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,X射線就被發(fā)展對樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行三維高分辨無損的檢測。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、成像焦深大、空間分辨率高等優(yōu)點,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,對生物細胞樣品成像具有天然的高襯度,能夠在生物細胞樣品保持"鮮活"狀態(tài)下觀測樣品的結(jié)構(gòu)和形態(tài),已經(jīng)應(yīng)用于研究細胞機理,藥物和病毒的作用機理等諸多領(lǐng)域。X射線顯微成像在顯微成像方面具有獨特的優(yōu)勢,能夠填補介于光學(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,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方面的工作:1.總結(jié)了 X射線顯微成像技術(shù)的優(yōu)勢和特性,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應(yīng)用方面的的優(yōu)勢。硬X射線顯微成像在各個方面的應(yīng)用:對固體燃料電池的陽極的三維多孔結(jié)構(gòu)進行成像,根據(jù)其結(jié)構(gòu)采用格子玻爾茲曼方法模擬計算氣體在燃料電池納米級尺度的運輸過程,為優(yōu)化固體燃料電池的制備提供參考;對上皮細胞間質(zhì)轉(zhuǎn)型小鼠乳腺癌細胞進行顯微成像,對癌細胞的細胞機理研究提供依據(jù);對有絲分裂的酵母細胞成像,得益于澤尼克相襯成像和細胞染色技術(shù),展現(xiàn)硬X射線顯微成像可以對生物大樣品高襯度成像。軟X射線在各個方面的應(yīng)用:對小鼠腺癌細胞進行成像,觀測到腺癌細胞的多種細胞器的形態(tài)和分布,甚至能夠觀察到各種亞細胞結(jié)構(gòu)的細節(jié)信息;結(jié)合熒光成像,對整個細胞周期內(nèi)各個階段各種細胞器和細胞整體體積形態(tài)的變化進行了研究;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;對人體干細胞進行成像,分析了細胞亞組分的構(gòu)成和各個細胞器的體積密度,并計算和分析了各個細胞器線性吸收系數(shù)和占整個細胞的體積分數(shù)。2.針對X射線顯微成像投影圖像特點,研究了利用幾種融合算法分別對硬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,并且按照圖像處理中編寫了五個對融合圖像的評價函數(shù),對這幾種投影圖像融合算法做出客觀的評價。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候,整個三維CT重構(gòu)數(shù)據(jù)便清晰在焦的。3.針對X射線顯微成像投影圖像特點和光路特點,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,根據(jù)公式計算出X射線顯微成像在各個位置的光學(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。為了驗證我們的方法,我們做出了模擬仿真和實驗分析,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,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,然后又通過硅藻細胞壁的實驗成像,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】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41;O434.1

【參考文獻】

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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價[J];計算機應(yīng)用研究;2004年10期

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本文編號：1399287