C型臂X光机上位机控制软件设计及三维重建算法研究

摘要

锥束CT因其射线利用率高、三维重建结果各向同性等优点成为目前研究的热点。C型臂X光机是一种常用的锥束CT医疗设备，此种机器的三维重建技术正在被广泛的研究。本论文的研究依托于相关科技研究项目，在该项目中主要完成了C型臂X光机上位机控制软件的设计，在Qt开发环境中，使用C++编程语言实现了曝光采图、运动控制、三维拍图等功能。并对CT图像去噪、FDK算法、迭代类算法等三维重建关键技术进行了研究。本文的主要研究内容如下： （1）实现了C型臂X光机的上位机控制方案。针对该机器的软件功能需求以及硬件结构，完成了控制系统软件总体架构设计。根据功能对该软件进行了模块划分，包括曝光与采集模块、运动控制模块、图像处理模块、三维拍图模块，分别对各功能模块进行了设计。并使用Qt平台实现了这些功能。 （2）改进了非局部均值去噪算法。针对低剂量拍片时图片存在噪声的问题进行了研究，使用非局部均值去噪算法对CT图像去噪，分析了该算法存在的问题并对此算法进行了改进：1）结合余弦核函数改进了此算法的指数核函数；2）提出了一种基于结构相似度的预判据方法来选择要计算的加权像素块。针对该算法运算时间长的问题，设计并实现了一种CUDA并行加速方案。改进后的算法图像质量有了提升并且使用CUDA加速后可以显著缩短计算时间。 （3）设计了短扫描轨迹FDK重建算法CUDA加速方案。针对短扫描FDK重建算法进行了研究，分析了扫描轨迹对于FDK算法的影响，结合已有的研究分析并实现了适用于短扫描轨迹的FDK算法。为满足实时性要求，结合该算法各步骤的计算特点，设计了CUDA加速的方案。 （4）改进了基于压缩感知理论的ASD-POCS三维重建算法。首先分析实现了常用的迭代重建算法。在稀疏角度下为得到更好的重建结果，分析了ASD-POCS算法，该方法可以得到比传统重建算法更好的图像结果。但此算法存在迭代次数多，收敛慢的问题。本文对该算法进行了两步改进：1）提出了一种基于结果像素差距离比值的TV最小化迭代过程迭代终止条件；2）结合快速迭代收缩阈值算法对此算法进行了改进。改进后的算法收敛速度加快，需要较少的迭代次数就可获得良好的重建结果。改进后的算法在投影稀疏度变大以及投影范围变小时也可得到比原算法更精确的重建结果。

目录

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 解析类算法

1.3.2 迭代类算法

1.4 三维重建算法分析及评价指标

1.4.1 解析类重建算法分析

1.4.2 迭代类图像重建算法分析

1.4.3 评价指标

1.5 技术路线与章节安排

第2章 移动式C型臂X光机上位机控制系统软件设计

2.1 移动式C型臂X光机系统总体框架

2.2 C型臂X光机控制系统软件需求分析

2.3 上位机控制软件的设计与实现

2.3.1 软件总体设计

2.3.2 曝光与图像采集模块设计

2.3.3 运动控制模块设计

2.3.4 图像处理模块设计

2.3.5 三维拍图模块设计

2.3.6 控制系统软件实现

2.4 本章小结

第3章 基于非局部均值算法的CT图像去噪预处理

3.1 非局部均值去噪算法分析

3.2 改进非局部均值去噪算法

3.3 非局部均值去噪算法CUDA加速设计

3.4 实验结果与分析

3.4.1 SSIM阈值选取实验

3.4.2 改进算法去噪效果实验

3.4.3 本机CT图像去噪实验

3.4.4 算法加速实验

3.5 本章小结

第4章 短扫描轨迹FDK重建算法研究及CUDA加速设计

4.1 扫描轨迹对FDK算法的影响分析

4.2 短扫描轨迹FDK重建算法分析及实现

4.3 短扫描FDK算法CUDA加速分析与设计

4.3.1 短扫描FDK算法并行化分析

4.3.2 加权步骤设计

4.3.3 滤波步骤设计

4.3.4 反投影步骤设计

4.4 实验结果与分析

4.5 本章小结

第5章 基于压缩感知理论的三维锥束迭代重建算法研究

5.1 常用迭代算法分析及实现

5.1.1 SIRT重建算法

5.1.2 SART重建算法

5.1.3 MLEM重建算法

5.1.4 稀疏角度下短扫描FDK算法与迭代重建算法比较实验

5.2 基于压缩感知理论的ASD-POCS算法分析

5.2.1 压缩感知理论

5.2.2 ASD-POCS算法分析与实现

5.3 改进ASD-POCS算法

5.4 实验结果与分析

5.4.1 TV最小化终止迭代阈值选取实验

5.4.2 角度稀疏度对重建结果的影响

5.4.3 扫描范围对重建结果的影响

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果及参与的科研项目