C型臂X光机上位机控制软件设计及三维重建算法研究

发布时间：2020-08-09 19:47

【摘要】：锥束CT因其射线利用率高、三维重建结果各向同性等优点成为目前研究的热点。C型臂X光机是一种常用的锥束CT医疗设备,此种机器的三维重建技术正在被广泛的研究。本论文的研究依托于相关科技研究项目,在该项目中主要完成了C型臂X光机上位机控制软件的设计,在Qt开发环境中,使用C++编程语言实现了曝光采图、运动控制、三维拍图等功能。并对CT图像去噪、FDK算法、迭代类算法等三维重建关键技术进行了研究。本文的主要研究内容如下:(1)实现了C型臂X光机的上位机控制方案。针对该机器的软件功能需求以及硬件结构,完成了控制系统软件总体架构设计。根据功能对该软件进行了模块划分,包括曝光与采集模块、运动控制模块、图像处理模块、三维拍图模块,分别对各功能模块进行了设计。并使用Qt平台实现了这些功能。(2)改进了非局部均值去噪算法。针对低剂量拍片时图片存在噪声的问题进行了研究,使用非局部均值去噪算法对CT图像去噪,分析了该算法存在的问题并对此算法进行了改进:1)结合余弦核函数改进了此算法的指数核函数;2)提出了一种基于结构相似度的预判据方法来选择要计算的加权像素块。针对该算法运算时间长的问题,设计并实现了一种CUDA并行加速方案。改进后的算法图像质量有了提升并且使用CUDA加速后可以显著缩短计算时间。(3)设计了短扫描轨迹FDK重建算法CUDA加速方案。针对短扫描FDK重建算法进行了研究,分析了扫描轨迹对于FDK算法的影响,结合已有的研究分析并实现了适用于短扫描轨迹的FDK算法。为满足实时性要求,结合该算法各步骤的计算特点,设计了CUDA加速的方案。(4)改进了基于压缩感知理论的ASD-POCS三维重建算法。首先分析实现了常用的迭代重建算法。在稀疏角度下为得到更好的重建结果,分析了ASD-POCS算法,该方法可以得到比传统重建算法更好的图像结果。但此算法存在迭代次数多,收敛慢的问题。本文对该算法进行了两步改进:1)提出了一种基于结果像素差距离比值的TV最小化迭代过程迭代终止条件;2)结合快速迭代收缩阈值算法对此算法进行了改进。改进后的算法收敛速度加快,需要较少的迭代次数就可获得良好的重建结果。改进后的算法在投影稀疏度变大以及投影范围变小时也可得到比原算法更精确的重建结果。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH77;TP391.41
【图文】：

投影图像,X光机,实物

、动态响应范围大、图像的延迟度低并且对 X 射线敏感，只需较小剂量便得到理想的投影图像，并且得到的图像形变小、空间分辨率高[31]。因此本使用平板探测器，型号为泰雷兹 2630S。图像采集卡，用来接收平板探测器的图像。运动模块包括：5 个伺服电机，分别安装于 C 臂 5 个轴上面，均可实现程制。现有的移动式 C 臂机大都采用普通的直流电机或者是交流电机，通过面板操作，上位机程序并不能对其进行运动控制，不能同步机械的运动以器的曝光采图，也就不能实现三维拍图的功能。鉴于此本机器中使用可以控制的伺服电机，对于每一个轴都可以实现精确地控制。图像处理及显示模块包括：显示器，用来显示上位机程序界面实现对机控制和显示采集到的图片。计算机主机，用来与下位机以及其他硬件连接上位机控制程序控制机器完成各项任务。电源模块包括：UPS 不间断电源，提供意外断电保护。图 2-2 是本项目正在开发的机器实物图，图 2-3 是 C 型臂机架三维运动示。

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面菜单栏序列图像显示图片显示框多视图选择回放运动控制页患者加载图 2-11 上位机界面功能图检查页见图 2-12 主要完成 X 光机拍片以及实时显示功能，功能包括：病人信息显示、拍摄模式选择、剂量参数调节、实时图像显示、系统状态提示框等。查看标签页见图 2-13 主要负责得到图像的分析，在此页面上有基本图像操作例如缩放、负片、调节窗宽窗位等按钮，也有对摄影模式拍摄的序列图片的播放、多视图显示等功能。在查看界面上还预留了很多控件，方便以后界面功能的扩展。在菜单栏中主要集成了患者信息加载、运动控制以及图片回放查看的功能。

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