考虑旋转中心标定误差的中子偏置计算机断层扫描成像方法

中子偏置CT(computed tomography)扫描是一种有效的大尺寸样品层析检测方法,但投影数据截断会导致较大的CT系统转台旋转中心标定误差,严重影响成像质量。基于投影数据对称性原理,提出了一种计算旋转中心左侧和右侧投影数据和之间方差的偏置CT扫描旋转中心精确标定算法。设计了对称补数据重建算法和投影数据预处理重建算法,验证得到,对称补数据重建算法对旋转中心标定误差更为敏感,较小的误差值会导致补齐后投影数据出现拼接缝以及拼接错位问题。提出了一种中子投影数据噪声仿真方法,设计的三维仿真模体验证了所提标定算法与投影数据预处理重建算法在不同旋转中心偏置大小以及不同强度投影噪声条件下的性能优势。基于反应堆中子源开展了中子偏置CT扫描成像验证实验,获得了样品清晰的内外部结构细节,中子CT成像系统的成像视野扩大了31.4%。     

锥束射线RT扫描大视场三维CT成像方法研究

受探测器尺寸和重建锥角的限制,基于单圆轨道扫描和FDK算法的三维CT成像方法难以对大物体进行三维CT成像。提出了一种基于平板探测器,采用锥束RT扫描方式的成像方法,推导了其三维CT成像算法。首先把对回转物体进行三次锥束平移透照的投影数据重新排成为更大范围的倾斜平行投影数据,然后经过加权滤波和反投影重建,获得物体的三维层析结果。仿真结果表明,该方法在重构大物体图像时,获得了满意的图像质量。水平方向视场是单圆轨道FDK算法视场的2.88倍,在垂直方向减少了锥角过大形成的伪影,提高了物体的重构精度。     

一种新的二维CT扫描方式及其重建算法

介绍了一种二维CT扫描方式及其重建算法。它是一种利用近轴X光线,针对大型回转试件的二维CT检测方法。被扫描试件依次绕与探测器平行的多个旋转中心各旋转一周。在旋转过程中,射线源在周向均布的多个角位置发射射线,同时探测器接收射线并记录投影数据。同传统的二代CT相比,对一个具体例子的计算表明,它可以节约3/4的扫描时间。计算机仿真表明了这种扫描方式和重建算法的可行性。     

X射线CT转台单侧两次螺旋扫描单层重排重建算法

锥束计算机断层成像(CT)在临床医学及工业无损检测等诸多领域获得了越来越广泛的应用。但是,受面阵探测器尺寸等硬件条件限制,锥束CT的成像视野有限,难以满足实际应用中对大尺寸物体成像的需求。为了扩展锥束CT的视野,提出了锥束CT转台单侧两次螺旋扫描单层重排重建算法。该算法在转台的同一侧进行两次螺旋扫描,通过统一成像几何条件,将两组螺旋锥形束投影重排为多层平行束投影,利用平行束投影的对称性去除数据的横向截断,得到一组完全覆盖物体横截面的平行束投影数据,再通过滤波反投影方式得到重建图像。实验结果表明,该方法的成像视野扩展率可达2.56,且成像质量与传统全覆盖算法相当。     

锥束射线三维大视场工业CT成像方法研究

基于FDK重建算法和圆轨道锥束扫描的三维ICT(industrial computed tomography)因算法的简洁性和工程实现的可行性已成为目前主要的3D-ICT成像技术。由于受探测器长度的限制,该技术的扫描视场小,所以可检构件尺寸受到限制。为解决较大尺寸构件3D-ICT的检测问题,讨论了一种仅需旋转检台偏置的大视场3D-ICT成像方法,推导了基于FDK原理的滤波反投影(filter back-projection,FBP)重建算法。计算机模拟和实验结果证明了该技术的正确性。分析表明,其水平方向的有效扫描视野比基于FDK的圆轨道锥束扫描三维CT提高了80%以上。     

基于代数重建算法的有限角度扫描的光声成像

由于滤波反投影重建算法要求对成像区域进行全方位扫描以获取完全投影数据,它需要较长时间采集大量数据,使其在医学上的应用受到限制。研究了在有限角度下采用代数重建算法进行光声成像的方法,实验用的光源为YAG激光器,波长为1064nm,重复频率20Hz,脉宽为6ns,探测器为针状的磺化聚二氟乙烯(PVDF)膜水听器,接收面积的直径为1mm,从仿真和实验结果表明该方法适用于“非完备投影数据”的光声层析成像。从图像重建效果上与滤波反投影算法相比较,该成像算法提高了重建图像的分辨率和对比度。采用代数重建算法的有限角度的光声成像方法,对临床医学的无损伤检测,具有重要的意义。     

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     

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。     

代数迭代重建算法在折射衬度CT中的应用

X射线折射衬度CT是一种基于相位衬度的断层成像技术,特别适合对由轻元素组成的生物、医学样品进行成像,可以观察到常规吸收衬度CT无法观察到的软组织内部微细结构,是一种具有巨大发展潜力的新成像方法.迭代重建算法和解析重建算法是计算机断层成像技术中并行发展的两种算法,虽然已经提出了几种X射线折射衬度CT的解析重建算法,可是还未见X射线折射衬度CT迭代重建算法的报道.研究了代数迭代重建算法在X射线折射衬度CT中的应用,比较分析了不同的投影数据排列方式对于折射衬度CT重建图像的影响,并对实验数据进行了图像重建,获得了满意的CT图像.研究结果表明,在相位衬度CT中,迭代重建算法相对于解析重建算法而言,能减少投影次数,降低曝光剂量,减少对生物样品的辐射损伤,在生物样品成像和投影数据不完整的情况下具有明显的优势. 关键词： 衍射增强成像 代数迭代算法 CT重建 同步辐射     

一种利用小体积偏置探测器的新型锥束X射线CT系统

在传统的CT系统中, 系统的硬件成本和计算量都是非常巨大的. 提出了一种利用偏移放置的面阵探测器的锥束CT系统, 在这种系统中X射线束仅仅覆盖被扫描物体的一半体积, 投影数据在探测器方向上是截断的, 探测器尺寸和投影数据量都减少为传统CT系统的一半. 在这种新型扫描方式下, 现有的CT重建算法都不能处理. 因此, 提出了一种BPF形式的直接反投影重建方法. 该方法不需要对投影数据重排, 直接反投影滤波重建出最终的图像. 因此, 该算法在数学上更简洁, 计算速度更快. 最后, 数值模拟实验和真实CT系统实验结果均验证了该系统和重建算法能够获得高质量的CT图像.     

基于全卷积金字塔残差网络的能谱CT图像降噪研究

传统CT采用积分式探测器采集投影数据,反映的是物体的平均衰减特性,会在一定程度上造成信息损失,无法对物体进行较好的定性定量测量。基于光子计数探测器的能谱CT通过设定多个能量响应阈值能够探测不同能量范围内的X射线光子,采集更多被测物体的物质组成信息,有助于识别不同物理特性的材料,基于此,能谱CT被广泛的应用于小病灶、低对比度结构以及微细结构的成像。然而将整个能谱划分为多个能量段进行数据采集时,范围较窄能量范围内的有效光子数比例相对降低,导致图像中包含较多的噪声,图像质量较差,影响能谱CT的临床应用。为了有效的抑制能谱CT不同能量段内重建图像中的噪声,提出了一种基于深度学习的能谱CT图像降噪方法。我们将全卷积网络和金字塔残差网络结合为全卷积金字塔残差网络(FCPRN),实验中,利用能谱CT在不同的能量范围扫描小鼠样本,使用FDK算法和基于压缩感知的Split-Bregman算法进行重建并分别作为训练数据和标签数据训练全卷积金字塔残差网络。为了验证网络的降噪性能,选取了常见的降噪网络模型denoising convolutional neural networks(DNCN)以及residual encoder decoder convolutional neural network (REDCNN)进行对比,训练三种网络的使用的数据和实验配置都是完全相同的,实验结果表明训练模型可以有效抑制不同能量范围内重建图像的噪声,且使用的全卷积金字塔残差网络的降噪性能优于其他网络模型。模型训练好后,可以对FDK算法重建出的图像进行降噪,由此提高能谱CT图像降噪效率,保证能谱CT重建图像的质量。     

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.     

基于差分曲率的各项异性扩散小波图像降噪算法研究

在$\gamma $放射性内污染修正均匀冗余阵列编码成像中,为了进一步减少使用最大似然估计(Maximum Likelihood Expectation Maximisation,MLEM)算法进行编码图像重建的伪影,并且提高重建的效率,本文提出了基于差分曲率的各项异性扩散小波图像降噪(Anisotropic Diffusion Wavelet Image Denoising based on Differential Curvature, 简称ADWIDDC)算法, 结合MLEM算法得到了改进的应用于编码成像的MLEM-ADWIDDC算法。该算法首先采用MLEM算法对探测器得到的投影数据进行图像重建,再利用互补成像方法消减近场伪影,最后采用ADWIDDC算法进一步降低图像伪影。模拟结果表明,对于131I源呈圆环分布的编码图像,以重建算法运行时间为195 s为截止条件,MLEM-ADWIDDC算法能够更好地去除伪影,重建的$\gamma $放射源图像纹理也更加清晰;对于131I源呈“CDUT”分布的编码图像,以重建图像信噪比达到5.10 dB为截止条件,本文的MLEM-ADWIDDC算法运行时间为98.36 s,比仅采用MLEM算法消耗的时间缩短了49%。     

干涉型计算层析成像光谱仪的图像重建

针对干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)提出了一种光谱图像数据立方体的重建方法。干涉型计算层析成像光谱仪是一种将空间调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理相结合的一种新型成像光谱仪,具有高通量、高光谱分辨力以及高空间分辨力的特点。分析和讨论了干涉型计算层析成像光谱仪的工作原理以及获取图像的特征,介绍了光谱图像数据立方体的重建方法。根据多角度投影数据的特点提出采用卷积反投影计算层析成像图像重建算法,给出了图像重建步骤以及相应的数学表达式。对D65光源照明条件下的396×396像素目标进行了仿真实验,投影角度为0~180°,步长为0.5°,列出了仿真实验部分结果。实验结果验证了干涉型计算层析成像光谱仪及其图像重建算法的可行性。     

CT不完全投影数据重建算法综述

本文主要针对计算机断层成像(computed tomography,CT)不完全投影数据重建中探测器全覆盖稀疏角度重建和探测器部分覆盖截断数据重建问题,综述了其在研究方法上国内外的进展.在探测器对被检测物体可以完全覆盖的情况下,针对稀疏均匀采样和视角受限采样,探讨了离散模型迭代重建算法和压缩感知采样重建算法.在探测器对被检测物体不能完全覆盖的情况下,探讨了锥束螺旋BPF重建算法、加型迭代重建算法和锥束FDK改进算法.论文可以为CT重建领域的研究工作者提供全面的方法梳理和总结,并指出了当前研究的重点和未来研究的方向.     

基于成像差分吸收光谱技术和压缩感知理论的烟囱烟羽断层重建研究

烟羽断层重建质量受两方面条件限制：其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）进行CT重建,受采集数据速度的限制,重建图像的时间分辨率较低。另一个限制条件是,采集到的数据量有限,是典型的不完全角度重建。过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法,重建图像受测量误差的影响比较大,分辨率较低且伪影较多。构造了基于成像差分吸收光谱技术（IDOAS）的光谱数据采集系统,与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比,数据采集的时间分辨率提高了160多倍,基本解决了时间分辨率的问题。提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法--投影凸函数集低三阶导数法,简称为POCS-LTD。在投影的过程中,使用代数重建算法使重建图像符合投影方程;在全变分迭代的过程中使用了优化算法,将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向,前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。对重建算法进行了数值模拟,并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标,对重建结果进行了分析。数值模拟表明,算法具有良好的抗误差能力,与传统的低三阶导数法相比,本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。使用烟羽数据采集系统进行了外场实验,用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建,重建图像显示烟羽图像清晰,伪影得到了较好的抑制。介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法,提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率,减少了重建图像的伪影,扩大了光谱测量技术的应用范围。     

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.     

Dictionary learning based sinogram inpainting for CT sparse reconstruction

In CT (computed tomography), reconstruction from undersampling projection data is often ill-posed and suffers from severe artifact in the reconstructed images. To overcome this problem, this paper proposes a sinogram inpainting method based on recently rising sparse representation technology. In this approach, a dictionary learning based inpainting is used to estimate the missing projection data. The final image can be reconstructed by the analytic filtered back projection (FBP) reconstruction. We conduct experiments using both simulated and real phantom data. Compared to the comparative interpolation method, visual and numerical results validate the clinical potential of the proposed method.     

基于分块平滑投影二次重构算法的单像素成像系统

单像素成像系统是通过无空间分辨能力的单像元探测器来获取目标二维分布信息的计算光学成像技术,与传统直接成像技术相比具有高能量收集效率、高灵敏度等一系列优点,在高能物理诊断技术领域有着广阔的应用前景。针对实际单像素压缩感知成像系统在复杂诊断环境中存在的重建噪声较大的问题,提出并实现了基于分块平滑投影Landweber二次重构算法的单像素成像系统。根据算法观测矩阵分布特性以及数字微镜硬件输入要求实现了实际投影观测矩阵的变换,利用二次重构算法实现了单像素诊断的仿真分析与实验测试。仿真结果表明,在采样率为20%～30%的条件下,重建图像峰值信噪比大于20 dB,结构相似性高于0.8。进一步搭建单像素成像平台完成实验研究及验证,实验结果表明,利用二次重构算法模型对目标场景进行恢复的效果优于其余两种传统算法。二次重构单像素成像系统在采样率仅为20%的条件下能够重建出清晰的原始图像,具有较好的噪声抑制特性。