CT圖像重建及運(yùn)動(dòng)偽影校正方法研究.pdf

1、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(Computed Tomography，CT)通過X射線或電子束掃描獲取病人斷層投影數(shù)據(jù)并利用計(jì)算機(jī)重建得到圖像，具有無損、精確、分辨率高以及可以三維成像等諸多優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今最先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于臨床診斷和科學(xué)研究之中。
　　 CT重建算法一直是CT研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和核心問題。濾波反投影重建(Filtered Back-projection，F(xiàn)BP)算法具有重建速度快、易于硬件實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)投影數(shù)據(jù)

2、比較完備時(shí)，能快速重建出高質(zhì)量圖像，因此它是目前應(yīng)用最為廣泛的一種重建算法。但在投影角度偏少、投影數(shù)據(jù)受破壞或者噪聲偏大的情況下都會(huì)產(chǎn)生偽影,重建效果不理想。另外，CT的高劑量存在較高的致癌風(fēng)險(xiǎn)，但由于FBP 算法對(duì)投影數(shù)據(jù)苛刻的完備性要求而難以進(jìn)一步降低劑量。因此，探索一種能由不完備投影數(shù)據(jù)重建高質(zhì)量圖像的算法被人們寄予厚望。近年來出現(xiàn)的壓縮傳感(Compressed Sensing，CS)理論突破了采樣定理的極限，利用信號(hào)的少量投影

3、測量值即可重構(gòu)信號(hào)并具有很強(qiáng)的抗干擾性，我們將其應(yīng)用到CT圖像的重建中，能很好的解決上述問題。
　　 由于CT設(shè)備本身和重建算法的局限性以及病人自身的因素都會(huì)導(dǎo)致圖像偽影的產(chǎn)生，會(huì)影響醫(yī)生的診斷以及圖像后處理等工作,因此偽影校正也是CT重建算法相關(guān)的一個(gè)重要研究課題。運(yùn)動(dòng)偽影是最為典型的一種偽影，它是因?yàn)樵贑T 掃描過程中，病人自主或者非自主的運(yùn)動(dòng)破壞了投影數(shù)據(jù)的一致性和完整性，從而在重建圖像過程中表現(xiàn)出各種偽影。運(yùn)動(dòng)存在多樣性

4、和不確定性，從因運(yùn)動(dòng)而受破壞的投影數(shù)據(jù)中挖掘運(yùn)動(dòng)信息或者恢復(fù)投影數(shù)據(jù)都是非常困難的,特別是當(dāng)人體含高吸收系數(shù)的金屬植入物時(shí)，會(huì)加重射束硬化以及帶來大量噪聲，使得運(yùn)動(dòng)偽影更加嚴(yán)重而難以校正。所以，研究運(yùn)動(dòng)偽影校正方法對(duì)改善圖像質(zhì)量和促進(jìn)CT 發(fā)展都具有重要意義。
　　 本文主要對(duì)基于CS 理論的CT 重建相關(guān)技術(shù)和CT 剛性運(yùn)動(dòng)偽影校正方法進(jìn)行了深入研究。歸納起來，完成了以下有特色的研究工作：
　　 （1）在深入研究基于壓

5、縮傳感（CS）理論的CT 重建方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一種基于有限差分變換的POCS-TVM(Projection on ConveXSets-TotalVariation Minimization)重建算法。該算法與基于CS 理論的其它算法相比，在重建速度、重建質(zhì)量和魯棒性方面綜合性能最優(yōu)，因此將其應(yīng)用于劑量降低和偽影校正當(dāng)中，能從不完備投影數(shù)據(jù)中重建出較高質(zhì)量的圖像從而解決相關(guān)問題。
　　 (2)針對(duì)POCS-TVM 算法計(jì)算量

6、大的問題，提出一種POCS-TVM 算法的快速實(shí)現(xiàn)方法，通過算法改進(jìn)和硬件加速的方式實(shí)現(xiàn)重建過程加速，以滿足實(shí)時(shí)性要求。主要思想包括：標(biāo)定投影數(shù)據(jù)有效區(qū)域和圖像有效區(qū)域，基于標(biāo)定結(jié)果優(yōu)化CT重建模型，剔除不必要的計(jì)算量；在POCS 步驟中采用有序迭代的方法加速收斂；改進(jìn)TVM 步驟避免了部分無效的全變分最小化計(jì)算；采用基于CUDA架構(gòu)的GPU 對(duì)整個(gè)算法進(jìn)行加速。
　　 (3)提出一種快速有效的剛性運(yùn)動(dòng)偽影校正方法。首先通過投影

7、定理將CT投影數(shù)據(jù)變換到頻域空間，然后基于頻域相似性由頻域數(shù)據(jù)幅值估計(jì)出剛性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在此基礎(chǔ)上，基于HL數(shù)據(jù)一致性（Helgason-Ludwig Consistency Condi-tion，HLCC）從投影數(shù)據(jù)中估計(jì)出剛性平移運(yùn)動(dòng)參數(shù)；最后根據(jù)估計(jì)結(jié)果補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的影響，有效的抑制了運(yùn)動(dòng)偽影。該方法實(shí)現(xiàn)了剛性平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分離估計(jì)，從而簡化了剛性復(fù)合運(yùn)動(dòng)估計(jì)的復(fù)雜度。
　　 （4）提出一種在含金屬物體情況下的剛性運(yùn)動(dòng)偽影

8、校正方法。首先采用多項(xiàng)式校正法校正射束硬化和小波閾值去噪法去除Poisson 噪聲；然后采用基于頻域相似性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法估計(jì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；接著利用特征點(diǎn)的Radon 變換幾何關(guān)系估計(jì)剛性平移運(yùn)動(dòng)；最后根據(jù)估計(jì)結(jié)果補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的影響并采用線性衰減法校正金屬偽影。該方法的獨(dú)到之處在于提出了一種基于特征點(diǎn)的Radon 變換幾何關(guān)系估計(jì)剛性平移運(yùn)動(dòng)的方法，巧妙的解決了投影數(shù)據(jù)一致性被金屬破壞的問題。
　　 本論文受到了國家自然科學(xué)基金（