MicroCT系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高 鵬，戎軍艷，廖琪梅，劉文磊，盧虹冰

MicroCT系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高 鵬，戎軍艷，廖琪梅，劉文磊，盧虹冰

目的：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)MicroCT系統(tǒng)軟件平臺，解決實(shí)驗(yàn)室的MicroCT數(shù)據(jù)采集、投影仿真以及圖像重建等問題。方法：以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有MicroCT系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以Visual Studio 2010及其MScomm組件作為開發(fā)平臺，編寫相應(yīng)的程序，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)MicroCT系統(tǒng)軟件平臺。結(jié)果：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了MicroCT系統(tǒng)軟件平臺，能夠準(zhǔn)確采集MicroCT數(shù)據(jù)并重建，有利于科研工作的開展。結(jié)論：該軟件平臺的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)滿足了利用MicroCT進(jìn)行科研的需要，對進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)有重要意義.

MicroCT；軟件平臺；投影；重建

0 引言

MicroCT（微型CT、顯微CT）是一種可測定體素的空間分辨率小于100的X線三維成像系統(tǒng)，具有空間分辨率高、焦點(diǎn)小、管電壓低、管電流小等特點(diǎn)。1981年，L.A.Feldcamp等[1]首先開發(fā)出了MicroCT系統(tǒng)，并提出了基于錐束投影的FDK（Feldkemp-Davis-Kress）重建算法。隨著醫(yī)療設(shè)備和成像技術(shù)的發(fā)展，MicroCT已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、生物等領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)對較大動物進(jìn)行大視野CT成像，實(shí)驗(yàn)室購置了X線管、X線探測器以及精密光學(xué)平臺等MicroCT系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。為了盡快將MicroCT投入科研使用，實(shí)驗(yàn)室迫切需要一個集數(shù)據(jù)采集、校正以及重建于一體的軟件平臺。為此，本研究設(shè)計(jì)出一個利用串口通信以及醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)，在現(xiàn)有Micro-CT系統(tǒng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、投影仿真以及圖像重建的軟件平臺，并通過對MicroCT系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，闡述了該軟件平臺的設(shè)計(jì)思路、功能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能性測試。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

首先，分析利用MicroCT系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程和需求；其次，選定合理的軟件開發(fā)平臺和技術(shù)，從穩(wěn)定性和兼容性以及開發(fā)難易程度考慮，選擇Microsoft Visual Studio 2010作為開發(fā)工具；最后，根據(jù)需求設(shè)計(jì)該軟件平臺所需要的功能模塊，測試其運(yùn)行效果。

1.2 功能設(shè)計(jì)

MicroCT軟件平臺包括掃描控制與數(shù)據(jù)采集模塊、投影數(shù)據(jù)仿真模塊、重建模塊3部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MicroCT系統(tǒng)軟件平臺的總體結(jié)構(gòu)

掃描控制與數(shù)據(jù)采集模塊可以實(shí)現(xiàn)對光學(xué)平臺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移的控制、對探測器采集數(shù)據(jù)的控制；投影數(shù)據(jù)仿真模塊包括平行束投影仿真、扇形束投影仿真和錐形束投影仿真3部分，實(shí)現(xiàn)了對某一個模型的不同方式的投影；重建模塊可以對仿真或者實(shí)驗(yàn)得到的平行束、扇形束和錐形束投影進(jìn)行重建。系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 MicroCT系統(tǒng)軟件平臺

1.2.1 掃描控制與數(shù)據(jù)采集模塊

（1）光學(xué)平臺掃描控制。光學(xué)平臺掃描控制模塊提供給用戶選擇串口，選擇平臺坐標(biāo)軸，設(shè)置運(yùn)行初速度、加速度及機(jī)械參數(shù)等功能。模塊界面如圖3所示。

圖3 光學(xué)平臺掃描控制模塊

本實(shí)驗(yàn)室中所有的MicroCT系統(tǒng)設(shè)備都置于卓立漢光光學(xué)平臺上。該系統(tǒng)采用的是小動物旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)靜止型結(jié)構(gòu)[2]，在采集MicroCT數(shù)據(jù)時需要控制光學(xué)平臺各個軸的旋轉(zhuǎn)和平移?？刂戚S與計(jì)算機(jī)的串口相連，利用光學(xué)平臺的串口通信協(xié)議，通過串口發(fā)送指令控制其移動[3-4]。在程序?qū)崿F(xiàn)時，使用了Microsoft提供的串口通信控件和串口通信類MScomm[5-6]，保證了程序的便捷性和兼容性。以設(shè)置某個軸的初速度為例，光學(xué)平臺的控制流程如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)室共有3臺光學(xué)平臺控制箱，控制包括旋轉(zhuǎn)和平移在內(nèi)的7個軸。用戶在操作時除了能用step作為軸的默認(rèn)位移單位外，還可以在本模塊中選擇“mm”“（°）”等單位，為MicroCT系統(tǒng)的使用提供了方便。

（2）探測器采集控制。連續(xù)采集MicroCT數(shù)據(jù)并且快速保存是獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵一環(huán)。本模塊實(shí)現(xiàn)了單幅和連續(xù)MicroCT圖像數(shù)據(jù)采集功能。利用探測器提供的應(yīng)用程序開發(fā)包，編寫相應(yīng)代碼即可。數(shù)據(jù)采集步驟：①探測器初始化；②設(shè)置曝光時間、旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速、探測單元合并模式、數(shù)據(jù)校正的參數(shù)；③選擇數(shù)據(jù)采集模式進(jìn)行采集。

圖4 設(shè)置軸的初速度流程

由于MicroCT對工作時長有較高的要求，在本模塊實(shí)現(xiàn)過程中，為了提高數(shù)據(jù)讀寫速度，采用多線程技術(shù)，令MicroCT數(shù)據(jù)的采集和保存同步進(jìn)行，大大提高了工作效率。

平板探測器的性能缺陷是產(chǎn)生切片偽影的最大因素，其性能缺陷主要體現(xiàn)在暗電流、光場不均勻性和壞像素上。為此，需要進(jìn)行以下校正：①暗場校正[7]。關(guān)閉射線源，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下采集多幅暗場圖像，平均后得到圖像D。實(shí)驗(yàn)圖像M減去暗場平均圖像D即完成暗場校正。②亮場校正。保證視野內(nèi)沒有物體，開啟射線源，在相同實(shí)驗(yàn)條件下采集多幅亮場圖像，平均后得到圖像F。校正后圖像C=（F中所有像元的平均值）×（實(shí)驗(yàn)圖像M-暗場圖像D）/（亮場圖像F-暗場圖像D）。③壞像素點(diǎn)校正。利用開發(fā)包中提供的壞像素圖像和函數(shù)DefectCorrtion()進(jìn)行校正。

1.2.2 投影數(shù)據(jù)仿真模塊

在實(shí)驗(yàn)過程中，有時候?yàn)榱蓑?yàn)證算法的可行性，需要仿真產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)。平行束、扇形束和錐形束投影的產(chǎn)生原理以及實(shí)現(xiàn)過程類似，在此以錐形束投影數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊的實(shí)現(xiàn)為例，介紹其實(shí)現(xiàn)過程。投影數(shù)據(jù)生成采用的是快速射線追蹤技術(shù)。

程序運(yùn)行時需要用戶首先輸入一幅圖像作為產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)的模型；然后輸入仿真條件，包括模型的長、寬、高，探測器長、寬等相關(guān)參數(shù)，以及系統(tǒng)參數(shù)SOD、SDD等。投影算法會根據(jù)上述仿真條件，產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)并保存。模塊界面如圖5所示。

圖6展示的是錐形束投影仿真結(jié)果。輸入圖像是由Matlab產(chǎn)生的3D 128像素×128像素×128像素頭模型。投影角度360個，探測器尺寸為256像素×256像素，SOD和SDD分別為300像素、500像素。

1.2.3 重建模塊

無論是仿真數(shù)據(jù)還是實(shí)際利用MicroCT系統(tǒng)采集得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只有對其重建，得到重建圖像才能進(jìn)行更深一步的科學(xué)研究。重建模塊實(shí)現(xiàn)的是從投影數(shù)據(jù)中重建獲得圖像的功能，采用經(jīng)典的濾波反投影方法進(jìn)行重建[8-9]。在運(yùn)行程序時，用戶首先選擇投影文件，投影文件既可以是在投影數(shù)據(jù)仿真模塊中產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)，也可以是實(shí)驗(yàn)室中用MicroCT系統(tǒng)采集得到的實(shí)際數(shù)據(jù)。

在參數(shù)設(shè)置上應(yīng)當(dāng)注意與獲取投影數(shù)據(jù)時的相關(guān)參數(shù)保持一致。在圖像重建的過程中，為了提高重建圖像的質(zhì)量，去除某些噪聲，本模塊提供了多種濾波器可供用戶使用，最大程度地滿足用戶不同重建需求下對濾波器的使用要求。

圖5 錐形束投影仿真模塊

圖6 不同角度下錐形束投影仿真結(jié)果

2 軟件平臺的應(yīng)用性及測試

MicroCT系統(tǒng)軟件平臺無需進(jìn)行任何安裝和調(diào)試，且兼容性良好，能夠很好地滿足不同使用環(huán)境的需要。

為了盡量縮短MicroCT連續(xù)工作的時間，需盡可能快地實(shí)現(xiàn)MicroCT數(shù)據(jù)的讀寫工作，故MicroCT系統(tǒng)軟件平臺對所安裝計(jì)算機(jī)配置有較高要求。

本軟件平臺目前已經(jīng)正常工作并應(yīng)用于小鼠MicroCT數(shù)據(jù)采集和重建。在掃描360°、旋轉(zhuǎn)臺速度8°/s、300 ms積分時間、1 xlbinning的條件下，采集小鼠360幅投影共計(jì)耗時182 s。X線源采用的電壓和功率分別是40 kV、40 W。在該軟件平臺下重建的結(jié)果如圖7所示。

圖7 小鼠重建斷層

實(shí)驗(yàn)過程中，X線源、探測器、計(jì)算機(jī)均能正常響應(yīng)并工作，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)需求，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 討論

MicroCT的高分辨率特點(diǎn)使之能夠在小動物無創(chuàng)傷的活體研究中取得廣泛應(yīng)用。本軟件平臺基于實(shí)驗(yàn)室MicroCT系統(tǒng)，根據(jù)科研實(shí)驗(yàn)需要而開發(fā)，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件平臺不僅操作簡單、界面直觀，而且具有很好的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)已于2013年申請軟件著作權(quán)成功，編號為2013SR130603。在下一步科研實(shí)驗(yàn)過程中，將根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求對該軟件平臺進(jìn)行改動，使之更好地為科研服務(wù)。

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（收稿：2014-03-26 修回：2014-06-16）

Design and accomplishment of MicroCT system software platform

GAO Peng,RONG Jun-yan,LIAO Qi-mei,LIU Wen-lei,LU Hong-bing
(School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

To design and realize MicroCT system software platform to collect,correct and reconstruct MicroCT data.Visual studio 2010 and MScomm groupware were used to design and accomplish MicroCT system software platform while using MicroCT system in the laboratory.MicroCT software platform was designed,which could accurately collect,reconstruct MicroCT data and was beneficial to scientific research.The realization of the software platform meets the desire of scientific research using MicroCT,and is of great importance for scientific research. [Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：22-24]

MicroCT;software platform;projection;reconstruction

R318.6；TP311.1

A

1003-8868（2014）12-0022-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.022

國家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAI12B03）；中國博士后科學(xué)基金（2012M521863）

高 鵬（1990—），男，助教，主要從事醫(yī)學(xué)圖像處理方面的研究工作，E-mail：xiangzhiwanli@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（高 鵬，戎軍艷，廖琪梅，劉文磊，盧虹冰）

盧虹冰，E-mail：luhb@fmmu.edu.cn