基于工業(yè)CT的扁平物體局部成像關鍵技術研究.pdf

1、工業(yè)CT能夠在非接觸、不破壞的條件下利用待成像物體的投影反求其內(nèi)部結構信息，是最佳的無損檢測手段之一。受探測器面積等因素限制，實際CT系統(tǒng)的成像視野總是有限的，成像物體超出視野將導致投影數(shù)據(jù)產(chǎn)生截斷，從而出現(xiàn)局部成像問題。對于截斷的投影數(shù)據(jù)，基于傳統(tǒng)圖像重建算法的CT圖像會產(chǎn)生截斷偽影，表現(xiàn)為均值漂移和成像視野邊緣處的高亮環(huán)狀偽影，給無損檢測的準確性帶來挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)重建算法不同，局部重建算法從數(shù)學原理上研究重建問題，為局部成像提供高質量

2、的重建圖像。由于CT局部重建不僅需要準確的空間幾何參數(shù)來抑制幾何偽影，而且還需要快速的計算速度來滿足實際應用要求，所以幾何校正技術、局部圖像重建技術和局部重建的快速計算技術構成了工業(yè)CT局部成像的三項關鍵技術?，F(xiàn)代電子裝備中包含大量扁平狀零部件（如印刷電路板、集成電路等），其在學術上稱為扁平物體。工業(yè)CT是扁平物體無損檢測的重要手段，但局部成像問題會影響檢測效率。由于扁平物體具有面積厚度比大的特點，其局部成像也表現(xiàn)出一定特殊性，但目前還

3、缺少相應的研究成果。因此，研究扁平物體的局部成像技術不僅可以擴展CT局部成像理論的適用性，而且能夠促進工業(yè)CT在扁平物體無損檢測領域的推廣應用。針對工業(yè)CT最實用的圓軌跡、半覆蓋和螺旋軌跡，本課題分別研究了每種成像軌跡中扁平物體局部成像的幾何校正算法、局部重建算法和局部重建的快速計算方法。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對圓軌跡CT的幾何校正，本文提出一種基于區(qū)間劃分的局部成像幾何自校正算法。幾何自校正算法具有節(jié)約硬件成本的優(yōu)點，但

4、難點在于高亮截斷偽影會影響幾何偽影的度量。本文將引起幾何偽影的兩個關鍵參數(shù)分開校正，基于區(qū)間劃分的校正過程是：首先設定幾何參數(shù)的初始搜索區(qū)間并將其等分，然后選擇兩個端點對應的重建圖像相似度最大的區(qū)間再次等分，直到區(qū)間長度小于終止條件。在校正過程中，本文采用DHB（Derivation Hilbert Back-projection）算法抑制高亮截斷偽影。為加快校正速度，每次圖像重建僅計算二維切片。實驗結果表明：本文算法能夠較好地抑制局部

5、重建圖像中的幾何偽影，且具有校正速度快的優(yōu)點。⑵針對圓軌跡CT中扁平物體的局部重建，本文根據(jù)扁平物體的特點提出一種LRPOC（Local Reconstruction of Planar Object in Circular CT）方法。LRPOC方法依據(jù)扁平物體的厚度d與成像視野半徑r和空間分辨率δ的關系，將扁平物體的局部重建分為兩種情況：當 d<2*sqrt[r2-(r-δ)2]時，通過扁平物體的縱向 PI線的兩個端點均在物體外部，

6、因此可以采用BPF算法實現(xiàn)精確重建；當d≥2*sqrt[r2-(r-δ)2]時，首先采用BPF算法重建兩個端點均位于物體外部的縱向PI線，然后以此為先驗信息，通過POCS算法迭代重建覆蓋扁平物體的橫向PI線來實現(xiàn)精確重建。實驗結果表明：LRPOC方法能顯著降低扁平物體局部重建圖像中的截斷偽影，提高局部重建圖像質量。⑶針對半覆蓋CT的幾何校正，本文提出一種基于雙橢圓參數(shù)的幾何校正算法。半覆蓋 CT通過橫向視野擴展來提高局部成像的效率，但幾

7、何校正模體中標記物的投影軌跡只有半個橢圓，導致現(xiàn)有的離線幾何校正方法失效。本文以兩個小球作為標記物，首先采用最小二乘算法分別對標記物的投影質心進行橢圓擬合得到兩組橢圓參數(shù)；然后基于這兩組橢圓參數(shù)計算探測器的旋轉角；接下來，對去除探測器旋轉角影響的質心坐標再次進行橢圓擬合，并以此橢圓參數(shù)計算剩余的幾何參數(shù)。實驗結果表明：本文算法計算的幾何參數(shù)精度非常高，能夠較好地抑制半覆蓋CT重建圖像中的幾何偽影，改善成像質量。⑷針對半覆蓋 CT中扁平物

8、體的局部重建，本文根據(jù)扁平物體的特點提出一種fHC-BPF算法?；赑I線的HC-BPF算法可以實現(xiàn)半覆蓋CT的精確局部重建，但不足是PI線的積分區(qū)間不一致導致算法的通信和計算消耗非常大。fHC-BPF算法根據(jù)扁平物體厚度d與CT掃描半徑R和投影角度采樣數(shù)Np的關系，首先證明當d<2Rsin(2π/Np)時，所有PI線積分區(qū)間的一端均相同；然后對積分區(qū)間的另一端進行放大，使得通過扁平物體的所有PI線的積分區(qū)間完全一致，從而降低了算法的通

9、信和計算消耗。實驗結果表明：基于fHC-BPF算法和HC-BPF算法的重建圖像質量相當，但fHC-BPF算法的計算效率更高。⑸針對螺旋CT的幾何校正，本文提出一種基于升降軸分段與參數(shù)內(nèi)插的幾何校正算法。螺旋 CT通過縱向成像視野擴展來提高局部成像的效率，但幾何校正的難點在于需要計算每個投影的幾何參數(shù)。本文首先分析了沿升降軸分段的合理性，給出了分段長度的確定方法；然后以兩個小球作為標記物，在每個子段的兩個端點處分別基于雙橢圓參數(shù)法計算得到

10、兩組幾何參數(shù)；最后，通過這兩組幾何參數(shù)內(nèi)插子段內(nèi)部每個投影對應的幾何參數(shù)。實驗結果表明：算法能夠較好地實現(xiàn)螺旋CT的幾何校正，顯著降低重建圖像中的幾何偽影。⑹針對螺旋 CT中扁平物體的局部重建，提出一種H-DHB近似重建算法?；赑I線的螺旋CT精確局部重建算法復雜度非常高，因此近似算法在實際應用中更受歡迎。DHB算法采用一階導數(shù)和Hilbert變換替換FDK算法中的斜坡濾波函數(shù)，不僅可以抑制高亮截斷偽影，而且具有計算效率高的優(yōu)點。本文

11、借鑒H-FDK算法原理，將DHB算法推廣到螺旋CT局部重建，推導得到H-DHB算法公式。仿真和實際數(shù)據(jù)實驗結果表明：H-DHB算法與H-FDK算法具有相當?shù)挠嬎阈?，但基于H-DHB算法的局部重建圖像質量更高；與螺旋CT近似局部重建的LORA算法相比，H-DHB算法的計算速度更快。⑺針對上述三種成像軌跡中扁平物體局部重建的計算問題，本文通過最小化重建數(shù)據(jù)量和并行計算來提高計算速度。為最小化重建數(shù)據(jù)量，本文提出一種簡便的最小重建區(qū)域計算方