变化，最后导致按照现有重建算法重建的原始CT图像存在射束硬化伪影。本发明就是针对上述问题，提出一种射束硬化伪影的校正方法，从原始CT图像中分离出仅含高密度组织的分离CT图像，并对这两种图像分别进行重投影，然后对重投影数据进行校正，使用校正后的重投影数据进行图像重建得到误差CT图像，利用该误差CT图像对原始CT图像进行校正，最后获得校正CT图像。

本发明的一个具体实施例，采用单排探测器，球管电压为120kV，球管电流80mA，视野为240cm，层厚为5mm，使用头模，机架倾角为20度，球管和探测器共同旋转，曝光1200次，通过探测器采集1200个位置的投影数据，对这些投影数据进行校正，使用滤波反投影算法进行图像重建获得原始CT图像，如图3所示，通过本发明的校正后获得的校正CT图像如图4所示，从图中可以看出，伪影现象明显减少，图像更加清晰，方便了医生对于患者的情况给出一个准确的判断。

基于上述方法，本发明还提供一种术中CT图像射束硬化伪影校正装置，如图5所示，其包括：

分离CT图像获取模块100，用于通过设置一预定的分割阀值从原始CT图像中分离提取高密度组织区域获得仅包含高密度组织区域的分离CT图像；

重投影模块200，用于使用平行光源在预定的角度范围内分别对原始CT图像和分离CT图像进行重投影获得原始CT图像重投影数据和分离CT图像重投影数据；

重投影数据校正模块300，用于根据所述原始CT图像重投影数据设置一校正区域和重置区域，将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据；

误差CT图像重建模块400，用于对所述分离CT图像重投影校正数据进行CT图像重建获得误差CT图像；

校正处理模块500，用于利用所述误差CT图像对所述原始CT图像进行校正处理获得校正CT图像；

所述分离CT图像获取模块100、重投影模块200、重投影数据校正模块300、误差CT图像重建模块400、校正处理模块500依次连接。

进一步，如图6所示，所述重投影数据校正模块300包括：

区域设置单元310，用于设置常量和，当，则判定该投影数据为重置区域，当，则判定该投影数据为校正区域，其中，为原始CT图像重投影数据在角度s处的投影数据；

重投影数据校正单元320，用于将所述分离CT图像重投影数据中的与校正区域相应的区域的CT值替换为预定常量，并将所述分离CT图像重投影数据中的重置区域相应的区域的CT值重置为0，获得分离CT图像重投影校正数据；

所述区域设置单元310与重投影数据校正单元320连接。

进一步，如图7所示，所述误差CT图像重建模块400包括：

滤波核设置单元410，用于设置与所述分离CT图像重投影校正数据对应的滤波核；

快速傅里叶变换单元420，用于对所述分离CT图像重投影校正数据和滤波核分别进行快速傅里叶变换获得分离CT图像重投影校正数据频域以及滤波核频域；

滤波数据获取单元430，用于将所述分离CT图像重投影校正数据频域以及滤波核频域在频域内相乘获得频域的滤波数据；

离散傅里叶变换单元440，用于对所述滤波数据进行离散傅里叶逆变换获得滤波投影数据；

误差CT图像获取单元450，用于对所述滤波投影数据进行反投影计算，获得误差CT图像；

所述滤波核设置单元410、快速傅里叶变换单元420、滤波数据获取单元430、离散傅里叶变换单元440、误差CT图像获取单元450依次连接。关于上述各模块及单元的功能作用在前面的方法中已有详述，故不再赘述。

综上所述，本发明射束硬化伪影的校正方法及装置，从原始CT图像中分离出仅含高密度组织的分离CT图像，并对这两种图像分别进行重投影，然后对重投影数据进行校正，使用校正后的重投影数据进行图像重建得到误差CT图像，利用该误差CT图像对原始CT图像进行校正，最后获得校正CT图像。通过本发明的校正，CT图像的伪影基本被消除或减弱， 实现了对原始CT图像校正的目的，并且本发明降低了数据处理量，加快了图像处理速度，从而提高了校正效率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。