一種基于圖像各向異性邊緣檢測的ct稀疏角度重建方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法，該方法基于圖像各向異性的邊緣檢測信息，在圖像重建過程中更新TV各加權(quán)分量的加權(quán)權(quán)重，從而達(dá)到增強(qiáng)圖像邊緣，提高重建圖像的分辨率，改善重建圖像質(zhì)量的目的。本發(fā)明可以在更少的投影幅數(shù)下重建圖像，更加有效的降低CT成像的輻射劑量。
【專利說明】一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對計(jì)算機(jī)斷層掃描儀的低劑量掃描和重建，主要涉及數(shù)字圖像處理和CT圖像重建方法，具體涉及一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1967年Hounsfield發(fā)明了世界上第一臺計(jì)算機(jī)斷層掃描(ComputedTomography, CT)設(shè)備。CT技術(shù)通過采集X射線穿過物體后多個(gè)角度的投影數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)重建圖像，進(jìn)而獲得物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷層圖像。由于CT設(shè)備利用X射線的穿透性，在不破壞物體的情況下可檢測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，至今已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)檢測、考古研究、珠寶鑒定等多個(gè)領(lǐng)域。
[0003]然而，醫(yī)學(xué)研究表明，X射線對人體有損傷，電離輻射可從分子水平和細(xì)胞水平對生物體造成損傷，照射X光可誘發(fā)癌癥、白血病或其他遺傳性疾病。而醫(yī)學(xué)CT是利用X射線進(jìn)行的一種高輻射劑量的檢查，其輻射危害對于胎兒和兒童尤為嚴(yán)重。據(jù)新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志2009年針對95萬人的統(tǒng)計(jì)顯示，在所有能夠產(chǎn)生輻射的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中，檢查量僅占總數(shù)21%的CT及核醫(yī)學(xué)成像，產(chǎn)生的輻射量卻占總量的75%以上，特別是CT，產(chǎn)生的輻射量接近總量的50%。因此如何在保持圖像質(zhì)量的前提下有效的降低輻射劑量引起越來越多的關(guān)注，國外廠商西門子、GE等都在積極的研究可能的方案。
[0004]提高探測器檢測效率或使用準(zhǔn)直器等硬件方案以減少輻射劑量非常有效，但是會增加額外的成本，且某些方案技術(shù)難度較大。在不改變硬件配置的前提下，降低輻射劑量通常采用的方式是減少投影角度或降低電流。前者面臨著CT投影數(shù)據(jù)的不完全和稀疏角度投影的重建困難，后者會帶來圖像的高噪聲。為改善圖像質(zhì)量，研究者針對兩種情況分別提出了很多改進(jìn)的算法。其中利用壓縮感知(Compressed Sensing, CS)理論,結(jié)合人體組織結(jié)構(gòu)分片連續(xù)的特點(diǎn)，可較好的實(shí)現(xiàn)稀疏角度的重建。壓縮感知理論指出，只要信號是可壓縮的或在某個(gè)變換域是稀疏的，就可以用一個(gè)與變換基不相關(guān)的觀測矩陣將變換所得高維信號投影到一個(gè)低維空間上，通過求解一個(gè)優(yōu)化問題從這個(gè)低維信號的少量投影中以高概率重構(gòu)出原信號，該投影包含了重構(gòu)信號的足夠信息，并在理論上證明了該技術(shù)的錯(cuò)誤率是無窮小，從而奠定了 CS技術(shù)的理論基礎(chǔ)，引發(fā)了采樣技術(shù)的革命性變化，成為近年來最熱門的研究技術(shù)之一。CS的思想是從盡量少的數(shù)據(jù)中提取盡量多的信息，從而實(shí)現(xiàn)信號在較低采樣率下的采集和復(fù)原，其前提條件是圖像本身是稀疏的或者圖像是可壓縮的。
[0005]CT圖像經(jīng)過梯度變換在不同程度上滿足稀疏化條件。根據(jù)CS理論，重構(gòu)稀疏信號采用求解其Itl范數(shù)最小化的方法，而實(shí)際中往往轉(zhuǎn)換為求其I1范數(shù)最小化，研究者提出采用CT圖像梯度向量的模的I1范數(shù)(即CT圖像的總變差Total Variation，TV)最小化方法重建CT圖像。傳統(tǒng)的TV計(jì)算采用圖像像素梯度向量的模相加得到，而梯度向量的模為圖像像素沿X和y兩個(gè)方向的一階導(dǎo)數(shù)(即梯度的分量)的平方和相加后的平方根(式(1))，其在X和y方向的一階導(dǎo)數(shù)的權(quán)重因子是相同的(即各向同性)，均為1，未考慮圖像梯度的方向性，因此在圖像求解過程中不可避免的帶來圖像邊緣的模糊和分辨率的下降。[0006]
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法，其特征在于:該CT稀疏角度重建方法包括以下步驟:將CT圖像特征與CT圖像重建相結(jié)合，利用圖像各向異性邊緣檢測的邊緣信息改變圖像總變差計(jì)算中各分量的加權(quán)權(quán)重，并采用圖像總變差最小化的方法重建圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法，其特征在于:所述CT稀疏角度重建方法具體包括以下步驟: O設(shè)置初始迭代次數(shù)k=0，初始化重建圖像U(O)，圖像大小為LXL ;同時(shí)，初始化圖像總變差計(jì)算中用于各向異性加權(quán)的權(quán)重矩陣g ; 2)增加迭代次數(shù)k=k+l，利用代數(shù)迭代法重建得到更新的重建圖像； 3)根據(jù)步驟2)中得到的更新的重建圖像，求解滿足圖像總變差最小化的圖像u(k)； 4)對圖像u(k)進(jìn)行各向異性的邊緣檢測，得到X和y兩個(gè)方向的邊緣圖像EdgeX以及EdgeY ； 5)根據(jù)邊緣圖像EdgeX與EdgeY更新權(quán)重矩陣為gnew； 6)使用更新后的權(quán)重矩陣g_計(jì)算圖像u(k)的圖像總變差； 重復(fù)步驟2)至步驟6)直至滿足迭代截止條件，并輸出圖像u(k)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法，其特征在于:所述權(quán)重矩陣g對于四鄰域時(shí)為LX L*4的三維矩陣，每個(gè)像素點(diǎn)在圖像總變差計(jì)算中對應(yīng)有四個(gè)權(quán)重，權(quán)重初始值均設(shè)為π/4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法，其特征在于:所述圖像總變差的計(jì)算方法為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法，其特征在于:所述邊緣檢測的具體步驟為: a)對圖像進(jìn)行聞斯濾波； b)對濾波后的圖像分別沿X、y方向求導(dǎo)，得到對應(yīng)的梯度分量圖像Dx與Dy; c)根據(jù)梯度分量圖像Dx與Dy將圖像像素點(diǎn)(i，j)按照其梯度矢量(Dxij^yij)所屬區(qū)域分為X向邊緣點(diǎn)以及I向邊緣點(diǎn)；χ向邊緣指邊緣切線方向偏向X軸，y向邊緣指邊緣切線方向偏向I軸； d)對步驟c)分類后的邊緣點(diǎn)沿梯度方向進(jìn)行梯度模的非極大值抑制，選擇梯度模的局部最大值點(diǎn)位置； e)對步驟d)找到的梯度模的局部最大值點(diǎn)的梯度模進(jìn)行高、低雙閾值約束，從而找到大于等于高閾值的點(diǎn)域Ω和位于高、低閾值之間的點(diǎn)域Ψ ； f)對Ω中的點(diǎn)以Ψ中的點(diǎn)作為聯(lián)通鄰域補(bǔ)充進(jìn)行形態(tài)學(xué)連接和邊緣細(xì)化。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于圖像各向異性邊緣檢測的CT稀疏角度重建方法，其特征在于:權(quán)重矩陣gnew根據(jù)邊緣圖像EdgeX與EdgeY得到，當(dāng)EdgeX中像素點(diǎn)(i，j)的值為邏輯真時(shí)，更新權(quán)重g(u—以及gam)為零，否則保持原值不變；同樣，當(dāng)EdgeY中像素點(diǎn)(i，j)的 值為邏輯真時(shí)，更新權(quán)重g(i，」)—(i，j+1)以及g(i，j+1)—(i，j)為零，否則保持原值不變。
【文檔編號】G06T7/00GK103679706SQ201310618206
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】戎軍艷, 盧虹冰, 廖琪梅, 劉文磊, 高鵬 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)