基于投影补偿的显微计算机断层成像空间分辨率增强

基于投影补偿的显微计算机断层成像空间分辨率增强 基于投影补偿的显微计算机断层成像空间 分辨率增强 第30卷第8期 2009年8月 兵工 ACTAAR?LMENTARII VoI.3ONO.8 Aug.2009 基于投影补偿的显微计算机断层成像空问分辨率增强 李保磊,杨民,傅健 (北京航空航天大学机械及自动化学院,北京100083) 摘要:显微计算机断层成像(CT)可以通过提高投影放大比来提高成像空间分辨率,但是对于 一 定尺寸的工件,随着放大比的增大容易引起投影截断,导致投影数据不完备,重建的图像存在伪 影和衰减系数漂移.提出了一种投影补偿的方法来补全截断的投影数据.该方法对工件执行高放 大比和低放大比两次扫描成像,其中低放大比下的投影数据没有被截断.在低放大比下执行低分 辨率图像重建,将重建的CT图像数字放大并重投影以得到与高放大比下投影数据相匹配的截断 投影的估计值.将估计出的截断投影与高放大比下的投影组合并进行滤波反投影重建,得到空间 分辨率局部增强的显微CT图像.仿真结果和实验结果均验证了该方法的有效性. 关键词:信息处理技术;X射线成像;显微计算机断层成像;投影补偿;空间分辨率;增强 中图分类号:TP391.4文献标志码:A文章编号:1000—1093(2009)081114—05 SpatialResolutionEnhancementforMicro-ComputerizedTomography BasedonProjectionCompensation LIBao—lei,YANG (SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation, Min.FUJian BeihangUniversity,Beijing100083,China) Abstract:Formicro— computerizedtomography(CT),theimagingspatialresolutioncanbeimproved byincreasingtheprojectionmagnification.While,foracertainsizeworkpiece,theprojectiondatais easilytruncatedwiththeincreaseofmagnification,whichresultsinimperfectionofdataandartifact andattenuationcoefficientshiftinCTimage.Onemethodwasputforwardforcompensatingthetrun— catedprojection.Accordingtotheproposedmethod,theworkpiecewerescannedtwiceseparatelyan— derlowmagnificationandhighmagnification.Theprojectionwasnottruncatedunderlowmagnifiea— tionandtheCTimagewithlowspatialresolutionwasreconstructed.ThentheCTimagewasmagni— fleddigitallyandregIrojectedandtheestimatedvalueofthetruncatedprojectionmatchingthehigh magnificationprojectionwasobtained.Intheend,theestimatedvalueofthetruncatedprojectionwas combinedwiththehighmagnificationprojectionandthefilterbackprojectionalgorithmwasexecuted, togetthemicro— CTimagewithlocallyenhancedspatialresolution.Thefeasibilityofthemethodwas validatedbythesimulationresultandthepracticalexperimentresult. Keywords:informationprocessingtechnique;X—rayimaging;computedmicrotomography;projection compensation;spatialresolution;enhancement 收稿日期:2008—06—25 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60872080);航空科学基金项目(20070951013) 作者简介:李保磊(198O一),男,博士.E—mail:baoleili@yahoo.corn.cn; 杨民(1975一),男,副教授,硕士研究生导师.E—mail:minyang.ndt@263.net 兵工第30卷 成伪影的原因是投影的截断,那么想对截断的 投影进行补偿以得到完整投影数据,是该方法的核 心思想.方法步骤如下: 1)在低投影放大比M.条件下对物体进行扫 描,得到完整投影数据和低分辨率的物体CT图像, 计为image1. 2)在高投影放大比Mh条件下对物体进行二 次扫描,得到截断的投影数据P. 3)对图像image在高投影放大比成像几何布 局下进行离散数字化重投影["],得到投影数据P2. 4)利用投影P2补偿Pl中丢失的投影,得到补 偿后的完整投影P. fPl,一5m?s?5m;,,P{P2,其它.() 5)利用补偿后的投影P滤波反投影重建得到 .低分辨率投影如 空间分辨率局部增强的CT图像 图3所示. 射线源 |' ———, -/, |l }ft 怨f中心 测器 ;投影地址 三二 投影数据 图3低分辨率投影 Fig.3Lowspatialresolutionprojection 不难发现,P是高分辨率的投影数据,P2是低 分辨率的投影数据,如果仅仅利用P1重建图像会 引起CT图像伪影,而用P2去补偿P1缺失的投影 数据不但可以抑制伪影,并使得重建出的CT图像 在图1所示的圆环内保持高空间分辨率特性. 2计算机仿真 数字仿真条件:针对显微CT成像,可以近似认 为射线源为理想点源,即焦点尺寸无穷小.模体同 第1节中所述,包含17个圆.Ml=1.25,Mh= 2.5,焦距5000mm,探测器宽度512mm,探元间距 为1mlT1.高低投影放大比下的投影正弦图如图4, 图5所示. 图4M条件下的投影正弦图 Fig.4ThesinogramatthemagnificationofM 图5Mh条件下的投影正弦图 Fig.5ThesinogramatthemagnificationofMh 投影补偿以后的正弦图如图6所示. 图6投影补偿后的正弦图 Fig.6Thesinogramofthecompensatedprojection 投影补偿后的重建图像如图7所示. 可以看出,投影补偿后的重建结果消除了图像 中的伪影.而高放大比下投影完整时的重建结果如 图8所示. 图7,图8中圆环区域(即对应图1中的圆环区 域)内某一行(图7,图8中所示)的灰度曲线比较如 图9所示. 可以看出,圆环区域内灰度分布基本相同,误差 很小,经计算可知,不超过3%.这就说明投影补偿 后重建的图像,在圆环区域内的空间分辨率相对高 放大比下的完整投影数据重建结果,基本没有空间 第8期基于投影补偿的显微计算机断层成像空间分辨率增强 图7投影补偿后的重建结果 Fig.7Thereconstructedimageofthecompensatedprojection 图8Mh条件下投影完整时的重建结果 Fig.8Thereconstructedimageatthemagnification ofMhandtheunabridgedprojection 图9投影补偿重建结果和高分辨率完整投影 重建结果比较 Fig.9Comparisonofgrayvaluesofthereconstructed imagesbetweenthecompensatedandthe unabridgedproj'ections 分辨率的损失,这就实现了基于投影补偿的显微 CT空间分辨率增强.图10展示了投影补偿重建 的局部图像和低放大比重建的局部对应图像的比 较,也可以看出,空间分辨率的增强是显而易见的. 为了便于两图像的灰度曲线对比,对低放大比重建 (a)投影补偿后重建的局部图像 (a)Thelocalreconstructedimageofthecompensatedprojection (b)低放大比重建局部对比图像 Co)Thelocalreconstructedimageoflowmagnification 像素坐标 (c)重建图像某行灰度曲线比较 (c)Comparisonofgrayvaluesofthereconstructedimages Onthelines&Fig.10(a)andFig.10(b) 图lO投影补偿重建结果和低放大比投影重建结果比较 Fig.10Comparisonofgrayvaluesofthereconstructed imagesbetweenthecompensatedandthe lowmagnificationprojections 的CT图像进行了线性插值处理. 3实验验证 在我们研制的t~CT-225系统平台上对某塑料试 件进行M1=1.2,Mb=2.5两次扫描,探测器探元阵 列数为1920×1536.采用本文算法得到如图11所 示的结果.其中图11(C),图11(d)对应图11(a),图 11(b)中标定的方块区域.同上文,为了便于两图像 的灰度曲线对比,对低放大比重建的CT图像进行