大視場(chǎng)螺旋錐束工業(yè)CT的掃描方法與重建算法研究.pdf

1、CT(Computed Tomography)是計(jì)算機(jī)層析成像的簡(jiǎn)稱，它可以在不破壞被檢物體的情況下得到被檢物體內(nèi)部的二維或三維圖像，以圖像的方式清晰直觀地展示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)分布和缺陷。目前工業(yè)CT已應(yīng)用于航空、航天、軍工、鐵路、汽車制造等領(lǐng)域，它己成為一種重要的無損檢測(cè)技術(shù)。由于三維錐束CT采用高密度的面板探測(cè)器來獲取投影數(shù)據(jù)，所以具有更高的射線利用率和軸向分辨率。與圓形掃描軌跡的錐束CT相比，螺旋錐束CT可以連續(xù)檢測(cè)長(zhǎng)工件，而

2、且其掃描軌跡滿足精確重建的數(shù)據(jù)完備性條件。
　　 傳統(tǒng)的螺旋錐束CT要求射線束在每個(gè)投影角下完全覆蓋待檢測(cè)區(qū)域的橫截面，因此，傳統(tǒng)螺旋錐束CT的視場(chǎng)區(qū)域受限于探測(cè)器尺寸。在工業(yè)CT中，有時(shí)會(huì)遇到大工件的檢測(cè)，此時(shí)就需要使用大面板探測(cè)器。但是由于技術(shù)條件的限制，使得面板探測(cè)器的尺寸有限。本論文主要研究采用小面板探測(cè)器檢測(cè)大工件的螺旋錐束工業(yè)CT的掃描方式及相應(yīng)的重建算法，具體的研究工作有：
　　 深入研究了視場(chǎng)區(qū)域半覆蓋的

3、螺旋錐束CT的掃描方式，并提出了相應(yīng)的重建算法。螺旋掃描前，運(yùn)載工件的轉(zhuǎn)臺(tái)沿平行于探測(cè)器行的方向平移一定距離，使射線源發(fā)出的射線束在每個(gè)投影角下至少覆蓋待檢測(cè)區(qū)域橫截面的一半，然后工件繞轉(zhuǎn)臺(tái)的軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)射線源和探測(cè)器沿轉(zhuǎn)臺(tái)軸線的方向平移，得到半覆蓋螺旋錐束CT的投影。這種半覆蓋螺旋錐束CT最大可將視場(chǎng)直徑擴(kuò)大到大約2倍。
　　 基于濾波反投影(Filtered Backprojection，F(xiàn)BP)的螺旋錐束FDK算法，是一

4、種高效實(shí)用的近似重建算法。但是它要求射線束在每個(gè)投影角下完全覆蓋待檢測(cè)區(qū)域的橫截面，且轉(zhuǎn)臺(tái)軸線與錐束中心射線垂直相交。針對(duì)半覆蓋螺旋錐束CT中轉(zhuǎn)臺(tái)軸線偏離錐束中心射線的問題，提出了半覆蓋螺旋錐束CT的偏心FDK算法。重建時(shí)，根據(jù)投影的位置進(jìn)行加權(quán)反投影，從而得到待檢測(cè)區(qū)域的重建圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)螺距較小時(shí)，該算法可以得到待檢測(cè)區(qū)域的完整圖像，而且由于投影數(shù)據(jù)量的減少，使重建時(shí)間約為大面板探測(cè)器傳統(tǒng)螺旋錐束FDK算法的一半。
　

5、　 與先濾波再反投影的FBP算法不同，反投影濾波(Backprojection Filtration，BPF)算法是一種先將微分后的投影反投影到PI線，然后沿PI線進(jìn)行Hilbert逆變換濾波的方法，可以解決橫向截?cái)嗤队暗闹亟▎栴}。由于在每個(gè)投影角下，半覆蓋螺旋錐束CT的投影數(shù)據(jù)都是橫向截?cái)嗟模虼?，本文提出了一種基于重排的半覆蓋螺旋錐束CT的BPF算法。該算法首先根據(jù)重建層將半覆蓋螺旋錐束投影重排為二維視場(chǎng)區(qū)域半覆蓋的扇形束投影，然

6、后用加權(quán)的半覆蓋扇形束BPF算法重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管該算法需要重排投影，但是在螺距不太大的情況下，該算法可以得到待檢測(cè)區(qū)域的完整圖像，重建時(shí)間比偏心FDK算法更少，而且重建結(jié)果的橫向截?cái)嗾`差較小。
　　 對(duì)上述的半覆蓋螺旋錐束CT，在每個(gè)投影角下，工件的橫截面只被射線束部分覆蓋。為此，提出大視場(chǎng)雙螺旋錐束CT掃描方式。掃描時(shí)，運(yùn)載工件的轉(zhuǎn)臺(tái)沿平行于探測(cè)器行的方向平移一定距離，然后工件繞轉(zhuǎn)臺(tái)的軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)射線源和探測(cè)器沿轉(zhuǎn)臺(tái)

7、的軸線平移，得到第一次螺旋掃描的投影數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)工件沿平行于探測(cè)器行的方向再次平移一定距離，平移方向與第一次平移的方向相反，接著，工件繞轉(zhuǎn)臺(tái)的軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)射線源和探測(cè)器沿轉(zhuǎn)臺(tái)的軸線平移，得到第二次螺旋掃描的投影。對(duì)每次螺旋掃描而言，待檢測(cè)區(qū)域的橫截面在每個(gè)投影角下只被射線束部分覆蓋，但是通過兩次螺旋掃描，工件的橫截面在每個(gè)投影角下可以被兩個(gè)射線束完全覆蓋。雙螺旋掃描的視場(chǎng)直徑與系統(tǒng)幾何參數(shù)有關(guān)。在本文的實(shí)驗(yàn)參數(shù)中，通過雙螺旋掃描，可

8、以將視場(chǎng)直徑擴(kuò)大到1.77倍。
　　 針對(duì)上述雙螺旋錐束CT掃描方式，提出了雙螺旋錐束CT的FDK型重建算法。該算法不需要重排投影數(shù)據(jù)，而且與傳統(tǒng)的全覆蓋單螺旋錐束CT的FDK算法具有同樣高的計(jì)算效率。重建時(shí)，根據(jù)反投影點(diǎn)的位置對(duì)每個(gè)投影進(jìn)行加權(quán)疊加，從而得到待檢測(cè)區(qū)域的重建值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)穆菥喾秶鷥?nèi)，該算法可以獲得較好的重建圖像。
　　 螺旋錐束CT的Katsevich算法是一種理論上精確的重建算法，與基于G

9、rangeat精確重建算法相比，Katsevich算法具有較高的重建效率。本文提出了雙螺旋錐束CT的Katsevich型重建算法，該算法也不需要對(duì)投影數(shù)據(jù)重排。重建時(shí)，根據(jù)得到的投影數(shù)據(jù)應(yīng)用提出的雙螺旋Katsevich型重建公式加權(quán)疊加，從而得到待檢測(cè)區(qū)域的圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法受錐角、螺距和增加平移距離的影響較小，即使當(dāng)螺距較大時(shí)，該算法也可以得到較好的重建圖像。
　　 為了在雙螺旋CT上推廣BPF算法，以進(jìn)一步減少重建