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物理学 > 医学物理

arXiv:2501.04140 (physics)
[提交于 2025年1月7日 ]

标题: 时空高斯优化用于从稀疏投影中重建4D锥束CT

标题: Spatiotemporal Gaussian Optimization for 4D Cone Beam CT Reconstruction from Sparse Projections

Authors:Yabo Fu, Hao Zhang, Weixing Cai, Huiqiao Xie, Licheng Kuo, Laura Cervino, Jean Moran, Xiang Li, Tianfang Li
摘要: 在图像引导放疗(IGRT)中,四维锥束计算机断层扫描(4D-CBCT)对于在束流输送前评估患者呼吸周期中的肿瘤运动至关重要。 然而,生成足够质量的4D-CBCT图像需要比标准3D-CBCT扫描更多的投影图像,导致扫描时间延长和患者成像剂量增加。 为了解决这些限制,迫切需要能够从1分钟的3D-CBCT采集中重建高质量4D-CBCT图像的方法。 挑战在于投影的稀疏采样,这会引入严重的条纹伪影并影响图像质量。 本文介绍了一种新颖的框架,利用时空高斯表示从稀疏投影中进行4D-CBCT重建,实现了条纹伪影减少、动态运动保留和精细细节恢复之间的平衡。 每个高斯分布由其三维位置、协方差、旋转和密度来表征。 可以通过X射线光栅化从高斯点云表示中渲染二维X射线投影图像。 通过最小化测量投影与渲染X射线投影之间的差异来优化每个高斯的属性。 一个高斯变形网络被联合优化,以变形这些高斯属性,从而获得用于动态CBCT场景建模的4D高斯表示。 最终的4D-CBCT图像通过将4D高斯体素化来重建,实现了既保留运动动态又保留空间细节的高质量表示。 代码和重建结果可在https://github.com/fuyabo/4DGS_for_4DCBCT/tree/main找到。
摘要: In image-guided radiotherapy (IGRT), four-dimensional cone-beam computed tomography (4D-CBCT) is critical for assessing tumor motion during a patients breathing cycle prior to beam delivery. However, generating 4D-CBCT images with sufficient quality requires significantly more projection images than a standard 3D-CBCT scan, leading to extended scanning times and increased imaging dose to the patient. To address these limitations, there is a strong demand for methods capable of reconstructing high-quality 4D-CBCT images from a 1-minute 3D-CBCT acquisition. The challenge lies in the sparse sampling of projections, which introduces severe streaking artifacts and compromises image quality. This paper introduces a novel framework leveraging spatiotemporal Gaussian representation for 4D-CBCT reconstruction from sparse projections, achieving a balance between streak artifact reduction, dynamic motion preservation, and fine detail restoration. Each Gaussian is characterized by its 3D position, covariance, rotation, and density. Two-dimensional X-ray projection images can be rendered from the Gaussian point cloud representation via X-ray rasterization. The properties of each Gaussian were optimized by minimizing the discrepancy between the measured projections and the rendered X-ray projections. A Gaussian deformation network is jointly optimized to deform these Gaussian properties to obtain a 4D Gaussian representation for dynamic CBCT scene modeling. The final 4D-CBCT images are reconstructed by voxelizing the 4D Gaussians, achieving a high-quality representation that preserves both motion dynamics and spatial detail. The code and reconstruction results can be found at https://github.com/fuyabo/4DGS_for_4DCBCT/tree/main
评论: 11页,10图
主题: 医学物理 (physics.med-ph) ; 图像与视频处理 (eess.IV)
引用方式: arXiv:2501.04140 [physics.med-ph]
  (或者 arXiv:2501.04140v1 [physics.med-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.04140
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Yabo Fu [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 1 月 7 日 21:05:34 UTC (3,263 KB)
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