医学影像系统实验CTsim图像重建实验

1、V2015版华中科技大学生命科学与技术学院张日欣2021年12月15日一、实验目的1.掌握X-ray CT的工作原理；2.学习Ctsim软件进行图像滤波反投影算法的重建方法。3.比较不同扫描方式。二、实验器材与设备计算机或图形工作站，Ctsim软件：CTSIM软件下载地址：05或：http:/www.CT三、实验原理X射线穿过人体时，人体的各种组织对X射线有不同程度的吸收，即不同的组织有不同的线性衰减系数。假设强度为I0的X射线穿过均匀分布衰减系数为的物体，行进了x的距离，强度变为I，按Beer定理有 或 若物体时分段均匀的，系数分别是1、2

2、、3、.,相应的长度为x1，x2，x3，.,则下式成立： 更一般的可用下面的积分式表示： 本实验就是用程序来实现下述的过程，得到投影的数值。由于只是模拟X射线的投影过程，我们简化了问题。假设断面的结构如图1（Shepp-Logan）所示（各图元均为椭圆），各个椭圆表示了人体的不同的组织（内部是均匀的），分别有不同的线性衰减系数。那么，就可利用公式来求某条X射线投影值。各个椭圆（组织）的线性衰减系数（Shepp-Logan图的各椭圆的位置、大小和线性衰减系数参见表2.1）是已知的，问题就是求X射线穿过椭圆时的行进距离。设椭圆的长短轴为a，b；X射线与a的夹角为；椭圆中心到X射线的距离为d。如下图

3、所示。这样可由求得X射线穿过椭圆时的行进距离。再乘上各个椭圆的线性衰减系数后累加起来就可得到X射线的投影值。(4)(5)abX射线投影分平行束和扇束投影，扇束又分为等角射线型和等距射线型。平行束扫描就是笔束平移/旋转扫描，由于扫描时间太长，一般只在第一代CT中使用，扇束扫描就是单X射线源多检测器，等角射线型就是检测器分布在等角的弧线上，等距射线型就是检测器在直线上作等距分布。更多信息参考教材。在程序的具体实现时，这三种情况有所不同（参考程序见附录）。X射线投影扇束扫描投影等距射线型等角射线型平行束扫描投影下面以等角射线型扫描器为例说明CT扫描器（见下图）。设圆为CT的视口（或扫描的范围），半径

4、为Vd。 物体必须在视口内才能被扫描到。Fd为X射线源到视口中心的距离（焦距）。显然X射线源的张角为中心射线SO和Y轴的夹角为，同一扇形中的射线SP由确定，检测器间隔排列，X射线源每次转过。通过简单的几何关系就可求得某一椭圆在射线、下的投影p。具体算法参考附录程序。为了对反投影重建后的图像进行评价，可对Shepp-Logan图进行光栅化。然后比较重建前后图像的不同。更多信息参见matlab 中phantom radon iradon 例程，自由软件CTSim。椭圆模型Shepp-Logan头部模型四、实验方法与步骤Ctsim软件是由Kevin M.Rosenberg等学者编写开发的CT重建仿真

5、程序，其源代码开放。用户可选择Herman head、shepp-logan、unit pulse三种体模，进行滤波反投影重建和傅里叶变换重建。1.选择要进行扫描的体模。打开Ctsim软件，按file-create phantom选择体模shepp-logan（如图1）。图12.对体模进行平行线束（平移-旋转式）扫描投影。按process-projections,在projection parameter中选择geometry-parallel（平行束）, trace level中选择projections, 其他扫描参数使用默认参数。软件进行体模扫描演示（如图2），扫描完成后，将各角度投影值

6、按顺序排列在二维平面上（图3）。图2图33.选择reconstruct-filtered backprojection,在filtered backprojection parameter 中选择filter method 为FFT。软件进行滤波反投影重建，选用的滤波方法为快速傅里叶变换，获得重建的sheep-logan体模图像（如图4）。图44.比较重建图像与原体模的差异。5.在trace level中选择plot，重复13步，观察扫描过程中，每个投影值的变化。6.在projection parameter中选择geometry-equiangule(扇形扫描)，重复13步，观察扫描过程和重

7、建影像。其扫描过程如图5、投影图象如图6、重建图像如图7。比较投影图象、重建图像与平行线束扫描获得的图像的区别。图5图6图77.选用unit pulse体模，重复上述过程，观察重建图像中的伪影。8.更换其它体模(自己建立模型)，进行上述方法，进行重建，观察重建方法与重建图象。五、实验要求与结果与分析1.阅读Ctsim 3.5 User Manual，翻译chapter 2 Concepts。2.自己建立模型（见参数要求），进行投影和反投影重建操作。3.记录获得的各步影像，分析所用重建方法的步骤。4.从重建时间和重建图像的角度比较不同的重建方法。5.在实验各步骤中尝试选用其他参数，比较实验结果。6.截取重建图象，采用matlab进行图象增强、均值滤波等操作，观察结果图象。7.实验报告Email： (注明学号、姓名)对象密度形状R1-0.1rectangleR2-0.2rectangleR3-0.3rectangleR4-0.4rectangleR5-0.5rectangleR6-0.6rectangleR7-0.7rectangleR8-0.5rectangleE11ellipseE20.98ellipseE30.92ellipseS1-0.6segmentS20