有限角逆向螺旋锥束CT扫描与图像重建

The scan way and image reconstruction algorithm of C-arm cone-beam CT are researched and updated, in order to apply in the nondestructive testing of service pipeline. Because of the condition limit in testing field, the rotation angle of C-arm (include ray source and detector) is limited, the usual helical scan may not be formed. Aim at the testing of long pipeline, the projection of limited-angle reverse helical cone-beam scan is gotten by the translation and back-forth limited arc scan of C-arm. The solution stability of the discrete linear system is analysed by singular value decomposition. And the convergence of the iterative algorithm is analysed. Aim at the problem of preliminary reconstruction image with inhomogeneities, noise and artifact, the robust image segmentation model with region-based active contour is presented, in order to update the image reconstruction algorithm with total variation minimization. According to the requirement of the nondestructive testing of service pipeline corrosion, the contour of shell of pipe can be reconstructed directly from projections combining with an updated local filter. Proposed scan way and reconstruction algorithm are adapt to the condition in testing field for service pipeline. The quality of image is good. Thus, there are algorithm update and important practical application.

本课题研究改进移动式C型臂锥束CT的扫描方式和图像重建算法，可应用于在役管道的无损检测。由于检测现场条件限制，C型臂（包括射线源和探测器）的旋转角度有限，往往不能形成通常的螺旋扫描。针对长管道检测问题，提出通过C型臂的平移和往返圆弧扫描运动，得到管壁的有限角逆向螺旋锥束扫描的投影数据。对对应的离散线性系统用奇异值分解方法分析解的稳定性，并分析相关迭代方法的收敛性。针对初步重建图像亮度不均、噪声较大且存在伪影等问题，提出鲁棒的几何主动轮廓线图像分割模型，用以改进全变分最小化图像重建算法。针对管壁腐蚀检测的需求，结合改进的局部滤波器，直接从投影数据重建管壁轮廓。本课题提出的扫描方式及重建算法，能够适应在役管道现场检测条件，成像质量好，具有算法理论创新和重要的实际意义。

管道作为一种常见装置被广泛应用于石油化工、海洋工程、冶金等行业，与此同时管道的无损检测对于确保运输和生产安全具有重要的意义。由于受到扫描装置、管道所处环境等条件的限制，有限旋转角问题成为了在役管道CT 无损检测实际操作过程中的一个主要问题。在有限角CT扫描过程中，待重建物体的各个点都只能被有限旋转角度下的射线覆盖，于是无法获取待重建物体完整的投影数据。投影数据的缺失可能会导致重建图像的伪影。本项目研究了一种不同于传统螺旋扫描的有限角逆向螺旋扫描方式。该扫描方式可以根据实际的扫描环境，灵活地调整扫描角度，实现投影数据的获取。研究了基于 TVM 的正则化重建算法在有限角逆向螺旋锥束CT的应用，一种基于L1 -范数和核范数最小化的有限角逆向螺旋锥束CT 重建方法，一种基于先验图像约束的 Schatten p(0 <p <1)-范数最小化的有限角逆向螺旋锥束CT 重建方法，一种基于Lp ( 0 <p <1)-范数最小化和张量紧框架的有限角逆向螺旋锥束CT 重建方法等。这些重建方法在抑制伪影等方面一定的优势。另一方面，研究鲁棒的 Chan-Vese（RCV）模型、基于局部鲁棒性统计和相关熵K-均值聚类的主动轮廓模型等方法，解决含噪声CT图像分割问题。在国际学术期刊上发表论文18篇，全部被SCI收录。申请发明专利7项。获英国无损检测学会Ron Halmshaw奖。培养毕业博士4人、毕业硕士10人。