工業(yè)CT截?cái)嗤队皵?shù)據(jù)重建算法研究.pdf

1、計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)以其無(wú)損、精確、三維可視化等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、安檢等領(lǐng)域。CT圖像重建是從物體的投影數(shù)據(jù)得到物體內(nèi)部斷層圖像的過(guò)程。當(dāng)投影數(shù)據(jù)比較完備時(shí),獲得穩(wěn)定的高質(zhì)量的重建結(jié)果是比較容易的,其重建算法的研究也已比較完善。但是,當(dāng)投影數(shù)據(jù)不完備時(shí),就要面臨諸如內(nèi)問(wèn)題、外問(wèn)題以及有限角問(wèn)題等截?cái)鄶?shù)據(jù)重建問(wèn)題。目前,截?cái)鄶?shù)據(jù)重建仍是CT圖像重建領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　 鑄件中的同種材料(或人體內(nèi)的相同組織)具有相同

2、或近似的衰減系數(shù),這一特征在CT圖像上的表現(xiàn)就是圖像的灰度值為近似分段常數(shù)(Piecewise Constant)。也就是說(shuō)其梯度圖像是稀疏的。根據(jù)這一假設(shè),近年來(lái),基于圖像全變差最小化(TotalVariation Minimization,TVM)的正則化迭代算法對(duì)于求解角度稀疏型有限角重建問(wèn)題取得了令人欣喜的成果。TVM算法對(duì)于角度受限型的有限角問(wèn)題也是比較有效的,可略顯不足的是,重建圖像的強(qiáng)邊緣附近可能會(huì)形成灰度漸變的偽影。針對(duì)

3、這一問(wèn)題,研究了一種滑坡修正算法,它通過(guò)一個(gè)類似于“滑坡”的過(guò)程,將灰度漸變區(qū)域逐漸修正為分段常數(shù)區(qū)域。將滑坡修正算法引入到TVM正則化算法的迭代過(guò)程中得到了一種新的迭代重建算法一一帶滑坡修正的TVM/(SlideCorrected-TVM,SC-TVM)算法。模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)的重建結(jié)果表明,該算法能很好的修正原來(lái)算法的偽影,提高重建圖像的質(zhì)量。
　　 管狀物(如管道)在現(xiàn)實(shí)中被大量的使用,其無(wú)損檢測(cè)對(duì)防止災(zāi)難事故的發(fā)生及減少經(jīng)濟(jì)

4、損失具有重要的意義。當(dāng)投影數(shù)據(jù)完備時(shí),X射線CT成像檢測(cè)法可以精確重建管狀物的內(nèi)部缺陷。可是當(dāng)管狀物的管壁較厚而射線的能量不足以穿透管壁中弦長(zhǎng)較長(zhǎng)的區(qū)域時(shí),就會(huì)產(chǎn)生管壁長(zhǎng)弦投影數(shù)據(jù)截?cái)鄦?wèn)題。此外,當(dāng)管狀物的直徑較大而探測(cè)器較小,射線束不足以覆蓋整個(gè)管狀物的橫截面甚至不能覆蓋管狀物橫截面的一半時(shí),將探測(cè)器偏置放置,就會(huì)產(chǎn)生管狀物的外部重建問(wèn)題。管壁長(zhǎng)弦投影數(shù)據(jù)截?cái)鄦?wèn)題和管狀物的外部重建問(wèn)題在某種程度上都可以看作是角度受限型的有限角問(wèn)題。在

5、這兩種問(wèn)題中,待重建區(qū)域中的每個(gè)點(diǎn)都只能被有限掃描角度下的射線覆蓋,而在其他的掃描角度下其投影數(shù)據(jù)是缺失的。這種投影數(shù)據(jù)的缺失會(huì)造成重建圖像某些方向邊緣的模糊,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些偽影。結(jié)合管狀物的先驗(yàn)信息(如內(nèi)外徑已知),將TVM正則化迭代算法用于管壁長(zhǎng)弦投影數(shù)據(jù)截?cái)鄦?wèn)題和管狀物的外部重建問(wèn)題,得到了邊緣模糊并帶有偽影的重建圖像。為了改進(jìn)重建圖像的質(zhì)量,研究了一種子區(qū)域平均修正算法。該算法先用C-V(Chan-Vese)活動(dòng)輪廓模型將圖像

6、劃分成不同的子區(qū)域,再用各個(gè)子區(qū)域灰度的平均值來(lái)代替該子區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的灰度值。將子區(qū)域平均修正算法引入到TVM正則化算法的迭代過(guò)程中得到了一種新的迭代重建算法--帶子區(qū)域平均化修正的TVM(Subregion Averaged-TVM,SA-TVM)算法。模擬和實(shí)際投影數(shù)據(jù)的重建實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SA-TVM算法的有效性。
　　 直線掃描錐束CT的射線源和面陣探測(cè)器相對(duì)于物體做直線運(yùn)動(dòng),具有掃描方式簡(jiǎn)單,機(jī)械上易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),其最大的問(wèn)題

7、在于投影數(shù)據(jù)是截?cái)嗟?物體中的每個(gè)點(diǎn)都只能被有限角度(不超過(guò)射線束沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的錐角)下的射線覆蓋。通常的解析重建算法不能得到高質(zhì)量的重建圖像。螺旋掃描錐束CT掃描速度快,并且具有重建圖像精度高、偽影小、沿縱向誤差分布更均勻等優(yōu)點(diǎn),非常適合于長(zhǎng)物體的圖像重建,可是當(dāng)錐束不能覆蓋物體的橫截面時(shí),其投影數(shù)據(jù)是截?cái)嗟?傳統(tǒng)的解析重建算法偽影比較嚴(yán)重。迭代重建算法以其抗噪性好、偽影抑制能力強(qiáng)、易于處理投影數(shù)據(jù)截?cái)唷⒖梢胛矬w先驗(yàn)信息等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)

8、越受到研究者的青睞,但是重建速度慢的缺點(diǎn)依然是制約其實(shí)用的重要瓶頸。由于迭代重建算法固有的良好的并行性,適合用并行計(jì)算對(duì)其進(jìn)行加速。將同時(shí)代數(shù)重建算法(Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique,SART)用于直線掃描錐束CT和螺旋掃描錐束CT,重點(diǎn)研究了SART算法的并行化加速方法。在直線掃描錐束CT SART算法的并行化過(guò)程中,重點(diǎn)研究了基于重建區(qū)域負(fù)載平衡的梯形數(shù)據(jù)分解策略和基于