基于双能谱的X射线CT图像增强方法.pdf

1、10申请公布号CN104156917A43申请公布日20141119CN104156917A21申请号201410375079622申请日20140730G06T5/00200601A61B6/0320060171申请人天津大学地址300072天津市南开区卫津路92号72发明人邹晶胡晓东须颖陈津平胡小唐74专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人刘国威54发明名称基于双能谱的X射线CT图像增强方法57摘要本发明涉及CT技术领域，为实现两幅图像进行图像融合增强，弥补单幅图像的缺陷。为此，本发明采取的技术方案是，基于双能谱的X射线CT图像增强方法，包括如下步骤扫描获取多组暗场图

2、像，并计算所述暗场的平均值；将样品移出视场，分别获取高、低电压下的N组亮场图像；计算高、低电压下的投影图像；基于灰度统一的原则，将高电压、低电压下的投影数据统一到一个尺度；对N组同一位置处校准后的高、低能投影图像进行小波分解，并通过小波变换的方法进行图像融合；利用融合后的投影图像进行CT重建。本发明主要应用于CT设备设计和制造。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页10申请公布号CN104156917ACN104156917A1/2页21一种基于双能谱的X射线CT图像增强方法，其特征是，包括如下步骤扫描获取

3、多组暗场图像，并计算所述暗场的平均值；将扫描对象置于检测台上，设置扫描条件和最大扫描角度数；在同一位置处，分别在不同电压参数下，即高、低电压下各采集一组透视图像；将转台旋转预设的角度，继续重复上一步骤过程，直至次数达到最大扫描次数；将样品移出视场，分别获取高、低电压下的N组亮场图像，并计算所述高、低电压下的亮场平均值；对高、低电压下的亮场数据进行失效像素标记；对高电压下获取的透视图像和高电压下的亮场图像中的无效像素进行标记，并利用插值方法对无效像素进行修正；对低电压下获取的透视图像和低电压下的亮场图像中的无效像素进行标记，并利用插值方法对无效像素进行修正；计算高、低电压下的投影图像；基于灰度统

4、一的原则，将高电压、低电压下的投影数据统一到一个尺度；对N组同一位置处校准后的高、低能投影图像进行小波分解，并通过小波变换的方法进行图像融合；利用融合后的投影图像进行CT重建。2如权利要求1所述的基于双能谱的X射线CT图像增强方法，其特征是，分别在不同电压参数下各采集一组透视图像，两次电压参数分别为100KV和40KV。3如权利要求1所述的基于双能谱的X射线CT图像增强方法，其特征是，对暗场情况下超界像素的识别，通过暗场图像的平均值和方差确定坏像素，如果暗场图像对应的像素与暗场图像均值的方差在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；亮场情况下超界像素的识别通过亮场图像的平均值和方差确定坏像素

5、，对于同一个像素位置，计算像素的N次扫描的标准差，如果第I，I1,N次扫描获取的亮场图像与平均亮场图像的差值在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；随流强变化输出响应不一致的像素的识别，扫描获取不同电流下的N组亮场数据，拟合出每个像素随流强变化的斜率，计算出评价斜率及标准差，若某个像素的斜率与标准差的差值在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素。4如权利要求1所述的基于双能谱的X射线CT图像增强方法，其特征是，基于灰度统一的原则，将高电压、低电压下的投影数据统一到一个尺度，具体步骤如下计算缩放比例，缩放比例等于高能下所有投影之和与低能下所有投影之和的比值；对高能投影数据进行处理，将其与缩

6、放比例相除，这样高、低电压下的投影图像的灰度范围在一个尺度上。5如权利要求1所述的基于双能谱的X射线CT图像增强方法，其特征是，对N组同一位置处校准后的高、低能图像通过小波变换的方法进行图像融合，具体步骤包括对同一位置处高、低电压下获取的两幅投影图像进行M层小波分解，分别得到其高频子带和低频子带；确定高频融合规则，对高频分量采取加权法融合。首先对同一级同一方向上的高频系数进行分块，选取分块大小为WW，其中W为分块矩阵元素的数目，计算两幅图像高频信息权利要求书CN104156917A2/2页3对应块的平均梯度，根据平均梯度的比值确定各方向高频系数的融合权重；确定低频融合规则，对低频分量采取显著值

7、相关的加权法融合，首先确定显著值S，令SHCM2VCM2DCM2其中H,V,D分别为第M级分解的高频水平、垂直和对角线方向系数，CM为第M级分解的低频系数，表示卷积；对高、低电压下的图像都进行显著值计算之后，根据显著值的比值确定低频系数的融合权重；融合图像的高频子带；融合图像的低频子带；将融合完的高频子带和低频子带，通过小波逆变换，进行图像重构，得到融合后的图像；利用信息熵的方法对融合后的图像进行评估，如果满足条件即停止；如果不满足条件则调整分解级数、融合权重，重新进行，直至满足条件。权利要求书CN104156917A1/5页4基于双能谱的X射线CT图像增强方法技术领域0001本发明涉及CT技

8、术领域，特别是一种基于双能谱的X射线CT图像增强方法。技术背景0002由于X射线CT的检测对象十分复杂，以及成像过程中受射线能量、散射、噪声等多种因素的影响，图像质量存在差异且会有不同程度的下降。尤其是在扫描对象中不同方向尺度差异过大或者物质的吸收强弱差异过大时，CT成像质量严重下降，通常表现是只能重建出部分图像，而部分图像被隐藏在背景之中无法识别，即单一能谱下重建的CT图像出现图像降质和细节丢失的现象。0003对CT图像进行增强是CT成像研究的一个热点领域。但多局限于对于单一能量下CT图像的增强。发明内容0004为了克服现有技术的不足，实现两幅图像进行图像融合增强，弥补单幅图像的缺陷。为此，

9、本发明采取的技术方案是，基于双能谱的X射线CT图像增强方法，包括如下步骤0005扫描获取多组暗场图像，并计算所述暗场的平均值；0006将扫描对象置于检测台上，设置扫描条件和最大扫描角度数；0007在同一位置处，分别在不同电压参数下，即高、低电压下各采集一组透视图像；0008将转台旋转预设的角度，继续重复上一步骤过程，直至次数达到最大扫描次数；0009将样品移出视场，分别获取高、低电压下的N组亮场图像，并计算所述高、低电压下的亮场平均值；0010对高、低电压下的亮场数据进行失效像素标记；0011对高电压下获取的透视图像和高电压下的亮场图像中的无效像素进行标记，并利用插值方法对无效像素进行修正；0

10、012对低电压下获取的透视图像和低电压下的亮场图像中的无效像素进行标记，并利用插值方法对无效像素进行修正；0013计算高、低电压下的投影图像；0014基于灰度统一的原则，将高电压、低电压下的投影数据统一到一个尺度；0015对N组同一位置处校准后的高、低能投影图像进行小波分解，并通过小波变换的方法进行图像融合；0016利用融合后的投影图像进行CT重建。0017分别在不同电压参数下各采集一组透视图像，两次电压参数分别为100KV和40KV。0018对暗场情况下超界像素的识别，通过暗场图像的平均值和方差确定坏像素，如果暗场图像对应的像素与暗场图像均值的方差在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像说明

11、书CN104156917A2/5页5素；0019亮场情况下超界像素的识别通过亮场图像的平均值和方差确定坏像素，对于同一个像素位置，计算像素的N次扫描的标准差，如果第I，I1,N次扫描获取的亮场图像与平均亮场图像的差值在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；0020随流强变化输出响应不一致的像素的识别，扫描获取不同电流下的N组亮场数据，拟合出每个像素随流强变化的斜率，计算出评价斜率及标准差，若某个像素的斜率与标准差的差值在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素。0021基于灰度统一的原则，将高电压、低电压下的投影数据统一到一个尺度，具体步骤如下0022计算缩放比例，缩放比例等于高能下所有投

12、影之和与低能下所有投影之和的比值；0023对高能投影数据进行处理，将其与缩放比例相除，这样高、低电压下的投影图像的灰度范围在一个尺度上。0024对N组同一位置处校准后的高、低能图像通过小波变换的方法进行图像融合，具体步骤包括0025对同一位置处高、低电压下获取的两幅投影图像进行M层小波分解，分别得到其高频子带和低频子带；0026确定高频融合规则，对高频分量采取加权法融合。首先对同一级同一方向上的高频系数进行分块，选取分块大小为WW，其中W为分块矩阵元素的数目，计算两幅图像高频信息对应块的平均梯度，根据平均梯度的比值确定各方向高频系数的融合权重；0027确定低频融合规则，对低频分量采取显著值相关

13、的加权法融合，首先确定显著值S，令SHCM2VCM2DCM2其中H,V,D分别为第M级分解的高频水平、垂直和对角线方向系数，CM为第M级分解的低频系数，表示卷积；对高、低电压下的图像都进行显著值计算之后，根据显著值的比值确定低频系数的融合权重；0028融合图像的高频子带；0029融合图像的低频子带；0030将融合完的高频子带和低频子带，通过小波逆变换，进行图像重构，得到融合后的图像；0031利用信息熵的方法对融合后的图像进行评估，如果满足条件即停止；如果不满足条件则调整分解级数、融合权重，重新进行，直至满足条件。0032与已有技术相比，本发明的技术特点与效果0033由于物质的衰减系数是与能量相

14、关的，因此本发明通过改变X射线源的能量谱能够获得材料特有的衰减变化。对于双能谱情况下两幅图像进行图像融合增强，能够弥补单幅图像的缺陷，具有重要意义。附图说明0034图1为对一个实施例进行图像增强的整体流程图；0035图2为一个实施例的对高、低能量下获取的图像进行融合的流程图。说明书CN104156917A3/5页6具体实施方式0036本发明的目的在于提供一种基于双能谱的X射线CT图像增强方法。该方法包括如下步骤0037扫描获取多组暗场图像，并计算所述暗场的平均值；0038将扫描对象置于检测台上，设置扫描条件和最大扫描角度数；0039在同一位置处，分别在不同电压参数下，即高、低电压下各采集一组透

15、视图像；0040将转台旋转预设的角度，继续重复上一步骤过程，直至次数达到最大扫描次数；0041将样品移出视场，分别获取高、低电压下的N组亮场图像，并计算所述高、低电压下的亮场平均值；0042对高、低电压下的亮场数据进行失效像素标记；0043对高电压下获取的透视图像和高电压下的亮场图像中的无效像素进行标记，并利用插值方法对无效像素进行修正；0044对低电压下获取的透视图像和低电压下的亮场图像中的无效像素进行标记，并利用插值方法对无效像素进行修正；0045计算高、低电压下的投影图像；0046基于灰度统一的原则，将高电压、低电压下的投影数据统一到一个尺度；0047对N组同一位置处校准后的高、低能投影

16、图像进行小波分解，并通过小波变换的方法进行图像融合；0048利用融合后的投影图像进行CT重建；0049在一个实施例中，分别在不同电压参数下各采集一组透视图像，两次电压参数分别为100KV和40KV；0050在一个实施例中，扫描获取多组暗场图像，并计算所述暗场的平均值扫描获取高、低能下的N组亮场图像，并计算所述亮场的平均值，其中为高能情况下亮场的评价值，H代表高能情况，为低能情况下亮场的评价值，L代表低能情况；0051在一个实施例中，对暗场情况下超界像素的识别，通过暗场图像的平均值和方差确定坏像素，如果暗场图像对应的像素与暗场图像均值的方差在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；0052亮场

17、情况下超界像素的识别。通过亮场图像的平均值和方差确定坏像素，对于同一个像素位置，计算像素的N次扫描的标准差，如果第II1,N次扫描获取的亮场图像与平均亮场图像的差值在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；0053随流强变化输出响应不一致的像素的识别。扫描获取不同电流下的N组亮场数据，拟合出每个像素随流强变化的斜率，计算出评价斜率及标准差，若某个像素的斜率与标准差的插值在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；0054在一个实施例中，基于灰度统一的原则，将高能、低能下的投影数据统一到一个尺度，具体步骤如下0055计算缩放比例，缩放比例等于高能下所有投影之和与低能下所有投影之和的比值；005

18、6对高能投影数据进行处理，将其与缩放比例相除，这样高、低电压下的投影图像的说明书CN104156917A4/5页7灰度范围基本在一个尺度上。0057在一个实施例中，对N组同一位置处校准后的高、低能图像通过小波变换的方法进行图像融合，具体步骤包括0058对同一位置处高、低电压下获取的两幅投影图像进行M层小波分解，分别得到其高频子带和低频子带；0059确定高频融合规则，对高频分量采取加权法融合。首先对同一级同一方向上的高频系数进行分块，选取分块大小为WW，计算两幅图像高频信息对应块的平均梯度，根据平均梯度的比值确定各方向高频系数的融合权重；0060确定低频融合规则，对低频分量采取显著值相关的加权法

19、融合。首先确定显著值S，令SHCM2VCM2DCM2其中H,V,D分别为第M级分解的高频水平、垂直和对角线方向系数，CM为第M级分解的低频系数，表示卷积。对高、低电压下的图像都进行显著值计算之后，根据显著值的比值确定低频系数的融合权重；0061融合图像的高频子带；0062融合图像的低频子带；0063将融合完的高频子带和低频子带，通过小波逆变换，进行图像重构，得到融合后的图像；0064利用信息熵的方法对融合后的图像进行评估，如果满足条件即停止；如果不满足条件则调整分解级数、融合权重，重新进行，直至满足条件。0065为了对X射线CT图像进行增强，本实施方式提供了一种基于双能谱的X射线CT图像增强方

20、法，下面结合实例对该方法进行具体描述。0066请参考图1，本实施方式的具体步骤如下0067关闭射线源，启动探测器，采集N幅暗场图像，求其平均图像记为0068将扫描对象置于检测台上，设置扫描条件和最大扫描角度数N；0069在同一位置处，分别在不同电压参数下各采集一组透视图像，分别记其中K标记不同位置的计数，H代表高能情况，L代表低能情况；0070将转台旋转预设的角度，继续重复上述过程，直至次数达到最大扫描次数N；0071将样品移出视场，分别获取高能、低能下的多组亮场图像，记其平均图像分别为0072对无效像素进行标记，这里的无效像素包括两部分一部分是超界像素，另一部分不稳定像素。0073对暗场情况

21、下超界像素的识别，通过暗场图像的平均值和方差确定坏像素，如果暗场图像对应的像素与暗场图像均值的方差在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；0074通过亮场图像的平均值和方差确定坏像素，对于同一个像素位置，计算像素的N次扫描的标准差，如果第II1,N次扫描获取的亮场图像与平均亮场图像的差值在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；0075随流强变化输出相应不一致的像素的识别。扫描获取不同电流下的N组亮场数据，拟合出每个像素随流强变化的斜率，计算出评价斜率及标准差，若某个像素的斜率与标说明书CN104156917A5/5页8准差的插值在3倍标准差范围之外，则将其标记为无效像素；0076根据前

22、面的坏像素标记，对高、低电压下获取的透视图像的坏像素进行校正。建立基于坏像素模板的坏像素插值方案，如坏像素为单个的孤立点，则通过其33邻域进行插值填补；如果坏像素为非孤立点，且其周围33邻域中坏像素数目大于4，则采用由外而内的插值填补；如果坏像素为非孤立点，且其周围33邻域中坏像素数目小于4，则用周围33邻域中好像素按距离加权平均插值填补。0077计算投影图像，其中为N幅暗场图像的平均图像，分别为高能、低能下亮场的平均，分别在高、低能量下采集的透视图像。0078基于灰度统一的原则，将高低能下的投影图像的灰度统一到同一尺度范围；0079计算缩放比例，记为SCALE，0080令这样高、低能下的灰度

23、范围基本在一个尺度上；0081对同一位置处N组校准后的高、低能投影图像进行小波分解，并通过通过小波变换的方法进行图像融合；0082在一个实施例中，对同一位置处N组校准后的高、低能图像通过小波变换的方法进行图像融合，具体步骤包括0083对高、低能下获取的两幅投影图像进行M层小波分解，分别得到其高频子带和低频子带；0084确定高频融合规则，对高频分量采取加权法融合。首先，对同一级同一方向上的高频系数进行分块，选取分块大小为WW，计算两幅图像高频信息对应块的平均梯度，根据平均梯度的比值确定各方向高频系数的融合权重；0085确定低频融合规则，对低频分量采取显著值相关的加权法融合。首先确定显著值S，令S

24、HCM2VCM2DCM2其中H,V,D分别为第M级分解的高频水平、垂直和对角线方向系数，CM为第M级分解的低频系数，表示卷积。对高、低能图像都进行显著值计算之后，根据显著值的比值确定低频系数的融合权重；0086融合图像的高频子带；0087融合图像的低频子带；0088将融合完的高频子带和低频子带，通过小波逆变换，进行图像重构，得到融合后的图像；0089利用信息墒的方法对融合后的图像的感兴趣区域进行评估，如果满足条件即停止；如果不满足条件则重新调整高频及低频的融合系数，以及分解级数，重新进行0090采用融合增强后的图像进行图像重建。说明书CN104156917A1/2页9图1说明书附图CN104156917A2/2页10图2说明书附图CN104156917A10