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  • 雖然X光投影攝影很受歡迎,但它有一項重大缺陷,就是缺乏深度分辨率。具體而言,上下層組織的叠影有時會「隱藏」重要細節,並限制醫學診斷時的對比度。為解決這個問題, 醫學界採用了人體薄切片二維圖像斷層掃描,即是X 光計算機斷層成像 (X-ray computed tomography,CT)。CT的基本原理是以計算機來合併處理源由不同角度的多張X光投影片,從而產生身體斷層圖像,令診斷人員無需動手術切割即可看到身體內部。與X光投影攝影不同,CT所生成的圖象是利用數學方法處理測量數據而獲得的。1979年,物理學家Allan M CORMACK及電氣工程師Godfrey N HOUNSFIELD憑藉開發出CT而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。 在一般的操作裏,CT掃描器會在每兩次X光照相之間,將病人環繞由頭至腳的軸心輕微旋轉,從而得出一連串不同角度的二維投影。投影片的每條水平線會為身體在該角度的二維軸向橫切面繪製一條一維投影。當集合所有水平線之後,每張投影片裏位於相同高度的每一條線就會包含與軸向橫切面相關的資訊,這正好與二维雷登變換(2D Radon transform)一致。更準確而言,變換時會將一個定義在平面上的函數(f)變成一個個定義在該平面上的直線所组成的空間上的函數(Rf)(函數 Rf 在一條特定直線上的值等於f在該直線上的線積分)。如使用數學語言來表達,則設 為平面 上定義的一個函數;將平面裏的定向直線構成的空間以兩個數字 參數化, 當中 是線由來源點起計的距離, 則是該線的法向量(normal vector)與X軸形成的角度。則雷登變換被定義為

    其中 是測量矩陣, 則對應測量數據。在一般情況下,我們會得出 ,此為對應解象度為 的圖象,而 則是對應有128個等距角時,在每個角採集150條射線路徑的圖象。這個系統巨大得無法直接逆轉。在某些無法逐片重建圖像的更複雜掃描幾何形狀中,系統的尺寸甚至更大。由於涉及大量運算成本,因此可以解釋為何反投影算法仍然在商用CT系統中佔主導。另一方面,這類大型系統在數值線性代數領域亦引起了不少研究人員的興趣,研究界亦已開發多項選代技術(iterative technique),務求製造出令人滿意的解算器。其中一項是Kaczmarz方法,是由波蘭數學家Stefan KACZMARZ首先發現。這類依靠解算線性方程組的方法,名為代數重建技術。值得一提的是,由Hounsfield開發的第一部商用CT掃描器,所運用的正是代數重建技術。與反投影式的方法相比,迭代算法在減少某些偽影(artefact)及處理噪訊方面較有優勢。此外,在部分測量或不完整測量的情況(無法應用逆方程式),以及在希望減少X光量而不影響畫質的情況,迭代算法更有明顯優勢[4]。如要在重建中使用部分測量,以及在不增加X光量的情況下得到超解象度,則是新的難題,因為我們手上的方程式量未足以應付未知數。重建的問題則更加不適定,然而並非毫無對策。我們一般認為,一種圖像類別中的自由度數量(例如人肺)是遠小於圖像中的總象素數量。利用這種每個問題特有的稀疏性(sparsity),就可以將不適定性從本質上正則化。在這方面,稀疏性及壓縮感知的理論[2]可以提供所急需的理論基礎。諸如迭代的稀疏近似最小方差算法(Sparse Asymptotic Minimum Variance)的重建算法可以在無需要更高輻射量的情況下提供超解象度成像,並已引起不少研究員的興趣。[1]. CT是逆問題裏最成功的例子之一。運用數學模型後,現實世界中大多數逆問題都可以算是某種將無法直接觀察到的物理參數映射到測量值的數學變換。解決逆問題本質上其實就是找出逆變換。隨著在解決逆問題的路上已取得根本進展,以及有效率的數值方法得到發展,我們預計這些新元素最終能帶來重建算法上的突破,幫助我們以更善意、更健康的方式窺探內部,同時能兼顧圖像的質素。 H. Abeida; Q. Zhang; J. Li and N. Merabtine, Iterative Sparse Asymptotic Minimum Variance Based Approaches for Array Processing, IEEE Transactions on Signal Processing. IEEE. 61 (4): 933-944, (2013). D. L. Donoho, Compressed sensing, IEEE Transactions on Information Theory, vol. 52, no. 4, 1289-1306, (2006). doi: 10.1109/TIT.2006.871582. H. W. Engl, M. Hanke and A. Neubauer, Regularization of Inverse Problems, Springer, Netherlands, (2000). ISBN 978-0-7923-4157-4. C. L. Epstein, Introduction to the Mathematics of Medical Imaging, Societyfor Industrial and Applied Mathematics, 2nd Edition, (2007). ISBN: 978-0-89871-642-9. S. Helgason, Integral Geometry and Radon Transforms, Springer, (2011). ISBN 9781441960542. J. L. Prince and J. M. Links, Medical Imaging Signals and Systems, Pearson. 2nd edition, (2014). ISBN-13: 978-0132145183.