Published October 24, 2011 | Version v1
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Methods of X-ray CT image reconstruction from few projections

Description

To improve the safety (low dose) and the productivity (fast acquisition) of a X-ray CT system, we want to reconstruct a high quality image from a small number of projections. The classical reconstruction algorithms generally fail since the reconstruction procedure is unstable and suffers from artifacts. A new approach based on the recently developed 'Compressed Sensing' (CS) theory assumes that the unknown image is in some sense 'sparse' or 'compressible', and the reconstruction is formulated through a non linear optimization problem (TV/l1 minimization) by enhancing the sparsity. Using the pixel (or voxel in 3D) as basis, to apply the CS framework in CT one usually needs a 'sparsifying' transform, and combines it with the 'X-ray projector' which applies on the pixel image. In this thesis, we have adapted a 'CT-friendly' radial basis of Gaussian family called 'blob' to the CS-CT framework. The blob has better space-frequency localization properties than the pixel, and many operations, such as the X-ray transform, can be evaluated analytically and are highly parallelizable (on GPU platform). Compared to the classical Kaisser-Bessel blob, the new basis has a multi-scale structure: an image is the sum of dilated and translated radial Mexican hat functions. The typical medical objects are compressible under this basis, so the sparse representation system used in the ordinary CS algorithms is no more needed. 2D simulations show that the existing TV and l1 algorithms are more efficient and the reconstructions have better visual quality than the equivalent approach based on the pixel or wavelet basis. The new approach has also been validated on 2D experimental data, where we have observed that in general the number of projections can be reduced to about 50%, without compromising the image quality. (author)

Abstract (French)

Afin d'ameliorer la surete (faible dose) et la productivite (acquisition rapide) du systeme de la tomographie par rayons X (CT), on cherche a reconstruire une image de haute qualite avec un faible nombre de projections. Les algorithmes classiques ne sont pas adaptes a cette situation: la reconstruction est perturbee par artefacts donc instable. Une nouvelle approche basee sur la theorie recente du 'Compressed Sensing' (CS) fait l'hypothese que l'image inconnue est 'parcimonieuse' ou 'compressible', et formule la reconstruction en un probleme d'optimisation (minimisation de la norme TV/l1) afin de promouvoir la parcimonie. Pour appliquer CS en CT avec le pixel (ou le voxel en 3D) comme la base de representation, il necessite une transformation de parcimonie, de plus il faut la combiner avec le 'projecteur du rayon X' qui applique sur une image pixelisee. Dans cette these, on a adapte une base radiale de famille Gaussienne nommee 'blob' a la reconstruction en CT par CS. Le blob a une meilleure localisation spatiofrequentielle que le pixel, et des operations comme la transformee en rayons X, peuvent etre evaluee analytiquement et elles sont facilement parallelisables (sur le plate-forme GPU). Compare au blob classique du Kaisser-Bessel, la nouvelle base a une structure multi-echelle: une image est la somme des translations et des dilatations d'un chapeau Mexicain radial. Les images medicales typiques sont compressibles sous cette base, ce qui entraine que le systeme de la representation parcimonieuse intervenu dans les algorithmes ordinaires de CS n'y est plus necessaire. Des simulations numeriques en 2D ont montre que, compare a l'approche equivalente basee sur la base de pixel ou d'ondelette, les algorithmes du TV et du l1 existantes sont plus efficaces et les reconstructions ont de meilleures qualites visuelles. Cette nouvelle approche a ete egalement validee sur des donnees experimentales bi-dimensionelles, ou on a observe que le nombre de projection peut etre reduit jusqu'a 50%, sans pour autant compromettre la qualite de l'image. (auteur)

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Original title (French)
Methodes de reconstruction d'images a partir d'un faible nombre de projections en tomographie par rayons X

Publishing Information

Imprint Pagination
207 p.
Report number
FRCEA-TH--3355

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
43054693
Subject category
S62: RADIOLOGY AND NUCLEAR MEDICINE; S97: MATHEMATICAL METHODS AND COMPUTING;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
ALGORITHMS; COMPUTERIZED SIMULATION; COMPUTERIZED TOMOGRAPHY; DATA PROCESSING; IMAGES; SAFETY
Descriptors DEC
DIAGNOSTIC TECHNIQUES; MATHEMATICAL LOGIC; PROCESSING; SIMULATION; TOMOGRAPHY

Optional Information

Notes
138 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/
Secondary number(s)
CEA-R--6292