r520: no message
[ctsim.git] / doc / ctsim-concepts.tex
1 \chapter{Concepts}\index{Concepts}%
2 \setheader{{\it CHAPTER \thechapter}}{}{}{}{}{{\it CHAPTER \thechapter}}%
3 \setfooter{\thepage}{}{}{}{\small Version 0.2}{\thepage}%
4
5 \section{Overview}\label{conceptoverview}\index{Concepts,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. This reconstruction can then be statistically compared to
12 the original phantom object.
13
14 In order to use \ctsim\ effectively, some knowledge of how \ctsim\ works
15 and the approach taken is required. \ctsim\ deals with a variety of
16 object, but the two objects we need to be concerned with are the
17 \emph{phantom} and the \emph{scanner}.
18
19 \section{Phantoms}\label{conceptphantom}\index{Concepts,Phantoms}%
20 \subsection{Overview}\label{phantomoverview}\index{Concepts,Phantoms,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, 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{Concepts,Phantoms,File}
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{}, \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{Concepts,Phantoms,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 radius of
74 the circle. Segments start with the center of the chord located at
75 \texttt{(0,0)} and the chord horizontal. The half-width of the chord
76 is set by \texttt{dx}.  The portion of an circle lying below the chord
77 is then added. The imaginary center of this circle is located at
78 \texttt{(0,-dy)}. The segment is then rotated by \texttt{r} and then
79 translated by \texttt{cx,cy}.
80
81 \subsubsection{sector}
82 Sectors are the like a ``pie slice'' from a circle. The radius of the
83 circle is set by \texttt{dy}. Sectors are
84 defined similarly to segments. In this case, though, a chord is not
85 drawn.  Instead, the lines are drawn from the origin of the circle
86 \texttt{(0,-dy)} to the points \texttt{(-dx,0)} and \texttt{(dx,0)}.
87 The perimeter of the circle is then draw between those two points
88 below the x-axis. The sector is then rotated and translated the same
89 as a segment.
90
91 \subsection{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{Concepts,Scanner}%
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 from the size of the
110 phantom being scanned. This is because \ctsim\ allows for statistical
111 comparisons between the original phantom image and it's reconstructions.
112 Since CT scanners scan a circular area, the first important
113 variable is the diameter of the circle surround the phantom, or the
114 \emph{phantom diameter}. Remember, as mentioned above, the
115 phantom dimensions are also padded by 1\%.
116
117 The other important geometry variables for scanning objects are the
118 \emph{view ratio}, \emph{scan ratio}, and \emph{focal length ratio}.
119 These variables are all input into \ctsim\ in terms of ratios rather
120 than absolute values.
121
122 \subsubsection{Phantom Diameter}
123 \begin{figure}
124 $$\image{5cm;0cm}{scangeometry.eps}$$
125 \caption{Phantom Geometry}
126 \end{figure}
127 The phantom diameter is automatically calculated by \ctsim\ from the
128 phantom definition. The maximum of the phantom length and height is
129 used to define the square that completely surrounds the phantom. Let
130 \latexonly{$p_l$}\latexignore{\emph{Pl}}
131 be the width and height of this square. The diameter of this boundary box,
132 \latexonly{$p_d$,}\latexignore{\emph{Pd},}
133 \rtfsp is then
134 \latexignore{\\$$\emph{Pl x sqrt(2)}$$\\}
135 \latexonly{$$p_d = p_l \sqrt{2}$$}
136 CT scanners actually collect projections around a circle rather than a
137 square. The diameter of this circle is also the diameter of the boundary
138 square
139 \latexonly{$p_d$.}\latexignore{\rtfsp\emph{Pd}.}
140 These relationships are diagrammed in figure 2.1.
141
142 \subsubsection{View Diameter}
143 The \emph{view diameter} is the area that is being processed
144 during scanning of phantoms as well as during rasterization of
145 phantoms. By default, the \emph{view diameter} \rtfsp is set equal
146 to the \emph{phantom diameter}. It may be useful, especially for
147 experimental reasons, to process an area larger (and maybe even
148 smaller) than the phantom. Thus, during rasterization or during
149 projections, \ctsim\ will ask for a \emph{view ratio},
150 \latexonly{$v_r$.}\latexignore{\rtfsp \emph{VR}.} The \emph{view
151 diameter} is then calculated as \latexonly{$$v_d = p_d
152 v_r$$}\latexignore{\\$$\emph{Vd = Pd x VR}$$}
153
154 By using a
155 \latexonly{$v_r$}\latexignore{\emph{VR}}
156 less than 1, \ctsim\ will allow
157 for a \emph{view diameter} less than
158 \emph{phantom diameter}.
159 This will lead to significant artifacts. Physically, this would
160 be impossible and is analagous to inserting an object into the CT
161 scanner that is larger than the scanner itself!
162
163 \subsubsection{Scan Diameter}
164 By default, the entire \emph{view diameter} is scanned. For
165 experimental purposes, it may be desirable to scan an area either
166 larger or smaller than the \emph{view diameter}. Thus, the concept
167 of \emph{scan ratio}, \latexonly{$s_r$,}\latexignore{\emph{SR},}
168 is born. The scan diameter
169 \latexonly{$s_d$}\latexignore{\emph{Sd}} is the diameter over
170 which x-rays are collected and is defined as \latexonly{$$s_d =
171 v_d s_r$$}\latexignore{\\$$\emph{Sd = Vd x SR}$$\\} By default and
172 for all ordinary scanning, the \emph{scan ratio} is to \texttt{1}.
173 If the \emph{scan ratio} is less than \texttt{1}, you can expect
174 significant artifacts.
175
176 \subsubsection{Focal Length}
177 The \emph{focal length},
178 \latexonly{$f$,}\latexignore{\emph{F},}
179 is the distance of the X-ray source to the center of
180 the phantom. The focal length is set as a ratio,
181 \latexonly{$f_r$,}\latexignore{\emph{FR},}
182 of the view radius. Focal length is
183 calculated as
184 \latexonly{$$f = (v_d / 2) f_r$$}\latexignore{\\$$\emph{F = (Vd / 2) x FR}$$}
185
186 For parallel geometry scanning, the focal length doesn't matter.
187 However, divergent geometry scanning (equilinear and equiangular),
188 the \emph{focal length ratio} should be set at \texttt{2} or more
189 to avoid artifacts. Moreover, a value of less than \texttt{1},
190 though it can be given to \ctsim, is physically impossible and it
191 analagous to have having the x-ray source with the \emph{view
192 diameter}.
193
194
195 \subsection{Parallel Geometry}\label{geometryparallel}\index{Concepts,Scanner,Geometries,Parallel}
196
197 As mentioned above, the focal length is not used in this simple
198 geometry. The detector array is set to be the same size as the
199 \emph{scan diameter}.  For optimal scanning in this geometry, the
200 \emph{scan diameter} should be equal to the \emph{phantom
201 diameter}. This is accomplished by using the default values of
202 \texttt{1} for the \emph{view ratio} and the \emph{scan ratio}. If
203 values of less than \texttt{1} are used for these two variables,
204 significant distortions will occur.
205
206
207 \subsection{Divergent Geometries}\label{geometrydivergent}\index{Concepts,Scanner,Geometries,Divergent}
208 \subsubsection{Overview}
209 Next consider the case of equilinear (second generation) and equiangular
210 (third, fourth, and fifth generation) geometries. In these cases,
211 the x-ray beams diverge from a single source to a detector array.
212 In the equilinear mode, a single
213 source produces a fan beam which is read by a linear array of detectors.  If
214 the detectors occupy an arc of a circle, then the geometry is equiangular.
215 See figure 2.2.
216 \begin{figure}
217 \image{10cm;0cm}{divergent.eps}
218 \caption{Equilinear and equiangular geometries.}
219 \end{figure}
220
221
222 \subsubsection{Fan Beam Angle}
223 For these divergent beam geometries, the \emph{fan beam angle}
224 needs to be calculated. For real-world CT scanners, this is fixed
225 at the time of manufacture. \ctsim, however, calculates the
226 \emph{fan beam angle}, $\alpha$, from the \emph{scan diameter} and
227 the \emph{focal length} \latexignore{\\$$\emph{alpha = 2 x asin (
228 (Sd / 2) / f)}$$\\}
229 \latexonly{\begin{equation}\label{alphacalc}\alpha = 2 \sin^{-1}
230 ((s_d / 2) / f)\end{equation}} This is illustrated in figure 2.3.
231 \begin{figure}
232 \image{10cm;0cm}{alphacalc.eps}
233 \caption{Calculation of $\alpha$}
234 \end{figure}
235
236
237 Empiric testing with \ctsim\ shows that for very large \emph{fan beam angles},
238 greater than approximately
239 \latexonly{$120^\circ$,}\latexignore{120 degrees,}
240 there are significant artifacts. The primary way to manage the
241 \emph{fan beam angle} is by varying the \emph{focal length} since the
242 \emph{scan diameter} by the size of the phantom.
243
244 To illustrate, the \emph{scan diameter} can be defined as
245 \latexonly{$$s_d = s_r v_r p_d$$}\latexignore{\\$$Sd = Sr x Vr x Pd$$\\}
246
247 Further, $f$ can be defined as \latexonly{$$f = f_r (v_r p_d /
248 2)$$}\latexignore{\\$$F = FR x (VR x Pd)$$\\}
249
250 Substituting these equations into \latexignore{the above
251 equation,}\latexonly{equation~\ref{alphacalc},} We have,
252 \latexonly{
253 \begin{eqnarray}
254 \alpha &= 2\,\sin^{-1} \frac{s_r v_r p_d / 2}{f_r v_r (p_d / 2)} \nonumber \\
255 &= 2\,\sin^{-1} (s_r / f_r)
256 \end{eqnarray}
257 } \latexignore{\\$$\alpha = 2 sin (Sr / Fr$$\\}
258
259 Since in normal scanning $s_r$ = 1, $\alpha$ depends only upon the
260 \emph{focal length ratio}.
261
262 \subsubsection{Detector Array Size}
263 In general, you do not need to be concerned with the detector
264 array size. It is automatically calculated by \ctsim. For those
265 interested, this section explains how the detector array size is
266 calculated.
267
268 For parallel geometry, the detector length is equal to the scan
269 diameter.
270
271 For divergent beam geometries, the size of the detector array also
272 depends upon the \emph{focal length}. Increasing the \emph{focal
273 length} decreases the size of the detector array while increasing
274 the \emph{scan diameter} increases the detector array size.
275
276 For equiangular geometry, the detectors are spaced around a circle
277 covering an angular distance of
278 \latexonly{$2\,\alpha$.}\latexignore{\emph{2 \alpha}.} The dotted
279 circle in
280 \begin{figure}
281 \image{10cm;0cm}{equiangular.eps}
282 \caption{Equiangluar geometry}
283 \end{figure}
284 figure 2.4 indicates the positions of the detectors in this case.
285
286 For equilinear geometry, the detectors are space along a straight
287 line. The length of the line depends upon
288 \latexonly{$\alpha$}\latexignore{\emph{alpha}} and the \emph{focal
289 length}. It is calculated as \latexonly{$4\,f \tan (\alpha / 2)$}
290 \latexignore{\emph{4 x F x tan(\alpha/2)}}
291 \begin{figure}
292 \image{10cm;0cm}{equilinear.eps}
293 \caption{Equilinear geometry}
294 \end{figure}
295 An example of the this geometry is in figure 2.5.
296
297
298 \subsubsection{Examples of Geometry Settings}
299
300
301 \section{Reconstruction}\label{conceptreconstruction}\index{Concepts,Reconstruction}%
302 \subsection{Overview}
303 \subsection{Direct Inverse Fourier}
304 This method is not currently implemented in \ctsim, however it is
305 planned for a future release. This method does not give results as
306 accurate as filtered backprojection. The difference is due primarily
307 because interpolation occurs in the frequency domain rather than the
308 spatial domain.
309
310 \subsection{Filtered Backprojection}
311 The technique is comprised of two sequential steps:
312 filtering projections and then backprojecting the filtered projections. Though
313 these two steps are sequential, each view position can be processed individually.
314
315 \subsubsection{Multiple Computer Processing}
316 This parallelism is exploited in the MPI versions of \ctsim\ where the
317 data from all the views are spread about amongst all of the
318 processors. This has been testing in a 16-CPU cluster with good
319 results.
320
321 \subsubsection{Filter projections}
322 The projections for a single view have their frequency data multipled by
323 a filter of $|w|$. \ctsim\ permits four different ways to accomplish this
324 filtering.
325
326 Two of the methods use convolution of the projection data with the
327 inverse Fourier transform of $|w|$. The other two methods perform an Fourier
328 transform of the projection data and multiply that by the $|w|$ filter and
329 then perform an inverse fourier transform.
330
331 Though multiplying by $|w|$ gives the sharpest reconstructions, in
332 practice, superior results are obtained by reducing the higher
333 frequencies. This is performed by mutiplying the $|w|$ filter by
334 another filter that attenuates the higher frequencies. \ctsim\ has
335 multiple filters for this purpose.
336
337 \subsubsection{Backprojection of filtered projections}
338 Backprojection is the process of ``smearing'' the filtered
339 projections over the reconstructing image. Various levels of
340 interpolation can be specified.