本文關(guān)鍵詞：不完整投影數(shù)據(jù)下X射線CT重構(gòu)算法研究　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：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射線的波長非常短,同時又具有很強(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,以及同步輻射實驗裝置的引入和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射線納米CT由于"水窗"波段的存在,對于生物樣品具有天然的襯度,成像時無需對樣品進(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因為其很強(qiáng)的穿透力、大焦深等優(yōu)勢,非常適合材料等樣品的無損原位檢測,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,樣品以及實驗條件等諸多因素的影響,實際的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)合國家同步輻射實驗的軟X射線成像站的特點,做出了以下幾個方面的工作: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)元件以及同步輻射光源,同時介紹了軟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。選取了幾個典型的例子展現(xiàn)了 X射線納米CT具有的優(yōu)勢以及應(yīng)用價值。同時我們還分析了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)重構(gòu)算法的優(yōu)缺點,并對它們在投影數(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,并對其應(yīng)用作了簡單介紹。分析了新型算法的特點后,為了彌補(bǔ)等斜率算法的不足,我們在此基礎(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驗的結(jié)果比較,確定了改進(jìn)后算法中各項參數(shù)的值。4、為了驗證改進(jìn)后的TV-EST算法的性能,我們進(jìn)行了一系列模擬實驗,包括:投影角度稀疏、投影角度受限、噪聲以及綜合情況,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、針對國家同步輻射實驗室軟X射線納米CT的特點,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,并對成像結(jié)果進(jìn)行了重構(gòu)以及三維分割渲染。同時為了證實我們改進(jìn)后算法的性能,我們也通過計算羥基磷灰石的直徑以及劃分酵母細(xì)胞的不同細(xì)胞器等后續(xù)研究工作進(jìn)一步展示了改進(jìn)后算法的優(yōu)秀性能,為納米CT的重構(gòu)算法提供了一個新的選擇。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41;O434.1

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本文編號：1315168