任意扫描轨迹的多能CT重建算法

在X射线三维CT成像时，特别是对工业上的一些复杂结构件，由于射线扫描方向上结构件有效厚度差异大、成像系统动态范围和X光机最大光子能量的限制，常规固定能量和CT扫描轨迹单一的成像模式易出现过曝光、欠曝光或检测对象超出成像视野，投影信息缺失严重，影响CT重建图像质量。为此，项目提出研究任意轨迹的多能CT重建算法。该算法基于变能量X射线高动态成像技术，结合检测对象的结构特点，深入研究CT扫描轨迹规划、投影数据相关性分析及重组、任意轨迹的多能CT重建理论，探索新的数据采集策略和CT重建算法，实现复杂结构件的三维CT重构。该CT算法充分考虑了射线能量的自适应性和扫描轨迹的非固定性，是一种创新型的CT技术。它充分地发挥了成像系统硬件潜能，极大地拓展了CT成像系统的检测能力，满足各个领域复杂结构件的检测需求，有助于提升我国X射线三维CT的装备技术水平和国际竞争力。

复杂异形结构件在X射线CT成像时，传统的单一扫描轨迹和固定能量的成像方法，易出现过曝光、欠曝光或超视野现象，CT重建质量差。针对这一问题，项目按照预定研究内容，围绕多谱段投影优化获取与融合、递变能量CT重建、扫描轨迹规划及CT重建、投影数据相关性分析及图像重建加速开展创新性研究。具体工作如下：研究了递变能量图像序列间灰度增益关系，建立了基于线性散布度和平均对比度的射线成像质量综合评价模型，提出了基于三次样条插值的射线能量预测和基于图像质量评价射线能量微调，实现了CT旋转角度间的射线能量自适应调制；提出了基于幂函数拟合的递变能量图像序列融合算法，并基于融合结果和融合系数，提出了基于投影对数解调、基于多谱统计和基于EM-TV的递变能量CT重建算法，实现了复杂结构件的高动态CT重建；依据CT精确重建条件，提出了球形轨迹CT扫描成像方法，并推导了球形轨迹的解析重建算法和迭代重建算法，实现了非传统圆轨迹下的CT重建，同时针对任意扫描轨迹中涉及的旋转中心校准和低剂量噪声问题，提出了基于投影寻踪的三维CT旋转中心偏移校正和基于软阈值的EM-TV低剂量重建算法研究，有效提高了CT重建质量；针对板材CT成像问题，基于传统的直线扫描模式，推导了基于FDK的直线扫描CT成像，实现了直线扫描的精确重建；针对任意轨迹下的投影相关性和迭代加速问题，分析了不同投影顺序对重建算法的收敛性，改进了基于加权距离系统的锥束ART重建算法，提出了基于质数增量的锥束ART重建算法和基于优化子集顺序的三维OSEM重建算法，有效提高了迭代重建算法的收敛速度。基于以上成果，在药柱内孔分布在线测试和致密油储集岩渗透特性分析方面开展了应用研究。总之，项目所开展的研究能够结合检测对象的结构特征合理的规划扫描轨迹及能量递变准则，在工业检测中，具有较高的智能性和较强的适用性。