低剂量X射线CT断层成像的噪声抑制的研究（可编辑）

低剂量X射线CT断层成像的噪声抑制的研究（可编辑） 低剂量X射线CT断层成像的噪声抑制的研究 西安电子科技大学 博士研究生学位论文 低剂量.射线断层成像的噪声抑制 研究 作者:张元科. 导师:张军英教授 学科:计算机应用技术 中国 西安 年月 吣四洲帅叭叭心’,.. 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了.本文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外,论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果:也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 而使用过的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名 日期:丝』:鳘一 :?弱啦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:学校 有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文:学校可以公布论文的全 部或 ~ 部分内容:可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文 在解 密后遵守此规定 本人签名:箍垄础 导师签名: 瑾墨羹摘 要 摘 要 随着技术的快速革新以及在新的临床应用领域中的飞速发展,扫描中 有关.射线对患者的辐射问题越来越受到人们的重视。无论是设备制造商还 是技术的科研工作者都为减少扫描过程中.射线的辐射问题付出了巨大的 努力。其中一种最为有效且实用的获取低剂量的方法是在较低的发射电流强 度 下进行扫描。但是在低强度发射电流情况下产生的过量的噪声,会使得投 影图像产生严重的退化。因此有效地滤除低剂量图像中的噪声,具有重要的实 际应用价值。本文主要对低剂量.射线扫描中的噪声抑制问题进行了系统的 研究。主要工作概况如下: .对低剂量投影图像的噪声特性进行了深入研究,发现在投影图像的某 些区域中可能会存在一些孤立的噪声点本文称为“孤立点’’,这些“孤立点 使得投影数据的噪声为非平稳非高斯噪声,而滤除这些孤立点后的投影数据中的 噪声近似服从非平稳高斯分布。并且针对“孤立点”噪声的特性,提出了一种“孤 立点噪声的检测与滤波算法。实验结果表明该算法能够有效的滤除投影图像中 的“孤立点”噪声,从而为后继的非平稳高斯噪声的滤波奠定了基础。 .针对低剂量投影图像统计模型包括先验概率模型,噪声模型中的 参数,提出了一种参数估计算法。该算法利用低剂量投影数据所特有的噪声方 差是数据均值的非线性函数的特点,采用算法自适应地估计先验图像模型的 平滑参数以及每一像素上的噪声方差。算法中引入的采样技术,将 高维分布的采样转化为对单个像素的一维高斯分布的采样,很好解决了参数 估计中的计算问题以及算法的快速收敛问题,从而为后继去噪算法的研究奠定了 基础。 .通过对低剂量投影图像自身的灰度值分布特点进行研究,发现投影图 像中像素灰度值越亮的区域其噪声越强,反之,像素灰度值越暗的区域其噪声越 弱。根据此特点,提出了~种基于分割的低剂量图像自适应统计去噪算法。该 算法首先将投影图像中具有相似灰度值的像素进行聚类,从而将投影图像分割成 具有不同灰度等级的图像块,然后对每一分割块赋予不同的平滑系数,最后采用 最大后验概率估计 ,算法进行统计去噪。计算机仿 真实验以及真实投影图像的实验均表明了所提算法既能够有效滤除图像中的噪 声,同时又能够很好的保持图像的细节信息。 .提出了一种基于技术的低剂量图像去噪算法,算法在对投影图 像统计模型中的参数进行自适应估计的基础上,通过求解理想图像的条件期望值低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 并以此期望值作为理想图像的估计值,从而达到降噪的目的。其中对图像模型中 的参数在运用算法进行估计过程中,引入技术中的采样,很好 解决了参数估计中的计算问题,并在此基础上,通过再一次运用的 采样,以获得理想数据的条件期望值。通过与当前最先进的算法及 . 算法的定性及定量的实验对比 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 验证了本文所提算法的先进 性。 .针对低剂量投影图像的极低信噪比特性即,投影数据为“不完整数 据以及投影数据所特有的空间非平稳高斯噪声特性,提出了一种改进的去 噪算法,该算法通过求解图像后验概率的条件期望值最大的方法达到降噪目的, 同时在算法中实现了图像模型中参数的自适应估计。通过采用算法将参 数的估计以及理想图像估计融合在一起进行迭代,每次迭代中产生的新的估计参 数与新的估计图像互为基础,从而能够保证参数及理想图像的准确估计。计算机 仿真实验以及真实投影数据的实验均表明了本文所提算法无论是从复原图像的可 视化效果上还是从噪声.分辨率关系的定量分析上都具有明显优势,具有重要的实 际应用价值。 关键词:低剂量 图像降噪参数估计图像分割技术算法 . , ?? . . . ? .. : ?? . ? .,,. . ? . . ,.., .?? . ? . . , 低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 ? , ,.., ,. ? . .. ,., . ? ., . , ? ? , . .,.., ”? ”, . , . , . . .:? 低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究目 录 录 目 摘 要??....??.?.??...?.. 目 录??..??... 第一章绪论 . 射线断层成像原理及设备简介??.. .. .射线的历史。 .. .射线扫描机的组成构件..衰减系数?. .. 图像的重建衰减系数谱的重建? .. 重建图像中的伪影??.二??. .论文选题背景??.. .. 射线扫描中的辐射问题? ..低剂量技术? ..低剂量技术的优势与挑战? .低剂量图像噪声抑制研究现状 .论文主要内容和结构安排.. 第二章低剂量投影数据的噪声特性研究.. . 投影数据噪声统计特性的理论分析?. ..透射光子的统计特性?.. ..衰减系数线积分的均值和方差.. ..衰减系数线积分的分布.. .低剂量投影数据噪声统计特性的实验分析? ..低剂量投影数据中噪声的概率密度函数? ..低剂量投影数据的均值与方差.低剂量投影数据中“孤立点”噪声分析??. ..“孤立点”噪声分析..“孤立点噪声的检测及滤波? ..实验结果分析?.. ..小结 第三章低剂量投影图像模型及其参数估计??。 .低剂量投影图像的噪声模型?低剂量射线断层成像的噪声抑制研究 .理想投影图像的先验概率模型?.. .理想投影图像的后验概率模型?一 .模型参数估计 ..基于期望值最大的参数估计算法??一 ..参数估计算法步骤??。 .本章小结?.. 第四章基于分割的低剂量图像自适应去噪??. .基于估计的低剂量图像去噪? .. 估计算法.. 估计算法中的平滑系数定义??。 .. 估计算法的求解.基于分割的平滑系数自适应设置一 ..基于分割的平滑系数设置原理? ..基于分割的平滑系数设置的实现??一 .基于分割的低剂量图像去噪算法步骤 .实验结果及分析..仿真实验。 ..真实投影数据实验??.. ..噪声抑制及细节保持性能分析? ..与算法的性能比较与分析. .本章讨论与结论第五章基于技术的低剂量图像去噪? .目标函数. 去噪算法?.. ..参数估计? ..目标函数值的计算??。 ..算法步骤? .实验结果及分析..仿真实验一 ..真实投影图像实验??一 ..噪声抑制及细节保持性能分析.. ..实验结果分析.本章小结?.. 第六章基于算法的低剂量图像自适应统计去噪. . 去噪算法...基础知识? ..目标函数.. . 去噪算法的实现. ..迭代公式的推导及计算。 .. 去噪算法步骤. .实验结果及分析?.. ..仿真实验.. ..真实投影数据实验??.. ..噪声抑制及细节保持性能分析。 ..算法时间复杂度.. .本章小结?.. 第七章结论与展望? .结论? .今后工作的展望?。 致谢 参考文献 作者攻读博士期间的研究成果和参加的科研项目低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究第一章绪论 第一章绪论 计算机断层扫描是通过射线管环绕人体某一层面的扫描,测得该层 面上各个体素对.射线的衰减系数,然后利用电子计算机的进行图像重建, 得到人体内部器官和组织的立体图像【】。扫描检查所获得的图像,是真正的横 断面或冠状断面的图像计算机处理。这些图像不仅没有不同组织器官、病灶的 影像相互重叠,又能提供受检切面组织器官和病灶等的解剖细节。因此可对病变 部位或组织器官的形态、大小、部位、解剖邻属关系等做出较准确和“立体’’的 判断【】 图像的高分辨率使得它可以分辨人体组织内微小的差别,从而极大的扩大 了影像诊断的范围。在以前常规一射线检查无法看到的如软组织等,都能准确 地显示。特别在增强的检查中,图像不仅能分清楚血管的解剖结构,还能 观察到血管与病灶之间的关系及病灶部位的绸血供和血液动力学的一些变化,为 临床诊断提高了更好的依据。但是在近年来有关扫描中.射线对患者的辐射 问题受到了越来越广泛的关注。无论是设备制造商还是技术的科研工作者 都为减少扫描过程中.射线的辐射问题而付出了巨大的努力。其中一种最为 有效且实用的获取低剂量的方法是在较低的发射电流强度下进行扫描。但 是在低强度发射电流情况下产生的过量的噪声,会使得投影图像产生严重的 退 化【。因此有效的提高低剂量扫描图像中的信噪比是低剂量获得有效临床 应用的关键,这也是本文研究的主要目标。 本章具体内容安排如下:第.节对.射线断层成像原理及设备进行了简 单介绍;第.节介绍了本文的选题背景,包括扫描中的辐射剂量问题,以及 低剂量扫描技术的应用及其所引起的噪声问题;第.节对当前的低剂量 图像噪声抑制技术的研究现状进行详细介绍;第.节对本论文的主要内容及 章节 安排进行了介绍。 . .射线断层成像原理及设备简介 .. .射线的历史 年, 在其专利中阐述了现代.射线断层摄影术 的基本思想,这是人类第一次尝试从人体投影数据中重建扫描图像 【。年, 发表了关于成像方面真正具有前瞻性的工作, 低剂量.射线断层成像的噪声 抑制研究 他在该项工作中依据成像原理进行了一系列的数据实验。年,物理学家 的 .咖【。】发表了他在电脑断层扫描机 实际建造中的一些重大发现。世界上第一台实验性质的电脑断层扫描机是在 【】在 年由 中心研究实验室建造,第一台应用到临床诊 断中的设备由医院在年建造并投入使用。由于在计算 机断层扫描成像 方面的杰出贡献,和于 年共同获得了生理及医学领域的诺贝尔奖。 在过去多年的时间里,扫描设备在扫描速度、患者舒适度以及扫描精 度方面都取得了巨大的进步。在上世纪七十至八十年代,根据扫描设备扫描 方 式的不同,研究发展出了四代扫描机。一’ ‰娑:?一二?\ ? . 腻 图.第一代扫描机的几何形状示意图. 由所建造的实验性质的扫描机可以看成是第一代的机。这 种机采用的是一窄束.射线以及一个单一的探测器来获得一个角度 的投影数据,如图.所示。投影图像的获取是通过一种称为 以及 “移动.旋转”.的方式获得的,即.射线源 探测器首先以一个固定的相对位移量通过患者,然后.射线源及探测器共同 以 度的角度进行旋转,重复该过程,直至获得完整的投影图像。实验室所建造 的扫描机扫描设备旋转度所获得一幅投影图像的时间大约为分钟。 世界上第一台商业扫描机可以看做是第二代机,其几何形状如图. 所示。这种设计方式最大的特点是增加了探测器的数目,并且改变了.射线束的 形状。这种设计虽然仍采用了第一代机的“移动.旋转”的扫描方式,但却大 大的减少了扫描时间。每次旋转的角度从第一代机的度增加到了度。这一 代的扫描机能够在秒的时间内获得患者的完整扫描。第一章绪论 图.第二代扫描机的几何形状示意图,投影数据由一个.射线发射源发射的多条窄束 .线射以及一系列平行的探测器单元获得.图.第三代扫描机的几何形状示意图. 当今世界上最流行的扫描机类型之一是第三代扫描机,如图.所示。 在这种设计中,射线发射源通过发射.射线扇形光束.将患者完全 覆盖,投影数据由该.射线扇形光束与一排呈圆弧形状排列的探测器单元以一个 固定的相对位置绕一共同圆心旋转度获得。该扫描方式省去了平移 这种运动方式,从而大大减少了扫描时间,进而大大提高了扫描机的实用性。 在上世纪年代末,第三代扫描机扫描一个单层 的投影图像的时 间大约为一秒。在年通过引进滑环 技术后,单层图像的扫描 时间缩短到秒钟,这使得后来的多层螺旋状扫描机 的出现成为可能。 第四代扫描机几乎与第三代扫描机同时出现,其性能也与第三代扫描 低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 机基本相当。与第三代扫描机采用一排与.射线源同时旋转的探测器方式不 同的是,第四代扫描机采用的是一圈固定的圆环状的探测器,如图.所示。在这 种设计中,探测器单元是固定的,只有.射线扇形光束源围绕患者旋转。但是第 以及需要大量的探测器以组成 四代扫描机具有的散射辐射 整个探测器环的缺点,使得只有很少量的第四代扫描机被制造。几乎所有的临 床上使用的扫描设备都采用的是第三代扫描机的扫描方式。 觚 图.第四代扫描机的几何形状示意图. 尽管在上世纪年代扫描技术取得了巨大的发展,但是采用逐层的 对一个体积较大的扫描物体进行完整扫描时通常需 扫描机. 要耗费一分钟,这样的扫描速度在许多临床环境中是无法容忍的。随着上世纪’ 年代末及年代初螺旋状 的研制成功,大容 量的扫描数据集得以通过沿患者的纵轴线并行的快速的扫描获得。在年,世 界上四家主要的扫描设备生产商通用/西门子/飞利浦/东芝 都提供了层螺旋状扫描机。年,层螺旋状扫描机研制 成功,它体现了当今扫描机的最先进技术。当今的扫描机已经能够在一秒 钟内获得一层投影图像,在一分钟内获得患者的完整扫描影像。 为了缩短扫描时间,人们除了采用多层螺旋状扫描方式,另一种多发射源 .的扫描方式也被引入。年月,西门子公司推出了一款 具有两个.射线发射源以及两排探测器阵列的扫描机。较传统的扫描机, 这款扫描机的扫描速度大约提高了倍。 .. .射线扫描机的组成构件 一台扫描机通常包括.射线管, 高压产生器,.射线探测器,数据采集 校准仪和滤波器,以及图像重建装置。 电子设备,支架和滑环?装置,第一章绪论 ... .射线管 射线管是扫描系统中最重要的组成部件之一,它能够提供扫描所需 要的.射线光子。一个射线管最基本的组成部件是阴极和阳极,其中阴极发射 高速的电子,阳极作为产生射线的靶子。此过程中,当高能电子被目标靶场原 。当入射的高能 子核的电场减速时,便会产生韧致辐射 电子与目标靶物质中原子的电子相互作用时,便会产生特性辐射 。在产生.射线的过程中,只有%的入射能量转化成.射线光子,而 其余%的入射能量则变成了热能,为避免目标靶过热而融化,阳极始终保持高 速的旋转每分钟到转速【】,以使得产生的热量能够发散到一个较 大的区域内。 ... .射线探测器 在中使用的射线探测器有两种:直接探测器例如,氙探测器和非 直接探测器例如,固态探测器。在氙探测器中,当高压氙气被.射线光子电 离时,正氙离子和负电子便被产生出来,随之正氙离子被极性相对为负的采集盘 收集,负电子被极性为正的采集盘收集。依据氙离子的数量与 .射线的强度呈线性正比关系,通过测定采集盘中所收集的氙离子的数量,从而 能够测得一射线的强度。这种探测器的主要缺点是其探测效率较低。但由于其价 格低廉,因此至今很多低端的单层扫描机仍然采用的是这种探测器。 固态探测器克服了氙探测器的许多缺点。在这种探测器中,许多小块的闪光 ,并且与一系列 物质被涂在反光材料 的发光二极管连接。当入射.射线光子与闪烁基数器相互作用时, 被释放出的光电子会在闪烁基数器中移动一小段距离并且会激活其他原子中的电 子。当被激活的电子归位到它们的基态时,便会释放出可见的光子,并将其传 播 到发光二极管上。由于具有非常高的探测效率,当今大部分较先进的扫描机均 采用这种探测器。 ...准直仪和滤波器 在.射线扫描机中,准直仪主要用于滤除穿过患者之前 的发散的射 以及穿过之后 线。采用准直仪的主要目的是为了减少施加于患者的不必要的辐射剂量以及提高 成像质量。 低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究. 图.用于.射线扫描中的弓形滤波器和扁平滤波器示意图. 由于低能量的射线大部分被患者吸收而对于探测信号的贡献却甚小,因此 大多数的扫描机都采用额外的滤波器滤除这部分.射线。通常采用 两类滤波器:扁平滤波器 和弓形滤波器 ,如图.所 示。扁平滤波器通常以铝或铜为材料,用于抑制那些非均匀通过整个目标区 的.射线光谱。弓形滤波器用于调整目标区内射线束强度以达到进一 步减少辐射剂量的目的。由于患者的扫描截面通常呈椭圆形,当射线通过目标区 内患者体内时,其路径长度会不相同,弓形滤波器被设计用来补偿这种由于 路径 长度不同而造成的影响。弓形滤波器的形状对于.射线投影数据的噪声建模 具有 重要的作用【。 ..衰减系数 当.射线束通过目标物体时,由于有部分光子偏离方向或者被物体吸收掉, 因此射线束中的光子会持续的减少。在目标区中每一个位置上光子的损失程 度 可以用线性衰减系数 刻画,通常记为‖。假设?表 示在时间段内的入射光子数目,表示穿过扫描物体而存留下的光子数目, 假设所有的入射光子具有相同的能量,?与虬的关系可有如下公式给出 , . 、/一 其中,/.为,,位置处的线性衰减系数,西为该.射线在其探测路径 上一个单位长度。由式.可以得到: . 厂 口,‖,乩詈第一章绪论 上的 其中等式左边的积分代表在衰减系数某一个投影角度 总和,通常记为只。公式.成立的一个基本假设是所有的入射光子具有相同 的能量,这种假设在实际的扫描机中是不成立的,这是因为在实际中由射 线管产生的射线光子并不是单能的,而线性衰减系数是依赖于 具体能量的。因此,式.中入射强度 与透射强度 之间的关系并不是严格成立的,这种偏差会在重建图像中产生射线 硬化 伪影或者多色伪影【。 所有物质的线性衰减系数/均依赖于射线束中光子的能量以及该物质元素的 原子序数。由于正是由于物质本身的质量最终决定了衰减系数,因此衰 伍。 减系数常常由//来描述,称为质量衰减系数 人体中各组织的质量衰减系数如图.所示。其中,肌肉的衰减系数与水的衰减系 数基本相同。由于骨头中的钙元素在低能量入射光线下会因为光电现象的作用而 会引起额外的.射线的吸收,因此骨头物质的放射影像会较明显。在入射光线的 高能量区域,由于光子的衰减主要是由康普顿散射产生的,因此骨头的衰减系数 与身体中其他组织的衰减系数相似。 哇斌 始 图.各物质的.射线衰减系数以及其与入射光子能量之间的关系. 为了使身体不同组织的衰减系数有更明显的区别,在重建图像中通常用 值作为刻度来表示各物质的衰减特性。值的定义如下: ,“聊施,.:丝塑× . 、 一?材 其中,‖。脚为水的线性衰减系数。值的单位称为单位, 用以纪念机的发明者。通过这种定义方式,水的值为,空气的值为 到 .,软组织的值在. 的范围之内,骨头的值在低剂量射线断层成像的噪声抑制 研究 到范围之内。 .. 图像的重建衰减系数谱的重建 图像衰减系数的重建方法按其基本思想的不同可以分为两大类,一 类是迭代方法,另一类是解析方法。 其中一种迭代重建算法是通过对投影数据的矩阵求逆来找到与投影数据所 对应的衰减系数谱,其衰减系数谱的初始估计值是任意的。这种方法称为代 数重 建技术 ,。尽管在发展的早期, 算法是最普遍采用的一种算法,但是由于其存在的诸多缺点例如,计算时 间长,收敛精度差,噪声强等,现在已经几乎完全被分析方法取代【】。 另一种迭代重建算法是基于统计的图像重建方法 ,。该算法首先对原始投影数据 或者经系统校准及 对数变换 之后的投影数据进行统计建模, 然后通过求解该统计模型的最大后验概率估计 ,以 获得扫描物体衰减系数谱或重建图像值的理想估计。在实际应用中, 重建算法的主要缺点是对于较大的扫描物体所获得较大扫描数据集,算法的 计算 量较大。但是该算法在许多方面,比如,抑制重建图像中的噪声方面,具有较 大 的优势。 解析方法或者称为直接重建方法是基于傅里叶切片定理 的,该定理能够将投影数据的一维傅里叶变换与重建图像,的二维 傅里叶变换联系起来】。假设,,为重建图像,的二维傅里叶变换, 即 ,一. ? , . 同时令蜀为投影图像的一维傅里叶变换,即 ? 品.另一 其中,为“,的极坐标,线性积分为,的变换【。线 性积分可以表示成 ?? 将式.代入式.,得 ? 进行 如果 对应 图像 ? 上式表明,对于每一个投影数据另,首先通过求解品叫/万伽咖以 获得滤波后的投影数据,然后通过求解逆傅里叶变换以获得重建图像,。这 种方法称为滤波反投影算法 ,算法【球】。该算法 。 具有精确度高以及运算速度快的优点,因此在实际中被广泛采用【 .. 重建图像中的伪影 指的是图像的重建像素值与扫描物体的真实衰减系 图像伪影 数不符而引起的噪声干扰现象。在本节中,将讨论几种在临床上引起重建图 像 伪影现象的原因。 ...射束硬化 正如.节中所述,在实际应用中由射线管产生的射线光子其能量并不 是均匀的,因此,机实际采用的是多能.射线谱 . , 其能量范围为. 。与此同时,对于特定的物质,其.射线的衰减系数是 与能量有关的见图.。当低能量的.射线通过被扫描患者时,其衰减程度要 比高能量的.射线大。而在实际算法中,是将.射线的能量看做是均匀的,其具 体做法是通过求取一束.射线的能量的平均值作为该束光线的能量。因此,当一 低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 束射线穿过一定厚度的肌肉组织及骨骼时,其平均能量谱将会变得向高能量区 域倾斜。进而,当该射线束在仅仅穿过其中的肌肉组织时,其平均.射线束的能 量将会被人为的增强“”,从而产生射束硬化现象。当所有角度的.射线 束均有不同程度的射束硬化时,重建图像中便会出现伪影。 大多数扫描机中都包含一个简单的射束硬化校正算法,以消除射束硬化的 影响。通过采用更复杂的两步.射束硬化校正技术,能够从本质上消除 射束硬化产生的图像伪影。在两步算法中,图像首先按照传统算法重建,其中光 束穿过骨头及软组织的距离被各自标定出来。然后,对每条射线按照其已知的穿 过骨头及软组织的厚度,进行射束硬化补偿从而达到校正的目的。在第二步中, 将使用校正后的射线值对图像进行重建。 除了采用校正算法外,一些基于硬件的技术也被用来消除射束硬化的影响, 例如,在.射线束进入人体之前进行强滤波。 ...运动伪影 运动伪影 是由于患者在扫描过程中的有意识的例如,呼 吸或者无意识的例如,心脏跳动的运动引起的。在重建过程中,数学算法 并不能解决这种由于运动引起的伪影现象。运动伪影通常会在重建图像中产生模 糊或者条状伪影。在有些时候,这些伪影会引起临床上的误诊,因此 有必要消除这种伪影。 消除运动伪影的一种策略是使用快速的扫描机。年,西门子公司通 过采用双发射源. ,【。,对身体内某部位的扫描时间已 经缩短到 。该扫描速度使得获得一副理想的心脏扫描图像成为可能。实际上, 人们发明更快的扫描机的主要动力正是为了较少运动伪影的影响以获得理想 的心脏扫描影像。 消除运动伪影的另一种策略是在扫描过程中采用脉冲选通技术 。这种策略的基本思想使获得一幅完整的扫描数据的时间通常要少于一 个呼吸或者心动周期。在某个特定的阶段,呼吸或者心脏跳动运动通常较其他阶 段弱,因此可以通过采用呼吸阀 ,广电阀 以及 单次呼吸广电阀技术获得该阶段的扫描影像,从而减少运动伪影的影响。 ...金属伪影 金属伪影 是由于高密度物体的存在而引起的通常由金属制 成,例如牙齿填充物,金属假肢等。金属伪影通常会在重建图像中产生条纹状噪第一章绪论 声。 在过去的几十年,人们提出了很多策略来减少金属伪影的影响【。其中一 种策略是从周围非金属扫描物的扫描数据中估计出金属扫描物的扫描数据,并用 这些数据替换掉金属扫描物的扫描数据。这种策略对于消除金属扫描物邻域区域 内的金属伪影非常有效。但是金属物体本身的影像信息会完全消失,并且与金属 物体相邻的边界区域的影像也会变形。而在许多临床诊断中,这种边界信息例 如,金属植入器与其周围组织的边界情况会非常有用。因此,发展经济有效的 金属伪影校正策略仍然是当今一个非常活跃的研究领域【。】。 ...局部容积伪影 局部容积伪影 是由于只有部分被扫描物体包含在扫 描目标区域内而引起的。其示意图如图.所示,其中,当.射线源旋转到某些 特定角度时,被扫描物体会有部分区域包含在射线的探测范围内,而当.射线 源旋转到其他某些角度时,被扫描物体会完全脱离一射线束的覆盖范围。这 种情 况将会在重建图像中产生伪影现象。 图.局部容积伪影示意图. 消除这种局部容积伪影的一种有效的方法是采用后重建算法 ? 【。文献中提出了一种图像空间校正策略, 这种策略在抑制局部容积伪影影响中具有非常好的效果。 ...康复顿散射伪影 康复顿散射 会使得探测器单元接收到邻近投影角度上 一射线所产生的散射光子,这会使得投影数据与真实的理论值不符,从而使得 重建图像中产生条状伪影】。 扫描机采用后置校准器 消除这种散射伪影。通 低剂量一射线断层成像的噪声抑制研究 过在靠近探测器单元的位置放置一个校准器就能很轻松的滤除散射光子。在商业 扫描机中,除了采用校准器这种硬件技术外,一些软件方法也经常被被用来抑 制散射伪影。这些软件算法依据的是散射信号通常分布在低频区域这种现象,通 过对低频信号的滤波即能够有效的消除散射信号。 .论文选题背景 尽管扫描在临床诊断中能够为医生提供非常有价值的影像信息,但是 在扫描过程中也会对患者产生辐射。这种由于一射线扫描而产生的辐射曝露 会对 患者的健康产生不利的影响【。】。在过去几年中,有关.射线对患者的辐射问 题 受到了越来越广泛的关注【卅。 .. .射线扫描中的辐射问题 ...辐射剂量的测量单位 的能 剂量是用于描述存在于某些材料中电离辐射 量数目的,其与辐射类型以及材料本身的物理属性有关。其中一种类型的剂 量称 为吸收剂量 ,主要用于测量被人体组织或物体材料吸收的能量数 目。另一种常用的剂量为有效以及等效剂量,主要用于 不同组织或者不同辐射的对比分析。吸收剂量通常采用的测量单位是 或者 。有效及等效剂量采用的测量单位是 或者 。其中和主要与某些物质实 际吸收的能量有关,可以被用于任意辐射类型以及任意的物质材料中。和 用于将人体组织的吸收能量与人体所受到的辐射损害相关联。有关剂量单位 的详 细信息,请参阅文献】。 ...主要放射源 联合国对各种放射源的调查表明,用.射线诊断检查对人体造成的辐射量约 占世界上所有放射源年产生剂量的%。英国癌症研究协会对英国及其他个发 达国家的统计结果表明,当人活至岁时,由于.射线辐射造成的患癌症的累积 风险率在.%..%之间,其中英国最低,日本最甜。在美国,普通公众每年接 受的辐射曝露的法定限量是 ,在某些特定领域工作的职业工作者的法定辐射 曝露剂量限量为 。据统计,生活在美国的公民平均每人每年受到的背景辐第一章绪论 大约为. 。自然界中存在的天然辐射源大约占 射量 总的背景辐射量的%,其中最主要的辐射源是氡辐射源。在人为所造成的辐射 源中,医疗上的射线检查已成为其中最大的辐射源,其中在美国由扫描过 程中所产生的辐射已经占到所有人为辐射的%左右【。表.列出了平均每年 各种辐射源对于每个公众所造成的辐射剂量【】。 ... .射线扫描中的常用剂量 一次典型的扫描施加于患者的辐射剂量范围在.. 左右,其相当 于普通公众在几年内受到的辐射量总和。表.列出了在不同的医学射线成像 过程中施加于患者的典型的剂量【’?。当剂量水平达到 数量级时,辐射将 会 是致命的,能够引起受辐射者的瞬间患病及死亡。当剂量水平为 数量级时, 会使受辐射者患癌症概率的概率大大增加。 表.美国平均每年各种辐射源对于每个公众所造成的辐射剂量 辐射源 辐射剂量 自然界产生的辐射 宇宙辐射 . . 地球辐射. 地球内部氡辐射 . 其他地球内部辐射 天然辐射总和 . 人为产生的辐射 . 医学射线检查 核子医学. 工业生产的各种消费品 . 其他 职业环境 . 核燃料循环. 放射性坠尘 幻 其他杂项 . 人为辐射总和 自然辐射与人为辐射总和 . .. .. 低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 表.在医学.射线成像过程中施加于患者的剂量 扫描类型 剂量 孓; 光照片:胸部 小 ? 光照片:头盖骨 国 光照片:腹腔 扫描: 脑部 之扫描: 胸部 扫描: 腹腔..低剂量技术第一章绪论 制定了医疗放射质量保证和质量控制 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,主张射线诊断应遵循实践正当 性、 防护最优化的原贝 ,,【】,以期以最小的代 价和剂量获得最佳的诊断效果,这为低剂量技术的研究和应用提供了广阔的 空 间。 采用低剂量扫描还能减少射线管、探测器的损伤,可以延长.射线管 的使用寿命,减少设备成本。低剂量技术是非常有诊断价值的技术,值得 在临床医学中应用和推广。同时由于成像的质量与辐射剂量密切相关,辐射剂 量越高,图像成像质量越好,但是过高剂量会对健康人体造成辐射伤害【】。因 此需要根据病人的病情情况,尽量在扫描时降低辐射剂量。但是在降低剂量扫 描的同时,图像成像质量也明显的下降,不仅给临床诊断造成了影响,而且增 加了对图像进行分析和处理的难度。因此目前这项研究的重点是如何能够在减少 对患者辐射的同时获得对于医学诊断来说满意的成像质量。 综上所述,低剂量技术在临床应用中有如下优势和挑战: .低剂量技术具有以下应用前景: 。。 极大地降低了检查者受线辐射剂量,消除了部分检查者对检查的心 理恐惧。由于剂量的降低使其能应用于大规模人群普查、孕妇以及儿童的诊断性 检查。不仅能满足健康普查的需要,又能够减少长期辐射可能产生的副作用。 低剂量扫描在早期肺癌、肺结核、尘肺等高危人群的普查中具有相当 优势。使得其能够提高疾病的早期检出率,从而使得疾病能够较早治疗并减少患 者的痛苦和治疗费用。 采用较低剂量的检测能减少线管、探测器等硬件设备的损耗,延长 线管的使用寿命,节约运行系统成本。所以降低线管电流的扫描具有 节约硬件设备的优势。 .临床应用低剂量扫描的困难: 降低剂量进行扫描的同时,成像质量也明显的下降。存在较多的伪迹 噪声,病灶等特性被噪声淹没,影响临床诊断。 低剂量扫描时,不同组织受到的影响可能不同,因此为了反映不同组 织特性如软组织、骨、空气等对噪声的影响,需要通过大量统计分析。需要 对低剂量噪声建立相应的噪声模型,并研究噪声模型与系统配置、扫描参数、 组 织特性间的关系,以获得适用于低剂量投影数据的有效滤波方法。 本文正是在此背景下对低剂量图像的噪声抑制问题进行了深入而系统的 研究。 低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 .低剂量图像噪声抑制研究现状 当前,低剂量已经初步应用于临床的某些方面,例如,肺癌高危人群的年 度筛查【、基于衰减校正的/成像等【。在实际应用中,最为有效且实 用的获取低剂量的方法是在较低的发射电流强度下进行扫描【?。但是低强 现象, 度的发射电流会使得探测器端产生“光子饥饿” 这使得投影数据产生了严重的噪声】。 到目前为止,人们已经提出了很多滤波策略来解决低剂量图像中的噪声问 题。这些滤波策略大致可以分为以下三类: 第一类滤波策略是将重建图像或者投影图像看做一副自然图像 ,根据自然图像的特性采用传统的线性或者非线性算法,或者在图像的空 间域【】或者在图像的小波域【,懈】进行降噪处理。其中最具代表性的算法是 ,【引,该算 由在年提出的算法 法是在获得测量数据的局部统计顺序的基础上对测量数据进行自适应滤波,由于 其思想简单、运行效率高的特点使其成为低剂量投影图像去噪领域的非常经典 的算法。这类滤波策略的优点是能够采用大量的成熟降噪算法对图像进行处 理,但是由于低剂量投影数据有其自身独特的统计特性,而这些算法难以利用 这些统计特性,从而使得滤波效果较差,难以应用于临床诊断中,因此近年来人 们较少在低剂量图像降噪领域采用此类算法。 第二类滤波策略是采用基于统计的迭代图像重建算法【】。这种 算法利用图像重建公式将重建图像数据与投影图像数据关联起来,然后采用某 个代价函数 对投影数据的噪声统计特性进行建模,最后采用迭代 算法在重建图像域对代价函数进行优化,从而直接得到重建图像的估计值, 以 达到低剂量图像去噪的目的。如和采用平稳高斯模型对 投影数据中的噪声进行建模,并采用最大后验概率估计 , 的方法对代价函数寻优【 , 等则采用具有边界保持特性的先验 模型对重建图像进行建模,并同样采用估计的方法进行迭代图像重建【,均 取得了较好的降噪效果。近年来,基于总变分 ,最小化的图像 降噪算法成为国内外研究的热门课题【。该类算法在降噪的同时,能够有效的保 护图像边缘【】。但由于低剂量投影域图像具有高度平滑及较低信噪比的特性, 若直接对投影数据运用算法,则极易引起“分片常数”效应,使得重建后的 图像具有较强的条带状噪声【们。因此最小化方法通常不适用于投影域的图 像降噪。但是近年来已有研究表明,最小化方法用于图像的算法中 能够取得较好的效果【。由于算法能够很好的利用投影数据中噪声的统计 第一章绪论 信息,所以这种算法的滤波效果通常要优于传统的线性或非线性滤波器,特别是 当扫描剂量降低时。但是这类算法最大缺点是计算复杂,计算量大。庞大的计 算量限制了这种算法在实际中的应用。 第三类滤波策略的基本思想是在获得投影数据噪声统计特性的基础上,在投影 域直接对投影图像进行滤波,然后对恢复后的投影数据采用滤波反投影算 法进行重建,从而达到图像去噪的目的。近年来人们在这个方向上进行了大量 的研究,主要的研究集中在以下两个方面: .对扫描获得的没有经过系统校准及对数变换的原始测量数据 进 行处理【引。年, 和对原始测量数据采用泊松分布进行建 模,并且采用最大似然估计的方式进行统计去噪【,同年 等对原始 测量数据同样采用泊松分布进行建模,并且采用变换域的自适应滤波 器进行统计去噪】,均取得了较为好的效果,但这两种方法均未考虑.射线的多 和】 能量谱效应及探测器的积分特性。近年来、 的研究表明,原始测量数据可以用复合泊松分布进行建模, 以此模型为 基础,采用非参数回归方法对不同扫描角度获得的一维投影数据的分布进行拟合 估计出无噪的投影数据】,取得了较好的滤波效果,该方法主要缺点是算法时 间复杂度较高,将来需进进一步解决算法的运行效率问题。 .对扫描获得的经系统校准及对数变换后的投影数据 进行处理。近年来来人们在这个方向上进行了大量的研究【。其中, 等在年通过对低剂量重复扫描数 据的统计特性进行实验分析,指出低剂量条件下扫描获得的经系统校准及对数 变换后的投影数据的噪声服从一种空间非平稳高斯分布,其方差与均值之间存在 非线性关系】。 等利用此模型于年提出.变换域方 法【卿,算法通过运用不同角度或探测器间的投影数据的空间相关性关系,对投影 数据沿角度进行.变换,然后再对变换后的投影数据进行惩罚加权最小均方误 葫吐 差 .,算法进行滤波。 等在 年对这一噪声模型进行了进一步完善,给出了噪声方差与均值之间非线性关系的 解析公式,并在此模型的基础上提出了一种非线性滤波算法【刀,使得滤波效果较 前人的成果有较大提高。 等人以此噪声模型为基础,提出了采用惩罚加 权最小均方误差算法以及变换域的算法进行滤波,取得了 较好的效果【。同时 等人将?算法从单层的低剂量扫描图 像.扩展到到低剂量条件下多层螺旋扫描图像.的噪声抑制 :】,这种算法的主要优点是能够通过.变换或称主成分分析,, 将多层螺旋扫描获得的相邻层图像之间相关性去除掉,从而得到更有效的滤波 结果。年, 等人陬将滤波算法从原始投影图像域扩展到小?’。。? 低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 波域,在小波域中通过使用小波变换达到对投影图像的多尺度. 分析的目的,从而在一定程度上克服了以前工作中采用一个固定的平滑系数的缺 点,使得滤波之后的图像质量有较大的提高。及年, 等人【 提出采用各向异性次惩罚加权最小均差算法对低剂量图像进行 去噪,该算法充分考虑了投影图像中相邻像素的差异性,从而较好的保持了重 建图像的边缘细节信息。 第三种滤波策略充分利用了投影数据的统计特性,并且避免了算法所 需要的庞大计算量,在实际应用中取得了非常好的滤波效果,显示出了很好的发 展潜力,逐渐成为低剂量图像滤波的主要方向。本文采用的即是第三种滤波策 略对经系统校准及对数变换之后的投影数据进行降噪研究。 因为人体内部组织结构差异较大,而临床医学诊断对医学图像的分辨率和清 晰度都 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 较高,目前的滤波去噪算法大多只是针对特定的模拟数据,而距实际第一章绪论 像噪声抑制技术的研究现状进行详细介绍。 第二章对低剂量投影数据的噪声统计特性进行了分析。主要内容有:对 常规剂量扫描中探测器端探测到的光子信号的噪声特性进行理论分析;介绍在 低剂量扫描环境下,通过重复实验研究所获得的经系统校准及对数变换之后的 投影数据的噪声特性;对低剂量投影数据的噪声进行深入的研究,发现投影图 像中存在某些孤立的噪声点,提出了检测与滤除这些“孤立点的算法。 第三章建立了低剂量图像的统计模型,包括投影图像的先验概率模型、 噪声模型以及后验概率模型,并针对模型中的参数给出了相应的参数估计的算法, 为后继基于统计的去噪算法的研究奠定了基础。 第四章通过对低剂量投影图像自身的灰度值分布特点进行研究,发现投 影图像中像素灰度值越亮的区域其噪声越强,反之,像素灰度值越暗的区域其噪 声越弱。根据此特点,提出了一种基于分割的低剂量图像自适应统计去噪算法。 该算法首先将投影图像中具有相似灰度值的像素进行聚类,从而将投影图像分割 成具有不同灰度等级的图像块,然后对每一分割块赋予不同的平滑系数,并且采 用最大后验概率估计算法进行统计去噪。对所提出的算法进行了计算机 仿真实验以及真实投影图像实验,实验结果表明了本章所提出的算法在低剂量 图像降噪中既能够有效滤除图像中的噪声,同时又能够很好的保持重建图像的 分辨率。 第五章结合第三章所介绍的投影图像统计模型及参数估计算法,提出了一种 新的自适应低剂量投影图像的降噪算法。该算法在对投影图像统计模型中的参 数进行自适应估计的基础上,求解理想投影图像在观察投影图像条件下的期望值, 以此期望值作为理想投影图像的估计值,从而达到图像降噪的目的。其中对先验 概率模型中的平滑参数以及非平稳噪声的方差在运用算法进行估计过程中, 引入技术中的采样,很好解决了参数估计中的计算问题,并在此基 础上,通过再一次运用的采样,以获得理想数据的条件期望值。通 过与当前最先进的算法及. 算法的定性及定量的实验对比 分析验证了所提算法的先进性。 第六章提出了一种基于算法的低剂量投影图像的自适应统计去噪算 法。算法针对低剂量投影数据的极低信噪比特性以及投影数据所特有的空间 非 平稳高斯噪声特性,采用算法通过求解图像后验概率的条件期望值最大的方 法达到了图像复原的目的,同时在算法中实现了图像先验模型中的平滑参数 以及噪声方差参数的自适应估计。对计算机仿真投影数据以及真实投影数据的结 果表明,所提算法在低剂量图像去噪应用中,无论是从复原图像的可视化效果 上还是从噪声.分辨率关系的定量分析上,都具有明显优势。 第七章对本文工作进行了总结,对低剂量噪声抑制的研究前景进行了展低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 望。第二章低剂量投影数据的统计特性研究 第二章低剂量投影数据的噪声特性研究 在低剂量应用中,基于统计的图像重建或者图像复原算法由于较好地利用 了图像的统计特性,因此与传统的局部滤波算法相比通常会取得更好的效果【。 对于基于统计的低剂量图像重建以及图像复原算法,噪声的统计建模是必不可 少的工作。基于统计的低剂量图像重建或者复原算法的基本思想是,在获得投 影数据的噪声统计特性的基础上,通过求解目标方程通常为理想图像的似然概 率密度方程或者后验概率密度方程的最大值,以达到图像重建或者去噪的目 的。 本章将首先对常规剂量扫描中探测器端探测到的光子信号的噪声特性进行理 论分析;然后介绍在低剂量扫描环境下,通过重复实验研究所获得的经系统校 准及对数变换之后的投影数据的噪声特性;最后介绍我们通过对低剂量投影数 据的噪声进行更深入的研究所发现的投影数据的其它噪声特性。 本章具体内容安排如下:第.节介绍了投影数据噪声统计特性的理论分 析结果;第.节介绍了低剂量投影数据噪声统计特性的实验分析结果;第. 节介绍了低剂量投影数据中的“孤立点”噪声,并给出了相应的去噪算法。 . 投影数据噪声统计特性的理论分析 ..透射光子的统计特性 从射线源发射光子的过程是一个泊松过程 ,其概率为【: 只等, 其中,只表示在一个给定的时间段内发射个光子的概率,?表示给定时间段内 发射光子的平均数目。光予穿越被扫描物体的过程是一个二项过程,其中光子或 者穿过扫描物体而被探测器接收或者由于散射作用而偏离该光束。这个过程 可以 用一个二项模型来描述:假设‖为衰减系数,互‖出为在投影路径 上的衰减系数 的线积分,则光子到达探测器的概率 一/,不能到达探测器的概率则 为一。由于泊松分布与二项分布的结合仍然是一个泊松分布【,因此光子从发 射源发射到穿过被扫描物体的总过程仍然是一个泊松分布。穿过被扫描物体而到低剂量.射线断层成像的噪声抑制研究 达探测器的光子量的平均值虬可由公式虬计算。 ..衰减系数线积分的均值和方差 由上节的描述己知,透射的光子数目是衰减系数线积分的一个非线性函数, 即? 一“凼。理论上,扫描机第个探测器单元上的衰减系数线积分 可以由下式计算: :,:??, 其中为描述每一时间段内透射光子数量的随机变量,服从泊松分布,其均值系数线积分的均值与方差的关系: ? 吒击;, 其中,。为衰减系数线积分的期望值。 上述推导过程中忽略了一些特殊情况,并且基于如下几个假设:入射光子 量?的统计特性被忽略了,但是这一假设在实际的常规剂量扫描中是成立 的, 因为在常规剂量扫描过程中入射光子数通常大于,在这种情况下有关入射 光子的统计变化是可以被忽略的;在上面的推导过程中为了使用泰勒级数展 开,在式.中假设接收到光子个数很少的概率为零。在实际的常规剂量扫描 中探测器接收到的光子数一般都大于,所以这一假设在常规剂量处理中也是 成 立的。但是采用较低剂量进行扫描时,由于射线的发射光子较少,若透射 路径上存在衰减系数较高的组织骨组织、钙化组织等,则探测器接到的光子 个数会非常少。此时假设就不成立了,所以需要对这种特殊情况下的电噪声 加 以考虑。 ..衰减系数线积分的分布 当随机变量服从均值很大大于的泊松分布时,就司以将泊松分布视为 高斯分布【吲。在射线扫描中,从被扫描物体中透射的光子个数通常都在 以上,因此透射光子数可以视为服从高斯分布: 弘埘 、 一簪 踯,丽 其中为随机变量尼的平均值。 我们定义:后勺?,其中衰减系数线积分尼是关于变量尼的方程。