發(fā)布時(shí)間：2018-01-09 00:21

  本文關(guān)鍵詞：X射線顯微成像焦深拓展的方法及應(yīng)用研究　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著德國(guó)科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后,由于其在顯微成像方面的優(yōu)勢(shì),X射線就被發(fā)展對(duì)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維高分辨無損的檢測(cè)。而且,隨著同步輻射光源的發(fā)展,微納加工技術(shù)的提升,高靈敏度的探測(cè)器的開發(fā),基于菲涅耳波帶片的X射線顯微成像技術(shù)的得到顯著的發(fā)展。其中,硬X射線顯微成像具有穿透能力強(qiáng)、成像焦深大、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn),在微電子產(chǎn)業(yè)、能源和環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。軟X射線顯微成像具有"水窗"波段的天然優(yōu)勢(shì),對(duì)生物細(xì)胞樣品成像具有天然的高襯度,能夠在生物細(xì)胞樣品保持"鮮活"狀態(tài)下觀測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)和形態(tài),已經(jīng)應(yīng)用于研究細(xì)胞機(jī)理,藥物和病毒的作用機(jī)理等諸多領(lǐng)域。X射線顯微成像在顯微成像方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),能夠填補(bǔ)介于光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡在空間分辨率的空白。隨著微納加工技術(shù)的提高和同步輻射的發(fā)展,X射線顯微成像的空間分辨率可以達(dá)到12nm。X射線顯微成像系統(tǒng)的焦深與系統(tǒng)的空間分辨率成正比,系統(tǒng)的空間分辨率越高,其焦深越小,當(dāng)樣品大于焦深時(shí),就出現(xiàn)離焦模糊的現(xiàn)象,影響成像的清晰度,影響X射線三維CT重構(gòu)數(shù)據(jù)。因此,拓展X射線顯微成像的焦深具有非常重要的意義�；赬射線顯微成像焦深拓展,本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的工作:1.總結(jié)了 X射線顯微成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特性,介紹了 X射線顯微成像的主要工作原理和其光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)和參數(shù),并通過舉例說明X射線顯微成像在各個(gè)應(yīng)用方面的的優(yōu)勢(shì)。硬X射線顯微成像在各個(gè)方面的應(yīng)用:對(duì)固體燃料電池的陽極的三維多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像,根據(jù)其結(jié)構(gòu)采用格子玻爾茲曼方法模擬計(jì)算氣體在燃料電池納米級(jí)尺度的運(yùn)輸過程,為優(yōu)化固體燃料電池的制備提供參考;對(duì)上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)型小鼠乳腺癌細(xì)胞進(jìn)行顯微成像,對(duì)癌細(xì)胞的細(xì)胞機(jī)理研究提供依據(jù);對(duì)有絲分裂的酵母細(xì)胞成像,得益于澤尼克相襯成像和細(xì)胞染色技術(shù),展現(xiàn)硬X射線顯微成像可以對(duì)生物大樣品高襯度成像。軟X射線在各個(gè)方面的應(yīng)用:對(duì)小鼠腺癌細(xì)胞進(jìn)行成像,觀測(cè)到腺癌細(xì)胞的多種細(xì)胞器的形態(tài)和分布,甚至能夠觀察到各種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)信息;結(jié)合熒光成像,對(duì)整個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)各個(gè)階段各種細(xì)胞器和細(xì)胞整體體積形態(tài)的變化進(jìn)行了研究;使用三維軟X射線斷層掃描,結(jié)合低溫?zé)晒?共聚焦顯微鏡和電子顯微鏡,分析單純皰疹病毒Ⅰ型(HSV-I)感染期間外周核染色質(zhì)的轉(zhuǎn)化;對(duì)人體干細(xì)胞進(jìn)行成像,分析了細(xì)胞亞組分的構(gòu)成和各個(gè)細(xì)胞器的體積密度,并計(jì)算和分析了各個(gè)細(xì)胞器線性吸收系數(shù)和占整個(gè)細(xì)胞的體積分?jǐn)?shù)。2.針對(duì)X射線顯微成像投影圖像特點(diǎn),研究了利用幾種融合算法分別對(duì)硬X射線顯微成像和軟X射線顯微成像的圖像堆棧投影圖像進(jìn)行圖像融合,并且發(fā)展了多種融合算法,包括基于離散小波變換的投影圖像融合算法,基于拉普拉斯金字塔投影圖像融合算法,基于圖像稀疏表示投影圖像融合算法,基于圖像稀疏表示-小波變換投影圖像融合算法,基于圖像稀疏表示-拉普拉斯變換投影圖像融合算法等,并且按照?qǐng)D像處理中編寫了五個(gè)對(duì)融合圖像的評(píng)價(jià)函數(shù),對(duì)這幾種投影圖像融合算法做出客觀的評(píng)價(jià)。當(dāng)X射線顯微成像投影融合后,便可以成為在焦清晰的投影,當(dāng)投影圖像都是清晰在焦的時(shí)候,整個(gè)三維CT重構(gòu)數(shù)據(jù)便清晰在焦的。3.針對(duì)X射線顯微成像投影圖像特點(diǎn)和光路特點(diǎn),提出了基于光學(xué)傳遞函數(shù)的離焦投影圖像恢復(fù)。根據(jù)X射線顯微成像系統(tǒng)的參數(shù)和物鏡波帶片的特點(diǎn),根據(jù)公式計(jì)算出X射線顯微成像在各個(gè)位置的光學(xué)傳遞函數(shù)。利用得到光學(xué)傳遞函數(shù)恢復(fù)離焦模糊的投影圖像,祛除模糊,得到清晰在焦的投影圖像。為了驗(yàn)證我們的方法,我們做出了模擬仿真和實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果證明了基于菲涅耳波帶片的光學(xué)傳遞函數(shù)的離焦恢復(fù)方法對(duì)于恢復(fù)離焦X射線投影和圖像3D重建是有效和可靠的,并提出了按照離焦距離區(qū)域分割方法,很好解決了樣品不在同一焦面的問題,克服了X射線成像焦深的限制。4.分析了基于投影圖像的融合算法焦深拓展的方法和基于光學(xué)傳遞函數(shù)投影恢復(fù)算法的焦深拓展存在的局限性,特別是在厚度較大樣品的焦深拓展問題上難以很好的解決,于是我們研究了X射線顯微成像的特點(diǎn),提出了一種基于三維CT重構(gòu)圖像的片層融合的焦深拓展方法,完美地解決了 X射線顯微成像焦深的限制問題。為了驗(yàn)證我們的算法,首先給出了模擬仿真,模擬了大于焦深圓柱體樣品和多個(gè)物體樣品投影成像,通過本文中的方法,解決了其焦深受限的問題,然后又通過硅藻細(xì)胞壁的實(shí)驗(yàn)成像,也能通過本文中的方法,獲得清晰在焦的二維重構(gòu)數(shù)據(jù),結(jié)果證明此方法真正意義解決了 X射線顯微成像焦深的限制問題。
[Abstract]:X - ray microscopy imaging has the advantages of strong penetrating ability , high imaging focal depth and high spatial resolution . In order to verify our method , the image fusion algorithm based on the image sparse representation - Laplacian transformation is presented , and the image fusion algorithm based on the image sparse representation - Laplacian transformation is developed .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP391.41;O434.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 玉振明,高飛;基于金字塔方法的圖像融合原理及性能評(píng)價(jià)[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究;2004年10期

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本文編號(hào)：1399287