417c47a90087bffcbcfe86c0872408f83d234e1a
[ctsim.git] / doc / ctsim-concepts.tex
1 \chapter{Concepts}\index{Concepts}%
2 \setheader{{\it CHAPTER \thechapter}}{}{}{\ctsimheadtitle}{}{{\it CHAPTER \thechapter}}%
3 \ctsimfooter%
4
5 \section{Overview}\label{conceptoverview}\index{Conceptual Overview}%
6 The operation of \ctsim\ begins with the phantom object.  A
7 phantom object consists of geometric elements.  A scanner is
8 specified and the collection of x-ray data, or projections, is
9 simulated. That projection data can be reconstructed using various
10 user-controlled algorithms producing an image of the phantom
11 object. These reconstructions can be visually and statistically
12 compared to the original phantom object.
13
14 In order to use \ctsim\ effectively, some knowledge of how \ctsim\
15 works and the approach taken is required. \ctsim\ deals with a
16 variety of object, but the two primary objects that we need to be
17 concerned with are the \emph{phantom} and the \emph{scanner}.
18
19 \section{Phantoms}\label{conceptphantom}
20 \subsection{Overview}\label{phantomoverview}\index{Phantom Overview}%
21
22 \ctsim\ uses geometrical objects to describe the object being
23 scanned. A phantom is composed a one or more phantom elements.
24 These elements are simple geometric shapes, specifically,
25 rectangles, triangles, ellipses, sectors and segments. With these
26 elements, the standard phantoms used in the CT literature can be
27 constructed.  In fact, \ctsim\ provides a shortcut to load the
28 published phantoms of Herman\cite{HERMAN80} and
29 Shepp-Logan\cite{SHEPP74}. \ctsim\ also reads text files of
30 user-defined phantoms.
31
32 The types of phantom elements and their definitions are taken with
33 permission from G.T. Herman's 1980 book\cite{HERMAN80}.
34
35 \subsection{Phantom File}\label{phantomfile}\index{Phantom file syntax}
36 Each line in the text file describes an element of the
37 phantom.  Each line contains seven entries, in the following form:
38 \begin{verbatim}
39 element-type cx cy dx dy r a
40 \end{verbatim}
41 The first entry defines the type of the element, either
42 \rtfsp\texttt{rectangle}, \texttt{ellipse}, \texttt{triangle},
43 \rtfsp\texttt{sector}, or \texttt{segment}. \texttt{cx},
44 \rtfsp\texttt{cy}, \texttt{dx} and \texttt{dy} have different
45 meanings depending on the element type.
46
47 \rtfsp\texttt{r} is the rotation applied to the object in degrees
48 counterclockwise, and \texttt{a} is the X-ray attenuation
49 coefficient of the object. Where objects overlap, the attenuations
50 of the overlapped objects are summed.
51
52
53 \subsection{Phantom Elements}\label{phantomelements}\index{Phantom elements}
54
55 \subsubsection{ellipse}
56 Ellipses use \texttt{dx} and \texttt{dy} to define the semi-major and
57 semi-minor axis lengths, with the center of the ellipse at \texttt{cx}
58 and \texttt{cy}.  Of note, the commonly used phantom described by
59 Shepp and Logan\cite{SHEPP74} uses only ellipses.
60
61 \subsubsection{rectangle}
62 Rectangles use \texttt{cx} and \texttt{cy} to define the position of
63 the center of the rectangle with respect to the origin.  \texttt{dx}
64 and \texttt{dy} are the half-width and half-height of the rectangle.
65
66 \subsubsection{triangle}
67 Triangles are drawn with the center of the base at \texttt{(cx,cy)},
68 with a base half-width of \texttt{dx} and a height of \texttt{dy}.
69 Rotations are then applied about the center of the base.
70
71 \subsubsection{segment}
72 Segments are complex. They are the portion of an circle between a
73 chord and the perimeter of the circle.  \texttt{dy} sets the
74 radius of the circle. Segments start with the center of the chord
75 located at \texttt{(0,0)} and the chord horizontal. The half-width
76 of the chord is set by \texttt{dx}.  The portion of an circle
77 lying below the chord is then added. The imaginary center of this
78 circle is located at \texttt{(0,-dy)}. The segment is then rotated
79 by \texttt{r} and then translated by \texttt{(cx,cy)}.
80
81 \subsubsection{sector}
82 Sectors are the like a ``pie slice'' from a circle. The radius of
83 the circle is set by \texttt{dy}. Sectors are defined similarly to
84 segments. In this case, though, a chord is not drawn.  Instead,
85 the lines are drawn from the origin of the circle \texttt{(0,-dy)}
86 to the points \texttt{(-dx,0)} and \texttt{(dx,0)}. The perimeter
87 of the circle is then drawn between those two points and lies
88 below the x-axis. The sector is then rotated and translated the
89 same as a segment.
90
91 \subsection{Phantom Size}\index{Phantom size}
92 The overall dimensions of the phantom are increased by 1\% above the
93 specified sizes to avoid clipping due to round-off errors from
94 sampling the polygons of the phantom elements.  So, if the phantom is
95 defined as a rectangle of size 0.1 by 0.1, the actual phantom has
96 extent 0.101 in each direction.
97
98 \section{Scanner}\label{conceptscanner}\index{Scanner concepts}%
99 \subsection{Dimensions}
100 Understanding the scanning geometry is the most complicated aspect of
101 using \ctsim. For real-world CT simulators, this is actually quite
102 simple. The geometry is fixed by the manufacturer during the
103 construction of the scanner and can not be changed. Conversely,
104 real-world CT scanners can only take objects up to a fixed size.
105
106 \ctsim, being a very flexible simulator,
107 gives tremendous options in setting up the geometry for a scan.
108
109 In general, the geometry for a scan all starts with the size of
110 the phantom being scanned. This is because \ctsim\ allows for
111 statistical comparisons between the original phantom image and
112 it's reconstructions. Since CT scanners scan a circular area, the
113 first important variable is the diameter of the circle surround
114 the phantom, the \emph{phantom diameter}. Remember, as mentioned
115 above, the phantom dimensions are also padded by 1\%.
116
117 The other important geometry variables for scanning phantoms are
118 the \emph{view diameter}, \emph{scan diameter}, and \emph{focal
119 length}. These variables are all input into \ctsim\ in terms of
120 ratios rather than absolute values.
121
122 \subsubsection{Phantom Diameter}\index{Phantom diameter}
123 \begin{figure}
124 $$\image{5cm;0cm}{scangeometry.eps}$$
125 \caption{\label{phantomgeomfig} Phantom Geometry}
126 \end{figure}
127 The phantom diameter is automatically calculated by \ctsim\ from
128 the phantom definition. The maximum of the phantom length and
129 height is used to define the square that completely surrounds the
130 phantom. Let \latexonly{$p_l$}\latexignore{\emph{Pl}} be the width
131 and height of this square. The diameter of this boundary box,
132 \latexonly{$p_d$,}\latexignore{\emph{Pd},} is then
133 \latexignore{\\\centerline{\emph{Pl x sqrt(2)}}\\}
134 \latexonly{\begin{equation}p_d = p_l \sqrt{2}\end{equation}}
135 CT scanners actually collect projections around a
136 circle rather than a square. The diameter of this circle is also
137 the diameter of the boundary square \latexonly{$p_d$.  These
138 relationships are diagrammed in figure~\ref{phantomgeomfig}.}
139 \latexignore{emph{Pd}.}
140
141 \subsubsection{View Diameter}\index{View diameter}
142 The \emph{view diameter} is the area that is being processed
143 during scanning of phantoms as well as during rasterization of
144 phantoms. By default, the \emph{view diameter} \rtfsp is set equal
145 to the \emph{phantom diameter}. It may be useful, especially for
146 experimental reasons, to process an area larger (and maybe even
147 smaller) than the phantom. Thus, during rasterization or during
148 projections, \ctsim\ will ask for a \emph{view ratio},
149 \latexonly{$v_r$.}\latexignore{\rtfsp \emph{VR}.} The \emph{view
150 diameter} is then calculated as
151 \latexonly{\begin{equation}v_d = p_dv_r\end{equation}}
152 \latexignore{\\\centerline{\emph{Vd = Pd x VR}}\\}
153
154 By using a
155 \latexonly{$v_r$}\latexignore{\emph{VR}}
156 less than 1, \ctsim\ will allow
157 for a \emph{view diameter} less than
158 \emph{phantom diameter}.
159 This will lead to significant artifacts. Physically, this would
160 be impossible and is analogous to inserting an object into the CT
161 scanner that is larger than the scanner itself!
162
163 \subsubsection{Scan Diameter}\index{Scan diameter}
164 By default, the entire \emph{view diameter} is scanned. For
165 experimental purposes, it may be desirable to scan an area either
166 larger or smaller than the \emph{view diameter}. Thus, the concept
167 of \emph{scan ratio}, \latexonly{$s_r$,}\latexignore{\emph{SR},}
168 is arises. The scan diameter
169 \latexonly{$s_d$}\latexignore{\emph{Sd}} is the diameter over
170 which x-rays are collected and is defined as
171 \latexonly{\begin{equation}s_d =v_d s_r\end{equation}}
172 \latexignore{\\\centerline{\emph{Sd = Vd x SR}}\\}
173 By default and
174 for all ordinary scanning, the \emph{scan ratio} is to \texttt{1}.
175 If the \emph{scan ratio} is less than \texttt{1}, you can expect
176 significant artifacts.
177
178 \subsubsection{Focal Length}\index{Focal length}
179 The \emph{focal length},
180 \latexonly{$f$,}\latexignore{\emph{F},}
181 is the distance of the X-ray source to the center of
182 the phantom. The focal length is set as a ratio,
183 \latexonly{$f_r$,}\latexignore{\emph{FR},}
184 of the view radius. Focal length is
185 calculated as
186 \latexonly{\begin{equation}f = (v_d / 2) f_r\end{equation}}
187 \latexignore{\\\centerline{\emph{F = (Vd / 2) x FR}}}
188
189 For parallel geometry scanning, the focal length doesn't matter.
190 However, divergent geometry scanning (equilinear and equiangular),
191 the \emph{focal length ratio} should be set at \texttt{2} or more
192 to avoid artifacts. Moreover, a value of less than \texttt{1} is
193 physically impossible and it analagous to have having the x-ray
194 source inside of the \emph{view diameter}.
195
196
197 \subsection{Parallel Geometry}\label{geometryparallel}\index{Parallel Geometry}
198
199 The simplest geometry, parallel, was used in \mbox{$1^{st}$} generation
200 scanners. As mentioned above, the focal length is not used in this simple
201 geometry. The detector array is set to be the same size as the
202 \emph{scan diameter}.  For optimal scanning in this geometry, the
203 \emph{scan diameter} should be equal to the \emph{phantom
204 diameter}. This is accomplished by using the default values of
205 \texttt{1} for the \emph{view ratio} and the \emph{scan ratio}. If
206 values of less than \texttt{1} are used for these two variables,
207 significant distortions will occur.
208
209
210 \subsection{Divergent Geometries}\label{geometrydivergent}\index{Divergent geometry}
211 \subsubsection{Overview}
212 Next consider the case of equilinear (second generation) and equiangular
213 (third, fourth, and fifth generation) geometries. In these cases,
214 the x-ray beams diverge from a single source to a detector array.
215 In the equilinear mode, a single
216 source produces a fan beam which is read by a linear array of detectors.  If
217 the detectors occupy an arc of a circle, then the geometry is equiangular.
218 \latexonly{The configurations are shown in figure~\ref{divergentfig}.}
219 \begin{figure}
220 \image{10cm;0cm}{divergent.eps}
221 \caption{\label{divergentfig} Equilinear and equiangular geometries.}
222 \end{figure}
223
224
225 \subsubsection{Fan Beam Angle}
226 For these divergent beam geometries, the \emph{fan beam angle}
227 needs to be calculated. For real-world CT scanners, this is fixed
228 at the time of manufacture. \ctsim, however, calculates the
229 \emph{fan beam angle}, $\alpha$, from the \emph{scan diameter} and
230 the \emph{focal length} \latexignore{\\$$\emph{alpha = 2 x asin (
231 (Sd / 2) / f)}$$\\}
232 \latexonly{\begin{equation}\label{alphacalc}\alpha = 2 \sin^{-1}
233 ((s_d / 2) / f)\end{equation}
234  This is illustrated in figure~\ref{alphacalcfig}.}
235 \begin{figure}
236 \image{10cm;0cm}{alphacalc.eps}
237 \caption{\label{alphacalcfig} Calculation of $\alpha$}
238 \end{figure}
239
240
241 Empiric testing with \ctsim\ shows that for very large \emph{fan beam angles},
242 greater than approximately
243 \latexonly{$120^\circ$,}\latexignore{120 degrees,}
244 there are significant artifacts. The primary way to manage the
245 \emph{fan beam angle} is by varying the \emph{focal length} since the
246 \emph{scan diameter} by the size of the phantom.
247
248 To illustrate, the \emph{scan diameter} can be defined as
249 \latexonly{\begin{equation}s_d = s_r v_r p_d\end{equation}}
250 \latexignore{\\\centerline{\emph{Sd = Sr x Vr x Pd}}\\}
251
252 Further, $f$ can be defined as \latexonly{$$f = f_r (v_r p_d /
253 2)$$}\latexignore{\\$$F = FR x (VR x Pd)$$\\}
254
255 Substituting these equations into \latexignore{the above
256 equation,}\latexonly{equation~\ref{alphacalc},} We have,
257 \latexonly{
258 \begin{eqnarray}
259 \alpha &= 2\,\sin^{-1} \frac{s_r v_r p_d / 2}{f_r v_r (p_d / 2)} \nonumber \\
260 &= 2\,\sin^{-1} (s_r / f_r)
261 \end{eqnarray}
262 } \latexignore{\\\centerline{\emph{\alpha = 2 sin (Sr / Fr)}}\\}
263
264 Since in normal scanning $s_r$ = 1, $\alpha$ depends only upon the
265 \emph{focal length ratio}.
266
267 \subsubsection{Detector Array Size}
268 In general, you do not need to be concerned with the detector
269 array size. It is automatically calculated by \ctsim. For the
270 particularly interested, this section explains how the detector
271 array size is calculated.
272
273 For parallel geometry, the detector length is equal to the scan
274 diameter.
275
276 For divergent beam geometries, the size of the detector array also
277 depends upon the \emph{focal length}. Increasing the \emph{focal
278 length} decreases the size of the detector array while increasing
279 the \emph{scan diameter} increases the detector array size.
280
281 For equiangular geometry, the detectors are spaced around a circle
282 covering an angular distance of
283 \latexonly{$2\,\alpha$.}\latexignore{\emph{2 \alpha}.} The dotted
284 circle in
285 \begin{figure}
286 \image{10cm;0cm}{equiangular.eps}
287 \caption{\label{equiangularfig}Equiangular geometry}
288 \end{figure}
289 figure~\ref{equiangularfig} indicates the positions of the detectors in this case.
290
291 For equilinear geometry, the detectors are space along a straight
292 line. The length of the line depends upon
293 \latexonly{$\alpha$}\latexignore{\emph{alpha}} and the \emph{focal
294 length}. It is calculated as
295 \latexonly{\begin{equation}4\,f \tan (\alpha / 2)\end{equation}}
296 \latexignore{\\\centerline{\emph{4 x F x tan(\alpha/2)}}}
297 \begin{figure}\label{equilinearfig}
298 \image{10cm;0cm}{equilinear.eps}
299 \caption{\label{equilinearfig} Equilinear geometry}
300 \end{figure}
301 \latexonly{This geometry is shown in figure~\ref{equilinearfig}.}
302
303
304 \section{Reconstruction}\label{conceptreconstruction}\index{Reconstruction Overview}%
305
306 \subsection{Direct Inverse Fourier}
307 This method is not currently implemented in \ctsim, however it is
308 planned for a future release. This method does not give results as
309 accurate as filtered backprojection. The difference is due primarily
310 because interpolation occurs in the frequency domain rather than the
311 spatial domain.
312
313 \subsection{Filtered Backprojection}\index{Filtered backprojection}
314 The technique is comprised of two sequential steps:
315 filtering projections and then backprojecting the filtered projections. Though
316 these two steps are sequential, each view position can be processed individually.
317
318 \subsubsection{Multiple Computer Processing}
319 This parallelism is exploited in the MPI versions of \ctsim\ where the
320 data from all the views are spread about amongst all of the
321 processors. This has been testing in a 16-CPU cluster with excellent
322 results.
323
324 \subsubsection{Filter projections}
325 The first step in filtered backprojection reconstructions is the filtering
326 of each projection. The projections for a each view have their frequency data multipled by
327 a filter of $|w|$. \ctsim\ permits four different ways to accomplish this
328 filtering.
329
330 Two of the methods use convolution of the projection data with the
331 inverse Fourier transform of $|w|$. The other two methods perform an Fourier
332 transform of the projection data and multiply that by the $|w|$ filter and
333 then perform an inverse fourier transform.
334
335 Though multiplying by $|w|$ gives the sharpest reconstructions, in
336 practice, superior results are obtained by reducing the higher
337 frequencies. This is performed by mutiplying the $|w|$ filter by
338 another filter that attenuates the higher frequencies. \ctsim\ has
339 multiple filters for this purpose.
340
341 \subsubsection{Backprojection of filtered projections}
342 Backprojection is the process of ``smearing'' the filtered
343 projections over the reconstructing image. Various levels of
344 interpolation can be specified.
345
346 \section{Image Comparison}\index{Image comparison}
347 Images can be compared statistically. Three measurements can be calculated
348 by \ctsim. They are taken from the standard measurements used by
349 Herman\cite{HERMAN80}.
350 $d$ is the normalized root mean squared distance measure,
351 $r$ is the normalized mean absolute distance measure,
352 and $e$ is the worst case distance measure over a $2\times2$ area.
353
354 To compare two images, $A$ and $B$, each of which has $n$ columns and $m$ rows,
355 these values are calculated as below.
356
357
358 \latexonly{
359 \begin{equation}
360 d = \sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{n}{\sum_{j=1}^{m}{(A_{ij} - B_{ij})^2}}}
361                {\sum_{i=1}^{n}{\sum_{j=1}^{m}{(A_{ij} - A^{\_})^2}}}}
362 \end{equation}
363 \begin{equation}
364 r = \max(|A_{ij} - B{ij}|)
365 \end{equation}
366 }