CT圖像重建及運動偽影校正方法研究.pdf

1、計算機斷層成像技術(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)并利用計算機重建得到圖像，具有無損、精確、分辨率高以及可以三維成像等諸多優(yōu)點，是當今最先進的醫(yī)學成像技術(shù)之一，廣泛應用于臨床診斷和科學研究之中。
　　 CT重建算法一直是CT研究領域的熱點和核心問題。濾波反投影重建(Filtered Back-projection，F(xiàn)BP)算法具有重建速度快、易于硬件實現(xiàn)等優(yōu)點，當投影數(shù)據(jù)

2、比較完備時，能快速重建出高質(zhì)量圖像，因此它是目前應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險，但由于FBP 算法對投影數(shù)據(jù)苛刻的完備性要求而難以進一步降低劑量。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，利用信號的少量投影

3、測量值即可重構(gòu)信號并具有很強的抗干擾性，我們將其應用到CT圖像的重建中，能很好的解決上述問題。
　　 由于CT設備本身和重建算法的局限性以及病人自身的因素都會導致圖像偽影的產(chǎn)生，會影響醫(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)的一個重要研究課題。運動偽影是最為典型的一種偽影，它是因為在CT 掃描過程中，病人自主或者非自主的運動破壞了投影數(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。運動存在多樣性

4、和不確定性，從因運動而受破壞的投影數(shù)據(jù)中挖掘運動信息或者恢復投影數(shù)據(jù)都是非常困難的,特別是當人體含高吸收系數(shù)的金屬植入物時，會加重射束硬化以及帶來大量噪聲，使得運動偽影更加嚴重而難以校正。所以，研究運動偽影校正方法對改善圖像質(zhì)量和促進CT 發(fā)展都具有重要意義。
　　 本文主要對基于CS 理論的CT 重建相關(guān)技術(shù)和CT 剛性運動偽影校正方法進行了深入研究。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 重建方法的基礎上，實現(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)，因此將其應用于劑量降低和偽影校正當中，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POCS-TVM 算法計算量

6、大的問題，提出一種POCS-TVM 算法的快速實現(xiàn)方法，通過算法改進和硬件加速的方式實現(xiàn)重建過程加速，以滿足實時性要求。主要思想包括：標定投影數(shù)據(jù)有效區(qū)域和圖像有效區(qū)域，基于標定結(jié)果優(yōu)化CT重建模型，剔除不必要的計算量；在POCS 步驟中采用有序迭代的方法加速收斂；改進TVM 步驟避免了部分無效的全變分最小化計算；采用基于CUDA架構(gòu)的GPU 對整個算法進行加速。
　　 (3)提出一種快速有效的剛性運動偽影校正方法。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)幅值估計出剛性旋轉(zhuǎn)運動；在此基礎上，基于HL數(shù)據(jù)一致性（Helgason-Ludwig Consistency Condi-tion，HLCC）從投影數(shù)據(jù)中估計出剛性平移運動參數(shù)；最后根據(jù)估計結(jié)果補償運動的影響，有效的抑制了運動偽影。該方法實現(xiàn)了剛性平移運動和旋轉(zhuǎn)運動的分離估計，從而簡化了剛性復合運動估計的復雜度。
　　 （4）提出一種在含金屬物體情況下的剛性運動偽影

8、校正方法。首先采用多項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)運動估計方法估計旋轉(zhuǎn)運動參數(shù)；接著利用特征點的Radon 變換幾何關(guān)系估計剛性平移運動；最后根據(jù)估計結(jié)果補償運動的影響并采用線性衰減法校正金屬偽影。該方法的獨到之處在于提出了一種基于特征點的Radon 變換幾何關(guān)系估計剛性平移運動的方法，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基金（