CN104161536B - 一种基于互补光栅的锥束ct散射校正方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法及其装置，利用简便、可靠的互补光栅扫描及少量的计算，实现投影图像的散射校正，利用散射校正后的投影图像就可以重建出散射校正切片图像。本发明提供的基于互补光栅的锥束CT散射校正方法及其装置适用于任意复杂度的被测物体，方法的准确性、可靠性、稳定性、便捷性好，可在很大程度上减少散射在锥束CT成像中的不利影响，从而明显改善锥束CT切片图像的质量。

Description

一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法及其装置

技术领域

本发明属于锥束CT应用相关的医学成像和工业无损检测领域，涉及一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法及其装置。

背景技术

锥束CT(Cone Beam Computed Tomography，CBCT)作为一种先进的医学成像和工业无损检测技术在实际生活中发挥着越来越重要的作用。它通过X射线源和面阵探测器获取一系列不同角度下被测物体的投影数据，进而利用相应的重建算法得到连续的切片图像。与传统的二维CT相比，锥束CT具有扫描速度快、切片序列连续、图像分辨率高、射线利用率高等优点。

散射效应是CT成像过程中影响图像质量的一个重要因素。由于散射的存在，减少了图像的对比度，使图像细节变得模糊，这对微小结构或缺陷的检测是十分不利的。由于散射的强度及分布与射线能量有关，也与射线照射物体的材料、结构、厚度、面积等相关，甚至与成像的整个环境都有一定关系，具有较多的不确定因素，因此到目前为止，散射抑制与校正仍然是锥束CT系统研究的重点。

散射的抑制与校正技术总体上可分为硬件方法和软件方法两类。散射抑制的硬件方法是从X射线成像的几何学条件考虑，通过增加硬件设备，减少到达探测器的散射量。硬件抑制方法主要包括准直器、空气隙、滤线器、扫描狭缝、不透射线的铅条或蜂窝网格等。散射校正的软件方法是指对投影图像依据数字图像处理的方法，通过对图像本身的分析和对被照物体性质的估计，得出散射分布规律，然后采取后期处理方法对散射进行校正。软件校正主要包括卷积法、反卷积法、蒙特卡罗模拟法等。在锥束CT中，由于采用了面阵探测器，散射呈二维分布，单一的硬件校正或软件校正方法都难以达到满意的效果，因此出现了硬件与软件组合的混合校正方法，如Beam-Stop Array、Beam-Hole Array、射束衰减网格、固定射束阻挡条、移动射束阻挡条、衰减板成像法、初级射线调制校正方法等。这些方法虽然取得了一定的散射校正效果，但对于当前越来越强调的高质量、强适应性锥束CT成像，由于这些方法通常都存在较多的近似和假设，在实际应用中往往受到诸多限制。

发明内容

为了克服现有技术在锥束CT散射校正中的不足，本发明提供一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法及其装置，利用简便、可靠的互补光栅扫描及少量的计算，实现投影图像的散射校正，利用散射校正后的投影图像就可以重建出质量明显改善的切片图像。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法，互补光栅由左光栅A和右光栅B构成，互补即光栅A的狭缝位置对应于光栅B的栅格位置，具体包括以下步骤：

(1)扫描方式选择：前置互补光栅扫描，此时互补光栅位于射线源前，或者后置互补光栅扫描，此时互补光栅位于探测器前；

(2)进行扫描，过程中扫描参数保持不变；

(3)进行散射校正计算，得到一组散射校正后的投影图像；

(4)利用散射校正后的投影图像进行锥束CT重建，得到散射校正后的切片图像。

在上述步骤(2)中，扫描的具体步骤包括：

1)采集一组光栅A的投影图像，平均后得到一幅投影图像，称为图像1；

2)按锥束CT扫描要求采集一组光栅A和被测物体的投影图像，称为图像2；

3)被测物体的起始位置与上一步相同，以与上一步相同的扫描方式采集一组光栅B和被测物体的投影图像，称为图像3；

4)采集一组光栅B的投影图像，平均后得到一幅投影图像，称为图像4。

在上述步骤(2)中，所使用的面阵探测器可进行增益校正，也可省略增益校正。

在上述步骤(3)中，散射校正计算的具体步骤包括：

1)计算融合系数图像R，步骤为：

①查找图像1的像素灰度最大值，并计算出其邻域均值q；

②计算光栅栅格区域的分割域值g＝q/η，系数η一般取8～10；

③生成两个与投影图像大小相同的模板图像F₁和F₂，并置初值为0；

④遍历图像1，若像素邻域灰度均值小于g，将F₁中对应位置像素置为1；

⑤遍历图像4，若像素邻域灰度均值小于g，将F₂中对应位置像素置为1；

⑥将图像1与F₁对应相乘得到图像S₁，将图像4与F₂对应相乘得到图像S₂，并将S₁与S₂对应相加得到图像S′_w；

⑦对S′_w进行高斯滤波，得到平滑图像S_w；

⑧将图像1和图像4对应相加，并减去两倍的S_w，得到图像J；

⑨计算J的均值以除以J，得到融合系数图像R；

2)对图像2和图像3中每一幅对应角度的投影图像，分别设为I₁和I₂，计算出该角度下的散射校正投影图像，步骤为：

①将I₁与F₁对应相乘得到图像T₁，将I₂与F₂对应相乘得到图像T₂，并将T₁与T₂对应相加得到图像S′_y；

②对S′_y进行高斯滤波，得到平滑图像S_y；

③将I₁和I₂对应相加，并减去两倍的S_y，得到图像I₃；

④将I₃与融合系数图像R对应相乘，得到该角度下的一幅散射校正投影图像。

在上述方法中，如果本次检测的互补光栅扫描方式及扫描参数与上次检测相同，则步骤(2)中的图像1和图像4不需采集，且不需计算步骤(3)中的融合系数图像R，直接采用上次检测的计算结果即可。

实现上述方法的锥束CT散射校正装置包括：射线源、面阵探测器、扫描机构、前置互补光栅及其平移机构、后置互补光栅及其平移机构、系统控制及计算用计算机，其中前置互补光栅和后置互补光栅可同时具备，也可只具备其中之一。

上述锥束CT成像装置中的前置互补光栅和后置互补光栅的特点在于：

(1)互补光栅的投影大于面阵探测器成像窗口，光栅实体部分可以完全阻挡射线源电压范围内的透射射线；

(2)互补光栅的狭缝宽度不小于射线源焦点尺寸，且大于栅格宽度；

(3)互补光栅的狭缝两侧所在平面过射线源焦点，或狭缝中心平面过射线源焦点，狭缝两侧所在平面与狭缝中心平面平行，因此互补光栅在使用时应保持其与射线源焦点的间距和上下位置不变。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于互补光栅的锥束CT散射校正方法及其装置适用于任意复杂度的被测物体，方法的准确性、可靠性、稳定性、便捷性好，可在很大程度上减少散射在锥束CT成像中的不利影响，从而明显改善锥束CT切片图像的质量。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明锥束CT散射校正装置示意图。

图2为互补光栅结构示意图。

图3为散射校正前后切片图像相同位置的线性灰度比较。

具体实施方式

参照图1，本发明锥束CT散射校正装置包括：射线源1、面阵探测器6、扫描机构7、前置互补光栅2及其平移机构3、后置互补光栅4及其平移机构5、系统控制及计算用计算机8，其中前置互补光栅2和后置互补光栅4可同时具备，也可只具备其中之一。被测物体9放置于扫描机构7上。

在一台根据本发明构建的锥束CT上(X射线源为YXLON的Y.TU450-D02，平板探测器为Varian的PaxScan2520，并具备扫描机构、前置互补光栅及其平移机构、后置互补光栅及其平移机构、系统控制及计算用计算机)，对一铁质零件应用本发明方法进行散射校正，互补光栅由左光栅A和右光栅B构成，互补即光栅A的狭缝位置对应于光栅B的栅格位置，具体执行以下步骤：

(1)选择互补光栅位于探测器前的后置扫描方式；

(2)进行扫描，省略探测器的增益校正，射线源电压350kV和电流0.17mA在扫描过程中保持不变，具体步骤包括：

1)采集一组20幅的光栅A投影图像，平均后得到一幅投影图像，称为图像1；

2)进行单圆轨迹锥束CT扫描，采集一组360幅的光栅A和被测物体的投影图像，称为图像2；

3)被测物体的起始位置与上一步相同，以与上一步相同的扫描方式采集一组360幅的光栅B和被测物体的投影图像，称为图像3；

4)采集一组20幅的光栅B投影图像，平均后得到一幅投影图像，称为图像4。

(3)进行散射校正计算，得到一组散射校正后的投影图像，具体步骤包括：

1)计算融合系数图像R，步骤为：

①查找图像1的像素灰度最大值，并计算出其邻域均值q；

②计算光栅栅格区域的分割域值g＝q/η，系数η取10；

③生成两个与投影图像大小相同的模板图像F₁和F₂，并置初值为0；

④遍历图像1，若像素邻域灰度均值小于g，将F₁中对应位置像素置为1；

⑤遍历图像4，若像素邻域灰度均值小于g，将F₂中对应位置像素置为1；

⑥将图像1与F₁对应相乘得到图像S₁，将图像4与F₂对应相乘得到图像S₂，并将S₁与S₂对应相加得到图像S′_w；

⑦对S′_w进行高斯滤波，得到平滑图像S_w；

⑧将图像1和图像4对应相加，并减去两倍的S_w，得到图像J；

⑨计算J的均值以除以J，得到融合系数图像R。

2)对图像2和图像3中每一幅对应角度的投影图像，分别设为I₁和I₂，计算出该角度下的散射校正投影图像，步骤为：

①将I₁与F₁对应相乘得到图像T₁，将I₂与F₂对应相乘得到图像T₂，并将T₁与T₂对应相加得到图像S′_y；

②对S′_y进行高斯滤波，得到平滑图像S_y；

③将I₁和I₂对应相加，并减去两倍的S_y，得到图像I₃；

④将I₃与融合系数图像R对应相乘，得到该角度下的一幅散射校正投影图像。

(4)利用散射校正后的投影图像进行锥束CT重建，得到散射校正后的切片图像。

本实施例中，锥束CT散射校正装置中的前置互补光栅和后置互补光栅结构如图2所示，其共同的特点在于：

(1)互补光栅的投影大于面阵探测器成像窗口，为了使光栅实体部分可以完全阻挡射线源电压范围内(最高450kV)的透射射线，互补光栅均为40mm厚的铅；

(2)互补光栅的狭缝宽度均为4mm，大于射线源焦点尺寸2.5mm，且大于栅格宽度；

(3)互补光栅的狭缝中心平面过射线源焦点，狭缝两侧所在平面与狭缝中心平面平行，使用时保持互补光栅与射线源焦点的间距和上下位置不变。

图3为散射校正前后切片图像相同位置的线性灰度比较，可见本发明方法可使切片图像的轮廓对比度和清晰度得到显著提高。

虽然锥束CT散射校正装置可以同时具备前置互补光栅和后置互补光栅，但使用时只能选择其一。由于前置互补光栅位于射线源前，其尺寸、重量和平移机构可以控制得较好，且选择前置互补光栅扫描时扫描机构和面阵探测器相对于射线源的距离可以自由调节。后置互补光栅由于位于面阵探测器前，其尺寸、重量和平移机构会明显大于前置互补光栅，而且选择后置互补光栅扫描时扫描机构和面阵探测器相对于射线源的距离调节会有所限制。但在散射校正效果方面，由于后置互补光栅对散射的直接抑制能力比前置互补光栅强，因此尽管散射校正计算方法相同，一般情况下采用后置互补光栅扫描的散射校正效果会优于前置互补光栅扫描。

Claims (7)

1.一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法，其特征在于互补光栅由左光栅A和右光栅B构成，互补即光栅A的狭缝位置对应于光栅B的栅格位置，该方法包括下述步骤：

(1)扫描方式选择：前置互补光栅扫描，此时互补光栅位于射线源前，或者后置互补光栅扫描，此时互补光栅位于探测器前；

(2)进行扫描，过程中扫描参数保持不变；

(3)进行散射校正计算，得到一组散射校正后的投影图像；

(4)利用散射校正后的投影图像进行锥束CT重建，得到散射校正后的切片图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，扫描的具体步骤包括：

1)采集一组光栅A的投影图像，平均后得到一幅投影图像，称为图像1；

2)按锥束CT扫描要求采集一组光栅A和被测物体的投影图像，称为图像2；

3)被测物体的起始位置与上一步相同，以与上一步相同的扫描方式采集一组光栅B和被测物体的投影图像，称为图像3；

4)采集一组光栅B的投影图像，平均后得到一幅投影图像，称为图像4。

3.根据权利要求1所述的一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，所使用的面阵探测器可进行增益校正，也可省略增益校正。

4.根据权利要求2所述的一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，散射校正计算的具体步骤包括：

1)计算融合系数图像R，步骤为：

①查找图像1的像素灰度最大值，并计算出其邻域均值q；

②计算光栅栅格区域的分割域值g＝q/η，系数η一般取8～10；

③生成两个与投影图像大小相同的模板图像F₁和F₂，并置初值为0；

④遍历图像1，若像素邻域灰度均值小于g，将F₁中对应位置像素置为1；

⑤遍历图像4，若像素邻域灰度均值小于g，将F₂中对应位置像素置为1；

⑥将图像1与F₁对应相乘得到图像S₁，将图像4与F₂对应相乘得到图像S₂，并将S₁与S₂对应相加得到图像S′_w；

⑦对S′_w进行高斯滤波，得到平滑图像S_w；

⑧将图像1和图像4对应相加，并减去两倍的S_w，得到图像J；

⑨计算J的均值以除以J，得到融合系数图像R；

2)对图像2和图像3中每一幅对应角度的投影图像，分别设为I₁和I₂，计算出该角度下的散射校正投影图像，步骤为：

①将I₁与F₁对应相乘得到图像T₁，将I₂与F₂对应相乘得到图像T₂，并将T₁与T₂对应相加得到图像S′_y；

②对S′_y进行高斯滤波，得到平滑图像S_y；

③将I₁和I₂对应相加，并减去两倍的S_y，得到图像I₃；

④将I₃与融合系数图像R对应相乘，得到该角度下的一幅散射校正投影图像。

5.根据权利要求4所述的一种基于互补光栅的锥束CT散射校正方法，其特征在于：在所述方法中，如果本次检测的互补光栅扫描方式及扫描参数与上次检测相同，则步骤(2)中的图像1和图像4不需采集，且不需计算步骤(3)中的融合系数图像R，直接采用上次检测的计算结果即可。

6.一种权利要求1所述基于互补光栅的锥束CT散射校正方法的散射校正装置，其特征在于：该装置包括射线源、面阵探测器、扫描机构、前置互补光栅及其平移机构、后置互补光栅及其平移机构、系统控制及计算用计算机，其中前置互补光栅和后置互补光栅可同时具备，也可只具备其中之一。

7.根据权利要求6所述的基于互补光栅的锥束CT散射校正方法的散射校正装置，其特征在于：锥束CT散射校正装置中的前置互补光栅和后置互补光栅的特点在于：

(1)互补光栅的投影大于面阵探测器成像窗口，光栅实体部分可以完全阻挡射线源电压范围内的透射射线；

(2)互补光栅的狭缝宽度不小于射线源焦点尺寸，且大于栅格宽度；

(3)互补光栅的狭缝两侧所在平面过射线源焦点，或狭缝中心平面过射线源焦点，狭缝两侧所在平面与狭缝中心平面平行，因此互补光栅在使用时应保持其与射线源焦点的间距和上下位置不变。