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行業(yè)資訊

文獻速遞:邊緣照明X射線相襯微米CT中體各向異性的自監(jiān)督分辨率增強

2025-01-14 15:22:25 unistar


2025新年伊始,來自荷蘭萊頓大學高等計算機科學研究所的Jiayang Shi以第一作者的身份在“ Tomography of Materials and Structures” 發(fā)表了一篇名為:“ Self-supervised resolution enhancement for anisotropic volumes in edge illumination X-ray phase contrast micro-computed tomography” 的文章,其中來自英國倫敦大學學院Dani¨el M. Pelt和通訊作者Charlotte K. Hagen對于文章的發(fā)表,做出了同等的貢獻。

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圖1. 發(fā)表文章標題及主要作者

X射線相襯微型微米CT相比傳統的基于吸收的X射線微米可以獲得更高的程度,得益于它可以CT折射和衰減,它不僅可以利用X射線的衰減信號(吸收),還可以利用X射線的折射變化。

在這項工作中,研究人員聚焦于一種特定的X射線相襯技術——邊緣照明(EI)微米CT。

邊緣照明(EI)技術使用帶有透射孔的樣品掩模,將X射線束分割成窄束,使用包含折射信息的強度變化能夠被探測。在典型的掩模設計中(圓形孔和狹縫形孔),與圓形孔徑相比,狹縫形孔徑在實際應用中具有優(yōu)勢,因為它僅需在一個方向上移動樣品,從而減少了掃描時間。然而,這會導致各向異性的分辨率,因為狹縫形孔僅增強了垂直于狹縫方向的分辨率。

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圖2. 基于狹縫形孔和圓形孔邊緣照明系統原理圖

為了解決這個限制,作者提出了一種自監(jiān)督方法,通過在高分辨率面內圖像(in-plane images)上進行訓練,以增強面外圖像(out-of-plane images)的分辨率,有效緩解了各向異性的問題。作者在模擬和實際的邊緣照明(EI)微米CT數據集上的實驗結果驗證了所提方法的有效性。

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圖3. 展示了海綿和小鼠胚胎X射成像結果在分辨增強前后的對比

可以看到在使用作者提出的方法,在面外圖像out-of-plane images)的分辨率得到了明顯的增強。




作者簡介




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 第一作者:Jiayang Shi

Jiayang Shi目前是LIACS的一名博士生,在此之前他在德國卡爾斯魯厄和中國杭州學習。他目前負責的項目叫做'xCTing',目前的項目目標是:基于深度學習的重建算法開發(fā),旨在消除CT(計算機斷層掃描)重建數據中的偽影。由于計算工作負載較大,用于訓練和驗證3D神經網絡的數據生成將與ESR2的工作并行進行。放射影像模擬將使用ASTRA工具箱進行重建,之后應用3D神經網絡處理重建數據,使用相應的無偽影數據作為期望輸出。為了進一步測試訓練網絡的有效性,將評估其對尺寸測量精度和缺陷檢測的影響。此外,網絡還將單獨在使用ESR2開發(fā)的2D卷積神經網絡(CNN)方法進行修正的數據上進行訓練,預計這樣能夠得到更為穩(wěn)健的結果。

 通訊作者:Charlotte K. Hagen

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Charlotte K. Hagen是英國倫敦大學學院醫(yī)學物理與生物醫(yī)學工程系的副教授。Charlotte Hagen 博士于2010年獲得德國漢堡大學數學學位(文憑),并于2014年在倫敦大學學院(UCL)獲得醫(yī)學物理學博士學位。在博士研究期間,Hagen 博士共同開發(fā)了第一批采用實驗室X射線源的相襯微米CT儀器。隨后,Hagen 博士在UCL進行的博士后研究(2014-2018)集中于推動該技術及其應用的進展。2018年,Hagen 博士獲得皇家工程學院的研究獎學金,并同年被聘為UCL醫(yī)學物理與生物醫(yī)學工程系輻射物理學講師(預聘)。2021年,Hagen 博士晉升為首席研究員,并于2024年轉入學術軌道,成為副教授。她的研究主要集中在開發(fā)新型成像方法和系統,特別是在X射線計算機斷層掃描方面




關于'xCTing'項目



(https://xcting-itn.eu/)

 項目背景 

一次性成功和零缺陷的定制單件生產是推動工業(yè)4.0范式轉變的關鍵元素,旨在增強歐洲在全球制造業(yè)中的領導地位。X射線計算機斷層掃描(CT)計量在這一轉型過程中發(fā)揮著至關重要的作用,因為它是唯一可以非破壞性地驗證復雜內部結構質量的技術,例如增材制造或組裝中的結構。

然而,CT仍然主要是離線技術,原因在于掃描速度與掃描質量之間的未解決權衡,特別是需要投入大量的專家用戶進行評估。因此,xCTing項目將致力于顯著提高CT計量的自主性、穩(wěn)健性和速度,以支持其向完全在線質量保證技術的轉型,滿足工業(yè)4.0環(huán)境中的需求。應對這些挑戰(zhàn)需要整合廣泛的跨學科專業(yè)知識,包括物理學、制造業(yè)、尺寸計量、機器學習以及高效可靠的大數據分析與可視化技術。

為了在歐洲工業(yè)中實現預期的創(chuàng)新突破,歐洲急需能夠將這些多樣化能力與創(chuàng)業(yè)技能相結合的年輕創(chuàng)新者。這個MSCA ITN項目“xCTing”是一個跨歐洲的產業(yè)學術合作倡議,致力于提供一個獨特的全面培訓環(huán)境,以培養(yǎng)創(chuàng)新思維的研究工程師,成為推動歐洲制造業(yè)向全球技術領導地位轉型的催化劑。

 項目目標 

通過大學、研究機構和工業(yè)界各方的密切合作,xCTing項目聯盟預計在以下領域實現研發(fā)突破:

  • 自主確定最優(yōu)CT掃描策略的技術;

  • 基于深度學習的重建策略,能夠在無需專家用戶介入的情況下修正束硬化、散射和其他掃描偽影;

  • 通過利用先驗知識(如CAD數據結合仿真(數字雙胞胎)和歷史CT數據上的機器學習技術),為單件生產產品開發(fā)智能自主的分割和缺陷檢測算法;

  • 一種快速的虛擬計量CT方法,用于確定任務特定的測量不確定度,甚至可應用于單件生產情況;

  • 實現自主掃描過程表征、驗證和在線CT設備條件監(jiān)測的新方法;

  • 通過結合高質量掃描的先驗信息(代表性物體掃描或CAD數據),提高有限在線投影集的信息量,實現高速與高質量相結合的三維重建技術;

  • 使用CAD模型中的先驗信息,確定最佳重建的投影角度組合,包括360°旋轉或僅限有限角度范圍;

  • 將大數據分析與可視化與在線CT掃描和工藝仿真相結合,開發(fā)基于CT的增材制造構建準備自主流水線;

  • 基于CT計量的制造和組裝流水線。




 關于眾星聯恒 

眾星聯恒致力于引進高端的EUV/SXR/X射線產品、及新孵化高新技術產品給中國的同步輻射,研究所,高校及高端制造業(yè)的客戶,產品線包含X射線/EUV光源、X射線/SXR/EUV光學元件、X射線/SXR/EUV/可見光/電子探測器、VUV/XUV/X射線光譜儀、X射線分析系統和輝光放電質譜儀。同時,我司還可滿足同步輻射用戶的薄膜、表面和原位表征及半導體計量的需求,提供定制化的工業(yè)在線X射線檢測解決方案。







 內容   凱文

 編輯   小喬


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