显微CT光耦探测器成像关键问题研究

Micro-CT technology has been used in many fields, such as life sciences, oil exploration and material science, and so on. Detector resolution is one of the most important factors in upgrading the spatial resolution of micro-CT. Yet compared with conventional detector, lens-coupled detector has many advantages:(1) with high resolution better than 1 μm；(2) Optical lenses can be chosen and changed according to the requirement of each experiment. However, theoretical and experimental studies are still in the stage of laboratory research. In this project, parameters optimization would be studied through Monte-Carlo method, and quantitative analysis about sensitive factors would be studied by experiment. At the same time, artifacts correction based on lens-coupled CCD detector are being studied,including:① Flashing chip defects correction; ② Optical distortion correction; ③ CCD pixel response non-uniformity correction method; ④ Position-induced image blur correction. Through the project, we not only provide artifact correction method, but also provide theory support and experiment basis for design and development of lens-coupled detector. In addition, the experimental platform designed in this project could provide technical reserves for the development of new type nano-detector, further promote the research and development of related field.

显微CT在生命科学、石油勘探、材料科学等众多领域有重要的应用需求。其中，探测器的分辨率是决定显微CT系统分辨率的主要因素。与常规探测器相比，基于光学透镜放大思想的光耦探测器能够获得更高的成像分辨率(优于1μm)，而且可以根据实验需要灵活的调整光学放大倍数。然而，此类探测器仍处于研究实验阶段，相关理论和方法亟待研究。本项目拟通过蒙卡建模仿真和实验相结合的方法，研究光耦探测器参数优化设计，并进行光耦探测器成像敏感因素定量分析。同时，开展光耦探测器的伪影校正研究，包括：① 闪烁片缺陷引起的CT伪影校正研究；② 光学畸变校正研究；③ CCD效率不一致的校正研究；④位置误差引起的图像模糊校正。本项目的研究不仅为高分辨光耦探测器的伪影校正提供方法，而且能为光耦探测器设计、集成提供理论支持和实验依据。同时，本项目中设计的实验平台还可为开发新型的纳米探测器设备提供技术储备，并带动相关领域的研究与开发。

本项目通过Zemax软件对光耦探测器的光学部分进行仿真建模，并分析了相关组成部件的位置参数误差对系统成像的影响。基于蒙卡建模仿真平台GEANT4研究了光耦探测器的闪烁片的厚度、Ti参杂浓度、反射层等对闪烁体转换效率以及分辨率的影响，优化了光耦探测器的闪烁片厚度。同时，开展光耦探测器的伪影校正研究，包括：① 提出闪烁片缺陷引起的图像伪影校正研究方法，通过对本底图像处理获取缺陷的掩膜图像，进而对投影图像中相应缺陷区域按照由外及内的顺序迭代修复和扩散，提高了缺陷校正的质量和实现速度；② 提出一种适用于显微CT系统的图像畸变校正方法。建立理想图像和实际畸变图像的多项式函数关系，利用特征点坐标求取畸变系数，并利用畸变系数对图像进行畸变校正。实验结果表明，所提方法能够有效的校正畸变，校正后的系统的空间分辨率由原来的8.5 μm提升到4.2 μm，空间分辨力得到了一定程度的提高。标准网格板图像校正后网格线的弯曲得到明显改善，网格间距趋于平均，离散程度变小。同时，畸变校正算法复杂度低，具有较高的实用性。③ 设计实现了利硬件调校和图像反馈相结合的方法对光耦探测器位姿进行调整。建立了单镜头的探测器系统，该系统可以能够实现闪烁片的移动和精确定位，同时可以对关键部件的位姿进行调整，并且保持各器件之间的稳定性。通过调校方法，可以降低位置误差引起的图像模糊。. 通过本项目的研究，搭建了光耦探测器平台，优化光耦探测器设计、集成。提出了高分辨光耦探测器的伪影校正提供方法，开展了相关的应用研究工作，积极的推动了该技术的发展与应用。