數(shù)字乳腺三維斷層合成攝影重建算法研究
發(fā)布時間:2017-04-26 18:02
本文關鍵詞:數(shù)字乳腺三維斷層合成攝影重建算法研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
【摘要】:乳腺癌在全球范圍內都是威脅婦女健康的“頭號殺手”,乳腺癌的篩查和診斷一直面臨嚴峻的形勢。20世紀70年代,法國人Cros首次將X線鉬靶用于乳腺疾病的檢查,它以其良好的對比度和較高分辨率開啟了X線攝影早期檢出乳腺癌的新開端。40年來,隨著計算機科學和平板探測器技術的發(fā)展,乳腺X線攝影經(jīng)歷了膠片系統(tǒng)(Film Mammography,FM)、數(shù)字系統(tǒng)(DigitalMammography,DM)到全景數(shù)字系統(tǒng)(Full Field Digital Mammography, FFDM)等一系列改進.然而這些傳統(tǒng)的乳腺X線攝影依賴二維的投影圖像,重疊組織投照到一個二維影像,病理結構相互遮掩,漏診現(xiàn)象、重疊結構類似病灶的假陽性現(xiàn)象難以避免,因此提出一種新的層面成像方式,最大程度上消除重疊組織干擾顯得尤為重要。 1972年Grant首次提出了數(shù)字合成體層成像(Digital Tomosynthesis,DTS)的概念,它以傳統(tǒng)的體層攝影幾何原理為基礎,結合現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術,通過一次采集有限范圍內的數(shù)個不同角度的投影數(shù)據(jù),回顧性的重建物體斷層圖像。與計算機斷層成像掃描(Computed Tomography,CT)采集360度范圍內投影相比,DTS技術更適合于人體一些難以環(huán)繞全掃描的特殊部位,如關節(jié)、口腔、乳腺等的層面成像。 結合DTS成像技術以及平板探測器技術的不斷發(fā)展,數(shù)字乳腺三維斷層攝影系統(tǒng)(Digital Breast Tomosynthesis,DBT)應運而生。它與傳統(tǒng)的數(shù)字乳腺X線攝影設備相結合,利用X線球管做弧形運動,探測器一般保持靜止,采集有限角度下的低劑量投影數(shù)據(jù),回顧性的重建與探測器平面平行的乳腺任意深度層面圖像。與傳統(tǒng)乳腺X線攝影得到的二維投影圖像相比,DBT重建的斷層圖像很大程度上消除了重疊組織的干擾,使圖像的“可見度”大大提高,尤其對突出組織邊緣輪廓、檢出微小鈣化等方面頗具優(yōu)勢。 DBT重建圖像的質量很大程度上取決于重建算法,目前關于DBT的重建算法主要包括三種:基于平移-疊加(Shift-And-Add, SAA)的重建算法,基于傅立葉變換的重建算法和基于迭代的重建算法。SAA算法最早應用于DBT成像,原理簡單,重建速度快,需要配合不同的濾波函數(shù)抑制重疊組織的干擾;基于傅立葉變換的重建算法為濾波反投影(Filtered Back Projection, FBP)算法,以傅里葉層厚定理為理論基礎,優(yōu)點是重建速度快,適合臨床應用,缺點是對數(shù)據(jù)的完備性和成像幾何要求較高;基于迭代的重建算法包括統(tǒng)計迭代和代數(shù)迭代,統(tǒng)計迭代考慮到投影的統(tǒng)計特性,代數(shù)迭代求解欠定方程組,兩者都可以引入正則項對重建圖像進行再約束,進一步優(yōu)化圖像質量。 國外研究學者對DBT重建技術做出了卓有成效的探索,與國外的深入研究相比,我國對DBT的研究程度目前只停留在一些簡單的介紹,或者國外文獻翻譯階段,因此針對DBT成像技術尤其是成像算法展開一系列更深入的探索和研究意義重大。 DBT利用有限角度下的低劑量投影重建乳腺層面圖像,既提高了圖像質量,又沒有顯著增加乳腺的射線劑量,滿足了公眾對低射線劑量的要求。隨著人們自我健康意識的提高,在CT重建領域,同樣面臨著既降低輻射劑量、又能獲取高質量斷層圖像的挑戰(zhàn)。采集稀疏角度投影數(shù)據(jù)是一種有效的降低輻射劑量的方式,如何利用稀疏投影實現(xiàn)優(yōu)質CT重建目前也是各學術團隊追蹤研究的熱點。 本文在充分研讀和學習文獻的基礎上,首先介紹了DBT的硬件組成、DBT成像原理以及DBT圖像重建中基礎的SAA算法,ART (Algebra Reconstruction Technique, ART)算法和SART(Simultaneous Algebra Reconstruction Technique, SART)算法。然后實現(xiàn)了一種改進的三維數(shù)字乳腺體模,并仿真得到該體模有限角度的低劑量投影數(shù)據(jù),為后續(xù)重建實驗奠定了初步基礎。同時將已有的FBP算法及其改進算法編程實現(xiàn),驗證了FBP算法的有效性和可行性。最后針對DBT重建和稀疏角度CT重建現(xiàn)有迭代算法的不足,各自改進并實現(xiàn)了一種新的重建算法。具體內容如下: (1)實現(xiàn)了一種仿真的三維數(shù)字乳腺體模,并模擬得到該體模有限角度投影數(shù)據(jù)。由于國內尚無批準的DBT系統(tǒng)進入臨床應用,真實的投影數(shù)據(jù)難以獲取,因此本文只能基于仿真的實驗數(shù)據(jù)展開研究。但是由于乳腺不同于頭部結構,它有其自身特定的組成特點,并且在DBT成像時需要被壓迫板擠壓成均勻展開的腺體,因此Sheep-Logan體模對DBT重建并不適用。為了解決這一問題,我們仿照Sheep-Logan體模,在Reiser等人的基礎上改進了一種三維的數(shù)字乳腺體模。該體模綜合考慮了乳腺的大小,密度分布以及病癥等特點,有效的、高質量的模擬出了乳腺在DBT掃描時不可避免的胸壁組織,乳腺的主要成分脂肪組織和腺體組織,以及表征乳腺疾病特征的腫塊和微小鈣化等。對仿真的數(shù)字乳腺體模,利用前向投影算法,模擬有限角度的低劑量投影數(shù)據(jù)。前向投影算法中的幾何結構設定為DBT的成像方式,即平面探測器保持靜止,X線源繞乳腺上方某一固定支點旋轉等間隔采樣,利用X射線穿過體素的像素值疊加計算有限角度下仿真投影數(shù)據(jù)。 (2)研究了DBT成像中各類重建算法的理論基礎,并實現(xiàn)了一種基于FBP算法及其改進算法的DBT成像算法。根據(jù)傅里葉中心切片定理,某一角度下采集到的二維投影的傅里葉變換,就等于該物體三維傅里葉空間該角度下的中心截面,因此DBT成像采集到的有限角度內的投影,就對應得到待重建乳腺傅里葉空間一個雙錐形數(shù)據(jù)。由于傅里葉空間數(shù)據(jù)不完備,我們除了需要利用斜坡函數(shù)抑制徑向負相關的采樣頻率造成的星狀偽影,以及利用常用的窗函數(shù)修改重建圖像中的噪聲特性外,還需要針對傅里葉空間在縱軸方向的欠采樣特點,增加控制層厚的濾波函數(shù),通過調整傅里葉空間在縱軸方向采樣完整點與信息缺失點的權重,改善縱軸頻域跳躍性對應空域產生的干擾偽影。結合三種濾波函數(shù),我們利用仿真投影數(shù)據(jù)對FBP算法編程實現(xiàn),實驗結果表明,FBP算法能夠重建出物體的斷層圖像,而且通過對斜坡函數(shù)的改進,可以進一步改善圖像對比度。 (3)改進并實現(xiàn)了一種基于選擇性TpV正則化的DBT迭代算法。DBT代數(shù)迭代中的SART算法,以求解欠定方程組為理論基礎,對于DBT欠采樣特點,重建結果不唯一,而且在迭代過程中引起噪聲放大。引入TpV (Total p Variation, TpV)正則項進一步約束后,改善了圖像質量,但圖像邊緣往往出現(xiàn)過平滑或微小鈣化被模糊。針對已有算法存在的問題,本文提出了一種基于選擇性TpV正則化的重建算法。改進算法仍用投影理論計算值與實際測量值的誤差作為數(shù)據(jù)保真項,改用選擇性TpV作為正則項,選擇性TpV根據(jù)圖像每一像素點的梯度信息,自適應的選取正則化模型中決定平滑強弱的參數(shù)p,從而對圖像不同區(qū)域進行不同尺度的正則化,實現(xiàn)平滑區(qū)域去噪處理以及邊緣區(qū)域銳化效果。改進算法在ASD-POCS (Adaptive Steepest Descent-Projection Onto Convex Sets, ASD-POCS)算法框架下,迭代優(yōu)化由數(shù)據(jù)保真項和正則項構成的目標函數(shù),首先利用采集到的有限角投影數(shù)據(jù)經(jīng)SART算法進行初步重建,從而獲得滿足數(shù)據(jù)一致性的中間圖像,然后做非負性約束后再利用梯度下降算法對約束后的圖像進行選擇性TpV最小化,得到梯度最稀疏的優(yōu)化重建圖像。每一次迭代即包括一次SART算法和梯度下降算法,SART算法和梯度下降算法交替進行,直到滿足某一收斂準則停止迭代。本文利用仿真體模的投影數(shù)據(jù)進行重建,重建圖像驗證了改進算法的優(yōu)越性。結果表明,本文算法在去除噪聲的同時保留了圖像的邊緣特性,而且實現(xiàn)了對乳腺中微小鈣化的清晰顯像,完成了DBT的優(yōu)質重建。 (4)改進并實現(xiàn)了一種基于選擇性全變差約束的稀疏角度CT快速迭代重建算法。Sidky等人提出的基于全變差(Total Variation, TV)約束的迭代算法,由于優(yōu)質的重建效果,是稀疏角度CT重建中的經(jīng)典算法,許多研究學者在此基礎上做出了進一步改進。稀疏角度CT重建與有限角度的DBT重建同屬于非完全投影數(shù)據(jù)重建圖像的問題,鑒于選擇性TpV正則項在改善DBT有限角重建問題時的有效性,本文改進了一種基于選擇性TV約束的稀疏角度CT快速迭代重建算法。該算法改用選擇性TV正則項代替TV約束,將正則化尺度與圖像梯度相關聯(lián),根據(jù)圖像像素所在的不同梯度區(qū)域,選擇性的調整正則化模型中決定平滑強弱的參數(shù)p,從而在圖像的不同區(qū)域進行不同尺度的正則化,由此實現(xiàn)局部信息局部調整。同時為了改善原算法中ART重建收斂速度慢的問題,本文借鑒迭代閾值收斂算法中的快速收斂技術,利用前兩次迭代重建圖像的線性組合作為下次迭代的初始圖像,進一步加快收斂速度。本文利用兩組Sheep-Logan體模的欠采樣投影數(shù)據(jù)進行重建,實驗結果表明,本文算法對于稀疏角度CT重建,不僅保留了圖像的邊緣特性,而且顯著提高了迭代重建中的收斂速度,對于實際臨床應用具有重要意義。 本文在DBT成像研究和稀疏角度CT重建方面都取得了一些初步成果,但仍然需要采用真實的臨床數(shù)據(jù)對算法進行進一步的驗證。此外,針對FBP算法設計更有效的濾波函數(shù)等,都將是我們下一步的重要工作。
【關鍵詞】:數(shù)字乳腺三維斷層合成攝影 稀疏角度CT FBP算法 迭代算法 選擇性正則項 快速迭代技術
【學位授予單位】:南方醫(yī)科大學
【學位級別】:碩士
【學位授予年份】:2014
【分類號】:R737.9;R730.44
【目錄】:
- 摘要3-8
- ABSTRACT8-17
- 第一章 緒論17-21
- 1.1 引言17-18
- 1.2 本文的主要工作18-21
- 第二章 DBT成像的理論基礎和實驗準備21-27
- 2.1 DBT硬件組成21
- 2.2 DBT成像原理21-22
- 2.3 仿真乳腺體模及DBT投影數(shù)據(jù)22-27
- 第三章 DBT成像的重建算法27-44
- 3.1 基于SAA的重建算法27-32
- 3.2 基于傅里葉變換的重建算法32-42
- 3.3 基于迭代的重建算法42-44
- 第四章 基于選擇性TpV正則化的DBT重建技術44-54
- 4.1 引言44
- 4.2 基于TpV正則項約束的DBT迭代算法44-45
- 4.3 基于選擇性TpV正則項約束的DBT迭代算法45-53
- 4.4 小結53-54
- 第五章 基于選擇性全變差約束的稀疏角度CT快速迭代重建技術54-66
- 5.1 引言54-55
- 5.2 TV算法55-56
- 5.3 本文算法56-65
- 5.4 小結65-66
- 第六章 總結與展望66-68
- 6.1 工作總結66-67
- 6.2 存在問題及后續(xù)展望67-68
- 參考文獻68-73
- 攻讀碩士學位期間完成的論文及取得的成果73-74
- 致謝74-76
【參考文獻】
中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條
1 李弋;葉兆祥;;數(shù)字乳腺斷層攝影診斷乳腺癌現(xiàn)狀[J];國際醫(yī)學放射學雜志;2010年02期
2 齊宏亮;周凌宏;徐圓;洪虹;盧文婷;甄鑫;;基于雙邊濾波迭代修正的CT欠投影ART重建[J];生物醫(yī)學工程學雜志;2013年02期
3 葉兆祥;李弋;;數(shù)字乳腺斷層攝影應用現(xiàn)狀及展望[J];中國醫(yī)療器械信息;2010年10期
本文關鍵詞:數(shù)字乳腺三維斷層合成攝影重建算法研究,,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
本文編號:328940
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