医学影像系统实验CTsim图像重建实验剖析.ppt

V2015版 华中科技大学 生命科学与技术学院 张日欣 * 一、实验目的 掌握X-ray CT的工作原理； 学习Ctsim软件进行图像滤波反投影算法的重建方法。 比较不同扫描方式。 二、实验器材与设备 计算机或图形工作站，Ctsim软件： CTSIM软件下载地址：05 或：http://www.CT 三、实验原理 X射线穿过人体时，人体的各种组织对X射线有不同程度的吸收，即不同的组织有不同的线性衰减系数μ。假设强度为I0的X射线穿过均匀分布衰减系数为μ的物体，行进了x的距离，强度变为I，按Beer定理有 或 ① 若物体时分段均匀的，系数分别是μ1、μ2、μ3、...,相应的长度为x1，x2，x3，...,则下式成立： ② 更一般的可用下面的积分式表示： ③ 本实验就是用程序来实现下述的过程，得到投影的数值。 由于只是模拟X射线的投影过程，我们简化了问题。假设断面的结构如图1（Shepp-Logan）所示（各图元均为椭圆），各个椭圆表示了人体的不同的组织（内部是均匀的），分别有不同的线性衰减系数μ。那么，就可利用公式②来求某条X射线投影值。各个椭圆（组织）的线性衰减系数μ（Shepp-Logan图的各椭圆的位置、大小和线性衰减系数参见表2.1）是已知的，问题就是求X射线穿过椭圆时的行进距离。 设椭圆的长短轴为a，b；X射线与a的夹角为Φ；椭圆中心到X射线的距离为d。如下图所示。这样可由④⑤求得X射线穿过椭圆时的行进距离。再乘上各个椭圆的线性衰减系数μ后累加起来就可得到X射线的投影值。 (4) (5) a b X射线投影分平行束和扇束投影，扇束又分为等角射线型和等距射线型。平行束扫描就是笔束平移/旋转扫描，由于扫描时间太长，一般只在第一代CT中使用，扇束扫描就是单X射线源多检测器，等角射线型就是检测器分布在等角的弧线上，等距射线型就是检测器在直线上作等距分布。更多信息参考教材。在程序的具体实现时，这三种情况有所不同（参考程序见附录）。 X射线投影 扇束扫描投影 等距射线型 等角射线型 平行束扫描投影 下面以等角射线型扫描器为例说明CT扫描器（见下图）。设圆为CT的视口（或扫描的范围），半径为Vd。 物体必须在视口内才能被扫描到。Fd为X射线源到视口中心的距离（焦距）。显然X射线源的张角α为 中心射线SO和Y轴的夹角为β，同一扇形中的射线SP由γ确定，检测器间隔Δγ排列，X射线源每次转过Δβ。通过简单的几何关系就可求得某一椭圆在射线β、γ下的投影p。具体算法参考附录程序。 为了对反投影重建后的图像进行评价，可对Shepp-Logan图进行光栅化。然后比较重建前后图像的不同。更多信息参见matlab 中phantom radon iradon 例程，自由软件CTSim。 椭圆模型 Shepp-Logan头部模型 四、实验方法与步骤 Ctsim软件是由Kevin M.Rosenberg等学者编写开发的CT重建仿真程序，其源代码开放。用户可选择Herman head、shepp-logan、unit pulse三种体模，进行滤波反投影重建和傅里叶变换重建。 选择要进行扫描的体模。打开Ctsim软件，按file-create phantom选择体模shepp-logan（如图1）。 图1 对体模进行平行线束（平移-旋转式）扫描投影。按process-projections,在projection parameter中选择geometry-parallel（平行束）, trace level中选择projections, 其他扫描参数使用默认参数。 软件进行体模扫描演示（如图2），扫描完成后，将各角度投影值按顺序排列在二维平面上（图3）。 图2 图3 选择reconstruct-filtered backprojection,在filtered backprojection parameter 中选择filter method 为FFT。 软件进行滤波反投影重建，选用的滤波方法为快速傅里叶变换，获得重建的sheep-logan体模图像（如图4）。 图4 比较重建图像与原体模的差异。 在trace level中选择plot，重复1~3步，观察扫描过程中，每个投影值的变化。 在projection parameter中选择geometry-equiangule(扇形扫描)，重复1~3步，