發(fā)布時(shí)間：2017-12-22 19:45

  本文關(guān)鍵詞：基于單色光的X射線動(dòng)態(tài)顯微CT研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：X射線動(dòng)態(tài)顯微CT(Computed Tomography)在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域里三維顯微結(jié)構(gòu)演化的原位、無(wú)損研究中具有重要應(yīng)用。國(guó)際上動(dòng)態(tài)CT采用的照明方式通常是同步輻射白光或高亮度Undulator光源,但面臨著定量信息缺失或者輻射劑量大的缺陷。為了獲取樣品定量信息,可以采用單色光照明下的X射線相位襯度CT(X-ray Phase contrast Computed Tomography,XPCT)方法,特別適合于低Z元素的成像。但是單色光通量相對(duì)較低,CT數(shù)據(jù)采集通常需要十?dāng)?shù)分鐘,限制了其在研究樣品動(dòng)態(tài)過(guò)程中的應(yīng)用。為了提高CT時(shí)間分辨率同時(shí)保持采集數(shù)據(jù)的信噪比,本文采用降低投影數(shù)目的辦法,同時(shí)采用基于壓縮感知理論的迭代算法保持圖像重建質(zhì)量。結(jié)合代數(shù)重建法和全變分約束(ART-TV)模型,獲得了欠采樣條件下較好的重建效果。針對(duì)動(dòng)態(tài)CT采集效率高的特點(diǎn),提出高效OSEM-TV(Ordered Subset Expectation Maximization-TV)重建算法,相較于ART-TV重建速度提升一個(gè)量級(jí)。最后搭建了2 Hz時(shí)間分辨動(dòng)態(tài)CT實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究了昆蟲呼吸特點(diǎn)。本研究工作致力于在上海光源生物醫(yī)學(xué)線站(BL13W)開展基于單色X射線動(dòng)態(tài)CT方法及其應(yīng)用研究,取得了以下幾個(gè)方面的成果:1.建立和發(fā)展了低采樣CT數(shù)據(jù)重建算法。通過(guò)結(jié)合代數(shù)重建法和全變分約束,較高質(zhì)量重建了樣品信息。針對(duì)該算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,原位活體螞蟻實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了17秒的CT數(shù)據(jù)采集速度。分析結(jié)果表明結(jié)合相位恢復(fù)和ART-TV算法,螞蟻內(nèi)部定量相位信息得以較高質(zhì)量重建;相較于濾波反投影(Filtered Back Projection,FBP)算法,ART-TV算法大大抑制了低采樣頻率造成的條狀偽影現(xiàn)象,有效重建了活體螞蟻的三維結(jié)構(gòu)。研究表明ART-TV結(jié)合XPCT技術(shù)可以在欠采樣條件下,高質(zhì)量重建樣品的定量信息。同時(shí)可以有效提高CT數(shù)據(jù)的采集效率、降低樣品所受輻射,有利于CT技術(shù)在樣品動(dòng)態(tài)特性研究方面的應(yīng)用。2.建立和發(fā)展了少投影CT數(shù)據(jù)的高效、高質(zhì)量重建方法,解決了動(dòng)態(tài)顯微CT海量數(shù)據(jù)快速重建的關(guān)鍵技術(shù)。ART-TV算法面臨著數(shù)據(jù)重建時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問題,與動(dòng)態(tài)CT高速數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)相矛盾。為了提高重建速度,利用統(tǒng)計(jì)迭代算法OSEM取代ART作為數(shù)據(jù)約束項(xiàng)。理論模擬表明在不同噪聲強(qiáng)度下,OSEM-TV算法可以獲得與ART-TV算法圖像質(zhì)量相當(dāng)?shù)闹亟ńY(jié)果,但重建速度提升了一個(gè)量級(jí)。同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品和活體樣本開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在最優(yōu)投影數(shù)目和曝光時(shí)間下,OSEM-TV算法單幅圖像重建時(shí)間在若干分鐘,相較于ART-TV加速比達(dá)到30左右。更進(jìn)一步通過(guò)CUDA(Compute Unified Device Architecture)并行計(jì)算技術(shù),將重建時(shí)間縮減至兩分鐘以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)顯微CT的高效重建。3.將單色光顯微CT技術(shù)用于昆蟲呼吸特性研究,首次原位揭示了昆蟲活體氣囊收縮的各向異性。搭建了一個(gè)2 Hz時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)顯微CT實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分析活體昆蟲呼吸特性。實(shí)驗(yàn)上獲取并定量分析了活體昆蟲呼吸時(shí)其氣囊三維結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化。各向異性收縮有利于氣體在氣管內(nèi)的流動(dòng),加大氣體交換效率。該項(xiàng)研究加深了對(duì)昆蟲呼吸特性的理解,為昆蟲研究提供了新的知識(shí)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O434.19

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本文編號(hào)：1320790