锥形束CT图像品质提升方法研究

摘要

锥形束断层成像（CBCT）具有射线剂量小、成像视场范围大、空间分辨率高等优点，已作为一种先进的成像技术广泛应用于医学诊断和治疗、工业探伤等领域。但由于受到设备制造和装配工艺的限制，导致重建断层图呈现不同形貌的退化伪影，影响目标物体结构判读。本文围绕 CBCT系统中严重影响图像品质的投影数据缺陷、几何伪影和环形伪影三个方面展开研究。
　　为了有效改善断层图品质，本文通过分析 CBCT成像退化机理，以投影数据、正弦图、断层图和极坐标变换图的空域和统计特性为依据。一方面针对每幅投影存在的条纹和孤立坏像素点，借助平板探测器缺陷图谱和统计直方图定位待校正像素位置，采用八邻域最近邻插值修复显著缺陷，并充分利用光场和暗场投影改善帧内非均匀性。此外提出的基于基准块的校正方法有效避免投影数据帧间增益响应不一致的问题。另一方面，针对断层图中存在的几何伪影，通过360°扫描标定模体获得多幅投影，经过图像分割、点物体中心坐标定位和标定点轨迹重构等一系列步骤，从而求解出系统几何参数。进一步地，针对断层图中存在的结构性环形伪影，首先介绍了几种典型的基于正弦图预校正和极坐标变换后校正方法，分析了各自的特点和不足。在此基础上，充分利用极坐标图中条带的方向性和稀疏性，提出了基于变分的稀疏约束的环形伪影校正方法。模型优化中引入交替方向乘子法（ADMM）将难以直接优化求解的模型分解为易于求解的子问题。
　　仿真和真实数据结果表明，投影数据品质的有效提升和几何参数误差的精确标定避免了重建过程断层图品质退化，提出的基于变分的稀疏约束环形伪影校正方法具有优良的伪影校正，图像边缘和细节保持能力，进一步改善了断层图品质。本文的研究成果将有助于CBCT后续研究工作的开展。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文内容与章节安排

2 CBCT成像品质退化机理与特性

2.1 CT成像原理

2.2 CT图像退化机理与特性

2.3 图像质量评价

2.4 本章小结

3 投影数据缺陷修复与品质提升

3.1 单帧投影数据缺陷修复

3.2 帧间增益响应不一致性校正

3.3 本章小结

4 基于标定模体的几何伪影校正

4.1 几何参数标定原理

4.2 几何伪影校正验证

4.3 本章小结

5 基于变分的稀疏约束环形伪影校正

5.1 典型环形伪影校正方法

5.2 极坐标图条带校正建模

5.3 能量泛函优化

5.4 数值实验

5.5 分析与讨论

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表学术论文

附录2 傅里叶中心切片定理证明