一种迭代的锥束CT螺旋轨迹几何参数标定算法

针对工业锥束计算机断层成像螺旋轨迹扫描中系统几何参数失配严重影响重建图像质量的问题,提出了一种基于双球体模的高精度、迭代的几何参数标定算法.首先在载物台的升降轴上选择少数测试点,并根据投影几何关系建立关于所有测试点的几何参数的非线性最小二乘求解模型,然后利用计算机图形学中的消失线理论和高斯牛顿算法对模型进行求解,最后利用线性拟合和插值计算升降轴上所有采集投影位置处的系统几何参数.实验结果表明,该方法能够有效改善几何参数失配引起的重建图像失真,并且算法求取参数的精度接近50 μm.     

基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正方法

根据锥束CT射束硬化机理.提出一种基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正新方法.该方法从原始投影图像重建的序列切片图像中得到中心切片和斜切片的轮廓信息,然后根据实际扫描时的锥束CT成像系统参数建立重投影坐标系,通过射线与切片轮廓重投影到平板探测器上的求交计算,得到射线穿越物体长度与投影灰度之间的对应关系,最后拟合射束硬化曲线并校正射束硬化伪影.仿真与实际校正结果均表明,该方法可简单有效地消除锥束CT的射束硬化伪影.     

锥束螺旋CT半覆盖扫描重建

锥束螺旋CT能够解决长物体的检测问题,但其视场直径受限于面板探测器的宽度。为扩大锥束螺旋CT的视场直径,提出了一种螺旋CT视场区域半覆盖扫描的重建方法。扫描时,转台首先沿垂直于中心射线和转轴的方向平移一定距离,然后用普通螺旋CT的扫描方式来获得需要的投影数据。接着,利用推广的偏心锥束螺旋FDK算法进行重建,推广后的重建算法与标准的螺旋FDK算法具有同样的计算效率,而且不需要重排投影数据。实验结果表明,锥束螺旋CT半覆盖扫描能够将锥束螺旋CT的视场半径扩大1.86倍;重建图像的质量与使用大面板探测器全覆盖的标准FDK算法基本相当;由于投影数据量的减少,锥束螺旋CT半覆盖扫描的重建时间比使用大面板探测器的标准FDK算法减少了376.66s。因此,锥束螺旋CT的半覆盖扫描可以有效扩大视场直径,且具有较高的计算效率和较少的重建时间。     

锥束CT圆轨迹半覆盖扫描的几何校正

研究了一种高精度的几何校正方法用于对锥束CT圆轨迹半覆盖成像进行几何校正.首先,使用Otsu算法分割体模投影中钢球所在的区域,并计算质心坐标.然后,采用最小二乘算法对质心进行椭圆拟合,并根据椭圆参数采用Cho的全覆盖几何校正算法计算探测器的旋转角度.最后,顺时针旋转质心,求得旋转的角度后,再次进行椭圆拟合,并根据得到的椭圆参数采用Noo的全覆盖几何校正算法计算除探测器倾斜角之外的所有几何参数.实验结果表明:探测器旋转角和偏转角的测量精度分别为0.02°和0.01°;射线源到探测器和到旋转轴的距离的测量精度分别为0.05 mm和0.01 mm;射线源在探测器上投影坐标的计算精度分别为0.07 mm和0.15 mm.由得到的结果可知,所提出的校正方法有效地去除了几何伪影的干扰,满足半覆盖成像图像重建的要求.     

锥束CT成像系统的噪声仿真

利用计算机断层扫描成像技术研究了锥束的计算机噪声仿真模型,该技术通常用于PC群.模型采用单能级X射线近似理论,研究了主要组件的性能,以及量子噪声、模糊检测和加法系统噪声对性能的影响.通过例子分析噪声仿真模型,证明低对比度的图像也可用于图像质量评价.     

锥束CT圆轨道扫描的几何校正

借鉴针孔摄像机模型,提出了一种锥束CT圆轨道扫描的几何校正方法,用于有效降低由系统几何误差所带来的重建图像伪影。首先,利用共轴旋转的钢球在探测器上所成椭圆像的特征求取圆环点;然后,结合极线约束条件建立绝对二次曲线像的约束方程,通过线性求解获得系统的内参数;最后,在求得内参数的基础上,通过几何方法和椭圆参数建立系统的外参数方程,求解系统的外参数。实验结果显示:利用本文方法进行锥束CT几何校正的内参数标定精度和外参数标定精度分别为0.193%和0.2%。本文方法能够精确地求解出所有失真参数,建立完整的几何模型,消除重建时因几何误差所带来的几何伪影,而且校正体模制作简单,应用性较强,适用于所有圆轨道CT。     

锥束CT系统PSF的多孔成像测量与评估方法

针对实际锥束CT系统成像质量退化的问题,提出一种基于多孔成像的方法测量并评估锥束CT系统的点扩展函数(point spread function,PSF).首先针对平板探测器(flat panel detector,FPD)的PSF进行测量,设计了针孔测量装置,并据此提出一种简便的基于图像恢复的针孔成像PSF测量方法;然后分析了一般条件下锥束CT成像的PSF,提出面向切片图像恢复质量的多孔成像PSF测量与评估方法,并建立了任意直径针孔测量PSF的计算模型.实验结果验证了该方法的可行性,并得到了可恢复出较高质量切片图像的锥束CT系统PSF.     

锥束螺旋CT半覆盖扫描的重建算法

目的：锥束螺旋CT能够解决长物体的检测问题,但是它的视场直径受限于面板探测器的宽度。为扩大锥束螺旋CT的视场直径,本文研究了一种视场区域半覆盖扫描的螺旋CT扫描方法和相应的重建方法。方法：扫描时,转台沿垂直于中心射线的方向水平平移一定距离,然后用普通螺旋CT的扫描方式即可获得需要的投影。重建时,利用推广的偏心锥束螺旋FDK（Feldkamp-Davis-Kress）算法,推广后的重建算法与标准的螺旋FDK算法具有同样的计算效率,而且不需要重排投影数据。结果：实验结果表明,本文提出的扫描方法能够将螺旋锥束CT的视场半径扩大0.86倍;重建图像的质量与使用大探测器全覆盖的标准FDK算法基本相当;由于投影数据量的减少,使重建时间比使用大探测器的标准FDK减少了376.66秒。结论：锥束螺旋CT的半覆盖扫描可以有效扩大视场直径,且具有较高的计算效率和较少的重建时间。     

基于锥束CT图像的数字样品建模方法研究

提出了一种同时包含物体内部材料分布和表面几何信息的数字样品概念,研究并实现了基于锥束CT图像的数字样品建模方法.在材料建模方面,根据材料识别提出了一种计算材料相分布的方法;在几何建模方面,针对锥束CT图像的特点,提出并实现了一种局部结构重构和整体拓扑重构相结合的三维物体表面重构新方法.实验表明,该研究为三维物体内部结构和表面信息的测量重构提供了一种可行的新建模方法和实现技术.     

应用投影收缩的压缩感知锥束CT短扫描重建

由于锥束CT成像系统在短扫描方式下无法获得完全投影数据,从而限制了图像重建的质量,本文提出了一种基于投影收缩的压缩感知锥束CT短扫描重建算法。考虑BB(Barzilai-Borwen)梯度投影算法的非单调收敛,分析了投影收缩法的预测校正特性,并将校正过程引入到压缩感知图像重建算法中。结合目标函数下降方向和凸集投影下降方向,校正BB梯度投影算法,改善BB梯度投影算法的非单调特性。应用该算法对模拟投影数据和仿体扫描数据分别进行了重建试验。模拟试验结果表明,在25个采样角度下,用提出算法重建图像的信噪比值比自适应最速下降-凸集投影算法、投影收缩算法和BB梯度投影算法的重建结果分别高出9.487 0、9.802 7、3.615 9dB。仿真试验结果表明:在少量投影角度下该算法重建结果有效抑制了条状伪影,清晰重建出边缘细节,极大提高了少量投影数据重建图像的质量。     

静态锥束CT成像系统的几何标定方法研究

采用X射线源阵列的静态CT成像系统为消除机械运动伪影,提高重建图像质量以及扫描成像效率提供了有效途径。高效、准确的几何标定方法是对X射线源阵列标定的关键。提出通过对一个已知三维标定模板的一次投影成像,采用最小二乘的直接线性变换法实现X射线成像系统的内、外参数准确估计的方法,以此方法用于静态CT扫描成像系统的几何标定。实验和仿真结果表明,该标定方法无需辅助装置,避免了满足要求条件的多次投影成像的过程;不受标定模板空间姿态的限制,一个X射线源与探测器的几何标定只需一次投影成像过程,方法简单、准确、易于操作,适于平面探测器的静态锥束X射线源阵列的成像系统几何参数的准确标定。     

细节保持的锥束CT环形伪影校正

环形伪影的存在严重影响CT图像重建质量,特别是在大型工件的CT检测中尤为严重.本文对一种重建后处理的伪影校正方法进行改进,以快速有效地消除CT图像环形伪影.首先,将CT图像从直角坐标系转到极坐标系,在极坐标系下设计多维滤波器对图像进行滤波处理.计算滤波后每个像素的均值和方差,通过计算的方差与方差阈值的比较以及像素值与像素值阈值的比较,双重精确确定伪影点的位置,对伪影点进行合理修正.之后,进行细节保持.最后,将校正后的极坐标图像转回直角坐标系.实际CT实验表明,与原方法相比,本文改进方法能更好地校正环形伪影,并保持图像细节信息,是一种实用的环形伪影校正方法,为后续处理和定量分析奠定基础.     

锥束CT图像中的印刷电路板导线自动检测方法

针对印刷电路板(PCB)的CT图像存在灰度不均匀、导线形状多变等特点导致的导线难以有效检测的问题,提出了一种基于超像素分割的PCB导线自动检测方法。该方法使用基于引导滤波的类顶帽变换对图像预处理,提高不同类别区域的类间差异,改善后续的超像素分割结果;然后选择graph-based超像素分割算法对导线定位;最后,采用导线几何形状、灰度分布等特征判断识别导线区域,实现导线检测。对存在灰度不均匀、多条导线、多尺度的PCB CT图像进行了实际实验。结果显示:该算法取得了较好的导线检测结果,在实验测试图像上检测率达到了90%以上,基本满足导线自动检测对精度和抗干扰能力的要求,具有较高的应用价值。     

基于光锥扩束机理的单脉冲激光近程静态探测方法

针对激光近程全向探测问题,在激光近程动态周向扫描探测机理研究基础上,提出了基于光锥扩束机理的单脉冲激光 近程静态周向探测方法。 基于激光近场探测理论和静态探测场空间几何分布,推导出基于光锥扩束机理的单脉冲激光近程静 态探测回波方程。 构建了单脉冲激光近程测距概率分布模型并搭建了实验室静态探测实验平台,研究了脉冲激光发射功率、倒 置反射光锥角、脉冲激光束发散角和目标尺寸投影面积对激光近程周向探测概率分布的影响机制。 结果表明:随着发射功率和 目标投影尺寸分别从 10 W 和 0. 01 m 2 增加到 30 W 和 0. 25 m 2 ,回波信号幅值亦随之从 0. 16 和 0. 43 μV 提升到 4. 22 和 5. 95 μV,随着倒置反射光锥角和光束发散角分别从 30° 和 10 mrad 增加到 120° 和 30 mrad,回波信号幅值随之从 3. 18 和 2. 52 μV 降低到 0. 88 和 1. 92 μV;周向探测概率分布随着发射功率和目标投影尺寸的增加而半宽减小且峰值增加并向左偏离、 随着倒置反射光锥角和光束发散角的增加半宽增大且峰值降低并向右偏离;探测分布对称性并不受以上 4 种因素影响。     

A fast experimental beam hardening correction method for accurate bone mineral measurements in 3D μCT imaging system

Bone mineral density plays an important role in the determination of bone strength and fracture risks. Consequently, it is very important to obtain accurate bone mineral density measurements. The microcomputerized tomography system provides 3D information about the architectural properties of bone. Quantitative analysis accuracy is decreased by the presence of artefacts in the reconstructed images, mainly due to beam hardening artefacts (such as cupping artefacts). In this paper, we introduced a new beam hardening correction method based on a postreconstruction technique performed with the use of off‐line water and bone linearization curves experimentally calculated aiming to take into account the nonhomogeneity in the scanned animal. In order to evaluate the mass correction rate, calibration line has been carried out to convert the reconstructed linear attenuation coefficient into bone masses. The presented correction method was then applied on a multimaterial cylindrical phantom and on mouse skeleton images. Mass correction rate up to 18% between uncorrected and corrected images were obtained as well as a remarkable improvement of a calculated mouse femur mass has been noticed. Results were also compared to those obtained when using the simple water linearization technique which does not take into account the nonhomogeneity in the object.     

New method for characterizing paper coating structures using argon ion beam milling and field emission scanning electron microscopy

We have developed a new method for characterizing microstructures of paper coating using argon ion beam milling technique and field emission scanning electron microscopy. The combination of these two techniques produces extremely high-quality images with very few artefacts, which are particularly suited for quantitative analyses of coating structures. A new evaluation method has been developed by using marker-controlled watershed segmentation technique of the secondary electron images. The high-quality secondary electron images with well-defined pores makes it possible to use this semi-automatic segmentation method. One advantage of using secondary electron images instead of backscattered electron images is being able to avoid possible overestimation of the porosity because of the signal depth. A comparison was made between the new method and the conventional method using greyscale histogram thresholding of backscattered electron images. The results showed that the conventional method overestimated the pore area by 20% and detected around 5% more pores than the new method. As examples of the application of the new method, we have investigated the distributions of coating binders, and the relationship between local coating porosity and base sheet structures. The technique revealed, for the first time with direct evidence, the long-suspected coating non-uniformity, i.e. binder migration, and the correlation between coating porosity versus base sheet mass density, in a straightforward way.     

Comparison of convergent beam electron diffraction and geometric phase analysis for strain measurement in a strained silicon device

Convergent beam electron diffraction and geometric phase analysis were used to measure strain in the gate channel of a p-type strained silicon metal-oxide-semiconductor field-effect transistor. These measurements were made on exactly the same transmission electron microscopy specimen allowing for direct comparison of the relative advantages of each technique. The trends in the strain values show good agreement in both the [110] and [001] directions, but the absolute strain values are offset from each other. This difference in the absolute strain measured using the two techniques is attributed to the way the reference strain is defined for each.