全变分约束迭代滤波反投影CT重建

重建算法是计算机断层成像(CT)技术的核心。在解析法CT重建过程中,结合先验信息和引入优化约束条件较为困难。通过对滤波反投影(FBP)原理及其重建图像与理想CT图像差值关系的分析,构造了以FBP为基础的迭代循环,解决了解析重建过程中先验信息的利用和优化约束条件的引入问题。为抑制迭代FBP产生的图像伪影,将全变分(TV)模型引入重建过程,建立了TV约束迭代滤波反投影CT重建方法。在数值模拟中,针对完善投影数据、稀疏投影数据、含金属投影数据和有限角投影数据等不同情况,重建出了与原始模型高度一致的CT图像,研究表明TV约束迭代滤波反投影方法是一种精度高、适应性较强的CT重建方法。     

一种基于Radon逆变换的半覆盖螺旋锥束CT重建算法

半覆盖螺旋锥束计算机断层成像能够扩展传统螺旋锥束计算机断层成像的成像视野, 实现小面板探测器成像超视野物体. 但是, 各角度下的投影都存在数据截断, 会使重建结果中产生截断伪影, 降低图像质量. 本文提出了一种基于Radon逆变换的半覆盖螺旋锥束重建算法, 该算法在滤波时先使用局部算子, 再使用全局算子. 局部算子不受数据截断的影响, 并且降低了运算后的值由于数据截断所造成的不连续性, 因此, 减少了随后全局运算产生的截断误差. 仿真和实际实验结果均验证了本文算法的有效性. 和现有算法的对比也表明, 本文算法针对半覆盖螺旋锥束投影具有更强的截断伪影抑制能力, 能够有效提高重建图像的质量.     

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.     

改进的大锥角锥束CT圆轨迹反投影滤波算法北大核心CSCD

锥束CT圆轨迹反投影滤波(BPF)算法能够有效处理数据截断问题,在感兴趣区域成像研究中具有重要的地位。但是当锥角增大时,重建图像的顶端和底端会出现严重的伪影,从而影响图像质量。为解决该问题,从扇束圆轨迹BPF算法出发,重新推导了锥束圆轨迹BPF算法,通过对锥束伪影成因分析,提出了一种基于锥角大小和轴向距离大小的权重函数,修正了重建过程中差分反投影图像求解部分,达到抑制伪影的目的。实验结果表明,改进的大锥角锥束CT圆轨迹BPF算法能够在锥角增大时有效地抑制锥角效应,提高重建图像质量。     

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。     

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。     

利用CAD模型的不完全扫描CT图像重建

工业计算机断层成像(CT)扫描大尺寸和高密度工件时,会出现穿不透、扫描角度有限导致的投影数据不完备、重建伪影严重等问题。基于此,提出一种将工件的CAD设计模型作为先验知识,来实现该类对象的有限角CT重建优质图像的方法。由工件CT扫描的断层位置计算CAD模型对应的分层位置,并得到模型的像素截面;根据CT系统X射线能量和模型中各部分材质,确定和生成一幅衰减系数图像,并将其配准到一幅零灰度图像中,得到先验图像;最后对扫描投影数据进行SART+TVM+PRIOR算法重建,得到重建图像。仿真实验和实际工件扫描实验的结果显示,加入先验图像后重建的图像质量要远远优于未加入先验图像的重建结果,边缘结构更加清晰,并极大地减少了伪影。     

基于Radon逆变换的相对平行直线扫描CT解析重建

计算机断层成像(CT)技术广泛应用于医学诊断、工业检测等领域。近年来,提出了一种相对平行直线扫描CT(PTCT),采取射线源-探测器对物体作相对平行直线移动的扫描方式来采集数据,其结构简单、应用灵活、成本低。针对PTCT图像重建,提出了一种基于Radon逆变换的解析重建算法(PTCT-DHB)。相比于经典的PTCT滤波反投影算法(PTCT-FBP),该算法将斜坡滤波器分解为求导和希尔伯特变换两个步骤,提升了抗噪性能。搭建了PTCT实验系统,进行了仿真实验和实际实验。实验结果表明,与PTCT-FBP算法相比,本文算法重建图像的均方根误差值降低了0.0108,峰值信噪比值提升了4.437,结构相似性值提升了0.0041,PTCT-DHB算法能有效抑制高频噪声,快速地重建高质量CT图像。     

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。     

相对平行直线扫描CT滤波反投影图像重建

射线源和探测器作相对平行直线运动的计算机层析成像扫描系统(OPLCT)结构简单,成本低,易于实现便携或可移动的应用需求。该扫描方式的前期研究采用顺序子集-同时迭代重建算法,该算法存在图像重建时间长、不能实现快速成像等问题。从傅里叶积分定理出发,推导OPLCT滤波反投影(OPLFBP)图像重建算法。构建的一次直线扫描(1T)图像重建模型属于有限角问题,OPLFBP算法不能完全重建出目标图像;进一步提出多次线性扫描并构建了两次垂直(2T)和三次圆周均匀分布(3T)的CT直线扫描模型。1T、2T和3T模型下的仿真结果表明OPLFBP算法正确可行,且2T、3T扫描与相似参数下圆周扇束扫描滤波反投影算法得到的重建图像相近。     

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     

高密度差多层球壳双能CT图像重建方法

对含高密度差材料的大尺寸多层球壳构件采用双能CT方法进行无损检测,当采用高能射线扫描时,低Z材料区对射线基本无阻挡,而采用低能射线扫描时又会被高Z材料区截断,因此需要根据双能射线投影特征开展针对性的图像重建方法研究。首先,根据材料结构特征建立仿真模型,分别模拟得到高、低能射线的投影正弦图,然后采用滤波反投影和代数重建法等算法进行图像重建。通过仿真和比较分析,得出先融合投影再重建图像的方法要整体优于先分别重建再融合图像的方法。另外,为保证图像重建质量,在进行扫描射线能量选择时,要考虑提高局部投影质量,更要尽量减少被截断的总投影量。     

基于改进的分块压缩感知红外图像重建

针对基于压缩感知理论的红外图像重建问题,提出一种基于改进的分块压缩感知红外图像重建方法。该方法首先对原始红外图像进行分块,并对每个子块用相同的观测矩阵进行随机观测,获得少量的观测数据;然后利用谱图小波变换优异的稀疏特性,将其引入平滑投影Landweber算法进行迭代优化重建,同时采用混合中值滤波进行处理以增加图像的平滑度和减少块伪影,最后输出满足要求的高质量红外图像。实验结果表明,在相同采样率下,该方法对于不同类型红外图像的重建性能均优于目前广为采用的一些小波压缩感知方法,可获得更高质量的红外图像。     

基于代数重建算法的高能电子三维成像研究

本工作将代数重建算法应用于新兴发展的高能电子成像技术开展三维成像研究,实现对样品靶物质内部结构信息的精确诊断。通过蒙特卡罗程序及粒子追踪程序模拟高能电子成像过程,包括电子束与靶物质相互作用过程,获得样品靶物质成像角度下的高能电子二维成像结果。利用代数迭代重建ART(Algebraic Reconstruction Technique)算法和滤波反投影算法分别进行了高能电子三维成像仿真测试,重建出靶物质的三维图像,并将两种算法重建的断层图像用图像评价指标进行了定量对比分析。结果表明:在投影角度数为180个的条件下,ART的重建结果更接近靶物质原图,能有效抑制伪影,图像保真度较高。为进一步验证模拟结果,展开了实际实验,得到的结论与模拟结果相同。本研究结果为后续高能电子三维成像重建算法的优化提供了依据。     

超声全聚焦成像中等声程线伪影剔除方法*

针对超声全聚焦成像算法中等声程线扩散产生的原理性伪影问题,提出了一种基于超声回波声场有效等声程线和图像强度分布特征相结合的伪影剔除方法。首先分析了全聚焦成像算法中等声程线产生伪影的机理,根据数据均方根误差自适应辨识有效等声程线;通过Canny算子获取全聚焦图像待处理候选区域,再根据候选区域中有效等声程线相交次数和图像强度的分布特征辨识缺陷图像和伪影,利用图像中强度最低像素值扩展填充剔除伪影后的区域,进而达到剔除伪影的目的。通过在不同直径通孔类和槽类标准缺陷试块上声场模拟实验,结果表明伪影剔除效果显著。同时,该方法对噪声有也有一定的抑制能力,在不加滤波的条件下信号信噪比高于15dB时就可获得较好的去伪影效果。     

CT图像“条状”伪影校正方法研究

在CT重建中,当断层射线衰减系数的变化呈非连续性的跳跃变化,如一种材质密度远远大于另一种材质的密度时,CT图像中高密度物质周围就会产生条状伪影。利用重投影技术分别获取高密度物质和低密度物质的正弦图,低密度物质正弦图中的数据缺失区用线性插值技术进行平滑过渡。利用两幅正弦图分别进行CT重建,然后将两幅CT图像进行相加,得到校正后的图像。实验结果表明,该方法能有效抑制条状伪影,同时提高了图像对比度。     

高分辨率快速数字化光声CT乳腺肿瘤成像

提出了一种基于聚焦线性阵列探测器的快速光声计算机断层成像技术（光声CT）.在光声二维图像重建中,根据阵列探测器机械扫描和电子扫描相结合的组合扫描模式,提出了改进的有限场滤波反投影重建算法.一方面该算法适合多元探测器旋转扫描模式,另一方面探测器的指向性函数作为反投影的权重因子提高了系统的横向分辨率.同时,该成像系统还利用柱面声透镜实现Z轴方向上的聚焦扫描以实现三维层析成像.实验中,这套成像系统空间分辨率达到0.2mm,Z轴方向分辨率为1.5mm,扫描一幅二维图像仅需150s,得到 关键词： 光声CT 有限场滤波反投影算法 声透镜聚焦 乳腺肿瘤检测     

双即插即用能谱计算机断层重建算法

为降低X射线辐射剂量和提高成像效率,开发准确和高效的多能谱成像方法,提出一种具有双即插即用（PnP）框架的图像重建方法。该方法引入两个PnP正则化能量函数,分别对多通道图像内蕴低秩性与通道内图像稀疏性进行度量。首先以多通道图像间的相似块构造高维张量,然后引入张量加权核范数对张量低秩性进行刻画,并结合图像梯度域L0（伪）范数对通道内图像稀疏性进行刻画,最后设计基于交替方向乘子法的高效求解算法。为验证算法的可行性,开展模拟多通道光子计数采样图像重建实验。实验结果表明：与现有代表性方法相比,所提方法的峰值信噪比提升0.067 dB～1.89 dB,时间消耗约为代表性方法的25%;所提方法具有抑制伪影干扰和改善图像质量的优势,并且计算效率得到显著提升。     

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。