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。     

重排的半覆盖螺旋锥束CT的反投影滤波重建

由于传统的螺旋锥束CT系统采用的扫描方法使视场范围受到限制,本文深入分析了螺旋锥束CT的半覆盖扫描方式,提出了螺旋锥束半覆盖扫描的重建算法。该扫描方式只要求射线束覆盖物体横截面的一半以上,探测器的宽度和投影数据量大约是传统螺旋锥束CT的一半,从而节约了探测器的成本。结合扇形束投影的特点和二维反投影滤波(BPF)来实现这种横向截断投影的重建,研究了重排的加权BPF重建方法。该方法首先根据重建的层将半覆盖的螺旋锥束CT投影数据重排为半覆盖的扇形束CT投影,然后用加权的扇形束BPF算法进行重建。同传统视场区域横截面全覆盖的FDK算法相比,该方法即使在大螺距的情况下其重建结果也更接近于真实值,而且均方误差减少了一半,重建时间节约了3/5。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备的研发

近年来,我国口腔疾病患病水平呈明显上升趋势,而我国现有口腔CT设备研发水平处于初级阶段,尚未很好满足临床需求。为提升口腔疾病的诊断效率,团队研发了一款新型口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备(口腔CT)。该设备选用KL29型X射线管和PaxScan非晶硅探测器,保证获取质量卓越的投影数据;采用低剂量重建算法及脉冲扫描方式,有效降低曝光剂量,获得优质CBCT图像;采用探测器偏置技术增大CT图像FOV成像面积。     

Wide-band acousto-optic deflectors for large field of view two-photon microscope

Acousto-optic deflector (AOD) is an attractive scanner for two-photon microscopy because it can provide fast and versatile laser scanning and does not involve any mechanical movements. However, due to the small scan range of available AOD, the field of view (FOV) of the AOD-based microscope is typically smaller than that of the conventional galvanometer-based microscope. Here, we developed a novel wide-band AOD to enlarge the scan angle. Considering the maximum acceptable acoustic attenuation in the acousto-optic crystal, relatively lower operating frequencies and moderate aperture were adopted. The custom AOD was able to provide 60 MHz 3-dB bandwidth and 80% peak diffraction efficiency at 840 nm wavelength. Based on a pair of such AOD, a large FOV two-photon microscope was built with a FOV up to 418.5 μm (40× objective). The spatiotemporal dispersion was compensated simultaneously with a single custom-made prism. By means of dynamic power modulation, the variation of laser intensity within the FOV was reduced below 5%. The lateral and axial resolution of the system were 0.58-2.12 μm and 2.17-3.07 μm, respectively. Pollen grain images acquired by this system were presented to demonstrate the imaging capability at different positions across the entire FOV.     

Laser‐preparation of geometrically optimised samples for X‐ray nano‐CT

A robust and versatile sample preparation technique for the fabrication of cylindrical pillars for imaging by X‐ray nano‐computed tomography (nano‐CT) is presented. The procedure employs simple, cost‐effective laser micro‐machining coupled with focused‐ion beam (FIB) milling, when required, to yield mechanically robust samples at the micrometre length‐scale to match the field‐of‐view (FOV) for nano‐CT imaging. A variety of energy and geological materials are exhibited as case studies, demonstrating the procedure can be applied to a variety of materials to provide geometrically optimised samples whose size and shape are tailored to the attenuation coefficients of the constituent phases. The procedure can be implemented for the bespoke preparation of pillars for both lab‐ and synchrotron‐based X‐ray nano‐CT investigations of a wide range of samples.     

基于逆向工程的个性化人工关节三维CAD数模的建立

通过螺旋CT扫描人体股骨关节,得到二维断层图像数据,利用数据处理软件将二维图片转换成三维点云数据,继而依据点云数据,采用计算机三维重构技术,构建了股骨的三维CAD数字模型.     

基于微端面光纤面板的多孔径视场重叠复眼的视场模型

介绍了多孔径视场重叠的仿生复眼成像系统的性能,建立了基于微端面光纤面板的多孔径视场部分重叠型复眼的成像视场模型。系统地分析了选用的器件参数如顶面、侧面和角面子复眼间的视场角、视场重叠率、视场重叠距离等参数对系统性能的影响,并通过实验系统的复眼视场以及视场重叠率的测量验证了模型的有效性。实验测试显示:本文建立的视场模型与测试结果具有很好的一致性,系统侧面与角面视场的实测值与理论值的误差分别为3.58%和12%;顶面与侧面和角面的视场重叠率误差分别为3.33%和5.17%。该复眼成像视场模型为进一步研究复眼成像的目标探测和跟踪理论奠定了基础,对多孔径视场重叠仿生复眼成像系统的优化设计具有指导作用。     

一种超视场零件影像测量仪的研制

针对超过摄像机视场范围的待测零件,必须进行多次拍摄,然后对系列图像进行拼接以形成完整的零件图像。为了实现图像获取和拼接的自动化,设计了X-Y-Z三轴运动控制平台对定焦相机进行精确定位,讨论了仪器的配置、基于归一互相关测度的模板匹配算法的图像拼接技术以及算法优化策略。     

视场外回波引起条纹场扫描成像重构混叠现象研究

为了消除成像视场外回波对条纹场扫描成像(又称为傅立叶望远镜或者相干场成像)的可能影响,本文从理论上分析回波引起重构混叠的主要原因,并针对不同的应用场合提出对应的最佳解决方案。本文通过计算机仿真手段详细研究不同照明区域回波对成像的影响,仔细分析增加短基线方案对重构模糊的改善效果。仿真结果表明:三光束(同时发射的最多光束)重叠区域的回波对重构结果有最严重影响;增加短基线可以消除图像混叠,单臂增加一个短基线则能使图像质量明显改善,对应的斯托里尔比(Strehl ratio)从0.49上升到0.59;且单臂增加基线数越多,则重构图像细节就越丰富。本文所提出的消除成像视场外回波影响的几种方案对于条纹场扫描成像系统在不同领域的应用均具有重要的借鉴价值。     

大视场液晶自适应视网膜成像系统

设计了大视场眼底自适应成像系统,用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析,确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中,采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换,避免了大视场中眼波像差探测失真问题,使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍,大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。     

Computer image processing of electron micrographs of biological structures with helical symmetry

Methods are described for the analysis of electron micrographs of biological objects with helical symmetry and for the production of three-dimensional models of these structures using computer image reconstruction methods. Fourier-based processing of one- and two-dimensionally ordered planar arrays is described by way of introduction, before analysing the special properties of helices and their transforms. Conceiving helical objects as a sum of helical waves (analogous to the sum of planar waves used to describe a planar crystal) is shown to facilitate analysis and enable three-dimensional models to be produced, often from a single view of the object. The corresponding Fourier transform of such a sum of helical waves consists of a sum of Bessel function terms along layer lines. Special problems deriving from the overlapping along layer lines of terms of different Bessel order are discussed, and methods to separate these terms, based on analysing a number of different azimuthal views of the object by least squares, are described. Corrections to alleviate many technical and specimen-related problems are discussed in conjunction with a consideration of the computer methods used to actually process an image. A range of examples of helical objects, including viruses, microtubules, flagella, actin, and myosin filaments, are discussed to illustrate the range of problems that can be addressed by computer reconstruction methods.