CT图像重建的正则化方法研究
发布时间：2021-06-30 08:43
X射线计算机断层成像（computed tomography,CT）广泛地应用于生物医学、工业无损检测等领域。CT系统通过对被检测物体的（一般为360度连续旋转）扫描获得完备投影数据后,滤波反投影（filtered backprojection,FBP）算法能够重建出高质量的CT图像,CT图像能够清楚地显示物体的结构信息。在实际的应用中,在已知CT成像系统几何关系的情况下,常通过调整CT扫描方案降低X射线辐射剂量、减少扫描时间以及满足扫描条件的限制,常见的CT扫描方案有稀疏角、有限角和低强度CT扫描等。为了重建高质量的CT图像,针对CT重建问题的特点,利用合适的先验知识约束重建图像是我们的主要研究工作,主要内容如下:首先,提出基于图像梯度L0范数最小化的CT系统旋转中心校正方法,减少重建图像中的几何伪影。CT成像系统的几何校正是CT重建中的重要步骤之一,其目的是使得投影数据与实际的成像几何关系保持一致,减少重建图像中的几何伪影。微焦点CT系统常用于体积小的物体的三维显微成像,对CT图像的分辨率要求高,因此,即使旋转中心有较小的横向偏移也会导致重建图像出现明显的几何...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
CT采样示意图：(a)稀疏角采样，(b)有限角采样，(c)多段有限角采样Fig.1.1SchematicdiagramofCTsampling:(a)few-viewsampling,
2CT成像基础92CT成像基础2.1CT成像系统简介为了得到高质量的CT图像，需要CT成像系统对被检测对象进行X射线测量，这需要X射线管、探测器、支持被检测对象或射线源与探测器旋转运动的机械结构。CT成像系统还包括准直器、数据采集系统、计算机系统及其他辅助系统。X射线源是产生X射线的部件，主要由阳极、阴极、外壳三部分构成。探测器的作用是把X射线能量转换为电信号。探测器的类型及其空间布局可以参考文献[3,85]。在医学CT中，射线源和探测器安装在滑环上，滑环连接了CT系统中固定与转动的部分，被检测对象全置于检查床上[3]。在工业CT中，被检测对象置于旋转台上，旋转台旋转一周可以完成全角度的投影数据采集[85]。由于旋转台的旋转可以等价为射线源与探测器的旋转，我们可以得到等价的扇束CT扫描示意图，如图2.1所示。不失一般性，本文假设被检测对象置于旋转台上，采集被检测对象在全角度下的投影数据需要旋转台旋转一周。图2.1扇束CT扫描示意图Fig.2.1Diagramoffan-beamCTscanningCT成像系统有两种准直器：前准直器和后准直器，通常由铅、钨等重金属材料制作。前准直器位于X射线球管端，后准直器位于探测器端。准直器用于遮挡X射线。具体而言，在不同的CT系统中，准直器的主要作用不同。在扇束CT扫描中，前准直器用于对X射线束进行重塑，即遮挡大部分由X射线源发射出的X射线，使锥形X射线束变为扇形X射线束。当前准直器完全闭合时，则锥形X射线束不能到达被检测对象。后准直器又可具体分为平面内准直器和垂直平面准直器。前者用于限制被检测对象被测量的切片厚度，后者用于在分立探测器中遮挡
重庆大学博士学位论文10散射X射线。图2.2锥束CT扫描示意图Fig.2.2Diagramofcone-beamCTscanning本文研究涉及到微焦点CT系统[86]，其构成与一般的锥束CT系统类似，如图2.2所示。微焦点CT系统多用于对体积小的物体，如骨骼，小动物和微型材料等被检测对象的高分辨率CT成像。在保证被检测对象能够被锥形X射线束覆盖的情况下，缩小旋转台与X射线源之间的距离可以提高图像的分辨率。由于微焦点CT系统对图像分辨率要求高，旋转台中心在横向上的微小移动可能导致重建图像有明显的几何伪影[87,88]。因此，在CT图像重建中必须对微焦点CT系统采集的投影数据进行校正，减少图像的几何伪影。本文第三章给出了一种简单的基于L0范数最小化的旋转中心标定方法。微焦点CT系统的X射线焦点尺寸在微米级别，约为5~10微米，在这种情况下，焦点在探测器上的半影小，有利于提高重建图像的分辨率。然而，微米级的焦点限制了X射线管的电流值，其通常小于100微安，导致X射线管的输出功率小；因此，在每个投影视角下，需要增加X射线管的曝光时间以获得足够的光子。探测器的分辨率也会影响微焦点CT系统的分辨率。微焦点CT系统多采用空间分辨率高的平板探测器。X射线在平板探测器上的散射和串扰会降低投影数据的质量。相同条件下，X射线管的曝光时间和探测器对X射线能量的积分时间越长，
【参考文献】：
期刊论文
[1]工业计算机断层成像系统转台旋转中心的确定[J]. 李保磊,傅健,魏东波,李俊江. 航空动力学报. 2009(07)
[2]扇束滤波反投影重构算法中旋转中心误差校正[J]. 傅健,路宏年. 兵工学报. 2003(03)
[3]旋转中心偏移对CT重建图像质量的影响[J]. 王召巴. 兵工学报. 2001(03)
博士论文
[1]有限角及低信噪比CT图像重建的优化模型与算法研究[D]. 张伶俐.重庆大学 2018
[2]医学X-CT稀疏投影成像优化算法及其运动伪影校正研究[D]. 陈绵毅.重庆大学 2017
[3]有限角CT的正则化图像重建算法研究[D]. 王成祥.重庆大学 2016
[4]有限角逆向螺旋锥束CT重建算法研究[D]. 武栋.重庆大学 2015
硕士论文
[1]数字乳腺层析成像投影数据优化及校正技术研究[D]. 张忻宇.南方医科大学 2017
[2]工业CT系统旋转中心定位方法研究[D]. 刘明进.重庆大学 2014
[3]锥束CT几何伪影校正技术研究[D]. 张俊.解放军信息工程大学 2013
本文编号：3257427
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
CT采样示意图：(a)稀疏角采样，(b)有限角采样，(c)多段有限角采样Fig.1.1SchematicdiagramofCTsampling:(a)few-viewsampling,
2CT成像基础92CT成像基础2.1CT成像系统简介为了得到高质量的CT图像，需要CT成像系统对被检测对象进行X射线测量，这需要X射线管、探测器、支持被检测对象或射线源与探测器旋转运动的机械结构。CT成像系统还包括准直器、数据采集系统、计算机系统及其他辅助系统。X射线源是产生X射线的部件，主要由阳极、阴极、外壳三部分构成。探测器的作用是把X射线能量转换为电信号。探测器的类型及其空间布局可以参考文献[3,85]。在医学CT中，射线源和探测器安装在滑环上，滑环连接了CT系统中固定与转动的部分，被检测对象全置于检查床上[3]。在工业CT中，被检测对象置于旋转台上，旋转台旋转一周可以完成全角度的投影数据采集[85]。由于旋转台的旋转可以等价为射线源与探测器的旋转，我们可以得到等价的扇束CT扫描示意图，如图2.1所示。不失一般性，本文假设被检测对象置于旋转台上，采集被检测对象在全角度下的投影数据需要旋转台旋转一周。图2.1扇束CT扫描示意图Fig.2.1Diagramoffan-beamCTscanningCT成像系统有两种准直器：前准直器和后准直器，通常由铅、钨等重金属材料制作。前准直器位于X射线球管端，后准直器位于探测器端。准直器用于遮挡X射线。具体而言，在不同的CT系统中，准直器的主要作用不同。在扇束CT扫描中，前准直器用于对X射线束进行重塑，即遮挡大部分由X射线源发射出的X射线，使锥形X射线束变为扇形X射线束。当前准直器完全闭合时，则锥形X射线束不能到达被检测对象。后准直器又可具体分为平面内准直器和垂直平面准直器。前者用于限制被检测对象被测量的切片厚度，后者用于在分立探测器中遮挡
重庆大学博士学位论文10散射X射线。图2.2锥束CT扫描示意图Fig.2.2Diagramofcone-beamCTscanning本文研究涉及到微焦点CT系统[86]，其构成与一般的锥束CT系统类似，如图2.2所示。微焦点CT系统多用于对体积小的物体，如骨骼，小动物和微型材料等被检测对象的高分辨率CT成像。在保证被检测对象能够被锥形X射线束覆盖的情况下，缩小旋转台与X射线源之间的距离可以提高图像的分辨率。由于微焦点CT系统对图像分辨率要求高，旋转台中心在横向上的微小移动可能导致重建图像有明显的几何伪影[87,88]。因此，在CT图像重建中必须对微焦点CT系统采集的投影数据进行校正，减少图像的几何伪影。本文第三章给出了一种简单的基于L0范数最小化的旋转中心标定方法。微焦点CT系统的X射线焦点尺寸在微米级别，约为5~10微米，在这种情况下，焦点在探测器上的半影小，有利于提高重建图像的分辨率。然而，微米级的焦点限制了X射线管的电流值，其通常小于100微安，导致X射线管的输出功率小；因此，在每个投影视角下，需要增加X射线管的曝光时间以获得足够的光子。探测器的分辨率也会影响微焦点CT系统的分辨率。微焦点CT系统多采用空间分辨率高的平板探测器。X射线在平板探测器上的散射和串扰会降低投影数据的质量。相同条件下，X射线管的曝光时间和探测器对X射线能量的积分时间越长，
【参考文献】：
期刊论文
[1]工业计算机断层成像系统转台旋转中心的确定[J]. 李保磊,傅健,魏东波,李俊江. 航空动力学报. 2009(07)
[2]扇束滤波反投影重构算法中旋转中心误差校正[J]. 傅健,路宏年. 兵工学报. 2003(03)
[3]旋转中心偏移对CT重建图像质量的影响[J]. 王召巴. 兵工学报. 2001(03)
博士论文
[1]有限角及低信噪比CT图像重建的优化模型与算法研究[D]. 张伶俐.重庆大学 2018
[2]医学X-CT稀疏投影成像优化算法及其运动伪影校正研究[D]. 陈绵毅.重庆大学 2017
[3]有限角CT的正则化图像重建算法研究[D]. 王成祥.重庆大学 2016
[4]有限角逆向螺旋锥束CT重建算法研究[D]. 武栋.重庆大学 2015
硕士论文
[1]数字乳腺层析成像投影数据优化及校正技术研究[D]. 张忻宇.南方医科大学 2017
[2]工业CT系统旋转中心定位方法研究[D]. 刘明进.重庆大学 2014
[3]锥束CT几何伪影校正技术研究[D]. 张俊.解放军信息工程大学 2013
本文编号：3257427
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