硬化伪影的新型表现形式及其校正

X射线硬化是导致工业CT重建图像质量下降的物理原因之一。硬化伪影通常表现为两种形式,即杯状伪影和带状伪影。描述并证实了硬化伪影的一种新型表现形式,这种伪影与真实结构相关,且分布规则,容易造成伪影与真实结构的混淆。采用线性化校正方法对该伪影进行抑制,提高了重建图像质量,改善了通过CT重建图像进行几何测量的精度。     

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。     

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。     

基于重投影的多项式拟合校正射束硬化

在X射线工业CT(ICT)中,射束硬化会导致重建的图像出现伪影,甚至产生变形。为了消除这种影响,提出了一种基于重投影的多项式拟合校正射束硬化的方法。该方法对原始CT图像进行阈值分割二值化,将物体目标区域的像素值设为1;重投影此二值图像以获取X射线贯穿物体的长度集合;利用多项式拟合此长度集合与多色投影间的关系来建立射束硬化校正模型,用该模型对多色投影进行校正。与传统的多项式拟合校正方法相比,该方法不需要楔状模体(用于测量不同厚度下的衰减值,以此来建立射束硬化校正模型)。研究表明,该方法能有效地抑制射束硬化的影响。     

低能X射线工业CT图像杯状伪影校正

为了去除X射线工业CT图像中的杯状伪影,提高CT图像的识别能力和量化分析精度,提出一种基于分度投影和权函数的射束硬化校正方法。首先分析得出杯状伪影主要是由X射线连续谱穿过被测物体过程中出现的射束硬化所导致。然后扫描阶梯模型,采集不同厚度下的投影数据并求出线衰减系数,通过拟合曲线,得到硬化模型函数和权函数校正模型函数,并确定权函数。接着,扫描被测圆柱形工件,采集不同分度下的投影数据。最后,针对每一个分度投影数据,采用权函数与当前分度投影数据乘积的方法进行硬化校正。对含有杯状伪影的实际CT图像进行了校正实验,结果表明,与多项式拟合法相比,该方法校正后的灰度图像没有放大噪声,且信噪比提高3.29%,有效地消除了杯状伪影,同时较好地保留了图像边界细节。     

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。     

RT二维CT扫描的精确重建

基于多个旋转中心的旋转/平移扫描方法(RT扫描)可利用近轴X射线对大型回转试件进行二维CT检测。同传统的二代CT平移/旋转扫描(TR)相比,RT二维CT扫描的扫描时间是TR二维CT扫描时间的1/3。但由RT二维CT扫描插值全局重建的图像,在物体内部,其特征边缘有明显的伪影。采用一种精确的分区域重建方法可消除这种伪影。计算机仿真验证了这种重建算法的可行性。     

X射线CT环形伪影去除方法

为去除X射线CT图像中的环形伪影,建立了一种投影数据预处理方法。该方法通过对各角度投影数据逐一进行分段多项式拟合的方式建立异常探元的备选校正因子集合,再根据备选校正因子的概率密度分布确定最可几校正因子。介绍了方法的物理依据、原理及其实现步骤,并分析了其在复杂条件下的适应性。结果表明:该方法对稀疏环形伪影、密集环形伪影以及伴随强噪声污染的CT图像环形伪影均可去除;与中值滤波等方法相比,可以更好地保持图像的空间分辨率。该方法可用于多材质检测对象CT图像的处理。     

工业CT图像均匀性校正

在工业CT图像重建过程中,射束硬化使得图像出现“杯状”伪影,阵列探测器响应不一致使得图像出现环状伪影、带状伪影和点伪影,影响图像均匀性.本文分析了射束硬化的原理和探测器响应不一致的数学模型,并通过实验,对探测器响应进行多挡板定标得到校正系数表.利用查表插值的方法对投影数据进行均匀性校正,消除上述伪影.     

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。     

工业CT在工件检测中X射线硬化校正

X射线工业CT中,由于X射线能谱具有多色性,X射线在透射物质时,能量较低的射线优先被吸收,X射线能量越高,衰减系数越低。也即较高能量的X射线的衰减系数比较低能量的X射线的衰减系数小。射线随透射厚度增大,变得更易穿透,也就是发生了能谱硬化现象。由于射线硬化现象使图像重建时出现伪影,因此必须修正。文中对X射线硬化现象进行了分析,探讨了在均匀物质中,X射线射束和与透射厚度的关系。并根据Beer定律和X射线与物质作用的特点,通过获取X射线射束和数据,拟合出射束和与透射厚度的关系式。然后得出在同一透射厚度时,X射线射束和校正为单色等效射束和的关系及其等效方法。最终得出X射线等效单色射线的衰减系数的拟合值。再对此衰减系数拟合值进行卷积反投影重构,即可有效消除X射线射束硬化的影响。     

基于卷积法TV模型的锥束CT散射校正方法

为了解决CT图像中散射伪影问题,提出并使用修正的泊松分布函数作为散射函数,然后利用卷积模型生成多个散射基图像,将基图像与原始重建图像的线性组合作为最终重建图像,最后,通过使重建图像的全变分函数最小求取线性组合系数最优解。该算法具有计算复杂度小、能够灵活应用于不同的成像对象的特点。实验结果表明,算法能够有效抑制散射导致的杯状和黑色带状伪影,提高图像对比度。     

针对小动物的锥束CT重建的研究及验证

基于经典3D Shepp-Logan模型,应用射线追踪和射线衰减定律得到锥束CT的模拟仿真数据.利用FDK三维重建算法实现锥束CT图像重建,采用仿真图像对重建算法进行了验证,通过搭建的锥束CT系统和自制仿体进行了层析成像和图像重建.结果表明:算法可较为准确地重建出原物体的空间分布和密度关系,针对仿真数据的中心断层重建图像的空间分辨率可达到8lp/mm.     

X射线TICT在复合材料工件检测中的射束硬化拟合校正研究

X射线TICT中,X射线透射物质时,发生了能谱硬化现象。使图像重建时出现伪影。因此必须进行修正。文中对X射线硬化现象进行了分析,探讨了X射线TICT在检测复合材料工件中, X射线射束和与透射厚度的关系, 并根据Beer定律和X射线与物质作用的特点, 通过获取X射线射束和数据,首先拟合出射束和与透射厚度的关系式, 然后推导出X射线射束和校正为单色射线射束和的等效厚度与透射厚度的关系及其等效方法, 最终得出X射线TICT在检测复合材料工件中X射线等效单色射线的衰减系数的射束硬化拟合值, 再对此衰减系数拟合值进行卷积反投影重构, 即可有效消除X射线TICT在检测复合材料工件中射束硬化造成的影响。     

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。     

不闭合CT扫描数据几何伪影的校正方法

针对扇束计算机层析成像(CT)不闭合的扫描数据,提出一种基于非线性优化模型的CT几何伪影校正方法。该方法对标志物细丝与被测物体同时扫描,通过求解基于细丝断层投影数据的非线性优化模型,精确估计CT系统的所有几何参数,进而校正包括扫描数据不闭合等几何参数误差引起的CT图像伪影。仿真和实测数据验证结果表明,利用本方法可有效消除不闭合扫描数据引起的CT图像几何伪影。     

基于分段硬化曲线的X射线CT射束硬化校正方法

研究了X射线CT射束硬化的形成机理,分析了射束硬化校正的常用方法,建立了以投影灰度为自变量的射束硬化校正模型,从而降低了射束硬化校正的计算难度。分析了采用多项式拟合射束硬化曲线的优缺点,提出一种基于多项式的分段硬化曲线表达新方法。该方法首先采用过原点的多项式曲线拟合硬化数据,然后通过所得多项式曲线的曲率变化,判断该曲线在拟合区间两端是否出现振荡,并对振荡部分的多项式曲线采用幂函数曲线进行替换,同时保证各段曲线在连接点处C1连续(曲线的C1连续定义为, 两条曲线交于一点且在交点处的一阶导数相等)。计算机CT仿真实验结果表明,该方法对理想CT图像和含噪CT图像的射束硬化校正,均表现出良好的稳定性,并可基本消除射束硬化造成的伪影。     

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。     

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。     

针对小动物的锥束CT重建的研究及验证

基于经典3D Shepp-Logan模型,应用射线追踪和射线衰减定律得到锥束CT的模拟仿真数据.利用FDK三维重建算法实现锥束CT图像重建,采用仿真图像对重建算法进行了验证,通过搭建的锥束CT系统和自制仿体进行了层析成像和图像重建.结果表明:算法可较为准确地重建出原物体的空间分布和密度关系,针对仿真数据的中心断层重建图像的空间分辨率可达到8 lp/mm.