[阅读笔记]2021AAPM稀疏视图CT重建挑战赛实验报告

竞赛任务是利用数据驱动的重建技术从有限视角的扇形光束测量中恢复乳房模型幻影图像。这项挑战的独特之处在于,参赛者获得了一组地面真实图像及其无噪音的子采样正弦图(以及相关的有限视角过滤反投影图像),但没有获得实际的正向模型。

团队名称:robust-and-stable

完成工作:首先在一个数据驱动的几何校准步骤中估计扇形光束的几何。在随后的两步程序中,设计一个迭代的端到端网络,能够计算出接近精确的解决方案。(损失低到无法想象

方法结构:

第一步:数据驱动的几何图形识别

第二步:预训练的U-Net作为计算支柱网络

第三步:迭代方案

方法内容(摘原文翻译,其中小部分增加自己的理解和解释,公式截原文的图,水印很恶心):

第一步

我们重建工作的第一步是从提供的训练数据中学习未知的前向算子(FBP算子)。断层扇形光束测量的连续版本是基于计算线积分。

其中x0是未知图像,L(s, \varphi)表示扇形光束坐标中的一条线,即\varphi是扇形旋转角度,s是编码传感器的位置。在一个理想化的情况下,扇形光束模型由以下几何参数指定(见图)。

 

 

d_source - X射线源到原点的距离

d_detector - 探测器阵列到原点的距离

n_detector - 探测器元素的数量 为1024

s_detector - 探测器元素

### 稀疏视角CT重建技术概述 稀疏视角CT重建是一种针对有限角度或少量投影数据的医学成像技术,旨在通过优化算法和深度学习方法提高图像质量并减少伪影。这种技术在降低患者辐射剂量的同时保持高分辨率图像方面具有重要意义。 #### 数学基础与传统方法 传统的CT重建依赖于完整的傅里叶空间采样,而稀疏视角CT则面临不完全采样的挑战。为此,研究者提出了多种数学模型来解决这一问题。例如,《数学与医学成像:图像重建的数学算法》一书中提到,利用正则化技术和压缩感知理论可以有效改善欠定系统的解的质量[^1]。具体而言,L1范数最小化被广泛应用以促进稀疏信号的重构。 #### 迭代网络模型的应用 近年来,基于深度学习的迭代网络逐渐成为主流解决方案之一。robust-and-stable团队开发了一种专用于扇束CT的迭代网络模型,在AAPM DL-Sparse-View CT Challenge中表现出色[^2]。此模型结合了物理先验知识与神经网络的强大表达能力,能够逼近精确恢复目标。其实现主要依托Python编程语言及PyTorch机器学习框架,并且详细描述见相关学术报告和技术文档。 #### 计算效率提升策略 为了进一步加速计算过程并降低资源消耗,研究人员也在积极探索更高效的架构设计思路。“Computational Complexity Reduction for Image Segmentation Networks”讨论了一些可行方案,比如轻量化卷积操作、分组归一化等技巧有助于削减冗余运算量而不牺牲精度[^3]。 #### 工具箱支持与发展前景 对于实际应用来说,“探索未来医疗图像处理的利器 —— 稀疏视图X射线3D重建工具箱”的发布无疑是一大福音[^4]。它不仅集成了先进的NeRF技术和经典算法(SART, ASD-POCS),还提供了友好的用户界面以及详尽的数据生成脚本,极大地便利了科研工作者开展实验工作。此外,借助这些开源资源,开发者还可以快速搭建原型系统并对不同参数配置下的性能表现做出评估比较。 以下是使用上述提及的一些关键技术构建简单版本稀疏视角CT重建程序的例子: ```python import torch from torchvision import transforms def sparse_view_ct_reconstruction(input_data): transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), # Add other preprocessing steps here as needed. ]) model = YourIterativeNetworkModel() # Placeholder; replace with actual implementation. processed_input = transform(input_data) output_image = model(processed_input) return output_image.detach().numpy() if __name__ == "__main__": sample_projection_data = load_sparse_projections() reconstructed_image = sparse_view_ct_reconstruction(sample_projection_data) visualize(reconstructed_image) ``` 请注意以上仅为示意代码片段,真实环境中需依据具体情况调整细节部分。
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