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直线扫描CT及试验研究

直线扫描CT及试验研究

作者：全超重庆大学

学位级别：硕士

计算机断层成像(computerized tomography,CT)技术作为当今最重要的无损检测技术之一,它以图像形式直观、准确地显现出检测对象的内部结构、密度分布及缺陷等信息,现已广泛应用于医学诊断及工业检测领域。为快速采集CT成像多角度下的投... 详细信息

计算机断层成像(computerized tomography,CT)技术作为当今最重要的无损检测技术之一,它以图像形式直观、准确地显现出检测对象的内部结构、密度分布及缺陷等信息,现已广泛应用于医学诊断及工业检测领域。为快速采集CT成像多角度下的投影数据,现代医用CT系统通常采用滑环装置以实现X射线源和探测器绕检测对象的高速旋转运动。然而滑环制造难度大,致使CT系统结构复杂,难以简化,导致现代医用CT系统价格昂贵,造成一些发展中国家及地区无法承受其较高的研发及使用成本。另一方面,愈加复杂的CT系统限制了其在灾难救援和军事战地等特定环境下应用。因此,研究开发可移动,结构简单以及低成本的新型CT成像系统具有重要的现实意义。2014年,美国伦斯乐理工大学(Rensselaer Polytechnic Institute)的Wang Ge教授和中国重庆大学的刘丰林教授联合提出了射线源和探测器反向平行移动的CT扫描方法,采用射线源-探测器的直线运动替代传统CT的旋转运动,从而实现结构简单、可便携、低成本的直线扫描CT系统。本论文以上述理论为基础,完成了直线扫描CT相关试验研究及试验平台设计工作,为后期的系统搭建提供了理论基础。主要研究内容如下:(1)借鉴经典圆轨迹扫描CT的理论,推导分析了直线扫描CT的扫描过程,比较了一次直线扫描(1T)、两次直线扫描(2T)、三次直线扫描(3T)和四次直线扫描(4T)模式的异同,为后期的试验设计提供理论支撑。从辐射剂量和检测效率出发,提出了直线扫描CT短扫描方式;依据直线扫描CT采样方式的特点,从理论上分析得出等角采样的数据均匀性更优,等距采样在运动控制上更趋简易;最后基于系统检测需求,提出了最大行程扫描模型和最大视场扫描模型,并完成了不同模型下扫描参数优化分析。(2)完成了直线扫描CT试验平台的整体设计,为后期实际系统搭建提供了可行方案。在充分调研的基础上,设计了系统的总体结构,完成了射线源、探测器、运动控制模块等系统主要部件的选型,设计了直线扫描CT控制系统整体结构,完善了各控制部件的控制程序,为各子系统之间的协调工作提供了通信基础;(3)基于仿真环境和现有系统,完成了相关试验验证。为更直观的展示等角采样和等距采样方式的差异,利用二者在3T扫描模式下获取的投影数据分别重建图像并加以比较,结果表明:等距采样投影数据均匀性较差,重建图像伪影严重,与理论分析相符;依据选型硬件分别确定了2T、3T以及4T扫描模式的最优参数组合,并对参数偏差模型与优化模型进行仿真,仿真结果表明,参数偏差模型会造成投影数据缺失,致使重建图像中存在严重伪影,参数优化模型重建图像清晰;在现有系统条件下完成6段直线扫描,利用FDK算法完成的重建图像结构清晰,内部信息丰富。

关键词： CT 直线扫描扫描参数优化系统设计试验研究

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直线扫描CT解析重建研究

直线扫描CT解析重建研究

作者：李雷重庆大学

学位级别：硕士

计算机断层成像(CT)技术是一项利用多角度射线在穿透物体的过程中所产生的衰减信息进行成像的技术。目前,圆周扫描CT(RCT)作为主流的CT扫描方式,在医疗、工业、安检等领域应用广泛。但针对一些特殊的扫描成像应用,RCT受到限制。近年来,... 详细信息

计算机断层成像(CT)技术是一项利用多角度射线在穿透物体的过程中所产生的衰减信息进行成像的技术。目前,圆周扫描CT(RCT)作为主流的CT扫描方式,在医疗、工业、安检等领域应用广泛。但针对一些特殊的扫描成像应用,RCT受到限制。近年来,直线扫描CT的概念被提出,诞生了相对平行直线扫描CT(PTCT)、射线源平移扫描CT(STCT)等新型扫描方式,其具有结构简单、应用灵活等优势,适合应用于工业生产检测、安防检查等领域。相应地,直线扫描CT的快速图像重建需求被提出。由于解析重建算法具有重建效率高的特殊优势,因此针对直线扫描CT的解析重建算法研究具有重要的理论和实用价值。本文研究PTCT、STCT的解析重建算法,主要研究工作包括:(1)研究直线扫描CT理论基础和PTCT、STCT扫描方式。重点分析PTCT的单段扫描、多段扫描、采样方式;研究STCT的单段扫描、多段扫描及其数据分布特性,确定STCT视场,分析全扫描、短扫描的数据完备性条件。(2)研究适用于PTCT的求导-希尔伯特变换-反投影算法(PTCT-DHB)。由于适用于PTCT的滤波反投影算法(PTCT-FBP)对噪声的抑制能力较弱,为了提升算法的抗噪性,PTCT-DHB算法基于Radon逆变换,将斜坡滤波器分为为求导和希尔伯特变换两部分,再进行反投影,该算法具有压制高频噪声的特性,能进一步提高重建图像质量。(3)研究适用于STCT的基于重排平行束的滤波反投影算法(STCT-p FBP)。研究基于最小包围三角形的数据插值方法,通过寻找与待插值数据点邻近的三个原始数据点,要求三点组成的三角形能包围待插值数据点且面积最小,利用这三个原始数据点计算待插值数据点的数值,从而将STCT的投影数据重排为圆周平行束扫描的投影数据,再利用圆周平行束扫描的滤波反投影算法重建,从而实现图像重建。(4)研究适用于STCT的基于数据重组的滤波反投影算法(STCT-r FBP)。由于STCT存在投影数据截断的问题,无法直接应用滤波反投影算法进行重建。为此,通过将射线源采样点和探测器单元对置,将截断投影数据重组为全局投影数据,再推导相应的滤波反投影算法表达式,得到STCT-r FBP算法。同时,研究针对STCT的冗余数据加权方法,以抑制STCT的冗余投影数据对重建图像的影响。本文针对PTCT、STCT,研究相应的解析重建算法,并设计搭建相应的实验平台,进行仿真和实验。实验验证了本文所研究算法的有效性、实用性,PTCT-DHB算法相比PTCT-FBP算法能有效抑制高频噪声,STCT-p FBP、STCT-r FBP算法均能快速、准确地重建STCT扫描的物体内部结构图像,其中STCT-r FBP算法表现略优于STCT-p FBP算法。

关键词：计算机断层成像直线扫描解析重建滤波反投影

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直线扫描CT实验研究

直线扫描CT实验研究

作者：王少宇重庆大学

学位级别：硕士

X射线计算机断层成像(computed tomography,CT)是一种成熟的无损检测技术。自1971年CT技术第一次被用做临床诊断以来,经过近五十年的发展,现已广泛应用于医学和工业无损检测领域。为了实现快速成像,现代医用CT系统多采用滑环作为主要部... 详细信息

X射线计算机断层成像(computed tomography,CT)是一种成熟的无损检测技术。自1971年CT技术第一次被用做临床诊断以来,经过近五十年的发展,现已广泛应用于医学和工业无损检测领域。为了实现快速成像,现代医用CT系统多采用滑环作为主要部件,然而滑环体积大、造价昂贵,导致CT系统便携性较差、成本偏高,在一些迫切需要CT检测的发展中国家偏远地区难以配备,不利于CT技术的推广和应用。因此,研究发展可移动、低成本的新型CT系统具有重要的实际意义。2014年,美国伦斯乐理工大学(Rensselaer Polytechnic Institute)的Wang Ge教授和中国重庆大学的刘丰林教授联合提出了基于射线源和探测器反向平行移动的CT扫描方法,该系统通过核心部件的反向平行直线运动采集投影数据,从扫描结构上剔除了现代医学CT的滑环部件,具有低成本,可移动、结构简单等优势。本论文以该系统为基础,完成了直线扫描CT试验平台安装调试工作及相关实验研究。主要研究内容如下:(1)从经典圆轨迹扫描CT出发研究了直线扫描CT系统的基本原理及图像重建算法。系统分析了直线扫描CT的基本组成、成像模型和基本扫描理论,介绍了几种扫描模式:一次直线扫描(1T)、两次直线扫描(2T)、三次直线扫描(3T)模式等,并且对他们进行了比较。研究了滤波反投影(Filtered Back-Projection,FBP)和FDK解析重建算法,并将其应用于扇形束以及锥形束直线CT。为进一步提高重建图像质量,引入图像全变差最小化(Total Variation,TV)优化重建同时迭代重建算法(Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique,SART+TV),为后续实验研究奠定了理论基础。(2)完成了直线扫描CT试验平台的安装调试。在前序设计的基础上,完成了射线源、探测器、运动控制模块等系统主要部件的安装。完善了直线扫描CT控制系统整体结构和各控制部件的控制程序,完成了系统可行性调试。(3)基于仿真环境和现有试验平台,完成了相关实验研究。分别采用FBP、FDK和SART+TV图像重建算法在各种扫描模式下进行直线扫描CT仿真研究。仿真结果表明,一次直线扫描(1T)获得的投影数据为截断数据,重建效果较差。三次直线扫描(3T)和两次直线扫描(2T)可获得180度投影数据,重建图像的质量较好,且3T扫描模式下的重建图像与圆轨迹重建图像在质量上相差不大。另外,SART+TV算法能显著提高重建图像质量。根据仿真结果,在现有试验平台上完成6段直线扫描实际实验,分别采用FDK算法和SART+TV算法完成的重建图像质量较好。(4)利用直线扫描CT系统实现直线扫描计算机分层成像(Computed Laminography,CL)实验研究。首先,分别采用FDK、SART和SART+TV图像重建算法在一次扫描模式下进行直线扫描CL仿真研究。仿真结果表明,随着有限角度的增加,系统采集的投影数据越多,三种算法重建图像质量都有明显提高。FDK重建算法重建速度较快,而SART+TV算法在处理噪声和有限叫截断数据上表现更好。使用直线扫描CT系统平台完成了锥形束直线扫描CL实验研究,分别采用FDK算法和SART+TV算法对芯片和印刷电路板进行了直线扫描CL全局扫描和局部扫描实验,取得了较好的重建图像质量。实验结果表明,直线扫描CT试验平台不仅可完成直线扫描CT研究,而且可完成直线扫描CL研究。

关键词： CT 直线扫描计算机分层成像系统安装调试实验研究

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基于直线扫描的引信钢球分层成像检测算法

兵器装备工程学报 2024年第3期45卷 247-252,322页

作者：吉泓洁陈平赵耀霞张永伟朱勋中北大学信息探测与处理山西省重点实验室太原030051 重庆长安望江工业集团有限公司重庆401120

针对现有的火药引信装配正确性检测方法中存在的无法准确检测遮挡严重的零件的问题,提出了引信中钢球分层成像定位检测算法。将X射线源直线移动扫描待测物体形成多个虚拟的小孔径,结合光学合成孔径原理对所有小孔径进行合成,将合成的虚... 详细信息

针对现有的火药引信装配正确性检测方法中存在的无法准确检测遮挡严重的零件的问题,提出了引信中钢球分层成像定位检测算法。将X射线源直线移动扫描待测物体形成多个虚拟的小孔径,结合光学合成孔径原理对所有小孔径进行合成,将合成的虚拟大孔径成像在不同距离深度的平面上,实现对目标的定位和检测。试验结果表明:所提算法能够在火药引信钢球相互重叠的情况下利用深度信息进行分层成像,提供待测物体的深度信息,能够对不同层次的目标进行检测,确定待检测物体的数量,解决了现有的检测方法在检测过程中出现的漏检问题。

关键词：直线扫描 X射线钢球分层成像深度信息

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直线扫描计算机分层成像研究及实验系统设计

直线扫描计算机分层成像研究及实验系统设计

作者：冉磊重庆大学

学位级别：硕士

以板状结构构件为主要检测对象的X射线计算机分层成像技术(CL)是近几年X射线成像检测研究热点之一。其特点在于,X射线只在板状零件厚度方向穿透物体,通过特定的图像重建算法可以获得物体的分层图像。该方法可用于多层印刷电路板、新型... 详细信息

以板状结构构件为主要检测对象的X射线计算机分层成像技术(CL)是近几年X射线成像检测研究热点之一。其特点在于,X射线只在板状零件厚度方向穿透物体,通过特定的图像重建算法可以获得物体的分层图像。该方法可用于多层印刷电路板、新型材料板、太阳能电池板、生物化石、飞机机翼等的无损检测。本课题研究结构简单实用的新型CL成像方法和系统,具有重要的理论和应用价值。中国重庆大学的刘丰林教授和美国伦斯乐理工学院的王革教授提出了直线扫描CT成像方法,采用射线源和探测器围绕检测对象反向平行移动扫描获得投影数据。本课题以该理论为基础,开展直线扫描CL成像方法研究和实验研究。论文主要研究工作如下:(1)以直线扫描CT理论为基础研究直线扫描CL成像方法。分析了直线扫描CL系统的组成、系统几何模型,研究了直线扫描CL成像滤波反投影图像重建算法(FDK)和代数迭代重建算法(SART)。(2)完成了直线扫描CL试验系统整体功能设计,各子系统选型设计。完成了机械系统结构设计、外协加工、装配调试,完成了控制系统硬件设计、软件设计与安装调试,编写了CL扫描采集程序,并进行了系统联调。(3)在Matlab平台上进行了仿真实验研究,采用FDK和SART算法对不同投影角度下的仿真投影数据进行了图像重建,结果表明,SART算法适应性较好。在实验平台上进行了扫描实验,分别以印制电路板和芯片作为实验检测对象,图像重建结果证明了该方法的有效性。为了提高重建图像质量,引入图像全变差最小化(TV)优化迭代图像重建算法,结果表明重建图像质量明显改善。论文研究了直线扫描CL理论,进行了试验系统设计制造,并进行了扫描成像试验。研究表明,直线扫描CL成像方法可用于平板类零件的成像检测。

关键词： X射线成像计算机分层成像直线扫描成像系统图像重建

直线扫描CT实验平台控制系统研制及实验研究

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直线扫描CT实验平台控制系统研制及实验研究

作者：周航重庆大学

学位级别：硕士

直线扫描CT(Computed Tomography)成像方法通过X射线源和平板探测器的相对平行直线扫描实现投影数据的采集。直线扫描CT系统不使用传统CT滑环,可简化系统结构,降低系统成本,有较好应用前景。本文针对直线扫描CT实验平台研制其控制系统,... 详细信息

直线扫描CT(Computed Tomography)成像方法通过X射线源和平板探测器的相对平行直线扫描实现投影数据的采集。直线扫描CT系统不使用传统CT滑环,可简化系统结构,降低系统成本,有较好应用前景。本文针对直线扫描CT实验平台研制其控制系统,并开展直线扫描CT成像实验研究。论文主要研究工作如下:(1)分析了直线扫描CT成像方法以及相关图像重建算法研究。首先介绍了直线扫描CT成像方法的几何模型、扫描方式以及采样方式,然后详细地叙述了直线扫描CT实验平台的系统组成、选型及功能。最后对常用图像重建算法进行了研究,包括FDK(Feldkamp-Davis-Kress)图像重建算法和SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique)图像重建算法。(2)研制了直线扫描CT实验平台控制系统。完成了其控制系统总体设计,针对其控制系统设计要求,完成了运动控制分析以及控制软件的编写,实现了CT扫描控制和系统电源控制。(3)完成了平板探测器数据采集控制及数据校正研究。研究了平板探测器数据采集原理,分析了数据校正方法,包括暗场、增益以及坏像素校正,完成了探测器的数据校正实验。(4)完成了直线扫描CT实验研究。对FDK和SIRT图像重建算法、等角采样、等距采样和圆周轨迹扫描以及不同扫描次数的成像结果进行了对比研究。结果表明,在相同扫描参数下,FDK重建算法重建速度较快,SIRT重建算法处理噪声表现较好,重建图像质量较好。等角采样与等距采样相比,由于等角采样采集的投影数据分布较均匀,其重建图像质量较好,等角采样与圆周轨迹扫描相比,二者重建图像质量相近。由于受投影角度的限制,一次直线扫描模式不能实现CT图像精确重建,两次及以上直线扫描的重建图像质量优于一次直线扫描。

关键词： CT 直线扫描控制系统数据校正实验研究

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巨大长型物体的双直线扫描断层成像

核电子学与探测技术 1996年第5期16卷 377-380页

作者：刘亚强王经瑾清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像国家专业实验室

本文从实际应用背景出发，对直线源轨迹的扇束重建公式进行了简单推导，给出了相应的计算机模拟结果。同时根据实际情况提出了双直线源轨迹的图像重建公式，最后将此算法推广到三维锥束图像重建，克服了传统三维图像重建中大锥角处误差... 详细信息

本文从实际应用背景出发，对直线源轨迹的扇束重建公式进行了简单推导，给出了相应的计算机模拟结果。同时根据实际情况提出了双直线源轨迹的图像重建公式，最后将此算法推广到三维锥束图像重建，克服了传统三维图像重建中大锥角处误差很大的缺点。

关键词： CT图像重建直线扫描巨大物体计算机模型

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基于直线扫描的FDM支撑自动生成算法

华中科技大学学报（自然科学版） 2004年第6期32卷 60-62页

作者：陈之佳王丛军张李超华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室湖北武汉430074

简述了FDM快速成型工艺的原理 ,提出了一种基于直线扫描的支撑自动生成算法 ,实现了扫描线段的并、差运算 ,在此基础上实现了加工路径分区、优化 ,定义了特定的ZIF文件格式 ,解决了大量加工数据的动态存储问题 .实验表明 ,该算法求支撑... 详细信息

简述了FDM快速成型工艺的原理 ,提出了一种基于直线扫描的支撑自动生成算法 ,实现了扫描线段的并、差运算 ,在此基础上实现了加工路径分区、优化 ,定义了特定的ZIF文件格式 ,解决了大量加工数据的动态存储问题 .实验表明 ,该算法求支撑的速度快。

关键词：熔丝沉积制造支撑直线扫描主坐标子坐标

源直线扫描局部CT成像检测在役高压电缆研究

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源直线扫描局部CT成像检测在役高压电缆研究

作者：廖明娟重庆大学

学位级别：硕士

交联聚乙烯(XLPE)高压电缆作为城市电网电力传输的主要途径之一,常常通过电缆沟敷设或电缆隧道等方式埋于地下。其工作环境空间湿度大,内部易受潮进水导致阻水缓冲层烧蚀,存在重大安全隐患。XLPE高压电缆芯部导线尺寸大、密度高,且外部... 详细信息

交联聚乙烯(XLPE)高压电缆作为城市电网电力传输的主要途径之一,常常通过电缆沟敷设或电缆隧道等方式埋于地下。其工作环境空间湿度大,内部易受潮进水导致阻水缓冲层烧蚀,存在重大安全隐患。XLPE高压电缆芯部导线尺寸大、密度高,且外部缺陷对比度低,易受皱纹铝套和外护套间无规律间隙影像干扰,常规便携式X射线数字成像(DR)技术不能满足在役检测的需求。针对在役XLPE高压电缆缓冲层烧蚀缺陷多出现在电缆底部且沿切向分布的特点,本文提出一种源直线扫描局部CT(L-STCT)成像方法,使平板探测器靠近检测电缆,将预估缺陷位置大致处于最大投影覆盖角度处,通过射线源沿电缆径向方向等距平移扫描采集投影数据。由于L-STCT不对电缆芯部导线成像,对X射线源功率要求较低,且扫描运动简单,因此能满足在役电缆CT检测设备可移动、便携的需求。论文主要研究工作包括:第一,研究了射线源平移扫描CT(STCT)系统及直线型CT扫描重建算法。从CT成像的物理基础和数学基础出发,介绍了STCT扫描系统的基本组成以及扫描方式,推导了直线型CT系统常用的滤波反投影(FBP)解析重建算法和基于全变分(TV)正则项的联合迭代(SIRT-TV)重建算法。第二,研究了L-STCT成像方法。建立了L-STCT成像几何模型,通过计算系统扫描区域各数据点的最大投影覆盖角度研究其投影分布特征,将最大投影覆盖角度最大的数据点设为系统中心点M,确定成像视场;研究了系统扫描参数对最大投影覆盖角度和重建图像质量的影响。另外,初步设计了一种用于在役电缆缺陷检测的L-STCT装置,分析其系统结构及扫描运动。第三,开展了L-STCT检测在役XLPE高压电缆缓冲层缺陷的实验研究。仿真实验和实际实验研究了射线源移动距离s、射线源到被测电缆距离h、探测器宽度d等成像参数的影响,并对比不同图像重建算法的效果。实验结果证明了L-STCT可行有效;增大s、增大d或者减小h可以提高成像质量;FBP重建速度快,SIRTTV重建图像质量较好。

关键词：计算机断层成像直线扫描高压电缆图像重建缺陷检测