电磁层析成像图像重建中的修正共轭梯度算法

通过研究共轭梯度算法,推导出适用于电磁层析成像的修正共轭梯度算法,该方法提高了收敛速度,改善了电磁层析成像重建图像的质量。首先以共轭搜索方向充分下降为充分条件,理论推导出修正共轭梯度算法。然后从相对图像误差、相关系数和收敛曲线几个方面出发,评价了Landweber迭代法、单步Tikhonov正则化方法、共轭梯度法和修正共轭梯度法在电磁层析成像图像重建中的结果,得出结论:修正共轭梯度方法的相对图像误差最小,重建图像和原图像的相关系数最高,收敛情况优于共轭梯度算法。     

Fast reconstruction of computerized tomography images based on the cross-entropy method

Computerized tomography (CT) has been applied to multi-phase flow measurement in recent years. Image reconstruction of CT often involves repeatedly solving large-dimensional matrix equations, which are computationally expensive, especially for the case of on-line flow regime identification. In this paper, a minimum cross-entropy (MCE) reconstruction based on wavelet multi-resolution processing, i.e., an MRMCE method, is proposed for fast reconstruction of CT images. Each row of the system’s matrix is transformed by 1-D wavelet decomposition. A regularized MCE solution is obtained using the simultaneous multiplicative algebraic reconstruction technique (SMART) at a coarse resolution level, where important information of the reconstructed image is contained. Then the solution in the finest resolution is obtained by inverse fast wavelet transformation (IFWT). Both computer simulation and experimental work were carried out for oil-gas two-phase flow regimes. Results obtained indicate that the MRMCE method improves the resolution of the reconstructed images and dramatically reduces the computation time compared with the traditional linear back-projection (LBP), MCE and algebraic reconstruction technique (ART) methods. Furthermore, the new method can also be used to accurately estimate the local time-averaged void fraction of dynamic two-phase flow. It is suitable for on-line multi-phase flow measurement.     

基于改进正则法的ECT图像重建算法

电容层析成像图像重建是一个典型的病态问题,其解是不稳定的。为获得良好的重建效果,需要采用既保证解的稳定性且又能提高重建图像质量的算法。本文提出了一种新的图像重建算法。在分析标准Tikhonov正则法的基础上,针对ECT逆问题的病态性进行改进,并推导出两步图像重建算法：第一步利用标准Tikhonov正则法的计算值获得权矩阵的估计;第二步采用本文所推导的改进Tikhonov正则法获得最终的重建图像。数值实验表明,该算法所获得的图像重建质量得到了明显的提高,且该算法无需迭代,保证了算法实时性。     

基于加权奇异值分解截断共轭梯度的电容层析图像重建

针对电容层析成像技术(ECT)中的软场效应和病态问题,提出了一种基于加权奇异值分解(SVD)截断共轭梯度的电容层析(ECT)图像重建算法。阐述了电容层析成像工作原理,提出了12电极ECT系统的测量方法。在分析灵敏度矩阵的奇异值分解理论的基础上,推导出了加权SVD截断共轭梯度的数学模型,并利用Tikhonov方法进行正则化加权处理。最后,分析了算法的收敛性,并将其应用于电容层析成像系统的图像重建中。实验结果表明,对于层流,截断共轭梯度算法的平均误差能达到27.54%,全部流型平均迭代步数达到13步,与LBP、Landweber和CG算法比较,该算法具有成像效果好,成像速度快,易于实现等特点。     

基于CT图像的快速成形数据建模方法

针对医学上广泛采用的CT图像数据，提出了基于CT图像的快速成形数据建模方法，通过CT图像滤波，分割，开操作等图像处理方法以及轮廓提取和采样等建模方法，得到快速成形数据接口CLI文件，进而进行原型的快速成形制造。该方法在人体右侧半骨盆置换手术中取得成功，讨论了提高模型精度，构造数据接口文件的有关问题。     

一种基于梯度和零交叉点的图像边缘检测新方法

本文提出了一种基于一阶导数局部极大值和二阶导数零交叉点的图像边缘检测方法。许多传统的边缘检测方法，尤其是一些基于二阶导数零交叉点的方法，对于信号中的噪声比较敏感使得边缘信息不能完全准确地检测出来，而本方法可以较好地解决这些问题。本文提出的算法是先计算出像素一阶导数的局部极大值以及二阶导数对应的零交叉点，将两者进行比较，删除那些二阶导数是零交叉点但一阶导数不是局部极大值的像素点，最后把剩下像素连接起来，即是图像边缘。实验研究结果表明该方法具有良好的边缘检测效果和鲁棒性。     

基于改进共轭梯度法的ERT图像重建

针对电阻层析成像(ERT)图像重建中灵敏度矩阵的病态特性导致共轭梯度法的收敛率低的问题,提出了改进的共轭梯度算法,ERT图像重建前先对数据进行归一化预处理,将解空间映射到Krylov子空间中,再通过共轭梯度法求解低维子空间中的反问题。分别利用共轭梯度法、预处理共轭梯度法和改进共轭梯度法对典型的气水两相流模型做了仿真实验。实验结果表明,改进共轭梯度法能够提高重建图像的质量,并且相对于其他算法,降低了计算时间。     

动态电容层析成像图像重建算法

提出了融合ECT测量信息和被测对象动态演化信息的新型图像重建模型;基于Tikhonov正则化方法,建立一个同时考虑了ECT测量信息、被测对象动态演化信息、时间与空间约束的新型图像重建目标泛涵,将图像重建问题转化为最优化问题;提出了集成分裂Bregman迭代法优势的新型算法求解该目标泛涵。数值仿真结果表明,所提出的图像重建算法其图像重建质量均优于OIOR算法、STR算法及PLI算法;同时由于所提出的图像重建算法同时考虑了测量数据和重建模型的不精确性,其抵抗测量噪声的能力得以提高。     

基于Delaunay三角剖分的多相流射线层析成像

为提高多相流CT系统重建图像质量,提出基于Delaunay三角剖分的射线层析成像方法.根据模型构造点集,对管道截面进行多尺度Delaunay三角剖分,根据三角形重心在探测阵列上的投影到其最近探测阵列元的归一化距离,确定各剖分单元的投影系数,并采用不同的重建算法进行图像重建.仿真与实验结果表明,该方法可利用少量投影数据重建图像,改善了工业多相流检测中投影数据不完整造成的图像失真;与均匀剖分相比,多尺度剖分明显改进了图像精度和实时性.     

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。     

窄角锥束CT的改进扫描方式

基于圆形扫描轨道的FDK算法因其机械实现简单、算法效率高，已成为目前主要使用的三维锥束CT重建算法。但在工业CT（ICT）中，当探测器面阵的尺寸较小、射线束的水平张角较小，而待检测的工件较大时，单圆扫描的FDK重建算法受到限制。为解决小尺寸探测器检测大尺寸工件问题，本文研究了一种大步距平移加小分度旋转的扫描方式。与Ⅱ代锥束CT比，这种改进的扫描方式既可以节省扫描时间，数据的冗余量也比较少。仿真实验结果表明，这种改进的扫描方式具有良好的空间分辨率和密度分辨率。     

一种皮鞋内腔尺寸CT测量仪

针对目前皮鞋内腔尺寸测量尚无有效的测量方法，致使制鞋业的产品设计生产落后、皮鞋的档次低及品种少的实际情况，本文研究开发了一种基于CT技术的皮鞋内腔尺寸自动测量仪。皮鞋内腔尺寸CT测量仪由6个部分组成，即X射线源与前准直器、探测系统、机械扫描及控制系统、主计算机系统、图像重建与处理系统及尺寸测量分析系统。研究结果表明，重建出的皮鞋内腔CT图像清晰，尺寸误差〈0．4mm，达到了设计使用的要求，为皮鞋内腔尺寸的无损测量提供了一种新的检测手段。     

CT图像表面重建技术中的边缘轮廓提取方法

论述了 CT图像表面重建技术中的边缘轮廓提取方法。采用该方法 ,得到了 CT图像的截面数据 ,进而利用CAD软件实现了 CT图像表面的三维重建。最后给出了儿童股骨三维表面重建的实例     

A second-order time-accurate finite element method for analysis of conjugate heat transfer between solid and unsteady viscous flow

A fractional four-step finite element method for analyzing conjugate heat transfer between solid and unsteady viscous flow is presented. The second-order semi-implicit Crank-Nicolson scheme is used for time integration and the resulting nonlinear equations are linearized without losing the overall time accuracy. The streamline upwind Petrov-Galerkin method (SUPG) is applied for the weighted formulation of the Navier-Stokes equations. The method uses a three-node triangular element with equal-order interpolation functions for all the variables of the velocity components, the pressure and the temperature. The main advantage of the method presented is to consistently couple heat transfer along the fluid-solid interface. Five test cases, which are the lid-driven cavity flow, natural convection in a square cavity, transient flow over a heated circular cylinder, forced convection cooling across rectangular blocks, and conjugate natural convection in a square cavity with a conducting wall, are selected to evaluate the efficiency of the method presented. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Kyung-Soo Yang Atipong Malatip received his B.S. degree in Mechanical Engineering from King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, Thailand, in 2002. He then received his M.S. degree in Mechanical Engineering Chulalongkorn University, Thailand, in 2005. He is currently pursuing a Ph.D. degree in Mechanical Engineering at Chulalongkorn University. His research interests include computational fluid dynamics and fluid-thermal-structural interaction. Niphon Wansophark received his B.S., M.S., and Ph.D. degrees in Mechanical Engineering from Chulalongkorn University, Thailand in 1996, 2000, and 2007, respectively. He is an Assistant Professor of Mechanical Engineering at Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand. His research interests are numerical methods and finite element method. Pramote Dechaumphai received his B.S. degree in Industrial Engineering from Khon-Kaen University, Thailand, in 1974, M.S. degree in Mechanical Engineering from Youngstown State University, USA in 1977, and Ph.D. in Mechanical Engineering from Old Dominion University, USA in 1982. He is currently a Professor of Mechanical Engineering at Chula-longkorn University, Bangkok, Thailand. His research interests are numerical methods, finite element method for thermal stress and computational fluid dynamics analysis.     

A novel method of plotting sensor sensitivity field and image reconstruction algorithm for electrical capacitance tomography system

Sensor sensitivity field in electrical capacitance tomography is affected by the distribution of multiphase medium, which is the peculiarity of soft field. This brings great difficulty for image reconstruction. To improve the quality of image reconstruction, it is important to analyze the distribution of the sensitivity field. In this article, using the finite element method, we expound a kind of novel plotting pattern to field, which is the distribution of sensitivity field through computer simulation. From experiments and results of sensitivity field analysis, a novel method of image reconstruction based on genetic algorithms is presented. The finite element model is correct and simulation result is fine by adopting unequal interval plotting patterns. At the same time, the result of image reconstruction has high precision. __________ Translated from Chinese Journal of Scientific Instrument, 2005, 26(3) (in Chinese)     

基于CT图像的个性化人工膝关节设计与制造研究

针对目前我国人工膝关节主要依赖进口且膝关节面形状个体化匹配程度不高的现状，介绍了根据患者膝关节CT图像，经图像处理、三维重建和计算机辅助设计，最后利用基于快速成型的熔模铸造技术制造人工膝关节的方法。利用这种方法也可实现其他人工关节的个性化设计与制造。     

基于预分割轮廓的CT图像亚体素表面检测方法

针对基于CT(computed tomography)图像检测分析中的点云提取精度与完整性问题,提出一种基于预分割轮廓的高精度、高完整性的亚体素表面检测方法。首先采用Otsu分割算法提取CT图像的体素级轮廓点集,并以此作为粗定位轮廓自适应地生成用于亚体素表面检测的完备感兴趣区域(region of interest,ROI);然后提出一种基于梯度非极大值抑制的表面体素判定方法,避免了梯度阈值选择难题;最后基于3D Facet模型定位亚体素级表面点位置。实验结果表明,该方法能有效改善传统亚体素检测方法的轮廓丢失、伪边严重等问题,轮廓定位误差小于0.2个体素,同时能够取得3倍以上的计算加速比。     

基于预优化变换的电容层析成像图像重建算法

本文提出了一种新型快速电容层析成像的图像重建算法。该方法首先将图像重建的病态问题转化为泛函极小化问题，然后采用Fletcher-Reeves算法（FR）有效地求解该泛函，并在求解的过程中引入物理意义上的约束使获得的解更符合实际情况。数值实验表明该算法的图像重建效果优于线性反投影法、Tikhonov正则法和Landweber迭代法，而且该算法具有较强的抗噪声能力。     

电磁层析成像灵敏度矩阵实验测试方法

灵敏度矩阵是电磁层析成像系统图像重建的先验信息,它反映了电磁层析成像系统在重建截面内微小测试单元逐个放入扰动物质后检测输出值的变化。为实现较为精细的图像重建效果,通常将截面剖分成数量较多的微小单元,用于灵敏度计算和重建结果表达,所以电磁层析成像灵敏度矩阵一般依靠电磁场有限元仿真计算正问题的方法获得。但有限元仿真的正问题模型难以与实际模型完全一致,导致图像重建的先验信息不准,从而影响重建效果。区别于传统研究方法,设计了灵敏度矩阵的实验测试方法,应用精密电动平移台驱动测试试样,使试样按照有限元软件对截面剖分的单元坐标自动逐个测试,最后应用测试结果合成重建所需灵敏度矩阵,图像重建结果证明了该方法的有效性。     

基于MCMC方法的电容成像图像重构算法

研究基于概率统计的电容成像图像重构算法,以马尔科夫随机场的方式给出介电常数分布的先验概率,利用电容成像(electrical capacitance tomography,ECT)线性模型得到似然函数,通过马尔科夫链蒙特卡罗(Markov chain Monte Carlo,MCMC)方法对介电常数分布的后验概率密度进行采样,马尔科夫链的转移核利用Metropolis-Hastings方法得到,结合嵌套迭代提高计算效率。仿真结果表明,嵌套迭代-MCMC方法在正则化参数设置合适的条件下,可以得到较好的图像质量,基于MCMC方法图像重构算法为解决ECT图像重构问题提供一种新思路。