乳腺断层图像重建方法和装置

摘要

本发明提供了一种乳腺断层图像重建方法和装置。该方法包括以下步骤：将乳腺断层摄影设备的机械坐标以及投影图像的图像参数进行初始化；对该投影图像进行预处理；对经过预处理的投影图像进行滤波反投影，生成乳腺三维断层重建图像；去除该乳腺三维断层重建图像中的探测器边缘伪影；去除该乳腺三维断层重建图像中的乳腺边缘伪影；以及去除该乳腺三维断层重建图像中的锯齿伪影。本发明能够适应多射线源的乳腺断层摄影设备。

说明书

技术领域

本发明主要涉及乳腺断层摄影技术，尤其涉及一种乳腺断层图像重建方法 和装置。

背景技术

乳腺癌在全球范围内都是严重威胁女性健康的重要疾病。乳腺X射线摄影目 前被公认为乳腺癌的首选检查方式。近年来，随着影像设备不断更新，数字化乳腺 断层合成技术，又称数字乳腺断层摄影(DigitalBreastTomosynthesis,DBT)的出现， 使乳腺癌的早期检出和诊断有了进一步的提高。

数字乳腺断层摄影是一项三维成像技术，它是由一系列从不同角度拍摄所 获得的低剂量乳腺投影图像经重建后合成包含一系列高分辨率的断层图像的 乳腺三维断层重建图像。这些断层影像单独显示或以连续播放的形式进行动态 显示。每个断层图像显示乳腺的每个断层的结构。

传统的乳腺断层摄影设备所采用的射线源都是单一射线源。因此，传统的 乳腺断层图像重建及对应的伪影校正算法及流程也均是对单一光源进行设计 的。随着X线光源技术的发展，目前已经开发出了多射线源的新型X线球管。 但是传统的重建流程已无法满足此种新型多射线源X线球管的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够适应多射线源的乳腺断层图像重 建方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种乳腺断层图像重建方法，包括以下 步骤：对投影图像进行预处理；对经过预处理的投影图像进行滤波反投影，生 成乳腺三维断层重建图像；去除该乳腺三维断层重建图像中的探测器边缘伪 影；去除该乳腺三维断层重建图像中的乳腺边缘伪影；以及去除该乳腺三维断 层重建图像中的锯齿伪影。

在本发明的一实施例中，对该投影图像进行预处理的步骤包括：将乳腺区 域从该投影图像中分割出来；对分割后的投影图像进行负片操作；以及对机械 设备的几何误差进行校正。

在本发明的一实施例中，对经过预处理的投影图像进行滤波反投影，生成 乳腺三维断层重建图像的步骤包括：对该经过预处理的投影图像进行滤波；对 经过滤波的投影图像进行滤波校正以去除高亮伪影；对经过滤波校正的投影图 像进行X射线衰减伪影校正；以及对经过X射线衰减伪影校正的投影图像进行 反投影重建，生成乳腺三维断层重建图像。

在本发明的一实施例中，去除该乳腺三维断层重建图像中的锯齿伪影的步 骤包括：计算出各角度投影图像中探测器边缘在该乳腺三维断层重建图像中的 相应断层图像中的映射位置；确定该断层图像中，乳腺图像区域边缘与各映射 位置的交点及其位置信息；基于各交点及与各交点对应的错位信息，在乳腺图 像区域中去除各角度投影图像中探测器边缘在该断层图像中的映射位置处的 锯齿伪影，其中与交点对应的错位信息是指与该交点对应的锯齿伪影的尖端相 对于该交点在水平方向的偏移。

在本发明的一实施例中，计算出各角度投影图像中探测器边缘在该乳腺三 维断层重建图像中的相应断层图像中的映射位置的步骤包括：基于射线源、探 测器之间的几何位置关系、各角度投影图像与相应的断层图像之间的几何位置 关系，使用图像插值算法将各角度投影图像中像素点的坐标映射到相应的断层 图像中；基于探测器的有效成像区域确定各角度投影图像中探测器边缘在相应 断层图像中的映射位置。

在本发明的一实施例中，该图像插值算法包括：双线性插值法和最近邻域插 值法。

在本发明的一实施例中，基于各交点及与各交点对应的错位信息在乳腺图 像区域中去除各角度投影图像中探测器边缘在该断层图像中的映射位置处的 锯齿伪影包括：创建与该断层图像对应的0-1乳腺模板；在该0-1乳腺模板中，从 中央向两侧依次去除各锯齿伪影，包括：将一映射位置的交点对应的锯齿伪影的 边缘向内移动一等于该交点对应的错位信息的距离，然后将移动后的边缘与移动前 的边缘之间的乳腺图像区域部分置为直接曝光区域部分，并且重新确定乳腺图像 区域边缘与下一映射位置的交点；重复上述步骤直到去除各锯齿伪影；以及将该 断层图像与该0-1乳腺模板相乘，获得校正后的断层图像。

在本发明的一实施例中，对投影图像进行预处理的步骤之前还包括：将乳 腺断层摄影设备的机械坐标以及投影图像的图像参数进行初始化。

本发明还提出一种乳腺断层图像重建装置，包括：预处理模块，用于对投 影图像进行预处理；滤波反投影模块，连接该预处理模块，用于对经过预处理 的投影图像进行滤波反投影，生成乳腺三维断层重建图像；探测器边缘伪影消 除模块，连接滤波反投影模块，用于去除该乳腺三维断层重建图像中的探测器 边缘伪影；乳腺边缘伪影消除模块，连接该探测器边缘伪影消除模块，用于去 除该乳腺三维断层重建图像中的乳腺边缘伪影；以及锯齿伪影消除模块，连接 该乳腺边缘伪影消除模块，用于去除该乳腺三维断层重建图像中的锯齿伪影。

在本发明的一实施例中，该预处理模块执行以下操作：将乳腺区域从投影 图像中分割出来；对分割后的投影图像进行负片操作；以及对机械设备的几何 误差进行校正。

在本发明的一实施例中，该滤波反投影模块执行以下操作：对该经过预处 理的投影图像进行滤波；对经过滤波的投影图像进行滤波校正以去除高亮伪 影；对经过滤波校正的投影图像进行X射线衰减伪影校正；以及对经过X射线 衰减伪影校正的投影图像进行反投影重建，生成乳腺三维断层重建图像。

在本发明的一实施例中，该锯齿伪影消除模块包括：第一子模块，用于计 算出各角度投影图像中探测器边缘在相应断层图像中的映射位置；第二子模 块，用于确定该断层图像中，乳腺图像区域边缘与各映射位置的交点及其位置 信息；第三子模块，用于基于各交点及与各交点对应的错位信息，在乳腺图像 区域中去除各角度投影图像中探测器边缘在该断层图像中的映射位置处的锯 齿伪影，其中与交点对应的错位信息是指与该交点对应的锯齿伪影的尖端相对 于该交点在水平方向的偏移。

在本发明的一实施例中，该第一子模块执行以下操作以计算出各角度投影 图像中探测器边缘在乳腺三维断层重建图像中的相应断层图像的映射位置：基 于射线源、探测器之间的几何位置关系、各角度投影图像与相应的断层图像之 间的几何位置关系，使用图像插值算法将各角度投影图像中像素点的坐标映射 到相应的断层图像中；基于探测器的有效成像区域确定各角度投影图像中探测 器边缘在相应断层图像中的映射位置。

在本发明的一实施例中，该图像插值算法包括：双线性插值法和最近邻域插 值法。

在本发明的一实施例中，该第三子模块执行以下操作：创建与该断层图像 对应的0-1乳腺模板；在该0-1乳腺模板中，从中央向两侧依次去除各锯齿伪影， 包括：将一映射位置的交点对应的锯齿伪影的边缘向内移动一等于该交点对应的 错位信息的距离，然后将移动后的边缘与移动前的边缘之间的乳腺图像区域部分置 为直接曝光区域部分，并且重新确定乳腺图像区域边缘与下一映射位置的交点； 重复上述步骤直到去除各锯齿伪影；以及将该断层图像与该0-1乳腺模板相乘，获 得校正后的断层图像。

在本发明的一实施例中，上述装置还包括：参数初始化模块，连接该预处 理模块，用于将乳腺断层摄影设备的机械坐标以及投影图像的图像参数进行初 始化。

与现有技术相比，本发明通过对乳腺三维断层重建图像上的边缘伪影和锯 齿伪影校正，能够适应多射线源的乳腺断层摄影设备。

附图说明

图1是本发明一实施例的乳腺断层图像重建方法流程图。

图2是图1所示方法的投影图像预处理流程图。

图3是图1所示方法的滤波反投影流程图。

图4是图1所示方法的锯齿伪影消除流程图。

图5是图4所示方法的单个锯齿伪影校正流程。

图6是锯齿伪影校正前的重建图像示意图。

图7是本发明一实施例的锯齿伪影校正示意图。

图8A-8D是本发明一实施例的锯齿伪影校正示意图。

图9是本发明一实施例的锯齿伪影校正结果。

图10是现有的乳腺断层重建图像的伪影校正结果。

图11是探测器边缘伪影示意图。

图12是本发明一实施例的乳腺断层摄影设备的结构图。

图13是本发明一实施例的乳腺断层图像重建装置的结构图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发 明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开 的具体实施例的限制。

图12示出本发明一实施例的乳腺断层摄影设备的结构图。参考图12所示， 本实施例的乳腺断层摄影设备1200包括多个射线源1210、探测器1220和压迫 板1230。探测器1220和压迫板1230从两个方向夹持乳房。多个射线源1210 从远处不同的角度照射乳房，射线穿过乳房后进入探测器1220，从而在探测器 1220上留下投影图像。

此乳腺断层摄影设备1200的特点在于，使用了多个射线源1210照射乳房， 从而能够覆盖更大的乳房区域，让射线源不必再进行运动。

乳腺断层摄影设备1200会获得各个不同角度的射线源1210照射形成的投 影图像，然后传输给计算机辅助图像处理设备1200，进行下文描述的图像重建。 图像重建后会得到三维乳腺断层重建图像，其包含许多断层图像(或者切片图 像)。每个断层图像可显示乳腺的一个断层。

在乳腺三维断层图像的重建过程中会出现各种伪影。伪影是指影像中没有 反映物体真正衰减差异的任何密度的改变。这些伪影的存在不仅影响图像的质 量，还可能导致假阳性的结果，或者掩盖真实的病灶而导致漏诊或误诊。因此 消除这些伪影是投影图像过程中的必要工作。

图1是本发明一实施例的乳腺断层图像重建方法流程图。参考图1所示， 本实施例的乳腺断层图像重建方法流程100包括如下步骤：

步骤101，进行参数初始化。具体地说，将乳腺断层摄影设备800传过来 的机械坐标以及投影图像111的图像参数进行初始化。

在步骤102，进行投影图像预处理。此步骤输入投影图像112进行预处理， 并输出预处理后的投影图像。

在步骤103，进行滤波反投影。此步骤输入预处理的投影图像，进行滤波 反投影后，输出乳腺三维断层重建图像113(后文简称重建图像)。

在步骤104，去除探测器边缘伪影。

由于探测器(参考图7)过小，如图11所示，会在重建图像的各断层图像 的边缘产生探测器边缘伪影1100。此步骤104输入重建图像113，去除探测器 边缘伪影后，输出新的重建图像。

在步骤105，去除乳腺边缘伪影。

在步骤106，去除锯齿伪影。

探测器边缘伪影处会遗留锯齿状伪影，该伪影是由于探测器过小，扫描角 度小造成的，因此要对该伪影进行去除。此步骤输入去除乳腺边缘伪影后的重 建图像，去除锯齿伪影后，输出新的重建图像。

步骤104-106中，去除各种伪影的步骤可以针对整个重建图像进行，也可 以分别针对每一个断层图像进行。

图2示出图1所示方法的投影图像预处理步骤流程图。参考图2所示，此步 骤进一步包括如下步骤：

在步骤201，将乳腺区域从投影图像中分割出来。

在步骤202，对分割后的投影图像进行负片操作。

在步骤203，对本设备存在的几何误差进行校正。

图3示出图1所示方法的滤波反投影步骤流程图。参考图3所示，此步骤包 括如下步骤：

在步骤301，进行投影图像滤波。此步骤生成相应的滤波函数，对经过预 处理的投影图像进行投影图像滤波。

在步骤302，进行投影图像滤波校正。由于投影图像滤波后会在组织边缘 产生一圈高亮边缘，使得相应重建结果出现高亮边缘，因此在步骤302进行滤 波校正，去除高亮伪影。

在步骤303，进行X射线衰减伪影校正。由于X射线衰减，会在图像上产 生衰减伪影，因此在步骤303进行衰减伪影校正。

在步骤304，对图像进行反投影重建，生成重建图像。

图10是现有的乳腺断层重建图像的伪影校正结果。现有的乳腺断层重建图像 的伪影校正结果中会在区域A出现锯齿状伪影，影响诊断。本发明的实施例引入 了去除锯齿伪影的步骤来消除这一锯齿状伪影。

图6是锯齿伪影校正前的重建图像示意图，参考图6所示，在重建图像的上、 下边缘留下了锯齿伪影，如箭头A1、A2指向的位置。图4是本发明一实施例的锯 齿伪影校正示意图。如图4所示，此方法包括以下步骤：

在步骤401，计算出各角度投影图像中探测器边缘在重建图像的相应断层 图像的映射位置。

图7是本发明一实施例的锯齿伪影校正示意图，图7上半部分是乳腺的上 部，下半部分是乳腺的下部。参考图7所示，探测器边缘在相应断层图像中的映 射位置是图中的水平虚线L1-L4。此步骤的目的是计算出这些水平虚线L1-L4的位 置。这些位置可以在后续步骤定位交点。

在步骤402中，确定该断层图像中，乳腺图像区域边缘与各映射位置的交 点及交点的位置信息。

仍然参考图7上半部分所示，断层图像中，灰色部分是乳腺组织对应的图 像区域，即乳腺图像区域；黑色部分是不包含乳腺组织的图像区域，即直接曝 光区域。乳腺图像区域在边缘处与直接曝光区域形成一条带有锯齿的分界线。 乳腺图像区域边缘(分界线处)与各个映射位置(水平虚线)的交点即为图中 各个箭头指向的位置。可以看出，这些交点P1-P4(在图中以箭头指出)与各 个锯齿S1-S4尖端大致处于同一水平位置。

在步骤403中，基于各交点及与各交点对应的错位信息在乳腺图像区域中 去除各角度投影图像中探测器边缘在相应断层图像中的映射位置处的锯齿伪 影。

在此，与交点对应的错位信息是指与该交点对应的锯齿伪影与该交点在水 平方向的偏移。如图7所示，在各交点处，由于锯齿的存在，乳腺图像区域在 与直接曝光区域的交界处发生错位，因此一旦获得错位信息，即可根据这一错 位信息去除锯齿。举例来说，在水平虚线L1处，锯齿S1导致了幅度为D1的 偏移。因此通过以偏移D1表示的错位信息，即可从乳腺图像区域中去除锯齿 S1。

在上述的步骤401中，可以通过下述方式来计算出各角度投影图像中探测 器边缘在相应断层图像中的映射位置：先基于射线源、探测器之间的几何位置 关系、各角度投影图像与相应断层图像之间的几何位置关系，利用图像插值算 法将各角度投影图像中像素点的坐标映射到相应的断层图像中；然后基于探测 器的有效成像区域确定各角度投影图像中探测器边缘在相应断层图像中的映 射位置。例如假设投影图像分辨率是1000*1000(即长宽范围都是0～1000)大 小的，投影图像中的像素点映射到断层图像之后可能会有坐标为负值和坐标大 于1000的像素点存在(这些坐标对应的像素点都是探测器之外的像素点)， 通过坐标0和1000这两个临界值就能确定探测器边缘，即为图7中的水平虚 线。在计算结果中可以使用一个二维数组来表示各虚线上面的点坐标(x，y)。

在一个实施例中，可以通过双线性插值法或最近邻域插值法将投影图像的像 素点的坐标映射到重建空间各层的断层图像中。

图5是图4所示方法的单个锯齿伪影校正流程。参考图5所示，伪影校正 流程包括如下步骤：

步骤501，创建与断层图像对应的0-1乳腺模板。

0-1乳腺模板是将断层图像中的乳腺图像区域的像素点的灰度值置为1(白 色)，而将直接曝光区域置的像素点的灰度值置为0(黑色)。这有助于减少 图像处理所需的资源。图8A示意0-1乳腺模板的部分，包括4个锯齿S1-S4。

在步骤202，在0-1乳腺模板中，从中央向两侧依次去除各锯齿伪影。

首先参考图8A所示，箭头向下的是乳腺中央，箭头向上的是乳腺一侧边缘。 如图8A所示，将一映射位置L1的交点P1对应的锯齿伪影S1的边缘E1向内(图 中为向左)移动一等于该交点S1对应的错位信息D1的距离，得到移动后的边缘 E1′(如图8B所示)。然后如图8C所示，将移动后的边缘E1′与移动前的边缘E1 之间的乳腺图像区域部分的灰度值置为0(黑色)。最后，重新确定乳腺图像区 域边缘与下一映射位置的交点。比较图8D中新交点P2′的位置与图8A中旧交点 P2的位置可见，此交点被向内(图中为向左)移动了一段距离，该距离大约为错 位信息D1。

按照图8A-8D的流程依次去除锯齿伪影S2、S3和S4，即可去除这一区域的 所有锯齿伪影。

回到图7所示，断层图像下半部分的锯齿伪影，也类似地进行去除，从而得 到不含有锯齿伪影的0-1乳腺模板。

在步骤503，将断层图像与0-1乳腺模板相乘，获得校正后的断层图像。

图9是本发明一实施例的锯齿伪影校正结果，图9中左侧为锯齿伪影去除 前的局部断层图像，右侧为锯齿伪影去除后的局部断层图像。参考图9所示， 左侧图像的区域B1有锯齿伪影，经过前述的锯齿伪影校正后，在右侧图像的 区域B2处已经去除了锯齿伪影，从而获得去除伪影后的断层图像。

图13是本发明一实施例的乳腺断层图像重建装置的结构图。参考图13所 示，乳腺断层图像重建装置可以在计算机辅助图像处理设备900中实施，其包 括参数初始化模块1301、预处理模块1302、滤波反投影模块1303、探测器边 缘伪影消除模块1304、乳腺边缘伪影消除模块1305以及锯齿伪影消除模块 1306。参数初始化模块1301用于将乳腺断层摄影设备的机械坐标以及投影图 像的图像参数进行初始化。预处理模块1302连接该参数初始化模块1301，用 于对111投影图像进行预处理。滤波反投影模块1303连接预处理模块1302， 用于对经过预处理的投影图像113进行滤波反投影，生成重建图像。探测器边 缘伪影消除模块1304连接滤波反投影模块1303，用于去除重建图像113中的 探测器边缘伪影。乳腺边缘伪影消除模块1305连接探测器边缘伪影消除模块 1304，用于去除重建图像113中的乳腺边缘伪影。锯齿伪影消除模块1306连 接乳腺边缘伪影消除模块1305，用于去除重建图像中的锯齿伪影。

本发明上述实施例的乳腺断层图像重建及伪影校正方法可以在例如计算 机软件、硬件或计算机软件与硬件的组合的计算机可读取介质中加以实施。对 于硬件实施而言，本发明中所描述的实施例可在一个或多个专用集成电路 (ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程 逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、 微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实 施。在部分情况下，这类实施例可以通过控制器进行实施。

对软件实施而言，本发明中所描述的实施例可通过诸如程序模块 (procedures)和函数模块(functions)等独立的软件模块来加以实施，其中每 一个模块执行一个或多个本文中描述的功能和操作。软件代码可通过在适当编 程语言中编写的应用软件来加以实施，可以储存在内存中，由控制器或处理器 执行。

本发明上述实施例的乳腺断层图像重建及伪影校正装置可以在例如计算 机硬件中加以实施。例如，本发明中所描述的实施例可在一个或多个专用集成 电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可 编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控 制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来 加以实施。在部分情况下，这类实施例可以通过控制器进行实施。也就是说， 乳腺断层图像重建及伪影校正装置的一个或多个模块可以用硬件电路来实施。

本发明的实施例所描述的乳腺断层图像重建及伪影校正方法和装置，可以 适用于各种数量的射线源的乳腺断层摄影设备。这些射线源的样式可以是直线 形、弧线形或者其它型态。并且，这些射线源的个数可以是1个或多个。

本发明的乳腺断层图像重建方法和装置，通过对重建图像的边缘伪影和锯 齿伪影校正，能够适应多射线源的乳腺断层摄影设备。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技 术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精 神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神 范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。