ct图像重建及运动伪影校正方法研究

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1、第一章绪论第一章绪论1.1CT成像概述计算机辅助断层成像（CT）是一种依据外部投影数据重建物体内部结构图像的成像技术，是世界上第一种能够对物体进行精确而且无损的横轴断层成像的技术，让人类真正实现了“内视”。1895年伦琴发现了X射线，利用X射线照片可以在不破坏物体的情况下看到物体的内部结构，开创了无损检测/无创检测的先河。X射线照片技术从最早的依赖于胶片的照相技术，发展到现在的高分辨率数字化直接成像技术（DigitalRadiography，DR），取得了长足进步，在工业和医学中一直发挥着重要作用。但是X射线照片技术将三维物体投影成二维图形，物体内部

2、结构在投影过程中被叠加，损失了其中一维信息。若在没有先验知识的情况下，是很难从二维图形中理解原有的三维结构的。为了能精确了解物体内部结构，人们希望能够获取物体的断层图形，就好像是将西瓜切开了看到西瓜的断面。断层成像的基本思想早在上世纪四十年代就已经出现，由于没有得到现代计算机技术的支持，未能设计出成功的断层成像设备，但已经清晰的描述了断层成像设备的基本原理。直到六、七十年代，由Cormack与Hounsfield等人的努力，先后建成了第一台CT和第一台临床CT，开创了断层成像这一新的领域。目前，CT已经成为医院中不可或缺的诊断工具和科研手段，在工业各

3、个领域也得到广泛的应用。在医学应用中，CT与普通X射线平片技术相比，具有如下优点：1）能提供没有组织重叠的断层图形；2）有很高的密度分辨力，吸收系数相差很小的组织也能被区分；3）能测出各种组织的准确CT值，对病变进行定量分析。准确的说，CT是一种通用的技术，若将投影数据获取方式扩展到声、光、电、磁等方面，利用CT技术可以重建出物体内部相应的各种信号性能分布，应用于各个领域，如超声CT、磁共振CT、电容CT以及地球物理CT等。可以说，CT技术的出现促进了其它生物医学成像技术以及无损检测的发展。本文主要研究X射线CT的重建算法和相关技术。自第一台CT扫描

4、机问世以来，经过多年的发展，X射线CT的各个主要部件都有很大的改进，从射线源和探测器的结构考虑，至少可以把CT扫描系统分 为五代(HsiehJ，2003)9-12。第一代CT扫描机由单笔束X射线源和单探测器构成，扫描时间非常长；第二代扫描机采用多个笔束X射线源和探测器，能同时在多1第一章绪论个角度扫描，将扫描时间缩短至多数病人能屏住气的范围内，对于人体扫描来说是一个重要里程碑；第三代CT采用扇束X射线源和等角度或等间距排列的探测器阵列，进一步缩短了扫描时间，目前市面上的CT扫描机均仍采用这种模式；第四代CT采用闭合圆环状探测器，在扫描过程中X光管旋转

5、而探测器保持静止，能解决第三代中存在的探测器的稳定性和采样不足引起的混乱等技术缺陷，但由于经济和实用的角度考虑，第四代已经基本被淘汰；第五代CT扫描机采用旋转的电子束为射线源，主要用于心脏检查。早期的CT采用单次步进扫描方式，在上世纪90年代初出现了螺旋采集的CT，加快了扫描速度。螺旋CT将面向切片的成像方式带入了面向器官的成像方式。在此基础上，出现了多排探测器和锥形束X射线源，往多层CT的方向发展。图1.1是东芝的一款320排CT的外观图，具备全器官覆盖能力，能够在0.3秒以内完成一个器官的扫描。多层CT缩短了器官成像扫描时间，也在一定程度上降低了

6、总剂量。最近，多源CT的问世将进一步缩短扫描时间，扩展CT的功能和临床应用范围。图1.1东芝AquilionONE320排CT在近几十年的发展历程中，CT领域一直保持着强劲的发展势头，无论在基本技术方面，还是在新的临床应用方面都取得了巨大的发展。根据领域专家的预计，CT领域在未来十年内将继续保持这种强劲的发展势头。CT也必将在工业和医学领域发挥更加重要的作用。1.1论文研究意义和国内外现状1.2.1CT重建算法自第一台CT问世以来，人们一直致力于研究性能更好的CT扫描系统和更2第一章绪论先进的图像重建算法以追求更短的扫描时间和更佳的成像性能，从而满足

7、不断发展的生物医学成像应用需求。归结起来，CT领域的研究重点主要有两个方向：扫描系统和重建算法。扫描系统主要包括射线源、探测器、机架以及相关辅助设施，这相当于人体的感觉器官以及支撑这些器官的身体；重建算法将采集到的投影数据恢复为物体断层图像，相当于人的大脑，将感官获取的信息整合成具体的事物。因此，扫描系统是CT的基础，而重建算法是CT核心。早期的重建算法针对二维图像重建，主要分为三类：傅里叶重建算法、滤波反投影重建（FBP）算法和迭代重建算法(HsiehJ，2003)27-65。傅里叶重建算法仅具备理论意义未在实际中应用；迭代重建算法由于计算代价大、

8、普适性较差以及医生的阅片习惯难以改变而未得到推广，仅在少数场合应用；FBP算法在绝大部分情况下重建质量好且运