基于双调和插值的锥束CT金属伪影校正算法

在计算机断层扫描(CT)中,金属植入物会引入严重的伪影,导致图像质量降低影响诊断价值。为了对锥束CT中的金属伪影进行校正,提出了一种基于双调和方程的金属伪影校正算法。首先,对含金属伪影的重建图像进行双边滤波和金属阈值分割,获得金属和非金属图像;然后,对二者进行正向投影,获得金属投影区域和先验投影图像;接下来,利用先验投影图像对原始投影进行归一化,并对金属区域进行双调和方程插值修复,获得修复的投影数据;最后,对修复的投影数据去归一化,并利用FDK算法进行重建,再与金属图像融合获得最终的校正图像。为了验证该算法的性能,采用实际拍摄的数据进行金属伪影校正实验。结果表明,与常用的线性插值校正算法和归一化校正算法相比,所提算法ROI区域内图像的均方根误差分别减少了22%和8%,有效地抑制了金属伪影,优于常用的去金属伪影算法。

320 kV锥束工业CT成像系统开发

基于实验室设备自主开发了一套320 kV锥束工业CT成像系统。首先设计了基于运动控制卡的六轴机械扫描平台,并将其与320 kV射线机、平板探测器结合搭建了锥束CT成像系统的硬件。其次,利用平板探测器和运动控制卡的动态链接库开发锥束CT投影数据采集软件和重建软件,自主开发FDK算法并基于CUDA架构实现FDK算法的GPU加速。最后,采用阻尼器对锥束CT成像系统进行测试。结果表明,整个系统运行稳定,可以获得高质量的CT重建图像,且重建效果与VG STUDIO MAX 3.4软件的重建效果一致。

锥束CT散射校正的平板探测研究

为了解决锥束CT在工业CT无损检测中所产生的散射问题,从而提升图像质量,本文提出了一种基于平板探测器的锥束CT散射硬件校正方法。该方法通过在平板探测器BSA上增加散射校正单元,对原始数据进行预处理,从而有效去除散射噪声,以减少散射对锥束CT图像的影响。实验结果表明,该方法能够显著提高锥束CT图像的清晰度和对比度,降低散射对图像质量的影响。

高性能锥束工业X射线CT系统研制与应用

提升工业CT检测系统的技术性能一直是射线无损检测领域系统研发人员和用户共同追求的目标。基于这一目标,提出了采用耦合闪烁屏与科学级面阵CMOS相机的CT图像探测方法,本文介绍了利用该方法在微焦点工业CT系统硬件研制和软件开发方面涉及的重要工程技术细节。给出了自主研发的抗辐照X射线数字相机与商用平板探测器的实测技术指标对比结果、X射线CT集成软件(CTER MAX)与商用软件在CT重建算法计算效率方面的对比结果以及CT系统空间分辨率检测结果。结果表明:抗辐照X射线数字相机具备超高像素采样、低噪声、高动态范围、高分辨、耐辐照、低成本等优势,尤其在空间分辨率上较平板探测器有更大的提升空间,使用更为灵活,适应更多应用场景需求;CTER MAX软件功能完整、操作友好、较商业软件在计算性能上有约4.5倍的速度提升;CT系统综合空间分辨率最高为5μm,与射线源焦斑尺寸相当。整个系统运行稳定可靠、可推广应用于航空发动机叶片、岩芯检测等各工业无损检测领域。

基于残差编解码-生成对抗网络的正弦图修复的稀疏角度锥束CT图像重建

稀疏投影可有效缩短锥束CT(CBCT)扫描剂量和扫描时间,但会导致重建图像中出现大量条状伪影。正弦图修复可以生成缺失角度的投影数据,并提高重建图像质量。基于这些,提出了一种用于稀疏角度CBCT重建的正弦图修复的残差编解码-生成对抗网络(RED-GAN)。该网络利用残差编解码结构(RED)模块替换Pix2pixGAN(Pix2pixGenerative Adversarial Network)中的U-Net生成器,并利用基于PatchGAN(Patch Generative Adversarial Network)的条件判别器鉴别修复后的正弦图和真实正弦图,从而进一步提升网络性能。利用真实CBCT投影数据进行网络训练后,分别在1/2、1/3、1/4稀疏采样条件下测试所提网络,并把RED-GAN与线性插值法、残差编解码-卷积神经网络(RED-CNN)和Pix2pixGAN对比。实验结果表明,RED-GAN的正弦图修复结果在3种条件下均优于对比方法,并在1/4稀疏采样条件下所提网络的优势最为明显。在正弦图域中,RED-GAN的均方根误差(RMSE)下降了7.2%,峰值信噪比(PSNR)上升了1.5%,结构相似性(SSIM)上升了1.4%;在重建图像域中,RMSE下降了5.4%,PSNR上升了1.6%,SSIM上升了1.0%。可见,RED-GAN适用于高质量的稀疏角度CBCT重建,在快速低剂量CBCT扫描领域具有潜在的应用价值。

锥束口腔CT谐波减速器柔轮有限元分析

口腔CT传动精度要求高,多使用运行平稳、精度效率及安全系数高的谐波减速器,其柔轮转动时因承受交变载荷产生周期变形容易失效。对柔轮齿廓进行设计,运用SolidWorks进行建模,导入Ansys Workbench中进行了静力学分析、模态分析、瞬态动力学分析。结果表明,柔轮应变主要位于波发生器的长短轴处,且沿筒体轴向应变逐渐减小;应力最大值位于波发生器与柔轮接触位置,瞬态动力学分析时最大应力位于齿根与筒体连接处;同时,柔轮应力应变的大小还受齿宽、筒长、筒厚等影响。

锥束CT系统几何校正的偏差因素敏感性分析方法

目的提出锥束CT系统几何校正的偏差因素敏感性分析方法。方法本研究提出中心偏差的定义及其推导,并基于Noo解析方法计算几何校正参数及利用FDK重建算法进行图像重建分析模拟钢珠点三维空间中心、投影中心以及钢珠点大小的变化对几何参数偏差及重建图像结果产生的影响。结果当钢珠点半径在3 mm以内时,校正参数的中心偏差在[10-4]量级内,可忽略不计;钢珠点三维空间坐标单个像素的10%的高斯扰动会产生约为3个像素尺寸偏差,而钢珠点二维投影坐标的相同高斯扰动时会产生约为两个像素尺寸偏差。结论几何校正中对钢珠点三维空间坐标产生的偏差较为敏感,对钢珠点二维投影坐标产生的偏差敏感有限,直径较小的钢珠点的偏差敏感可忽略。

锥束CT工艺参数对成像质量的影响

影响锥束CT成像质量的工艺参数较多,通过研究关键工艺参数对CT图像质量的影响规律,可获得更好的锥束CT成像效果。基于德国卡尔蔡司公司的METROMTOM 1500型微焦点锥束CT系统,研究了管电压、管电流、焦点尺寸、试样的几何位置、投影数量、积分时间、Binning模式等关键工艺参数对CT图像质量的影响。结果表明,在管电压足够的情况下调整管电压和管电流,将焦点尺寸和体素尺寸控制在接近时获得的图像清晰度最好;减小被测物体与射线源的距离,能够明显提高图像清晰度;增加投影数量可以明显减少干扰噪声;高Binning模式能够提高图像的细节分辨率;积分时间对图像的质量影响不明显。

一种锥束稀疏角CT图像重建算法

X射线计算机断层成像技术(CT)在现代医学诊断和治疗中扮演着重要角色,能够精确成像人体内部组织结构。锥束CT扫描通常需要较高的辐射剂量和时间,为了降低这些副作用,稀疏角投影成为一种有效的选择。然而,稀疏角投影可能导致重建图像出现伪影和失真问题。为了解决这一问题,本文提出了一种正弦图扩展的方法,借助一个带有短连接的U-Net编解码网络,通过插值对稀疏角投影的正弦图进行扩展,并进行模型训练。本文在自有数据集上进行了充分的训练、测试和验证,发现这种方法在边缘保持和特征恢复方面表现出色。令人鼓舞的是,即使在仅有120个角度投影数据的情况下,通过本文所提出的模型进行训练,最终生成的图像与使用360个角度投影数据进行FDK重建的图像进行比较,在峰值信噪比(PSNR)和结构相似性(SSIM)上都取得了显著的改善。这一研究结果表明,本文提出的网络在锥束稀疏角CT重建领域具有广泛应用前景,可以显著减少CT扫描时间和X射线辐射剂量,特别适用于快速低剂量CT扫描和重建。

锥束CT拼接成像联合工形测量仪在青少年特发性脊柱侧凸矫形术中冠状位平衡评估的应用

目的:探讨锥束CT拼接成像联合工形测量仪在青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scolio-sis,AIS)患者矫形术中冠状位平衡评估的应用价值.方法:收集2019年1月~2021年1月在北部战区总医院接受脊柱后路矫形手术且术中均应用锥束CT拼接成像技术联合工形测量仪评估冠状位平衡情况的48例AIS患者的相关资料,患者年龄12~18岁(14.9±1.8岁),随访时间1~2年(1.8±0.2年).根据冠状位平衡情况进行分型:A型为冠状位平衡距离(coronal balance distance,CBD)<20mm,B型为CBD≥20mm且C7铅垂线位于主弯的凹侧,C型为CBD≥20mm且C7铅垂线在主弯的凸侧,将CBD≥20mm定义为冠状位失平衡.记录所有患者术前、术中、术后1周、末次随访时的主弯Cobb角、CBD、骨盆冠状倾角(pelvic coronal obliquity angle,PCOA)以及术前、末次随访时疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)及Oswestry功能障碍指数(Oswestry dis-ability index,ODI),比较不同时间点的冠状位平衡情况及临床矫形效果.结果:48例患者术前、术中、术后1周及末次随访时主弯 Cobb 角分别为 58.45°±12.81°、14.13°±5.86°、14.48°±5.98°、14.39°±5.74°,术中及术后 1 周较术前均有明显改善(P<0.05),末次随访与术后1周差异无统计学意义(P>0.05);术前、术中、术后1周及末次随访时PCOA分别为3.72.±2.75°、1.25°±0.97°、1.25°±0.96°、1.28°±0.96°,其中术中及术后1周较术前均有明显差异(P<0.05),末次随访与术后1周差异无统计学意义(P>0.05).所有患者术前冠状位失平衡率为47.91%(23/48),末次随访时冠状位失衡率为10.42%(5/48).A型组25例患者术前、术中、术后1周及末次随访时的CBD分别为12.53±4.46mm、8.06±3.15mm、8.37±3.13mm、8.66±3.77mm,术中与术后1周较术前均有明显改善(P<0.05),末次随访与术后1周差异均无统计学意义(P>0.05);B型组15例及C型组8例患者术前、术中、术后1周及末次随访时的 CBD 分别为 24.57±4.60mm、14.91±4.62mm、14.95±4.49mm、15.06±3.98mm 及 26.46±6.78mm、16.58±4.00mm、16.94±4.12mm、16.58±3.97mm,两组患者术中与术后1周较同组术前均有明显改善(P<0.05),末次随访与同组术后1周差异均无统计学意义(P>0.05).所有患者末次随访时VAS评分(3.98±0.57分)及ODI[(21.82±3.12)%]较术前[(7.68±0.64)分、(46.51±4.79)%]均有明显改善(P<0.05).结论:锥束CT拼接成像联合工形测量仪是一种有效且整体平衡评估能力强的术中冠状位平衡评估方法,能够更好地辅助脊柱外科医生在AIS患者脊柱侧凸矫形术中进行冠状位平衡的评估,及时调整矫形程度,有效减少术后冠状位失衡发生.

锥束CT FDK重建算法的GPU并行实现

针对FDK算法重建耗时长的问题,提出了一种基于图形处理器(GPU)的FDK并行加速算法。通过采用合理的线程分配方式,对反投影参数计算过程中与体素无关的中间变量的提取和预计算、对全局存储器访问次数的细致优化等策略,提高FDK算法的执行效率。仿真实验结果表明,在不牺牲重建质量的前提下,完全优化后的FDK并行加速算法重建2563规模的体数据需要0.5 s,重建5123规模的体数据需要2.5 s,这与较新的研究成果相比有很大幅度的提升。

一种基于STL样本的锥束CT快速仿真方法

针对STL样本基元,根据锥束CT仿真投影的特点,研究了一套基于八叉树的锥束CT仿真投影快速计算方法,并采用SIMD技术对投影计算中的关键部分进行并行计算,进一步提高了生成仿真投影图象的速度。实验结果表明,在保证投影图象精度的前提下,该方法较之于UG样本投影计算有65～90倍左右的加速比,极大地提高了锥束CT仿真投影的计算速度,增强了仿真系统的实用性。

锥束CT圆轨道扫描的几何校正

借鉴针孔摄像机模型,提出了一种锥束CT圆轨道扫描的几何校正方法,用于有效降低由系统几何误差所带来的重建图像伪影。首先,利用共轴旋转的钢球在探测器上所成椭圆像的特征求取圆环点;然后,结合极线约束条件建立绝对二次曲线像的约束方程,通过线性求解获得系统的内参数;最后,在求得内参数的基础上,通过几何方法和椭圆参数建立系统的外参数方程,求解系统的外参数。实验结果显示:利用本文方法进行锥束CT几何校正的内参数标定精度和外参数标定精度分别为0.193%和0.2%。本文方法能够精确地求解出所有失真参数,建立完整的几何模型,消除重建时因几何误差所带来的几何伪影,而且校正体模制作简单,应用性较强,适用于所有圆轨道CT。

一种迭代的锥束CT螺旋轨迹几何参数标定算法

针对工业锥束计算机断层成像螺旋轨迹扫描中系统几何参数失配严重影响重建图像质量的问题,提出了一种基于双球体模的高精度、迭代的几何参数标定算法。首先在载物台的升降轴上选择少数测试点,并根据投影几何关系建立关于所有测试点的几何参数的非线性最小二乘求解模型,然后利用计算机图形学中的消失线理论和高斯牛顿算法对模型进行求解,最后利用线性拟合和插值计算升降轴上所有采集投影位置处的系统几何参数。实验结果表明,该方法能够有效改善几何参数失配引起的重建图像失真,并且算法求取参数的精度接近50μm。

基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正方法

根据锥束CT射束硬化机理,提出一种基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正新方法。该方法从原始投影图像重建的序列切片图像中得到中心切片和斜切片的轮廓信息,然后根据实际扫描时的锥束CT成像系统参数建立重投影坐标系,通过射线与切片轮廓重投影到平板探测器上的求交计算,得到射线穿越物体长度与投影灰度之间的对应关系,最后拟合射束硬化曲线并校正射束硬化伪影。仿真与实际校正结果均表明,该方法可简单有效地消除锥束CT的射束硬化伪影。

一种锥束CT散射场检测优化方法

针对采用射束衰减网格的散射校正方法需额外增加较大扫描量的问题,提出了基于局部极值点扫描的检测优化方法,首先采集少量用于计算散射图像的辅助投影图像,然后采用三次样条插值由少量不同扫描角度的散射图像计算出完整的圆周扫描散射图像集,最后通过与原方法获取的散射图像及散射校正切片图像的对比分析,评估该方法的可行性与可靠性。实验结果表明,该方法仅需获取原方法1/20的散射图像即可完成锥束CT的散射校正,使扫描效率提高了47.6%,同时将散射校正切片误差控制在1%之内。

锥束CT系统旋转平移轨迹几何参数标定方法

针对锥束CT系统旋转平移(RT)轨迹中几何参数难以直接测量的问题,在单圆轨迹标定方法的基础上,提出了一种适用于RT轨迹的几何参数标定方法。该方法利用定标体模投影轨迹的椭圆参数与系统几何参数建立关系,解析求解出系统的内部参数。在此基础上,外推得到旋转轴所有的位置参数,并求得符合理想轨迹要求的几何参数。所求参数都可以通过解析的公式得到,能有效避免迭代法陷入局部最优的问题。对存在偏差的系统进行了仿真,并利用该方法进行标定,实验结果表明,该方法能有效抑制由于几何参数误差造成的几何伪影,提高图像质量。

锥束CT数字化模型与石膏模型在牙颌测量中的对比研究

目的:确定利用锥束CT(CBCT)数字化牙颌模型测量得到的数据与石膏模型测量数据是否具有一致性。方法:对23例患者的锥束CT数字化模型和石膏模型进行配对研究。使用NNTViewer软件分析由NewTom VGi锥束CT扫描仪所形成的三维牙颌模型,同时制取超硬石膏模型。由测量人员分别对2种模型进行Little指数、前牙覆覆盖、Bolton指数、HOWES指数等线性数据重复测量,对比分析测量结果。结果:所有的测量数据呈正态分布。配对t检验表明用于测量上颌骨和下颌骨的牙性指标差异均无显著性。在上下颌骨骨性结构的测量中2种模型之间的差异具有统计学意义。结论:CBCT的数字模型和石膏模型在牙性线性测量具有一致性,在骨性结构测量数据相对石膏模型具有更好的可重复性与精确性。

一种锥束CT系统几何参数标定方法

为了解决锥束CT(computed tomography)成像系统中几何参数不能直接测量的问题,提出了一种适用于螺旋扫描轨迹的几何参数标定方法。该方法根据金属钢球的投影轨迹与系统几何参数的关系,构建了仅依赖5个几何参数的非线性最小二乘模型。然后利用Levenberg-Marquardt(L-M)算法求解该优化模型从而得到系统几何参数的最优解。该方法实现简单,校正体模仅需一个固定在有机玻璃内的金属钢球,而无需专用的校正体模,对校正体模的加工精度要求较低。计算机数值仿真和实际实验的结果表明,该方法具有较高的测量精度,能满足实际应用中高精度重建的需求。

锥束CT测量安氏Ⅰ类错牙合人群下颌髁突的体积和表面积

背景:髁突是下颌骨的生长中心,髁突的体积大小对下颌骨的形态有着密切的关系,同时各种关节疾病都会导致髁突形态的变化。目的:通过锥束CT测量年轻安氏Ⅰ类错牙合人群髁突体积和表面积,为中国人髁突体积和表面积提供正常参考值。方法:从重庆医科大学附属口腔医院正畸科就诊患者中选取年龄在18～28岁之间的年轻安氏Ⅰ类错牙合患者70例,男34例,女36例。所取患者脸型左右对称,"↓"开口型,开口度正常,无关节弹响,疼痛等症状。所有患者接受锥束CT检查,通过Mimics10.0对CT片髁突进行三维重建,计算髁突的体积,表面积以及形态指数(体积和表面积之比)。结果与结论:男性髁突体积和表面积均显著大于女性(P<0.01)。左右髁突体积和表面积差异无显著性意义(P>0.05)。左右两侧髁突形态指数和男女髁突形态学指数差异无显著性意义。结果提示脸型对称,无关节症状的安氏Ⅰ类错牙合人群左右髁突基本对称。