锥束/多层螺旋CT重建算法在工业CT中的应用及对运算速度的研究

目前临床应用的锥束/多层螺旋CT主要采用螺旋Feldkamp算法进行图像重建,体数据的重建需要消耗大量的时间,锥束/多层螺旋CT的图像重建一直是图像重建中的关键问题和衡量CT系统的重要指标之一。本文分析了几种快速重建算法的特点,并从算法结构、实现技巧及代码优化等方面论述了图像重建的方法,计算模拟和实验结果显示了这些方法可有效提高图像重建的速度。     

锥形束CT重建影像CT值空间均匀性分析

目的 锥形束CT对均匀模体进行扫描后重建图像的CT值在空间分布是否均匀.方法 使用SynergyTM的锥形束CT对IBA调强验证均匀固体水模体进行扫描,将结果通过放疗网络传至治疗计划系统.测量重建图像的CT值在三维空间的分布,并与扇形束CT扫描重建图像的测量结果进行对比,从而得到锥形束CT重建影像CT值空间均匀性.结果 该模体在扇形束cT扫描重建图像中CT值分布均匀,波动范围在±50内.相同扫描条件下锥形束CT重建图像的CT值在水平方向具有一定的对称性,在垂直方向和头脚方向均不具有对称性.不同kV值扫描重建图像的CT值有一定差别,不同滤过时重建影像的CT值有明显差别.结论 锥形束CT扫描重建的CT值在空间分布不均匀.     

三维锥形束CT解析重建算法发展综述

同二维的扇束、平行束相比,三维锥束CT需要的扫描时间更短,可以获得更好的空间分辨率和更高的射线利用效率。虽然锥束CT的解析重建算法在数学计算上比较复杂,由于其运算量较大,工程实现起来也有一定的困难,但是随着近几年硬件和算法的快速发展,三维锥束CT变得越来越有希望,医用及工业CT正向着中等甚至大锥角三维锥束CT过渡。鉴于其巨大的实用背景,本文对近些年三维锥束解析重建算法的发展做了一个回顾,尤其是针对长物体问题的算法及短物体问题的算法进行的研究,并对各类算法作了比较和讨论,最后对三维锥形束CT解析重建算法理论的发展进行了展望。     

基于像素采样不足的伪迹处理方法

在实际的三维锥束CT重建中，受扫描结构的限制，当连续X射线穿过物体时，像素对射线的采样间隔不能满足Nyqust采样定理，这样通道信号产生混叠，使得重建图像出现伪迹。本论文针对这一问题，在用splatting算法计算代数重建算法权系数的基础上，分析了伪迹产生的原因并对对应的内插函数作了适当的变换，提出了适用于3-D锥束圆轨迹CT扫描系统的去伪处理方法。结果表明，经过去伪处理后，重建图像的分辨率明显提高。     

基于平板探测器的锥束CT系统综述

锥束CT系统和二维扇束、平行束CT系统相比具有空间分辨率高、投影数据采集时间短、射线利用效率高等优点 ,但由于算法运算量大和工程实现上的困难以往一直没能在实际中应用 ,随着近几年硬件和算法的发展 ,锥束CT已经进入实用阶段 ,而平板探测器则是最适合锥束CT的探测器。本文对目前平板探测器锥束CT系统的发展状况做了综述 ,讨论了平板探测器用于锥束CT系统的优越性 ,对各种平板探测器锥束CT系统的几何结构和应用中的问题进行了比较和讨论 ,最后对平板探测器锥束CT未来的发展进行了展望。     

新的超分辨CT扫描模式和图像重建方法

针对通常工业CT转台特点,提出了一种新的基于扇束等距采样的超分辨CT扫描模式和相应的重建算法。分别向左和右偏移CT旋转中心1/4探测器宽度,得到的两组相叠采样的投影数据。通过求解一组具有双对角矩阵的线性方程组,得到高分辨的CT虚拟投影数据,进而由扇束滤波反投影算法重建出高分辨的CT图像。数值模拟结果验证了本文方法的有效性。     

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。     

锥束三维CT快速连续旋转扫描控制时序优化

快速连续旋转扫描是提高锥束cT扫描速度、降低辐射剂量的有效手段。针对该扫描模式下转台加速减速运动以及扫描控制终端对上位机控制指令响应滞后造成的投影数据冗余问题,提出了优化的运动控制时序,以保证三维重建所需的360°范围内的有效投影数据处于电机匀速旋转状态。同时,以结构相似度系数为控制参数,实现对360°投影位置的准确定位。实验证明,该方法能有效去除快速连续旋转扫描模式造成的冗余投影数据,具有实现简单、精度高、重复性好的优点。     

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。     

三维锥形束CT成像FDK重建算法发展综述

在各种三维锥束重建算法中,近似算法由于数学形式上简单,实现起来容易,而且在锥角比较小的情况下,能够取得较好的重建效果,所以在实际中有着广泛的应用。在各种基于滤波反投影的近似算法中,FDK类型的算法一直是实际应用中的主流。鉴于FDK方法巨大的实用价值,本文对它的历史和目前的发展,包括标准FDK、推广到任意轨道的G-FDK、以及着眼于提高重建速度或重建精度的其它FDK衍生算法等作了一个回顾和总结,并对实际应用中FDK存在的问题作了进一步的讨论分析,最后对FDK算法理论的发展进行了展望。     

A spatial resolution study of a new optical tomography-based polymer gel dosimetry system

A spatial resolution investigation of the OCTOPUSTM-IQ scanner in combination with the new BANG3-Pro2(r) polymer gel was performed by scanning a high-contrast needle phantom. The phantom contained five thin needles (0.3_mm diameter) embedded in gel positioned in different patterns: needles were inserted (a) at 45° angle from the center of the gel container, and (b) vertically along the gel axis. The non-irradiated needle phantoms were scanned at various slice spacings (0.25-1.0_mm) and for two different laser beam orientations. Optical density profiles and their full width at half maximum (FWHM) were evaluated for resolution limit. The modulation transfer function (MTF) corresponding to measured point spread function (PSF) data was calculated. With high resolution scanning mode and 0.25_mm pixel resolution, the measured PSFs at the center of the gel dosimeter have a FWHM of 0.95_mm. The MTF for the 0.25_mm reconstruction pixel size suggests that the resolution of the system is 0.5_mm or less. We also observed a progressive degradation of the vertical needle images with off-axis distance, attributable to the defocusing of the laser beam. No significant degradation was observed up to the maximum useful reconstructed image radius of 50_mm from the gel dosimeter center axis.     

呼吸运动对4D锥形束CT图像质量影响分析

目的 研究四维锥形束CT (4D-CBCT)的成像质量与呼吸运动特征参数间的关系。 方法 将Catphan500图像质量检测模体通过固定装置固定在Mapcheck XY运动平台之上,通过控制平台模拟静止以及19种呼吸运动状态,在各种运动状态下使用Synergy加速器对图像质量检测模块进行4D-CBCT扫描。通过分析重建图像的10个分时相下图像的几何精确性、空间分辨率、低对比可识别度、CT值均匀性以及运动位置准确性等指标,得到4D-CBCT的图像质量和运动方向、幅度和周期3个特征参数的关系。 结果 当静止或只有左右方向时,重建图像不正常,图像质量显著差于有头脚方向运动的情况。对比度噪声比随运动周期增加而降低,当周期从2 s增加为6 s时,对比度噪声比从3.33降低到1.72(P<0.01),几何精确度、空间分辨率和矢状位受呼吸运动影响不显著。 结论 4D-CBCT图像质量中对比度噪声比、水平和垂直方向的几何精确性以及运动位置精确性受呼吸运动影响显著,图像空间分辨率和矢状位几何精确性受呼吸运动影响不显著,4D-CBCT需要周期性的SI方向的运动介入,过于平缓或者无周期性规律的运动会影响图像质量甚至导致图像不能正确重建。4D-CBCT图像重建需要SI方向的周期性运动介入,图像质量同时受呼吸运动振幅和周期的影响,4D-CBCT扫描推荐患者呼吸周期<6 s,振幅>0.75 cm。     

在锥束CT中基于弦的边缘图像重建

In recent years there have been numerous excitingdevelopments in the reconstruction theory for X-rayconebeam computed tomography(CT)employing heli-cal scanning trajectories.These advancements havespawned efficient and accurate reconstruction algo-rithms[1~3]that address directly the needs of clinicalvolumetric imaging.One such important developmentwas the establishment of a novel reconstruction para-digm by Zou and Pan[4,5],in which the reconstructedimage is determined directly on a collecti…     

Flat-panel cone-beam computed tomography for image-guided radiation therapy

: Geometric uncertainties in the process of radiation planning and delivery constrain dose escalation and induce normal tissue complications. An imaging system has been developed to generate high-resolution, soft-tissue images of the patient at the time of treatment for the purpose of guiding therapy and reducing such uncertainties. The performance of the imaging system is evaluated and the application to image-guided radiation therapy is discussed.

: A kilovoltage imaging system capable of radiography, fluoroscopy, and cone-beam computed tomography (CT) has been integrated with a medical linear accelerator. Kilovoltage X-rays are generated by a conventional X-ray tube mounted on a retractable arm at 90° to the treatment source. A 41 × 41 cm² flat-panel X-ray detector is mounted opposite the kV tube. The entire imaging system operates under computer control, with a single application providing calibration, image acquisition, processing, and cone-beam CT reconstruction. Cone-beam CT imaging involves acquiring multiple kV radiographs as the gantry rotates through 360° of rotation. A filtered back-projection algorithm is employed to reconstruct the volumetric images. Geometric nonidealities in the rotation of the gantry system are measured and corrected during reconstruction. Qualitative evaluation of imaging performance is performed using an anthropomorphic head phantom and a coronal contrast phantom. The influence of geometric nonidealities is examined.

: Images of the head phantom were acquired and illustrate the submillimeter spatial resolution that is achieved with the cone-beam approach. High-resolution sagittal and coronal views demonstrate nearly isotropic spatial resolution. Flex corrections on the order of 0.2 cm were required to compensate gravity-induced flex in the support arms of the source and detector, as well as slight axial movements of the entire gantry structure. Images reconstructed without flex correction suffered from loss of detail, misregistration, and streak artifacts. Reconstructions of the contrast phantom demonstrate the soft-tissue imaging capability of the system. A contrast of 47 Hounsfield units was easily detected in a 0.1-cm-thick reconstruction for an imaging exposure of 1.2 R (in-air, in absence of phantom). The comparison with a conventional CT scan of the phantom further demonstrates the spatial resolution advantages of the cone-beam CT approach.

: A kV cone-beam CT imaging system based on a large-area, flat-panel detector has been successfully adapted to a medical linear accelerator. The system is capable of producing images of soft tissue with excellent spatial resolution at acceptable imaging doses. Integration of this technology with the medical accelerator will result in an ideal platform for high-precision, image-guided radiation therapy.     

利用电子射野影像装置测量放疗摆位误差的初步研究

目的 利用电子射野影像装置(EPID)对不同部位肿瘤放疗中的摆位误差进行量化分析,了解不同部位的摆位误差,不同医生对摆位误差的接受程度有无差异。方法 2006年1月—2007年12月接受放射治疗的患者中按头颈、胸部、腹盆腔不同部位,及不同医生治疗组随机抽出58例,按部位分别为头及头颈部20例,胸部19例,腹盆部19例。所有病例采用Philips公司AcQ-Sim大孔径CT和/或Nucletron公司Simulix-HQ X线模拟机模拟定位,治疗计划为ADCC公司Pinnacle3 7.4,用Elekta公司的Precise加速器实施放疗,利用Elekta的iViewGT采集图像,采用双曝光法拍摄照射野验证片。参考图像为CT定位后的DRR或X线模拟机定位图像,图像比较采用骨性结构为标志,勾画出参考图像上的骨性结构,与EPID进行最大程度重合后得出在水平、垂直方向上的摆位误差数据并进行分析。结果 得到102组数据,其中EPID为拍摄角度为0° 38组,90° 21组,其他角度43组。摆位误差水平方向为1.02mm±1.15mm(0mm~5mm),垂直方向为1.11mm±1.20mm(0mm~6mm)。90%以上摆位误差小于3mm。头部或头颈部固定摆位误差最小,水平方向和垂直方向分别为0.64mm±0.65mm和0.91mm±0.98mm。不同医生组之间摆位误差有所不同。结论 绝大多数摆位误差在容许范围。需提高EPID在胸、腹盆部的解剖识别率,以减少其对摆位误差的影响。实施治疗前,先行X线模拟机摆位不失为一种缩小摆位误差的有效办法。     

Elekta Precise Table characteristics of IGRT remote table positioning

INTRODUCTION: Cone beam CT is a powerful tool to ensure an optimum patient positioning in radiotherapy. When cone beam CT scan of a patient is acquired, scan data of the patient are compared and evaluated against a reference image set and patient position offset is calculated. Via the linac control system, the patient is moved to correct for position offset and treatment starts. This procedure requires a reliable system for movement of patient. In this work we present a new method to characterize the reproducibility, linearity and accuracy in table positioning. The method applies to all treatment tables used in radiotherapy. MATERIAL AND METHODS: The table characteristics are investigated on our two recent Elekta Synergy Platforms equipped with Precise Table installed in a shallow pit concrete cavity. Remote positioning of the table uses the auto set-up (ASU) feature in the linac control system software Desktop Pro R6.1. The ASU is used clinically to correct for patient positioning offset calculated via cone beam CT (XVI)-software. High precision steel rulers and a USB-microscope has been used to detect the relative table position in vertical, lateral and longitudinal direction. The effect of patient is simulated by applying external load on the iBEAM table top. For each table position an image is exposed of the ruler and display values of actual table position in the linac control system is read out. The table is moved in full range in lateral direction (50 cm) and longitudinal direction (100 cm) while in vertical direction a limited range is used (40 cm). RESULTS AND DISCUSSION: Our results show a linear relation between linac control system read out and measured position. Effects of imperfect calibration are seen. A reproducibility within a standard deviation of 0.22 mm in lateral and longitudinal directions while within 0.43 mm in vertical direction has been observed. The usage of XVI requires knowledge of the characteristics of remote table positioning. It is our opinion that the method presented meets the requirements in high precision IGRT.     

早期乳腺癌保乳术后不同固定装置下全乳照射的摆位误差分析

背景与目的：准确的靶区位置是乳腺癌精确放疗的重要影响因素。本研究利用电子射野影像系统(electronic portal imaging device,EPID)测量乳腺托架和手臂托架两种不同体位固定状态下全乳放疗前、后的摆位误差,并对比其差别。方法：选择12例接受保乳术后调强放疗的乳腺癌患者,6例体位固定装置使用乳腺托架,6例使用手臂托架,在患者分次放疗前、后拍摄切线野的电子射野影像片(electronic portal imaging,EPI),将得到的EPI和数字重建图像(digitally reconstructed radiograph,DRR)进行配准,计算摆位误差,并进行比较。结果：手臂托架组的水平与垂直方向的位移分布分别为>5 mm：0和0;3~5 mm：6.6%和4.9%;<3 mm：93.4%和95.1%。乳腺托架组的水平与垂直方向的位移分布分别为>5 mm：6.7%和3.3%;3~5 mm：45.0%和23.3%;<3 mm：48.3%和73.3%。手臂托架组在放疗前EPI得到的水平与垂直方向的平均位移值小于乳腺托架组,差异有统计学意义(P=0.000,P=0.006)。两组放疗前、后分次内均存在位移,水平方向的差异有统计学意义(P=0.003,P=0.008),且手臂托架组在放疗前、后分次内的位移差值优于乳腺托架组,水平方向的差异有统计学意义(P=0.000)。结论：乳腺托架、手臂托架均有较好的全乳放疗摆位重复性和准确性,手臂托架在放疗前及分次内的位移优于乳腺托架,更适宜全乳放射治疗的体位固定。     

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.