首都师范大学检测成像实验室CT研究进展

CT检测成像技术包括数据采集、图像重建、图像应用三个层面。本文简要介绍了近年来首都师范大学检测成像实验室在这三个层面技术研究方面所取得的进展。具体包括多种新的扫描模式和相应重建算法、X射线能量谱的研究、基于GPU的多种解析重建算法和迭代重建算法的加速实现方法、多种伪影形成机理的研究及有效的伪影校正方法、基于GPU实现的体绘制算法、基于这些研究成果的算法平台和软件研发以及成果推广应用情况等。本文目的在于与本领域专家交流相关问题的国内外研究状况及本实验室的研究进展,促进研究的进一步深入。     

基于光线投射的锥束CT正投影算法研究

计算机断层成像（computed tomography,CT）作为一种现代成像技术已经被广泛应用于医学诊断、工业无损检测等领域。在研究CT重建算法的过程中,正投影模拟数据是必不可少的一部分。本文提出一种基于光线投射算法的圆轨迹锥束扫描模式下的正投影算法,并结合CUDA（compute unified device architecture,统一计算设备架构）技术,实现了GPU（graphics processing unit,图形处理器）加速正投影计算。通过与传统的正投影算法相比,本文算法在投影图像质量上有一定的提高,并具有更高的计算效率。     

锥束覆盖方法的并行实现及性能分析

三维螺旋锥束CT重建算法的快速实现是CT理论与实际应用中关注的焦点。本文基于锥束覆盖方法[1]对Katsevich精确反演公式设计了并行算法并给出了算法的并行性能分析。从本文的结果可以看出,该算法是解决三维螺旋锥束CT的重建算法时效性的一个可行途径。     

DART-TV：高精度离散断层图像重建算法

本文提出了一种基于离散代数迭代（DART）和全变差（TV）最小化的高精度图像重建算法,即DART．TV。该算法适用于工业CT辅助制造中对于单一材料物体的尺寸检测,特别是在物体对某些角度无法被穿透的情况。传统的CT重建算法如FBP或ART无法有效处理这类数据缺失的病态问题,重建图像分辨率差。本文提出的算法的核心思想是：（1）利用DART的结果限制重建物体的支撑域,改善问题的病态性;（2）迭代过程中施加TV约束,以抑制噪声;（3）每次迭代后自动更新支撑域,不断逼近真实解,使得图像边缘更加清晰。初步的模拟结果和实验结果显示,DART-TV算法在有限角情况下可以得到更精确的重建图像边缘,并且该算法对于投影噪声和灰度值估计误差有更好的鲁棒性,可以应用于实际工程。     

基于压缩感知的双能CT不完备数据重建算法优化研究

本文针对基于压缩感知理论的双能CT不完备数据重建算法,分别提出了提高重建质量和缩短重建用时的优化方案。一方面,可以通过改进迭代过程中步长和角度的选取提高重建质量;另一方面,可以通过采用GPU技术进一步提高重建速度。初步实验结果表明,不同步长和角度的选取将直接影响重建图像质量,使用GPU技术后的重建算法可将完整重建一次的耗时从数十分钟缩短至几秒钟。因此,如能改善这两个优化方向,基于压缩感知理论的双能CT不完备数据重建算法的重建性能将进一步得到提升。     

双能DR物质识别算法在CT成像系统中的应用

本文介绍一种适用于计算机断层成像（CT）的双能透视（DR）物质识别算法，此算法基于单能CT重建图像，通过对CT图像的分割及对断层几何信息的提取，分块重建材料有效原子序数及电子密度的分布。结合各种扫描轨迹的CT成像系统，可以实现有效的物质材料识别。同时，对比于传统的双能CT方法，本方法结合单能CT重建图像，改善了双能DR识别效果，能够实现较为精确的物质识别，在安全检查等应用领域有着现实意义。     

CT旋转中心的精确确定方法

CT旋转中心（COR）的精确确定是图像准确重建的一个前提条件,COR的偏差会导致重建图像出现伪影,降低成像质量,本文对现有的COR确定方法进行了分析研究,在此基础上,利用中心投影具有π分割数据一致性的特点,提出了一种利用投影原始数据精确确定CT投影中心的方法。本方法无需专用校正模体,不需知道CT测量的几何参数,不需要全周扫描数据,对于射线源与旋转中心的连线不垂直于探测器的情况同样适用。实验结果证明,本方法适用范围广,抗随机噪声能力强,具有很好的应用前景。     

实时定位轨迹工业CT系统研究

计算机断层成像（CT）在扫描时需要高精度的机械运动以保证重建图像的质量。在工业CT的应用中,如果被检测物体体型较大,高精度的机械运动系统将会难以实现。本文提出了一种基于实时定位系统的工业CT实现方案,以提高大型工业CT系统的适用性。该方案包括视觉定位系统的实现、定位系统位置的选择与性能评估,以及结合定位信息的图像重建方法。基于以上方案,本文以多段直线轨迹扫描为例,模拟了扫描过程中可能出现的移动和定位的误差,并结合模拟扫描数据进行重建。重建结果表明该方法可以减少机械系统不精确所造成的影响,在一定程度上提高了图像的质量。     

高能数据缺失下的双能CT重建算法实验研究

随着全球恐怖主义事件数量的逐年递增,公共安全问题越来越受到各国的重视,对安检系统的需求也越来越高。具有高精度物质识别特性的双能CT检测系统一直被认为是防范恐怖事件发生的最有效工具之一。但目前最典型的伪双能CT成像系统是由高低能量不同的两层全采样探测器单元组成。大量探测器单元的使用大大提升了系统成本,阻碍了大规模商用。2013年,我们提出了一种基于压缩感知理论的双能CT不完备数据重建算法,该算法仅利用少数高能探测器缺失数据即可实现图像质量相当的重建过程,模拟实验初步验证了算法的有效性。本文进一步使用在双能CT物品机上采集的真实数据验证算法的有效性。实验结果表明,在确保双能CT重建图像质量的前提下,使用基于压缩感知理论的双能CT不完备数据重建算法可以将双能CT探测器成本降低25％。     

CT扫描/重建参数对三维治疗计划系统影像的影响

[目的]研究CT模拟定位中,CT扫描/重建参数对三维治疗计划重建的三维假体的几何精确度的影响.[方法]在西门子CT模拟机（Somatom plus 4）上扫描自制模体,扫描所得图像登记到ADAC三维治疗计划系统重建成三维假体,测量假体的相关坐标数据并与模体的实际数据相比较;对Catphan 412模体扫描并测量各组图像的实际层厚,讨论实际层厚的变化对计划系统中登记影像的几何精度影响.[结果]（1）CT扫描所采用的不同扫描/重建参数对三维计划系统中重建的三维假体的左右及上下方向的几何精度影响不大,但对重建假体的前后方向（即模体扫描的步进方向）的几何精度有一定的影响.（2）CT扫描所采用的螺距及重建模式会对层厚敏感度曲线（SSP）半高宽值产生影响,该变化对重建假体的前后方向几何精度同样有一定的影响.[结论]重建CT图像的前后方向的几何误差是随着扫描层厚增加而增加,主要是由于CT扫描的部分容积效应影响.单纯增加螺距或使用360度线性内插（Wide）重建模式,都会引起CT图像实际层厚的增加,引起更大的容积效应影响.同时部分容积效应也会导致三维治疗计划系统中数字重建影像（DRR）分辨率的降低.     

基于Mean Shift和遗传算法的皮肤镜图像分割(英文)

皮损目标的精确分割是实现皮肤镜肿瘤图像自动分析的关键。提出了一种皮肤镜图像分割方法。首先采用一种优化的对比度增强方法进行预处理; 然后采用具有较好边界结构保持性的Mean Shift 算法对图像进行粗分割; 根据皮损区域和背景皮肤区域的信息,提出一种子区域合并的目标函数,并采用遗传算法对合并结果进行优化,获得满意的分割结果。实验结果表明,本文方法实现了皮肤肿瘤图像的有效分割,并在准确性上具有更优良的性能。     

融合特征的自适应超像素图割算法

目的针对图割（GrabCut）算法对于前景与背景颜色特征相差不大容易发生分割错误,SLIC（simple linear iterative clustering）预分割在对应情况下边缘不够准确以及时间复杂度较高等问题,提出一种融合特征的自适应超像素GrabCut算法。方法该算法首先将图像转化到Lab色彩空间,并对原图像提取Gabor纹理特征,综合得到融合特征;再利用融合特征改进SuC方法,使用改进方法对图像进行预分割,提取超像素区域,构建区域邻接图;然后保存每个超像素区域的融合特征,对两种特征分别进行高斯混合模型（Gaussian mixture model,简称GMM）建模,并利用相对熵自适应调整分割过程中混合特征的权重,优化Gibbs能量函数;最后执行迭代图割算法,得出分割结果。结论实验结果表明,本算法对颜色特征不佳的情况下有较好的分割效果,并通过改进的SLIC预分割提高了算法的执行效率,降低了迭代次数,前景物体边缘也得到较好的保护。     

一种基于高斯混合模型与Markov建模的灰度图像分割方法

当灰度图像中存在区域间灰度变化不明显或者含有噪声时,图像分割效果会受到比较严重的影响,本文针对此类问题,基于高斯混合模型,提出了一种改进的灰度图像分割算法。首先,基于马尔可夫随机场建模,将梯度因素引入邻域约束,推导图像的能量函数。然后,采用改进的期望最大（EM）算法对能量函数进行求解,E步通过图割法求解各像素点的分类,M步通过改进的期望最大（EM）算法求解高斯混合模型中的各参数。实验结果表明,本文的方法相对于直接用图割法能够求得更低的能量值,获得较好的分割结果。     

脊柱内窥镜技术治疗腰椎间盘突出症的应用进展

腰椎间盘突出症（1umbar disc herniation,LDH）为常见病、多发病。近十余年来,脊柱内窥镜技术在治疗LDH的应用上日趋成熟,开展内窥镜下腰椎间盘手术的医院越来越多,手术效果亦得到越来越广泛的认可。     

一种基于立体像对稠密匹配的三维重建方法

为了提高三维重建的性能,提出了一种新的基于立体像对稠密匹配的三维重建方法。该方法首先采用SIFT算法提取立体像对的特征点,并通过特征点的相似性判定进行特征匹配,然后从中选取种子点,并对种子点进行区域传播稠密匹配,再用对称对极点距离法消除误匹配得到精确匹配点对,然后利用摄像机矩阵计算出对应点的空间三维坐标,最后通过三角剖分和纹理渲染重建出三维模型。真实图像实验结果表明,这种重建方法显著优化了现有的基于稠密匹配算法的三维重建,且其效率和精度远远优于传统的基于稀疏匹配的重建方法。     

核通Simulix-HQ型模拟定位机在靶区治疗中心校位中的应用

目的：探讨核通Simulix-HQ型数字化模拟定位机靶区治疗中心校位方法及价值。方法：对50例使用核通Simulix-HQ型模拟定位机校位的头颈部肿瘤患者,采用手工移动定位床复位23例,计算机控制移动定位床校位复位27例。工作站软件ONCENTRA IMCON1.5进行图像比对,测量正位片在X、Y方向、侧位片在Y、Z方向上的治疗中心与定位中心位移距离,计算复位距离误差=x2＋y2＋z2。以〈1mm做为复位合格标准,复位误差介于1mm-2mm时,调整定位床修正;复位误差大于2mm时,对患者重新摆位和校对,若仍达不到要求,则重新CT定位。结果：在0mm-1mm、1mm-2mm、2mm-3mm和大于3mm误差范围内,手工复位例数分别为4（17.4%）、16（69.6%）、3（13.0%）、0（0%）,计算机控制复位例数分别为9（33.3%）、15（55.6%）、2（7.4%）、1（3.7%）;手工复位和计算机控制复位方法平均精度分别为1.46mm、1.31mm;经加速器治疗EPID首次验证,50例头颈部肿瘤患者综合距离误差均被控制在2mm（1.02±0.41）以内。结论：计算机控制复位方法1mm复位误差符合率（33.3%）高于手工复位方法（17.4%）,平均精度（1.31mm）亦高于手工复位方法（1.46mm）,使用模拟定位机复位时,应尽量采用计算机控制复位方法;对于热塑膜固定的头颈部肿瘤患者,不论是手工校位方法还是计算机控制校位方法,最高只有33.3%的患者校位精度在质控要求（1mm）范围内,模拟定位机复位靶区治疗中心后必须进行射野中心验证和修正,以确保患者治疗误差有效控制在3mm范围内;核通Simulix-HQ型模拟定位机完全能够适用于靶区治疗中心的校位,方法简单,有利于提高放疗工作效率和机器使用率。     

非霍奇金淋巴瘤p73基因甲基化及去甲基化的研究

目的探讨p73基因异常甲基化在非霍奇金淋巴瘤（non—Hodgkin’s lymphomas,NHL）中的分布,去甲基化p73基因的再表达。方法采用甲基化特异性PCR（Methylation specific polymerase chain reaction,MSP）方法检测22例非霍奇金淋巴瘤p73基因CpG岛甲基化状态。使用反转录PCR（Reverse transoription polymerase chain reaction,RT-PCR）方法检测CdR药物作用前后P73基因mRNA的表达情况。结果非霍奇金淋巴瘤p73基因甲基化的发生率为27.3％（6／22）,高度恶性比低度恶性更易发生甲基化,其发生率分别为42．8％和0％,5-杂氮-2’．脱氧胞嘧啶（5-aza-2’-deoxycytidine,CdR）在4．0～8．0μmol/L时可诱导非霍奇金淋巴瘤细胞p73去甲基化。结论p73基因甲基化可能是非霍奇金淋巴瘤发病的原因之一,去甲基化治疗是可行的。