适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法技术

本发明专利技术提供一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特点是X射线源和检测器间无相对运动，与待检测物体间存在均匀的直线运动，系统运动过程中，等时间间隔获得沿直线扫描轨迹的投影数据；对待检测物体进行切片式网格划分，计算切片式网格的全变差系数矩阵和投影权重贡献系数矩阵；对切片网格全变差的梯度进行开方运算，以开方后的全变差为目标函数，X射线投影方程为约束，将断层重建问题转化为凸二次规划；进一步将凸二次规划求解问题转化为增广拉格朗日函数的优化求解问题，利用神经网络进行迭代求解。该发明专利技术的方法具有扫描机械结构简单、可获得较清晰物体的三维影像，一定程度上解决物体互相遮挡的问题等优点。

Cone-beam tomography reconstruction method suitable for linear scanning trajectory

The invention provides a cone beam tomography reconstruction method suitable for straight line scanning trajectory, which is characterized by no relative motion between X-ray source and detector, uniform linear motion between X-ray source and object to be detected, equal time interval during system movement to obtain projection data along straight line scanning trajectory, slice meshing for detecting object, and calculating total variation system of slice mesh. Number matrix and projection weight contribution coefficient matrix; The gradient of total variation of slice mesh is calculated by square method, and the total variation of slice mesh is taken as objective function, and the X-ray projection equation is constrained to transform the fault reconstruction problem into convex quadratic programming; furthermore, the convex quadratic programming problem is transformed into the optimization problem of augmented Lagrangian function, and the neural network is used to iterate. Solution. The method of the invention has the advantages of simple scanning mechanical structure, clearer three-dimensional image of objects, and solving the problem of mutual occlusion of objects to a certain extent.

【技术实现步骤摘要】
适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法
本专利技术属于无损检测领域，具体来讲公开了一种适合直线扫描轨迹的锥束CT重建方法，适用于X射源和检测器沿直线运动的计算机断层成像系统。
技术介绍
计算机断层成像(ComputedTomography，简称CT)是通过无损方式获取物体内部结构信息的一种技术手段，已被广泛地应用到医疗诊断、工业无损探伤等领域。近年来，国内外时有暴力恐怖袭击事件的发生，对诸如机场、地铁站、火车站、海关等的安检系统提出越来越高的要求。目前阶段，基于安检系统主要使用双能X射线安检机和双视角X射线安检系统。然而，无论是那种方式，计算机系统所显示是具有一定立体感的透视图像，不是真正意义上的断层成像，不能完全有效地分辨出行李中重叠遮挡的问题。断层图像首选的射源扫描轨迹是圆轨迹。在医学领域内，通过复合检查床的直线运动，获得了满足锥束精确重建条件的螺旋扫描轨迹，从而获得人体内部比较精确的重建结果。直线扫描轨迹不满足断层图像精确重建的扫描轨迹条件，理论上采用适合完备轨迹的锥束重建算法，无法获得精确的重建结果。安检系统中可以采用医学领域内螺旋扫描的形式进行危险物品的检测，从而可以获得待检查物体内部的精确影像。然而，这样的成本较高，检测的速度也会受到影响，造成人流堵塞。从这两个角度而言，直线轨迹运动是最适合安检系统。本专利技术利用全变差作为正则项能够在欠采样的条件下很好地重建图像，提出了将重建图像的全变差构造矩阵表达形式，将X射线衰减规律用一组线性方程组来表示，从而将断层重建算法转换为带有等式约束的凸二次规划优化求解问题，该算法适合X射源直线扫描轨迹，并且在投影角度方向上允许稀疏采样。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特点是X射线源和检测器间无相对运动，与待检测物体间存在均匀的直线运动，系统运动过程中，等时间间隔获得沿直线扫描轨迹的投影数据；对待检测物体进行切片式网格划分，计算切片式网格的全变差系数矩阵和投影权重贡献系数矩阵；对切片网格全变差的梯度进行开方运算，以开方后的全变差为目标函数，X射线投影方程为约束，将断层重建问题转化为凸二次规划；进一步将凸二次规划求解问题转化为增广拉格朗日函数的优化求解问题，利用神经网络进行迭代求解。该专利技术的方法具有扫描机械结构简单、可获得较清晰物体的三维影像，一定程度上解决物体互相遮挡的问题等优点。本专利技术的目的由以下技术措施实现：一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；重建方法的步骤包括：根据检测系统结构参数以及运动参数，对待检测物体进行切片式网格划分，计算切片式网格的全变差系数矩阵和投影权重贡献系数矩阵，运算结果存储到存储器中；待检测物体以均匀速度与检测系统形成直线扫描轨迹，在等间隔时间内，检测系统采集射线源发射的X射线，并转换为投影数据；复合全变差系数阵、投影权重系数阵和投影数据，建立凸二次规划目标函数及约束条件，利用增广拉格朗日法将优化问题转化为无约束的优化问题；利用神经网络算法对无约束优化问题进行求解，当网路达到平衡状态后，切片式网格的断层图像，通过反插值获得被检测物体的断层图像，实现直线扫描轨迹的锥束重建。根据本专利技术所述一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的检测系统是指由X射线射源和检测器组成的检测系统，射源和检测器的中心在一条水平直线上。根据本专利技术所述一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的直线扫描轨迹是指X射线射源和检测器在工作过程中无相对运动，两者与被测物体存在相对直线运动，射源在等间隔时间内发射X射线。根据本专利技术所述一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的全变差系数矩阵是指对被测物体依检测器间距进行切片网格划分，每个网格的像素值代表被检测物体的衰减系数，所有网格点与其相邻的两个网格点的衰减系数差的平方和进行累加，二次项的系数所构成的稀疏矩阵正定矩阵。根据本专利技术所述一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的投影权重贡献系数阵是指建立从射源到检测器每个阵元的X射线投影方程，投影方程的系数是切片网格对投影射线的权重贡献值，投影方程的系数构成了投影权重贡献系数矩阵。根据本专利技术所述一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的投影数据是指X射线入射强度与接受强度的比值的对数值。根据本专利技术所述一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的凸二次规划目标函数是全变差系数矩阵与各重建网格的衰减系数构成满足二次规划的正定条件的矩阵表达形式。根据本专利技术所述一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的约束条件指投影权重贡献系数矩阵与各重建网格的衰减系数构成线性方程组。根据本专利技术所述一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的梯度神经网络算法是指无约束的优化问题的优化变量进行梯度表达，利用神经网路算法进行迭代求解。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术适合直线扫描轨迹的锥束重建成像方法，该技术方案采用的检测系统与被检测物体间只有直线运动，扫描结构简单，适合长物体断层重建，特别适合X射线安检系统；重建物体沿射源与检测器水平阵元方向所在的平面进行划分，加快了重建速度；修改图像全变差的形式，将锥束断层重建问题转化为无约束的优化问题，利用梯度神经网络进行优化问题求解，优化问题的原形满足正定的凸二次规划，理论上可以获得全局最优解，实现了直线扫描轨迹的锥束重建，一定程度上解决了透视成像中的物体重叠问题。附图说明图1直线扫描轨迹的锥束断层重建方法的流程图；图2直线扫描重建系统结构和运动示意图；图3被检物体的网格划分示意图。其中，(a)被检物体的等间距网格划分示意图；(b)依检测器间距的非等距切片划分示意图；(c)非等距的切片网格与被检物体的等间距网格关系示意图；图4切片网格的全变差系数分析过程图；其中，(a)切片网格元素的全变差计算关系图；(b)网格元素与相邻元素的二次项系数分布图；图5确定切片网格对投影数据的权重贡献值示意图；其中，(a)均匀介质中X射线衰减规律；(b)非均匀介质中X射线衰减规律；(c)投影射线的权重贡献值示意图；(d)t1时刻投影射线l的权重贡献值示意图；(e)t2时刻投影射线l的权重贡献值示意图；图6神经网络求解优化求解的架构流程图。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对专利技术保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本专利技术的内容作出的一些非本质的改进和调整。下面对照附图详细描述本专利技术的实施例。图1示出了本专利技术直线扫描轨迹的锥束断层重建方法的流程图。其扫描和重建的具体流程如下：根据检测系统结构参数以及运动参数，对待检测物体进行切片式网格划分，计算切片式网格的全变差系数矩阵和投影权重贡献系数矩阵，运算结果存储到存储器中；待检测物体以均匀速度与检测系统直线扫描轨迹，在等间隔时间内，直线扫描系统采集射线源发射的X射线，并转换为投影数据；复合全变差系数阵、投影权重系数阵和投影数据，建立凸二次规划目标函数及约束条件，利用增广拉格朗日法将优化问题转化为无约束的优化问题；利用神经网络算法对无约束优化问题进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；重建方法的步骤包括：步骤1：根据检测系统结构参数以及运动参数，对待检测物体进行切片式网格划分，计算切片式网格的全变差系数矩阵和投影权重贡献系数矩阵，运算结果存储到存储器中；步骤2：待检测物体以均匀速度与检测系统直线扫描轨迹，在等间隔时间内，直线扫描系统采集射线源发射的X射线，并转换为投影数据；步骤3：复合全变差系数阵、投影权重系数阵和投影数据，建立凸二次规划目标函数及约束条件，利用增广拉格朗日法将优化问题转化为无约束的优化问题；步骤4：利用神经网络算法对无约束优化问题进行求解，当网路达到平衡状态后，切片式网格的断层图像，通过反插值获得被检测物体的断层图像，实现直线扫描轨迹的锥束重建。

【技术特征摘要】
1.一种适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；重建方法的步骤包括：步骤1：根据检测系统结构参数以及运动参数，对待检测物体进行切片式网格划分，计算切片式网格的全变差系数矩阵和投影权重贡献系数矩阵，运算结果存储到存储器中；步骤2：待检测物体以均匀速度与检测系统直线扫描轨迹，在等间隔时间内，直线扫描系统采集射线源发射的X射线，并转换为投影数据；步骤3：复合全变差系数阵、投影权重系数阵和投影数据，建立凸二次规划目标函数及约束条件，利用增广拉格朗日法将优化问题转化为无约束的优化问题；步骤4：利用神经网络算法对无约束优化问题进行求解，当网路达到平衡状态后，切片式网格的断层图像，通过反插值获得被检测物体的断层图像，实现直线扫描轨迹的锥束重建。2.根据权利要求1所述的适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的检测系统是指由X射线射源和检测器组成的检测系统，射源和检测器的中心在一条水平直线上。3.根据权利要求1所述的适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其特征在于；所述的直线扫描轨迹是指X射线射源和检测器在工作过程中无相对运动，两者与被测物体存在相对直线运动，射源在等间隔时间内发射X射线。4.根据权利要求1所述的适合直线扫描轨迹的锥束断层重建方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑜，李迅波，陈亮，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51