CMMM 计算和数学方法在医学 1748 - 6718 1748 - 670 x Hindawi出版公司 10.1155 / 2015/906452 906452年 研究文章 一些观Prereconstruction引导管电流调制策略基于正弦图的信噪比 常 明 1、2 肖 永顺 1、2 陈 志强 1、2 高 易 1 工程物理系 清华大学 北京100084年 中国 tsinghua.edu.cn 2 重点实验室的粒子和辐射成像,清华大学 教育部,北京100084 中国 tsinghua.edu.cn 2015年 18 5 2015年 2015年 23 09年 2014年 27 12 2014年 28 12 2014年 18 5 2015年 2015年 版权©2015明Chang et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

减少辐射剂量不牺牲图像质量的一个重要的问题引发了CT的注意制造商和不同的自动曝光控制(AEC)策略是采用他们的产品。在本文中,我们关注的战略管电流调制。它推导出基于正弦图的信噪比(信噪比)。该调制策略背后的主要思想是保持正弦图的信噪比大致不变的使用一些观重建作为一个很好的参考,因为它直接影响到重建的噪音水平。数值实验结果表明,与固定管电流相比,噪声分布更均匀,重建更好的信噪比和中国北车当拟议中的应用策略。而且它有可能区分低对比度的目标和减少辐射剂量。

 1。介绍

x射线CT发挥了重要作用在初级诊断成像和放射治疗自1973年推出以来。据估计,6700万年CT检查2006年在美国数量约为300万年的1980 ( 1]。提高利用率的CT,辐射剂量和相应的潜在风险与CT扫描提高持续关注病人和CT制造。根据低至合理可行的原则(和),减少辐射剂量是一个重要的问题在临床常规,方法研究和系统开发。

各种因素,包括系统扫描参数,不同的病人,和下列诊断要求,影响CT成像剂量。CT剂量指数(CTDI)的吸收剂量标准塑料的幻影,这是常用的CT剂量指标( 2, 3]。扫描模式的影响,曝光时间,管电流、管潜力,测量领域,和梁形状过滤( 2, 4- - - - - - 6]。一般成正比管电流和曝光时间。它大约是成正比的平方比例改变管的潜力。这些参数可以灵活调整根据特定的成像任务。因此这些参数的调整策略根据特定应用程序的关键是实现低CTDI在实际CT检查。

自动曝光控制(AEC)技术是自动适应当前管或管潜在根据病人的衰减达到指定的图像质量。在当前使用的商业CT系统,原子能委员会技术采用基于不同的策略( 7]。自动管潜在的选择是根据病人选择管潜力大小或形象的任务以达到所需的图像质量CTDI较低。角和纵向电流调制是根据病人调整管电流大小,形状,和衰减的变化在不同的投影视图( 4]。不同的供应商提供策略基于不同的原则( 8]。通用电气采用AutomA SmartmA理论基于噪声指数(NI)的参考图像,用于控制平均图像噪声电平( 9, 10]。可以实现临床可接受的图像在最低辐射剂量对患者使用最优倪选择和基于模型的迭代重建(MBIR)方法( 11]。飞利浦提供DoseRight技术和使用参考图像的概念。质量参考mAs和参考标准偏差由西门子和东芝选择,分别是( 7]。然而基于在线反馈调整只能用于螺旋扫描( 12)和策略的基础上,预测计算或sinusoidal-type函数可能是远从真正的情况。据我们所知,大多数当前使用的策略设计基于图像质量的准则和自适应统计迭代重建(阿西尔)或MBIR方法是必要的 11, 13]。正如我们所知,正弦图的噪声水平直接影响到CT图像质量无论如何重建方法。因此正弦图的信噪比被认为是当该方法设计。

在这项研究中,我们关注的是管电流调制策略在CT扫描。为了达到一个更好的重建图像质量,我们提出了一些观prereconstruction引导管电流调制策略。它建立了基于正弦图的噪声的分析,这直接影响到最终的图像质量。提出战略背后的主要思想是保持信噪比不同的角度的正弦图大致不变的观点使用一些观prereconstruction作为调整管的好的参考电流。剩下的纸是组织如下。在下一节中,该策略来自噪声分析介绍。特定的工作流使用该策略来提高重建图像的图像质量也提出了在这一节中。在第三部分中,数值实验和相应的定性和定量结果显示。最后,结论为这项工作。

 2。材料和方法 2.1。管电流调制策略基于正弦图的信噪比

根据Lambert-Beer法律,理想的减毒x射线光子 我 表示为 (1) 我 = 我 0 经验值 ⁡ - - - - - - p , 在哪里 我 0 最初的光子和吗 p 是集成的线性衰减系数沿射线路径。

一般来说,量子噪声和系统电子噪声存在于实际CT测量。系统电子噪声应考虑在低剂量CT ( 14]。然而,在这项工作中,只有泊松分布的量子噪声是在以下分析。与泊松统计,实际测量 我 米 提出了 (2) 我 米 = 泊松 我 ≈ 我 + 我 x 0 1 , 在哪里 x ( 0 1 ) 表示随机值,这是满意的标准正态分布。

在CT重建之前,测量转换成正弦图 p 米 的负对数操作: (3) p 米 = - - - - - - 日志 ⁡ 我 米 我 0 = p - - - - - - 日志 ⁡ 1 + 1 我 x 0 1 。

然后正弦图的噪声 Δ p 提出了如下: (4) Δ p = p 米 - - - - - - p ≈ 1 我 x 0 1 。

正弦图的信噪比的定义是中值的标准方差的比值,这应该表示为 (5) SN R p = p σ Δ p = p 我 0 经验值 ⁡ ( p / 2 ) = k 。 如果 p 是一个变量 5, SN R p 实现全球最小化通过 p = 2。0 。它可用于管潜在的调制。然而,我们只关注当前调制策略在这工作。的 p 管潜在后不再是一个变量被设置为一个特定的成像任务。与均匀分布噪声,实现重建图像 SN R p 应该是一个常数 k 或者至少不应显著改变。这可以实现通过调整初始强度 我 0 根据衰减系数 p 。基于这样的原则,可以推导出管电流调制策略 5: (6) 我 0 = k 2 经验值 ⁡ ⁡ p p 2 。 方程 6管电流调制提供了基础。固定总光子数 我 总 光子计数为每个视图的配置应根据完成的 (7) 我 0 我 = w 我 ∑ 我 w 我 我 总 , 在哪里 w 我 = 经验值 ⁡ ( p 我 ) p 我 2 。 下标 我 表示索引视图的角度。通过 7一方面,所需的初始光子的数量增加而增长的 p 我 当 p 我 大于2.0。另一方面,它还增加而减少 p 我 当 p 我 小于2.0。最少的初始需要的照片 p 我 = 2。0 。

 2.2。战略实施

然而,仍然有两个问题需要解决时,策略实现。第一个是如何确定加权因子 w 我 为每个视图 7。在实际CT扫描,不同检测器的衰减垃圾箱通常是不一样的在一个特定的视角,很难调整为每个探测器本管电流。正如上面提到的,正弦图的信噪比预计将持续大约不变。因此所需的正弦图的信噪比的差异在一定投影视图应该最小化: (8) p 我 = argmin p 我 Δ SN R 我 p 我 , 在哪里 Δ SN R 我 ( p 我 ) = ∑ j SN R 问 我 j - - - - - - SN R p 我 2 。 的 问 我 j 衰减系数通过吗 j th 探测器在本 我 th 投影视图。的 p 我 决定了 SN R p 我 在 我 th 投影视图。然后体重因素 w 我 在 7可以表示为 (9) w 我 = 米 ∑ j = 1 米 问 我 j 经验值 ⁡ ⁡ - - - - - - 问 我 j / 2 2 。 的 米 表明探测器箱子的总数。应该指出的是,体重的因素 9是一个妥协的高衰减预测和低衰减预测的信噪比。事实上,管电流过低的预测高衰减和相对较高的预测低衰减。为了抑制造成的条状工件可怜的信噪比高衰减的投影,投影 问 我 j 用来计算体重的因素 w 我 在 9应该超过一定阈值。阈值 T 我 投影视图相关,它是由中间的 问 我 j ( j = 1、2 , … , 米 ) 在相应的视图在接下来的实验。应该注意的是,这是一个经验参数和它可能不是最优的选择。但在我们的研究工作。

第二个问题是正弦图 问 我 j 管电流调制作为参考。不过是不可能实现这样一个正弦图之前完成扫描。实际CT扫描,病人的大小,形状和成分可能不同于假设,管电流调制的负面影响。在这项研究中,一个少数prereconstruction图像用于获得正弦图测定的重量因素提出策略。最近,基于压缩传感重建方法能够达到可接受的图像的重建图像质量使用少数投影数据( 15- - - - - - 18]。一些观再加权稀疏狩猎(新鲜)方法,证明有良好的性能在少数断层的情况下,被用来完成这个任务。你可以参考 17方法的详细信息)。然后向前投影操作完成了一些观prereconstruction和模拟特定调制正弦图提供了一个很好的指南计划在以下常规扫描。

提出了战略的完整的工作流程如图 1。(一)少数扫描得到正弦图 p 精准医疗 ;执行prereconstruction (B) 我 0 通过新的方法使用 p 精准医疗 ;(C1)估计完整的正弦图 问 我 j 预估的 我 0 ;(C2)计算加权因子 w 我 ,根据 9使用 问 我 j ;(D)常规扫描策略基于加权因子 w 我 的正弦图 p 2 ;(E)进行最终的重建 我 与 p 2 。

的完整工作流程提出策略。

 3所示。结果与讨论

在第一个实验中,如图 2(一个)胸腔,幽灵被用来证明该策略的可行性和有效性。在《幽灵,有武器,锁骨,肱骨,高衰减的肩胛骨。几个低对比度磁盘和线对中心的幻影。他们被用来测试的软组织分辨能力。将初始光子强度 1.0 × 1 0 5 为每个视图。模拟的几何配置参数表中列出 1。

在数值模拟的几何配置。

扫描配置参数 值
轨道半径(cm) 40.0
对象半径(厘米) 22.5
Source-to-detector距离(cm) 70.0
投影数每圈 1024年
线性阵列探测器尺寸(厘米) 76.8
探测器单元号 512年
重建图像的尺寸 512年 × 512年

胸腔幽灵和正弦图用于重量因素的决心。(一)胸腔幻影;(b)使用16-view prereconstruction预测;(c)使用prereconstruction估计正弦图 p 1 ;(d)的不同形象 | p 1 - - - - - - p 0 | ;通过插值(e)估计正弦图 p 2 ;(f)的不同形象 | p 2 - - - - - - p 0 | 。将显示窗口 ( 0 , 0.3 ] (a)和(b), ( 0 , 7 ] (c)和(e) ( 0 , 1 ] (d)和(f)。

有一个清晰的分析提出策略,中间结果提出了第一个数值模拟。首先,prereconstruction新鲜的方法是使用均匀分布16-view预测,结果显示在图 2 (b)。它是用来估计当前调制策略的正弦图以下常规扫描。结果如图 2 (c)和 2 (d),估计正弦图 p 1 使用prereconstruction形象好的参考非常接近理想的一个 p 0 。相比之下,直接插入有重大错误的结果 p 2 使用一些观预测,最终导致了不恰当的电流调制。给一个明确的说明他们的影响提出策略,体重因素决定的比较基于不同的引用是绘制在图 3(一个)。它可以发现基于prereconstruction符合理想的一个结果。更多的光子分布在投影视图衰减相对较高,略低的光子被用于其他视图的角度。它可以实现更均匀分布的正弦图的信噪比。然而基于插值的结果不匹配在一些角度将基于插值的正弦图的错误。数据 3 (b)- - - - - - 3 (d)显示正弦图的信噪比使用不同重量的倒数管电流调节因素。白色箭头表示,与其他策略相比,信噪比增强在衰减的投影视图由提出策略,相对较高的收益率更均匀分布的正弦图的信噪比。

体重因素基于不同参考管电流调制和相应的正弦图获得基于这样的策略。(一)重量系数基于不同的策略;(b) - (d)正弦图的信噪比使用常数的倒数加权因子和插值和基于prereconstruction重量因素,分别。将显示窗口 ( 0 , 7 ] (a)和 ( 0.00 , 0.035 ] (b) - (d)。

然后提出的常规扫描策略。这是与管电流扫描使用一个常数。然而,应该注意的是,每个全扫描的总光子是相同的。比较在接下来的实验都是基于这样的前提。结果在图 4表明该噪声分布在最后重建统一使用该策略比使用一个常数管电流或基于插值的方法。如图 4(一)结果表明,恒重与严重的条状工件损坏。虽然取得了一些改进图像质量在基于插值的结果图 4 (b),有一些明显的条状工件由于不完美的电流调制。相比之下,低对比度的磁盘和线对图 4 (c)可以很容易被认出来。图像质量的定量分析,信噪比和中国北车的 10 × 10 像素2感兴趣的区域(ROI)进行了计算。像素大小是0.0879厘米和ROI的尺寸是0.879 * 0.879厘米2。给出了定义 10和 11。roi都贴上 R 1 - r 4 在图 4(一)他们被用来计算信噪比。中国北车估计基于 R 2 和 R 3 。列在表 2沿横向、信噪比和中国北车已经大大提高了由于正弦图的信噪比增强,这些方向: (10) 信噪比 = μ δ , 在哪里 μ 和 δ 平均值和标准偏差的ROI。考虑 (11) 中国北车 = μ 1 - - - - - - μ 2 δ 0 , 在哪里 μ 1 和 μ 2 的意思是 R 1 和 R 2 和 δ 0 是纯图像噪声的标准差。

重建图像的信噪比和中国北车在图 4。

重建图像 图 4(一) 图 4 (b) 图 4 (c)
信噪比
R1 10.93 11.55 15.71
R2 17.26 20.01 24.63
R3 15.93 21.73 30.94
R4 23.14 28.00 27.29
中国北车
R2和R3 1.58 1.81 2.58

重建的比较使用不同的策略与胸腔幻影。使用恒流和基于插值重建策略,该策略所示(一)- (c)。并给出了相应的差分图像的幽灵(d) - (f),分别。将显示窗口 ( 0.05 , 0.20 ] (一)- (c)和 ( 0.00 , 0.05 ] (d) - (f)。

在第二个实验中,一个更复杂的牙科幻影,如图 5(一个)被用来进一步说明实际应用该策略的有效性。是做CT仿真平台由我们组( 19]。幽灵的设计是基于一个真实的CT图像使用b样条曲线近似的边缘采用不同的组成部分。在这个实验中使用的160千伏x射线光谱由蒙特卡罗方法模拟。相应的衰减系数的各种组织,包括脂肪,象牙质,大脑和搪瓷,在不同的x射线能量从网上获得的国家标准与技术研究院(NIST)。探测器的材料是CsI和应对不同的x射线能量也被认为是在我们的模拟。模拟的几何配置参数是类似于前面的设置。图 5 (b)显示了正弦图通过提出策略。这样的重量因素策略由prereconstruction决定。类似的结果在第一个实验中,初始光子强度的分布更为合理的正弦图的信噪比。与第一个实验的结果相比,重量曲线的振幅变小了,小因为正弦图的差异在不同的观点并不是他们在第一个实验中一样重要。

(一)牙幻影和(b)使用该策略获得的正弦图的加权因子根据prereconstruction绘制。设置显示窗口 ( 0.0 , 0.5 ] 和 ( 0 , 7 ] ,分别。

结果用该方法以及其他策略如图 6。图像噪声的分布在我们的结果是更加统一,特别是沿方向x射线衰减严重。箭头表示,低对比度的边缘结构很容易区分图 6 (c)虽然它是噪音和工件的损坏数据 6(一)和 6 (b)。信噪比和中国北车也在这个实验定量分析计算。roi标记图 5(一个)。表中列出的结果 3、信噪比和中国北车增加约10%。图像质量的改进能够区分小低对比度异常组织成像相同的剂量。另一方面,它有可能减少相同的图像质量下的辐射剂量。

重建图像的信噪比和中国北车在图 6。

重建图像 图 6(一) 图 6 (b) 图 6 (c)
信噪比
R1 6.54 7.28 8.59
R2 6.34 6.00 7.11
R3 12.62 10.88 13.43
R4 13.18 14.29 14.41
中国北车
R5和R6 1.01 1.02 1.12

重建的比较使用不同的策略与牙科幻影。使用恒流和基于插值重建战略和拟议的战略是(一)——(c)所示。提出了相应的差分图像的幽灵(d) - (f),分别。将显示窗口 ( 0.1 , 0.5 ] (一)- (c)和 ( 0.00 , 0.15 ] (d) - (f)。

 4所示。结论

作为结论,少数prereconstruction基础管电流调制策略提出了这项工作。这是来自正弦图的信噪比分析领域。战略背后的主要思想是使一个更均匀分布的正弦图增强CT图像质量。的策略,具体配置x射线光子的各种投影视图是由提供的参考正弦图prereconstruction新鲜的方法。实验证明了其可行性和有效性的结果。信噪比和最终重建的CNR使用该方法提高了10%以上。一般来说,降低了成像结果在高剂量CT图像的噪声水平。但可以减少噪音如果提出的策略是采用。因此提出的策略有可能达到相同的CT图像,同时降低噪音水平整体辐射剂量的病人。我们将把它应用到实际CT系统,使更多的实验定量分析的未来。

 利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 承认

这项工作在一定程度上支持的资助从交通运输建设科技项目2013 328 49 a090。

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