毫秒级动态显微CT研究

Synchrotron-radiation-based in-line X-ray phase contrast computed tomography (IL-XPCT), which can no-destructively obtain the internal three-dimensional structure of low-Z samples with a much higher sensitivity than conventional absorption CT, is a stimulated tomography modality. IL-XPCT is an important experimental method at Shanghai synchrotron radiation facility and has broad user needs. However, the low time resolution of IL-XPCT handers its applications in some research fields, such as in the fields of internal transient structure information studies. This project presents new approaches to sharply improve IL-XPCT time resolution based on image reconstruction algorithm and on detector reformation. Firstly, the compressed sensing theory will be introduced in IL-XPCT that will sharply reduce the required IL-XPCT projections number thus increase the time resolution of IL-XPCT. Secondly, a novel detector model, realizing by merging digital high-speed camera and scintillator reformation program, will be utilized to accelerate IL-XPCT data collecting speed.

基于同步辐射的同轴X射线相位衬度CT（IL-XPCT）能以比传统吸收CT高得多的灵敏度无损获得低Z样品的内部三维结构分布，是上海光源重点发展的实验方法，拥有大量的用户需求。但目前IL-XPCT的时间分辨率比较低，限制了该方法的广泛应用，如研究样品内部的瞬态结构信息的应用；动态显微IL-XPCT成像一直是该领域研究的焦点和追求的目标。本研究拟基于图像重建算法和探测器改造等领域的理论与技术手段的基础上，建立一种毫秒级动态显微IL-XPCT研究方法。在图像重建算法研究上，通过将信号处理中的压缩传感理论应用到IL-XPCT图像重建中以大幅减少图像重建对投影数据量的需求,从而提高IL-XPCT的时间分辨率；在探测器改造研究上，采用数字高速相机和闪烁体有机组合的探测器改造方案提高数据采集速度，实现毫秒级动态显微IL-XPCT研究方法。

同步辐射CT具有高分辨、定量、高灵敏度和无损检测等优点，能获得低Z样品的内部三维结构分布，是上海光源BL13W1线站的重点实验方法，拥有大量的用户需求。但目前同步辐射CT的时间分辨率比较低，限制了该方法的广泛应用，如研究样品内部的瞬态结构信息。同步辐射动态显微CT可用于研究不同领域样品的三维结构动态衍化过程，其是国际上研究的热点，具有良好的应用前景，同时上海光源用户有着强烈的需求。我们依托上海光源，基于图像重建算法和探测器改造等领域的理论与技术手段的基础上，在国内首次实现毫秒级动态显微CT方法，填补国内空白，并向上海光源国内外用户开放。首先通过基于快速相机的X射线探测器改造，大幅提高X射线探测器的采集帧频，进而提高同步辐射CT的时间分辨率；其次发展基于压缩感知的CT重构算法，大幅降低所需的同步辐射CT投影数量，并获得高质量的结果；最后在上海光源集成动态显微CT软硬件系统，实现2Hz动态显微CT方法。采用此毫秒级动态显微CT平台开展了多个应用研究，如开展昆虫呼吸机理研究，首次揭示昆虫呼吸时气囊的各向异性收缩特性；开展等离子体诱导铝粉快速烧结过程研究，成功捕获铝粉烧结过程的不同中间状态；开展药物动态释药机理研究，获得了药物释药过程的定量信息。