CT成像介紹第六次課件

計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)2011年10月19日張慧滔博士1檢測成像工程中心計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)2011年10月19日張慧滔博士1檢測斷層CT64層螺旋CT斷層CT64層螺旋CT錐束CT首師大的錐束CT每次可掃描1536層、重建1900*1900*1500的三維CT圖像，最高分辨率可達(dá)142微米（3.5pl/mm）錐束CT首師大的錐束CT每次可掃描1536層、重建1900*一、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)簡介1.什么是計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(ComputerTomography,CT)？

廣義上講，計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)是：(1)檢測一組被測物體的某一物理量A；(2)由該組物理量A,通過某種算法求解出被測物體內(nèi)部另一物理量B的分布;(3)由物理量B的分布,進(jìn)一步推知物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)簡介1.什么是計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CoX射線(γ射線)斷層成像技術(shù)(即狹義CT)激光CT成像(OpticalComputerTomography)核磁共振斷層成像技術(shù)(MagneticResonanceImaging,MRI)超聲成像技術(shù)(UltrasonicTomography,UT)電阻抗成像技術(shù)(

ElectricalImpedanceTomography)紅外成像技術(shù)(InfraredImaging)……(下面所講的是狹義上的CT)2.廣義上的計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)

X射線(γ射線)斷層成像技術(shù)(即狹義CT)2.廣義上的計(jì)算機(jī)透射式CT（TransmissionCT）

——衰減襯度CT成像（AttenuationcontrastCT,即通常CT，重點(diǎn)講）

——

相位襯度CT成像（PhasecontrastCT,簡介）發(fā)射式CT（EmissionCT,簡介）散射式CT（ScatteringCT，簡介）X射線(γ射線)斷層成像技術(shù)(即狹義CT)透射式CT（TransmissionCT）X射線(γ射線3.CT發(fā)展簡史(狹義CT)

1895年倫琴（Roentgen）發(fā)現(xiàn)X射線,1901年獲Nobelprizes.1917年德國數(shù)學(xué)家Radon提出“天線數(shù)學(xué)”，應(yīng)用于“無線電天文學(xué)的圖像重建”，為成像理論奠基。3.CT發(fā)展簡史(狹義CT)1895年倫琴（1967年英國Hounsfield研制成第一臺用于臨床的醫(yī)學(xué)CT機(jī)。1974年美國研制成功全人體CT。1979年G.N.Hounsfield和A.M.Cormack獲Nobel醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1980美國等研制成高精度工業(yè)XCT機(jī)，90's美超大工業(yè)CT機(jī)用于檢測運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)(直徑>1.0~2.0m).……國內(nèi)1980初期開始CT理論與應(yīng)用研究，研究單位主要有：清華大學(xué)、重慶大學(xué)、首都師范大學(xué)、中科院高能所、核九院電子所、上海交通大學(xué)，北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)…CT成像介紹第六次課件4.CT成像特點(diǎn)

非接觸性成像，適應(yīng)檢測領(lǐng)域?qū)挓o影像重疊，密度和空間分辨率高數(shù)字圖像，易于處理、存儲、傳輸，易于2維、3維應(yīng)用5.CT應(yīng)用領(lǐng)域

醫(yī)療生物(醫(yī)療診斷、骨密度…)工業(yè)(軍工：導(dǎo)彈、炮彈、飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片、火箭推進(jìn)器、氣缸...；民用：機(jī)械部件、陶瓷…)安全檢查(非金屬武器、毒品、炸藥、…)材料(分子結(jié)構(gòu)、巖心、管道、…)地學(xué)(橋梁、隧道、水壩、物探、地震、…)天體(天體成像)4.CT成像特點(diǎn)非接觸性成像，適應(yīng)檢測領(lǐng)域?qū)?.檢測對象尺度和分辨率

微焦點(diǎn)CT:對象1-30mm,分辨率0.5-5微米醫(yī)學(xué)CT:對象(人)300-800mm,分辨率0.5mm-3mm工業(yè)CT:對象(構(gòu)件)100-500mm,分辨率0.1-0.5mm大型工業(yè)CT:構(gòu)件300-1000mm,分辨率0.5-1.0mm超大型工業(yè)CT:構(gòu)件1000-2000mm,分辨率1.0mm左右工程CT:橋梁、隧道等,分辨率1米-幾米地學(xué)CT:地殼、地質(zhì)構(gòu)造,...天體CT:...6.檢測對象尺度和分辨率微焦點(diǎn)CT:對象1-30mm7.ＣＴ的掃描模式7.ＣＴ的掃描模式圓軌道錐束掃描方式螺旋軌道錐束掃描方式圓軌道錐束掃描方式螺旋軌道錐束掃描方式12Proj.imageatangle1Proj.imageatangle2扇束掃描

Proj.imageatangle1Proj.im左圖：肺部的X光影像（不能分辨深度）右圖：肺部的CT斷層影像（能分辨深度）傳統(tǒng)X光影像與CT斷層影像對比左圖：肺部的X光影像（不能分辨深度）虛擬解剖（科研教學(xué)）虛擬內(nèi)窺鏡（診斷）虛擬手術(shù)（手術(shù)設(shè)計(jì)）由斷層重構(gòu)的三維影像虛擬解剖（科研教學(xué)）由斷層重構(gòu)的三維影像工業(yè)CT的難點(diǎn)：(1)涉及的檢測對象復(fù)雜(尺寸大小、材料種類、物體形狀、檢測要求的分辨率差異大)(2)涉及的射線源種類多/差別大(3)涉及的探測器種類多/差別大工業(yè)CT的難點(diǎn)：由探測器采集射線衰減量=>投影數(shù)據(jù)(生數(shù)據(jù))三維重構(gòu)=>表面、體顯示(局部表面、體顯示)2維/3維應(yīng)用等（三維顯示技術(shù)/圖像處理/模式識別/...）通過特定的算法重建切片數(shù)據(jù)(或體數(shù)據(jù))（我們研究的重點(diǎn):圖像重建技術(shù)）二、CT成像算法簡介由探測器采集射線衰減量三維重構(gòu)=>表面、體顯示(局部表面、體

基本原理

2.1.透射式CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(TransmissionCT,TCT)

一個(gè)基本的事實(shí)：

X射線穿過物質(zhì)時(shí)，射線的強(qiáng)度會發(fā)生衰減。衰減系數(shù)取決于物質(zhì)密度和原子序數(shù)，X射線的能量?；驹?.1.透射式CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(TransmissCT成像介紹第六次課件Radon變換CT成像問題已知,其中，求的近似值。通常稱為投影數(shù)據(jù)。Radon變換CT成像問題已知模型1投影(Phi=0)模型1投影(Phi=投影(Phi=3π/4)投影(Phi=π)投影(Phi=3π/4)投影(Phi=π)模型1投影數(shù)據(jù)圖模型1投影數(shù)據(jù)圖Radon反演公式(1917)實(shí)際成像中涉及到的問題投影數(shù)據(jù)有噪聲或有壞數(shù)據(jù)，需要去噪或修正。投影數(shù)據(jù)不完全。不同的數(shù)據(jù)噪聲和數(shù)據(jù)缺少，導(dǎo)致影像偽影。射線硬化問題、散射問題。重建速度問題?？臻g分辨率、密度分辨率。與系統(tǒng)相關(guān)的問題(源的焦點(diǎn)尺寸、準(zhǔn)直器尺寸、探測器效率、轉(zhuǎn)臺偏心、...)導(dǎo)算子放大噪聲Hilbert變換，奇異積分反投影算子導(dǎo)致偽影Radon反演公式(1917)實(shí)際成像中涉及到的問題投影例如硬化問題：通常的X射線是多色的（即光子的能量服從一個(gè)分布）。在多色情況下，衰減服從1.非線性問題，不適定

2.無精確解，需求逼近解

3.迭代收斂問題

4.重建速度問題

…...例如硬化問題：通常的X射線是多色的（即光子的能量服從一個(gè)分布變換類算法

濾波反投影算法：FilterBackProjection(FBP)Algorithm直接傅立葉方法：DirectFourierTransformationAlgorithm迭代類算法代數(shù)重建算法AlgebraicReconstructionTechnique(ART)Algorithm同時(shí)代數(shù)重建算法SimultaneousAlgebraicReconstructionTechnique(SART)OSEM(OrderSubsetExpectationMaximizationAlgorithm)其它類型算法各有優(yōu)缺點(diǎn)2.2通常的重建算法

(ReconstructionAlgorithms)

變換類算法迭代類算法其它類型算法各有優(yōu)缺點(diǎn)2.2擴(kuò)展水平成像視野的RT掃描模式及直接重建方法擴(kuò)展垂直成像視野的螺旋掃描模式及直接重建方法針對感興趣區(qū)域的掃描模式及直接重建算法兩種工業(yè)CT超分辨成像方法幾種CT重建算法的GPU加速實(shí)現(xiàn)方法，使圖像重建速度達(dá)到國際先進(jìn)水平CT掃描參數(shù)的自動獲取方法X射線能量譜的間接測量方法針對射線束流不穩(wěn)定、探測器之間的非一致性、對能量響應(yīng)的非線性性，提出了數(shù)據(jù)校正方法……三、我們的一些工作

擴(kuò)展水平成像視野的RT掃描模式及直接重建方法三、我們的一些3.1拓展水平方向視野的研究RT三次掃描模式已有的算法需要將數(shù)據(jù)通過插值重排成平行束或扇形束，因此計(jì)算量大、分辨率低我們算法的特點(diǎn):直接重建,不需要重排=>速度快，分辨率高具有并行計(jì)算的特點(diǎn)動機(jī)：需要用短的探測器對大的物體掃描成像長探測器價(jià)格高加速器為窄視場源3.1拓展水平方向視野的研究RT三次掃描模式已有的算法需要

DBP圖像CT圖像部分DBP圖像DBP圖像CT圖像部分DBP圖像面整列探測器面整列探測器我們方法重建結(jié)果重排方法重建結(jié)果我們方法重建結(jié)果重排方法重建結(jié)果垂直成像視野拓展—螺旋掃描模式及其斷層直接重建的快速方法3.２拓展垂直方向視野的研究垂直成像視野拓展—螺旋掃描模式及其斷層直接重建的快速方法3.Before2DinterpolationPhantomAfter2DinterpolationBefore2DinterpolationPhantomCT成像介紹第六次課件3.3感興趣區(qū)域掃描模式及直接重建算法3.3感興趣區(qū)域掃描模式及直接重建算法轉(zhuǎn)臺平移的超分辨掃描模式探測器相疊的示意圖平移旋轉(zhuǎn)超分辨掃描模式等價(jià)掃描模式探測器相疊示意圖虛擬探測器的超分辨算法特點(diǎn)：轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動精度要求不高，近似算法特點(diǎn)：要求轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動精度高，精確算法適用范圍：探測器單元尺寸與焦點(diǎn)尺寸比較大的CT系統(tǒng)3.5CT超分辨成像方法轉(zhuǎn)臺平移的超分辨掃描模式探測器相疊的示意圖平移旋轉(zhuǎn)超分辨掃描虛擬焦點(diǎn)的超分辨算法實(shí)際焦點(diǎn)和虛擬焦點(diǎn)的強(qiáng)度分布示意圖適用范圍：探測器單元尺寸與焦點(diǎn)尺寸比較小的CT系統(tǒng)虛擬焦點(diǎn)的超分辨算法實(shí)際焦點(diǎn)和虛擬焦點(diǎn)的強(qiáng)度分布示意圖適用CT成像介紹第六次課件線對卡線對卡TheimagereconstructedbyFBPTheimagereconstructedbythevirtual-focus-basedmethodTheimagereconstructedbyARTTheimagereconstructedbyFBP3.6掃描參數(shù)自動提取方法（1）實(shí)際的掃描機(jī)械難以對準(zhǔn)；（2）所需參數(shù)也無法直接測量。經(jīng)典圖像重建算法要求的對準(zhǔn)關(guān)系3.6掃描參數(shù)自動提取方法（1）實(shí)際的掃描機(jī)械難以對準(zhǔn)；經(jīng)典不滿足經(jīng)典對準(zhǔn)關(guān)系的一般情況不滿足經(jīng)典對準(zhǔn)關(guān)系的一般情況

幾何偽影的形態(tài)分析(a)(b)(c)幾何偽影的形態(tài)分析(a)如美國Varian公司型號PaxScan2520的面陣探測器的每幀掃描圖像為1920*1536，A/D轉(zhuǎn)換為12位，數(shù)據(jù)輸出為16位。按720個(gè)角度采樣，數(shù)據(jù)量約為4GB。相應(yīng)的最大重建圖像為1920*1920*1536，數(shù)據(jù)量約為10GB。即使重建1024*1024*800的三維圖像，數(shù)據(jù)量仍有1.56GB3.8CT算法的加速問題CT常用的硬件加速方法：多CPU的并行機(jī)價(jià)格昂貴SSE（StreamingSIMDExtension）加速幅度小圖形處理器（GPU）發(fā)展速度快高帶寬高并行性價(jià)格便宜圖形處理器（GPU）加速的缺點(diǎn)：靈活性差——它是為圖像顯示設(shè)計(jì)的，需要將算法設(shè)計(jì)成圖形學(xué)的繪制形式目前重建速度仍是制約三維錐束CT應(yīng)用的主要因素之一如美國Varian公司型號PaxScan2520的面?zhèn)鹘y(tǒng)的方法：主要集中在FDK算法中反投影部分的加速，其中FFT和濾波等較復(fù)雜的計(jì)算則放在CPU上實(shí)現(xiàn)。紐約州立大學(xué)的Muller研究小組的工作具有有代表性

.2007年論文“Real-time3Dcomputedtomographicreconstructionusingcommoditygraphicshardware，Phys.Med.Biol.52,3405–3419(2007)”中反投影時(shí)間是8.9秒的反投影速度GPU加速錐束FDK算法研究

我們算法特點(diǎn)：在GPU上實(shí)現(xiàn)了FDK重建算法(包括濾波、反投影和累加全過程)，并支持重建1024立方的CT圖像。用我們的方法由360個(gè)512平方的投影數(shù)據(jù)重建512立方反投影需要7.752秒.所有重建時(shí)間16.816秒.優(yōu)于目前的商用錐束CT機(jī)的重建速度傳統(tǒng)的方法：主要集中在FDK算法中反投影部分的加速，其中FF濾波的GPU實(shí)現(xiàn)：實(shí)部數(shù)據(jù)紋理虛部數(shù)據(jù)紋理矩形光柵化蝶式算法系數(shù)及索引紋理利用fragmentProgramshader多渲染目標(biāo)技術(shù)實(shí)部結(jié)果紋理虛部結(jié)果紋理乒乓技術(shù)交換原始紋理和結(jié)果紋理FFT的GPU實(shí)現(xiàn)濾波的GPU實(shí)現(xiàn)：實(shí)部數(shù)據(jù)紋理虛部數(shù)據(jù)紋理矩形光柵化蝶式算法數(shù)據(jù)數(shù)組數(shù)據(jù)紋理FFT實(shí)部虛部0實(shí)部虛部頻域?yàn)V波實(shí)部虛部濾波后的頻域數(shù)據(jù)紋理逆FFT濾波后的數(shù)據(jù)紋理實(shí)部虛部GPUGPU反投影……………….數(shù)據(jù)數(shù)組數(shù)據(jù)紋理FFT實(shí)部虛部0實(shí)部虛部頻域?yàn)V波實(shí)部虛部濾波濾波數(shù)據(jù)尺寸內(nèi)存->顯存?zhèn)鬏敽臅r(shí)GPU濾波計(jì)算耗時(shí)顯存->內(nèi)存?zhèn)鬏敽臅r(shí)GPU濾波共耗時(shí)CPU濾波耗時(shí)256*256*3600.422秒1.172秒0.390秒1.984秒42.094秒512*512*3601.094秒4.187秒1.532秒6.813秒196.437秒1024*1024*3604.312秒15.719秒6.564秒26.595秒673.564秒濾波數(shù)據(jù)尺寸內(nèi)存->顯存GPU濾波顯存->內(nèi)存GPU濾波共反投影部分的改進(jìn)：渲染結(jié)果平行投影透視投影視點(diǎn)投影數(shù)據(jù)屏幕重建切片渲染結(jié)果平行投影R通道透視投影G通道透視投影B通道透視投影A通道透視投影重建切片投影紋理改進(jìn)的投影紋理反投影部分的改進(jìn)：渲染結(jié)果平行投影透視投影視點(diǎn)投影數(shù)據(jù)屏幕重2.4.Figure2:Geometryofbackprojection.Thesliceunderreconstructionhaseachfilteredx-rayimageprojectedontoitbyprojectivetexturemapping.GPU加速實(shí)現(xiàn)的反投影算法2.4.Figure2:Geometryofback四個(gè)通道旋轉(zhuǎn)后累加改進(jìn)投影紋理數(shù)據(jù)紋理重建結(jié)果紋理單通道GPU重建結(jié)果改進(jìn)實(shí)現(xiàn)方法：投影紋理數(shù)據(jù)紋理四通道重建結(jié)果紋理四通道GPU重建結(jié)果數(shù)組重建結(jié)果現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方法：四個(gè)通道旋轉(zhuǎn)后累加改進(jìn)投影紋理數(shù)據(jù)紋理重建結(jié)果紋理單通道GP掃描模式等價(jià)模式單層螺旋重建算法的GPU加速：掃描模式等價(jià)模式單層螺旋重建算法的GPU加速：“平行扇束”投影模式：視點(diǎn)投影平面視點(diǎn)投影平面“平行扇束”投影模式透視投影模式投影矩陣：投影矩陣：“平行扇束”投影模式：視點(diǎn)投影平面視點(diǎn)投影平面“平行扇束螺旋CT的GPU加速，與CPU比速度提高13倍以上重建體大小投影數(shù)據(jù)尺寸內(nèi)存->顯存投影數(shù)據(jù)求導(dǎo)反投影耗時(shí)顯存->內(nèi)存GPU重建共耗時(shí)CPU重建時(shí)間256*256*256(256*256)*3600.406秒0.109秒1.641秒0.328秒2.484秒63.095秒512*512*256(512*256)*3600.600秒0.531秒5.094秒1.984秒8.209秒131.443秒1024*1024*256(1024*256)*3601.078秒0.953秒18.875秒9.359秒30.265秒411.950秒螺旋CT的GPU加速，與CPU比速度提高13倍以上重建體大小GPU加速的螺旋CT重建Dris模型GPU加速的螺旋CT重建Dris模型58

錐束CT應(yīng)用軟件MagicEye-3dCT工業(yè)CT應(yīng)用軟件MagicEye-ICTX線數(shù)字成像軟件MagicEye-XDR三維可視化軟件MagicEye-3dView軟件開發(fā)58錐束CT應(yīng)用軟件MagicEye-3dCT軟件謝謝！敬請指導(dǎo)！謝謝！59計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)2011年10月19日張慧滔博士60檢測成像工程中心計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)2011年10月19日張慧滔博士1檢測斷層CT64層螺旋CT斷層CT64層螺旋CT錐束CT首師大的錐束CT每次可掃描1536層、重建1900*1900*1500的三維CT圖像，最高分辨率可達(dá)142微米（3.5pl/mm）錐束CT首師大的錐束CT每次可掃描1536層、重建1900*一、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)簡介1.什么是計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(ComputerTomography,CT)？

廣義上講，計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)是：(1)檢測一組被測物體的某一物理量A；(2)由該組物理量A,通過某種算法求解出被測物體內(nèi)部另一物理量B的分布;(3)由物理量B的分布,進(jìn)一步推知物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)簡介1.什么是計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CoX射線(γ射線)斷層成像技術(shù)(即狹義CT)激光CT成像(OpticalComputerTomography)核磁共振斷層成像技術(shù)(MagneticResonanceImaging,MRI)超聲成像技術(shù)(UltrasonicTomography,UT)電阻抗成像技術(shù)(

ElectricalImpedanceTomography)紅外成像技術(shù)(InfraredImaging)……(下面所講的是狹義上的CT)2.廣義上的計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)

X射線(γ射線)斷層成像技術(shù)(即狹義CT)2.廣義上的計(jì)算機(jī)透射式CT（TransmissionCT）

——衰減襯度CT成像（AttenuationcontrastCT,即通常CT，重點(diǎn)講）

——

相位襯度CT成像（PhasecontrastCT,簡介）發(fā)射式CT（EmissionCT,簡介）散射式CT（ScatteringCT，簡介）X射線(γ射線)斷層成像技術(shù)(即狹義CT)透射式CT（TransmissionCT）X射線(γ射線3.CT發(fā)展簡史(狹義CT)

1895年倫琴（Roentgen）發(fā)現(xiàn)X射線,1901年獲Nobelprizes.1917年德國數(shù)學(xué)家Radon提出“天線數(shù)學(xué)”，應(yīng)用于“無線電天文學(xué)的圖像重建”，為成像理論奠基。3.CT發(fā)展簡史(狹義CT)1895年倫琴（1967年英國Hounsfield研制成第一臺用于臨床的醫(yī)學(xué)CT機(jī)。1974年美國研制成功全人體CT。1979年G.N.Hounsfield和A.M.Cormack獲Nobel醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1980美國等研制成高精度工業(yè)XCT機(jī)，90's美超大工業(yè)CT機(jī)用于檢測運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)(直徑>1.0~2.0m).……國內(nèi)1980初期開始CT理論與應(yīng)用研究，研究單位主要有：清華大學(xué)、重慶大學(xué)、首都師范大學(xué)、中科院高能所、核九院電子所、上海交通大學(xué)，北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)…CT成像介紹第六次課件4.CT成像特點(diǎn)

非接觸性成像，適應(yīng)檢測領(lǐng)域?qū)挓o影像重疊，密度和空間分辨率高數(shù)字圖像，易于處理、存儲、傳輸，易于2維、3維應(yīng)用5.CT應(yīng)用領(lǐng)域

醫(yī)療生物(醫(yī)療診斷、骨密度…)工業(yè)(軍工：導(dǎo)彈、炮彈、飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片、火箭推進(jìn)器、氣缸...；民用：機(jī)械部件、陶瓷…)安全檢查(非金屬武器、毒品、炸藥、…)材料(分子結(jié)構(gòu)、巖心、管道、…)地學(xué)(橋梁、隧道、水壩、物探、地震、…)天體(天體成像)4.CT成像特點(diǎn)非接觸性成像，適應(yīng)檢測領(lǐng)域?qū)?.檢測對象尺度和分辨率

微焦點(diǎn)CT:對象1-30mm,分辨率0.5-5微米醫(yī)學(xué)CT:對象(人)300-800mm,分辨率0.5mm-3mm工業(yè)CT:對象(構(gòu)件)100-500mm,分辨率0.1-0.5mm大型工業(yè)CT:構(gòu)件300-1000mm,分辨率0.5-1.0mm超大型工業(yè)CT:構(gòu)件1000-2000mm,分辨率1.0mm左右工程CT:橋梁、隧道等,分辨率1米-幾米地學(xué)CT:地殼、地質(zhì)構(gòu)造,...天體CT:...6.檢測對象尺度和分辨率微焦點(diǎn)CT:對象1-30mm7.ＣＴ的掃描模式7.ＣＴ的掃描模式圓軌道錐束掃描方式螺旋軌道錐束掃描方式圓軌道錐束掃描方式螺旋軌道錐束掃描方式71Proj.imageatangle1Proj.imageatangle2扇束掃描

Proj.imageatangle1Proj.im左圖：肺部的X光影像（不能分辨深度）右圖：肺部的CT斷層影像（能分辨深度）傳統(tǒng)X光影像與CT斷層影像對比左圖：肺部的X光影像（不能分辨深度）虛擬解剖（科研教學(xué)）虛擬內(nèi)窺鏡（診斷）虛擬手術(shù)（手術(shù)設(shè)計(jì)）由斷層重構(gòu)的三維影像虛擬解剖（科研教學(xué)）由斷層重構(gòu)的三維影像工業(yè)CT的難點(diǎn)：(1)涉及的檢測對象復(fù)雜(尺寸大小、材料種類、物體形狀、檢測要求的分辨率差異大)(2)涉及的射線源種類多/差別大(3)涉及的探測器種類多/差別大工業(yè)CT的難點(diǎn)：由探測器采集射線衰減量=>投影數(shù)據(jù)(生數(shù)據(jù))三維重構(gòu)=>表面、體顯示(局部表面、體顯示)2維/3維應(yīng)用等（三維顯示技術(shù)/圖像處理/模式識別/...）通過特定的算法重建切片數(shù)據(jù)(或體數(shù)據(jù))（我們研究的重點(diǎn):圖像重建技術(shù)）二、CT成像算法簡介由探測器采集射線衰減量三維重構(gòu)=>表面、體顯示(局部表面、體

基本原理

2.1.透射式CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(TransmissionCT,TCT)

一個(gè)基本的事實(shí)：

X射線穿過物質(zhì)時(shí)，射線的強(qiáng)度會發(fā)生衰減。衰減系數(shù)取決于物質(zhì)密度和原子序數(shù)，X射線的能量?；驹?.1.透射式CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(TransmissCT成像介紹第六次課件Radon變換CT成像問題已知,其中，求的近似值。通常稱為投影數(shù)據(jù)。Radon變換CT成像問題已知模型1投影(Phi=0)模型1投影(Phi=投影(Phi=3π/4)投影(Phi=π)投影(Phi=3π/4)投影(Phi=π)模型1投影數(shù)據(jù)圖模型1投影數(shù)據(jù)圖Radon反演公式(1917)實(shí)際成像中涉及到的問題投影數(shù)據(jù)有噪聲或有壞數(shù)據(jù)，需要去噪或修正。投影數(shù)據(jù)不完全。不同的數(shù)據(jù)噪聲和數(shù)據(jù)缺少，導(dǎo)致影像偽影。射線硬化問題、散射問題。重建速度問題?？臻g分辨率、密度分辨率。與系統(tǒng)相關(guān)的問題(源的焦點(diǎn)尺寸、準(zhǔn)直器尺寸、探測器效率、轉(zhuǎn)臺偏心、...)導(dǎo)算子放大噪聲Hilbert變換，奇異積分反投影算子導(dǎo)致偽影Radon反演公式(1917)實(shí)際成像中涉及到的問題投影例如硬化問題：通常的X射線是多色的（即光子的能量服從一個(gè)分布）。在多色情況下，衰減服從1.非線性問題，不適定

2.無精確解，需求逼近解

3.迭代收斂問題

4.重建速度問題

…...例如硬化問題：通常的X射線是多色的（即光子的能量服從一個(gè)分布變換類算法

濾波反投影算法：FilterBackProjection(FBP)Algorithm直接傅立葉方法：DirectFourierTransformationAlgorithm迭代類算法代數(shù)重建算法AlgebraicReconstructionTechnique(ART)Algorithm同時(shí)代數(shù)重建算法SimultaneousAlgebraicReconstructionTechnique(SART)OSEM(OrderSubsetExpectationMaximizationAlgorithm)其它類型算法各有優(yōu)缺點(diǎn)2.2通常的重建算法

(ReconstructionAlgorithms)

變換類算法迭代類算法其它類型算法各有優(yōu)缺點(diǎn)2.2擴(kuò)展水平成像視野的RT掃描模式及直接重建方法擴(kuò)展垂直成像視野的螺旋掃描模式及直接重建方法針對感興趣區(qū)域的掃描模式及直接重建算法兩種工業(yè)CT超分辨成像方法幾種CT重建算法的GPU加速實(shí)現(xiàn)方法，使圖像重建速度達(dá)到國際先進(jìn)水平CT掃描參數(shù)的自動獲取方法X射線能量譜的間接測量方法針對射線束流不穩(wěn)定、探測器之間的非一致性、對能量響應(yīng)的非線性性，提出了數(shù)據(jù)校正方法……三、我們的一些工作

擴(kuò)展水平成像視野的RT掃描模式及直接重建方法三、我們的一些3.1拓展水平方向視野的研究RT三次掃描模式已有的算法需要將數(shù)據(jù)通過插值重排成平行束或扇形束，因此計(jì)算量大、分辨率低我們算法的特點(diǎn):直接重建,不需要重排=>速度快，分辨率高具有并行計(jì)算的特點(diǎn)動機(jī)：需要用短的探測器對大的物體掃描成像長探測器價(jià)格高加速器為窄視場源3.1拓展水平方向視野的研究RT三次掃描模式已有的算法需要

DBP圖像CT圖像部分DBP圖像DBP圖像CT圖像部分DBP圖像面整列探測器面整列探測器我們方法重建結(jié)果重排方法重建結(jié)果我們方法重建結(jié)果重排方法重建結(jié)果垂直成像視野拓展—螺旋掃描模式及其斷層直接重建的快速方法3.２拓展垂直方向視野的研究垂直成像視野拓展—螺旋掃描模式及其斷層直接重建的快速方法3.Before2DinterpolationPhantomAfter2DinterpolationBefore2DinterpolationPhantomCT成像介紹第六次課件3.3感興趣區(qū)域掃描模式及直接重建算法3.3感興趣區(qū)域掃描模式及直接重建算法轉(zhuǎn)臺平移的超分辨掃描模式探測器相疊的示意圖平移旋轉(zhuǎn)超分辨掃描模式等價(jià)掃描模式探測器相疊示意圖虛擬探測器的超分辨算法特點(diǎn)：轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動精度要求不高，近似算法特點(diǎn)：要求轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動精度高，精確算法適用范圍：探測器單元尺寸與焦點(diǎn)尺寸比較大的CT系統(tǒng)3.5CT超分辨成像方法轉(zhuǎn)臺平移的超分辨掃描模式探測器相疊的示意圖平移旋轉(zhuǎn)超分辨掃描虛擬焦點(diǎn)的超分辨算法實(shí)際焦點(diǎn)和虛擬焦點(diǎn)的強(qiáng)度分布示意圖適用范圍：探測器單元尺寸與焦點(diǎn)尺寸比較小的CT系統(tǒng)虛擬焦點(diǎn)的超分辨算法實(shí)際焦點(diǎn)和虛擬焦點(diǎn)的強(qiáng)度分布示意圖適用CT成像介紹第六次課件線對卡線對卡TheimagereconstructedbyFBPTheimagereconstructedbythevirtual-focus-basedmethodTheimagereconstructedbyARTTheimagereconstructedbyFBP3.6掃描參數(shù)自動提取方法（1）實(shí)際的掃描機(jī)械難以對準(zhǔn)；（2）所需參數(shù)也無法直接測量。經(jīng)典圖像重建算法要求的對準(zhǔn)關(guān)系3.6掃描參數(shù)自動提取方法（1）實(shí)際的掃描機(jī)械難以對準(zhǔn)；經(jīng)典不滿足經(jīng)典對準(zhǔn)關(guān)系的一般情況不滿足經(jīng)典對準(zhǔn)關(guān)系的一般情況

幾何偽影的形態(tài)分析(a)(b)(c)幾何偽影的形態(tài)分析(a)如美國Varian公司型號PaxScan2520的面陣探測器的每幀掃描圖像為1920*1536，A/D轉(zhuǎn)換為12位，數(shù)據(jù)輸出為16位。按720個(gè)角度采樣，數(shù)據(jù)量約為4GB。相應(yīng)的最大重建圖像為1920*1920*1536，數(shù)據(jù)量約為10GB。即使重建1024*1024*800的三維圖像，數(shù)據(jù)量仍有1.56GB3.8CT算法的加速問題CT常用的硬件加速方法：多CPU的并行機(jī)價(jià)格昂貴SSE（StreamingSIMDExtension）加速幅度小圖形處理器（GPU）發(fā)展速度快高帶寬高并行性價(jià)格便宜圖形處理器（GPU）加速的缺點(diǎn)：靈活性差——它是為圖像顯示設(shè)計(jì)的，需要將算法設(shè)計(jì)成圖形學(xué)的繪制形式目前重建速度仍是制約三維錐束CT應(yīng)用的主要因素之一如美國Varian公司型號PaxScan2520的面?zhèn)鹘y(tǒng)的方法：主要集中在FDK算法中反投影部分的加速，其中FFT和濾波等較復(fù)雜的計(jì)算則放在CPU上實(shí)現(xiàn)。紐約州立大學(xué)的Muller研究小組的工作具有有代表性

.2007年論文“Real-time3Dcomputedtomographicreconstructionusingcommoditygraphicshardware，Phys.Med.Biol.52,3405–3419(2007)”中反投影時(shí)間是8.9秒的反投影速度GPU加速錐束FDK算法研究

我們算法特點(diǎn)：在GPU上實(shí)現(xiàn)了FDK重建算法(包括濾波、反投影和累加全過程)，并支持重建1024立方的CT圖像。用我們的方法由360個(gè)512平方的投影數(shù)據(jù)重建512立方反投影需要7.752秒.所有重建時(shí)間16.816秒.優(yōu)于目前的商用錐束CT機(jī)的重建速度傳統(tǒng)的方法：主要集中在FDK算法中反投影部分的加速，其中FF濾波的GPU實(shí)現(xiàn)：實(shí)部數(shù)據(jù)紋理虛部數(shù)據(jù)紋理矩形光柵化蝶式算法系數(shù)及索引紋理利用fragmentProgramshader多渲染目標(biāo)技術(shù)實(shí)部結(jié)果紋理虛部結(jié)果紋理乒乓技術(shù)交換原始紋理和結(jié)果紋理FFT的GPU實(shí)現(xiàn)濾波的GPU實(shí)現(xiàn)：實(shí)部數(shù)據(jù)紋理虛部數(shù)據(jù)紋理矩形光柵化蝶式算法