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。     

基于椭球包围盒的锥束CT三维加权重建算法

提高锥束CT大锥角圆轨道扫描下的重建图像质量一直是CT成像技术的重要研究方向。分析了圆轨道扫描下Radon空间的Z向数据缺失特点和FDK算法的灰度下降规律,提出了一种基于椭球包围盒的锥束CT三维加权重建算法。该算法无需重排,只需利用投影数据获取重建物体的最小包围盒,并根据其内接椭球的大小和空间位置自动生成三维加权函数,在反投影阶段加入该加权函数即可实现。该算法不会引入其他伪影,计算量增加很小,并且在中心层与FDK算法等价。仿真扫描实验表明,该算法显著提高了FDK算法的准确性,减小了锥角伪影。     

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.     

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。     

三维火焰温度场光纤传感器设计

传统三维火焰温度场无损测量主要利用全息干涉方法或莫尔光栅方法，这些方法存在着测量系统复杂、成本高、数据获取困难等缺点。设计出一种基于多光谱辐射层析测温原理的三维光纤温度传感系统，系统具有使用灵活，测量精度高，获得数据便捷等优点。采用重排算法及MART技术相结合作为少投影数扇形束CT重建算法。四峰温度场模型的重建结果为确定光纤温度传感器旋转及扫描参数提供了依据。     

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.     

基于Co-60放射源的锥束CT成像系统的研究

图像引导系统由于能帮助对肿瘤靶区进行精确定位,在直线加速器放疗设备上得到了成功应用.考虑到γ射线立体定向放疗设备的机械结构的特殊性,本文拟开发基于Co-60的图像引导装置.为此本文设计并安装了以Co-60为放射源的锥束CT成像系统.在该系统上成功地实现了多种轨迹(包括圆、螺旋、马鞍、圆线等)锥束CT扫描.采用一般轨迹下的基于弦线段和感兴趣区的BPF重建算法和圆轨迹下的FDK算法进行了图像重建.本文分别用头部和胸部体模研究了该系统的成像质量,最后采用Min/Max曲率流方法对重建后图像进行了去噪处理.结果表明采用该系统可以清晰地确定被扫描物体轮廓和骨性边界,为实现γ射线立体定向放疗设备在影像引导下进行病人自动摆位打下了基础.     

基于标定量具的快速锥束CT几何校准方法

锥束CT的几何参数不准确会导致重建图像出现伪影,影响分析与判断。为快速可靠地获取锥束CT的几何参数,提出了一种基于标定量具的锥束CT几何参数校准方法。标定量具的基本结构为有机玻璃管内置金属细丝,外嵌金属球;通过获得量具一定幅数的单圆轨迹扫描投影,并将得到的投影图像进行叠加,根据叠加图像的对称特性,进行对称轴拟合,所得对称轴即为旋转轴投影,通过金属球轨迹与旋转轴交点的比例关系求得射束中心的坐标;最后,利用量具平移一定距离后的投影,结合量具外轮廓直径和投影的几何关系,计算出源到旋转中心及探测器的距离。实验结果表明,该方法可以获得可靠的锥束CT几何参数,具有校准速度快、鲁棒性强的特点。     

射线源平移扫描 CT 解析重建算法研究

微焦CT通过圆周扫描可对处于视场内的物体实现高分辨力成像。针对超出视场的大物体CT成像,一种射线源平移扫描CT(STCT)被提出。STCT采用射线源直线运动的方式采集投影数据,具有结构简单、应用灵活等特点。由于在STCT扫描过程中,每个位置的射线只能照射到部分物体,投影数据存在截断。为了提高重建效率和处理截断投影数据,提出了基于数据重组的滤波反投影重建算法(rFBP),该算法基于STCT扫描特性和X射线衰减性质,通过对置射线源采样点与探测器像元,将截断投影数据重组为全局投影数据,并在此基础上推导了rFBP算法表达式。仿真和实物实验结果验证了rFBP算法的有效性与实用性,重建时间综合缩短至SIRT算法的0.6%。rFBP算法能避免截断伪影,准确、高效地重建STCT图像。     

Half-scan cone-beam X-ray microtomography formula

An x-ray shadow projection microtomographic system using a scannable point source is under development at AMIL-ARTS, SUNY at Buffalo. To overcome the limitations of the commonly used Feldkamp's cone-beam reconstruction formula, we have developed a generalized Feldkamp-type cone-beam reconstruction formula. In the generalized Feldkamp-type cone-beam reconstruction, a scanning locus can be either planar or helix-like, and a transaxial slice is reconstructed using projection data collected from a 360° angular range (full scan). In this paper, the full-scan cone-beam formula is modified to require only projection data of approximate 180° plus two fan-angles (half scan). First, a half-scan derivative-free noncircular fan-beam reconstruction formula is formulated. Then, a half-scan cone-beam reconstruction formula is derived as an extension of the half-scan fan-beam reconstruction formula using Feldkamp's procedure. Typical numerical simulation results are given for both half-scan formulae. Compared with the full-scan cone-beam formula, the half-scan cone-beam formula reduces the involved angular range of projection data and allows better longitudinal/temporal resolution.     

基于图像反卷积的平板探测器信号串扰校正

平板探测器是锥束CT的关键组成部件，像元间的信号串扰是造成平板探测器投影图像空间分辨率低于极限值的主要因素，校正平板探测器信号串扰对提高锥束CT检测精度具有重要意义。本文基于点扩散函数矩阵反卷积投影图像去串扰校正思路，研究了点扩散函数矩阵的准确性对投影图像串扰校正的影响、点扩散函数和线扩散函数的关系及其与X射线成像的相似性，提出一种结合刀口法测量线扩散函数与平行束CT扫描重建的平板探测器点扩散函数矩阵测算方法。DR/CT扫描成像实验中，应用本文方法校正信号串扰后，DR成像空间分辨率由约10 lp/mm提升至优于25 lp/mm,高能CT成像空间分辨率由不到4 lp/mm提升至优于5 lp/mm,实验证明，应用本文方法能有效校正平板探测器信号串扰，提升锥束CT图像的空间分辨率和对比度。     

Numerical efficiency of the pipeline algorithm of three-dimensional tomography

Amounts of calculations intended for implementing various algorithms of cone-beam 3D tomography reconstruction are analyzed. A technically simple way of spiral scanning meeting the requirement of completeness condition is considered. Methods for reducing the amount of calculations by considering only the necessary part of projection data for object reconstruction at a specific point and by eliminating calculation of the beam index in the reciprocal projection are proposed. A method for modeling the cone-beam tomography process is illustrated using the proposed algorithm.     

三维锥束FDK的一种新插值算法

三维锥束重建算法中,近似算法由于数学形式简单,实现容易,而且锥角较小时重建效果较好,所以,实际中广泛应用。在各种基于滤波反投影的近似算法中,FDK算法一直是实际应用中的主流。文章基于体素和晶胞的相似性,把晶胞的特点应用到体素中,提出FDK算法的一种改进方法,并用三维Shepp-Logan模型进行重建。实验结果表明,新方法重建的图像比传统FDK方法清晰,而且还有抑制噪声的作用。     

基于SIMD技术的锥束ART算法快速并行图像重建

ART(algebraic reconstruction technique)算法是一种迭代图像重建方法,适合于大型工业构件的无损检测,其缺点是计算量大、重建时间长。为了提高锥束ART算法的重建速度,本文提出一种快速并行图像重建方法。首先根据锥束CT扫描方式下三维射线的对称性提出一种权因子和体素索引的并行计算方法,通过一次计算可同时得到两条射线的权因子和体素索引;然后采用Intel处理器的单指令多数据(single instruction multiple data,SIMD)技术,一次性加载多个打包数据,利用SSE(streamingSIMD extension)指令实现了投影、计算图像校正和反投影的并行运算。实验结果表明本文提出的方法非常有效,在保证图像重建精度的同时取得了约1.5倍的重建加速比。     

Error analysis on a generalized Feldkamp's cone-beam computed tomography algorithm

To overcome the limitations of Feldkamp's cone-beam reconstruction algorithm, we generalized it in the case of noncircular and nonplanar scanning. In this paper, an error analysis is performed on this generalized approximate algorithm. The study is based on a reconstruction error formula. Roughly speaking, the error is proportional to the distance from a voxel to the mid-plane in the planar scanning mode, to the pitch of a scanning locus in the helix-like scanning mode, and inversely proportional to the horizontal size of the scanning locus. The error also depends on longitudinal variation of a specimen function. Longitudinal partial derivative distributions of specimen transverse sections are modeled as stochastic fields. Practical factors are simulated as noise terms in the reconstruction error formula. The simulation results show that the generalized Feldkamp's algorithm is not sensitive to noise and allows more accurate reconstruction in the helix-like scanning mode.     

Cone-beam reconstruction of plate-like specimens

An x-ray shadow projection microscope using a scannable point source of x-rays is under development at AMIL-ARTS, SUNY at Buffalo. Considering the characteristics of the x-ray microscope of AMIL-ARTS and the limitations of Feldkamp's cone-beam reconstruction algorithm, a general cone-beam image reconstruction algorithm has been developed. In x-ray microscopy, many specimens are plate-like. The reconstruction of a plate-like specimen appears to be a limited angle problem. A novel method is presented to reconstruct a plate-like specimen using the general cone-beam reconstruction algorithm. Shepp and Logan's head phantom is used in validating this method. A method for synthesizing projection data of ellipsoids is described. Typical simulation results are given.