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《清华大学》 2006年
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衍射增强成像的相位信息提取方法和CT重建算法研究

黄志峰  
【摘要】: 衍射增强成像是X射线成像领域的最新前沿技术和研究热点之一,它能检测对X射线弱吸收的轻元素物质,空间分辨率可达微米甚至亚微米量级,和传统X射线吸收成像技术相比具有独特的优势,并且在医学、生物学、材料科学等学科上的初步实验上获得了成功。因此,衍射增强成像的课题研究具有重要的研究价值和应用前景。 本论文在解决衍射增强成像的计算机模拟实验建模问题的基础上,深入研究了衍射增强成像中最重要的两个方面:相位信息提取方法和衍射增强CT成像的重建算法,其研究成果都得到了北京同步辐射装置上的衍射增强成像实验的验证。论文所做的研究工作及研究成果可概括如下: 首先,在计算机模拟实验建模问题的研究上,根据对称Bragg几何结构的完整晶体X射线衍射的几何光学近似理论,提出了等效直线传播简化模型,部分地简化了模拟实验中衍射增强成像的几何光路结构。在这个模型的基础上定量分析了在摇摆曲线不同位置上的DEI图像的错位问题,并对计算机模拟实验提出了位置修正方案,从而保证了相位信息提取方法和CT重建算法的模拟计算结果的正确性。 其次,在相位信息提取方法的研究上,分析了目前最常用的几何光学近似方法和多图统计方法的局限性,提出了3种更有效的方法:统计-几何光学近似方法、极大折射角方法和高斯曲线拟合方法,并制定了在真实实验中选择相位信息提取方法的基本策略。计算机模拟实验和真实实验的计算结果表明,这3种方法都能得到比现有方法更精确的折射角信息。 最后,在衍射增强CT成像的重建算法的研究上,针对CT旋转轴与分析晶体晶格面平行的CT采集方式,提出了基于折射角信息的直接滤波反投影算法,一步到位地直接重建出样品内部的折射率位相因子δ的分布。计算机模拟实验和真实实验的结果表明,基于相位信息提取新方法的直接滤波反投影算法能重建出与实际值相当接近的δ的数值,在计算精度和图像效果上优于基于现有信息提取方法的CT重建算法。
【关键词】:相衬成像 衍射增强成像 相位信息提取方法 CT重建算法
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:O434.19
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-12
  • 第1章 引言12-22
  • 1.1 课题背景和意义12-15
  • 1.2 发展现状15-19
  • 1.2.1 相位衬度成像15-17
  • 1.2.2 衍射增强成像17-19
  • 1.3 研究内容和方法19-20
  • 1.4 论文结构安排20-22
  • 第2章 衍射增强成像的基本原理22-35
  • 2.1 物理基础22-28
  • 2.1.1 X 射线源22
  • 2.1.2 X 射线与物质的相互作用22-24
  • 2.1.3 完整晶体X 射线衍射理论24-28
  • 2.1.4 高分辨率CCD 探测器28
  • 2.2 衍射增强成像的基本理论28-35
  • 2.2.1 物理原理和求解思路28-30
  • 2.2.2 基本光路图30-32
  • 2.2.3 分析晶体的作用32-35
  • 第3章 等效直线传播简化模型35-61
  • 3.1 现有的衍射增强成像的建模理论35-44
  • 3.1.1 几何光学近似建模理论35-39
  • 3.1.2 基于几何光学近似模型的计算机模拟实验设计39-44
  • 3.2 等效直线传播简化模型44-59
  • 3.2.1 简化模型原理44-47
  • 3.2.2 DEI 图像数据的错位问题47-59
  • 3.3 讨论与总结59-61
  • 第4章 相位信息提取方法61-85
  • 4.1 现有的相位信息提取方法61-64
  • 4.1.1 几何光学近似方法61-62
  • 4.1.2 多图统计方法62-63
  • 4.1.3 傅立叶光学方法63
  • 4.1.4 综合比较63-64
  • 4.2 三种新相位信息提取方法64-84
  • 4.2.1 C-GOA 方法的局限性64-67
  • 4.2.2 统计-几何光学近似方法67-71
  • 4.2.3 极大折射角方法71-72
  • 4.2.4 MIS 方法的局限性72-73
  • 4.2.5 高斯曲线拟合方法73-74
  • 4.2.6 各种方法综合比较74-75
  • 4.2.7 真实实验数据比较75-83
  • 4.2.8 相位信息提取的策略83-84
  • 4.3 讨论与总结84-85
  • 第5章 衍射增强CT 重建算法85-110
  • 5.1 传统吸收CT 成像概述85-86
  • 5.2 衍射增强CT 成像概述86-90
  • 5.2.1 CT 旋转轴与分析晶体晶格面相交的CT 成像87
  • 5.2.2 CT 旋转轴与分析晶体晶格面平行的CT 成像87-90
  • 5.3 折射角投影数据的CT 重建算法90-108
  • 5.3.1 直接滤波反投影算法91-93
  • 5.3.2 相位信息提取方法在 CT 重建中的比较93-96
  • 5.3.3 DFBP 算法和“两步走”方法相比较96-101
  • 5.3.4 真实实验数据处理结果101-108
  • 5.4 讨论与总结108-110
  • 第6章 结论与展望110-113
  • 6.1 结论110-111
  • 6.2 展望111-113
  • 参考文献113-126
  • 致谢126-127
  • 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果127-128

【引证文献】
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2 陈志强;丁飞;黄志峰;张丽;朱佩平;;衍射增强成像相位信息的非线性提取方法研究[A];第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(2)[C];2008年
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3 柯常军,王占山,张铁强,曹健林,陈星旦;软X射线多层反射膜的一种新型设计方法[J];光学精密工程;1999年02期
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7 苏健平,陈志强,张丽,赵自然,高文焕,康克军;基于Wintel和P4架构的大型工业CT图像快速重建实现研究[J];核电子学与探测技术;2002年04期
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9 肖体乔,徐洪杰,陈敏,杜国浩,魏逊,骆玉宇,刘丽想;一种新型X射线相衬成像实验室系统[J];核技术;2003年10期
10 田玉莲,肖体乔,朱佩平,黄万霞,黎刚,袁清习,陈敏;同步辐射X射线位相衬度成像—X射线位相衬度照相术[J];核技术;2004年06期
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2 陈志强;丁飞;黄志峰;张丽;朱佩平;;衍射增强成像相位信息的非线性提取方法研究[A];第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(下册)[C];2008年
3 陈志强;丁飞;黄志峰;张丽;朱佩平;;衍射增强成像相位信息的非线性提取方法研究[A];第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(2)[C];2008年
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8 姜庆军,肖湘生,刘士远,肖体乔,陈敏;相干X线相衬成像的初步研究:离体大白鼠肝脏、肺脏成像实验[J];中国医学影像技术;2003年09期
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