Limited-angle computerized tomography stands for one of the most difficult challenges in imaging. Although it opens the way to faster data acquisition in industry and less dangerous scans in medicine, standard approaches, such as the filtered backprojection (FBP) algorithm or the widely used total-variation functional, often produce various artefacts that hinder the diagnosis. With the rise of deep learning, many modern techniques have proven themselves successful in removing such artefacts but at the cost of large datasets. In this paper, we propose a new model-driven approach based on the method of the approximate inverse, which could serve as new starting point for learning strategies in the future. In contrast to FBP-type approaches, our reconstruction step consists in evaluating linear functionals on the measured data using reconstruction kernels that are precomputed as solution of an auxiliary problem. With this problem being uniquely solvable, the derived limited-angle reconstruction kernel (LARK) is able to fully reconstruct the object without the well-known streak artefacts, even for large limited angles. However, it inherits severe ill-conditioning which leads to a different kind of artefacts arising from the singular functions of the limited-angle Radon transform. The problem becomes particularly challenging when working on semi-discrete (real or analytical) measurements. We develop a general regularization strategy, named constrained limited-angle reconstruction kernel (CLARK), by combining spectral filter, the method of the approximate inverse and custom edge-preserving denoising in order to stabilize the whole process. We further derive and interpret error estimates for the application on real, i.e. semi-discrete, data and we validate our approach on synthetic and real data.


翻译:有限角度计算机断层扫描是成像领域最具挑战性的难题之一。尽管它在工业领域能实现更快的数据采集,在医学领域能降低扫描风险,但传统方法如滤波反投影算法或广泛使用的全变分泛函常会产生多种伪影,影响诊断准确性。随着深度学习的兴起,许多现代技术虽能有效消除此类伪影,但需依赖大规模数据集。本文提出一种基于近似逆方法的新型模型驱动方法,可作为未来学习策略的新起点。与滤波反投影类方法不同,我们的重建步骤通过预计算辅助问题解得到的重建核,对测量数据评估线性泛函。由于该问题具有唯一解,所推导的有限角度重建核即使在大角度受限情况下,也能完全重建目标物体而不产生常见的条纹伪影。然而,该方法继承了严重的病态性,导致出现由有限角度Radon变换奇异函数引起的新型伪影。当处理半离散(实际或解析)测量数据时,问题变得尤为复杂。我们通过结合谱滤波、近似逆方法和定制化保边去噪技术,提出名为约束有限角度重建核的通用正则化策略以稳定整个流程。进一步推导并解释了实际(即半离散)数据应用的误差估计,并通过合成数据与真实数据验证了该方法的有效性。

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