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1、(10)申请公布号 CN 103829968 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103829968 A (21)申请号 201410057246.2 (22)申请日 2014.02.20 A61B 6/03(2006.01) G06T 11/00(2006.01) G06T 5/00(2006.01) (71)申请人 李华 地址 100086 北京市海淀区上地信息路 26 号中关村创业大厦 9 层 914 室 (72)发明人 李华 (74)专利代理机构 北京海虹嘉诚知识产权代理 有限公司 11129 代理人 李正清 (54) 发明名称 基于p型激光器正交二维离散小波HARR函。
2、数 图像分析的显微 CT 系统及其控制方法 (57) 摘要 一种结构简单、 能够实现对角锥型三维断层 图像重建质量提升的基于 p 型激光器正交二维离 散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 系统。技术 方案是 ： 其特征在于由具有 WIFI 无线和以太网连 接功能的嵌入式成像和光源控制系统 （1） 、 p 型激 光器成像光源 （2） 、 二维 CCD 或 CMOS 光子检测器 以及电脑服务器 （5） 组成， 其中， 所述的嵌入式成 像和光源控制系统 （1） 分别与 p 型激光器成像光 源 （2） 和二维 CCD 或 CMOS 光子检测器连接 ； 电脑 服务器 （5） 具有 WIFI 无线通。
3、讯和以太网功能， 与 光源控制系统 （1） 通过网络连接。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103829968 A CN 103829968 A 1/2 页 2 1. 基于 p 型激光器正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 系统， 其特征在于 由具有 WIFI 无线和以太网连接功能的嵌入式成像和光源控制系统 （1） 、 p 型激光器成像光 源 （2） 、 二维 CCD 或 CMOS 光子检测器以及电脑服务器 （5）。
4、 组成， 其中， 所述的嵌入式成像和 光源控制系统 （1） 分别与 p 型激光器成像光源 （2） 和二维 CCD 或 CMOS 光子检测器连接 ； 电 脑服务器 （5） 具有 WIFI 无线通讯和以太网功能， 与光源控制系统 （1） 通过网络连接， 电脑服 务器 （5） 支持 GPGPU 并行高速处理阵列， 含有 GPU_1 到 GPU_N 个并行处理器， 设计形成个人 云计算平台， 实现基于p型激光器双步重叠式正交二维离散小波HARR函数图像分析的海量 运算和数据处理调用功能。 2. 根据权利要求 1 所述的基于 p 型激光器正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显 微CT系统， 其特征。
5、是所述p型激光器成像光源 （2） ， 其光源安装在XYZ-theta四维精密机动 平台， 具有快进和微调慢进功能。 3. 如权利要求 1 或 2 所述的基于 p 型激光器正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的 显微 CT 系统的控制方法， 其特征是包括下列步骤 ： 步骤 （1） ： 启动 X 射线源 （或其他光源， 如 VIS 激光源 )， 穿透被测物体， 形成角锥型投 射 (Cone Beam Projection)， 然后穿透被测物体， 其衰竭后的光线在二维 CCD 或 CMOS 光子 （photon） 检测器上形成图像 I2D1(x,y)。 步骤 （2） 判断第一 2D 变换矩阵是否。
6、存在， 如果存在执行步骤 （4） ， 如果不存在执行步骤 （3） ； 步骤 （3） ： 采用 HARR 小波函数， 设计用于二维卷积的 KxK 大小的 2D 函数矩阵 DWT2D1 （x,y） ， 用于第一步二维离散 HARR 函数的小波变换图像增强滤波。然后设计用于第二步二 维离散 HARR 函数的小波变换图像增强滤波的 2D 函数矩阵 DWT2D2（x,y） ， 该 DWT2D2（x,y） 是通过对 DWT2D1（x,y） 旋转 90 度获得的 ； 步骤 （4） : 在二维 CCD 或 CMOS 光子检测器上获取的图像 I2D1(x,y) 上进行 DWT2D1 （x,y）小波变换处理， 获。
7、得第一步二维离散 HARR 函数小波变换图像增强滤波处理结果 I2D2(x,y)， 然后执行步骤 （5） ; 步骤 (5): 从图像 I2D2(x,y) 开始读取位置为第一行的数据， 即， 读取经过第一步 二维离散小波变换处理后的 X 射线穿透被测物体形成的投影衰竭函数 （Xray source projection attenuation function） p_r(a), 此函数即 I2D2(x_i;y)=p_r(a)， 这里 i=1， 然 后执行步骤 （6） ; 步骤 （6） ： 判断 ID 变换是否存在， 如果存在执行步骤 （8） ； 如果不存在， 则执行步骤 （7） ； 步骤(7):。
8、设计一维离散HARR函数小波变换图像增强滤波器的Kx1大小的1D离散HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT1D1（y） ， 然后执行步骤 （8） ; 步骤 （8） ： 使用设计的 1D 离散 HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT1D1（y） 对投影衰竭 函数 p_r(a) 小波变换处理， 结果存储回到此图像 I2D2_DWT(x_i;y) 的相应位置 x_i, 在此 x_i=1， 然后执行步骤 （9） ; 步骤 (9): 结束对这个第一行位置的投影衰竭函数 p_r(a) 处理后， 使用背投影 （back projection） 算法， 算出在该位置的三维断层图像 ; 即这个断层图像 f_。
9、1(x,y) 构成了第一 个三维断层断面， 然后执行步骤 （10） ; 步骤 （10） 判断第二次 2D 变换矩阵是否存在， 如果存在执行步骤 （12） ， 如果不存在执行 权 利 要 求 书 CN 103829968 A 2 2/2 页 3 步骤 （11） ； 步骤 (11): 设计与第一个 KxK 正交的 KxK 的采用二维离散 HARR 函数的小波变换函数 矩阵 DWT2D2（x,y） ， 该 DWT2D2（x,y） 是通过对 DWT2D1（x,y） 旋转 90 度获得的 ； 步骤 （12） ： 使用步骤 （11） 设计的二维离散 HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT2D2 （x,y。
10、） 与图像 f_1(x,y) 进行小波变换处理， 获得第二步二维离散 HARR 函数小波变换图像增强滤 波处理结果， 从而完成在此 x_i=1 位， 然后执行步骤 （13） ； 步骤 (13): 判断是否完成了所有行第二次 2D 变换， 如果没有则执行步骤 （5） ， 继续从 CCD 或 CMOS 光子检测器形成的图像 I2D2(x,y) 一行一行读取数据， 并进行步骤 (5) 中这样 的变换， 如果完成所有行的第二次 2D 变换 , 至此基于 p 型激光器的双步重叠式正交二维离 散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 成像完毕。 权 利 要 求 书 CN 103829968 A 3 1/。
11、4 页 4 基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显 微 CT 系统及其控制方法 技术领域 0001 本发明属于显微 CT 系统领域， 尤其是一种结构简单、 能够实现对角锥型三维断层 图像重建质量提升的基于 p 型激光器正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 系统 及其控制方法。 背景技术 0002 目前， 普通的CT成像系统不具有用于显微CT的在可视 （VIS） 波段采用p型激光器 增加均匀激光聚集点的几何尺寸的技术。不具有双步重叠式二维离散 HARR 函数小波变换 图像增强滤波， 而只是在背投影 （back projection） 算出三维断层断面图像 f_i(。
12、x,y) 后， 进行一次二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波。 存在的问题是 ： 不利于捕捉微小图像 信息， 影响显微 CT 图像质量。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种结构简单、 能够实现对角锥型三维断层图像重建质量提 升的基于 p 型激光器正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 系统。 0004 本发明的技术方案是 ： 基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显 微 CT 系统， 其特征在于由具有 WIFI 无线和以太网连接功能的嵌入式成像和光源控制系统 （1） 、 p型激光器成像光源 （2） 、 二维CCD或CMOS光子检测器以及电脑服务器 （5）。
13、 组成， 其中， 所述的嵌入式成像和光源控制系统 （1） 分别与 p 型激光器成像光源 （2） 和二维 CCD 或 CMOS 光子检测器连接 ； 电脑服务器 （5） 具有WIFI无线通讯和以太网功能， 与光源控制系统 （1） 通 过网络连接， 电脑服务器 （5） 支持 GPGPU 并行高速处理阵列， 含有 GPU_1 到 GPU_N 个并行处 理器， 设计形成个人云计算平台， 实现基于 p 型激光器双步重叠式正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的海量运算和数据处理调用功能。 0005 所述 p 型激光器成像光源 （2） ， 其光源安装在 XYZ-theta 四维精密机动平台， 具有 快进和。
14、微调慢进功能。 0006 基于 p 型激光器正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 系统的控 制方 法， 其特征是包括下列步骤 ： 0007 步骤 （1） ： 启动 X 射线源 （或其他光源， 如 VIS 激光源 )， 穿透被测物体， 形成角锥型 投射 (Cone Beam Projection)， 然后穿透被测物体， 其衰竭后的光线在二维 CCD 或 CMOS 光 子 （photon） 检测器上形成图像 I2D1(x,y)。 0008 步骤 （2） 判断第一 2D 变换矩阵是否存在， 如果存在执行步骤 （4） ， 如果不存在执行 步骤 （3） ； 0009 步骤 （3） ： 采。
15、用 HARR 小波函数， 设计用于二维卷积的 KxK 大小的 2D 函数矩阵 DWT2D1 （x,y） ， 用于第一步二维离散 HARR 函数的小波变换图像增强滤波。然后设计用于第 二步二维离散 HARR 函数的小波变换图像增强滤波的 2D 函数矩阵 DWT2D2 （x,y） ， 该 DWT2D2 说 明 书 CN 103829968 A 4 2/4 页 5 （x,y） 是通过对 DWT2D1（x,y） 旋转 90 度获得的 ； 0010 步骤 （4） : 在二维 CCD 或 CMOS 光子检测器上获取的图像 I2D1(x,y) 上进行 DWT2D1 （x,y）小波变换处理， 获得第一步二维离。
16、散 HARR 函数小波变换图像增强滤波处理结果 I2D2(x,y)， 然后执行步骤 （5） ; 0011 步骤 (5): 从图像 I2D2(x,y) 开始读取位置为第一行的数据， 即， 读取经过第一 步二维离散小波变换处理后的 X 射线穿透被测物体形成的投影衰竭函数 （Xray source projection attenuation function） p_r(a), 此函数即 I2D2(x_i;y)=p_r(a)， 这里 i=1， 然 后执行步骤 （6） ; 0012 步骤 （6） ： 判断 ID 变换是否存在， 如果存在执行步骤 （8） ； 如果不存在， 则执行步骤 （7） ； 001。
17、3 步骤 (7): 设计一维离散 HARR 函数小波变换图像增强滤波器的 Kx1 大小的 1D 离 散 HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT1D1（y） ， 然后执行步骤 （8） ; 0014 步骤 （8） ： 使用设计的 1D 离散 HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT1D1（y） 对投影 衰竭函数 p_r(a) 小波变换处理， 结果存储回到此图像 I2D2_DWT(x_i;y) 的相应位置 x_i, 在此 x_i=1， 然后执行步骤 （9） ; 0015 步骤 (9): 结束对这个第一行位置的投影衰竭函数 p_r(a) 处理后， 使用背投影 （back projection） 算法。
18、， 算出在该位置的三维断层图像 ; 即这个断层图像 f_1(x,y) 构成 了第一个三维断层断面， 然后执行步骤 （10） ; 0016 步骤 （10） 判断第二次 2D 变换矩阵是否存在， 如果存在执行步骤 （12） ， 如果不存在 执行步骤 （11） ； 0017 步骤 (11): 设计与第一个 KxK 正交的 KxK 的采用二维离散 HARR 函数的小波变换 函数矩阵 DWT2D2（x,y） ， 该 DWT2D2（x,y） 是通过对 DWT2D1（x,y） 旋转 90 度获得的 ； 0018 步骤 （12） ： 使用步骤 （11） 设计的二维离散 HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT。
19、2D2 （x,y） 与图像f_1(x,y)进行小波变换处理， 获得第二步二维离散HARR函数小波变换图像增 强滤波处理结果， 从而完成在此 x_i=1 位， 然后执行步骤 （13） ； 0019 步骤(13):判断是否完成了所有行第二次2D变换， 如果没有则执行步骤 （5） ， 继续 从 CCD 或 CMOS 光子检测器形成的图像 I2D2(x,y) 一行一行读取数据， 并进行步骤 (5) 中这 样的变换， 如果完成所有行的第二次 2D 变换 , 至此基于 p 型激光器的双步重叠式正交二维 离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 成像完毕。 0020 本发明的效果是 ： 本发明为基于 p。
20、 型激光器的双步重叠式正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 系统， 采用 p 型激光器成像系统获得原始角锥投影数据后， 使用双 步重叠正交二维离散小波 HARR 函数图像增强滤波， 辅之以一维离散 HARR 函数小波变换滤 波再处理， 从而实现对角锥型三维断层图像重建质量的提升。本系统的技术创新点在于 ： 一、 在可视 （VIS） 波段采用了 p 型激光器增加均匀激光聚集点的几何尺寸， 解决了激光成像 器聚集点过小造成的视点过小的局限性 ； 二、 设计了双步重叠式二维离散 HARR 函数小波变 换图像增强滤波， 辅之以一维离散 HARR 函数小波变换滤波再处理技术， 捕捉了微小。
21、图像信 息， 形成了质量改善的显微 CT 图像。同时本系统采用了 GPGPU 并行处理技术， 大幅缩短了 双步重叠式二维离散小波处理和一维离散小波辅助再处理的运算时间， 提高了图像特征信 息各个不同尺度的捕捉， 优化了成像， 改进了现有显微 CT 系统， 使其可以对一类被测微观 说 明 书 CN 103829968 A 5 3/4 页 6 物体更为有效地进行三维断层扫描成像。 0021 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。 附图说明 0022 图 1 是本发明的结构示意图 ； 0023 图 2 是图 1 中成像和光源控制系统的电路原理图 ； 0024 图 3 是本发明工作原理框图。 具。
22、体实施方式 0025 图 1 中， 基于 p 型激光器正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 系统， 由具有 WIFI 无线和以太网连接功能的嵌入式成像和光源控制系统 1、 p 型激光器成像光源 2、 二维 CCD 或 CMOS 光子检测器以及电脑服务器 5 组成， 其中， 所述的嵌入式成像和光源控 制系统 1 分别与 p 型激光器成像光源 2 和二维 CCD 或 CMOS 光子检测器连接 ； 电脑服务器 5 具有 WIFI 无线通讯和以太网功能， 与光源控制系统 1 通过网络连接， 电脑服务器 （5） 支持 GPGPU并行高速处理阵列， 含有GPU_1到GPU_N个并行处理器，。
23、 设计形成个人云计算平台， 实 现基于 p 型激光器双步重叠式正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的海量运算和数据处 理调用功能。p 型激光器成像光源 （2） ， 其光源安装在 XYZ-theta 四维精密机动平台， 具有 快进和微调慢进功能， 在嵌入式成像和光源控制系统 1 的控制下工作， 从而达到其四维坐 标可自动控制调整， 本光源投送方式形成了角锥状投影 (CONE Projection)。 0026 图中 3 为被测三维物体， 该三维被测物体被安装在第二个 XYZ-theta 四维精密机 动平台， 从而达到其四维坐标可自动控制调整。 0027 图 2 为系统成像原理示意。图中 21。
24、 为型激光器组成的成像光源 S， 本光源投送 方式形成了角锥状投影 (CONE Projection)， 如 22 所示投影边界 ； 23 是二维 CCD 或 CMOS 光子 （photon） 检测器的俯视图， 该平面在此视角下成为直线， 该检测器输出形成数字图像 I2D1(x,y) ； 24 为在二维 CCD 或 CMOS 光子检测器上获取的图像 I2D1(x,y)， 在该图像上使 用设计的 KxK 的二维离散 HARR 函数 DWT2D1（x,y） 的小波变换图像， 获得增强滤波处理结 果， 即， I2D2(x,y)=DWT2D1（x,y） *I2D1(x,y)*DWT2D1（x,y） t。
25、， ( 注 ： .t 为矩阵旋 转 90 度操作） ， 然后在此图像上逐行读取数据， 即， 读取经过第一步小波变换处理后的被穿 透成像物体形成的投影衰竭函数 （X ray source projectionattenuation function） p_ r(a), 此函数即 I2D2(x_i;y)=p_r(a) ； 25 为经过第一步小波变换处理后的被穿透成像物 体形成的投影衰竭函数 p_r(a), 即 I2D2(x_i;y)=p_r(a) 示意。然后使用设计的一维离散 HARR 函数小波变换图像增强滤波器 DWT1D1 （y） 对投影衰竭函数进行处理， 即， I2D2_DWT(x_ i;y。
26、)=DWT1D1（y） *I2D2(x_i;y), 其结果存储回到此图像 I2D2_DWT(x_i;y) 的相应位置 x_ i。26 是完成投影衰竭函数处理后， 使用背投影 （back projection） 算法， 算出在该位置的 三维断层图像的处理运算系统， 该处理的结果是 f_i(x,y)， 构成了在第 i 个位置的三维断 层断面图像。27 为使用与第一个 KxK 正交的第二个 KxK 小波变换矩阵 DWT2D2（x,y） 与图 像 f_i(x,y) 进行小波变换处理， 获得第二步二维离散 HARR 函数小波变换图像增强滤波处 理结果 f_1DWT(x,y)=DWT2D2（x,y） *f。
27、_1(x,y)*DWT2D2（x,y） t， 从而完成了双步重叠 式正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 成像。 说 明 书 CN 103829968 A 6 4/4 页 7 0028 图 3 中， 基于 p 型激光器正交二维离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 系统的 控制方法， 其特征是包括下列步骤 ： 0029 步骤 （1） ： 启动 X 射线源 （或其他光源， 如 VIS 激光源 )， 穿透被测物体， 形成角锥型 投射 (Cone Beam Projection)， 然后穿透被测物体， 其衰竭后的光线在二维 CCD 或 CMOS 光 子 （photon） 检测器。
28、上形成图像 I2D1(x,y)。 0030 步骤 （2） 判断第一 2D 变换矩阵是否存在， 如果存在执行步骤 （4） ， 如果不存在执行 步骤 （3） ； 0031 步骤 （3） ： 采用 HARR 小波函数， 设计用于二维卷积的 KxK 大小的 2D 函数矩阵 DWT2D1 （x,y） ， 用于第一步二维离散 HARR 函数的小波变换图像增强滤波。然后设计用于第 二步二维离散 HARR 函数的小波变换图像增强滤波的 2D 函数矩阵 DWT2D2 （x,y） ， 该 DWT2D2 （x,y） 是通过对 DWT2D1（x,y） 旋转 90 度获得的 ； 0032 步骤 （4） : 在二维 CC。
29、D 或 CMOS 光子检测器上获取的图像 I2D1(x,y) 上进行 DWT2D1 （x,y）小波变换处理， 获得第一步二维离散 HARR 函数小波变换图像增强滤波处理结果 I2D2(x,y)， 然后执行步骤 （5） ; 0033 步骤 (5): 从图像 I2D2(x,y) 开始读取位置为第一行的数据， 即， 读取经过第一 步二维离散小波变换处理后的 X 射线穿透被测物体形成的投影衰竭函数 （Xray source projection attenuation function） p_r(a), 此函数即 I2D2(x_i;y)=p_r(a)， 这里 i=1， 然 后执行步骤 （6） ; 00。
30、34 步骤 （6） ： 判断 ID 变换是否存在， 如果存在执行步骤 （8） ； 如果不存在， 则执行步骤 （7） ； 0035 步骤 (7): 设计一维离散 HARR 函数小波变换图像增强滤波器的 Kx1 大小的 1D 离 散 HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT1D1（y） ， 然后执行步骤 （8） ; 0036 步骤 （8） ： 使用设计的 1D 离散 HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT1D1（y） 对投影 衰竭函数 p_r(a) 小波变换处理， 结果存储回到此图像 I2D2_DWT(x_i;y) 的相应位置 x_i, 在此 x_i=1， 然后执行步骤 （9） ; 0037 步。
31、骤 (9): 结束对这个第一行位置的投影衰竭函数 p_r(a) 处理后， 使用背投影 （back projection） 算法， 算出在该位置的三维断层图像 ; 即这个断层图像 f_1(x,y) 构成 了第一个三维断层断面， 然后执行步骤 （10） ; 0038 步骤 （10） 判断第二次 2D 变换矩阵是否存在， 如果存在执行步骤 （12） ， 如果不存在 执行步骤 （11） ； 0039 步骤 (11): 设计与第一个 KxK 正交的 KxK 的采用二维离散 HARR 函数的小波变换 函数矩阵 DWT2D2（x,y） ， 该 DWT2D2（x,y） 是通过对 DWT2D1（x,y） 旋转 。
32、90 度获得的 ； 0040 步骤 （12） ： 使用步骤 （11） 设计的二维离散 HARR 函数的小波变换函数矩阵 DWT2D2 （x,y） 与图像f_1(x,y)进行小波变换处理， 获得第二步二维离散HARR函数小波变换图像增 强滤波处理结果， 从而完成在此 x_i=1 位， 然后执行步骤 （13） ； 0041 步骤(13):判断是否完成了所有行第二次2D变换， 如果没有则执行步骤 （5） ， 继续 从 CCD 或 CMOS 光子检测器形成的图像 I2D2(x,y) 一行一行读取数据， 并进行步骤 (5) 中这 样的变换， 如果完成所有行的第二次 2D 变换 , 至此基于 p 型激光器的双步重叠式正交二维 离散小波 HARR 函数图像分析的显微 CT 成像完毕。 说 明 书 CN 103829968 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103829968 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103829968 A 9 。