基于正交平面异构先验的计算机层析成像重建方法及系统

本发明属于计算机层析成像，尤其涉及一种基于正交平面异构先验的计算机层析成像重建方法及系统。

背景技术：

1、计算机层析成像（computed laminography, cl）是一种专为板状结构设计的无损检测成像技术，目前广泛应用的结构包括旋转式cl和圆周轨迹cl。圆周轨迹cl采用射线源、探测器与样品相互平行的开放式运动构型，可有效规避机械碰撞风险并安全缩短物距，实现超高放大比的精密成像。

2、然而，受限于cl的有限扫描视角，其采集的投影数据不满足tuy数据完备性条件。基于平行束近似与中心切片定理可知，投影数据在三维傅里叶空间中仅能覆盖一个有限的蝶形区域，导致在垂直于扫描平面的方向上存在大范围的未采样空间，形成典型的缺失锥角。这种傅里叶空间中信息的严重缺失，是导致cl重建图像产生严重模糊与层间混叠伪影的根本原因。具体而言，沿切片方向高频数据的丢失，导致重建图像在切片方向上的梯度与边界特征严重受损，宏观上表现为显著的层间模糊与灰度值异常波动。

3、目前主流的伪影校正方法主要包括正则化迭代，而正则化迭代方法在处理层间混叠伪影时，大多采用统一的全局正则化策略，未能充分利用重建图像在不同正交平面上呈现的差异化结构特征，具体而言，在断层内平面（xy平面），弥散性伪影主要分布于边缘所围合的平滑均匀区域，需要自适应地施加平滑处理同时保护高梯度边缘；而在层间正交平面（xz和yz平面），边缘畸变与条纹伪影在形态上高度类似纹理分量，需要针对性地进行剥离而非简单平滑，现有方法难以同时满足这两个平面的异构需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于正交平面异构先验的计算机层析成像重建方法及系统，针对现有计算机层析成像重建方法中，因投影数据不完备导致重建图像存在严重层间混叠伪影、且常规正则化方法难以同时兼顾层内伪影自适应抑制与层间结构连续性恢复的缺陷，提供一种能够有效消除相邻切片间结构串扰、显著提升重建图像纵向空间分辨率与细节保真度的计算机层析成像重建方法及系统。

2、第一方面，本发明提供一种基于正交平面异构先验的计算机层析成像重建方法，包括：

3、获取待重建样品的投影数据，并对所述投影数据进行初始重建，得到初始重建图像；

4、建立计算机层析成像的迭代重建模型，所述迭代重建模型包括以待重建图像为自变量的目标函数，所述目标函数中包含数据保真项和待确定的正则化项；

5、将所述初始重建图像作为所述迭代重建模型中所述待重建图像的当前估计值，并根据预设的图像处理规则对所述当前估计值对应的当前重建图像执行平面分解，得到断层内平面组和层间平面组；

6、计算某一层间平面中每一像素位置的层间信号方向一致性熵，并根据各个层间信号方向一致性熵识别所述某一层间平面的某一伪纹理区域，得到所述某一层间平面的某一伪纹理标记结果，其中，所述某一层间平面为所述层间平面组中的任一层间平面；

7、根据各层间平面的伪纹理标记结果，构造伪纹理污染衰减场，并将所述伪纹理污染衰减场沿垂直于断层方向压缩投影至二维空间，得到二维纹理污染分布图，其中，所述二维纹理污染分布图与所述断层内平面组中每一断层内平面具有相同的二维空间范围；

8、根据所述二维纹理污染分布图确定层内正则化强度的空间分布，构造断层内平面的层内正则化约束，以及根据所述伪纹理标记结果确定层间正则化区域，构造层间平面的层间正则化约束；

9、将所述层内正则化约束和所述层间正则化约束代入所述迭代重建模型中的所述待确定的正则化项，形成完整的目标迭代重建模型；

10、对所述目标迭代重建模型进行求解，得到更新重建图像，并将所述更新重建图像作为下一次迭代中所述待重建图像的当前估计值，直至满足预设收敛条件，输出最终重建图像。

11、第二方面，本发明提供一种基于正交平面异构先验的计算机层析成像重建系统，包括：

12、获取模块，配置为获取待重建样品的投影数据，并对所述投影数据进行初始重建，得到初始重建图像；

13、第一构建模块，配置为建立计算机层析成像的迭代重建模型，所述迭代重建模型包括以待重建图像为自变量的目标函数，所述目标函数中包含数据保真项和待确定的正则化项；

14、分解模块，配置为将所述初始重建图像作为所述迭代重建模型中所述待重建图像的当前估计值，并根据预设的图像处理规则对所述当前估计值对应的当前重建图像执行平面分解，得到断层内平面组和层间平面组，其中，所述断层内平面组为垂直于断层方向的平面组，所述层间平面组为平行于断层方向且垂直于断层内平面的两个正交方向的平面组；

15、识别模块，配置为计算某一层间平面中每一像素位置的层间信号方向一致性熵，并根据各个层间信号方向一致性熵识别所述某一层间平面的某一伪纹理区域，得到所述某一层间平面的某一伪纹理标记结果，其中，所述某一层间平面为所述层间平面组中的任一层间平面；

16、投影模块，配置为根据各层间平面的伪纹理标记结果，构造伪纹理污染衰减场，并将所述伪纹理污染衰减场沿垂直于断层方向压缩投影至二维空间，得到二维纹理污染分布图，其中，所述二维纹理污染分布图与所述断层内平面组中每一断层内平面具有相同的二维空间范围；

17、确定模块，配置为根据所述二维纹理污染分布图确定层内正则化强度的空间分布，构造断层内平面的层内正则化约束，以及根据所述伪纹理标记结果确定层间正则化区域，构造层间平面的层间正则化约束；

18、第二构建模块，配置为将所述层内正则化约束和所述层间正则化约束代入所述迭代重建模型中的所述待确定的正则化项，形成完整的目标迭代重建模型；

19、求解模块，配置为对所述目标迭代重建模型进行求解，得到更新重建图像，并将所述更新重建图像作为下一次迭代中所述待重建图像的当前估计值，直至满足预设收敛条件，输出最终重建图像。

20、第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的基于正交平面异构先验的计算机层析成像重建方法的步骤。

21、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例的基于正交平面异构先验的计算机层析成像重建方法的步骤。

22、本技术的基于正交平面异构先验的计算机层析成像重建方法及系统，与现有技术相比，其显著优点在于：

23、构建了正交平面异构先验模型，针对断层内平面和层间正交平面的差异化结构特征，分别采用层内正则化约束和层间正则化约束进行区别化处理，实现了层内伪影抑制与层间结构恢复的协调统一，层内正则化约束根据纹理污染系数自适应调节正则化强度，对污染区域施加强平滑处理，同时保护无污染区域的真实边缘；层间正则化约束则通过层间信号方向一致性熵识别伪纹理区域，将层间边缘畸变与条纹伪影等效为纹理分量进行精准剥离，恢复层间物理结构连续性。

24、通过计算层间平面中每一像素位置处沿三个正交方向的灰度向量的方向一致性，以信息熵量化方向一致性的分布特征，有效区分了层间混叠伪纹理区域与真实结构区域，该判定方法不依赖于预设阈值或外部参考数据，完全由图像自身的结构特征驱动。

25、通过计算图像中相邻灰度值之间的跃迁频率，精准定位结构变化剧烈的区域，使采样位置集中于信息量丰富的区域，减少了冗余采样。

26、通过将伪纹理标记结果转化为三维空间中的连续污染程度场，实现了伪纹理污染程度的精细量化，为层内正则化强度的差异化分配提供了空间变化的权重依据。

27、构建了层内与层间交替迭代的数值求解框架，将复杂非凸优化问题分解为多个易于处理的子问题，并针对各子问题的数学特性分别采用共轭梯度最小二乘法、加性半二次极小化和迭代重加权最小二乘策略进行高效求解，保证了算法的数值稳定性和收敛性。