基于小波變換和非局部權(quán)值先驗(yàn)的低劑量CT優(yōu)質(zhì)成像研究.pdf

1、自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線以后,X線就被廣泛用于人體進(jìn)行檢查,作為對疾病診斷的依據(jù)。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)斷層成像(Computed Tomography,CT),是近代飛躍發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和X線檢查技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。經(jīng)過近四十年的發(fā)展,CT的發(fā)展進(jìn)入一個新的階段,由上世紀(jì)七十年代的滿足不同體位掃描(頭部-肺部-體部),到90年代的掃描速度的演變(2s-1s-0.75s),以及掃描層次的加強(qiáng)(2層-4層-16層-64層-128層等)

2、,和雙源、4D雙源、炫速雙源的投入使用。CT的發(fā)展精髓做到了低輻射、高分辨率、掃描范圍大、掃描速度快、高質(zhì)量圖像和精細(xì)立體圖形的建立。CT在臨床醫(yī)學(xué)的作用越來越大,也為臨床醫(yī)學(xué)向更高的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　 隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)事業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展,CT技術(shù)已成為醫(yī)學(xué)影像學(xué)的核心技術(shù)之一。目前CT正處于快速發(fā)展的階段,各種新技術(shù)的出現(xiàn)再次擴(kuò)展了它的應(yīng)用領(lǐng)域,如多排CT,雙源CT的出現(xiàn),使得心臟、肺的動態(tài)檢查以及大器官的灌注研究

3、在臨床上得到應(yīng)用。為了得到高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)圖像,很多CT設(shè)備加大X線劑量。但照射劑量偏高,限制了其在臨床很多方面的應(yīng)用,如高危人群肺癌的篩選,肺癌術(shù)后及放化療后隨訪觀察、孕婦、嬰幼兒和兒童肺部檢查等等。針對上述現(xiàn)象,臨床多采用降低劑量的掃描方案,但低劑量CT掃描時受到量子噪聲的影響,使得圖像質(zhì)量下降,影響診斷的準(zhǔn)確性。
　　 CT掃描所獲得圖像均存在一定的噪聲,特別是當(dāng)輻射劑量降低時,圖像噪聲急劇增高,當(dāng)輻射劑量降低到一定程度時,隨

4、著噪聲的增高,圖像也將不能滿足臨床診斷要求。為此,世界衛(wèi)生組織(WHO)和國際放射委員會(ICRP)以及國際醫(yī)學(xué)物理組織(IOMP)制定了醫(yī)療照射質(zhì)量保證和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),主張X-線診斷應(yīng)遵循實(shí)踐正當(dāng)性、防護(hù)最優(yōu)化的原則(As Low As ReasonableAchievable,ALARA),以最小的代價和輻射劑量獲得最佳的診斷效果,這為低劑量CT技術(shù)的應(yīng)用和研究提供了廣闊的空間。合理使用低劑量建議在滿足臨床診斷要求的前提下盡量降低患

5、者輻射劑量。
　　 相比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)劑量掃描,低劑量CT應(yīng)用于臨床具有重要的意義。低劑量CT工具有以下優(yōu)點(diǎn):
　　 (1)降低受檢者輻射危害,提高成像質(zhì)量。低劑量CT大大降低了受檢者X線輻射劑量,消除了部分患者對X線的恐懼心理,使其可用于大規(guī)模人群普查及孕婦、兒童的診斷檢查,既能滿足病情診斷的需要,又注意到遠(yuǎn)期輻射效應(yīng)可能產(chǎn)生的不良后果。
　　 (2)減少CT球管損耗、探測器損傷,節(jié)約CT運(yùn)行成本。使用低劑量CT技術(shù)

6、可以延長球管的使用壽命,減少CT運(yùn)行成本,從而降低患者的診斷費(fèi)用。
　　 合理應(yīng)用低劑量CT技術(shù)使之產(chǎn)生的圖像能滿足臨床診斷要求,是低劑量CT優(yōu)質(zhì)重建研究的重要課題。對低劑量CT和標(biāo)準(zhǔn)劑量CT圖像的質(zhì)量或診斷接受率的比較成為評估低劑量CT技術(shù)應(yīng)用可行性的主要方面。目前對低劑量CT技術(shù)的研究主要通過計(jì)算機(jī)軟件將常規(guī)噪聲加到常規(guī)CT圖像上來模擬低劑量CT圖像,這樣可以避免直接在患者進(jìn)行低劑量的試驗(yàn)。對低劑量CT圖像質(zhì)量的評估目前還處

7、于嘗試階段,大部分研究表明標(biāo)準(zhǔn)劑量和低劑量在對疾病的探測上差異無統(tǒng)計(jì)意義。因此臨床上給低劑量CT技術(shù)的發(fā)展提供了一個更廣闊的發(fā)展空間,“綠色CT”受到越來越多人的關(guān)注。
　　 本文根據(jù)先前標(biāo)準(zhǔn)劑量CT圖像與低劑量CT圖像之間冗余性信息,引入標(biāo)準(zhǔn)劑量圖像作為權(quán)值先驗(yàn)信息來引導(dǎo)低劑量圖像的恢復(fù),而非基于低劑量圖像自身。結(jié)合實(shí)際掃描過程中會得到序列圖像信息,考慮到不同層間亦有解剖冗余性信息可以利用,提出了3D權(quán)值先驗(yàn)信息應(yīng)用于序列低劑

8、量CT圖像恢復(fù)。由于3D NLM濾波計(jì)算量大,當(dāng)前,GPU擁有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力,而NLM算法適合并行處理,故考慮采用GPU進(jìn)行硬件加速。由于同一病人相同部位的標(biāo)準(zhǔn)劑量圖像相比低劑量圖像包含更多更好的冗余信息,因此本文方法比傳統(tǒng)NLM方法對低劑量圖像的成像效果要好。
　　 同時在分析低劑量CT投影數(shù)據(jù)噪聲統(tǒng)計(jì)特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)小波變換良好的時域、頻域局部特性,利用穩(wěn)定的Anscome方差變換公式,分別對Anscombe變換后投影

9、數(shù)據(jù)進(jìn)行小波域尺度系數(shù)和小波系數(shù)BM3D濾波,其后對小波逆變換和Anscombe逆變換的投影數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速的解析FBP重建。相比直接在投影域進(jìn)行BM3D濾波方法,本文方法利用小波變換對信號的自適應(yīng)性,對小波分解后得到的低頻和高頻系數(shù),分別進(jìn)行濾波。由于小波變換具有良好的時.頻局部特性,而且小波變換為線性變換,服從高斯分布的噪聲經(jīng)過小波變換后仍然滿足高斯分布,均勻分布在整個空間,但噪聲主要集中在高頻區(qū)域,因此對分解的小波系數(shù)和尺度系數(shù)分別進(jìn)

10、行濾波,可獲得較好的效果。
　　 本文根據(jù)先前標(biāo)準(zhǔn)劑量CT圖像與低劑量CT圖像之間的冗余性信息及低劑量CT投影數(shù)據(jù)的噪聲特性,提出了兩種低劑量CT優(yōu)質(zhì)成像的新方法。
　　 (1)根據(jù)先前標(biāo)準(zhǔn)劑量CT圖像與低劑量CT圖像之間的冗余性信息,提出了一種基于非局部權(quán)值先驗(yàn)和GPU加速的3D低劑量CT成像新方法。在腫瘤監(jiān)測和放療計(jì)劃制定中,常常需要多次CT照射,使得輻射劑量問題受到人們廣泛關(guān)注。針對低劑量CT成像質(zhì)量退化問題,本文

11、提出一種3D低劑量CT成像新方法。新方法屬于圖像后處理技術(shù),是利用先前標(biāo)準(zhǔn)劑量的冗余信息優(yōu)化非局部均值(Non-Local Means,NLM)濾波。針對前后兩次掃描得到的圖像結(jié)構(gòu)信息可能不一致,新方法首先將3D標(biāo)準(zhǔn)劑量圖像與3D低劑量圖像進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)上的配準(zhǔn),其后進(jìn)行NLM權(quán)重先驗(yàn)的設(shè)計(jì)；由于3D NLM濾波計(jì)算量大,故本文采用GPU硬件加速。臨床3D CT圖像數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)證明,新方法較傳統(tǒng)NLM濾波在低劑量圖像的噪聲消除和細(xì)節(jié)信息保持方

12、面均有明顯優(yōu)勢,且GPU加速后的執(zhí)行效率大幅提升。
　　 (2)根據(jù)低劑量CT投影數(shù)據(jù)的噪聲特性,提出了一種基于小波變換的低劑量CT投影數(shù)據(jù)濾波新方法。新方法首先對經(jīng)過Anscombe變換的低劑量CT投影數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解,然后分別對分解后尺度系數(shù)和小波系數(shù)進(jìn)行BM3D濾波,接著對濾波后的系數(shù)進(jìn)行逆小波變換和Anscombe逆變換,最后對處理后的投影數(shù)據(jù)采用經(jīng)典的濾波反投影(FBP)算法完成圖像重建。實(shí)驗(yàn)表明,新方法在噪聲抑制和圖