一種低劑量ct圖像重建方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低劑量CT圖像重建方法，包括以下步驟：步驟（1），獲取不同投影角度θ的等斜率增量的投影數(shù)據(jù)；步驟（2），對(duì)所述投影數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；步驟（3），對(duì)修正后的所述投影數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，以使其轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)；步驟（4），將所述極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成偽極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)；步驟（5），通過迭代法使所述步驟（4）中的所述頻域空間數(shù)據(jù)在偽極坐標(biāo)系下的頻域空間與笛卡爾坐標(biāo)下的時(shí)域空間之間重復(fù)轉(zhuǎn)換，直至滿足預(yù)設(shè)的最終條件；步驟（6），輸出滿足最終條件時(shí)的時(shí)域圖像。本發(fā)明的方法在保證重建圖像質(zhì)量的同時(shí)，還能有效降低樣品所受到的輻射劑量。
【專利說明】一種低劑量CT圖像重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像重建方法，尤其涉及一種低劑量CT圖像重建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 計(jì)算機(jī)斷層成像（Computer Tomography, CT)是一種有效的無損三維檢測技術(shù)，它 能從樣品的二維投影中解出斷層切片，實(shí)現(xiàn)三維可視化，在醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、地球物理學(xué)、考古 學(xué)及生物學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域以及工業(yè)無損檢測領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。參見圖1和2,典型的 CT成像系統(tǒng)包括具有一定穿透能力的輻射源(平行束110、扇形束210及錐束)和探測器(平 面探測器130和非平面探測器230)，兩者之間是樣品臺(tái)120,通過樣品與輻射線和探測器之 間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)中心〇)，獲取樣品不同角度的投影圖像140,然后將投影圖像輸入計(jì)算 機(jī)150,通過圖像重建算法計(jì)算出斷層切片，即重建圖像160。其中輻射源包括X射線、伽瑪 射線、中子、質(zhì)子、電子、聲波和離子束等等。
[0003] 對(duì)于傳統(tǒng)的醫(yī)用X射線CT及熒光造影，控制輻射劑量是必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵問 題，病人受到的輻射劑量隨著獲取投影數(shù)呈近似線性關(guān)系，長時(shí)間接受電離輻射增加了對(duì) 病人的傷害。另外，對(duì)于電子顯微技術(shù)來說，由于樣品必須被放置在襯底上，導(dǎo)致某些角度 的投影無法獲取到，最終導(dǎo)致重建結(jié)果分辨率的降低。
[0004] 傳統(tǒng)CT重建方法中，投影數(shù)據(jù)是按照等角度增量的方式進(jìn)行獲取，即不同的投影 構(gòu)成一個(gè)極坐標(biāo)系，而待重建的斷層切片是笛卡爾坐標(biāo)，因此在數(shù)據(jù)重建過程中不可避免 地使用到插值，從而增加了重建結(jié)果的誤差，降低了重建結(jié)果的分辨率和信噪比。
[0005] 傳統(tǒng)CT重建方法中使用最為廣泛的是濾波反投影（FBP)，該方法較容易實(shí)現(xiàn)且重 建速度快，但是當(dāng)投影角度不完全時(shí)，濾波反投影往往不能給出滿意的結(jié)果。同時(shí)由于該方 法在反投影過程中使用插值算法，重建結(jié)果中會(huì)不可避免地出現(xiàn)偽影，最終導(dǎo)致圖像質(zhì)量 的降低，更重要的是，F(xiàn)BP算法需要大量的投影角度，使得數(shù)據(jù)獲取過程中樣品接收較大的 輻射劑量，在醫(yī)用CT應(yīng)用中，將給受檢者帶來輻射傷害。其他的CT重建算法，如代數(shù)迭代 算法（ART)及期望最大化算法（EM)等，雖然可以有效解決投影角度不完全的問題，并能利 用少量投影實(shí)現(xiàn)圖像重建，有效降低樣品受到的輻射劑量，但是其重建過程只涉及笛卡爾 坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系，因而需要大量的插值，降低了重建結(jié)果的精確性，同時(shí)重建速度慢，限 制了其使用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種低劑量CT圖像重 建方法，在保證重建圖像質(zhì)量的同時(shí)，還能有效降低樣品所受到的輻射劑量。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種低劑量CT圖像重建方法，該方法包括以下步驟：
[0009] 步驟（1)，獲取不同投影角度Θ的等斜率增量的投影數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟（2)，對(duì)所述投影數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；
[0011] 步驟（3)，對(duì)修正后的所述投影數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，以使其轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)系下的 頻域空間數(shù)據(jù)；
[0012] 步驟（4)，將所述極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成偽極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù) 據(jù)；
[0013] 步驟（5)，通過迭代法使所述步驟（4)中的所述頻域空間數(shù)據(jù)在偽極坐標(biāo)系下的 頻域空間與時(shí)域空間之間重復(fù)轉(zhuǎn)換，直至滿足預(yù)設(shè)的最終條件；
[0014] 步驟（6)，輸出滿足最終條件時(shí)的時(shí)域圖像。
[0015] 進(jìn)一步地，所述步驟（1)中的所述投影數(shù)據(jù)為通過等斜率增量方式獲取的數(shù)據(jù)。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟（1)中的所述投影數(shù)據(jù)為通過等角度增量方式獲取并從獲取 的數(shù)據(jù)中選取出的近似等斜率增量的數(shù)據(jù)。
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟（1)中的所述投影角度Θ滿足以下公式：
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟（1)，獲取不同投影角度Θ的等斜率增量的投影數(shù)據(jù)； 步驟（2)，對(duì)所述投影數(shù)據(jù)進(jìn)行修正； 步驟（3)，對(duì)修正后的所述投影數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，以使其轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)系下的頻域 空間數(shù)據(jù)； 步驟（4)，將所述極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成偽極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)； 步驟（5)，通過迭代法使所述步驟（4)中的所述頻域空間數(shù)據(jù)在偽極坐標(biāo)系下的頻域 空間與時(shí)域空間之間重復(fù)轉(zhuǎn)換，直至滿足預(yù)設(shè)的最終條件； 步驟（6 )，輸出滿足最終條件時(shí)的時(shí)域圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（1)中的所 述投影數(shù)據(jù)為通過等斜率增量方式獲取的數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（1)中的所 述投影數(shù)據(jù)為通過等角度增量方式獲取并從獲取的數(shù)據(jù)中選取出的近似等斜率增量的數(shù) 據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（1)中 的所述投影角度Θ滿足以下公式：
其中，NXN為待重建圖像的像素。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（1)中的所 述投影數(shù)據(jù)為在平行束輻射源下采集的數(shù)據(jù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（1)中的所 述投影數(shù)據(jù)為在扇形束或錐束輻射源下采集并轉(zhuǎn)換為平行投影的數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（1)包括通 過重排算法將在所述扇形束或錐束輻射源下采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平行投影的數(shù)據(jù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（2)通過對(duì) 所述投影數(shù)據(jù)執(zhí)行歸一化、補(bǔ)零、配準(zhǔn)和/或相位恢復(fù)操作實(shí)現(xiàn)修正。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（3)中的所 述傅里葉變換為快速傅里葉變換、非均勻傅里葉變換或者分?jǐn)?shù)階傅里葉變換。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（5)包括以 下步驟： 步驟（51)，對(duì)所述偽極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)執(zhí)行逆?zhèn)螛O坐標(biāo)快速傅里葉變換，以 使其轉(zhuǎn)換成時(shí)域空間圖像； 步驟（52)，判斷是否滿足所述預(yù)設(shè)的最終條件，如果滿足，則執(zhí)行所述步驟（6)，否則， 執(zhí)行步驟（53); 步驟（53)，對(duì)所述步驟（51)中的所述時(shí)域空間圖像進(jìn)行修正； 步驟（54)，將所述步驟（53)修正的所述時(shí)域空間圖像轉(zhuǎn)換成偽極坐標(biāo)系下的頻域空 間數(shù)據(jù)； 步驟（55)，對(duì)所述步驟（54)中的所述偽極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，然后返 回步驟（51)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（54)包括 對(duì)所述時(shí)域空間圖像執(zhí)行偽極坐標(biāo)快速傅里葉變換。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（54)包括 以下步驟： 步驟（541)，根據(jù)所述時(shí)域空間圖像計(jì)算各投影角度的投影數(shù)據(jù)； 步驟（542)，對(duì)所述步驟（541)中的所述投影數(shù)據(jù)進(jìn)行修正； 步驟（543)，對(duì)所述步驟（542)修正的所述投影數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，以使其轉(zhuǎn)換為極 坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)； 步驟（544)，將所述步驟（543)中的所述極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成偽極坐標(biāo) 系下的頻域空間數(shù)據(jù)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（543)中 的所述傅里葉變換為快速傅里葉變換、非均勻傅里葉變換或者分?jǐn)?shù)階傅里葉變換。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（53)通過 執(zhí)行邊界約束條件、非負(fù)約束條件、實(shí)數(shù)約束條件、極值約束條件和/或?yàn)V波對(duì)所述時(shí)域空 間圖像進(jìn)行修正。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（55)通過 執(zhí)行基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的約束條件以及濾波對(duì)所述偽極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，其 中，所述執(zhí)行基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的約束條件是利用所述步驟（1)中獲取的投影數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的偽 極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)替換步驟（54)中所計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)角度的頻域空間數(shù)據(jù)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的低劑量CT圖像重建方法，其特征在于，所述步驟（52)中的 所述預(yù)設(shè)的最終條件為下列條件中的至少一種： 所述步驟（5)循環(huán)的最大次數(shù)； 一圖像參數(shù)的數(shù)值范圍； 誤差函數(shù)的最小值；以及 所述誤差函數(shù)隨迭代次數(shù)增加不再減小， 其中，所述誤差函數(shù)為所述步驟（54)中計(jì)算得到的所述偽極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù) 與所述步驟（1)中獲取的投影數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的偽極坐標(biāo)系下的頻域空間數(shù)據(jù)相比較所得到的 誤差函數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06T5/00GK104050631SQ201310608752
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】周光照, 杜國浩, 佟亞軍, 陳榮昌, 任玉琦, 王玉丹, 謝紅蘭, 鄧彪, 肖體喬 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所