納米CT三維圖像處理分析方法及其應(yīng)用的研究.pdf

1、在發(fā)現(xiàn)X射線之后，科學(xué)家們就迅速發(fā)展了X射線成像。由于X射線具有波長短和穿透性強(qiáng)兩個(gè)顯著特點(diǎn)，是高分辨無損觀測厚樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最佳方法，因此在工業(yè)和醫(yī)學(xué)上一直得到廣泛的應(yīng)用。近30年來，由于性能越來越好的同步輻射光源的發(fā)展，以及高速度、高靈敏度X射線探測器、高精度控制系統(tǒng)和微納加工工藝的進(jìn)步，結(jié)合了傳統(tǒng)CT 技術(shù)的納米CT 成像技術(shù)得到迅速發(fā)展。
　　 國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了一條基于旋轉(zhuǎn)橢球聚焦鏡和波帶片的納米CT 成像線站，

2、空間分辨率達(dá)到了50 nm，并且具有澤尼克相位成像能力。該納米CT 技術(shù)在微電子產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、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)用前景?；诖藢?shí)驗(yàn)平臺(tái)，本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的工作：
　　 1.納米CT 成像線站的建設(shè)、調(diào)試及性能測試介紹了納米CT 成像光束線和實(shí)驗(yàn)站的主要工作原理及各主要光學(xué)器件的設(shè)計(jì)參數(shù)；參與了成像實(shí)驗(yàn)站實(shí)際硬件及軟件的建設(shè)、調(diào)試工作，得到了成像系統(tǒng)的分辨率、襯度、CT 成像能力等幾項(xiàng)重要成

3、像性能測試結(jié)果。結(jié)果表明系統(tǒng)的各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。
　　 2.基于現(xiàn)有平臺(tái)發(fā)展了對(duì)大樣品成像的實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)現(xiàn)有平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)特點(diǎn)推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)矯正算法，以保證在CT圖像采集的過程中讓感興趣的樣品區(qū)域一直保持在視場中央?；诖顺C正算法，發(fā)展了兩種不同的對(duì)大樣品成像的實(shí)驗(yàn)方法：Mosaic-CT 算法和三維圖像拼接算法，并利用現(xiàn)有控制軟件的腳本接口設(shè)計(jì)了相應(yīng)的CT數(shù)據(jù)采集與處理模塊。通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證并比較了這兩種大樣品

4、成像的實(shí)驗(yàn)方法，分析了它們的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。這些結(jié)果表明，大樣品成像方式將對(duì)某些大樣品提供獲取它們完整三維結(jié)構(gòu)的可能性，對(duì)已有的普通CT 成像方式是一種很好的擴(kuò)展。
　　 3.發(fā)展了一系列納米CT 三維圖像處理分析技術(shù)基于納米CT 實(shí)驗(yàn)站及各種研究樣品的特點(diǎn)，發(fā)展了一系列相應(yīng)的三維圖像處理分析方法。
　　 提出了圖像預(yù)處理的幾個(gè)重要算法，提高了原始投影圖像質(zhì)量。包括研究了原始數(shù)據(jù)的文件接口及圖像的讀寫方式；根據(jù)現(xiàn)有的一種影響

5、最大的隨機(jī)噪音提出了相應(yīng)的迭代除噪算法，有效地去除了噪音并保留了樣品的細(xì)節(jié)特征；提出了一種頻域增強(qiáng)算法，以保證在某些用普通扣除背景光照方法得不到較好視覺效果的情況下，獲得相對(duì)均勻背景及較好襯度的投影圖像。
　　 介紹了幾種三維圖像重建算法原理，實(shí)現(xiàn)了卷積反投影算法及代數(shù)迭代算法，通過對(duì)一些模擬數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)的重建結(jié)果比較，分析了各項(xiàng)CT 參數(shù)對(duì)重建結(jié)果的影響以及兩種重建方法的特點(diǎn)及優(yōu)劣。
　　 根據(jù)實(shí)際樣品提出了兩種不同的三

6、維圖像分割方法：自適應(yīng)迭代求最優(yōu)閾值算法與邊緣檢測算法，以適用于具有不同結(jié)構(gòu)特征的樣品。通過對(duì)實(shí)際樣品的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，得到了較好的效果。表明根據(jù)樣品特征結(jié)合多種分割技術(shù)，是有效而且實(shí)用的分割方法。
　　 提出了幾種納米CT的數(shù)據(jù)分析方法，包括一些三維空間形態(tài)的表征、測量以及對(duì)一些空間參數(shù)，比如體積、表面積、孔隙率等進(jìn)行定量計(jì)算的方法；特別是針對(duì)多孔電極材料這一特征樣品，提出了相應(yīng)的孔隙連通性、三相界面的分析與表征方法，為分析

7、固體氧化物燃料電池電極的三維結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。
　　 4.研究納米CT 在納米材料、細(xì)胞科學(xué)、多孔電極材料等領(lǐng)域中的應(yīng)用對(duì)硫化銅分形雪花狀微晶這一復(fù)雜表面形貌的納米材料進(jìn)行了三維成像表征，并分析了其空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；對(duì)多晶中空氧化鋅微米球這一具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的納米材料進(jìn)行了三維成像，選擇三顆具有不同典型結(jié)構(gòu)的氧化鋅顆粒進(jìn)行了詳細(xì)分析表征，并定量計(jì)算了體積、孔隙率、表面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明納米CT 技術(shù)很適合對(duì)各種復(fù)雜納米材料進(jìn)行形貌