文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
CT图像重建及运动伪影校正方法研究
姓名:罗海
申请学位级别:博士
专业:模式识别与智能系统
指导教师:周荷琴
2011-05-09
摘要
摘要
puted Tomography,CT)通过 X 射线或电子束扫描
获取病人断层投影数据并利用计算机重建得到图像,具有无损、精确、分辨率高
以及可以三维成像等诸多优点,是当今最先进的医学成像技术之一,广泛应用于
临床诊断和科学研究之中。
CT 重建算法一直是 CT 研究领域的热点和核心问题。滤波反投影重建
(Filtered Back-projection, FBP) 算法具有重建速度快、易于硬件实现等优点,当
投影数据比较完备时,能快速重建出高质量图像,因此它是目前应用最为广泛的
一种重建算法。但在投影角度偏少、投影数据受破坏或者噪声偏大的情况下都会
产生伪影,重建效果不理想。另外,CT 的高剂量存在较高的致癌风险,但由于
FBP 算法对投影数据苛刻的完备性要求而难以进一步降低剂量。因此,探索一种
能由不完备投影数据重建高质量图像的算法被人们寄予厚望。近年来出现的压缩
pressed Sensing, CS)理论突破了采样定理的极限,利用信号的少量投影
测量值即可重构信号并具有很强的抗干扰性,我们将其应用到 CT 图像的重建中,
能很好的解决上述问题。
由于 CT 设备本身和重建算法的局限性以及病人自身的因素都会导致图像伪
影的产生,会影响医生的诊断以及图像后处理等工作,因此伪影校正也是 CT 重
建算法相关的一个重要研究课题。运动伪影是最为典型的一种伪影,它是因为在
CT 扫描过程中,病人自主或者非自主的运动破坏了投影数据的一致性和完整性,
从而在重建图像过程中表现出各种伪影。运动存在多样性和不确定性,从因运动
而受破坏的投影数据中挖掘运动信息或者恢复投影数据都是非常困难的,特别是
当人体含高吸收系数的金属植入物时,会加重射束硬化以及带来大量噪声,使得
运动伪影更加严重而难以校正。所以,研究运动伪影校正方法对改善图像质量和
促进 CT 发展都具有重要意义。
本文主要对基于 CS 理论的 CT 重建相关技术和 CT 刚性运动伪影校正方法
进行了深入研究。归纳起来,完成了以下有特色的研究工作:
(1)在深入研究基于压缩传感(CS)理论的 CT 重建方法的基础上,实现
了一种基于有限差分变换的 POCS-TVM (Projection on Convex Sets-Total
Variation Minimization)重建算法。该算法与基于 CS 理论的其它算法相比,在重
建速度、重建质量和鲁棒性方面综合性能最优,因此将其应用于剂量降低和伪影
校正当中,能从不完备投影数据中重建出较高质量的图像从而解决相关问题。
(2) 针对 POCS-TVM 算法计算量大的问题,提出一种 POCS-TVM 算法的快
速实现方法,通过算法改进和硬件加速的方式实现重建过程加速,以满足实时性
I
摘要
要求。主要思想包括:标定投影数据有效区域和图像有效区域,基于标定结果优
化 CT 重建模型,剔除不必要的计算量;在 POCS 步骤中采用有序迭代的方法加
速收敛;改进 TVM 步骤避免了部分无效的全变分最小化计算;采用基于 CUDA
架构的 GPU 对整个算法进行加速。
(3) 提出一种快速有效的刚性运动伪影校正方法。首先通过投影定理将 CT
投影数据变换到频域空间,然后基于频域相似性由频域数据幅值估计出刚性旋转
运动;在此基础上,基于 HL 数据一致性(Helgason-Ludwig Consistency Condi-
tion,)从投影数据中估计出刚性平移运动参数;最后根据估计结果补偿
运动的影响,有效的抑制了运动伪影。该方法实现了刚性平移运动和旋转运动的
分离估计,从而简化了刚性复合运动估计的复杂度。
(4)提出一种在含金属物体情况下的刚性运动伪影校正方法。首先采用多
项式校正法校正射束硬化和小波阈值去噪法去除 Poisson 噪声;然后采用基于频
域相似性的旋转运动估计方法估计旋转运动参数;接着利用特征点的 Radon 变换
几何关系估计刚性平移运动;最后根据估计结果补偿运动的影响并采用线性衰减
法校正金属伪影。该方法的独到之处在于提出了一种基于特征点的 Radon 变换几
何关系估计刚性平移运动的方法,巧妙的解决了投影数据一致性被金属破坏的问
题。
本论文受到了国家自然科学基金(60771007)和中国科学技术大学研究生创
新基金的支持。
关键词: CT 重建压缩传感剂量重建加速伪影校正