基于能谱匹配先验的多谱CT成像方法

现有的X射线CT成像系统,受限于多谱硬化伪影和传统单能假设的CT成像方法,只适用于结构分析却无法实现材料组分的有效区分。对此论文提出了基于能谱匹配先验的多谱CT成像方法。首先依据材料组分先验,构建能谱滤波匹配模型,设置能谱范围参数,并通过滤波获取该能谱范围内的多能投影序列;其次,针对多能投影序列,以材料组分为先验选择不同参考能量,采用改进后的ART迭代重建算法,实现了多谱CT成像。仿真实验结果表明,对于衰减系数相近的多种材质,通过选取两段不同能谱范围,重建出相应参考能量下的结果,在一定程度上改善了图像质量,对比度提高明显,可实现组分有效区分与成像。     

基于基效应分解的多谱投影序列盲分离算法研究

在常规CT成像系统中,发出的X射线是连续能谱的,导致重建图像出现硬化伪影,影响了材料组分区分,无法进行定量表征。解决这一问题的关键在于实现多能谱CT成像,利用多个窄能谱段或单能量CT图像,提高组分与图像灰度的对应性。相对于传统CT,能谱CT具有更强的组分区分能力,有利于实现物体组分的定量分析。现有的基于光子计数探测器多谱CT在成像时间分辨率和空间分辨率存在局限,基于能谱滤波的多谱CT能谱区分度受限。而基于变电压多谱投影序列盲分离的多谱CT,通过分解连续能谱投影,获取窄能谱投影,进而实现能谱CT成像,确保物质组分与重建图像灰度值的对应性,实用性较强。但是由于X射线能谱和物体组分的未知,在盲分离过程中,衰减系数未知,并且能谱划分是不确定的,导致窄能谱CT重建图像的能量指向性不强,对应能量值与参考能量偏差偏大,影响组分定量分析。因此,针对盲分离中能谱划分不确定性和重建图像能量指向性问题的开展研究。利用衰减系数的光电效应和康普顿效应分解,构建能量约束,消除能量的不确定性,降低分解所得投影重建图像的能量与参考能量值的偏差。在基于以残差的局部方差和最小为优化目标的分解模型中,将分解模型中的衰减系数按光电效应和康普顿效应分解为能量项和材料项,利用能量项的可预知性,依据预先划分的窄能谱段设置其值,固定各分解投影对应的窄能谱段,作为对能量的约束条件。求解所得各分解投影为能量已知投影,对其重建可得到能量确定的各窄能谱段的图像。选择衰减系数相近的硅铝材质构成外硅内铝圆柱体进行实验验证,在有能量约束的求解结果中,硅铝衰减系数与参考值偏差小于无能量约束,所得重建图像中硅铝变化率与理论值趋势较一致,能量指向性强,与参考能量偏差降低。结果表明,所提方法解决了基于变电压序列盲分离多谱CT成像的能量指向问题,能谱分辨率更高,组分表征更准确。     

基于MARS系统的彩色CT图像重建

针对传统的X射线CT系统因采用积分探测器难于区分材质细微差别的关键技术问题,基于MARS X射线能谱CT系统,开展了彩色CT成像技术研究。研究结果表明,对被碘溶液腐蚀的橡胶管和注射有新型造影剂(金纳米微粒)的小老鼠进行多个X射线能量段的CT断层扫描,提取和量化不同能量范围橡胶管投影数据和小老鼠的CT图像,重建出橡胶管彩色投影图像和小老鼠胸腔彩色CT图像,展现了橡胶管内部复杂结构及金纳米微粒主要集中于小老鼠胸腔上部血管的信息,显示了X射线能谱CT刻画物质信息的细微差别能力和呈现物质不同组成成分的能力。     

基于CT扫描数据的X射线能谱估计方法

X射线能谱在计算机层析成像(computed tomography,CT)图像硬化校正、双能谱CT成像、辐射剂量计算等方面具有重要作用.常用的估计X射线能谱分布的方法,利用X射线穿过不同厚度模体的衰减数据,来间接估计X射线能谱分布.由于该问题具有严重的病态性,因此如何鲁棒和准确地求解是能谱估计问题的关键.本文提出了一种利用CT扫描数据来估计X射线能谱分布的方法.该方法中考虑了谱估计和图像重建之间的相互印证关系,即谱估计正确时重建的CT图像无硬化伪影,而重建图像无硬化伪影时,则说明估计的谱准确.该方法利用这种相互印证关系构造优化模型,通过交替迭代求解,估计能谱分布和重建无硬化伪影的CT图像.数值实验和实际实验结果表明,该方法可以准确、鲁棒地估计出X射线能谱.     

基于先验组分的多谱CT序列DCM融合算法研究

多谱CT成像是通过不同谱段的CT图像表征检测对象中的不同组分。为了便于在同一视图中显示所有组分的信息,需要研究多谱CT序列的融合方法;但是常用融合方法如加权平均法、小波变换融合法等都是针对图像细节信息的优化,不能表达组分的物理特性,从而导致融合图像的灰度不具有物理表征性,影响CT的定量检测。为此,结合具有物理表征特征的数据约束模型(DCM),开展了基于先验组分的多谱CT序列DCM融合算法研究。首先通过能谱滤波分离的成像方法获得多个能谱范围内的多能投影数据,采用TV-OSEM算法重建不同能谱段的CT序列;其次,利用传统DCM模型和改进DCM模型分别对多谱CT序列进行融合,传统DCM模型是严格单能的,由于滤波后能谱的非严格单能特性,其融合结果不能表征出对象序列中的全部组分。针对此问题提出了改进DCM模型。改进DCM模型选择了新的体元定义,并且在多谱CT序列融合中引入先验组分作为参照,通过先验物质对融合结果中其他物质进行校准,实现检测对象中各组分位置的准确分布。仿真实验表明,该方法可从物理表征正确性的角度,实现多谱CT序列融合,在满足CT序列中不同组分区分的同时,其融合图像的灰度具有物理可参照性,有利于后续的CT定量检测。     

基于加权TV正则化的X射线CT系统能谱估计方法

在CT硬化伪影校正、双能CT图像重建以及CT辐射剂量计算等实际应用中,X射线的能谱信息具有重要的作用。然而,由于透射测量方程组系数矩阵的病态性、X光子的统计涨落和噪声的干扰,使得EM等能谱估计方法难以获得较精细的能谱刻画。针对该问题,提出一种基于加权TV正则化的X射线CT系统能谱估计方法。首先采用能谱能量范围内带有不同K-edge的材料作为体模以降低投影测量方程之间的相关性。然后,利用CT成像系统的几何参数来获取投影测量数据所对应的准确透射长度信息来减小投影方程的测量误差。最后,综合利用透射衰减测量数据的保真性、轫致辐射能谱部分的连续性、特征辐射能谱部分的离散性、能谱的非负性和归一性以及平均有效衰减系数等信息,使用加权TV正则化方法建立目标函数,利用正则化理论中的L曲线准则通过黄金分割参数搜索策略求得最优正则化参数及对应的能谱估计结果。分别通过不同统计波动模型下的仿真能谱和实际测量数据对算法性能进行了验证,结果表明该方法与EM等方法相比,不受初始能谱的影响,有效提高了能谱估计结果的稳定性和准确性。     

激光核聚变中的一种X光解谱方法

本文在SAND迭代法的基础上,采取带有周期性光滑化的限幅迭代方法,求解激光核聚变中的X光能谱取得了较好的结果。这个方法适用于根据亚千X射线谱仪、多道k边滤波谱仪和多道滤波-荧光谱仪的测量结果回推靶等离子体的X射线能谱。计算结果表明,该方法完全抑制了数值不稳定性,消除了非物理的“负能谱”现象和解谱结果中的数值结构。特别是该方法对初始试探谱有很强的适应性,解谱计算结果与初始试探谱无关。     

基于MARS系统的X射线能谱K-edge特性CT成像技术

针对传统的X射线CT系统因采用积分探测器难于鉴别材质的关键技术问题,基于MARS系统的X射线能谱CT,开展了X射线能谱K-edge特性的CT成像技术研究。通过对单一材质和混(复)合材质组成的物理模型的多个X射线能量段进行CT断层扫描,获得了材质的K-edge特性曲线,以此重建出了材质的CT图像。借助材质K-edge特性的CT断层图像,可以进行材质的鉴别分析或进行更多的材质认知信息的分析研究。与传统的X射线CT技术相比较,它可以提供更为丰富的X射线衰减信息。     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

变电压X射线多谱CT成像虚拟设计

复杂结构件在X射线成像时,由于射线透照方向上有效厚度差异大、成像器件动态范围受限等原因,单一电压下的射线图像易出现过曝光和欠曝光共存现象,投影信息缺失严重,无法进行CT重建,为此提出了变电压多谱CT成像理论与方法。通过改变电压改变X光谱分布,实现X光谱与检测对象有效厚度的匹配,扩展图像动态范围,确保检测对象投影信息的完整性;同时基于虚拟设计思想,建立了基于单能和多能的变电压虚拟CT模型,实现了变电压X射线CT成像的虚拟仿真。虚拟实验表明：变电压多谱CT成像原理是可行的,能够实现复杂结构件CT成像。     

光栅成像的锥束相位CT重建算法

X射线相位衬度成像对弱吸收物质有着独有的高密度分辨率,在医学、生物学、材料学等领域显示出良好的应用前景.但是其中的干涉成像法、衍射增强成像法和同轴成像法具有一定局限性,难以被广泛应用.光栅成像克服了以往相位衬度成像的缺陷,也使相位衬度成像向锥束成像发展成为可能.本文致力于锥束相位X射线计算机断层摄影术(CT)重建算法的研究,根据基于光栅的锥束相位成像的特点,利用吸收CT中FDK (Feldkamp-Davis-Kress)重建算法的思想,发展出适用于锥束相位成像的CT重建方法.该方法为滤波反投影类型,以相位一阶导数像为投影值,直接重建物体的相位项.通过仿真验证了算法的正确性.     

基于能谱CT的材料组分彩色表征研究

基于光子计数探测器的X射线能谱CT,通过增加能谱分辨率实现了CT图像由灰度向彩色的转变,提高了材料识别能力。然而随着能谱通道数量的增加,通道中的噪声也显著增加,降低了材料识别的准确性。为充分利用能谱CT图像的稀疏性以及能谱通道之间图像的相关性,提出一种多约束窄谱CT迭代重建算法,可在降低噪声的同时有效保留图像的边缘及细节部分。进一步利用主成分分析对窄谱CT图像中的能谱信息进行估计,并建立主成分图像与R,G和B颜色分量之间的映射关系,最后获取彩色CT图像。该方法通过材料组分的彩色表征可以有效识别材料,同时降低图像中的背景噪声。仿真实验和实际实验结果验证了多约束窄谱CT迭代重建算法的有效性以及利用主成分分析进行材料组分彩色表征的可行性。     

基于对数解调的递变能量CT成像方法

复杂结构件由于有效厚度差异大和成像系统动态范围受限, 单一能量下的投影数据信息不完整, 常用CT重建算法及不完全数据重建算法无法在数据缺失严重的情况, 有效实现复杂结构件的CT重建. 为此论文提出基于对数解调的递变能量CT成像方法. 该方法在分析直接高动态CT成像所存在问题的基础上, 提出利用对数变换压缩递变能量投影序列动态范围, 并利用现有的基于图像灰度一致性的融合方法, 计算融合加权系数, 再经常规重建算法实现复杂构件的CT成像. 论文并以某复杂仪表为对象, 进行实验, 相比传统的固定能量成像方式, CT信息完整, 质量高. 从而说明论文所提出的方法, 能够实现CT系统动态范围的扩展, 实现复杂结构件的高动态CT成像.     

基于X射线光子计数探测技术的材料K-edge特性识别实验研究

X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心,其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子,有助于分析不同材质的物理特性。利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统,开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。通过设置探测器的不同能量阈值,在不同能量范围获取金属材料投影图像,利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性,以识别金属材料K-edge特性。最终实验结果表明,基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统,能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系,对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。     

Lucy-Richardson迭代解谱在X射线荧光分析的应用

硬X射线调制望远镜是我国第一颗X射线天文卫星,其载荷低能X射线望远镜采用了SCD型探测器CCD236,主要对能量在0.7～13.0 keV的软X射线光子进行观测。卫星发射前,需要对探测器进行详细的性能标定,其中包括能量响应矩阵的标定。能量响应矩阵是能谱分析的关键。CCD236探测器输出能谱并不是观测光源的真实发射谱,而是发射谱与探测器能量响应矩阵的卷积结果。一般可以通过直接反卷积的方法还原光源的真实能谱。解谱过程可以看作是一维成像问题,利用能量响应矩阵与输出能谱进行反卷积解谱。常用的反卷积算法为Lucy-Richardson迭代算法,其利用条件几率的贝氏定理反复进行运算,进而对输出能谱进行反解,得到观测光源的真实发射能谱。通过能量响应矩阵对CCD236探测器的55Fe测量能谱进行解谱。经过解谱,能谱的能量分辨从144.3 eV提升到了65.6 eV@5.9 keV,连续谱成分被明显地抑制,提高了能谱的峰背比。反解能谱由两个半峰全宽很小的（<70.0 eV）高斯峰组成,两成分的强度比为8.4,能够很好地表征真实发射谱的结构。利用这种方法可对材料X射线荧光谱进行解谱,还原材料的荧光谱,提高能谱的能量分辨。反解结果中主要元素各类荧光线通过解谱彼此独立,能谱峰背比很高,可以很好地用于X射线荧光分析中,提高荧光谱的质量。     

基于Split-Bregman算法的能谱计算机层析图像重建

与传统计算机层析(CT)成像技术相比,能谱CT可在一次扫描中得到物体在不同能谱通道下的投影图像,这有利于区分物体的材质,提高信号噪声比。基于光子计数探测器的能谱CT是近年来成像领域研究的热点。由于能谱通道变窄,每个能谱通道内的噪声增加。为了有效降低通道内的噪声,采用基于全变分最小化的SplitBregman算法进行图像重建。根据重建模体的先验信息,进行能谱通道的划分;采用Split-Bregman算法对含噪声和稀疏角的能谱投影数据进行重建。仿真结果表明,基于Split-Bregman算法的能谱CT图像重建方法能够有效减少能谱通道内噪声的影响,满足物体材质区分的需求。     

X射线能谱测量的蒙特卡罗成像模拟

针对高能强流电子束轰击高Z靶产生的X射线的能谱测量问题,采用蒙特卡罗方法进行成像模拟研究。高能X射线能谱通常由对X射线经过衰减体的直穿透射率曲线进行解谱获得。设计了带多准直孔的截锥体模型,在单次模拟成像中获得完整的衰减透射率曲线,有效避免了散射光子对透射率曲线以及X射线能谱重建的影响。成像面采用非均匀划分网格计数,将大部分探测计数点集中于各准直孔出口处,保证关注区域模拟成像的精细度,同时减少总体计算时间。     

基于投影匹配的X射线双能计算机层析成像投影分解算法

X射线双能计算机层析成像(CT)技术是安全检查领域一种重要的材料探测与识别手段.双能CT投影分解是双能CT预处理重建算法的核心内容和关键步骤.针对现有投影分解算法的不足,提出了一种基于投影匹配的双能CT投影分解算法.依据系统能谱和基材料线性衰减系数曲线,通过求解投影积分方程组建立高低能投影查找表.对于给定的高低能投影,...     

高能X射线辐射成像的定量模拟与密度重建

利用蒙特卡罗方法得到的数值图像研究高能X射线辐射成像的密度重建,提出多能X射线源、多材料客体辐射成像的密度重建方法.这种方法不仅能够对包括光源能谱、角分布和尺寸在内的密度重建,而且具有显含质量吸收系数的优点.利用约束共轭梯度算法和变分正则化技术进行法国试验客体的密度重建.结果表明,该方法能够有效地进行高能X射线辐射成像的密度重建,成像光子的能谱效应对于精确的密度重建十分重要.     

高能X射线能谱测量中衰减材料特性影响北大核心CSCD

基于衰减透射原理的高能X射线能谱测量,采用蒙特卡罗成像模拟的方法研究衰减材料选择对能谱准确稳定重建的影响。设计多孔准直模型模拟X射线穿过不同衰减材料的透射过程,并在单次成像中获得完整的衰减透射率曲线。由衰减透射率求解能谱是一种病态条件问题,采用改进的迭代扰动法进行解谱,计算时考虑透射率计算值与真实值的差异最小化要求以及高能能谱分布曲线的平滑性特点。通过计算分析了材料在能谱范围内的衰减特性变化趋势与能谱准确稳定重建的内在联系。结果表明,选用材料的质量衰减系数需满足在整个能谱分布范围内单调递减的要求。