锥束显微CT大视野扫描功能开发

2013-04-09  来源:

立项年度:2010    负责人:魏存峰

完成年度:2012    完成单位:中国科学院高能物理研究所

一、项目计划安排和调整情况

实施方案中项目的计划安排如下:

l2011.1-2011.6   系统物理设计;系统工程设计;器件和材料购置;软件框架编写;

l2011.7-2011.12   系统关键硬件到货;机械加工基本完成;控制系统硬件部分安装调试;扫描控制软件代码编写;

l2012.1-2012.6系统集成和调试;图像重建软件开发;

l2012.7-2011.10实验研究;图像质量评价;图像伪影校正实验研究;

l2012.11-2012.12系统文档准备与归档;结论、成果整理,项目结题。 

项目执行总体上按照任务书要求进行,部分任务较计划有所延迟,具体如下:

l高精度升级台是系统的关键部件之一,因供货商无法按时交货,延迟了近4个月;

l系统集成和调试也因此顺延;

l实验研究和图像质量评价基本如期进行,但归档工作延迟近三个月。

二、项目实施情况

1.项目总体情况

在现有的高分辨锥束显微CT上,转台可以通过垂直于探测器方向(x方向)的平移来改变成像的放大比,放大比大时成像分辨率高,视野区域小;放大比小时成像视野大,分辨率低,即越高的分辨率要求样品的尺寸越小,否则无法完成检测。为了使得CT系统在不降低分辨率的情况下获得更大的扫描视野,本项目开发了锥束显微CT大视野扫描功能,并通过新的成像算法研究实现了扫描视野的横向和纵向扩展,技术创新点包括三点:

a)针对大尺寸物体的高分辨成像检测问题,本项目采用高精度水平平移拼接和高精度垂直升降拼接相结合的方法,实现样品轴向视野和垂向视野的同时扩大,获得大尺寸物体的三维高分辨图像,其扫描方式和图像重建算法具有创新性。

b)基于GPU的大视野锥束快速重建算法应用于此系统,可大幅度提高重建速度。

c)针对系统参数的几何位置偏差造成的图像伪影的问题,本项目采用了一种新的图像拼接和伪影校正方法,有效地抑制了伪影,提高了图像质量。

 

二、项目实施过程

按照项目实施方案,项目组完成了以工作:

1.  机械运动组件的购置、加工、精度测试与控制子系统开发;在现有的CT样品台上加装了升降台和横向平移台,升降台可以控制样品的垂直位置,横向移动台可以控制样品的水平位置。由于加装了升降台和横向平移台,样品台的高度增大,为了恢复扫描光路,改进了光机和探测器固定机构,使其高度与样品台高度一致。下图1所示为升级后的样品移动台,图2所示为升级后的探测器调整机构。

 

图1 升级后的样品移动台图     2升级后的探测器调整机构

2.控制系统升级改造

由于系统的控制自由度增加了2个,原有的2自由度控制系统显然不能满足要求。项目组采用PARKER公司的4通道运动控制器,研制了新的控制系统,该系统可以实现4自由度的高精度伺服控制。图3所示为升级后的控制系统。

3.图形拼接方法研究

为了扩大视野,项目组采用了将多个投影图拼接后在进行图像重建的方法,图4给出了投影图拼接的几何,提出以下解决方案。

视野拓展可以分为轴向成像视野拓展和水平向成像视野拓展。

1)轴向成像视野拓展

对于轴向成像视野拓展问题,采用螺旋锥束扫描方式,射线利用率高、轴向分布均匀,易于扫描长物体,Tuy氏定理:如果在每一个与被重建物体相交的平面内,至少存在一个锥束点源,则可以精确重建该物体。因此螺旋锥束扫描方式其射线源扫描轨迹满足精确重建的完全条件,重建图像的质量不受锥角的影响。

2)水平向成像视野

采用锥束大视野扫描方式,要求射线源和探测器固定不动,被检测物体放置在转台上,转台沿着垂直于中心射线的正、反两个方向平移。锥束锥束大视野扫描采用物体做周向旋转,同时,在物体旋转的每个角度下,射线源和探测器沿水平直线方向平移三次对物体进行透照。设中心原点为物体旋转轴与水平面交点;探测器平面设置在过中心原点的垂直面上;并在计算中规定射线源和探测器平面沿逆时针方向绕物体旋转,在某一旋转角度下,射线源和探测器沿平行于探测器的直线方向平移,从左至右对物体做三次透射。

为了对这一方法进行验证,项目组进行了实验研究,精确的测量了系统的几何参数,并进行了补偿调整。实验结果表明,本系统已经可以实现高精度的图像拼接功能。图4给出了一个实验结果。

图4图像拼接几何示意图和图像拼接实验结果

4.GPU加速的图像重建算法实现

锥束大视野CT系统采用锥束大视野扫描模式,该扫描模式下重建算法绝大部分采用了锥数滤波反投影,即FDK算法,通过投影数据的插值,将投影数据重排成平行束投影数据或扇形束投影数据。

本项目结合对称反投影法,采用基于图形处理器(GPU)的快速重建技术,利用GPU多处理器的结构特点和单指令多数据的指令执行方式,将锥束CT重建程序部分执行过程中的数据元素映射成多个并行处理线程在GPU平台上运行,主要包括一个软件支撑环境和一个重建程序,分为Host主体部分、运算平台Device部分和基本运行组件部分。基于图形处理器(GPU)加速的重建系统体系结构描述如下:

1)重建程序启动,完成参数的输入与初始化;

2)对每个角度的投影数据均完成数据的几何校正;

3)对每个角度投影数据滤波,主要计算部分使用CUDA运算环境由GPU完成

4)对滤波后的投影数据进行反投影计算,利用GPU完成反投影主要计算部分

5)GPU中的反投影运算通过内存交换将结果同步并拷贝到PC机内存

6)全部计算工作结束之后,重建过程完成。

图5所示为采用GPU加速的图像重建算法进行图像重建的示意图和结果。在采集720幅投影,输出1024*1024图像的情况下,GPU加速可以将图像重建时间缩短至10秒内,相比采用多核CPU的情况,速度提高上百倍。

图5 采用GPU加速图像重建示意图和结果

 

5.软件开发

为了适应新的扫描控制系统和新的图像重建功能,项目组对现有软件进行了升级。软件升级的主要内容是增加了图像拼接和大视野图像重建功能,并集成了GPU加速图像重建。图6所示为软件界面。

图6 软件界面

三、项目成果

项目完成后,系统的主要技术指标和功能都明显提高,如下表所示。

表1 功能开发前后系统指标和功能对比

该项目的实施是在我院自主研发的显微CT系统上进行的,项目的顺利完成提高了仪器的检测能力,为多个用户提供了先进的检测服务,以下是2个应用实例。

图7 应用实例1

图8 应用实例2

在本项目的启发下,项目组根据CT检测服务过程中用户提出的板状构件无法完成扫描的难题,提出了一种基于非同轴扫描方式的显微CT系统研制方案。该方案的目标是实现对板状构建(如化石、电路板等)的高精度扫描,该系统中,非同轴扫描方式为了获得高空间分辨,扫描视野被迫缩小,导致每次扫描仅能覆盖板状构建的一个区域,但如果采用本项目设计的大视野拼接扫描方法,则可以实现对整个构建进行高分辨扫描,获得完整的三维结构图。项目组面向用户需求,申报了国家科技部组织的“国家重大科学仪器设备开发专项”,并获得了500万元经费支持,为中国科学院古脊椎动物和古人类研究所、嘉兴斯达半导体公司两家单位分别开发一套基于上述原理的锥束显微CT系统,专用于板状化石和IGBT电路板的大视野锥束显微CT成像。

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