[논문 리뷰] Multi-materials beam hardening artifacts correction for computed tomography (CT) based on X-ray spectrum estimation

Wei Zhao, Dengwang Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 06.

Advanced X-ray and CT Imaging참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 X선 스펙트럼 추정을 이용한 다재료 CT에 대한 빠르고 반복하지 않는 비틀림 보정 방법을 제안한다. 다성분 투과율을 재프로젝션 템플릿 이미지로 모델링하고 원시 프로젝션 또는 재구성 이미지에 스펙트럼 기반 보정 항목을 적용함으로써, 수치적, 펌프, 생체 내 데이터에서 컵핑 및 스트리핑 잡음과 같은 잡음 문제를 효과적으로 줄이며, Hounsfield 단위 정확도를 유지한다.

ABSTRACT

Due to the energy-dependent nature of the attenuation coefficient and the polychromaticity of the X-ray source, beam hardening effect occurs when X-ray photons penetrate through an object, causing a nonlinear projection data. When a linear reconstruction algorithm, such as filtered backprojection, is applied to reconstruct the projection data, beam hardening artifacts which show as cupping and streaks are present in the CT image. The aim of this study was to develop a fast and accurate beam hardening correction method which can deal with beam hardening artifacts induced by multi-materials objects. Based on spectrum estimation, the nonlinear attenuation process of the X-ray projection was modeled by reprojecting a template image with the estimated polychromatic spectrum. The template images were obtained by segmenting the uncorrected into different components using a simple segmentation algorithm. Numerical simulations, experimental phantom data and animal data which were acquired on a modern diagnostic CT scanner (Discovery CT750 HD, GE Healthcare, WI, USA) and a modern C-Arm CT scanner (Artis Zee, Siemens Healthcare, Forchheim, Germany), respectively, were used to evaluate the proposed method. The results show the proposed method significantly reduced both cupping and streak artifacts, and successfully recovered the Hounsfield Units (HU) accuracy.

연구 동기 및 목표

• 다성분 CT에서 다색 X선 스펙트럼과 에너지 의존성 투과율로 인한 비틀림 잡음 문제를 해결한다.
• 일반적인 선형 재구성(예: FBP)의 한계를 극복하여, 일관성 없는 데이터 모델링으로 인한 컵핑 및 스트리핑 잡음 문제를 해결한다.
• 기존 보정 기법에서 흔히 사용되는 반복적 정방향/역방향 프로젝션을 피하는 계산 효율성이 높은 방법을 개발한다.
• 투과 계수의 불확실성에 대해 강건성을 확보하고, 다양한 CT 시스템과 데이터 유형에 적용 가능하도록 한다.
• 계산 오버헤드를 최소화하면서도 Hounsfield 단위 복원 정확도를 유지함으로써 실용적인 임상 현장 적용을 가능하게 한다.

제안 방법

• 캘리브레이션 기반 접근법을 이용해 프로젝션 데이터에서 다색 X선 스펙트럼을 추정한다.
• 간단한 세그멘테이션 알고리즘을 사용해 보정되지 않은 CT 이미지를 물질 성분(예: 물, PMMA, 알루미늄)으로 분할한다.
• 추정된 스펙트럼을 사용해 세그멘테이션된 템플릿 이미지를 재프로젝션하여 다색 정방향 프로젝션을 시뮬레이션한다.
• 단색 및 다색 재프로젝션 데이터 간의 차이를 보정 항목으로 계산하고, 적절히 스케일링한다.
• 보정 항목을 원시 프로젝션 데이터에 적용한다(프로젝션 도메인) 또는 보정된 아티팩트 이미지를 재구성하여 보정되지 않은 이미지에 직접 더한다(이미지 도메인).
• 프로젝션 도메인과 이미지 도메인 양쪽에서 방법을 구현하여, 기존 재구성 파이프라인과의 유연성과 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복적 재구성 없이도 스펙트럼 추정이 다재료 CT에서 다색 투과율을 정확하게 모델링하는 데에 기여할 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법이 제1차 잡음(컵핑)과 고차 잡음(스트리핑)을 얼마나 효과적으로 줄이는가?
• RQ3 투과 계수 할당 오차와 세그멘테이션 정확도 저하에 대해 어느 정도 강건한가?
• RQ4 현대 하드웨어 가속 기술을 활용해 실시간 임상 환경에서 효율적으로 구현 가능한가?
• RQ5 다양한 CT 스캐너와 데이터 유형(펌프, 동물, 임상)에서의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 수치 시뮬레이션, 펌프 연구, Discovery CT750 HD 및 Artis Zee C-Arm CT 스캐너에서 획득한 생체 내 개 데이터에서 컵핑 및 스트리핑 잡음이 크게 감소함을 입증했다.
• Hounsfield 단위(HU) 정확도가 성공적으로 복원되었으며, 양적 분석 결과 다양한 물질 간 HU 일관성이 향상됨을 확인했다.
• 표준 NIST 값에서 10% 이내의 투과 계수 오차에 대해 강건성을 보였으며, 측정 불확실성에 대한 실용적 내성 확보됨을 시사한다.
• CBCT 데이터에 산산이 흩어진 방사선이 존재하더라도 영상 품질 저하가 최소한이었으며, 이는 집중된 격자에 의한 효과적인 산산이 흩어진 방사선 제거 덕분으로 보인다.
• 단일 NVIDIA GeForce GTX 480 GPU를 사용해 512×512×200 개 데이터셋에 대해 약 100초의 보정 시간을 기록하여 실시간 응용 가능성을 입증했다.
• 세그멘테이션 오류(예: 물 유사 물질 누락)가 존재하더라도 유사한 투과 특성으로 인해 영향이 최소였고, 수치적 펌프에서 아티팩트가 완전히 제거됨을 확인했다.