适于小动物研究的μCT系统开发研制

论文摘要

医学成像技术是医学图像处理技术和医学图像临床应用技术的基础。该论文是一套医学成像设备的研制。微型CT相对于普通医用CT设备,具有更高的空间分辨率、更低的辐射剂量以及更精确的重建算法。该论文是以平板探测器为核心部件,搭建了一套适于活体小动物研究的微型CT系统。与大多数微型CT的区别是在图像采集过程中,该系统的光源和探测器是运动的,而样本保持静止。样本由一个水平位移台托着,固定在旋转中心。整个系统的运行都是通过控制中心控制,控制中心控制光源的开关,负责探测器的数据采集,并向电机驱动器发送控制指令,驱动光源和探测器围绕样本运动。重建算法用的是经典的锥形光束逆投影算法,即FDK算法。为了能够更精确地重建样本,新创了一种确定点光源相对探测器平面的空间坐标方法:该方法是通过拍摄同一个标准样本不同方位的投影图,根据立体几何基本定理建立方程,联立多个方程解多个未知数,其中三个未知数就是光源相对探测器的空间坐标。为了解决CT拍摄过程中由于射线硬化效应带来的“杯状”伪迹,新创了一种简便的修正方法。结果表明该修正方法的误差不到常用的二阶多项式拟合法的1/3。该硬化效应校正法比经典的多项式拟合法更简便,更容易计算,相对误差更小,能够有效地消除重建时的“杯状”伪迹。为了能够全自动提取地提取出样本的外轮廓,提出了一个新的行之有效的方法,通过投影图的分割以及逆投影相乘来实现。解决了直接在切片图里进行分割时,由于切片图模糊而难以自动处理的问题。从仿真和样本实验中都可以看出这是一种有效的CT轮廓提取方法,不但可以节省人力节约时间,还可以节省存储器的空间。该系统放大倍率为2.2倍,空间分辨率达到了58微米,有效重建区域为一个直径和高度均为55毫米的圆柱体,旋转系统复位精度达到了0.005度,拍摄步进角为1.8度。用该系统对海螺和SD大鼠进行拍摄和重建,展示了CT在骨结构成像方面的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪言
• 1.1 现代医学影像技术
• 1.2 计算机断层成像系统
• 1.3 微型CT 技术
• 1.4 逆投影算法和迭代算法
• 1.5 选题背景与研究内容
• 2 μCT 成像装置设计
• 2.1 引言
• 2.2 核心部件的选择
• 2.3 机械设计
• 2.4 射线防护
• 2.5 控制方案设计
• 2.6 断层扫描重建算法
• 2.7 小结
• 3 提高μCT 性能的方法
• 3.1 引言
• 3.2 光源相对探测器平面空间坐标的测量方法
• 3.3 旋转中心的测量
• 3.4 射线硬化效应修正
• 3.5 CT 逆投影轮廓剥离算法
• 3.6 短扫描重建算法
• 3.7 小结
• 4 系统性能指标分析
• 4.1 引言
• 4.2 成像部分的性能指标测量与分析
• 4.3 机械重复定位精度的测量
• 4.4 系统空间分辨率的测量
• 4.5 系统密度分辨率的测量
• 4.6 小结
• 5 实验结果
• 5.1 引言
• 5.2 小孔长方体成像实验
• 5.3 海螺壳成像实验
• 5.4 SD 大鼠成像实验
• 5.5 小结
• 6 总结
• 6.1 讨论与结论
• 6.2 本文主要创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录