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使用FleXbox进行X射线断层扫描重建管道的原型制作
软件X 11(2020)100364原始软件出版物使用FleXbox进行X射线断层扫描重建管道的原型制作A. Kostenkoa,W.J.Palenstijna,S.B.科班a,a. a.亨德里克森河van Lierea,K.J. Batenburga,baCentrum Wiskunde Informatica,Science Park 123,1098XG,Amsterdam,The Netherlandsb莱顿大学,Rapenburg 70,2311EZ莱顿,荷兰ar t i cl e i nf o文章历史记录:接收2可以2019收到修订版2019年9月15日接受2019年保留字:断层扫描重建算法数据处理采集几何a b st ra ct用于研究应用的计算机断层摄影(CT)扫描仪通常被设计成便于灵活的采集几何形状。充分利用这种CT扫描仪需要先进的重建软件,该软件可以(i)处理广泛的几何扫描设置,(ii)允许定制处理算法,以及(iii)具有处理大量数据的能力。FleXbox是一个基于Python的断层重建工具箱,专注于这三个功能。它的构建是为了弥合低级别层析重建包(例如,ASTRA工具箱)和高级分布式系统(例如,Livermore断层扫描工具)。FleXbox允许对任意源、探测器和对象轨迹进行FleXbox的模块化架构允许为单个CT数据集设计最佳重建方法。当获取对象的多个数据集(不同的空间区域或不同的时间快照)时,它们可以被组合成更大的高分辨率体积或体积的时间序列。该软件允许创建一个计算重建管道,可以在没有用户交互的情况下运行,并在单个工作站上实现大规模3D体积©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。代码元数据当前代码版本1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/法律代码许可证GPL 3.0使用git的代码版本控制系统使用Python的软件代码语言、工具和服务安装可以使用conda或pip是的,通过conda如果有开发人员文档/手册的链接https://cicwi.github.io/flexDATA/https://cicwi.github.io/flexTOMO/https://cicwi.github.io/flexCALC/问题支持电子邮件w. j. palenstijn@cwi.n软件元数据当前软件版本1.0.0。指向此版本可执行文件的永久链接N/A法律软件许可证GPL 3.0计算平台/操作系统Linux,Microsoft Windows安装要求依赖项numpy,numpy-toolbox,scipy,simpleitk,pygraphviz,numpy-stl,scikit-image,pyqtgraph,matplotlib,tqdm,imageio,tifffile,psutil,toml,transforms 3d,paramiko如果可用,请链接到用户手册-如果正式出版,请在参考列表中引用该出版物https://cicwi.github.io/flexDATA/https://cicwi.github.io/flexTOMO/https://cicwi.github.io/flexCALC/问题支持电子邮件a. cwi.nl,w. j. cwi.nl*通讯作者。电子邮件地址:a. cwi.nl(A. Kostenko)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.1003642352-7110/©2019作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softx凌晨2Kostenko,W.J.Palenstijn,S.B.Coban等人粤公网安备44010802000014号1. 动机和意义先进的实验室锥形束X射线CT扫描仪允许研究人员通过优化源设置和调整扫描轨道来获得各种标本的高质量扫描。可以在不同的配置中获取同一对象的多次扫描,以便增加重建体积的总尺寸[1],提高对比度[2],减少重建伪影[3]或创建时间推移系列[4]。然而,这样的实验还需要访问支持可调节处理例程、可变扫描几何形状和大数据量的重构软件可以使用相当数量的软件包用于断层重建[5这些项目提供了多种有效的数据处理功能和先进的算法。像ODL [5]或AS-TRA [6]这样的低级包允许完全优化单次扫描的重建,但缺乏处理大量数据所需的功能,而像LTT [9]或CASToR [12]这样的高级系统允许设计快速处理管道,但可能缺乏低级包的灵活性和透明度。为了缩小算法级重建包和流水线级分布式系统之间的差距,我们设计了一个轻量级的基于Python的CT重建工具箱--FleXbox。它被组织成一个构建块的集合,可以与Python的科学计算包numpy一起在两个不同的层面上:(1)设计重建方法针对特定扫描进行优化,(2)对用于在单个工作站上处理大于存储器的数据的阵列的重建流水线进行原型化。2. 软件描述FleXbox是高度透明的:它是基于Python的,这提供了对其内部设计的轻松访问。它与ASTRA工具箱集成,可以在单个工作站上快速进行多GPU重建。ASTRA的计算时间以前被证明几乎与可用GPU的数量成线性关系,允许在几秒钟内计算1000个3体素体积[6]。其他相关的软件包,如numpy(线性代数和内存数组支持),scipy和skimage(图像处理和分析),xraylib(光谱模拟),paramiko和imageio(SCP,数据I/O),SimpleITK(体积配准),numpy-stl(表面模型)。2.1. 软件构架FleXbox 的 功能 分 为三 个 子模 块 :flexData 、flexTomo 和flexCalc(图1)。①的人。flexData可以独立使用,并提供基本的I/O实用程序和几何定义。它可以与现有的基于ASTRA的重建程序集成。flexTomo包含用于模拟和重建脚本的构建块flexCalc组件由高级数据处理和分析例程以及用于管道原型的工具箱组成。2.2. 软件功能我们认为以下是FleXbox的核心功能:(1)采集几何的简单定义和操作,(2)快速子集加速断层重建算法,(3)大型数据处理管道的原型设计。Fig. 1. FleXbox组件及其模块。图二. 几何形状定义:(A)标准圆轨道锥束几何形状;(B)通过将探测器旋转45°并沿旋转轴引入2.2.1. 几何图形定义虽然一些重建包可以应用于一个 ASTRA工具箱提供了一个基于矢量的任意几何形状的定义flexData支持采集几何图形的中间、更直观但更灵活的定义。它是通过三个几何类之一实现的:圆(图)。 2 a),helical(Fig. 2 b)和线性(图2d)。每个类都使用一组基本参数进行初始化,例如源到对象的距离、对象到检测器的距离、像素大小、圆形类的旋转范围;并且可以使用扩展集进行调整可选参数,例如扫描的倾斜和平移轨道、探测器方位等(图2b、c)。2.2.2. 层析重建flexTomo为单色或多色锥束CT提供重建和模拟例程。它包含基于子集的向后和向前投影算子,单个梯度下降步骤的实现和一些完整的代数算法,如:SIRT,EM,FISTA,PWLS [14]。将数据分割成子集有两个目的:(1)便于重建不适合工作站的数据集通过一次投影一个子集来增加存储器,(2)加速基于梯度下降的重建算法的收敛,使得它们实际上可应用于大数据集。2.2.3. 流水线原型可以创建流水线,以将相同的处理和重建步骤应用于多个数据集,或者将多个数据集组合成更大的重建体积或一系列对齐的体积。这是通过调度应应用于投影数据阵列序列的操作的队列来完成的一个节点树是自动创建的(见图。3a),其中每个节点表示应用于单个数据集的操作调用一A. Kostenko,W.J.Palenstijn,S.B.Coban等人 粤公 网 安 备 44010802000011号图三. 批处理调度程序:(A)用于将若干扫描合并成单个重建的流水线;(B)具有多个输入缓冲器的组节点;(C)具有一个输入缓冲器和若干输出缓冲器的批处理节点;见图4。 示例用例。(A)通过锥束数据的数据拼接进行高分辨率重建:单次投影(A1)、六次拼接投影(A2)、重建体积绘制(A3)。(B)电路板的多轴重建:基于具有正交旋转轴的两次扫描的B1和B2滤波反投影;基于两个数据集的代数重建(B3)。(C)生长中的绿豌豆的延时重建:C1-C3分别为第1天、第5天和第10天。(D)燕麦片重建与FleXbox(D1)、TIGRE(D2)、TIGRE、校正探测器倾斜(D3)的比较一个节点可能有一个或多个输入缓冲区和一个或多个输出缓冲区驻留在磁盘上(图1)。3b、c)。这样,在任何时候使用的内存量都被限制在处理单个数据集所需的量。如果系统崩溃,一旦解决了故障原因,就可以从最后完成的节点重新开始重建2.2.4. 其他公用事业flexCalc使用户能够快速开发用于预处理、重建和后处理的单个脚本。 它包含了这样的工具:单一材料的射束硬化校正,阈值,插值,体积配准,形状和尺寸测量,基于自动聚焦的几何优化。3. 说明性实例FleXbox最初开发用于处理Flex-Ray扫描仪生成的数据[15];在[3]中,它被用于证明多轴CT采集的优势,并被广泛用于所谓的See-Through Museum Project[16]中的平铺高分辨率体积的重建。4. 影响FleXbox的不同使用案例如图所示。四、第一列显示了一个中国人的高分辨率重建×××凌晨4Kostenko,W.J.Palenstijn,S.B.Coban等人粤公网安备44010802000014号象牙球[16]。在这个例子中,六个扫描的投影尺寸为1943 - 1535像素对齐,并合并成更大的投影,以重建一个40003体素体积。对于该重建,处理了大约100 GB(16位)的投影,在配备NVIDIA 1080Ti GPU(10 GB)、128 GB RAM、1TB SSD硬盘驱动器的工作站上得到220 GB(32位)的重建体积。通过降级到8位和应用ZIP压缩。第二列demonstrates一个标准的单轴过滤反投影的结果(图。 4 b1,b2)与flexTomo中可用的多轴代数重建(图4 b1,b2)。 4 b3)[3]。第三列显示了延时的示例,其中每天扫描一次豌豆,使用flexCalc中可用的体积配准对齐每次重建的结果。最后一列显示了在FleXbox中制作的燕麦罐底部重建[17]之间的比较(图17)。 4 d1)与使用TIGRE包[18](图1)获得的结果。4d2、d3)。该数据显示了使用flexCalc中的几何参数优化进行校正的小探测器倾斜(图1 )。 4d1)。 使用TIGRE软件包进行的未校正重建略微散焦(图1)。4d2)。然而,一旦将flexCalc估计的探测器倾斜代入TIGRE几何结构中,就可以实现清晰的重建(图1)。 4 d3)。在燕麦片的例子中,我们从1944 - 1536 - 1001投影数据集重建了裁剪的1000- 3体素体积。该计算在具有NVIDIA GTX 970 GPU(4 GB)、64 GB RAM、6核Intel Xeon 3.5 GHzCPU.使用FleXbox(基于ASTRA)的计算需要70 s,而基于TIGRE的计算需要250 s。5. 结论先进的X 射线CT 系统(如XRE UniTOM、Xradia Versa、SKYSCAN 1273)以及一些开放式设计系统(如[19])具有高度可调性,可以在广泛的非常规几何形状中生成断层扫描数据。FleXbox可以帮助利用这些系统,因为它专注于三个目标:(1)灵活的几何定义,(2)大数据阵列支持,(3)管道原型。通过使用FleXbox,人们可以快速原型化针对不同应用定制的最佳重建流水线:高分辨率平铺扫描(在我们的实践中限于50003体素体积);通过加速迭代算法减少重建伪影(10003竞合利益我们希望确认,本出版物不存在任何已知的利益冲突,也不存在可能影响其结果的重大财务支持。致谢我们非常感谢根特XRE公司为我们提供了FlexX射线扫描仪;感谢Rijksmounge公司和Naturalis生物多样性公司莱顿中心为我们提供了非凡的样本进行扫描。我们感谢荷兰科学研究组织(NWO)(项目341- 60-001)的财政支持引用[1] [10]杨文,李文.断层扫描:使用有限尺寸的同步加速器X射线束高效采集和重 建 teravoloxel 断 层 扫 描 数 据 J Synchrotron Radiat 2018;25 ( Pt 5 ) :1478-89。http://dx.doi.org/10.1107/S1600577518010093网站。[2]McCollough CH,Leng S,Yu L,Fletcher JG. 双能和多能CT:原理、技术方 法 和 临 床 应 用 。 放 射 学 2015;276 ( 3 ) : 637-53 。http://dx.doi.org/10.1148/radiol.2015142631网站。[3]Kostenko A,Andriiashen V,Batenburg KJ.基于配准的多方向层析成像。OptExpress2018; ( 26 ) : 28982-95.http://dx.doi 的 网 站 。org/10.1364/OE.26.028982。[4]Lowe T,Garwood RJ,Simonsen TJ,Bradley RS,Withers PJ.变形揭示:活蛹 内 的 延 时 三 维 成 像 。 JRSoC接 口2013 年 ;10.201303.http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2013.0304网站。[5]操作员离散化库。https://odlgroup.github.io/odl/网站。[2019年4月1日[6]Palenstijn WJ,Bédorf J,Sijbers J,Batenburg KJ.分布式ASTRA工具箱。JAdv Struct Chem Imag2016;23(3):842[7]杨晓,李晓. 同步加速器层析成像数据分析框架。J Synchrotron Radiat2014;21(5):1188-93.[8]吴伟杰,李晓梅. UFO:一个可扩展的基于GPU的图像处理框架,用于在线监控。 IEEEHPCC &ICESS 2012;(6):824-9.[9]利弗莫尔图像重建断层扫描工具,https://nci.llnl.gov/content/assets/docs/ChampleyALSmeeting.pdf。[2019年4月1日访问]。[10] Thielemans K, Mustafovic S, Tsoumpas C.STIR: 断层图像重建 软件在 : IEEEnuc.sci.sympos.conf.rec.2006 , p.2174-6 。http://dx.doi.org/10.1109/NSSMIC.2006.354345网站。[11][10] Rit S,Vila Oliva M,Brousmiche S,Labarbe R,Sarrut D,Sharp GC.重建工具包(RTK),一个开源的锥束CT重建工具包基于对的洞察力工 具 包( ITK ) 。J物 理 学 : 会 议 2014; ( 489 ) : 1742-6588 。http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/489/1/012079.[12]Thibaut M,Stute S,Didier B,Julien B,Carlier T,Comtat C,FilipovicM,Lamare F,Visvikis D. Castor:用于多模态和多维层析重建的通用数据组织 和处 理 代码 框 架。PhysMedBiol2018;63 ( 18).http://dx.doi.org/10.1088/1361-6560/aadac1。[13][10]张文辉 ,张文辉 .基于 GPU加速旋 转的发射断 层成像重建 ,NSS/MIC2010 。 第 2657- 2661 页 。 http://dx.doi.org/10.1109/NSSMIC 的 网 站 。2010.5874272。[14]PaleoP. 正 则 化 层析 重 建 中 的 迭代 方 法 。论 文https://www.theses.fr/2017GREAT070.pdf网站。[2019年9月15日访问]。[15]Coban SB等人,FlexX射线实验室:一种用于探索性断层扫描的高度灵活的扫描仪。2019年(筹备中)。[16][10]范利埃R,巴滕堡KJ,科斯坚科A,王喜林,Garachon I.想象中国古代象牙拼图球:推断制作过程。第六届艺术调查图像处理国际研讨会。 2018年,第48比50[17]Coban SB ,Hendriksen AA,DanielMP,Palenstijn WJ,Batenburg JK.数据:用于提高图像分辨率技术的实验锥束断层扫描数据,Zenodo Data,v1;2018。http://dx.doi.org/10.5281/zenodo的网站。2657644。[18][10] 杨 文, 李 文 . TIGRE : 一 个CBCT图 像重 建 的 MATLAB-GPU 工 具箱 。Biomed Phys Eng Express 2016;2 : 055010 。 http://dx.doi.org/10.1088/2057-1976/2/5/055010网站。[19]Masson Berghoff A,缺席O'Flynn D。隐形的或显露的“遗迹”?来自瑙克拉提斯和其他地方的埃及青铜许愿盒的X射线照相和CT扫描。英国博物馆研究古埃及苏丹2019;24:159-74。
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