PND-Net: Physics-Inspired Non-Local Dual-Domain Network for Metal Artifact Reduction

人工智能 计算机科学 计算机视觉 迭代重建 深度学习 工件(错误) 人工神经网络 插值(计算机图形学) 图像质量 模式识别(心理学) 图像(数学)
作者
J Xia,Y. Zhou,Deng Wen-xin,Jing Kang,Wangjiang Wu,Mengke Qi,Linghong Zhou,Jianhui Ma,Yuan Xu
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (6): 2125-2136
标识
DOI:10.1109/tmi.2024.3354925
摘要

Metal artifacts caused by the presence of metallic implants tremendously degrade the quality of reconstructed computed tomography (CT) images and therefore affect the clinical diagnosis or reduce the accuracy of organ delineation and dose calculation in radiotherapy. Although various deep learning methods have been proposed for metal artifact reduction (MAR), most of them aim to restore the corrupted sinogram within the metal trace, which removes beam hardening artifacts but ignores other components of metal artifacts. In this paper, based on the physical property of metal artifacts which is verified via Monte Carlo (MC) simulation, we propose a novel physics-inspired non-local dual-domain network (PND-Net) for MAR in CT imaging. Specifically, we design a novel non-local sinogram decomposition network (NSD-Net) to acquire the weighted artifact component and develop an image restoration network (IR-Net) to reduce the residual and secondary artifacts in the image domain. To facilitate the generalization and robustness of our method on clinical CT images, we employ a trainable fusion network (F-Net) in the artifact synthesis path to achieve unpaired learning. Furthermore, we design an internal consistency loss to ensure the data fidelity of anatomical structures in the image domain and introduce the linear interpolation sinogram as prior knowledge to guide sinogram decomposition. NSD-Net, IR-Net, and F-Net are jointly trained so that they can benefit from one another. Extensive experiments on simulation and clinical data demonstrate that our method outperforms state-of-the-art MAR methods.
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