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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2014年
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基于压缩传感理论的锥束CT断层图像重建算法研究

杨宏成  
【摘要】:计算机断层成像(Computed Tomography,CT)技术通过无损方式获取物体内部结构信息,广泛用于医学辅助诊断、工业无损检测、安全检查等领域。锥束CT体积小,重量轻,移动灵活,可在手术中快速拍片、定位,广泛用于介入手术治疗。受圆轨道几何扫描结构限制,锥束CT无法获取完备投影数据,制约了锥束CT成像质量。近年提出的压缩感知理论是一种信号高度不完备线性测量的高精确重建技术。在锥束CT图像重建领域,压缩感知理论利用图像的稀疏性先验信息,可从少视角投影数据中精确恢复原始图像。本文基于压缩感知理论,围绕重建精度、收敛速度和计算效率等问题展开研究工作,重点研究了基于FDK的反投影权重算法、基于投影收缩的压缩感知算法、快速自适应共轭梯度投影算法和锥束CT重建并行加速算法,其成果如下: 针对锥束CT系统锥角增大而导致的锥束伪影严重的问题,提出了一种基于FDK的反投影权重锥束CT重建算法(back projection weighted FDK,BPW-FDK)。分析了圆扫描轨迹远端伪影的成因,针对圆周扫描阴影区域导致的Radon空间数据缺失,提出了一种距离变量的反投影权重函数,并将其作为约束条件引入到FDK算法中,实现扫描轨迹远端区域的数据补偿,扩大图像重建区域。与Parker-FDK算法相比,BPW-FDK算法重建图像在目标区域的归一化均方距离判据d和归一化平均绝对距离判据r均下降了50%以上,信噪比提高了5db。 针对锥束CT成像系统中不完全投影数据重建问题,提出了一种基于投影收缩的压缩感知锥束CT短扫描重建算法(Projection-Contraction Barzilari-Borwein,PCBB)。针对BB梯度投影算法的非单调收敛,分析投影收缩法的预测校正特性,将校正过程引入压缩感知图像重建算法中,结合目标函数下降方向和凸集投影下降方向,对BB梯度投影算法进行校正,改善BB梯度投影算法的非单调特性。仿真结果表明,在25个采样角度下,PCBB算法重建图像的信噪比值比ASD-POCS算法、PC算法、GPBB算法的重建结果分别高出9.4870db、9.8027db、3.6159db。 针对锥束CT成像系统中压缩感知算法最速下降法收敛缓慢问题,提出了一种快速自适应共轭梯度压缩感知锥束CT重建算法(adaptive stepsize congjuategradient, ASCG)。利用Lipschitz连续性求出下降步长,然后使用共轭梯度下降法迭代计算,最后采用联合代数重建算法更新重建图像。在每次迭代过程中自适应调整梯度下降步长,进一步加快重建算法的收敛速度。ASCG算法能够有效抑制条状伪影,极大提高少量投影数据时重建图像质量。在40投影角度下,ASCG算法重建结果的相对误差为0.1%,比GPBB算法重建结果的相对误差提高了一个数量级。 锥束CT图像重建的计算复杂度与被重建体数据量N、投影视图个数M的乘积成正比,CPU架构的锥束CT图像重建时间往往达到几十分钟,难以满足实时成像要求。针对锥束CT图像重建时间过长这一瓶颈问题,提出了高度优化的基于GPU的Parker-FDK算法和联合代数重建算法(Simultaneous AlgebraicReconstruction Technique,SART)。基于CUDA架构的Parker-FDK算法充分利用以下技术:(1)优化使用线程块大小;(2)提高常量存储器和共享存储器的重复利用率;(3)使用纹理存储器的线性插值提高计算效率;(4)使用多GPU进一步提高加速比。基于CUDA的SART代码实现:(1)基于射线驱动的正投影技术,使用纹理存储器三线性插值技术;(2)基于体素驱动的反投影技术,使用共享存储器减少冗余计算。实验结果表明,基于CUDA架构的Parker-FDK算法和SART算法的时间性能得到极大提升:Parker-FDK算法的重建时间减少为0.33s;与CPU相比,基于CUDA架构的SART算法加速比约为100倍。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP391.41

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王革,Seung WookLee;论锥束CT扫描Grangeat-型 Katsevich-型的算法(英文)[J];CT理论与应用研究;2003年02期
2 尹忠科;王建英;Pierre Vandergheynst;;由图像的稀疏分解重建图像的快速算法[J];电子科技大学学报;2006年04期
3 王瑜;苏铁明;王峰;欧宗瑛;;圆弧轨迹Katsevich类型的锥束CT重建[J];光电子.激光;2008年07期
4 缪辉;王秋殷;赵会娟;王婷婷;高峰;;针对小动物的锥束CT重建的研究及验证[J];光子学报;2010年09期
5 陈涛;李正炜;王建立;王斌;郭爽;;应用压缩传感理论的单像素相机成像系统[J];光学精密工程;2012年11期
6 王瑜;陈亮;欧宗瑛;董彦磊;黄建龙;;圆弧加直线轨迹Katsevich类型的锥束CT重建算法[J];电子科技大学学报;2013年05期
7 何炳生,杨振华,廖立志;极大单调算子的一个新的近似邻近点算法[J];中国科学(A辑);2002年11期
8 郭威;陈贺新;;一种改进的代数重建算法及其实现[J];吉林大学学报(工学版);2009年S2期
9 李冠华;王瑜;欧宗瑛;王峰;;GPU加速的圆弧轨迹Katsevich锥束CT重建算法[J];计算机辅助设计与图形学学报;2008年07期
10 何炳生;论求解单调变分不等式的一些投影收缩算法[J];计算数学;1996年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张静;;一类新的修正Fletcher-Reeves算法[J];安徽大学学报(自然科学版);2009年03期
2 王朕;王明泉;;投影数据预处理三维CT重构算法研究[J];半导体技术;2007年07期
3 蔡时连;范江华;;自反Banach空间中极大单调集值映射变分不等式的解的存在性[J];北京建筑工程学院学报;2006年04期
4 张静;;无约束非线性规划的共轭梯度法研究综述[J];北京联合大学学报(自然科学版);2008年02期
5 唐国吉;;求解单调变分不等式的近似邻近点算法的收敛性分析[J];纯粹数学与应用数学;2009年01期
6 陈志强,曾凯,张丽,邢宇翔;三维锥束扫描CT成像图像重建新进展[J];CT理论与应用研究;2004年04期
7 李化欣;;共轭梯度法在图像重建中的应用[J];CT理论与应用研究;2007年02期
8 朱晓莉;闫志勇;;声学法炉膛温度场重建算法研究[J];大家;2012年14期
9 练秋生;陈书贞;;基于解析轮廓波变换的图像稀疏表示及其在压缩传感中的应用[J];电子学报;2010年06期
10 钱姗姗;黄静;马建华;张华;刘楠;张喜乐;冯前进;陈武凡;;基于投影数据非单调性全变分恢复的低剂量CT重建[J];电子学报;2011年07期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 ;Recovery of seismic wavefields based on compressive sensing by an l_1-norm constrained trust region method and the piecewise random subsampling[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(下)[C];2012年
2 陈志强;曾凯;张丽;邢宇翔;;三维锥束扫描CT成像图像重建算法新进展[A];2004年CT和三维成像学术年会论文集[C];2004年
3 石培培;刘红英;;具有单个等式和界约束二次规划的新算法[A];中国运筹学会第八届学术交流会论文集[C];2006年
4 ;Convergence Accelerated By the Improvements of Stepsize and Gradient in SPSA[A];Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference(CCDC)[C];2011年
5 牛素鋆;陈平;潘晋孝;;一种基于EM-TV的CT重建算法[A];第十三届中国体视学与图像分析学术会议论文集[C];2013年
6 周小林;刘大虎;贠明凯;刘双全;曹学香;王海鹏;;基于压缩感知理论的图像重建算法研究[A];第十三届中国体视学与图像分析学术会议论文集[C];2013年
7 舒奇泉;胡旭;秦乙;;模拟信号压缩采样的自适应改进算法[A];虚拟运营与云计算——第十八届全国青年通信学术年会论文集(上册)[C];2013年
8 Zhongbo Sun;Chunling Xu;Haiyin Gao;;The R-convergence Rate of MDY Conjugate Gradient Method with Inexact Line Search for Unconstrained Optimization[A];第25届中国控制与决策会议论文集[C];2013年
9 Yanfei Wang;Peng Liu;Zhenhua Li;Tao Sun;Changchun Yang;Qingsheng Zheng;;Data regularization using Gaussian beams decomposition and sparse norms[A];中国科学院地质与地球物理研究所2013年度(第13届)学术论文汇编——油气资源研究室[C];2014年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘吉英;压缩感知理论及在成像中的应用[D];国防科学技术大学;2010年
2 王兴家;基于4D-CT数据的心脏重构方法研究[D];中国科学技术大学;2011年
3 杨成;压缩采样中匹配追踪约束等距性分析及其应用[D];复旦大学;2011年
4 李民;基于稀疏表示的超分辨率重建和图像修复研究[D];电子科技大学;2011年
5 黄安民;基于感知字典的稀疏重建算法研究[D];电子科技大学;2011年
6 李向利;几类带界约束方程组的算法研究[D];西安电子科技大学;2011年
7 安晓敏;最优化方法及其在投资组合中的应用[D];湖南大学;2009年
8 刘宝东;工业CT截断投影数据重建算法研究[D];重庆大学;2010年
9 赵秀丽;航空公司不正常航班恢复模型及算法研究[D];南京航空航天大学;2010年
10 郭吉强;锥束工业CT截断投影数据重建和轮廓特征重建算法研究[D];重庆大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丁鹏;锥束CT重建算法的加速研究[D];大连理工大学;2010年
2 周永亮;非负矩阵分解问题算法的研究[D];西安电子科技大学;2011年
3 毋芳芳;基于学习的压缩感知图像恢复方法研究[D];西安电子科技大学;2011年
4 许晓锋;光学压缩编码成像及其复原算法研究[D];西安电子科技大学;2011年
5 杨玲;X射线衍射关联成像中图像复原数学模型的求解方法[D];吉林大学;2011年
6 伍建辉;工业CT数控系统设计与图像重建研究[D];兰州大学;2011年
7 王勃;锥束螺旋CT解析重建算法的研究[D];中北大学;2011年
8 蔡彪;多能X射线CT统计重建算法研究[D];中北大学;2011年
9 姜德轩;基于球磨机负荷优化控制的磨音检测[D];济南大学;2011年
10 王玉琳;新锥模型信赖域算法研究[D];太原科技大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘晓平;扇束卷积反投影法的程序优化[J];CT理论与应用研究;1996年01期
2 曾凯,陈志强,张丽,赵自然;圆轨道锥束重建精度与锥角关系的研究[J];CT理论与应用研究;2003年03期
3 王学礼;医用CT图像常见伪影成因及矫正分析[J];CT理论与应用研究;2004年03期
4 高河伟;张丽;陈志强;程建平;;有限角度CT图像重建算法综述[J];CT理论与应用研究;2006年01期
5 蒋奇,王太勇,蒋罕;管道腐蚀检测与识别技术的研究[J];电子测量与仪器学报;2003年02期
6 崔谦;靳世久;李一博;;模糊聚类分析方法在管道泄漏检测系统中的应用研究[J];电子测量与仪器学报;2006年02期
7 石光明;刘丹华;高大化;刘哲;林杰;王良君;;压缩感知理论及其研究进展[J];电子学报;2009年05期
8 王瑜;欧宗瑛;王峰;;基于Radon逆变换分解的超短扫描锥束重建[J];光电子.激光;2007年05期
9 刘欣悦;董磊;王建立;;稀疏采样傅里叶望远镜成像[J];光学精密工程;2010年03期
10 孟静;王加俊;黄贤武;刘仁金;;一种改进的光学层析图像重建方法[J];光学学报;2005年11期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 石英杰;杨鼎才;;基于WNN的电阻层析成像图像重建算法的研究[J];电子测量技术;2007年05期
2 高彦丽;章勇高;邵富群;徐青;;电容层析成像技术中图像重建算法的发展及研究[J];传感器与微系统;2007年10期
3 侯卫东,张卫民,莫玉龙;电阻抗成像中有限元法的算法实现[J];上海大学学报(自然科学版);2000年04期
4 赵进创;傅文利;胡强;张锦雄;;电容层析成像系统关键技术[J];电子测量技术;2003年05期
5 李飞;潘晋孝;;基于多目标优化的有限角度图像重建算法及实现[J];CT理论与应用研究;2010年01期
6 陈宇;孙帆;张健;;基于自适应权重粒子群的电容层析成像边界灰度补偿算法[J];哈尔滨理工大学学报;2010年03期
7 丁振君,王化祥,宋占表,李维平,王秀凤;电容层析成像系统中未知介电常数时测量数据的归一化处理[J];河北大学学报(自然科学版);2005年05期
8 陈至坤;李玮;邓乃灏;;基于敏感场变换的电容层析成像图像重建算法研究[J];电子测量技术;2008年04期
9 裴珂,彭黎辉,张宝芬;基于Kalman滤波的电容成像图像重建算法[J];清华大学学报(自然科学版);2005年10期
10 许晓彦;何敏;;电磁层析成像传感系统激励方式比较[J];上海海事大学学报;2006年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 董秀珍;秦明新;汤孟兴;尤富生;付峰;史学涛;刘锐岗;;生物电阻抗断层成像技术的研究[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展(下册)[C];1999年
2 刘丰林;张平;先武;;工业CT理论与实践[A];西南地区第七次无损检测学术交流会论文集[C];2000年
3 杨剑;周诠;李映;赵荣椿;;一种改进的基于MAP的超分辨率图像重建算法[A];全国第三届信号和智能信息处理与应用学术交流会专刊[C];2009年
4 蔡欣华;黄世奇;;超分辨率图像重建及其应用[A];国家安全地球物理丛书(四)——地球物理环境探测和目标信息获取与处理[C];2008年
5 蒋阳;鲜晓东;甘平;;基于DSP的CT图像重建研究及其实现[A];第十一届全国信号处理学术年会(CCSP-2003)论文集[C];2003年
6 柯丽;杜强;王旭;;基于滤波反投影的磁感应图像重建算法研究[A];第七届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2009年
7 马平;周晓宁;田沛;;图像融合理论在电容层析成像中的应用[A];第四届中国智能计算大会论文集[C];2010年
8 何敏;杜二宏;;电磁层析成像图像重建新算法研究[A];第七届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2009年
9 何敏;许晓彦;;EMT逆问题与图像重建算法研究[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(2)[C];2008年
10 许晓彦;何敏;;基于逆问题的图像重建研究[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(2)[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 高文;广州自主研发动物活体成像系统[N];中国医药报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张立峰;电学层析成像激励测量模式及图像重建算法研究[D];天津大学;2010年
2 杨宏成;基于压缩传感理论的锥束CT断层图像重建算法研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年
3 乔志伟;高速高精度解析式图像重建算法研究[D];北京交通大学;2011年
4 康慧;基于X-ray图像重建算法研究及在集成电路领域的应用[D];华南理工大学;2013年
5 陈宇;电容层析成像反问题求解及图像重建算法研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
6 范文茹;生物电阻抗成像技术研究[D];天津大学;2010年
7 陈晓艳;肺功能电阻抗成像技术研究[D];天津大学;2009年
8 闫润生;CFD和电容层析成像技术及其在下行床的应用[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2006年
9 高欣;新型迭代图像重建算法的理论研究和实现[D];浙江大学;2004年
10 王翠苹;气—固悬浮床流场优化及ECT应用的实验研究[D];清华大学;2005年
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1 何泳成;电学层析成像图像重建算法研究及软件系统设计[D];天津大学;2010年
2 周光磊;电阻抗成像技术图像重建算法研究[D];天津大学;2010年
3 刘传美;电容层析成像图像重建算法研究及敏感场仿真分析[D];北方工业大学;2010年
4 李大成;关于图像重建算法的研究[D];宁波大学;2011年
5 王尚礼;压缩感知图像重建算法研究[D];西安电子科技大学;2012年
6 李莉;日像仪图像重建算法研究[D];西安电子科技大学;2013年
7 张爱民;热中子数字成像的光路耦合模拟与图像重建算法研究[D];重庆大学;2012年
8 刘延东;卡尔曼滤波在电磁层析成像图像重建算法中的应用[D];辽宁大学;2013年
9 曹帅;电容层析成像系统图像重建算法的研究[D];哈尔滨理工大学;2012年
10 高宝庆;基于迭代法的电容层析成像图像重建算法[D];哈尔滨理工大学;2010年
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