能谱CT成像关键参数检测技术研究

发布时间：2017-05-01 09:04

  本文关键词：能谱CT成像关键参数检测技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：计算机断层成像(computed tomography),简称CT,已成为医学影像诊断重要手段之一。CT经过多年来的不断改进和发展,在扫描速度、诊断精度、确诊范围等方面都取得了很大的进步。然而,CT成像所存在的成像参数单一、缺乏功能成像、射线硬化伪影等问题一直是放射界试图解决的问题,而能谱CT诞生和在临床上的应用正是解决这些问题的关键手段之一。能谱CT是指利用物质在不同的X射线能量下产生不同的吸收以提供比常规CT更多的影像信息。能谱CT采用两个或者两个以上能量的X射线扫描物质,不同能量条件下组织对X线的吸收值也呈现相关变化,这种变化是可量化和鉴别的,从而得到更多被测物质的信息。能谱CT检测技术还处于不断地研究探索阶段,与能谱CT成像技术发展与普及相比,相对滞后。为了研究能谱CT成像关键参数的检测技术,建立完善的噪声评价体系、优化基物质图像质量,本文完成如下研究工作：(1)本文根据宝石能谱CT的临床应用特点设计了一种原型体模及相关测试方法,并进行了实验验证。设计并自制碘溶液测试体模,该测试体模以瓶装纯净水和碘浓度为300 mg/mL的造影剂碘帕醇为实验材料。在编号为0-8的纯净水中,用医用注射器分别注入0,1,2,3,…8mL造影剂,并保持溶液总量在600 mL,制作成9瓶浓度分别为0,5.0,10.0,15.0,…40.0(100,μg/mL)的碘溶液,将其用胶带捆绑固定即制作出实验所需的碘溶液测试体模。将该体模置于GE Discovery CT750 HD扫描仪上,采用常规头部条件对该体模分别进行轴向扫描和宝石能谱成像(gemstone spectral imaging, GSI)扫描。在GE AW4.6图像后处理工作站上进行图像处理和分析。在70keV的单能量图像中,选取各溶液瓶中心一定直径的感兴趣区域,分别测量其CT值与标准差；采用GSI分析模块软件分别获取有效原子序数直方图、基物质散点图和能谱曲线图。实验结果显示：a.GSI扫描的剂量指数CTDIvol为38.42mCy,低于轴向扫描的辐射剂量55.90mGy；b.在70keV单能图像中,以第0、4和8号瓶为例,CT值分别为-0.36、49.91和109.91,8号瓶的CT值约为4号瓶的2倍；c.第0、4和8号瓶的有效原子序数直方图的波峰分别为7.7、9.0和10.0,其中水的有效原子序数接近真实值7.4；d.散点图显示,溶液水含量都在995～1000mg/cm3范围,差别不明显,碘含量分别约为1、21和44(100μg/cm3),接近标称值；e.能谱曲线显示,第0、2、4、6和8号瓶相邻间接近等间距分布,且能量越低CT值差别越大。实验结果：结合有效原子序数序数、能谱曲线及水和碘基物质浓度三个参数分析,GSI能够区分不同碘浓度溶液甚至定量计算溶液的碘浓度,结果表明：这种碘溶液测试体模检验GSI定量分析能力是可行的。(2)本文设计并探讨研究基于噪声功率谱(noise power spectrum, NPS)的CT图像噪声评价方法,并设计了以下实验。将Catphan500体模中CTP486模块置于Somatom Sensation64扫描仪上,通过改变层厚、管电流(曝光时间不变)和重建算法三个参数获取不同条件下的实验数据。具体参数为：层厚：3、5、10mm;管电流：80、133mA;重建算法：H30s(中度平滑),H60s(中度锐利),U90s(极度锐利)。根据后期数据处理的需要,在同一扫描条件下扫描体模2次,获得相同条件下的两组数据。使用编程软件MATLAB完成上述NPS编程处理,同步采用SD方法进行测量,并与NPS测量结果进行对比。实验结果显示：a.NPS曲线幅值与层厚成反比。层厚为3mm时,NPS曲线幅值最高；层厚为10mm时,曲线幅值最低。NPS曲线峰值频率几乎不随层厚的改变而发生移动；b.NPS曲线幅值与重建算法的增强程度成正比。H30s重建算法最平滑,NPS曲线幅值最低；U90s重建算法极度增强,曲线幅值最高。NPS曲线峰值频率随着重建算法增强程度的加深,而向高频移动。H30s算法下的NPS曲线峰值频率最低,U90s算法下的NPS曲线峰值频率最高；c.NPS曲线幅值与剂量成反比。曝光时间固定的情况下,80 mA下的NPS曲线幅值高于133 mA曲线幅值,曲线峰值频率几乎不随剂量的改变而发生移动。实验结果表明：NPS曲线幅值与SD值测试结果也基本保持一致,均能反应噪声变化。层厚、剂量和重建算法对噪声的影响能够在NPS曲线上得到明显的体现；NPS曲线幅值反映噪声的平稳性,即噪声大小,而频率变化反映噪声结构的改变；(3)本文分别采用三种物质分解方法通过MATLAB编程获得基物质图像。三种方法分别为：基于联合双边滤波器(joint bilateral filter, JBF)的低剂量图像恢复物质分解,基于先前正常剂量扫描引导的非局部平均(previous normal dose scan-induced non-local means,ndiNLM)低剂量图像恢复物质分解和图像域的迭代物质分解。将NPS与SD评价方法相结合应用于基物质图像的噪声评价,以从不同角度了解三种算法获得的图像噪声变化和不同方法的物质分解特点。评价结果显示：a.不同物质分解方法得到的基物质图像的NPS曲线幅值均高于分解前图像的NPS曲线幅值；b.基于两种低剂量恢复方法的物质分解得到的基物质图像NPS曲线幅值明显低于不经恢复直接矩阵逆变换得到的基物质图像的NPS曲线幅值,且曲线峰值频率较之均向低频移动；c.基于先前正常剂量扫描引导的非局部平均低剂量图像恢复分解得到的基物质图像与基于联合双边滤波器恢复分解得到的基物质图像相比,NPS曲线幅值较低,峰值频率较小；d.图像域迭代物质分解方法得到的基物质图像的NPS曲线幅值最低,曲线峰值频率介于两种基于图像恢复物质分解方法得到的基物质图像之间。实验结果表明：三种不同物质分解方法得到的基物质图像的去噪效果不同,对图像频率信息的影响也不同,图像域迭代物质分解方法得到的基物质图像质量最好,实验也显示物质分解本身会引起图像噪声的变化。本文的创新点主要体现在以下几方面：1)根据宝石能谱成像的成像参数与临床应用特点设计了一种碘溶液测试体模及其检测方法,通过实验验证该体模检测宝石能谱成像定量分析能力的可行性；2)设计并研究基于噪声功率谱的CT图像噪声评价方法,并通过实验验证该方法的有效性及其评价特点；3)实现三种不同方法下的物质分解,并将噪声功率谱评价方法应用于不同方法下获得的基物质图像,以从不同角度了解三种方法获得的图像噪声变化以及不同方法的物质分解特点。本文详细介绍了能谱CT的成像技术与临床应用,并采用实例对其成像关键参数进行分析。设计了一种碘溶液测试体模以及测试方法,实验验证该体模检测宝石能谱成像定量分析能力的可行性；在此基础上,本文基于不改变传统CT扫描方式和低剂量成像的原则,对基物质图像这一关键参数进行深入分析,实现三种不同的物质分解方法以达到图像域的低剂量扫描获得高质量基物质图像的目的。设计并研究噪声功率谱的CT图像噪声评价方法,并与传统噪声测量评价方法相结合应用于三种不同方法下获得的基物质图像的噪声评价,以从不同角度了解三种方法获得的图像噪声变化和不同方法的物质分解特点。该研究对于推动能谱CT检测技术的发展、建立完善的噪声评价体系、优化基物质图像质量和提高临床诊断精度具有重要意义。
【关键词】：能谱 CT 多参数成像 体模 噪声评价 噪声功率谱 标准偏差 物质分解基物质图像
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R814.42;TP391.41
【目录】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 传统CT发展及局限性16-18
• 1.2 能谱CT的基本原理18-23
• 1.3 能谱CT检测技术研究现状与发展趋势23-25
• 1.4 本文主要研究工作与论文结构25-26
• 第二章 能谱CT成像关键参数分析26-35
• 2.1 基物质图像26-27
• 2.2 单能量图像27-29
• 2.3 能谱曲线29-30
• 2.4 有效原子序数30-31
• 2.5 伪影指数31-34
• 2.6 剂量与噪声34-35
• 第三章 宝石能谱CT定量分析能力的测试方法初探35-41
• 3.1 测试原理35
• 3.2 测试工具和方法35-37
• 3.3 结果与讨论37-41
• 第四章 基于图像域的物质分解41-52
• 4.1 基于联合双边滤波器的低剂量图像恢复物质分解41-45
• 4.2 基于先前正常剂量扫描引导的非局部平均低剂量图像恢复物质分解45-48
• 4.3 基于图像域的迭代物质分解48-52
• 第五章 基于噪声功率谱的基物质图像噪声评价52-67
• 5.1 基于标准偏差的CT图像噪声评价52-53
• 5.2 基于噪声功率谱的CT图像噪声评价53-59
• 5.3 基于噪声功率谱的基物质图像噪声评价59-67
• 第六章 工作总结与展望67-69
• 6.1 本文工作总结67
• 6.2 本文工作中的不足67-68
• 6.3 未来研究工作展望68-69
• 参考文献69-74
• 攻读学位期间的成果74-75
• 致谢75-77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 刘金荣;李淳們;欧阳建权;刘京;;基于联合双边滤波的深度图像增强算法[J];计算机工程;2014年03期

  本文关键词：能谱CT成像关键参数检测技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：338603