低劑量X-射線CT斷層成像的噪聲抑制研究.pdf

1、隨著CT技術(shù)的快速革新以及在新的臨床應(yīng)用領(lǐng)域中的飛速發(fā)展,CT掃描中有關(guān)X-射線對(duì)患者的輻射問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。無(wú)論是CT設(shè)備制造商還是CT技術(shù)的科研工作者都為減少CT掃描過(guò)程中X-射線的輻射問(wèn)題付出了巨大的努力。其中一種最為有效且實(shí)用的獲取低劑量CT的方法是在較低的發(fā)射電流強(qiáng)度下進(jìn)行CT掃描。但是在低強(qiáng)度發(fā)射電流情況下產(chǎn)生的過(guò)量的噪聲,會(huì)使得CT投影圖像產(chǎn)生嚴(yán)重的退化。因此有效地濾除低劑量CT圖像中的噪聲,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

2、。本文主要對(duì)低劑量X-射線CT掃描中的噪聲抑制問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要工作概況如下:
　　 1.對(duì)低劑量CT投影圖像的噪聲特性進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)在投影圖像的某些區(qū)域中可能會(huì)存在一些孤立的噪聲點(diǎn)(本文稱(chēng)為“孤立點(diǎn)”),這些“孤立點(diǎn)”使得投影數(shù)據(jù)的噪聲為非平穩(wěn)非高斯噪聲,而濾除這些孤立點(diǎn)后的投影數(shù)據(jù)中的噪聲近似服從非平穩(wěn)高斯分布。并且針對(duì)“孤立點(diǎn)”噪聲的特性,提出了一種“孤立點(diǎn)”噪聲的檢測(cè)與濾波算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠有效的

3、濾除投影圖像中的“孤立點(diǎn)”噪聲,從而為后繼的非平穩(wěn)高斯噪聲的濾波奠定了基礎(chǔ)。
　　 2.針對(duì)低劑量CT投影圖像統(tǒng)計(jì)模型(包括先驗(yàn)概率模型,噪聲模型)中的參數(shù),提出了一種參數(shù)估計(jì)算法。該算法利用低劑量CT投影數(shù)據(jù)所特有的噪聲方差是數(shù)據(jù)均值的非線性函數(shù)的特點(diǎn),采用EM算法自適應(yīng)地估計(jì)先驗(yàn)圖像模型的平滑參數(shù)以及每一像素上的噪聲方差。算法中引入MCMC的Gibbs采樣技術(shù),將高維Gibbs分布的采樣轉(zhuǎn)化為對(duì)單個(gè)像素的一維高斯分布的采樣,

4、很好解決了參數(shù)估計(jì)中的計(jì)算問(wèn)題以及算法的快速收斂問(wèn)題,從而為后繼去噪算法的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 3.通過(guò)對(duì)低劑量CT投影圖像自身的灰度值分布特點(diǎn)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)投影圖像中像素灰度值越亮的區(qū)域其噪聲越強(qiáng),反之,像素灰度值越暗的區(qū)域其噪聲越弱。根據(jù)此特點(diǎn),提出了一種基于分割的低劑量CT圖像自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)去噪算法。該算法首先將投影圖像中具有相似灰度值的像素進(jìn)行聚類(lèi),從而將投影圖像分割成具有不同灰度等級(jí)的圖像塊,然后對(duì)每一分割塊賦予不同的平

5、滑系數(shù),最后采用最大后驗(yàn)概率估計(jì)(MAP)算法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)去噪。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)以及真實(shí)投影圖像的實(shí)驗(yàn)均表明了所提算法既能夠有效濾除圖像中的噪聲,同時(shí)又能夠很好的保持圖像的細(xì)節(jié)信息。
　　 4.提出了一種基于MCMC技術(shù)的低劑量CT圖像去噪算法,算法在對(duì)投影圖像統(tǒng)計(jì)模型中的參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)求解理想圖像的條件期望值并以此期望值作為理想圖像的估計(jì)值,從而達(dá)到降噪的目的。其中對(duì)圖像模型中的參數(shù)在運(yùn)用EM算法進(jìn)行估計(jì)過(guò)程中,引

6、入MCMC技術(shù)中的Gibbs采樣,很好解決了參數(shù)估計(jì)中的計(jì)算問(wèn)題,并在此基礎(chǔ)上,通過(guò)再一次運(yùn)用MCMC的Gibbs采樣,以獲得理想數(shù)據(jù)的條件期望值。通過(guò)與當(dāng)前最先進(jìn)的PWLS算法及multi-scale PWLS算法的定性及定量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析驗(yàn)證了本文所提算法的先進(jìn)性。
　　 5.針對(duì)低劑量CT投影圖像的極低信噪比特性(即,投影數(shù)據(jù)為“不完整數(shù)據(jù)”)以及投影數(shù)據(jù)所特有的空間非平穩(wěn)高斯噪聲特性,提出了一種改進(jìn)的EM去噪算法,該算法