Comparison of ring artifact removal methods using flat panel detector based CT images

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Ring artifacts are the concentric rings superimposed on the tomographic images often caused by the defective and insufficient calibrated detector elements as well as by the damaged scintillator crystals of the flat panel detector. It may be also generated by objects attenuating X-rays very differently in different projection direction. Ring artifact reduction techniques so far reported in the literature can be broadly classified into two groups. One category of the approaches is based on the sinogram processing also known as the pre-processing techniques and the other category of techniques perform processing on the 2-D reconstructed images, recognized as the post-processing techniques in the literature. The strength and weakness of these categories of approaches are yet to be explored from a common platform.</p> <p>Method</p> <p>In this paper, a comparative study of the two categories of ring artifact reduction techniques basically designed for the multi-slice CT instruments is presented from a common platform. For comparison, two representative algorithms from each of the two categories are selected from the published literature. A very recently reported state-of-the-art sinogram domain ring artifact correction method that classifies the ring artifacts according to their strength and then corrects the artifacts using class adaptive correction schemes is also included in this comparative study. The first sinogram domain correction method uses a wavelet based technique to detect the corrupted pixels and then using a simple linear interpolation technique estimates the responses of the bad pixels. The second sinogram based correction method performs all the filtering operations in the transform domain, i.e., in the wavelet and Fourier domain. On the other hand, the two post-processing based correction techniques actually operate on the polar transform domain of the reconstructed CT images. The first method extracts the ring artifact template vector using a homogeneity test and then corrects the CT images by subtracting the artifact template vector from the uncorrected images. The second post-processing based correction technique performs median and mean filtering on the reconstructed images to produce the corrected images.</p> <p>Results</p> <p>The performances of the comparing algorithms have been tested by using both quantitative and perceptual measures. For quantitative analysis, two different numerical performance indices are chosen. On the other hand, different types of artifact patterns, e.g., single/band ring, artifacts from defective and mis-calibrated detector elements, rings in highly structural object and also in hard object, rings from different flat-panel detectors are analyzed to perceptually investigate the strength and weakness of the five methods. An investigation has been also carried out to compare the efficacy of these algorithms in correcting the volume images from a cone beam CT with the parameters determined from one particular slice. Finally, the capability of each correction technique in retaining the image information (e.g., small object at the iso-center) accurately in the corrected CT image has been also tested.</p> <p>Conclusions</p> <p>The results show that the performances of the algorithms are limited and none is fully suitable for correcting different types of ring artifacts without introducing processing distortion to the image structure. To achieve the diagnostic quality of the corrected slices a combination of the two approaches (sinogram- and post-processing) can be used. Also the comparing methods are not suitable for correcting the volume images from a cone beam flat-panel detector based CT.</p

X-ray CT on the GPU

Nondestructive testing (NDT) is a collection of analysis techniques used by scientists and technologists as a way of analyzing the interior of an object without damaging the object. Since the analysis is done without damaging the object, NDT is an extremely valuable technique used in various industries for troubleshooting and research. CNDE has a long history of working with a variety of industrial sectors which include Aerospace (commercial and military aviation) and Defense Systems (ground vehicles and personnel protection); Energy (nuclear, wind, fossil); Infrastructure and Transportation (bridges, roadways, dams, levees); and Petro-Chemical (offshore, processing, fuel transport piping) to provide cost-effective tools and solutions. X-ray tomography is the procedure of using X-rays for generating tomographic slices of the required object. The object is bombarded with X-rays and the scanned image intensity values are collected on a detector. A significant drawback in X-ray tomography is the amount of data collected. It is generally huge in the order of gigabytes and hence the processing of data presents a big challenge. One way to speed up the processing of data is to run the programs on a cluster. CNDE uses a 64 node Beowulf cluster to do the reconstruction of an image. However with the advent of the GPU (Graphic Processing Unit) we have a far more cost efficient and time efficient hardware to run the reconstruction algorithm. The GPU can be fitted into a single PC, costs 10 times less than the cluster and also has a longer life time. This thesis has two major components to it. One of it is the desvelopment of new preprocessing and post processing techniques (includes filters, hot pixel removal etc.) to improve the quality of the input data and the other is the implementation of these techniques as well as the reconstruction program on the GPU using CUDA. Speedup on the GPU is not just a matter of porting the developed algorithms in parallel onto the hardware like in a cluster. GPU architecture is extremely complex and involves the usage of many different types of memory each with its own advantages and disadvantages and also many other optimization techniques for accessing and processing the data. These new techniques as well as the introduction of GPU are a significant addition to X-ray program here at CNDE

Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken