显微CT图像的伪影校正方法研究

X-ray micro-CT technology has been used in many fields, such as life sciences, oil exploration and so on. Micro-CT image Artifact is one of the most important factors in degrading the CT image quality. Yet compared with conventional X-ray CT, reduction of artifacts in high resolution micro-CT reconstructions is more difficult, whether in theory or in technology. While the error of the geometric parameters is a major cause of micro-CT image artifacts.Traditional methods assume that the geometric parameters of the CT system are repeatable, i.e. the geometric parameters of two sampling are the same.However, some parameters of the sub-micron resolution micro-CT may be random，so the assumptions that the parameters can be repeated no longer hold.The project will study some effective methods to remove image artifacts in the sub-micron resolution micro-CT both in theory and in technology. Based on markers and their projection matching relations, we construct adaptive optimal iterative algorithm used to estimate the geometrical parameters. The iterative algorithm can correctly estimate the "complex parameter" in each projection. Further CT images are reconstructed correctly by the reconstruction formula with complex geometric parameters. This method can be efficient to eliminate the geometric artifacts. The research results will be used for high resolution micro-CT and nano-CT system development, and try to do more typical applications in three-dimensional imaging of oil core , three-dimensional imaging of fossils, and so on.

X射线显微CT技术在生命科学、石油勘探等众多领域有重要应用需求。显微CT图像的伪影是影响其空间分辨率的主要因素。与常规X射线CT相比，消除显微CT图像伪影无论在理论上还是在技术上都更加困难。而系统的几何参数误差是引起伪影的主要原因。现有方法都假定系统几何参数是可重复的，即两次采样相应的几何参数是相同的。但当空间分辨率达到亚微米时，一些几何参数可能发生随机性变化，因此，"几何参数可重复"的假设不再成立。本项目将从理论与技术上研究亚微米分辨的显微CT图像伪影的有效去除方法。通过加标志物的方法，利用标志物与其投影的匹配关系，构造几何参数的自适应优化迭代算法，正确估计各角度采样下的"复合几何参数"；进一步由带有"复合几何参数"的重建公式正确重建出CT图像，达到有效消除几何伪影的目的。研究成果将用于国产微纳米X射线显微CT系统的研制，并尝试进行在石油岩芯三维成像、古生物化石三维成像等方面的典型应用。

显微CT通常指空间分辨率高于几十微米的CT系统，在众多领域有着广泛而重要的应用需求。CT图像中的伪影是影响CT图像空间分辨率和密度分辨率的主要因素。与常规X射线CT相比，消除显微CT图像的伪影无论在理论上还是在技术上都更加困难。如何校正显微CT图像中的伪影是显微CT研发的关键问题。本项目主要目标是：提出消除显微CT图像伪影的方法，为国产显微CT研制提供理论支持和软件技术。.经过三年研究，项目组在显微CT图像的几何伪影校正和硬化伪影校正方面取得突破性进展:（1）提出了一种基于标志物的几何伪影校正方法。该方法通过对被测物体添加标志物的方法，让被测物体与标志物进行同步扫描；利用有限角度下的标志物与其投影的匹配关系，构造基于标志物投影数据的非线性优化模型；求解该优化模型可以精确估计CT系统的几何参数，进而用于重建CT图像，消除由于机械位置参数和运动参数误差、焦点漂移等因素引起的不可重复性几何伪影。（2）提出了基于约束优化的硬化伪影校正方法，该方法不需要预先扫描模体，直接利用被测物本身的信息进行校正。该方法利用CT重建算法对投影数据的线性特点，将投影空间中多项式拟合硬化校正曲线的问题转化到CT图像空间来求解；通过指定重建的CT图像中密度应该均匀的区域，构造估计硬化曲线多项式系数的优化模型；模型的求解过程中添加了硬化校正曲线的单调性和凸性作为约束条件，使其成为约束优化模型。本项目成果对国产显微CT研制和应用具有重要价值，也具有较高的理论意义。基于本项目研究成果，项目组研发了一台亚微米分辨率的高分辨显微CT系统。