显微CT的超分辨算法研究
发布时间：2021-11-11 16:58
基于透镜耦合的高分辨显微CT因其分辨率高的特点,被广泛应用于生物医学、材料科学等多学科领域科学研究中。受限于探测器分辨率、射线源焦点尺寸和透镜系统引起的投影图像退化等物理因素,及高分辨系统下噪声、大数据量处理效率等算法模型因素,高分辨显微CT在实际应用中难以实现超系统理想空间分辨率的成像。本课题以实验室现有的透镜耦合式高分辨显微CT为平台,提出基于亚像素信息的超分辨CT重建算法,利用亚像素位移产生的冗余信息并建立联合退化、噪声等因素的迭代重建模型,通过深度学习网络和双GPU对该模型进行加速,实现了高分辨显微CT超分辨成像。本课题研究工作主要包括以下几方面的内容:首先,本文提出基于纳米载物台抖动的超分辨FDK算法（Super resolution FDK,SR-FDK）,将亚像素位移信息应用于高分辨显微CT重建。通过围绕高精度纳米载物台设计抖动待测物体的扫描方案,获取具有亚像素位移信息的投影图像;基于ITK框架设计了高精度位移矩阵矫正算法,直接利用载物台移动坐标计算位移矩阵;提出基于位移矩阵的FDK算法,实现上采样CT重建,并分析了定点移位位置个数对分辨率提升效果的影响。仿真及实际实验结...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
显微CT图像：（a）小鼠肾；（2）鸡胚胎三维可视化图；（c）晶体；（d）年轮；（e）煤炭；（f）小鼠
东南大学硕士学位论文2以提供单色性很高的X射线，然后通过聚焦波带片或是毛细管聚焦镜聚焦，从而在理论上实现焦点无穷小的射线源；第三种是基于光学耦合的高分辨显微CT架构，由于在成像后端引入了闪烁体及可见光光学耦合放大系统，可避开X射线源焦点尺寸影响，进行纳米成像。图1-2三种CT结构：（a）基于纳米级微焦点射线源CT架构；（b）基于同步辐射源CT架构；（c）基于光学放大的CT架构上述三种架构中，基于光学耦合的高分辨显微CT架构较其他两种成本低，易实现，应用范围也是最广。其核心的光学放大技术一般采用中继耦合器件将接收到的光学影像信息放大，并传输至CCD上获取被测物体的图像。中继耦合器件主要有两种类型：光学透镜耦合、光纤光锥耦合，如图1-3所示。光纤光锥耦合使用光纤光锥充当光导，将受激逸出的可见光光子与光电探测像素单元直接耦合，由于可见光光子的侧向传导现象会被明显削弱，使得该类系统的可见光耦合效率高，缺点是放大图像分辨率受限于光纤制作工艺[10][11]（图1-3（a））。光学透镜耦合采用光学透镜进行可见光放大，其优点是可以实现较大倍数的图像放大，调焦容易，成像质量高；缺点是耦合效率较小，体积大且系统容易受杂散光的干扰（图1-3（b））。
东南大学硕士学位论文4图1-4高低分辨率图像对比[12]超分辨算法是非常经典的用于提升图像分辨率图像恢复算法。超分辨重建算法刚开始是用于增强图像序列、遥感图像成像中。在医学图像领域，最初尝试将这一想法应用于MRI上[13]，又应用到了PET领域，获得了很好的成果[14][15]。目前国内外研究中，用在CT重建上的超分辨算法一般有三种类型：第一种超分辨重建算法是通过优化重建模型达到提高分辨率的效果。其中一类基于模型的超分辨算法是通过降低部分体积效应（Thepartialvolumeeffect，PVE）[16]来提高图像分辨率。降低PVE的传统超分辨方法是对重建体素进行上采样，更加精细的网格允许更精确的表示，可以改善小结构的整体可视化。但是在上采样的方法中，当体素数目增加时投影数目保持不变，这相当于增加了方程组中未知数的数目且没有增加方程数量，因此这种简单上采样的方法只在方程组本身是超定的情况下有效。当投影数量与体素数量相当时，继续使用上采样方法就需要引入更多先验信息来克服此时的病态方程问题[17][18][19]。不过这种类型的重建模型并没有考虑到实际物理模型，对分辨率提高有限。除了降低PVE的超分辨算法，对于投影模型的改进也可以达到提高分辨率的效果。投影模型中有很多地方都可以进行进一步优化，比如系统模型、焦斑建模、闪烁体模糊建模等。投影模型中系统模型从像素驱动、光线驱动[20]发展到复杂的距离驱动[21]，追求更高精度建模从而获得更高的重建图像分辨率。2012年，Hengyong等人提出一种高分辨率的投影模型[22]，将投影建模为连接探测器元素边界和x射线的窄扇波束上的面积积分。Zeng等人在迭代重建过程中，不再将射线源焦斑看成是一个点，而是将其看成是有一定面积的发光块[23]。ChangM等人也是考虑了焦斑大小，将
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于字典学习的超分辨率显微CT图像重建[J]. 姚佳丽,李中源,吴华珍,李光,罗守华. 东南大学学报(自然科学版). 2016(05)
[2]空间变化PSF非盲去卷积图像复原法综述[J]. 郝建坤,黄玮,刘军,何阳. 中国光学. 2016(01)
[3]基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征[J]. 宋晓夏,唐跃刚,李伟,冯增朝,康志勤,李妍均,相建华. 煤炭学报. 2013(03)
[4]锥束CT系统PSF的多孔成像测量与评估方法[J]. 张亮,卜昆,黄魁东,李明君,查方龙. 仪器仪表学报. 2012(09)
[5]X射线显微CT用于大鼠骨小梁结构分析的研究[J]. 郭慧媛,张录达,郑丽敏,张昊,任发政. 光谱学与光谱分析. 2009(08)
[6]X射线成像椭球聚焦镜的设计与检测[J]. 田金萍,李文杰,陈洁,刘刚,熊瑛,柳龙华,黄新龙,田扬超. 核技术. 2008(09)
[7]射线平板探测器成像系统的数理模型[J]. 梁丽红,郭文明,路宏年. 光学技术. 2005(04)
[8]射线源焦点及探测器对CT图象质量的影响[J]. 吕红,李时光. 无损检测. 1998(04)
硕士论文
[1]高分辨CT校准及内重建算法研究[D]. 沈涛.东南大学 2017
[2]显微CT环状伪影及硬化伪影矫正方法研究[D]. 吴华珍.东南大学 2017
[3]便携式高分辨率X射线CCD相机的研究[D]. 杨露萍.河南大学 2016
[4]基于CsI（Tl）X射线探测器集成化的关键技术研究[D]. 梁波.电子科技大学 2016
[5]X射线源有效焦点尺寸测量装置研制[D]. 周亚玲.重庆大学 2015
[6]闪烁体厚度对X射线成像探测器成像质量影响的研究[D]. 张永兴.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2014
[7]基于光锥耦合的数字X射线成像系统研究[D]. 王志社.中北大学 2007
本文编号：3489190
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
显微CT图像：（a）小鼠肾；（2）鸡胚胎三维可视化图；（c）晶体；（d）年轮；（e）煤炭；（f）小鼠
东南大学硕士学位论文2以提供单色性很高的X射线，然后通过聚焦波带片或是毛细管聚焦镜聚焦，从而在理论上实现焦点无穷小的射线源；第三种是基于光学耦合的高分辨显微CT架构，由于在成像后端引入了闪烁体及可见光光学耦合放大系统，可避开X射线源焦点尺寸影响，进行纳米成像。图1-2三种CT结构：（a）基于纳米级微焦点射线源CT架构；（b）基于同步辐射源CT架构；（c）基于光学放大的CT架构上述三种架构中，基于光学耦合的高分辨显微CT架构较其他两种成本低，易实现，应用范围也是最广。其核心的光学放大技术一般采用中继耦合器件将接收到的光学影像信息放大，并传输至CCD上获取被测物体的图像。中继耦合器件主要有两种类型：光学透镜耦合、光纤光锥耦合，如图1-3所示。光纤光锥耦合使用光纤光锥充当光导，将受激逸出的可见光光子与光电探测像素单元直接耦合，由于可见光光子的侧向传导现象会被明显削弱，使得该类系统的可见光耦合效率高，缺点是放大图像分辨率受限于光纤制作工艺[10][11]（图1-3（a））。光学透镜耦合采用光学透镜进行可见光放大，其优点是可以实现较大倍数的图像放大，调焦容易，成像质量高；缺点是耦合效率较小，体积大且系统容易受杂散光的干扰（图1-3（b））。
东南大学硕士学位论文4图1-4高低分辨率图像对比[12]超分辨算法是非常经典的用于提升图像分辨率图像恢复算法。超分辨重建算法刚开始是用于增强图像序列、遥感图像成像中。在医学图像领域，最初尝试将这一想法应用于MRI上[13]，又应用到了PET领域，获得了很好的成果[14][15]。目前国内外研究中，用在CT重建上的超分辨算法一般有三种类型：第一种超分辨重建算法是通过优化重建模型达到提高分辨率的效果。其中一类基于模型的超分辨算法是通过降低部分体积效应（Thepartialvolumeeffect，PVE）[16]来提高图像分辨率。降低PVE的传统超分辨方法是对重建体素进行上采样，更加精细的网格允许更精确的表示，可以改善小结构的整体可视化。但是在上采样的方法中，当体素数目增加时投影数目保持不变，这相当于增加了方程组中未知数的数目且没有增加方程数量，因此这种简单上采样的方法只在方程组本身是超定的情况下有效。当投影数量与体素数量相当时，继续使用上采样方法就需要引入更多先验信息来克服此时的病态方程问题[17][18][19]。不过这种类型的重建模型并没有考虑到实际物理模型，对分辨率提高有限。除了降低PVE的超分辨算法，对于投影模型的改进也可以达到提高分辨率的效果。投影模型中有很多地方都可以进行进一步优化，比如系统模型、焦斑建模、闪烁体模糊建模等。投影模型中系统模型从像素驱动、光线驱动[20]发展到复杂的距离驱动[21]，追求更高精度建模从而获得更高的重建图像分辨率。2012年，Hengyong等人提出一种高分辨率的投影模型[22]，将投影建模为连接探测器元素边界和x射线的窄扇波束上的面积积分。Zeng等人在迭代重建过程中，不再将射线源焦斑看成是一个点，而是将其看成是有一定面积的发光块[23]。ChangM等人也是考虑了焦斑大小，将
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于字典学习的超分辨率显微CT图像重建[J]. 姚佳丽,李中源,吴华珍,李光,罗守华. 东南大学学报(自然科学版). 2016(05)
[2]空间变化PSF非盲去卷积图像复原法综述[J]. 郝建坤,黄玮,刘军,何阳. 中国光学. 2016(01)
[3]基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征[J]. 宋晓夏,唐跃刚,李伟,冯增朝,康志勤,李妍均,相建华. 煤炭学报. 2013(03)
[4]锥束CT系统PSF的多孔成像测量与评估方法[J]. 张亮,卜昆,黄魁东,李明君,查方龙. 仪器仪表学报. 2012(09)
[5]X射线显微CT用于大鼠骨小梁结构分析的研究[J]. 郭慧媛,张录达,郑丽敏,张昊,任发政. 光谱学与光谱分析. 2009(08)
[6]X射线成像椭球聚焦镜的设计与检测[J]. 田金萍,李文杰,陈洁,刘刚,熊瑛,柳龙华,黄新龙,田扬超. 核技术. 2008(09)
[7]射线平板探测器成像系统的数理模型[J]. 梁丽红,郭文明,路宏年. 光学技术. 2005(04)
[8]射线源焦点及探测器对CT图象质量的影响[J]. 吕红,李时光. 无损检测. 1998(04)
硕士论文
[1]高分辨CT校准及内重建算法研究[D]. 沈涛.东南大学 2017
[2]显微CT环状伪影及硬化伪影矫正方法研究[D]. 吴华珍.东南大学 2017
[3]便携式高分辨率X射线CCD相机的研究[D]. 杨露萍.河南大学 2016
[4]基于CsI（Tl）X射线探测器集成化的关键技术研究[D]. 梁波.电子科技大学 2016
[5]X射线源有效焦点尺寸测量装置研制[D]. 周亚玲.重庆大学 2015
[6]闪烁体厚度对X射线成像探测器成像质量影响的研究[D]. 张永兴.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2014
[7]基于光锥耦合的数字X射线成像系统研究[D]. 王志社.中北大学 2007
本文编号：3489190
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