不完整投影數(shù)據(jù)下X射線CT重構(gòu)算法研究.pdf

1、X射線繼發(fā)現(xiàn)之日起，就在成像領(lǐng)域取得了很廣泛的應(yīng)用。X射線的波長(zhǎng)非常短，同時(shí)又具有很強(qiáng)的穿透力，具有很好的應(yīng)用前景。以X射線為基礎(chǔ)的X射線顯微鏡的分辨率在光學(xué)和電子顯微鏡之間，很好的補(bǔ)充了他們之間的空白。近年來，隨著高精度光學(xué)元件加工技術(shù)的不斷提升，以及同步輻射實(shí)驗(yàn)裝置的引入和X射線光源性能的不斷改進(jìn)，使得X射線CT技術(shù)得到快速的發(fā)展進(jìn)入了納米階段。根據(jù)所使用的X射線波長(zhǎng)的不同，X射線納米CT可分為軟X射線和硬X射線納米CT。軟X射線納

2、米CT由于“水窗”波段的存在，對(duì)于生物樣品具有天然的襯度，成像時(shí)無需對(duì)樣品進(jìn)行脫水染色等額外處理步驟，保持了樣品的原始性，因此很好的應(yīng)用在了生物機(jī)理、藥物研究、環(huán)境等領(lǐng)域。而硬X射線納米CT因?yàn)槠浜軓?qiáng)的穿透力、大焦深等優(yōu)勢(shì)，非常適合材料等樣品的無損原位檢測(cè)，也在材料科學(xué)、能源、微電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
　　納米CT系統(tǒng)首先采集到的是樣品的二維投影信息，為了得到準(zhǔn)確清晰的樣品三維結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過三維重構(gòu)的過程。好的重構(gòu)質(zhì)量得到的樣品

3、的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息更加準(zhǔn)確可靠，也為后續(xù)的研究提供了良好的基礎(chǔ)。然而由于設(shè)備，樣品以及實(shí)驗(yàn)條件等諸多因素的影響，實(shí)際的X射線CT過程中很難獲得完整的樣品投影數(shù)據(jù)。對(duì)于不完整的投影數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的重構(gòu)算法的效果往往不太理想，限制了X射線CT的應(yīng)用和發(fā)展。本文結(jié)合國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)的軟X射線成像站的特點(diǎn)，做出了以下幾個(gè)方面的工作:
　　1、總結(jié)了X射線成像的發(fā)展以及CT設(shè)備的發(fā)明和發(fā)展歷程，介紹了X射線CT發(fā)展進(jìn)入納米階段過程中的主要光學(xué)元件以

4、及同步輻射光源，同時(shí)介紹了軟X射線納米CT與硬X射線納米CT的工作原理以及應(yīng)用的領(lǐng)域。選取了幾個(gè)典型的例子展現(xiàn)了X射線納米CT具有的優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)我們還分析了X射線納米CT目前所面臨的問題，包括:投影角度稀疏、投影角度受限、噪聲等以及這些問題產(chǎn)生的原因。
　　2、研究了CT成像的基本原理，包括投影的產(chǎn)生以及不同的成像方式的介紹，和CT重構(gòu)中的中心切片定理的介紹。比較了傳統(tǒng)的變換重構(gòu)算法以及代數(shù)重構(gòu)算法的原理，分析了不同傳統(tǒng)

5、重構(gòu)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)它們?cè)谕队皵?shù)據(jù)不完整的情況下進(jìn)行了重構(gòu)比較。
　　3、研究了新型的等斜率重構(gòu)算法以及全變分重構(gòu)算法的原理，并對(duì)其應(yīng)用作了簡(jiǎn)單介紹。分析了新型算法的特點(diǎn)后，為了彌補(bǔ)等斜率算法的不足，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上提出了基于全變分的等斜率重構(gòu)算法，并通過大量的模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較，確定了改進(jìn)后算法中各項(xiàng)參數(shù)的值。
　　4、為了驗(yàn)證改進(jìn)后的TV-EST算法的性能，我們進(jìn)行了一系列模擬實(shí)驗(yàn)，包括:投影角度稀疏、投影角度受限、噪聲

6、以及綜合情況，并比較了濾波反投影算法、等斜率重構(gòu)算法以及改進(jìn)后的算法的性能，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的算法重構(gòu)質(zhì)量最好。另外，我們也比較了這些算法的重構(gòu)時(shí)間，研究了它們的迭代收斂過程，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的算法收斂速度也有所改善。
　　5、針對(duì)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室軟X射線納米CT的特點(diǎn)，我們分別選取了羥基磷灰石和酵母細(xì)胞進(jìn)行了軟X射線納米CT成像，并對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行了重構(gòu)以及三維分割渲染。同時(shí)為了證實(shí)我們改進(jìn)后算法的性能，我們也通過計(jì)算羥基磷灰石的直徑以及劃