醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)-CTsim圖像重建實(shí)驗(yàn)

1、V2015版華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張日欣2022年7月6日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握X-ray CT的工作原理；2.學(xué)習(xí)Ctsim軟件進(jìn)行圖像濾波反投影算法的重建方法。3.比較不同掃描方式。二、實(shí)驗(yàn)器材與設(shè)備計(jì)算機(jī)或圖形工作站，Ctsim軟件：CTSIM軟件下載地址：05或：http:/www.CT三、實(shí)驗(yàn)原理X射線穿過人體時(shí)，人體的各種組織對(duì)X射線有不同程度的吸收，即不同的組織有不同的線性衰減系數(shù)。假設(shè)強(qiáng)度為I0的X射線穿過均勻分布衰減系數(shù)為的物體，行進(jìn)了x的距離，強(qiáng)度變?yōu)镮，按Beer定理有 或 若物體時(shí)分段均勻的，系數(shù)分別是1、2、3

2、、.,相應(yīng)的長(zhǎng)度為x1，x2，x3，.,則下式成立： 更一般的可用下面的積分式表示： 本實(shí)驗(yàn)就是用程序來實(shí)現(xiàn)下述的過程，得到投影的數(shù)值。由于只是模擬X射線的投影過程，我們簡(jiǎn)化了問題。假設(shè)斷面的結(jié)構(gòu)如圖1（Shepp-Logan）所示（各圖元均為橢圓），各個(gè)橢圓表示了人體的不同的組織（內(nèi)部是均勻的），分別有不同的線性衰減系數(shù)。那么，就可利用公式來求某條X射線投影值。各個(gè)橢圓（組織）的線性衰減系數(shù)（Shepp-Logan圖的各橢圓的位置、大小和線性衰減系數(shù)參見表2.1）是已知的，問題就是求X射線穿過橢圓時(shí)的行進(jìn)距離。設(shè)橢圓的長(zhǎng)短軸為a，b；X射線與a的夾角為；橢圓中心到X射線的距離為d。如下圖所示

3、。這樣可由求得X射線穿過橢圓時(shí)的行進(jìn)距離。再乘上各個(gè)橢圓的線性衰減系數(shù)后累加起來就可得到X射線的投影值。(4)(5)abX射線投影分平行束和扇束投影，扇束又分為等角射線型和等距射線型。平行束掃描就是筆束平移/旋轉(zhuǎn)掃描，由于掃描時(shí)間太長(zhǎng)，一般只在第一代CT中使用，扇束掃描就是單X射線源多檢測(cè)器，等角射線型就是檢測(cè)器分布在等角的弧線上，等距射線型就是檢測(cè)器在直線上作等距分布。更多信息參考教材。在程序的具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，這三種情況有所不同（參考程序見附錄）。X射線投影扇束掃描投影等距射線型等角射線型平行束掃描投影下面以等角射線型掃描器為例說明CT掃描器（見下圖）。設(shè)圓為CT的視口（或掃描的范圍），半徑為V

4、d。 物體必須在視口內(nèi)才能被掃描到。Fd為X射線源到視口中心的距離（焦距）。顯然X射線源的張角為中心射線SO和Y軸的夾角為，同一扇形中的射線SP由確定，檢測(cè)器間隔排列，X射線源每次轉(zhuǎn)過。通過簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系就可求得某一橢圓在射線、下的投影p。具體算法參考附錄程序。為了對(duì)反投影重建后的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，可對(duì)Shepp-Logan圖進(jìn)行光柵化。然后比較重建前后圖像的不同。更多信息參見matlab 中phantom radon iradon 例程，自由軟件CTSim。橢圓模型Shepp-Logan頭部模型四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟Ctsim軟件是由Kevin M.Rosenberg等學(xué)者編寫開發(fā)的CT重建仿真程序

5、，其源代碼開放。用戶可選擇Herman head、shepp-logan、unit pulse三種體模，進(jìn)行濾波反投影重建和傅里葉變換重建。1.選擇要進(jìn)行掃描的體模。打開Ctsim軟件，按file-create phantom選擇體模shepp-logan（如圖1）。圖12.對(duì)體模進(jìn)行平行線束（平移-旋轉(zhuǎn)式）掃描投影。按process-projections,在projection parameter中選擇geometry-parallel（平行束）, trace level中選擇projections, 其他掃描參數(shù)使用默認(rèn)參數(shù)。軟件進(jìn)行體模掃描演示（如圖2），掃描完成后，將各角度投影值按順

6、序排列在二維平面上（圖3）。圖2圖33.選擇reconstruct-filtered backprojection,在filtered backprojection parameter 中選擇filter method 為FFT。軟件進(jìn)行濾波反投影重建，選用的濾波方法為快速傅里葉變換，獲得重建的sheep-logan體模圖像（如圖4）。圖44.比較重建圖像與原體模的差異。5.在trace level中選擇plot，重復(fù)13步，觀察掃描過程中，每個(gè)投影值的變化。6.在projection parameter中選擇geometry-equiangule(扇形掃描)，重復(fù)13步，觀察掃描過程和重建影

7、像。其掃描過程如圖5、投影圖象如圖6、重建圖像如圖7。比較投影圖象、重建圖像與平行線束掃描獲得的圖像的區(qū)別。圖5圖6圖77.選用unit pulse體模，重復(fù)上述過程，觀察重建圖像中的偽影。8.更換其它體模(自己建立模型)，進(jìn)行上述方法，進(jìn)行重建，觀察重建方法與重建圖象。五、實(shí)驗(yàn)要求與結(jié)果與分析1.閱讀Ctsim 3.5 User Manual，翻譯chapter 2 Concepts。2.自己建立模型（見參數(shù)要求），進(jìn)行投影和反投影重建操作。3.記錄獲得的各步影像，分析所用重建方法的步驟。4.從重建時(shí)間和重建圖像的角度比較不同的重建方法。5.在實(shí)驗(yàn)各步驟中嘗試選用其他參數(shù)，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6.截取重建圖象，采用matlab進(jìn)行圖象增強(qiáng)、均值濾波等操作，觀察結(jié)果圖象。7.實(shí)驗(yàn)報(bào)告Email： (注明學(xué)號(hào)、姓名)對(duì)象密度形狀R1-0.1rectangleR2-0.2rectangleR3-0.3rectangleR4-0.4rectangleR5-0.5rectangleR6-0.6rectangleR7-0.7rectangleR8-0.5rectangleE11ellipseE20.98ellipseE30.92ellipseS1-0.6segmentS20