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X射线CT成像技术与多模态层析成像技术研究

作　者: 卢彦斌
导　师: 杨建生; 姜明
学　校: 北京大学
专　业: 应用数学
关键词: CT参数标定方法 CT重建算法多模态成像
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

现代医学成像技术作为一种非侵入式的检测方法，通过提供人体组织、器官的结构和功能图像用于医学诊断，已经在人类生活中扮演着越来越重要的角色。医学成像技术一般分为结构成像技术和功能成像技术两大类。常见的结构成像技术包括X射线CT成像技术(X-ray Computed Tomography，XCT)，磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging，MRI)，超声成像(Ultrasound Imaging)等。常见的功能成像技术包括功能性磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)，单光子发射计算机断层成像技术(Single-Photon Emission Computed To-mography，SPECT)，正电子发射断层成像技术(Positron Emission Tomography，PET)和光学层析成像技术(Optical Tomography)等。不同成像模态之间有很大的互补性。例如，XCT和MRI可以提供结构信息，但不能用于病理学诊断；SPECT、PET和光学成像技术可以提供细胞功能和新陈代谢的变化，却无法准确定位病变组织。多模态成像技术旨在融合不同模态的成像结果，从而为医疗诊断提供更全面的信息。本文着眼于融合X射线CT成像技术和光学层析成像技术。在伦琴发现X射线后，X射线成像就被应用于医学诊断。目前，X射线CT成像技术已经成为一种重要的高分辨率、非侵入式无创伤检测手段，广泛应用于无损检测和医学成像领域。光学层析成像技术近年来发展迅速，以其无辐射性、费用低廉正得到越来越多的重视。常见的光学层析成像模态有扩散光学层析成像(Difuse OpticalTomography，DOT)，自发荧光层析成像(Bioluminescence Tomography，BLT)，激发荧光分子层析成像(Florescence Molecular Tomography，FMT)等。本文主要研究了基于多模态成像系统的XCT几何参数标定方法、XCT精确重建算法及XCT/DOT双模态层析成像技术，具体内容如下：1.基于Kodak活体成像系统FX，引入了XCT和DOT成像技术。通过分析现有成像系统的关键参数及优缺点，设计了一整套系统改造方案，特别引入了物体多维运动机制和近红外光成像机制。2.研究了XCT几何参数标定与系统校正方法。首先，根据几何参数的来源不同，将所有参数分为耦合关系较小的三组，并分析确定了三组参数的标定顺序。其次，对每组参数，分别利用特殊模体给出了解析标定组内参数的方法，并用数值实验验证了方法的有效性。最后，结合CT系统，给出了参数标定与系统校正的具体方法、流程和实验结果。3.研究了双圆加直线轨迹的XCT精确重建算法。首先，结合系统空间狭小的实际情况，提出一种双圆加直线的扫描模式，使得重建算法所需图像可在有限空间内采集完成。其次，根据一般轨迹的反投影滤波重建算法，给出了双圆加直线轨迹的重建算法，并讨论了冗余数据的利用和投影微分的计算方法。最后，通过大量数值模拟和模体实验，验证了系统设计的可行性。4.研究了XCT/DOT双模态层析成像系统的设计实现。首先，根据DOT成像要求，给出了利用X射线标定激光束在物体表面的入射位置及强度的方法，并详细分析了XCT与DOT的关系。其次，设计了适合双模态成像的实验模体，其不同结构对X射线的吸收系数和对近红外光的吸收、散射系数均有一定区分度。最后，给出了双模态成像的实验结果。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪言  10-18
  1.1 X射线CT成像技术  10-14
    1.1.1 X射线CT成像技术简介  10-11
    1.1.2 锥束CT重建算法  11-13
    1.1.3 CT系统参数标定  13-14
  1.2 多模态层析成像技术  14-16
    1.2.1 多模态成像技术  14-15
    1.2.2 多模态光学层析成像技术  15-16
  1.3 本文的内容和结构  16-18
第二章多模态层析成像系统  18-26
  2.1 Kodak活体成像系统FX简介  18-19
  2.2 层析成像系统改造设计  19-22
    2.2.1 CT系统改造设计  20-21
    2.2.2 光学系统改造设计  21-22
  2.3 预备实验  22-25
    2.3.1 X射线源标定实验  22-23
    2.3.2 CCD噪声标定  23
    2.3.3 时序匹配实验  23-25
  2.4 总结与讨论  25-26
第三章 XCT参数标定与系统校正  26-46
  3.1 系统调整的一般思路  26-27
  3.2 CT系统的几何描述  27-29
  3.3 CT几何参数标定方法  29-35
    3.3.1 常见CT扫描轨迹的几何参数  29-30
    3.3.2 X射线源到探测面的投影点及距离  30-32
    3.3.3 旋转轴旋转矩阵  32-35
    3.3.4 X射线源到旋转轴的距离  35
  3.4 Kodak系统参数标定与校正  35-38
    3.4.1 Kodak CT系统的几何参数  36-37
    3.4.2 系统标定与校正方案  37-38
  3.5 实验结果  38-45
    3.5.1 数值实验  38-41
    3.5.2 模体实验  41-45
  3.6 总结与讨论  45-46
第四章 XCT成像算法研究  46-68
  4.1 扫描轨迹设计  46-48
  4.2 重建算法  48-59
    4.2.1 基本概念  48-49
    4.2.2 基于M-line的重建算法  49-51
    4.2.3 双圆加直线轨迹的重建算法  51-56
    4.2.4 双圆加直线轨迹的R-line分析  56-58
    4.2.5 算法中的数据处理  58-59
  4.3 实验结果  59-66
    4.3.1 实验环境  59-60
    4.3.2 数值实验1：Shepp-Logan模型  60-61
    4.3.3 数值实验2：FORBILD模型  61-62
    4.3.4 数值实验3：线对模型  62-63
    4.3.5 模体实验  63-66
  4.4 总结与讨论  66-68
第五章 XCT/DOT成像实验  68-76
  5.1 XCT/DOT层析成像系统  68-71
    5.1.1 DOT层析成像技术简介  68-69
    5.1.2 DOT参数标定方法  69-70
    5.1.3 XCT与DOT的关系  70-71
  5.2 多模态模体制备方法  71-72
  5.3 实验结果  72-74
    5.3.1 XCT重建结果  72
    5.3.2 DOT实验结果  72-74
  5.4 总结与讨论  74-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 本文的主要工作和创新点  76-77
  6.2 进一步的工作和研究方向  77-78
参考文献  78-88
附录 A XCT图像中的伪影分析  88-94
  A.1 伪影分析  88-91
    A.1.1 X射线射束硬化  88-89
    A.1.2 投影数据采样不足  89-91
  A.2 实验验证  91-94
博士期间参与的科研项目及研究成果  94-96
致谢  96-98

X射线CT成像技术与多模态层析成像技术研究

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