在三维无损检测CT散射校正方法

在三维无损检测CT散射校正方法

摘要
本研究的目的是评估不同的方法，散布神器减少在该领域的三维计算机断层扫描（CT）。我们调查的方法可以被细分成一个基于软件的方法和三个基于硬件的方法。基于软件的方法使用一个蒙特卡洛离散仿真来估计散射强度为初始模型的几何和物理特性的对象和CT测量机。在硬件方面，我们评估了影响反散射栅变网格比，不同的光束层厚的影响，和水的浴缸内浸泡的对象。我们的初步结果显示，所有测试方法都或多或少的成功，减少分散文物重建CT图像，显示在。水浴的方法在所有方法中显示，表现最差的散射减少。这是伴随着的缺点是，该对象密度相似的材料，其中，还贬低了该方法的实际使用中，必须浸入。狭缝扫描方法表现出良好的减少分散神器的结果，但也有缺点，必须进行多次扫描来衡量的全3D量。到目前为止，基于蒙特卡罗方法和使用的反散射栅为的散射减少和实际应用提供了最好的结果。他们在很大程度上减少分散的文物，并提供大大提高了图像。此外，这两种方法不作为水浴和的狭缝扫描方法做的过程复杂化的数据采集。

关键词：蒙特卡罗散射校正，离散仿真

1引言
今天，X射线计算机断层扫描是建立在非破坏性材料测试技术和自2005年以来坐标测量[1]。质量和电子密度值的正确性和得到的几何精度是特别重要的坐标测量机（CMM）的计算机断层扫描。降低图像质量的一个因素，散射辐射，从而导致拔罐和条纹文物重建CT图像。特别是当大的金属成分被扫描，如喷射泵或马达块，高比例的散射辐射导致CT图像中的极强的工件。这可能会妨碍正确的几何测量的对象，尤其是塑料和金属部件。
因此，散布将散射校正方法重建算法和优化CMM硬件，以减少分散的内容中测得的强度是非常重要的。

图1：用于模拟扫描器几何。左：主束投射到的全部的检测器尺寸。右：主光束通过准直限制。

要分析潜在的软件和基于硬件的方法，以减少分散在CT图像伪影，这两个原则进行了调查。

1材料与方法

2.1仿真设置和幻影
如果在不同的散射还原方法的评价，在一个典型的三坐标测量机的几何形状（图1）的模拟进行。由铝合金制成的电动机块虚线的投影数据（图2）

和无散射进行了模拟。所有进行仿真的管电压为450千伏，使用一个标准的预过滤。图3示出了电机的块的参考重建与无散射。
2.2散射的Monte Carlo模拟方法
对于调查的散射伪影消除潜在的不同方法，我们实现了蒙特卡罗模拟工具基于CMM和被测物体的几何形状的物理模型的模拟散射强度。 Monte Carlo模拟的散射信号被认为是一个非常精确的方法来估计散射分数检测的强度，因为在这里，真实的物理光子运输通过对象的建模[2]。 Monte Carlo模拟光子输运是基于随机抽样的过程，从光子与物质的相互作用的物理数据描述。光子通过被测物体的历史模拟的基础上的衰减系数和表格数据的物理效应的截面，三维CT成像（康普顿散射，瑞利散射的能量范围的X射线光子与物质的相互作用的帐户，照片效果，和1022千电子伏以上，对生产）。对象可以被传递到模拟，无论是作为含有已知的材料和密度组合物的体素幻影或重建卷。如果重构的卷传递，基于阈值的分割被用于以获得的材料和密度信息。为了实现一个逼真的模拟散射强度，蒙特卡罗软件可以模拟的多色源光谱，以及预过滤，探测器材料和检测器厚度，光束准直，反散射栅。由于蒙特卡罗散射模拟法涉及的随机数，许多光子的路径必须是模拟，以获得低噪声估计的散射强度。这样的结果在很长的计算时间为直线前进的实现。因此，新开发的软件包含几个著名的优化技术，以减少模拟时间[3，4]。
2.3基于蒙特卡罗散射校正
基于蒙特卡罗散射校正依赖于相同的原则，散射信号的Monte Carlo模拟。的散射强度的估计基于初始猜测的材料和密度分布，通过模拟计算出的光子通过对象的物理路径。然后从测得的强度中减去这个估计数是重构的校正量的[2]。为了实现精确的结果估计的散射强度，以及对象和CMM的几何和物理性质的测量参数，必须预先已知的。后者通常是公知的。关键的一点是对象本身，几何结构和物理性能的信息。的密度和材料组合物，是由从一个重构卷分割。存在的文物数量可能会降低质量的分割。这可能反过来的蒙特卡洛基于估计的散射强度，质量降低。为了提高基于蒙特卡罗散射校正的质量，建议使用前有关对象的信息。二进制对象，即对象包括只有1材料和空气，这是特别有效的。可能会产生，而不是由一个初始的未校正的重建分割用于Monte Carlo模拟的掩模，但事先几何信息，可以生成，例如基于从CAD模型的对象。为了优化模拟蒙特卡罗散射的时间估计与分散[5]的分析模型，模拟光子的路径和规范嘈杂的Monte Carlo模拟输出量可以减少。
2.4防散射栅
它们被安装在检测器的顶部的防散射网格的一般概念是通过限制检测器像素的接受角的散射辐射的量减少，到达检测器。由此，网格片状结晶的方向进行调整，使得散射的X-射线光子被优选在网格中的吸收，而伯，即未散射的光子通过网格无衰减。散射栅的最小化，通过网格的散射辐射的量，通常是由诸如钨的高Z材料。
在这项研究中，一个理想的，总吸收假设网格和网格的比例的影响，即网格的高度和网格片状结晶之间的距离之间的比率，对重建的CT图象中的散射伪影减少评估。这样做是为5和25的典型的网格比例。
2.5水浴
水浴法是改编自早期的临床CT成像的患者进行扫描与周围的水洗澡，光子相互作用的病人有相似的物理性能，减少束硬化伪影[6]。我们采用了这种方法，以减少分散工件在三维CT。在水浴中浸渍该对象和实际的对象测量之前，扫描只水浴进行将其作为基础的I0计算。 CT图像的重建需要的投影值，正在计算除以测得的强度与浸渍在水浴中的对象，由I0扫描只含水浴中，然后通过取负对数。这种技术的原理是，分散信号的水浴和实际的对象测量的I0测量的主要相同由于水浴和对象的相似的物理性质。为了解释三维CT中的水和典型材料的不同密度，我们改变水浴的密度。此外，我们还增加了一个蝴蝶结过滤器，旨在实现均匀的强度，所有检测器像素水浴中进行扫描（图4）。这减少了从这些区域产生的散射光子，以防止高的金额的水浴的边缘附近的主要X-射线束的强度。

图2：与水浴的I0测量为“设置”。由于蝶形的形状的检测器来实现均匀的照明。请注意，这是唯一真正的，如果我们忽视分散。

2.6狭缝扫描
这是众所周知的照射对象体的大小，从临床的CT成像在检测器处的​​散射强度的幅度上有很强的影响。照射的体积越大，在测得的强度较高的散射内容[2]。因此，以减少散射是一个明显的方式来执行的狭缝扫描，即准直到仅几的探测器行（图1）的X-射线束。这种技术的缺点是一个完整的三维体积重建，必须进行多次扫描，与其他方法相比，增加扫描时间。然而，从临床的CT成像，它是已知的狭缝扫描减少散射在很大程度上可能有理由更长的采集时间。我们评估的散射还原电位为两个不同的层厚等于的主要X-射线束的限制至10％，分别为1％，所有的探测器行的狭缝扫描方法。因此，我们假设一个理想的准直器，即没有主的光子到达探测器准直仪的阴影。
3结果

3.1基于蒙特卡罗修正
图1示出的结果为基于图像和基于现有的散射校正。使用基于图像的掩模，这是未校正的图像所产生的分割，产生散射工件只有微不足道的减少。可以看出在图5的第一行的图像，图像

图3：基于图像和基于现有的蒙特卡洛散射校正的结果。所述基于图像的掩模不正确的对象的几何形状类似，和散射的工件保持在图像中的。随着基于现有的掩模，得到几乎完美的图像。

基于掩模不正确的对象的几何形状类似。到理想的掩模图像相比，会发生很大的误差。此问题是可以解决的，如果基于现有的掩模，用于散射校正（图5的第二行和第三行）。为了模拟小的偏差之间的现有的几何形状和真实的几何形状，从而评价该方法的鲁棒性，我们转移或散瞳基于现有的掩模，由多达4毫米。图5的第二行和第三行表示使用基于现有掩模几乎完全消除了散射工件。既不移动也不扩张掩模损害图像质量。在所有情况下，之前基于蒙特卡罗散射校正比散射校正，无须事先通知。所有的结构，现在可以清楚地识别。
3.2防散射栅
在图3中示出检测器的顶部，其安装在一个防散射栅板的影响。正如可以看到的，强烈的图像质量，与电网比增加。虽然为一个网格比5，一些工件保持在重建图像中，与一个网格比25，可以得到几乎完美的图像。实际测量反散射栅的性能可能略逊于本模拟研究中，因为我们的假设的总吸收电网无法满足真正的反散射栅。

图4：未校正的图像相比，使用的防散射栅板产生一个很强的图像质量提高。对于电网的比例为25，获得近乎完美的图像。

3.3水浴
水浴中的方法实现的散射减少的结果示于图7。图7的第一行中的图像重建与未经水浴示。可以看出，使用纯水与密度ρ= 0.001 g/mm3只提供一个可以忽略不计的提高图像质量。如果水的密度被加倍时，电机的块的轮廓成为可见的，由此可以看出甚至更清楚地，当寻找在高通滤波的图像，图7的第二行中的。请注意，增加的流体的密度可以很容易地在实践中实现入水稀释造影剂。
3.4狭缝扫描
从狭缝扫描的结果描绘在图8中。如果准直器被限制为10％的可用的检测器行，只有轻微的减少散射工件观察。可以通过限制的主要X-射线束进一步照射所有探测器行只有1％的，强烈的还原散射工件相比，已取得的未校正的图像（图8）。结构消失，完整的检测亮起时，现在可以清楚地识别，从而进行测量。必须指出的是真正不完全吸收主光束的准直器，其结果可能会略差。
4结论
在这项研究中研究的所有方法的随着减少散射工件可以实现的。水浴中的方法与其他方法相比，显示了最低的散射还原电位。的适用性和实际使用这种方法可能会进一步减少的事实，即该对象必须浸没在水中，或进入的对比度增强的液体。的狭缝扫描方法，显示出非常良好的结果的校正，只要所选择的准直是足够小的散射工件。一个完整的三维体积重建中获取数据，多次测量，必须做一个狭缝扫描。这可能限制了实际应用，解决了复杂的测量问题，并可能作为一种参考方法来测试其他的新的散射校正方法。这是我们的信念，反散射栅和基于蒙特卡罗方法提供了最好的散射减少和实际应用两方面的潜力。这两种方法都不会影响或改变

水浴中的方法，可提供一种方法，以提高物体边缘的可探测性。

测量过程和产量几乎无瑕疵的CT卷。如图所示，基于蒙特卡罗散射校正强烈依赖于正确的掩码图像的生成。如果掩码图像退化重建所产生的散射，散射校正几乎完全失败。如果事先信息被用于生成的掩模图像，可能出现，例如，从该对象的CAD模型，这可避免。
而是使用基于现有的掩模图像，一个组合的防散射栅板与基于蒙特卡洛校正承诺伪影减少了良好的效果。较理想的模拟现实的反散射栅，这样做可能会提高性能降低。最初的CT扫描图像重建与电网可作为事先的Monte Carlo模拟的图像。在此图像中的散射文物量的减少可能会允许一个更准确的分割。这反过来又可能会产生更正确的蒙特卡罗散射模拟，因此几乎无失真的体积和计算机断层扫描的三坐标测量更准确的结果。

图4所示为不同的光束层厚的图像。分散文物降低下降探测器照明。如果主光束被限制为只有1％的所有探测器行，可以得到几乎完美的图像。

参考文献
[1] R.克里斯托夫，H-J。诺依曼，X射线层析成像技术在工业计量，Süddeutscher出版社onpact有限公司，慕尼黑，2011
[2] J.吉纳维夫和SAG和DJ莫斯利和DJ Jaffray的JH Siewerdsen F.费尔哈亨，散射辐射千伏CBCT图像使用Monte Carlo模拟，医学鉴定。物理，33（11），4320-4329，2006。
[3] E.伍德科克，蒙地卡罗中子计算，电抗器和其他系统的复杂的几何形状，PROC创业板代码中使用的技术。 CONF。 APLL。反应堆问题，阿贡国家实验室的报告，1965年的计算方法。
[4] E. Mainegra兴I. Kawrakow，方差缩减技术的快速蒙特卡罗CBCT的散射校正计算，物理。医学。生物学，55（16），4495-4507，2010。
[5] M. Baer和M.Kachelrieß，CT成像，PROC混合散射校正。 CONF。 CT大会2012年，2012年。
[6] EC麦卡洛，HL贝克，OW豪泽，和DF里斯，扫描型X射线横向轴向断层扫描，辐射物理卷的数量和辐射功能的评估。 11，709-715，1974。