基于光学相干层析成像的投影折射率计算机层析成像系统研制

报道了基于光纤型光学相干层析成像(OCT)的投影折射率计算机层析成像(PICT)系统,并利用研制的系统对外径为1.3 mm,内径为0.9 mm的充水玻璃管样品进行了测量。样品以1°的步进角旋转,共采集180个方向上的投影值,然后利用卷积反投影算法进行了折射率分布图像的重建。实验结果表明,系统具有较高的空间分辨率,能够正确区分空气、玻璃和水三种不同折射率的物质,且其边界清晰可辨;由于利用了折射率信息,投影折射率计算机层析图像消除了常规光学相干层析图像中的几何畸变。

基于单元件干涉仪的计算机断层扫描重建光纤三维折射率分布

提出了一种基于单元件干涉仪的计算机断层扫描方案,用于测量光纤三维折射率分布。该单元件干涉仪基于显微成像的原理,提高了系统的横向分辨率。利用快速傅里叶变换提取相位,采用滤波反投影算法重建了光纤的折射率分布。搭建了实验测量装置,实际测量了单模和多模光纤的折射率分布。结果表明,提供的方法可以简单快速地得到全光场数据,同时具有无损和非接触的优点,并且光路结构紧凑稳定,可为计算机断层扫描设备的小型化提供一种新的思路。

X射线双能计算机层析成像投影分解的优化迭代方法

双能计算机层析成像(CT)投影分解是双能CT预处理重建算法的关键步骤,在采用迭代算法求解双能投影积分方程组时,迭代初值的选择对迭代的收敛性影响很大。为了解决双能投影积分方程组迭代求解的初值选择问题,提出一种优化迭代算法。该算法在计算双能基材料投影查找表以及进行系统标定时,依据高低能投影数据的数值范围,设置一定的步长,按照高低能投影值的大小依次求解对应的基材料投影,并以上次的收敛结果作为下次迭代的初值。结果表明,该优化迭代算法有效改善了迭代的收敛性,提高了双能CT系统标定的效率,验证了算法的有效性。

基于投影匹配的X射线双能计算机层析成像投影分解算法

X射线双能计算机层析成像(CT)技术是安全检查领域一种重要的材料探测与识别手段。双能CT投影分解是双能CT预处理重建算法的核心内容和关键步骤。针对现有投影分解算法的不足,提出了一种基于投影匹配的双能CT投影分解算法。依据系统能谱和基材料线性衰减系数曲线,通过求解投影积分方程组建立高低能投影查找表。对于给定的高低能投影,在查找表中寻找最佳匹配点,进而获取基材料分解投影。该算法避免了现有算法复杂的迭代优化过程,简化了系统的标定过程,分解精度取决于查找表的设定步长。相对现有算法该算法有实现过程简单、易于并行计算的优点。仿真实验结果验证了算法的有效性。

LED和梯度折射率透镜投影系统光路设计

现有的数字光处理投影(DLP)系统采用色轮和中继透镜等元器件,由此导致投影系统结构复杂。针对现有技术的缺陷,本文设计了一种以三色LED作为照明光源,以梯度折射率透镜形成平行光的新型DLP投影系统。和传统的投影系统相比,减少了色轮、中继透镜、反射镜等元器件,简化了光学系统的结构。借助于Tracepro软件进行了模拟与仿真,对光线追迹的结果进行分析,分析得到整个投影系统的光斑均匀性为96.9%。结果表明本设计使投影系统的光路得到了简化,光斑的均匀性也得到了改善。本设计只需要选择合适的投影镜头,就可以消除LED面光源宽度过大对投影光斑的影响。

反投影滤波重建功能材料梯度折射率模拟分析

开展功能材料梯度折射率分布反投影滤波重建效果及其最小折射率分辨率的模拟分析。为提高折射率重建分辨率,选取适用于多投影方向的滤波反投影算法,分别分析了轴向梯度变化及径向梯度变化的两类功能材料梯度折射率重建效果,相同模拟条件下,重建误差均约为1%;同时也模拟分析了上述两类梯度折射率的最小分辨率,模拟结果表明,当投影量保持为90不变的情况下,径向梯度变化折射率较轴向梯度变化折射率重建准确度高,且相邻梯度间隔>0.003时,重建得到的两种梯度变化趋势的梯度折射率分布仍然能较好地分辨出其梯度间隔。

基于图形处理器的并行加速双能计算机层析成像重建方法

提出了一种基于图形处理器(GPU)并行加速双能计算机层析成像(CT)重建的整体解决方法.该方法通过将双能采样数据视角配准步骤整合到基本的双能CT重建过程中,保证了双能投影分解的准确性,从而提高了双能CT重建的准确性.通过在反投影步骤中同时反投影几种图像,避免重复计算投影地址,并且在整体重建过程的各个步骤中采用GPU并行方式进行计算,有效提高了双能CT的重建速度.重建图像为2种和4种时,与重复执行多次单能CT并行重建相比,本文方法的重建过程加速比分别为1.88和3.24,其中最耗时反投影步骤加速比分别为1.90和3.66.实验和实际应用证明了该方法可有效提高双能CT重建的准确性和速度.

基于L^1范数和曲波系数双约束的稀疏角度微分相位衬度计算机层析成像重建方法

微分相位衬度计算机层析成像法(DPC-CT)是一种新的X射线无损检测方法。与传统方法相比,该方法在检测弱吸收物质时优势明显。但DPC-CT技术需要进行多次扫描后才能获取足够的样品信息,这必将导致很长的辐射时间和巨大的辐射剂量。因此,研究在稀疏角度条件下的DPC-PC重建算法就显得尤为重要。分析了DPCCT的特点,在凸集投影(POCS)的理论框架下,将L1范数、曲波系数约束和经典的代数迭代算法(ART)相结合提出了一种适合DPC-CT的重建算法。数值模拟和实验的结果表明,该方法可以根据少量投影数据获得较好的重建结果。

扭转保偏光纤的三维折射率测量

基于数字全息显微层析技术,采用横向干涉系统,旋转被测的扭转保偏光纤,获得光纤180°视角下各个角度的全息图并由CCD记录,通过图像处理与再现算法提取物光波的相位分布信息.利用滤波反投影还原出光纤各个断面的二维折射率分布,并由此构建扭转保偏光纤的三维折射率分布,揭示扭转保偏光纤内部的三维信息.测量结果显示,扭转保偏光纤的应力柱随着光纤同时扭转,但包层、应力柱和纤芯的折射率并不改变.采用边缘检测提取了光纤不同断面应力柱的位置,并计算了扭转保偏光纤的扭转角度.

频域低相干光干涉的折射率三维重建系统

结合频域低相干光干涉及计算机断层重建技术,建立了光学折射率三维重建系统,系统主要包括宽带光源、光纤迈克尔逊干涉仪、光谱仪。由光谱仪采集探测光和参考光的干涉光谱,经傅里叶变换计算样品折射率的直线投影,利用滤波反投影算法进行折射率重建,得到样品的三维折射率分布。用塑料管对本方法进行了实验验证,该系统适合于对折射率均匀和非均匀的样品进行三维成像,该系统能检测到的折射率灵敏度约为0.01。本实验系统适合于作为本科生综合设计性物理实验项目。

利用光线偏折测定折射率场的数学再现

通过对光学层析技术中光线偏折角方程进行傅里叶变换 ,推导出了一种可以适用于位相物体三维折射率场的数学再现公式———卷积背投影公式 针对实际运算 ,采用了线性内插函数进行误差修正 ,并给出了具体的计算步骤 采用该公式 ,模拟重建的平均误差为 0 2 % ,最大误差为 5%

考虑实际投影成像平面位置的扇束滤波反投影(FFBP)算法

扇束滤波反投影(Fan-beam Filtered Back Projection-FFBP)算法理论公式中,投影成像平面位于旋转中心;而实际CT扫描系统中,投影成像平面与旋转中心都存在一定距离。考虑到实际投影成像平面位置,本文推导了它的FFBP算法(即IFFBP-Improved Fan-beam Filtered Back Projection算法),比较了此两种情况下(即忽略成像平面与旋转中心距离)FFBP、IFFBP算法重建质量。计算机模拟和实验结果证明了IFFBP算法的正确性。

基于原始投影正弦图的X-CT硬化校正

在X射线层析成像(X-CT,X-ray Computed Tomography)技术中,X射线束能谱的多色性将导致层析重建图像出现杯状或条状等射束硬化伪迹,降低成像质量.在分析射束硬化现象具有的3个物理属性基础上,提出了一种对原始多色投影正弦图进行操作的硬化校正方法,并从数学上证明了其校正原理.针对该方法带来的噪声放大问题,研究了一种基于高、低频信息分类处理的噪声抑制方法.计算机仿真和2种典型试件的实际CT扫描数据的硬化校正结果表明了该方法的有效性.与传统基于多项式拟合技术的校正法相比,该方法不需要事先进行建模扫描和计算,校正程序简单、实时,校正结果具有更高信噪比,且不受扫描条件限制.

用对称反投影及递归迭代实现扇束CT快速重建

为提高扇束滤波反投影(FBP)算法重建CT图像的速度,本文提出了一种利用对称反投影并结合递归迭代的方法来减少反投影的运算量。研究表明该方法可使重建速度提高约23倍,且不会带来新的重建误差。

扇束CT极坐标反投影重建算法的对称优化

为了提高扇束滤波反投影(FBP)算法重建图像的速度,提出一种极坐标反投影算法的优化快速重建方法。算法利用三角函数对称性对多幅预处理后的投影数据同时进行极坐标反投影运算;在反投影数据坐标转换时运用像素位置参数的对称性,以减少双线性插值的计算量。实验结果表明,在不牺牲重建图像质量前提下,与传统卷积反投影重建算法相比,优化算法的重建速度提高8倍以上。该优化方法也适应于三维锥束重建,并可推广到多层螺旋三维重建。

扇束滤波反投影重构算法中旋转中心误差校正

扇束工业CT系统普遍采用滤波反投影 (FBP)重构算法。该算法要求扫描检台旋转中心须与FBP算法重构中心一致。受扫描系统精度的限制 ,这一要求难以得到充分的满足 ,从而引起重构图像出现重影伪像。为此 ,推导了一种校正方法。计算机模拟和实验证明了该方法的有效性。这种方法对ICT扫描系统的调试具有参考价值。

提高三维ICT成像空间分辨率的扫描方式及其重建算法

对三维工业计算机层析成像(Three Dimensional Industrial Computed Tomography,3D-ICT)空间分辨率提高技术进行了研究,提出了一种通过1/4面阵探测器偏置扫描提高成像空间分辨率的锥束3D-ICT扫描方式,推导了它的基于平行束重排的滤波反投影重建算法.这种方法首先通过面阵探测器中心相对于旋转中心偏移四分之一个探测单元宽度的扫描结构获取二维投影序列,再对其进行平行束投影重排,最后利用平行射束特点实现投影水平方向采样频率加倍,从而提高3D-ICT水平方向的重建空间分辨率.计算机仿真结果证明了该扫描方式和重建算法的正确性.利用该种方法,可使3D-ICT水平方向重建空间分辨率提高近1倍.

由相叠的低分辨扇形束投影数据重建高分辨CT图像

在研究扇形束插值代数重建法基础上 ,提出了由相叠的低分辨扇形束投影数据重建高分辨CT图像的两个新算法 ,即扇形束的虚拟探测器法和扇形束的直接重建法 。

CT投影点和行异常的校正

CT投影中的异常数据,将严重影响CT图像的重建质量及后续图像分析、测量、识别等方面的精度。在分析CT投影异常数据类型的基础上,针对点异常数据和行异常数据分别提出了改进的均值滤波法和行均值差分比较法,对CT投影数据进行校正。改进均值滤波法包括如下两步:首先根据滑动窗内孤立点的个数将当前区域分为三种类型;然后针对每种类型并结合投影图像的三种走向,采取相应的校正处理。行均值差分比较法,通过分析相邻行均值的差值来寻找异常行,并用线性插值将其校正。数字实验结果表明:上述方法在去除异常数据、提高峰值信噪比PSNR的同时,很好地保留了投影图像的细节,提高了投影图像的质量。

网格基任向偏导实现及层析应用

将光线偏折方程中的任向偏导转化为数值差分形式,并应用于层析线性运算.网格化待测场,将微分待测场的每一正方形网格及相应折射率近似为曲面底的正圆锥体,圆锥体顶端的折射率值对应该网格的折射率,在底面的投影对应网格的中心.假设紧邻三网格中心间的折射率分布共平面,在一个网格宽度内将偏导转化成数值差分形式.结果发现:基于上述近似和假设,可以将任意探测光线相关的偏导转化为数值差分形式,将非线性偏导方程转化为线性差分方程,建立层析方程.于是,偏折角可以作为投影直接重建.