[发明专利]用于低剂量CT图像降噪及去伪影的双注意力生成对抗网络

说明书

本发明属于CT成像技术领域，公开了一种用于抑制低剂量CT图像中的噪声与伪影、便于后期精确地医学诊断与分析的深度学习方法；具体技术方案为：用于低剂量CT图像降噪及去伪影的双注意力生成对抗网络，双注意力生成对抗网络分别用于分布不均匀、无规则的噪声特征与分布复杂的组织纹理特征的提取；设计多尺度特征提取的Res2Net判别器网络，既提高了判别器的鉴别能力，又增强了对抗训练的稳定性与鲁棒性；设计伪影注意力损失、伪影一致性损失、结构约束损失、对抗损失与像素级L1损失相结合的多描述损失函数进一步提高各个子网络的功能；本发明解决了因噪声伪影与组织结构分布高度相似而引发的欠降噪或过降噪现象。

技术领域

本发明属于CT成像技术领域，公开了一种用于抑制低剂量CT图像中的噪声与伪影、便于后期精确地医学诊断与分析的深度学习方法。

背景技术

计算机断层扫描成像(computed tomography，CT)是一种广泛应用于生物医学、图像引导介入、安检、工农业生产、地质学与石油勘测等领域的无损检测技术。作为医学诊疗的重要辅助手段，CT成像速度快、精度高，可以完整呈现被检查部位的三维信息，且在骨伤、肿瘤与节点、血管病变与肺部积水、细胞癌变等的检测中发挥着不可替代的作用。目前，CT检查与每个人息息相关，常规体检、特定医学诊疗等均需按照要求对被检者进行不同程度的扫描。有资料表明，在美国，CT检查占所有放射检查的13％，但其导致患者接受的辐射剂量却占患者接受的全部辐射剂量的70％。一般地，人体做一次胸部X射线平片检查所承受的辐射剂量大约为0.1mSv。而常用CT检查需要进行多角度扫描，重复X射线扫描致使人体承受的辐射剂量比普通平片检查高的多，例如，人体在一次常规胸部CT检查中所受辐射剂量大约是一次胸部平片检查的100倍，乳腺钼靶检查的10倍，而对于多排CT，这个倍数则更大，特别地，癌症患者接受放疗或CT增强扫描所承受的辐射剂量则更大。伴随着X射线辐射而来的潜在危害包括白内障、新陈代谢异常、生育功能退化、染色体变异导致的胎儿畸变以及癌症等。由于体质弱于成年人，儿童遭受辐射伤害后引发疾病的比例更高，一份来自英国的调查结果表明，在被调查的15周岁以下儿童中，有约1/500死于腹部CT扫描引发的癌症，约1/1500死于脑部CT扫描引发的癌症。相对较高的辐射剂量已然成为制约CT成像技术在医学诊疗领域进一步发展的一个重要因素。

由此，降低CT扫描的辐射剂量已刻不容缓。然而，辐射剂量降低会引起“光子饥饿”现象，导致重建图像中产生条纹伪影与斑点噪声，进而影响医学诊断的准确性，尤其易导致对面积小、形态细微的早期病变的误诊和漏诊。在此背景下，衍生出了CT成像领域的一个重要研究方向——低剂量CT(Low-dose CT，LDCT)技术。与常规剂量CT(Normal Dose CT，NDCT)相比，LDCT质量严重退化，LDCT图像中的伪影和噪声与人体正常组织和低密度病变等具有相似的分布规律，能量主要集中在图像的高频部分，图像中的边缘和细节信息主要分布在高频部分同时污染图像的噪声和伪影也分布在这一区域，如何在不破坏图像原有结构的前提下改善重构图像的质量是目前LDCT成像领域的研究热点。

自LDCT出现以来，针对如何提高低剂量条件下CT成像质量这一问题，学者们从降低扫描剂量、提升硬件性能与改善成像算法这三个角度出发，做了大量研究尝试。降低辐射剂量的方法主要包括两类：①由于管电流与辐射剂量之间呈正相关且操作简单，降低管电流是目前临床应用中最常用的降低X射线剂量的方式之一。然而此方法的最大弊端在于获取的LDCT图像密度分辨率较低、出现明显斑点噪声和条状伪影；降低管电压也是降低X射线辐射的一种选择，然而管电压降低的同时X射线的穿透能力也将随之下降，进而导致成像质量严重退化；②减少X射线数目也是降低辐射剂量的主要方式，这类方法(如内部扫描、少视角、有限角度)获取的投影数据不完备，对重建算法性能有更高的要求。此外，也有许多学者致力于硬件设备改进方面的研究，例如：改善X射线晶体管的材质，可以延长晶体管的使用寿命；改进探测器的组成结构，可以在大幅降低X射线辐射剂量的同时提高图像信噪比；改进扫描方式，可以减少获取投影数据的时间，降低硬件设备的损耗。