在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法.pdf

一种在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法，包括以下步骤：通过实验确定CT机的噪声特性，获得噪声表；通过实验确定其它扫描条件对噪声的影响；平片扫描并提取生数据；根据用户的选项进行计算；计算电流；使用计算的电流进行扫描；本发明采用FROI法有效的评估了CT图像的噪声水平，为比较不同CT图像的噪声打下了基础，采用等效衰减直径法比较精确的描述了电流和图像噪声之间的关系，该方法可以保证CT机在Z轴方向图像噪声的一致性，同时能够有效的减少患者所受X线的剂量。

1、  一种在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)通过实验确定CT机的噪声特性，获得噪声表；
(2)通过实验确定其它扫描条件对噪声的影响；
(3)平片扫描并提取生数据；
(4)根据用户的选项进行计算；
(5)计算电流；
(6)使用计算的电流进行扫描。

2、  如权利要求1所述的在CT系统中保证Z轴方向图像噪声～致性的方法，其特征在于步骤1通过实验确定CT机的噪声特性是在标准扫描条件下，对同一水模采用不同电流下连续扫描，统计其图像噪声N_i和电流值I_i，并根据下式 c 2 exp ( ED ) n 2 d = const = k ]]>计算每一个电流下的电流因子K_i，然后把这些值写成如下的文件格式：
噪声值  N₁N₂N₃N₄ ..N_i...N_n
电流因子K₁K₂K₃K₄...K_i...K_n
公式中：C——球管因子系数
        n——图像噪声
        ED——等效衰减直径
        d——电流
        K——电流因子。

3、  如权利要求2所述的在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法，其特征在于所述标准扫描条件是在电压120KV，旋转速度2s，切片厚度为10mm的条件下扫描。

4、  如权利要求1所述的在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法，其特征在于步骤2通过实验确定其它扫描条件对噪声的影响，是指对于不同切片厚度、电压和旋转速度下进行的扫描，可采用噪声转换的办法，即通过扫描测试确定不同扫描条件下的噪声比例，然后将用户在不同扫描条件下设定的噪声水平换算为标准扫描条件下的噪声水平。

5、  如权利要求1所述的在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法，其特征在于步骤5计算电流是对于选定的扫描区域计算其Z轴各个位置的等效衰减直径ED，然后根据其噪声水平，计算需要的扫描电流，
d = c 2 exp ( ED ) n 2 k ]]>
其中，c取0.31。

6、  如权利要求5所述的在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法，其特征在于所述Z轴各个位置等效衰减直径的计算是根据公式：
ED = 2 × sqrt ( ES × u · · · / π ) ]]>
其中ED为等效衰减直径，
ES为等效衰减面积，
为平均衰减系数。

在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法
技术领域
本发明属于CT机技术领域，特别涉及一种在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法。
背景技术
在CT的临床应用中，由于X射线对人体健康的危害，剂量的减少成为了大家瞩目的焦点。一般情况下，减少剂量的有效方法是降低球管的电流，但是在相同条件下球管电流的下降会使得图像噪声的增加，从而降低了图像质量，这对医生的诊断带来了不利影响。
为了有效的解决这一问题，需要一种有效的途径来衡量CT系统中电流与图像噪声之间的关系，从而既能有效的减少患者所受X线的剂量，又能保证图像的质量。
发明内容
针对现有CT技术存在的问题，本发明提供一种在CT系统中保证Z轴方向图像噪声一致性的方法。
1、在CT系统中图像噪声和电流之间的关系可用下式表示：
n = C exp ( ED ) d - - - ( 1 ) ]]>
其中：
n——图像的噪声
C——系数(球管因子)
ED——等效衰减直径
d——电流
由(1)可得
c 2 exp ( ED ) n 2 d = const = k - - - ( 2 ) ]]>
称k值为电流因子，由此获得噪声和电流之间的关系。
2、等效衰减直径的确定对于同一幅CT图像而言，无论投影方向如何，由于它的几何面积是恒定的，所以各个投影方向的衰减值之和大致相当。
ES = Σ p s i u i - - - ( 3 ) ]]>
其中：
s_i——第i处的面积
u_i——第i处的衰减系数
p——整个图像区域
ES——衰减面积在CT系统中，平片扫描数据可以有效的表征等效衰减面积等效衰减面积的定义：
ES = Σ i = 0 n ( u i l i + u i + 1 l i + 1 ) × Δ / 2 - - - ( 4 ) ]]>
其中：
n——为通道数
u_i——为物体在第i个通道上的平均衰减系数
l_i——为物体在第i个通道上的路径
Δ——为相邻检测器之间的距离。通过等效衰减面积来确定图像的等效衰减直径ED

其中为平均衰减系数。
由此就可以通过平片数据确定图像达到某一噪声水平所需要的电流。对于均匀模体，公式变形为：

3、关于图像噪声的测试方法
对于一般的模体，采用FROI(Five Range of Interesting)的方法来测试和表示图像的噪声，图像的噪声为所选5个区域图像CT值的方差的平均值。5个小圆的直径大致为穿过图像中心的最长直线长度的1/10；其位置如下描述：中心小圆位于图像的中心(C)，其他4个小圆分别位于图像的正上(U)、正下(D)、正左(L)和正右(R)四个方向，小圆边缘距离图像边缘的距离为小圆的直径，其中小圆包含的范围尽可能是均匀介质部分的图像，为了保证小圆区域包含介质的均匀性，小圆的位置可以根据实际的图像有所偏移。
本发明方法包括以下步骤：
(1)通过实验确定CT机的噪声特性。
使用噪声表来描述机器的噪声特性。具体方法如下：对于不同的机器，为了更好的描述其噪声特性，需要扫描水模，通过扫描的数据确定其噪声表。
在电压120KV，旋转速度2s，切片厚度为10mm的条件下进行的扫描为标准扫描。
可以对同一水模在标准条件下采用不同电流下进行连续扫描，统计其图像噪声N_i和电流值I_i，然后利用公式(2)计算每一个电流下的电流因子K_i，然后把这些值写成如下的文件格式：
噪声值(由大到小排列)          N₁ N₂ N₃ N₄ ..N_i...N_n
电流因子K(按对应的顺序排列)   K₁ K₂ K₃ K₄...K_i...K_n
以上的文件为噪声表，它基本反映了CT机的噪声特性，同一台CT机只需要做一次这样的噪声实验。
(2)通过实验确定其它扫描条件对噪声的影响
在CT扫描建像过程中，其它扫描条件对噪声的也有一定地影响。对于不同切片厚度、电压和旋转速度下进行的扫描，采用了噪声转换的办法：即通过扫描测试确定不同扫描条件下的噪声比例，然后将用户在不同扫描条件下设定的噪声水平换算为标准扫描下的噪声水平。
C_n＝C_pC_vC_s                         (7)
其中C_p为切片厚度比例因子
    C_v为电压比例因子
    C_s为旋转速度比例因子
    C_n为噪声转换比例因子
 N_s＝N_d×C_n                        (8)
其中N_s为标准扫描下的噪声
    N_d为其它扫描条件下的噪声
可以通过水模扫描来获得这些比例因子。例如，为了计算2mm切片厚度对应的切片厚度比例因子C_p，可以让其它的扫描条件都保持不变(包括电流、电压和旋转速度)，然后使用2mm的切片厚度进行多次实验，获得它们2mm切片厚度下的图像噪声平均值，然后用10mm切片厚度下的图像噪声的平均值除以2mm切片厚度下对应的图像噪声，即可得到2mm切片厚度下的C_p。对于其它切片厚度下C_p的计算，以此类推；同理，可以得到其它扫描条件对应的噪声比例因子。
(3)平片扫描并提取生数据
对于每一个患者，在扫描建像前需要进行平片扫描，同时获取其平片扫描的数据。
(4)根据用户的选项进行计算
对于非标准扫描条件下的设定的噪声，需要可以通过步骤(2)中的方法把它转换为标准扫描条件下的噪声N′。
确定电流因子。对于设定的噪声水平N′，可以通过线性插值的方法确定其电流因子K′，通过查找噪声表，找到N_i和N_i+1：其中N_i＞N′，且在表中对于所有大于N′的噪声中，N_i最小；同理，N_i+1＜N′，且在表中对于所有小于N′的噪声中，N_i最大。

(5)计算电流
对于选定的扫描区域，利用公式(5)计算其Z轴各个位置的等效衰减直径ED，然后根据其噪声水平，计算需要的扫描电流。
d = c 2 exp ( ED ) n 2 k - - - ( 10 ) ]]>
其中，c取0.31，公式(5)中的取0.02。
实现本发明方法的操作程序如图4所示。
本方法还有这样的一个应用：即可以通过用户设定的剂量水平来估算扫描后的图像噪声。
在很多模拟实验中，可能只需要估算不同剂量下图像的噪声水平，而不需要进行扫描建像。因为公式(2)建立了噪声和电流之间的关系，所以可以将公式变形为：
n = c exp ( ED ) kd - - - ( 11 ) ]]>
通过公式(11)就能够不需要图像重建而求解不同电流下图像的噪声。
本发明采用FROI法有效的评估了CT图像的噪声水平，为比较不同CT图像的噪声打下了基础。采用等效衰减直径法比较精确的描述了电流和图像噪声之间的关系，实验表明，这种方法可以保证CT机在Z轴位置图像噪声的一致性，同时能够有效的减少患者的剂量。
以下数据可以明显对比出采用本发明方法的效果：
使用恒定电流扫描建像的效果
                         表1扫描序列

                          表2图像的噪声

表中Dose代表扫描电流，NoiseCenteral/Up/Dwon/Left/Right代表了利用FROI法测试图像噪声时，所选用的五个区域的图像噪声值；Noise Average代表图像的整体噪声。ID为图像编号，ScanIndex为扫描编号，MachineID为CT机的机器号，SliceWidth为切片厚度，Voltage为扫描电压，PolitBegin为扫描时切片位置的编号，SamplingNum为采样数，UserName为操作员的代号。
从表2看出，使用同样的电流(150ma)扫描建像获得10幅图像，它们的噪声从5.122到7.474不等，其最大值和最小值之间的差别为31.47％，Z轴方向图像噪声很不一致。
使用本方法获得的计算电流进行扫描建像后的效果
                           表3扫描序列

                           表4图像的噪声

从表4看出，使用计算的电流扫描建像获得10幅图像，用户设计的噪声值是7，实际噪声从6.838到7.258不等，其最大值和最小值之间的差别为5.78％，Z轴方向图像噪声比较一致。
从以上的数据可以看出采用本发明方法，能够有效的利用电流来控制扫描后的图像噪声。也就是说，通过这项技术，可以保证Z轴方向图像噪声的一致性，同时能够有效的减少患者的剂量。
附图说明
图1为本发明中等效衰减面积示意图：
图2为本发明平片数据；
图3为本发明用FROI方法表示图像噪声示意图；
图4为本发明软件流程图：
图5为本发明中平片扫描图。
具体实施方式
按本发明的步骤，
1)通过实验确定CT机的噪声特性。
使用7英寸的水模做实验来测试东软数字医疗设备公司的CT2800机型噪声特性，采用切片厚度10mm，旋转速度2s，电压120kv的扫描模式，电流在35MA～200MA之间每隔5MA变化，共进行了19次扫描，利用公式(2)计算各个噪声水平对应的电流因子，然后把他们写成文件的格式：
10.53        9.83          9.28...          4.96          4.9           4.85
0.00346109   0.00347513    0.00346601...    0.00287357    0.00286887    0.00285512
如上表，使用35MA电流扫描时对应的图像噪声为10.53，电流因子为0.00345109；40MA电流扫描时对应的图像噪声为9.83，电流因子为0.00347513；…；200MA电流扫描时对应的图像噪声为4.85，电流因子为0.00285512。
2)通过实验确定其它扫描条件对噪声的影响
同样使用7英寸的水模做实验来测试CT2800的噪声特性，使用150MA在不同切片厚度、电压和旋转速度下进行扫描建像，同时测试图像的噪声，计算其噪声比例因子。
3)平片扫描并提取生数据
在CT机的噪声特性确定下来之后，就可以进行正式的应用了(同一台机器，对于步骤1、2，只需要做一次实验即可)。
图5为平片扫描。在平片扫描之后，可以通过程序提取平片扫描的数据。如图5，使用CT2800在电压120KV，电流75MA，切片厚度2mm的状态下进行平片扫描，共获取了500个采样。
4)根据用户的选项进行计算
如图5，选用扫描区域(绿线框所表示的范围)，确定电压、切片厚度和旋转速度。在这里，选用电压100KV，切片厚度2mm，旋转速度4s，设定的噪声水平为15。
计算噪声比例转换因子：
通过实验获得切片厚度2mm对应的比例因子C_p＝0.340950，电压100kv对应的比例因子C_v＝0.736440，旋转速度4s对应的比例因子C_s＝1.31131，那么在这种扫描条件下对应的噪声转换因子为
C_n＝C_pC_vC_s＝0.340950*0.736440*1.31131＝0.329256
那么可以把这种扫描条件下的设定的噪声水平5转换为标准扫描下的噪声水平
N_s＝N_d×C_n＝15*0.329256＝4.93884
最后利用公式(9)计算电流因子k＝0.00287955。
对于标准模式的扫描，即切片厚度10mm，电压120KV，旋转速度2s，从表中可以看出它的各项比例因子均为1；也就是说当用户使用标准扫描条件扫描时，噪声比例转换因子为1，可以把它看成一般的情况来处理。
5)计算电流
首先，需要根据平片数据计算等效衰减直径。
利用先前获得平片数据确定用户所选区域的不同Z轴位置对应的平片数据。对于CT2800而言，检测器的通道数为688，检测器各通道间的夹角为0.001212，旋转半径为593.322021。
对于腹部，其平均衰减系数为0.02，于是可以利用公式(6)来计算等效衰减直径了，其中Δ＝593.322021*tan(0.001212)＝0.718859。
计算好等效衰减直径之后，就可以利用公式(10)来计算电流了。
使用计算的电流进行扫描
                              表5扫描条件

                               表6实际效果