直线扫描内CT及其动态Bowtie研究

New techniques for movable ultra-low-cost x-ray CT scanners are in instant and great needs for military, war areas, developing countries, especially for rural areas. And for the new CT techniques, methods for radiation dose reduction should be taken into consideration. In this project, we proposed a translation based interior CT scheme which is inspired by the recently developed compressive sensing and interior tomography techniques, and proposed a dynamic bowtie scheme for cone-beam CT which consists of a high-density bowtie (HBT) filled in with heavy liquid and a low-density bowtie (LBT) immersed in the liquid of the HBT. In the CT scheme, the source and detector are translated in opposite directions for ROI reconstruction with one or more localized linear scans, among which the one-translation scan is similar to the digital tomosynthesis. The popular slip ring is replaced by a translation based setup, and the instrumentation cost is reduced by a relaxation of the imaging speed requirement. The dynamic bowtie filter can reduce the dose and in the meantime reduce the required dynamic range of detectors which would decrease the cost of detectors. Our initial study shows that the CT and dynamic bowtie methods are feasible. In this project plan, we will further the theory, simulations and experiments of the CT and dynamic bowtie.

一方面新型低成本、可移动CT成像设备是发展中国家偏远地区、战场、军事机构等亟需；另一方面CT新技术需优先考虑降低辐射剂量。项目提出一种射线源和平板探测器相对平行移动扫描的内CT方法和一种高密度液体材料的动态Bowtie(BT)滤波新技术，在简化CT扫描仪系统结构的同时采用动态BT降低辐射剂量和探测器动态范围需求，从而降低系统成本。1次(1T)直线运动CT扫描与数字射线分层照相扫描运动相同，初步研究表明采用2次(2T)和3次(3T)直线运动扫描时重建CT图像效果理想；动态BT为在液体滤波器(HBT)中放置"气泡"型滤波器(LBT),LBT与扫描对象外形相关，当LBT与CT扫描同步旋转时实现动态滤波，初步研究表明该动态BT能较大降低探测数据动态范围。项目组将在现有研究基础上，继续针对锥束变视场内CT图像重建算法、动态BT实现方法等开展相关理论、仿真和试验研究，期望形成一套新型CT的理论和方法。

本课题研究一种直线扫描CT的扫描方式和图像重建算法，可应用于可移动、便携式CT扫描成像系统。采用射线源和探测器平行直线运动扫描方式，CT扫描装置不使用传统医用CT的滑环部件，可简化扫描装置结构，降低系统成本，为偏远地区、战场、军事机构等亟需的可移动CT成像需求提供一种解决方案。另外，为减小CT扫描X射线辐射剂量，本课题同时研究一种动态Bowtie(BT)滤波器技术。该动态BT结构是在高密度液体滤波器(HBT)中放置“气泡”型滤波器(WBT),WBT与扫描对象外形相关，当WBT与CT扫描同步旋转时实现动态滤波，从而降低CT扫描辐射剂量和CT系统探测器动态范围需求。.课题建立了直线扫描CT模型，分析了几何扫描参数，搭建了直线扫描CT试验平台，完成了扫描控制、数据采集、数据校正等程序开发，实现了直线扫描CT成像。研究结果表明1次(1T)直线运动CT扫描与数字射线分层照相(CL)扫描运动相同，采用2次(2T)和3次(3T)直线运动扫描时重建CT图像效果理想；提出了基于直线轨迹扫描反投影滤波(BPF)图像重建算法；提出线性PI线概念和理论，随后证明了多段直线扫描理论上可以采用BPF算法实现精确重建。课题同时研究了工业无损检测用直线扫描CL技术，提出一种正交直线扫描CL成像技术和一种正交电子直线扫描CL成像技术，以满足CL成像在两个正交方向上检测分辨率需求。.课题以锥束CT扫描中间平面为基础，根据射线穿过动态BT并透射均匀衰减检测对象时到达探测器的光子通量一致条件推导出锥束CT动态BT的设计理论；构建了锥束CT系统的蒙特卡罗仿真框架，对一个包含反射靶X射线源、目标试样和动态BT的CT系统进行了仿真研究，结果表明CT扫描过程中X射线动态范围减小100多倍，辐射剂量减少了76%，CT重建图像质量有一定改善。.课题研究的直线扫描CT理论，研制的CT试验系统，为一种新型CT扫描产品开发提供了技术支撑；研究的正交直线扫描CL理论，研制的CL试验系统，可推广应用于平板类零部件X射线层析成像；研究设计的CT动态BT，可推广应用于现行医用CT成像。