角度受限下納米CT圖像處理及三維重構(gòu)算法研究.pdf

1、近些年，隨著X射線光源性能的不斷進(jìn)步，高靈敏度、高穩(wěn)定性的X射線探測(cè)器的開發(fā)，微納米級(jí)X射線光學(xué)元件加工技術(shù)的提升，精密機(jī)械平臺(tái)及控制系統(tǒng)的使用，基于波帶片的X射線顯微成像結(jié)合傳統(tǒng)CT方法得到的納米CT成像技術(shù)得到顯著地發(fā)展。其中，硬X射線納米CT具有強(qiáng)穿透能力、大焦深、高分辨、無需真空環(huán)境、包含多種材料吸收邊、三維成像等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在材料科學(xué)、微電子產(chǎn)業(yè)、環(huán)境工程、能源科學(xué)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。軟X射線納米CT對(duì)于生物樣品具有天然的高

2、襯度、能夠保持樣品“鮮活”時(shí)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)等特性，已經(jīng)應(yīng)用于藥物研發(fā)、細(xì)胞機(jī)理、納米顆粒等諸多領(lǐng)域。因此納米CT成像技術(shù)具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠彌補(bǔ)電鏡、光學(xué)顯微鏡等其它顯微成像手段的一些不足。
　　納米CT系統(tǒng)采集的投影數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維重構(gòu)、圖像分割、后處理分析計(jì)算等一系列的處理步驟，最終才能得到準(zhǔn)確、清晰、有意義的信息。投影圖像的預(yù)處理是后續(xù)系列處理步驟的前期準(zhǔn)備，需要校正采集的數(shù)據(jù)中存在的壞點(diǎn)、亮度不均勻、投影間光強(qiáng)不

3、相等、噪聲、轉(zhuǎn)軸偏差等。而三維重構(gòu)是納米CT應(yīng)用過程的最關(guān)鍵步驟，是把疊加的信息分離的過程，良好的圖像重構(gòu)質(zhì)量能真實(shí)反映樣品三維結(jié)構(gòu)信息，也是進(jìn)行后處理計(jì)算的前提。然而，三維重建常常面臨投影數(shù)據(jù)不完備的難題，在納米CT數(shù)據(jù)重建中，經(jīng)常遇到投影角度受限的情況，因此迫切需要發(fā)展合適的重構(gòu)算法加以解決。國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室于2007年左右建成了一臺(tái)硬X射線納米CT設(shè)備，隨后又建設(shè)了軟X射線納米CT設(shè)備，本論文結(jié)合平臺(tái)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，開展了以下幾方面

4、的工作:
　　1.總結(jié)了X射線納米顯微成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特性，并分別綜述了硬X射線納米CT和軟X射線納米CT的工作原理及主要光學(xué)元件的原理與參數(shù)。選擇了幾個(gè)典型例子來說明硬X射線納米CT具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì):對(duì)硅酸鋅納米棒自組裝催化劑顆粒成像，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與缺陷能夠清晰呈現(xiàn)，這是電鏡等其它成像手段所不能的;對(duì)鋰離子電池中的氧化銅電極進(jìn)行鋰化-反鋰化過程原位動(dòng)態(tài)成像，氧化銅顆粒等隨電池充放電過程的變化被清晰記錄;對(duì)有絲分裂的酵母細(xì)胞成像，體現(xiàn)了

5、相襯成像模式下，硬X射線納米CT對(duì)生物大樣品能成高襯度像的能力。為了展示軟X射線納米CT的應(yīng)用價(jià)值，我們分別選取了牛痘病毒感染細(xì)胞、瘧原蟲感染紅細(xì)胞、藥物對(duì)細(xì)胞的作用、免疫金標(biāo)記的干細(xì)胞、微凝膠顆粒與油滴顆粒相互作用等進(jìn)行成像的例子，同時(shí)還列舉了其與熒光顯微鏡聯(lián)合成像，以及應(yīng)用于近邊X射線吸收光譜成像等來體現(xiàn)軟X射線納米CT目前的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　2.發(fā)展了多種納米CT圖像預(yù)處理算法。對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的預(yù)處理，提出了基于金顆粒點(diǎn)

6、軌跡追蹤、中心骨架提取，并進(jìn)行中心骨架的正弦曲線預(yù)估與位移校正，來達(dá)到轉(zhuǎn)軸自動(dòng)校正的目標(biāo);根據(jù)投影數(shù)據(jù)特點(diǎn)，在單幅投影光強(qiáng)均衡化的基礎(chǔ)上，提出了不同投影間光強(qiáng)均衡的方法，使得所有投影更加均勻;針對(duì)投影中空白部分（背景）進(jìn)行閾值濾波，減少誤差，達(dá)到背景“干凈”的目標(biāo)，為三維重構(gòu)、后期分析處理等打下良好基礎(chǔ)。
　　3.研究CT成像的基本原理，分析比較了傳統(tǒng)濾波反投影算法和迭代重構(gòu)算法的特點(diǎn)及不足;并分析了納米CT成像數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究了能

7、突破奈奎斯特采樣定理的壓縮感知理論。在此基礎(chǔ)上，我們改進(jìn)并發(fā)展了適用于納米CT數(shù)據(jù)的基于全變分的納米CT重構(gòu)算法。并通過一系列模擬數(shù)據(jù)來對(duì)比在投影中含有噪聲，以及投影角度稀疏、投影角度受限等數(shù)據(jù)不完備情況下，算法與傳統(tǒng)重構(gòu)算法的重構(gòu)效果好壞;還對(duì)硬X射線納米CT上采集的投影角度受限的酵母細(xì)胞數(shù)據(jù)，及從軟X射線納米CT上采集的投影角度受限的碳納米管數(shù)據(jù)分別采用基于全變分的納米CT重構(gòu)算法與傳統(tǒng)重構(gòu)算法進(jìn)行了重構(gòu)并對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)前者優(yōu)勢(shì)明顯

8、。
　　4.針對(duì)納米CT、工業(yè)CT、電鏡等斷層成像中經(jīng)常遇到的離散樣品重構(gòu)問題，本文在充分研究分析了現(xiàn)有的離散斷層重構(gòu)算法的基礎(chǔ)上，著力于解決現(xiàn)有算法對(duì)樣品灰度先驗(yàn)知識(shí)的過分依賴，以及當(dāng)圖像灰度數(shù)量增多時(shí)，重構(gòu)質(zhì)量下降明顯的問題。本文提出了一種以每個(gè)單獨(dú)區(qū)域作為一個(gè)研究對(duì)象的多灰度圖像離散斷層重構(gòu)算法，算法繼承了離散斷層重構(gòu)算法對(duì)投影角度受限強(qiáng)耐受力等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還避免了對(duì)圖像灰度先驗(yàn)知識(shí)的依賴等劣勢(shì)。通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的穩(wěn)