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Micro+CT投影图像噪声的去除.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.53M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    THESIS&RESEARCH REPORT I研究论著 Micro CT投影图像噪声的去除 (东南大学生物科学与医学工程学院，南京210096；江苏省中医院信息工程部，南京210029) 董歌，罗守华，陈 功 【摘要】目的：研究MicroCT投影图像噪声的去除，提高Micro CT系统重建图像的质量。方法：分析了MicroCT投影 图像的噪声形成因素，提出了Micro CT投影图像校正的方法，分别针对随机噪声、暗场、光场、响应不一致和瑕疵像元 进行了校正。结果：通过比较研究提出了一种简单实用的实际响应不一致校正，该方法结合了光场、暗电流、增益不一 致校正，只一次循环就解决了3种校正，大大提高了算法效率，并通过实验证明了该校正方案的有效性。结论：该方法 可有效去除MicroCT投影图像的噪声，提高Micm CT系统重建图像的质量，为后续三维重建等工作奠定良好的基础。 【关键词】Micro CT投影图像；图像噪声；图像校正 【中图分类号】R445．3；TP274 【文献标志码】A [文章编号] 1003—8868(2009)02—0007--04 Elimination of the Micro CT Projective Image Noise DONG Ge，LUO Shou-hua，CHEN Gong (1．School of Biological Science and Medical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China； 2．Jiangsu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine，Nanjing 210029，China) Abstract m和啦"To study elimination of the Micro CT projective image noise and improve the quality of the rocon— stmcted image for the Micro CT system．弛，tho山T}le forming factors of the Micro CT pmjective image noise were analyzed。 and proposed the Micro CT projective image correction method to correct the random noise，dark field，light field，response nonuniformity and defect picture element and eliminate the random noise and the ring artifact respectively．R删h Through the comparative study，it proposes a simpie and practical correction method for the actual response nonuniformity which combines the corrections of light field．dark current and gain inconsistency and settles the three corrections埘tIl one circu- lation．ne method Can enhance the algorithm efficiency greatly and the validity of the correction protocol Call be proved throuIsh experiments．C组kb赫The Micro CT projective image noise is eliminated effectively and the good basis for the following woA are established such as three—dimensional reconstruction．【chinese Medical Equipment Journal。2009，30 (2)：7-1 0】 Key words Micro CT projective image；image noise；image correction 1 引言 不同、接收器内电子线路的不一致性等因素都会引起平板探 投影图像质量的好坏直接影响Micro CTm的检验效果。 测器上不同像元在同样X射线剂量辐射的情况下具有不同 由于各种因素的影响．投影图质量往往很差，存在着严重的 的输出信号[31。这些性能缺陷 噪声，极大地限制了Micro CT优势12I的发挥。因此，如何有效 都将严莺影响三维莺建质量． 地提高Micro CT系统投影图质量是Micro CT系统达到实用 如图l所示。冈此，寻求有效 阶段所必须解决的一个重点问题。本研究以提高投影图质量 的探测器性能缺陷校正方法 为目标．将对图像质量影响最严重的探测器输出误差进行校 对高质量重建断层图像具有 正，以提高重建图像质量。满足Micro CT的要求，具有重要的 重大的意义。其主要的性能缺 工程应用价值。 2 Micro CT投影图像的噪声因素分析 陷有如下几个方面141： (1)随机噪声：根据X射 平板探测器的出现是锥柬CT能够得以快速发展的重要 线平板检测器的原理．从X射 原因，与线性阵列探测器相比，平板探测器可以获得更大面 线到可见光的转换、后续的光 积的探测区域，并且可以获得很高的空间分辨率。但平板探 测器也带来了比线性探测器更严重的性能缺陷。X射线源的 电转换和模数转换等都不可 避免的伴有随机噪声的产生。 圈1原始图像 收稿日期：2008—12—19修回日期：2伽19—Ol—14 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2006CB601200) (2)偏置误差：平板探测器中感光元件为非晶硅材料．在 投有X射线照射的情况下，探测器各像元仍有一定的输出 作者简介：蕞歌(1984一l，男．江苏连云港人，硕士研究牛，主要研究斤向 值．这是由于光电二极管和薄膜晶体管的漏电流以及数据采 为医学图像处理和图像重建，Email：donggedg@163．corn；罗守华 (1967一)，男，安徽泾县人．讲师，主要从事图像处理和图像重建的研究 T作，Email：hoshouhua@seu．edu．cn。 集电路中电荷放大器零点漂移等因素的影响造成的．这就是 偏置误差(称为暗场图像)。暗场图像即表现为响应曲线的纵 万方数据 万方数据 医疗卫生装备·2009年2月第30卷第2期 7 chin∞e Med酬Equipment Journal·V01．30№2 February 2009 ，
    研究论著I THESIS&RESEARCH REPORT 截距，如不校正，重建图像中将出现伪影嗍。 P(r)=P(r)一B(r) (6) (3)像元响应不一致：探测器在均匀强度X射线的照射 3．3光场校正 下．各像元的响应通常也是不均匀的。它与像元接收到的射 采用平滑拟合的方法来消除探测器像元增益的影响，将 线剂量到像元图像灰度值转换的整个过程有关。如不加以校 拟合出图像的作为光场图像。 正，将导致莺建出的切片图像存在环形伪影。 打开X射线源，在旋转t作台上无扫描零件条件下．对 (4)瑕疵像元：由于成像元件破坏、接触不良等原冈导致 采集到的肘幅投影图像(称为均匀曝光图像)，取平均以消除 该响应元件失灵，形成短路、断路和不稳定．从而使投影图像 静电噪声影响，有： 中该点像素值不能正确反映射线穿透物体时的衰减情况．这 种不能依据射线强度做出合理响应的像元称为瑕疵像元。如 脚 m)=吉．∑t(州) 』H 毕l 不对投影图像中瑕疵像元进行校正．重建切片中将出现环形 Js(r)_，(r)—占(r) (7) (8) 伪影。 信号图像采用多次中值滤波和高斯滤波逼近，得到光场 (5)光场不均匀：Micro CT系统中．X射线源为一微焦点 图像，然后选取图像中心像素灰度值肘进行归一化．得到光 射线源，近似于点光源。在整个锥角范围内发射出的X射线 场校正系数图： 强度并不均匀，导致无零件照射时，平板探测器上的X光强 度分布并不相同，称为光场不均匀现象。它也会对平板探测 器的输出造成负面影响。光场不均匀现象将导致重建切片中 Sr(咖蠡 (9) 光场校正时将投影图像每个像素值乘以光场校正图像 产生环形伪影。 3校正方案 针对上面分析的几大校正因素。分别进行校正。 根据CT原理和以上分析的几个影响闪素建立数学模 型嘲： l(r，￡)=8(r，t)+Ii：(r，t)·M(r，￡)+S(r，￡) K(r，t)=Kl(r)·K2(r，t)·K3(r，t) (1) (2) 其中，，表示探测器像元坐标，t表示时间，／(r，t)表示探测器 的输出，B(r，t)表示暗电流输出，K。(r)表示平板探测器像元 的量子探测效率，尺：(，，t)表示探测器像元增益响应系数，配 (r，t)表示光场强度系数，实际响应系数K(r，t)，Ⅳ(r，t)表示 X射线源发射光子数量．S(r．t)为随机噪声。 对均匀物体成像后系统成像均匀性可以用图像的均方 根RMS大小表示。尺鹏值从总体上可以说明X射线图像密 度分布的不均匀性即噪声的大小。RMS值越大。说明系统的 的对应像素值即可。 P”(r)一(r)一．(r) (10) 式中，P”(r)表示暗场图像校正后的投影图，P(r)表示光场 校正后的投影图。 3．4响应不一致校正 在实际工作中．分别在3种不同射线辐射状态下采集校 准图像：在没有X射线辐射探测器的情况下获取一幅图像． 称为暗场图像：在能使各像元和电子线路饱和的均匀X射线 照射探测器的情况下获取一幅图像，称为亮场图像：在亮场 图像所用剂量70％左右的X射线均匀照射下采集一幅图 像，称为中亮场图像。对探测器不一致性的校正常采用线性 校正IS-91。 利用3幅校正图像，对于每一像元；都可得到一条灰度 值随射线强度变化的响应曲线．也就可获得图像校正值随原 始灰度值的变化曲线。即采用直线段拟合响应对平均灰度的 响应曲线。 噪声越高，均匀性下降。 R鹏=、／斋∑∑(Sj-j)2 式中，Ⅳ为图像S总的像素，i为图像灰度均值： i=面1∑∑毛 1' J 图2为某点的灰度校 (3) 正曲线．其中，横坐标表示 原始灰度值P．纵坐标对应 校正输出Q，Pd、Pm、日分 (4) 别代表该像元在暗场、中亮 场和亮场图像中的对应灰 3．1 随机噪声的消除 对于随机噪声S(r，1)，最有效的消除方法就是采用多幅 图像叠加取平均值的经典方法同。 3．2暗场图像校正 在不打开X射线源条件下采集到的探测器输出图像即 为暗场图像。采集肘幅暗场图像平均以消除静电噪声影响。 肼 曰(r)=矿1萋E(r'f) (5) 暗场图像校正时将投影图像p(r)与暗场图像做图像剪影即 可。即： 度值。暗场图像像元灰度值 的校正输出仇对应灰度为 图2某像元的灰度校正曲线 0，亮场图像像元灰度值的校正输出Q．则可以根据实际需要 确定为某一恒定值，如像元灰度为12 bit，则Ql取4 095。中 亮场的校正值Q。可以根据暗场和亮场的对应值，结合射线 强度差求得，或根据3幅图像的灰度均值用下列式(11)近似 得到： 掣Qm-p砭百_p如·口l Q 医疗卫生装备·2009年2月第30卷第2期 V chineaa Madical Equiprnent Journal·Vol渤NO．2 February 2009 万方数据 万方数据
    THESIS＆RESEARCH REPORT l研究论著 式中，％、尸螂、吃分别是暗场、中亮场和亮场图像的灰度平 均值。 对于任意一幅需要校正的图像，校正值根据P值与中、 亮场灰度的对比关系．对应图2中分段线性校正曲线的七半 段或下半段。实际利用下式(12)计算： Q= 器‘Qm 蒋P-P．’(QJ—Q。)+Q q M 3．5 瑕疵像元校正 ㈣ 坏像素根据其形成原因町分为两大类，第1类是暗电流 输出超界像素，包括无输出的断路或无效像素，或具有饱和 输出的短路像素；第2类为输出响应异常像素，它们需要在 X射线曝光条件下才能被发现，包括不稳定响应像素和响应 图4单幅暗场图像 图5 多幅平均后暗场图 超界像索I“。 牛 乏 low—thresh higII—tIlI∞h,贼／ADU 图3均匀曝光图像灰度统计分布图 短路和断路的 坏像素点均可由均 匀曝光图像和暗场 图像通过f】限值的 方法鉴别出来．对 均匀曝光图像做灰 度统计直方图。如 图3所示。 确定门限方式 有两种：一种是根 据已知的坏像素百 分比确定门限灰度 图6均匀场偏置校正图 图7光场校正系数图 噪声．噪声标准差RMS由9降为2，降幅达77．8％．所以多幅 平均有很好地去随机噪声效果。 4．2暗场和光场校正 采集4幅空载投影图．先叠加取平均，然后去偏置误差 得到如图6所示图像．再计算得到光场校正系数图(如图7 所示)。从图6可以明显看到亮度不均的条纹和斑点存在。针 对不同的X射线强度获取光场校正系数图。然后再叠加获取 值；另一种是根据与平均灰度的差设门限higIl—thresh和low— 用于校正的光场校正图。 thresh，超过门限的像素点即定为坏点Illl。 针对光场不均匀造成的漏检，可以利用改进中值滤波的 判断方法找出相对周围点响应异常的坏点。 设X(t)为待处理的点，置为X(f)周围3x3领域的8个 邻域点．伪代码如下： if{Min(X(t)-Xi)>Max(Xi)／ml or{M／n(．誓_(f))>X(t)／n} 则X(t)=Median(X。)。 改进中值滤波对3x3邻域进行判断，相对周围8个邻域 点为异常暗点或者亮点定性为坏点。调整Ft'／,、n的值可以调节 检索灵敏度。 坏像素模板图中定义为坏像素的才进行中值滤波，有效 保留了细节。 4实验结果及其讨论 4．1 随机噪声的去除 首先获取暗场图像．无试件获取4幅暗场图像，其一如 图4所示。由4幅暗场图像得到平均暗场图像．如图5所示。 图5中灰度值并不为零，而且呈条块状分布，这是由于 技术工艺的限制，平板探测器不能整块制造，由几块拼接而 成。经4幅图像叠加求平均后，从图5明显看出去除了随机 对一幅均匀场图像进行光场校正．噪声标准差RMS由 45降到13，降幅超过7l％。降噪效果明显。 4．3坏像素模板图像 利用Average±Average／lO为上下门限和改进中值滤波 判断进行复合检索得到坏像素(Average为图像平均灰度 值)。 对不同X射线强度的均匀场图像进行检索。检索前先进 行多幅叠加平均，然后去偏置误差．检索得到1 073个坏像素 (坏像素位置置为l 000，好像素置为0)。坏像素比例为1／1 000 左右。 光场校正后检测到的坏点数为287。不考虑边缘像素检 测得到的坏点数为370，说明光场校正有效降低r由于光场 不均匀的冈索导致的将好像素误认为是坏像素。 4．4像元响应不一致校正 将偏置误差校正、光场强度系数校正和增益响应系数分 开来进行校正，首先获取多幅中亮场网像并叠加取平均．去 偏置误差，然后对其进行光场校正，获得校正后的中亮场图． 根据公式(11)、(12)，此时应该是全为零值的暗场图像和校 正后的中亮场图像，亮场定义为全为4095。 万方数据 万方数据 医疗卫生装备·2009年2月第30卷第2期 Q √ Chinese Medical Equipment Journal-vol30№2 February 2009
    研究论著f THESIS&RESEARCH REPORT 按如下校正流程(如网8所示)，首先进行随机噪声去 45，经响应不一致校正 除、偏置误差校正，然后进行光场校正。再进行增益响应校 后灰度标准差降为16． 正，最后为坏像素模板校正，得到如下的结果：噪声标准差 总的降噪达到64．4％， RMS由45降为16，降幅达到64．4％。 互至亟功-匪夏亘匿审七雯垂堕1．{至夏至丑r压委亘至蚌圃兰害昌喜霉雾呈 坐，』普，_j竺，-j竺．J竺 圈回国国‘’豳器嵩 昱霎茎#姜裂詈 111 8图像校正流程图 取得了很好的效果。图 建得到的断层图 4．fi实际响应不一致校正 影基本消除。 针对如上校正，如果不进行光场校正。分别采集多幅暗 5 结论 场图像、中亮场图像，并叠加平均，亮场定义为全为4095。根 本研究针对探测器 图10校正后的断层图像 据公式(11)和(12)进行校正。结果如下．噪声标准差RMS由 的性能缺陷．分别对随机噪声、暗电流、增益不一致、光场不 45降为16，此方法的效果与4．4节中分离的逐步校正的方法 均匀和坏像素采用多幅叠加求平均、去偏置误差、响应不一 基本没有差别。 致校正、光场模板网像和坏像素模板图进行校正，取得了良 分析前面的公式(1)和(2)可知：单个像元的实际响应K 好的效果。最后通过比较研究提出了一种简单实用的实际响 (r)和像元的量子探测效率足。(r)、增益响应系数K：(r，t)和 应不一致校正，该方法结合了光场、暗电流、增益不一致校 光场强度系数恐(r，t)乘性相关的，而偏置误差是加性相关。 正。只一次循环就解决了3种校正，大大提高了算法效率，并 K。(r)、K2(r，f)和岛(r，f)是很难独立分离出来的；上面的第1 通过实验证明了该校正方案的有效性．提高了投影图像的质 种方法即是试图分离出来增益响应系数如(r，t)和光场强度 量，为后续三维重建等工作奠定了良好的基础。 系数为(r，t)，但其实都是没有完全分离出来，互相包含，去噪 效果甚至可能出现不如直接进行实际响应不一致校正的结 【参考文献】 果，因为直接进行实际响应不一致校正是对K。(r)、K2(r，t)和 【1】陈功。罗守华，董歌，等．显微CT的研究设计们．医疗卫生装备， 局(r，￡)的乘积的整体进行校正，即是实际响应系数K(r)。 2．,008，29(9)：345-353． 在目前无法把像元的量子探测效率、光场强度系数和增 【2】刘广鹏．Micro CT原理及应用田．Joumal of Tissue ElIgineering 益响应系数完全分离的情况下．作为整体处理会更加有效 果。即把光场校正、增益不一致校正合并为实际响应系数K (r)校正。上面的例子采用直线拟合曲线的方法来拟合像元灰 度对平均灰度的实际响应曲线。然后把各像元校正到平均灰 度，可采用增加分段的方法进一步拟合，提高去噪效果。但考 虑到需要处理400张图片，在兼顾时间的前提下，宜选择合 适的分段数。本研究选择3段直线拟合。原理同两段，结果如 下：噪声标准差降为15。比2段略有降低，但幅度不大，说明 再增加分段数意义不大。 and Reconstructive Surgery，2006，2(4)：228—229． 【31唐杰，张丽，高文焕．基于平板探测器的椎束CT系统综述田．中 国体视学与图像分析，2004，9(2)：65—70． 【4】周正干，滕升华，江巍，等．X射线平板探测器数字成像及其图 像校准【J】．北京航空航天大学学报，2004，30(8)：698—701． 嘲但唐f■，田景全，高延军，等．低强度X射线影像系统的噪声分 析及图像去噪处理叭．发光学报，2002，23(6)：615-618． 【6】张定华，NingRuola。h昆，等．体积CT系统中的平板探测器校 正方法叨．仪器仪表学报，2005，26(2)：157—163． 川陈树越，路宏年．X射线数字成像噪声特性及噪声消除方法研 再回过头来观察公式(1)、(2)，实际上，根据这两个公式 究【J】．无损检测，2001。23(1)：9-14． 已经将偏置误差校正、光场校正、增益不一致校正都包含在 【8】 WEISFIELD R L，HARrNEY M A，S1限EET R A，etⅡ己New 内．这样的话。流程图可简化为去随机噪声、响应不一致校正 和坏像素模板校正，如图9所示。 1校正 I校正 I校正 妻鲁震留孑均l 去随机噪声 I竺曩瞿譬不l l一致校正 I I蒸震耋釜正 I模板校lE 圈9简化后的图像校正流程图 amorphous-silicon image sen80r for X—my diagnostic medical in．rig applications【J】．SPIE。1998，3 336：444-452． 【9】MOY J P，BOSSET B．How does real offset and曲correction affect the DQE in images from X-ray flat detectors[J1．SPIE， 1999。3 659：90一97． 【101张丰收，崔凤奎，王晓强，等．平板探测器坏像素校正方法研究 册．现代制造T程。2005(10)：71—74． 【11】刘晓鹏．锥束工业CT图像校正技术研究【D】．西安：西北工业大 由以上分析可以看到，原始均匀场图像灰度标准差为 学．2006． 1 n医疗卫生装备·2009年2月第30卷第2期 o V Chinese Med酬Equipment Journal·VoL30 N02 February 2000 万方数据 万方数据
    Micro CT投影图像噪声的去除 作者： 董歌， 罗守华， 陈功， DONG Ge， LUO Shou-hua， CHEN Gong 作者单位： 董歌,陈功,LUO Shou-hua,CHEN Gong(东南大学,生物科学与医学工程学院,南京,210096)， 罗守华,DONG Ge(江苏省中医院,信息工程部,南京,210029) 刊名： 医疗卫生装备 英文刊名： CHINESE MEDICAL EQUIPMENT JOURNAL 2009,30(2) 年，卷(期)： 参考文献(11条) 1.陈功;罗守华;董歌 显微CT的研究设计 2008(09) 2.刘广鹏 Micro CT原理及应用[期刊论文]-Journal of Tissue Engineering and Reconstructive Surgery 2006(04) 3.唐杰;张丽;高文焕 基于平板探测器的椎束CT系统综述[期刊论文]-中国体视学与图像分析 2004(02) 4.周正干;滕升华;江巍 X射线平板探测器数字成像及其图像校准[期刊论文]-北京航空航天大学学报 2004(08) 5.但唐仁;田景全;高延军 低强度X射线影像系统的噪声分析及图像去噪处理[期刊论文]-发光学报 2002(06) 6.张定华;Ning Ruola;卜昆 体积CT系统中的平板探测器校正方法[期刊论文]-仪器仪表学报 2005(02) 7.陈树越;路宏年 X射线数字成像噪声特性及噪声消除方法研究[期刊论文]-无损检测 2001(01) 8.WEISFIELD R L;HARTNEY M A;STREET R A New amorphous-silicon image sensor for X-ray diagnestic medical imaging applications 1998 9.MOY J P;BOSSET B How does real offset and gain correction affect the DQE in images from X-ray fiat detectors 1999 10.张丰收;崔凤奎;王晓强 平板探测器坏像素校正方法研究[期刊论文]-现代制造工程 2005(10) 11.刘晓鹏 锥束工业CT图像校正技术研究[学位论文] 2006 本文读者也读过(10条) 1. 陈功.罗守华.董歌.于洁.刘俊秀.张蔚.沈宫建.余春兰.CHEN Gong.LUO Shou-hua.DONG Ge.YU Jie.LIU Jun-xiu .ZHANG Wei.SHEN Gong-jian.YU Chun-lan 一种新的显微CT系统设计及实验研究[期刊论文]-中国医疗设备 2009,24(4) 2. 王朕.王明泉.WANG Zhen.WANG Ming-quan 投影数据预处理三维CT重构算法研究[期刊论文]-半导体技术 2007,32(7) 3. 王朕.王明泉.WANG Zhen.WANG Ming-quan 基于平板探测器投影数据预处理的三维CT重构算法研究[期刊论文]- 核电子学与探测技术2007,27(3) 4. 文斌.吴胜利.潘瑞谊.WEN Bin.WU Sheng-li.PAN Rui-yi CT图像重建预处理滤波器设计[期刊论文]-CT理论与应 用研究2008,17(3) 5. 王苦愚.张定华.黄魁东.李明君 基于平板探测器的锥束CT投影图像和重建切片校正方法[会议论文]-2008 6. 巴晓艳.滕永平 影响工业X射线数字化成像质量的因素分析及图像复原[期刊论文]-北方工业大学学报 2002,14(1) 7. 郭栋.王明泉.GUO Dong.WANG Ming Quan 基于PaxScan1313的实时成像系统开发与应用[期刊论文]-电子技术应 用2010,36(4) 8. 马小民.王自立.王军 Micro - CT三维评价脊柱结核病变椎体样本的结构[期刊论文]-宁夏医学杂志2010,32(5) 9. 滕升华 X射线平板探测器数字成像及其图像校准[会议论文]-2005 10. 陈树越 X射线数字图像质量改善研究[学位论文]2001
    引用本文格式：董歌.罗守华.陈功.DONG Ge.LUO Shou-hua.CHEN Gong Micro CT投影图像噪声的去除[期刊论文]- 医疗卫生装备 2009(2)
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