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《中国科学技术大学》 2011年
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纳米CT三维图像处理分析方法及其应用的研究

李文杰  
【摘要】:在发现X射线之后,科学家们就迅速发展了X射线成像。由于X射线具有波长短和穿透性强两个显著特点,是高分辨无损观测厚样品内部结构的最佳方法,因此在工业和医学上一直得到广泛的应用。近30年来,由于性能越来越好的同步辐射光源的发展,以及高速度、高灵敏度X射线探测器、高精度控制系统和微纳加工工艺的进步,结合了传统CT技术的纳米CT成像技术得到迅速发展。国家同步辐射实验室建设了一条基于旋转椭球聚焦镜和波带片的纳米CT成像线站,空间分辨率达到了50 nm,并且具有泽尼克相位成像能力。该纳米CT技术在微电子产业、生物医学、能源和环境科学、材料科学等领域都有着广泛的应用前景。基于此实验平台,本论文主要开展了以下几个方面的工作: 1.纳米CT成像线站的建设、调试及性能测试 介绍了纳米CT成像光束线和实验站的主要工作原理及各主要光学器件的设计参数;参与了成像实验站实际硬件及软件的建设、调试工作,得到了成像系统的分辨率、衬度、CT成像能力等几项重要成像性能测试结果。结果表明系统的各项性能达到了设计指标。 2.基于现有平台发展了对大样品成像的实验方法 根据现有平台的旋转样品台特点推导了旋转样品台矫正算法,以保证在CT图像采集的过程中让感兴趣的样品区域一直保持在视场中央。基于此矫正算法,发展了两种不同的对大样品成像的实验方法:Mosaic-CT算法和三维图像拼接算法,并利用现有控制软件的脚本接口设计了相应的CT数据采集与处理模块。通过实际的实验结果验证并比较了这两种大样品成像的实验方法,分析了它们的优点和缺陷。这些结果表明,大样品成像方式将对某些大样品提供获取它们完整三维结构的可能性,对已有的普通CT成像方式是一种很好的扩展。 3.发展了一系列纳米CT三维图像处理分析技术 基于纳米CT实验站及各种研究样品的特点,发展了一系列相应的三维图像处理分析方法。 提出了图像预处理的几个重要算法,提高了原始投影图像质量。包括研究了原始数据的文件接口及图像的读写方式;根据现有的一种影响最大的随机噪音提出了相应的迭代除噪算法,有效地去除了噪音并保留了样品的细节特征;提出了一种频域增强算法,以保证在某些用普通扣除背景光照方法得不到较好视觉效果的情况下,获得相对均匀背景及较好衬度的投影图像。 介绍了几种三维图像重建算法原理,实现了卷积反投影算法及代数迭代算法,通过对一些模拟数据及实验的重建结果比较,分析了各项CT参数对重建结果的影响以及两种重建方法的特点及优劣。 根据实际样品提出了两种不同的三维图像分割方法:自适应迭代求最优阈值算法与边缘检测算法,以适用于具有不同结构特征的样品。通过对实际样品的三维数据进行分割,得到了较好的效果。表明根据样品特征结合多种分割技术,是有效而且实用的分割方法。 提出了几种纳米CT的数据分析方法,包括一些三维空间形态的表征、测量以及对一些空间参数,比如体积、表面积、孔隙率等进行定量计算的方法;特别是针对多孔电极材料这一特征样品,提出了相应的孔隙连通性、三相界面的分析与表征方法,为分析固体氧化物燃料电池电极的三维结构提供了基础。 4.研究纳米CT在纳米材料、细胞科学、多孔电极材料等领域中的应用对硫化铜分形雪花状微晶这一复杂表面形貌的纳米材料进行了三维成像表征,并分析了其空间结构特点;对多晶中空氧化锌微米球这一具有复杂内部结构的纳米材料进行了三维成像,选择三颗具有不同典型结构的氧化锌颗粒进行了详细分析表征,并定量计算了体积、孔隙率、表面积等结构参数。结果表明纳米CT技术很适合对各种复杂纳米材料进行形貌表征和分析。 结合大样品成像实验方法和三维数据处理分析方法,对两个团簇酵母细胞进行了三维成像,得到了它们完整的三维结构,并定量计算了不同亚细胞结构的体积比,为纳米CT技术在细胞成像方面的应用提供了新的方法和思路。 利用多孔材料三维结构分析方法对固体氧化物燃料电池电极的三维结构进行了表征分析,得到了阴极孔隙连通性以及阳极三相连通性和三相界面的初步结果,为利用纳米CT技术研究固体氧化物燃料电池建立了基础。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP391.41

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 邱建华;山羊精液液态保存过程中精子葡萄糖代谢的研究[D];山东农业大学;2011年
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【同被引文献】
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1 柳龙华;X射线显微成像纳米光学元件制作与应用研究[D];中国科学技术大学;2009年
【二级引证文献】
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