螺旋锥束计算机断层成像倾斜扇束反投影滤波局部重建算法

螺旋锥束计算机断层成像(CT)作为常用的临床诊断工具,如何尽可能地减少其辐射剂量是热点研究领域之一.局部成像利用准直器减小射线直照区域,能够有效降低CT辐射剂量.然而,局部成像会造成投影数据横向截断,产生局部重建问题.现有螺旋反投影滤波(BPF)算法只能实现局部曲面重建,难以实现局部体区域重建.在圆轨迹扇束BPF算法的基础上,通过加权修正和坐标扩展,提出了螺旋锥束CT倾斜扇束反投影滤波(TFB-BPF)重建算法.该算法把重建区域按层划分,对各层构建倾斜的扇形束几何,并使用经过加权修正的TFB-BPF算法逐层进行重建.该算法最大的优势是滤波线(与原始螺旋锥束BPF算法中PI线等价)在二维平面内选择,算法更加简洁高效,并且能够应用于局部体区域的重建.实验结果表明,算法能够有效重建物体局部体区域,并且重建图像质量较好,没有明显的截断伪影.     

Novel Fourier-based iterative reconstruction for sparse fan projection using alternating direction total variation minimization

Sparse-view x-ray computed tomography(CT) imaging is an interesting topic in CT field and can efficiently decrease radiation dose. Compared with spatial reconstruction, a Fourier-based algorithm has advantages in reconstruction speed and memory usage. A novel Fourier-based iterative reconstruction technique that utilizes non-uniform fast Fourier transform(NUFFT) is presented in this work along with advanced total variation(TV) regularization for a fan sparse-view CT. The proposition of a selective matrix contributes to improve reconstruction quality. The new method employs the NUFFT and its adjoin to iterate back and forth between the Fourier and image space. The performance of the proposed algorithm is demonstrated through a series of digital simulations and experimental phantom studies. Results of the proposed algorithm are compared with those of existing TV-regularized techniques based on compressed sensing method, as well as basic algebraic reconstruction technique. Compared with the existing TV-regularized techniques, the proposed Fourier-based technique significantly improves convergence rate and reduces memory allocation, respectively.     

Preconditioning for multidimensional TOMBO imaging

In this Letter, we propose a preconditioning method to improve the convergence speed of iterative reconstruction algorithms in a compact, multidimensional, compound-eye imaging system called the thin observation module by bound optics. The condition number of the system matrix is improved by using a preconditioner matrix. To calculate the preconditioner matrix, the system model is expressed in the frequency domain. The proposed method is simulated by using a compressive sensing algorithm called the two-step iterative shrinkage/thresholding algorithm. The results showed improved reconstruction fidelity with a certain number of iterations for high signal-to-noise ratio measurements.     

探测器偏置重建算法在工业CT检测中的应用

工业CT检测对象的大小是不固定的,最大限度地利用已有探测器的成像面积非常重要。采用探测器偏置来获得更大的扫描视野,并推导相应的重建算法。该算法首先使用Parker类型函数对采集到的投影数据中的冗余部分进行加权,然后采用扇束滤波反投影重建算法重建得到断层图像。在实验中使用实际工业CT系统分别采集钢制线对块与铝合金变速器外壳的投影数据进行重建算法的验证,重建结果证明了使用的探测器偏置重建算法的正确性与有效性,且空间分辨率和标准扫描的重建结果保持一致,这个方法可以在工业CT成像上有效使用。     

倒置结构锥形束计算机层析的精确成像与Grangeat算法实现

研究了一种新的圆加垂直单弧段的锥顶轨迹的锥形束计算机层析（CT）的完全性条件和精确重建的Grangeat方法，提出了倒置结构锥形束计算机层析的便于实现的圆加垂直多弧段的成像结构及进行精确重建的完全性条件。利用倒置成像结构与现有成像结构之间的等价关系，给出了倒置结构锥形束计算机层析的重建算法。最后，对上述几方面进行了计算机模拟。     

A high precision phase reconstruction algorithm for multi-laser guide stars adaptive optics

Adaptive optics(AO) systems are widespread and considered as an essential part of any large aperture telescope for obtaining a high resolution imaging at present.To enlarge the imaging field of view(FOV),multi-laser guide stars(LGSs) are currently being investigated and used for the large aperture optical telescopes.LGS measurement is necessary and pivotal to obtain the cumulative phase distortion along a target in the multi-LGSs AO system.We propose a high precision phase reconstruction algorithm to estimate the phase for a target with an uncertain turbulence profile based on the interpolation.By comparing with the conventional average method,the proposed method reduces the root mean square(RMS) error from 130 nm to 85 nm with a 30% reduction for narrow FOV.We confirm that such phase reconstruction algorithm is validated for both narrow field AO and wide field AO.     

半覆盖锥束CT中扁平物体的高效反投影滤波重建

全覆盖圆轨迹扫描的成像视野受探测器宽度限制, 对于大物体的成像效率较低.半覆盖扫描可以将成像视野扩展近1倍, 图像重建首推使用反投影滤波型算法. 反投影滤波型算法按PI线重建, 各PI线积分区间的不一致性导致通信和计算消耗大, 影响重建效率. 针对半覆盖成像中扁平形状物体的重建问题, 提出了一种改进的反投影滤波型算法, 且证明了当扁平物体的厚度小于2Rsin(2π/N_p) (R为扫描半径, N_p 为圆扫描一周均匀采集的投影数量)时, PI线积分区间的不一致性在数值计算过程中的误差是可以忽略的. 改进后的算法相比原半覆盖反投影滤波算法具有两个明显的优势: 一是数值计算过程中角度循环移至PI线循环之外, 算法的通信需求显著降低; 二是投影数据求导、反投影和沿PI线滤波三个步骤均能够并行计算, 算法的并行性得到增强.数值仿真与实际数据的实验结果表明, 本文算法与原半覆盖反投影滤波算法的重建精度相当, 但计算效率提高了4.6倍. 关键词： 锥束CT 半覆盖成像 反投影滤波 PI线     

同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究

基于北京同步辐射装置(BSRF)开展了同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术(CT)研究.利用北京同步辐射的14 keV单色X射线作为光源,以高分辨能力的X射线胶片作为探测器,分别开展吸收衬度和同轴相位衬度成像的比较研究以及相位衬度计算机X射线断层摄影术研究.相位衬度计算机X射线断层摄影术重建采用Bronnikov提出的算法.结果显示,与传统的吸收衬度图像相比,相位衬度图像具有更好的衬度和更高的空间分辨力;实验获得人工样品和蝗虫的相位衬度计算机X射线断层摄影术重建图像.重建图像中可见样品的一些结构细节.实验结果表明,相位衬度X射线成像更适合于研究弱吸收或吸收差异很小的材料;利用北京同步辐射开展同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究是可行的.     

基于改进维纳逆滤波的衍射成像光谱仪数据误差分析与重构

衍射成像光谱仪探测到的高光谱数据需要进行计算与反演才可以得到成像光谱数据,本文对衍射成像光谱仪的成像过程及数据误差产生的原理从空间维和光谱维两方面进行了分析,并针对其光谱重构过程中系统点扩散函数标准差较大时重构结果清晰度较低、存在振铃等问题,提出了基于改进维纳逆滤波的光谱数据重构算法,该方法在分析衍射成像光谱仪数据特点与误差的基础上,将每一次维纳逆滤波的重构结果视为新的模糊图像,利用成像过程及维纳逆滤波的基本原理确定新的模糊图像对应的点扩散函数,反复进行维纳逆滤波达到提高图像清晰度的效果,再根据图像自身的空间和光谱特征分布,进行自适应性的噪声去除.利用模拟的衍射成像光谱数据进行验证,在系统点扩散函数的标准差为2.5的情况下,能得到无振铃的重构结果,且与传统维纳逆滤波法的重构结果进行比较,清晰度、细节能力等指标均有所提高,满足了衍射成像光谱数据应用需求.     

A complex image reconstruction algorithm for real-time measurement of transient field

Optical CT is now expanding into reconstruction from few views or limited-view range projection considering the economy and practicality. To solve the conflict of velocity and precision, which are two main aims that image reconstruction algorithm pursued, an innovative complex image reconstruction algorithm for real-time measurement of transient field is proposed. This method reconstructs computerized tomography (CT) image firstly by frequency spectrum approach reconstruction technique (FSART) and then by modified simultaneous algebraic reconstruction technique (MSART) and can give a fast and precise reconstruction to complicated transient field.     

用于层析粒子图像测速的模拟粒子场成像

对层析粒子图像测速(PIV)技术中示踪粒子成像部分进行理论分析,并结合真实风洞的相应参数,通过搭建模拟粒子成像平台的方法来进行研究。设计了一套体积为80 mm×100 mm×100 mm的激光照明系统,以提供粒子场的入射光强。建立了示踪粒子的三维成像模型,从而得到层析PIV系统的模拟图像。分析了影响PIV系统成像质量的相关因素。在单像素粒子数为0.007 7的情况下,通过真实粒子图像和模拟粒子图像比较,验证了该方法的正确性。     

一种圆轨迹锥束CT中截断投影数据的高效重建算法

本文基于数据重排方法, 提出了T-BPF (Tent-BPF)算法, 该算法先将锥束投影数据重排成平行投影数据, 然后使用一种推导的BPF型算法重建重排后的平行投影数据. T-BPF算法将原BPF算法反投影中变化的角度积分限变成固定的, 反投影中各层循环之间没有了相关性, 这意味着T-BPF算法较原BPF算法具有更好的可并行性. 实验结果显示: 使用GPU对256³的Shepp-Logan体模的图像重建进行并行加速, T-BPF算法在保证重建质量的前提下, 加速比达到了1036, 较原BPF算法有很大提升. T-BPF算法为截断投影数据的3D图像快速重建提供了方法. 关键词： X射线光学 CT 图像重建 GPU     

基于压缩传感和代数重建法的CT图像重建

代数重建法(ART)是一种重要的CT图像重建方法,适合于不完全投影数据的图像重建,其缺点是重建速度慢。为提高图像重建的质量和速度,利用压缩传感理论提出了一种基于ART的高质量图像重建算法。该算法将CT图像的梯度稀疏性结合到ART图像重建中,在每次迭代中的投影操作结束后用梯度下降法调整全变差,减小图像梯度的l1范数。实验结果验证了该算法的有效性。     

Tomographic reconstruction using prior with adaptively binary neighborhood

Bayesian approaches can be used to improve ill-posed image reconstruction by regularizing the inverse solution using spacial or temporal neighborhood information. This paper proposes a prior with adaptively binary neighborhood (ABN prior) for statistical tomographic reconstruction. With binary weight map adapted to local image features, the proposed prior can lead to improved reconstruction by including relevant pixels belonging to similar structures and excluding those not. A two-step algorithm is also put forward for tomographic reconstruction using the proposed prior. Experiments using both simulated and clinical computerized tomography (CT) data are performed to validate the reconstructions with the proposed ABN prior.     

自适应光学系统中波前重建的快速求解

当激光在大气中传输时,光通道中介质折射率的随机变化,引起激光波前的畸变,导致激光的扭曲、畸变,降低了光学系统的性能.波前畸变可以由自适应光学进行补偿、校正.为了进行实时补偿,补偿必须能快速响应波前畸变的信息.基于这一思想,文章对有关波前重建的三种基本方式进行研究.利用变化矩阵的稀疏特性,根据各自的特点发展了存储单元少、反映速度快的计算方案.并分别对不同形状的波前进行了重建,以示对方案的检验.     

基于聚焦换能器的超声透射CT技术*

超声透射CT技术能够重建物体横断面的图像,为了重建高质量图像,分别从换能器和图像重建算法两个方面展开研究。分析了弧形线聚焦换能器焦域处聚焦切片尺寸与换能器几何尺寸的关系及其对CT检测的影响。搭建了超声透射CT检测系统,以等角扇形束的扫描方式获取投影数据,并利用滤波反投影和最小二乘正交分解两种算法重建图像,对比发现最小二乘正交分解算法通用性更强,成像质量更佳。实验结果表明,利用聚焦换能器并结合最小二乘正交分解算法对物体进行CT检测,能够取得较好的成像结果,检测分辨力可达毫米量级。     

基于高斯核主成分分析的多通道拉曼光谱重建

针对多通道拉曼成像系统常会受荧光背景、噪声等非线性因素的影响而导致拉曼光谱重建结果一般的问题,提出了一种基于高斯核主成分分析的拉曼光谱重建算法.首先利用相似度因子对标定样本数据集进行预处理,其次通过高斯核函数将标定样本以非线性形式映射至高维特征空间,接着在特征空间中对映射后的数据集提取基函数并通过伪逆法求得与之对应的基函数系数.使用聚甲基丙烯酸甲酯作为测试样本,并引入均方根误差来评估拉曼光谱重建结果的准确性.实验结果表明,相比传统的伪逆法与维纳估计法,该算法具有更高的重建精度及抗噪能力,且能有效降低标定样本中不良数据和成像系统中非线性因素对拉曼光谱重建的影响.因此,该算法可以为多通道拉曼快速成像提供一种有效的拉曼光谱重建算法.     

自适应光学系统的实时模式复原算法

 分析了自适应光学系统中实时模式复原算法的基本原理，建立了一种新型的传感器本征模复原算法。与常用的直接斜率法相比，这种模式复原算法可以有效减小探测噪声对复原计算过程的影响，提高系统的闭环稳定性和校正效果。在61单元自适应光学系统上实现了这种模式复原算法，并在实际大气湍流中对传感器本征模复原算法和直接斜率法进行了实验对比研究。     

Hard-x-ray region tomographic reconstruction of the refractive-index gradient vector field: imaging principles and comparisons with diffraction-enhanced-imaging-based computed tomography

The unique tomographic imaging method based on refractive effects that was recently developed by Maksimenko et al. [Appl. Phys. Lett. 86, 124105 (2005)] exhibits an excellent imaging property in the hard-x-ray region for phase objects such as soft materials and biological samples. However, there seems to have been little consideration of the physical aspects of the underlying imaging principles. Also, as the method is similar to diffraction-enhanced-imaging (DEI)-based computed tomography (CT), the difference between these two methodologies has not been made clear. We theoretically consider the imaging principles starting from the measurement process to the reconstruction procedures from the viewpoint of geometrical optics and then clarify their difference in relationship to the physical quantities to be depicted. The major feature of this novel method is the in-plane two-dimensional vector-field reconstruction of the refractive-index gradient in an object, while DEI CT obtains the out-of-plane scalar-field gradient component. In other words, the novel method and DEI CT present the transverse and the longitudinal components, respectively, of the three-dimensional vector fields of the gradient refractive index. Therefore they can be considered complementary to each other.     

选择性双向顺序压缩感知重建动态磁共振成像

压缩感知是一种新兴技术,该技术能够用远低于奈奎斯特采样频率采集的信号恢复出原始信号. 压缩感知成像方法大大提高了心脏磁共振成像的采集速度,已有的方法主要利用动态图像时间相关及心脏的周期性运动特征,如采用在时间维做傅立叶变换或求解每帧数据跟参考帧数据的差异获取稀疏数据,满足压缩感知重建的要求. 该文提出了选择性双向顺序压缩感知重建算法,利用相邻帧的差异更小的特点,获取更加稀疏的差异数据,同时利用动态图像的周期性,以目标函数积分为判据,在时间顺序和时间逆序两个方向选择效果更好的方向进行数据重建,降低图像伪影和噪声. 该选择算法,可以在不增加重建时间的情况下,选择双向顺序重建中最佳的结果. 该文对心脏磁共振图像数据进行了数据处理实验,并且跟传统压缩感知算法、参考帧差异方法及匙孔成像方法进行了比较. 结果表明：该方法无论从视觉效果还是从统计结果上,都有很大的改善.