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X射线光栅相衬成像装置光强漂移与断层重建研究

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X射线光栅相衬成像装置光强漂移与断层重建研究

作者：张鹏飞中国科学技术大学

学位级别：硕士

X射线相衬成像技术是近几年来X射线成像领域中的研究热点之一,轻元素构成的物质,如生物软组织等,对X射线的吸收能力较弱,传统的X射线吸收衬度成像不能很好地分辨这些物质,理论上,这些轻元素物质对X射线产生相移的相移截面比吸收截面高... 详细信息

X射线相衬成像技术是近几年来X射线成像领域中的研究热点之一,轻元素构成的物质,如生物软组织等,对X射线的吸收能力较弱,传统的X射线吸收衬度成像不能很好地分辨这些物质,理论上,这些轻元素物质对X射线产生相移的相移截面比吸收截面高三个数量级,因此X射线相衬成像技术可以反映这些弱吸收物质的内部信息,可以大大地扩展了X射线成像的应用范围。围绕相衬成像技术发展出了多种获得相位图像的方法,在目前的众多相衬成像方法中,基于光栅相衬成像方法可以利用普通的X射线光源进行成像,不依赖于同步辐射光源或微焦点光源,并且可以通过所得的到的图像提取物体的吸收、相衬、散射三种信息,成为最有潜力应用于临床医疗和工业无损检测领域的成像技术。本论文主要基于中国科学技术大学同步辐射实验室的X射线光栅相衬成像装置进行成像实验,使用相位步进的方法获取样品的投影图像,并用信息分离方法来提取吸收、相衬和暗场的三种信息二维图像,在实际的实验工作中,X射线光源的不稳定性带来的光强漂移现象会影响信息提取的结果,进一步影响相衬成像的三维重建工作,因此本文中通过对相衬成像中相位步进曲线的研究,提出了修正光强漂移的方法,并利用实验验证了方法的正确性。在传统X射线成像中,计算机断层重建技术(CT)可以由多个角度下获得的投影图像来重建断层信息分布,实现无损检测的目的,而X射线相衬成像断层重建具有特殊性,本文介绍了CT重建算法的原理,并进行了数值模拟,然后推广到相衬成像CT重建中。本论文的最后提出了相衬成像研究中方便信息提取和重建研究的GUI软件框架,具有易用性、跨平台和可扩展性,可以为更进一步的相衬CT重建研究打下基础。

关键词： X射线光栅成像相衬成像光强漂移相衬信息提取方法计算机断层重建

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基于细胞反向投影的木材缺陷断层重建的研究

基于细胞反向投影的木材缺陷断层重建的研究

作者：吴彤东北林业大学

学位级别：硕士

随着国内外无损检测技术的不断发展进步,基于应力波的木材无损检测技术越来越得到研究人员的重视,其具有便携性、对测量环境要求低、测试过程简便、不损害检测者健康,并且能在短时间内获得所需要的结果等优点;因此利用应力波检测木材内... 详细信息

随着国内外无损检测技术的不断发展进步,基于应力波的木材无损检测技术越来越得到研究人员的重视,其具有便携性、对测量环境要求低、测试过程简便、不损害检测者健康,并且能在短时间内获得所需要的结果等优点;因此利用应力波检测木材内部缺陷的重建技术具有十分广阔的前景。国内外研究人员对应力波检测木材物理学特性研究证明,木材是天然高分子材料,具有结构复杂、各向异性和非均匀的特性,即使是同一树种,生长环境不同,其材性也有差异。应力波在活立木中的传播从属于弹性波的范畴,其规律满足波动方程。本文主要研究木材缺陷断层的重建,因此根据波动学理论,主要研究应力波沿原木径向和弦向的传播条件下,在不同波阻抗介质界面间的变化规律。研究表明,如果应力波传播时经过缺陷部位,则会由于波阻抗增大导致应力波幅值下降,以此判定该原木内部存在缺陷,从而证明应力波对木材缺陷检测的可行性。在此基础上,首先利用应力波在原木中的传播时间、距离和速度三项参数建立基于细胞反向投影的模型;然后在有空洞缺陷的硬椴木段样本上均匀选取6个应力波发射端,在常温状态下利用微秒计测得在各点之间的传播时间,利用细胞反向投影的模型构建数值模型,将各个细胞单元的速度值等效为二维图像像素的灰度值,采用MATLAB编程实现断层重建;并将重建的二维缺陷图像与实验样本进行对比,讨论分析不同测试点数量、不同细胞密度、不同含水率下的断层重建图像的误差率和拟合度,证实算法可行性。最后通过形态学对重建图像进行平滑处理,分析不同结构元素的形状与尺寸的选取标准,从而得到更加准确的断层重建图像。基于细胞反向投影的木材缺陷的重建算法,与代数重建法(ART)和联合迭代重建算法(SIRT)相比较具有运算速度快的优点。因此,本文的重建算法特别适合数据运算能力较弱的嵌入式处理器的数据处理,为研制便携式木材应力波无损检测仪提供了可能。

关键词：应力波木材缺陷反向投影断层重建

基于反投影域变换和神经网络的低剂量断层重建算法

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基于反投影域变换和神经网络的低剂量断层重建算法

第十七届中国体视学与图像分析学术会议

作者：张其阳杨永峰刘新郑海荣梁栋胡战利中国科学院深圳先进技术研究院

近年来,深度学习技术在低剂量断层成像方面取得了很多研究成果,各种成像网络先后被提了出来,其中端到端的直接成像网络因其网络结构简单,重建速度快,成像质量高等优点,得到了广泛的研究,具有较高的临床应用价值。然而采用端到端网络实... 详细信息

近年来,深度学习技术在低剂量断层成像方面取得了很多研究成果,各种成像网络先后被提了出来,其中端到端的直接成像网络因其网络结构简单,重建速度快,成像质量高等优点,得到了广泛的研究,具有较高的临床应用价值。然而采用端到端网络实现从投影域到图像域的直接断层重建,面临计算资源消耗过大的问题。我们通过对网络权重的可视化分析,发现端到端直接重建网络将耗费绝大部分计算资源来学习域变换,而断层重建中的域变换可以采用成熟的反投影算法来实现,因此我们提出将支持梯度回传的反投影域变换解析算法嵌入到神经网络(bpNet&hdNet),这样既可以有效降低计算资源的占用也可以让神经网络的非线性拟合能力在伪影校正、散射校正、噪声抑制等问题上得到充分的发挥。我们分别将提出的方法应用到了低剂量PET和有限角CT重建中,实验结果表明,提出方法的各项性能指标均优于传统重建方法,尤其得益于解析算法的嵌入,网络的重建速度要优于基于模型迭代展开式的重建网络,且易于部署。图1(a)为网络训练后学到的权重与解析算法计算的权重对比图。(b-c)分别为有限角CT重建结果和低剂量PET重建结果。

关键词：低剂量断层重建 PET/CT 人工智能

来源： cnki会议评论

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基于深度学习的断层识别与曲面重建研究

基于深度学习的断层识别与曲面重建研究

作者：王子叶河北地质大学

学位级别：硕士

在油气勘探领域,断层作为关键性的地质特征,不仅是油气运移的通道,还能为确定最佳钻井位置提供可靠信息。因此准确识别断层对于地质研究和实际生产意义重大。传统的断层解释工作是采用人工解释的方法,这种方法存在成本高、费时费力等问... 详细信息

在油气勘探领域,断层作为关键性的地质特征,不仅是油气运移的通道,还能为确定最佳钻井位置提供可靠信息。因此准确识别断层对于地质研究和实际生产意义重大。传统的断层解释工作是采用人工解释的方法,这种方法存在成本高、费时费力等问题,同时解释人员的主观判断也可能会带来误差。随着地震勘探规模的扩大,人工解释方法难以满足如今高精度高效率的需求,因此多种智能化、自动化断层解释方法应运而生。尤其是计算机运算速度的提高以及统计学习算法理论的逐步完善,利用机器学习和深度学习算法智能识别断层特征引起很多学者的关注。本文基于深度学习模型,提出了一种断层分组与曲面重建一体化算法,从二维角度出发对断层实例进行分割,再将不同剖面的断层实例进行组合重建。首先基于Cycle GAN网络,将随机的直线图像作为输入,生成与之匹配的合成断层图像。生成的合成断层图像不仅增加了实例分割网络训练样本的数量,还能够增加样本的多样性,为解决地质数据中样本数量不足的问题提供了新的思路。其次提出了一种基于半监督K均值聚类算法的断层标签制作方法,采用空间密度相似性度量来代替欧式距离,然后通过直线图像中得到的少量标签数据指导合成断层图像中的无标签数据聚类,得到为实例分割网络训练准备的实例标签。最后使用一种轻量级实例分割模型进行训练,并将训练后的模型应用到实际工区的断层预测中。在二维断层实例分割的基础上,将断层剖面看作时间序列,利用相邻剖面间的相似性,将卡尔曼滤波等理论应用于断层实例的追踪,实现快速的断层组合与重建。

关键词：断层分割断层重建合成数据集图像分割目标追踪

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三维地震断层智能识别与重建

三维地震断层智能识别与重建

作者：蔡宇飞电子科技大学

学位级别：硕士

断层是连续地层受应力挤压、拉伸而产生的断裂聚集带。断层解释是地震资料解释的核心,它直接影响到油田气田勘探与开采的效率与效益。随着地震勘探的规模日益扩大,周期日益缩短,精细解释的要求日益提高,断层的智能解释备受业界学界关注... 详细信息

断层是连续地层受应力挤压、拉伸而产生的断裂聚集带。断层解释是地震资料解释的核心,它直接影响到油田气田勘探与开采的效率与效益。随着地震勘探的规模日益扩大,周期日益缩短,精细解释的要求日益提高,断层的智能解释备受业界学界关注。断层本身形态复杂,分布规律难觅。仅仅从二维地震剖面去解释断层会丢失大量的断层空间信息特征。将三维地震数据体看作三维图像,可以用深度学习计算机视觉的方法去解决断层解释问题。以卷积神经网络为代表的深度学习方法具有高维复杂信息挖掘,目标特征自动提取,端到端的一体化流程等特点,基于此类方法的三维断层识别与重建是新的研究方向和前沿科学热点。为了进一步提高断层识别与重建的效果,本文从三维角度研究了断层解释中的断层智能识别与重建问题。三维角度主要有区别于断层“点”,地震剖“面”,而是以地震空间“体”作为研究对象的基本单元,以保留地震空间数据体内的断层空间结构特征。对此,本文对于断层的智能识别与重建提出以三维角度的研究方法,本文的具体工作与创新总结如下:a)本文提出了一种基于3D-Unet++卷积神经网络的断层识别方法。本文以Unet卷积神经网络为基础网络模型,通过加入密集连接,三维神经络模型与样本将其改进为3D-Unet++卷积神经网络模型。该网络模型有着良好的泛化能力,针对不同的数据类型如理论数据和实际工区数据,均能表现出优秀的断层识别能力。模型设计了批量归一化来抑制过拟合问题。为了进一步提高断层识别的准确效果,解决断层与背景在断层边缘细节上的难分问题,本方法引入Focal loss为目标损失函数,大幅度提升了断层识别的准确率。本文通过理论模拟地震数据和实际工区地震数据均验证了方法的有效性和实用性。b)本文提出了一种基于视频流的断层智能组合与重建方法,首次用深度学习方法实现了断层数据体的实例分割,并以此为基础快速完成断层重建。断层实例分割不仅区分了断层与非断层,还区分了不同期不同组合的断层类别,这为断层重建提供了数据基础。该模型将地震剖面看作视频帧,地震数据看作由地震剖面组成的视频序列,以少量的人工手动解释地震剖面为指引,学习地震剖面之间的相关关系。方法结合了专家知识经验与机器学习经验,能够准确地分割断层数据体的实例,并实现快速的断层组合与重建。本文通过理论模拟地震数据验证了方法的创新性和有效性。

关键词：断层识别断层重建卷积神经网络三维解释

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小麦分蘖形态学特征X射线-CT无损检测

农业工程学报 2017年第14期33卷 196-201页

作者：吴迪杨万能牛智有黄成龙华中农业大学工学院武汉430070 华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室武汉430070

针对传统小麦分蘖形态学特征需采用人工接触或有损方法获取,不仅过程繁琐、主观性强而且会影响小麦后续生长。为实现小麦分蘖性状快速、准确、无损测量,该文提出一种基于X射线断层成像的小麦分蘖形态学特征提取方法。首先构建了小麦分蘖... 详细信息

针对传统小麦分蘖形态学特征需采用人工接触或有损方法获取,不仅过程繁琐、主观性强而且会影响小麦后续生长。为实现小麦分蘖性状快速、准确、无损测量,该文提出一种基于X射线断层成像的小麦分蘖形态学特征提取方法。首先构建了小麦分蘖X-ray CT断层扫描成像系统,采用滤波反投影(filtered back projection,FBP)断层重建算法和图形处理单元(graphics processing unit,GPU)加速算法快速获取小麦分蘖茎秆断层图像,设计了专门的分蘖图像分析算法实现对小麦分蘖形态学特征参数(分蘖数、分蘖角度、分蘖茎粗和分蘖壁厚)的无损检测。该研究对107株小麦植株测量结果表明:分蘖数测量准确率可达100%,分蘖角度、茎粗和壁厚的平均测量误差分别为3.65%,4.84%和7.86%。该技术相较于人工测量方法和石蜡切片方法,能够对小麦分蘖形态学特征进行较为精准无损检测,实现单株测量效率约200 s,对于小麦功能基因组和抗倒伏能力品种的筛选具有重要的研究意义。

关键词： X射线断层重建图像处理小麦分蘖无损检测

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医学图像处理系统研究与实现

医学图像处理系统研究与实现

作者：周军山东大学

学位级别：硕士

近年来，随着数字化医学图像采集设备的发展和普及应用，国内医院逐步引入了医学图像处理系统，传统的打印胶片正在被数字化的医学图像所取代。医学图像的数字化管理为病人减轻了负担，为医院节省大量开支，提高工作效率;医学图像处理... 详细信息

近年来，随着数字化医学图像采集设备的发展和普及应用，国内医院逐步引入了医学图像处理系统，传统的打印胶片正在被数字化的医学图像所取代。医学图像的数字化管理为病人减轻了负担，为医院节省大量开支，提高工作效率;医学图像处理功能有效地提高放射科诊断医师的工作质量和效率，改变以往依照胶片凭经验推断的弊端，将医学图像诊断提升到可量化诊断的水平，使诊断标准更科学，诊断结论更可信;计算机辅助诊断技术的应用，更是改变了以往只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状的工作方法，更进一步提高了诊断水平。因此医学图像处理系统的研究与实现，具有重要的应用价值。本文论述的内容是作者参与开发的浪潮通软医学图像处理系统，该系统提供了医学图像的数字化管理、医学图像处理、计算机辅助诊断等功能，是计算机图形学和图像处理技术在生物医学工程中的重要应用。医学图像处理系统需求分析阶段在原型系统的基础上引导用户提出需求，然后进行需求分析。总体设计阶段进行业务建模，针对各个功能点划分模块并选取合适的系统架构、开发环境、数据库方案。本文重点介绍了作者完成的图像处理功能和计算机辅助诊断功能的设计、开发和实现过程。本文中医学图像处理部分论述了五个重要的功能： (?) 窗宽／窗位调节：调节需要显示的医学图像CT值的位置和范围，将正常组织和病变组织的CT值映射到不同的肉眼可以区别的灰阶内。 (?) 图像滤波：滤除图像噪声，使图像清晰、视觉效果好，并最大限度地保持不损失图像的轮廓及边缘等重要信息。 (?) 边缘增强：突出显示图像的边缘，削弱边缘以外的图像，方便医生根据增强显示后的边缘分别相邻的机体组织。 (?) 定位线：定位图是一个序列中的第一幅，与后续图像拍摄位置正交，定位图像上的定位线显示的就是后续图像在定位图像的横切位置。 (?) 图像压缩：将DICOM格式的医学图像压缩存储为JPEG格式文件，节省存储空间。

关键词：医学图像 DICOM标准图像处理断层重建

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适于平板探测器旋臂微型CT系统的软件设计

适于平板探测器旋臂微型CT系统的软件设计

作者：孙小敏华中科技大学

学位级别：硕士

在分子影像领域中,微型CT技术作为一种新型的CT成像技术,具有高空间分辨率、无损伤以及可在体检测等优点,在对小动物等小体积样本成像上有着独特的优势,应用前景广阔,而基于平板探测器的旋臂微型CT系统较传统的微型CT相比具有成像面积大... 详细信息

在分子影像领域中,微型CT技术作为一种新型的CT成像技术,具有高空间分辨率、无损伤以及可在体检测等优点,在对小动物等小体积样本成像上有着独特的优势,应用前景广阔,而基于平板探测器的旋臂微型CT系统较传统的微型CT相比具有成像面积大,不受样品形态制约等优势。本文的研究内容是为实验室自主研发的基于平板探测器的旋臂微型CT系统开发配套的系统软件,实现对小动物等小体积样本的快速X射线断层扫描和重构。本文首先根据系统的硬件结构特性和后期数据处理的要求,提出了软件需求,根据软件需求,设计了系统软件结构,编写代码并实现了系统所需功能。软件采用面向对象的方式设计和实现,以Visual C++ 6.0为开发平台。整个软件由四个模块组成:预处理模块,数据采集模块,CT重建模块和图像处理模块。预处理模块实现了对探测器的连接,校准等工作。数据采集模块实现了对整个微型CT系统的步进电机,光源开关和平板探测器的联合控制;其中对步进电机的控制采用基于VC的串口通讯编程实现,光源部分采用并口通讯方式实现控制,探测器部分通过对探测器提供的库函数进行二次开发,实现了对X射线投影数据的360范围下的采集,并完成了两种基于多线程的采集模式。CT重建模块采用现在锥形光束的主流算法——FDK算法,该算法可以解决中小锥角效应对重建结果的影响;图像处理模块实现了对重建的断层图片进行基本的图像处理,通过调整图片的大小和对比度可方便查看感兴趣区域和更多细节部分信息。该软件具有良好的人机交互界面,操作简单方便。将该软件用于实验中,实现了10帧/s可调速度的自动采集,对采集的图片进行断层重建和图像后处理,结果表明该软件达到了预期的设计要求。

关键词：微型CT 软件设计面向对象多线程断层重建

基于迭代法和压缩传感原理的计算机断层成像算法研究

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基于迭代法和压缩传感原理的计算机断层成像算法研究

作者：卢闫晔河北大学

学位级别：硕士

医学影像技术一直是诊断疾病的重要手段,同样也是人类最早用于医学诊断的工程手段。短短三十年间,计算机断层成像技术有了长足的发展。常规的断层重建算法对投影数据的要求非常严格,需要完整的投影角度以及较小的采样间隔。为了提高数... 详细信息

医学影像技术一直是诊断疾病的重要手段,同样也是人类最早用于医学诊断的工程手段。短短三十年间,计算机断层成像技术有了长足的发展。常规的断层重建算法对投影数据的要求非常严格,需要完整的投影角度以及较小的采样间隔。为了提高数据采集的信噪比,在实际工作中往往需要加大放射剂量。临床中对于X射线的放射剂量有着严格的要求,但是较为稀疏的投影数据的重建质量往往不甚理想。本研究尝试解决对稀疏投影数据以及投影角度不完全、不均匀的投影数据进行重建而得到较高质量的重建图像。本研究依托北京大学工学院-基础医学院分子医学影像联合实验室的相关课题,在前人的研究基础之上,用滤波反投影(FBP)算法、代数迭代法(ART)与TV+ART算法来重建多模态分子医学影像系统的实验数据,从以下两个方面进行研究:1.快速的二维平面射线遍历像素的算法。本研究针对直线遍历像素求交过程计算复杂度高、计算速度慢的问题,提出了一种快速的直线遍历像素与求交算法。该算法通过一个距离参数来确定射线穿过的像素索引并计算出射线穿过像素的长度。距离参数采用增量计算,运算效率很高。本研究将该算法运用于ART算法中计算权因子矩阵与正投影过程,与采用Siddon算法求解直线遍历像素求交过程的ART算法相比,大大地缩短了重建时间。2.结合压缩传感原理对真实投影数据进行的代数迭代算法重建图像。本研究在对Shepp-Logan模型以及自建模型的仿真结果基础上,对PET、CT的真实投影数据进行数据重建。实验结果表明, TV+ART算法对于边缘信息良好、形状规则的断层截面重建具有重建精度高、边缘收敛快的特点,相较于传统的断层重建算法对于稀疏投影数据使用进行断层重建能够获得更好的重建质量与重建精度,TV+ART算法应用于PET图像重建能够获得较为理想的重建质量。

关键词：断层重建压缩传感迭代算法权因子 TV+ART