低剂量CT重建中的双边滤波权值优化新方法.docVIP

第 17 卷 第 2 期 2012 年 4 月 电路与系统学报 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS Vol.17 No.2 April，2012 文章编号：1007-0249 (2012) 02-0095-05 低剂量 CT 重建中的双边滤波权值优化新方法* 黄静#， 李凯旋， 马建华， 田玲玲， 张华， 路利军， 陈武凡 （南方医科大学 生物医学工程学院医学信息研究所，广东 广州 510515） 摘要：为了提升低剂量 CT 重建图像质量，本文提出了一种基于投影数据恢复导引的双边滤波权值优化方法。新 方法有效地将 CT 投影数据恢复和图像数据恢复的两种低剂量成像策略进行结合，实现优质的低剂量 CT 重建。具体 而言，本文中投影数据恢复采用三维块匹配滤波进行，图像数据恢复采用双边滤波进行，其中双边滤波权值进行优化 设计。在双边滤波权值设计中，首先利用投影数据的三维块匹配滤波数据获得 FBP 重建图像，然后利用该 FBP 图像 引导双边滤波权值的优化设计。最终的重建图像则经基于优化权值的双边滤波来恢复直接的低剂量 FBP 重建图像来完 成。仿真和临床实验表明，本文方法在噪声消除，伪影抑制和细节保持方面均有良好效果。 关键词：低剂量 CT；投影数据恢复；图像数据恢复；BM3D 滤波；双边滤波 中图分类号：TP391 文献标识码：A 1 前言 临床 CT 检查中的高剂量 X 射线照射会诱发癌症，白血病或其他遗传性疾病[1]。随着放射学的发 展以及公众自我健康意识的提高，期待 CT 检查在不影响诊断质量的前提下，尽可能减少放射剂量。 由于低剂量 CT 扫描时（low-mAs）受量子噪声的影响，图像重建用投影数据严重退化，表现为 CT 图 像中的大量噪声和伪影，难以应用于诊断。 当前已有诸多降低 CT 剂量的方法，除优良硬件技术外，基于软件的低剂量 CT 重建技术得到了 国内外学者的广泛研究，主要包括：基于投影数据处理的重建方法和基于图像数据处理的重建方法。 具体而言，基于投影数据处理的重建方法，多分为两步进行，即投影数据的恢复和滤波反投影重建， 其优点是重建速度快，适应于实时的临床应用，缺点是重建图像分辨率有所下降[2~ 7]。基于图像域数 据处理的重建方法，又分为两类，即由探测数据直接统计迭代重建和对解析重建图像直接滤波：前者 的优点是可引入数据的统计特征，实现优质的低剂量重建，缺点是重建时间花费极高，难以用于海量 数据的实时重建[8]；后者的优点是可以实现中等剂量的优质恢复且具有实时处理之特点，缺点是因其 没有考虑噪声的来源，图像中噪声和伪影特性复杂，对低剂量图像的处理不再适用[9~16]。 本文将结合投影数据和图像数据低剂量 CT 重建方法的特点，通过对低剂量投影数据恢复的滤波 反投影（Filtered Back-projection，FBP）重建图像来引导双边滤波（Bilateral Filter，BF）权值的计算， 继而，基于该权值来实现低剂量投影数据直接 FBP 重建图像的双边滤波恢复。仿真和临床 CT 数据的 重建实验表明，本文方法可以实现重建图像中噪声和伪影的抑制且图像高分辨率的保持。 2 模型与方法 2.1 CT 测量模型 不失一般性，在 X 射线单能的假设下，设 bi 为空扫描时探测器获取的平均光子数， N 为总的探测 数据个数， gi 为射线穿过待成像物体后的光子个数， mi 为背景噪声，对于任意的成像几何，CT 测量 数据服从独立的 Poisson 分布，即： * 收稿日期：2011-10-08 修订日期：2011-10-25 基金项目：国家自然科学基金项目）；国家科技支撑计划项目（2011BAI12B03 ）；广东省科技计划项目 （2011A030300005）；国家 973 项目（2010CB732503 ） # 通信作者：黄静，e -mail:  HYPERLINK mailto:hjing@ hjing@fi  （1） （2） （3） gi ? Poisson{gi } gi ? bi exp(? pi ) ? mi p ? Af 其中， f ? [ f , f ,..., f ]T 表示衰减系数， A ? {a } 表示系统矩阵， a 为穿过像素 j 的 X 射线被第 i 个探 ij ij 1 2 M 测器探测到的概率。实验中 bi 和 mi 已知，CT 重建即为从一系列测得的投影数据 gi 估计衰减系数分布 图像 f [17]。 2.2 双边滤波 双边滤波（Bilateral Filtering，BF）是由 Tomasi 和 Manduchi 于 1998 年提出[18]，其通过处理相邻 域内