基于卷积神经网络的CT图像金属伪影研究
发布时间：2021-04-09 06:40
在计算机断层扫描技术（CT）成像中,如果患者在下颌骨（本文中主要指牙齿部位）植入了金属材质的嵌入物,包括牙科填充物、矫形植入物或其他金属植入物等,由于人体内部组织的衰减系数远远低于被嵌入的金属物体,所以X射线在穿透金属材质的嵌入物后会被严重衰减。这就导致了重建后的图像与真实物体之间会存在一些差异,不仅模糊周围组织的重要诊断信息,而且使得到的CT图像中存在金属伪影。由于金属嵌入物的存在,金属伪影一直影响着CT检查的效果。因此,研究下颌骨CT图像中金属伪影的校正算法不仅具有临床意义,而且对医学的诊断分析很重要。传统的金属伪影校正方法的种类很多,但在具体临床应用中都有各自的局限性。比如基于插值的方法,大多需要图像分割,对于含有严重伪影的CT图像,很难进行图像分割;又如基于迭代的方法,计算的代价很大。近年来,在计算机视觉领域,深度学习的发展非常迅速,其中卷积神经网络被越来越广泛的使用,这也给学者们在金属伪影校正的领域带来了新的研究方向。在探讨了国内外金属伪影校正算法相关研究的基础上,为了减少CT图像中下颌骨区域的金属伪影,提出了一种基于深卷积神经网络（CNN）的伪影校正算法,主要做了以下几项工...
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：51 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
牙齿部位的金属伪影，左图中含有一处金属伪影，右图中含有两处金属伪影，均用箭头指出
南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章相关理论知识介绍6综上所述，将CT影像用于在临床医学诊断当中，不仅能够有效提高疾病诊断准确率，而且可以为疾病临床治疗提供可靠的数据依靠，在临床医学中应用具有重要的价值[27]。2.1.2CT工作原理要理解CT的工作原理，需要首先了解CT图像中的有关的名词：体素、像素和矩阵，如图2.1所示。体素：体积单位，是CT扫描成像中最小的体积单位。体素有三个要素：长×宽×高，通常长和宽都是1mm，而根据层厚不同，将高度分为10mm、5mm、3mm、2mm和1mm。像素：面积单元，也可以称为像元。像素对应于与体素，不仅是体素的大小在CT图像上的表现，还是组成CT图像的最小单元。可见像素是一个二维概念，体素是个三维概念。矩阵：是像素用二维方式进行排列的矩阵。它表示一个横成行，纵成列的数字陈列，在相同大小的采样值中，矩阵越大像素也越多，重建后图像质量越高。目前CT机器上常用的矩阵有320×320、512×512、1024×1024，矩阵越大，像素越多，成像质量越好。图2.1像素、体素和矩阵一个层面的扫描得到的信息，会经由数模转换器转换成数字信息存储于磁盘中，由计算机运算得出边长为240mm正方形，厚度为10mm的层面中，由57600个1mm×1mm×10mm的体素并排成行与列，根据图像重建算法，这些矩阵会被呈现在屏幕上。在第一章绪论中，已经简单介绍过CT技术的工作过程，可以总结为三个阶段：数据采集、图像重建和图像显示。第一阶段是数据采集阶段：扫描仪在高压情况下，发射出扇形状的X线束，对人体需要检查的部位进行多维角度的扫描。根据康普顿效应可以得知，照射到人体的X射线会发生衰减；然后经过该部位的X射线会被扫描仪中探测器接收，将光信号转化为电信号输入到计算机进行信息处理。第二阶段是图像重
南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章相关理论知识介绍7阶段是图像显示阶段，计算机将重建矩阵中的各个数值转变为不同灰度的像素点，呈现在荧光屏上。工作流程如图2.2所示。高压发生器X射线管人体某一部位探测器模数转换器图像处理显示器洗印图2.2CT工作流程在扫描过程中，当X射线穿过人体时，初始射线的强度值会衰减。根据康普顿效应和朗伯比尔定律可以得知，衰减程度取决于三个主要因素：X射线通过物体的密度、原子的组成成分以及X射线的光能能谱。那么，X射线的衰减规律可以用公式（2-1）表示[27]：-0edIIμ=，(2-1)在上述公式中，I是透过物体后X射线的强度值；0I是入射射线的强度；e是常数（2.718）；μ是线性吸收系数；d是物体的厚度。由于物质结构内部的原子组成不同，会影响物质自身的衰减系数。因此根据原子层存在的差异，会导致不同物质的X射线吸收系数也大不相同。由公式（2-1）可知，d或μ越大，I就会越小，这表明X射线的衰减越大，反之亦然。等式（2-1）的成立需要一个条件，即X射线必须通过密度均匀的物质。但在实际中，由于人体组织结构的复杂性，其内部的各种组织、骨骼以及血液等的密度都不一样，就导致物体密度均匀的这种情况基本不存在。因此，多数研究者借助微积分的理念，将宏观结构进行分割（如图2.3），得分割后的多个等分结构就可以看作是密度均匀的物质。因此，对每个等分单元建立公式，就可以计算出X射线束的强度值和其衰减系数：0I1μ2μ3μiμnμ视为均匀...nId图2.3X射线通过非均匀的物质
本文编号：3127122
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：51 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
牙齿部位的金属伪影，左图中含有一处金属伪影，右图中含有两处金属伪影，均用箭头指出
南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章相关理论知识介绍6综上所述，将CT影像用于在临床医学诊断当中，不仅能够有效提高疾病诊断准确率，而且可以为疾病临床治疗提供可靠的数据依靠，在临床医学中应用具有重要的价值[27]。2.1.2CT工作原理要理解CT的工作原理，需要首先了解CT图像中的有关的名词：体素、像素和矩阵，如图2.1所示。体素：体积单位，是CT扫描成像中最小的体积单位。体素有三个要素：长×宽×高，通常长和宽都是1mm，而根据层厚不同，将高度分为10mm、5mm、3mm、2mm和1mm。像素：面积单元，也可以称为像元。像素对应于与体素，不仅是体素的大小在CT图像上的表现，还是组成CT图像的最小单元。可见像素是一个二维概念，体素是个三维概念。矩阵：是像素用二维方式进行排列的矩阵。它表示一个横成行，纵成列的数字陈列，在相同大小的采样值中，矩阵越大像素也越多，重建后图像质量越高。目前CT机器上常用的矩阵有320×320、512×512、1024×1024，矩阵越大，像素越多，成像质量越好。图2.1像素、体素和矩阵一个层面的扫描得到的信息，会经由数模转换器转换成数字信息存储于磁盘中，由计算机运算得出边长为240mm正方形，厚度为10mm的层面中，由57600个1mm×1mm×10mm的体素并排成行与列，根据图像重建算法，这些矩阵会被呈现在屏幕上。在第一章绪论中，已经简单介绍过CT技术的工作过程，可以总结为三个阶段：数据采集、图像重建和图像显示。第一阶段是数据采集阶段：扫描仪在高压情况下，发射出扇形状的X线束，对人体需要检查的部位进行多维角度的扫描。根据康普顿效应可以得知，照射到人体的X射线会发生衰减；然后经过该部位的X射线会被扫描仪中探测器接收，将光信号转化为电信号输入到计算机进行信息处理。第二阶段是图像重
南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章相关理论知识介绍7阶段是图像显示阶段，计算机将重建矩阵中的各个数值转变为不同灰度的像素点，呈现在荧光屏上。工作流程如图2.2所示。高压发生器X射线管人体某一部位探测器模数转换器图像处理显示器洗印图2.2CT工作流程在扫描过程中，当X射线穿过人体时，初始射线的强度值会衰减。根据康普顿效应和朗伯比尔定律可以得知，衰减程度取决于三个主要因素：X射线通过物体的密度、原子的组成成分以及X射线的光能能谱。那么，X射线的衰减规律可以用公式（2-1）表示[27]：-0edIIμ=，(2-1)在上述公式中，I是透过物体后X射线的强度值；0I是入射射线的强度；e是常数（2.718）；μ是线性吸收系数；d是物体的厚度。由于物质结构内部的原子组成不同，会影响物质自身的衰减系数。因此根据原子层存在的差异，会导致不同物质的X射线吸收系数也大不相同。由公式（2-1）可知，d或μ越大，I就会越小，这表明X射线的衰减越大，反之亦然。等式（2-1）的成立需要一个条件，即X射线必须通过密度均匀的物质。但在实际中，由于人体组织结构的复杂性，其内部的各种组织、骨骼以及血液等的密度都不一样，就导致物体密度均匀的这种情况基本不存在。因此，多数研究者借助微积分的理念，将宏观结构进行分割（如图2.3），得分割后的多个等分结构就可以看作是密度均匀的物质。因此，对每个等分单元建立公式，就可以计算出X射线束的强度值和其衰减系数：0I1μ2μ3μiμnμ视为均匀...nId图2.3X射线通过非均匀的物质
本文编号：3127122
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