文獻(xiàn)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(qiáng)
2025新年伊始，來自荷蘭萊頓大學(xué)高等計(jì)算機(jī)科學(xué)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(xué)學(xué)院的Dani¨el M. Pelt和通訊作者Charlotte K. Hagen對(duì)于文章的發(fā)表，做出了同等的貢獻(xiàn)。
圖1. 發(fā)表文章標(biāo)題及主要作者
X射線相襯微型微米CT相比傳統(tǒng)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(hào)（吸收），還可以利用X射線的折射變化。
在這項(xiàng)工作中，研究人員聚焦于一種特定的X射線相襯技術(shù)——邊緣照明（EI）微米CT。
邊緣照明（EI）技術(shù)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(qiáng)度變化能夠被探測(cè)。在典型的掩模設(shè)計(jì)中（圓形孔和狹縫形孔），與圓形孔徑相比，狹縫形孔徑在實(shí)際應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼉H需在一個(gè)方向上移動(dòng)樣品，從而減少了掃描時(shí)間。然而，這會(huì)導(dǎo)致各向異性的分辨率，因?yàn)楠M縫形孔僅增強(qiáng)了垂直于狹縫方向的分辨率。
圖2. 基于狹縫形孔和圓形孔邊緣照明系統(tǒng)原理圖
為了解決這個(gè)限制，作者提出了一種自監(jiān)督方法，通過在高分辨率面內(nèi)圖像（in-plane images）上進(jìn)行訓(xùn)練，以增強(qiáng)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(shí)際的邊緣照明（EI）微米CT數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。
圖3. 展示了海綿和小鼠胚胎X射成像結(jié)果在分辨增強(qiáng)前后的對(duì)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(qiáng)。
作者簡介
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(xué)習(xí)。他目前負(fù)責(zé)的項(xiàng)目叫做'xCTing'，目前的項(xiàng)目目標(biāo)是：基于深度學(xué)習(xí)的重建算法開發(fā)，旨在消除CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）重建數(shù)據(jù)中的偽影。由于計(jì)算工作負(fù)載較大，用于訓(xùn)練和驗(yàn)證3D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)生成將與ESR2的工作并行進(jìn)行。放射影像模擬將使用ASTRA工具箱進(jìn)行重建，之后應(yīng)用3D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理重建數(shù)據(jù)，使用相應(yīng)的無偽影數(shù)據(jù)作為期望輸出。為了進(jìn)一步測(cè)試訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的有效性，將評(píng)估其對(duì)尺寸測(cè)量精度和缺陷檢測(cè)的影響。此外，網(wǎng)絡(luò)還將單獨(dú)在使用ESR2開發(fā)的2D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）方法進(jìn)行修正的數(shù)據(jù)上進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)計(jì)這樣能夠得到更為穩(wěn)健的結(jié)果。
通訊作者：Charlotte K. Hagen
Charlotte K. Hagen是英國倫敦大學(xué)學(xué)院醫(yī)學(xué)物理與生物醫(yī)學(xué)工程系的副教授。Charlotte Hagen 博士于2010年獲得德國漢堡大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)位（文憑），并于2014年在倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）獲得醫(yī)學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。在博士研究期間，Hagen 博士共同開發(fā)了第一批采用實(shí)驗(yàn)室X射線源的相襯微米CT儀器。隨后，Hagen 博士在UCL進(jìn)行的博士后研究（2014-2018）集中于推動(dòng)該技術(shù)及其應(yīng)用的進(jìn)展。2018年，Hagen 博士獲得皇家工程學(xué)院的研究獎(jiǎng)學(xué)金，并同年被聘為UCL醫(yī)學(xué)物理與生物醫(yī)學(xué)工程系輻射物理學(xué)講師（預(yù)聘）。2021年，Hagen 博士晉升為首席研究員，并于2024年轉(zhuǎn)入學(xué)術(shù)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(tǒng)，特別是在X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描方面。
關(guān)于'xCTing'項(xiàng)目
（https://xcting-itn.eu/）
項(xiàng)目背景
一次性成功和零缺陷的定制單件生產(chǎn)是推動(dòng)工業(yè)4.0范式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵元素，旨在增強(qiáng)歐洲在全球制造業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）計(jì)量在這一轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗俏ㄒ豢梢苑瞧茐男缘仳?yàn)證復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的技術(shù)，例如增材制造或組裝中的結(jié)構(gòu)。
然而，CT仍然主要是離線技術(shù)，原因在于掃描速度與掃描質(zhì)量之間的未解決權(quán)衡，特別是需要投入大量的專家用戶進(jìn)行評(píng)估。因此，xCTing項(xiàng)目將致力于顯著提高CT計(jì)量的自主性、穩(wěn)健性和速度，以支持其向完全在線質(zhì)量保證技術(shù)的轉(zhuǎn)型，滿足工業(yè)4.0環(huán)境中的需求。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)需要整合廣泛的跨學(xué)科專業(yè)知識(shí)，包括物理學(xué)、制造業(yè)、尺寸計(jì)量、機(jī)器學(xué)習(xí)以及高效可靠的大數(shù)據(jù)分析與可視化技術(shù)。
為了在歐洲工業(yè)中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的創(chuàng)新突破，歐洲急需能夠?qū)⑦@些多樣化能力與創(chuàng)業(yè)技能相結(jié)合的年輕創(chuàng)新者。這個(gè)MSCA ITN項(xiàng)目“xCTing”是一個(gè)跨歐洲的產(chǎn)業(yè)學(xué)術(shù)合作倡議，致力于提供一個(gè)獨(dú)特的全面培訓(xùn)環(huán)境，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維的研究工程師，成為推動(dòng)歐洲制造業(yè)向全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位轉(zhuǎn)型的催化劑。
項(xiàng)目目標(biāo)
通過大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)界各方的密切合作，xCTing項(xiàng)目聯(lián)盟預(yù)計(jì)在以下領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)研發(fā)突破：
自主確定最優(yōu)CT掃描策略的技術(shù)；
基于深度學(xué)習(xí)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(yàn)知識(shí)（如CAD數(shù)據(jù)結(jié)合仿真（數(shù)字雙胞胎）和歷史CT數(shù)據(jù)上的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)），為單件生產(chǎn)產(chǎn)品開發(fā)智能自主的分割和缺陷檢測(cè)算法；
一種快速的虛擬計(jì)量CT方法，用于確定任務(wù)特定的測(cè)量不確定度，甚至可應(yīng)用于單件生產(chǎn)情況；
實(shí)現(xiàn)自主掃描過程表征、驗(yàn)證和在線CT設(shè)備條件監(jiān)測(cè)的新方法；
通過結(jié)合高質(zhì)量掃描的先驗(yàn)信息（代表性物體掃描或CAD數(shù)據(jù)），提高有限在線投影集的信息量，實(shí)現(xiàn)高速與高質(zhì)量相結(jié)合的三維重建技術(shù)；
使用CAD模型中的先驗(yàn)信息，確定最佳重建的投影角度組合，包括360°旋轉(zhuǎn)或僅限有限角度范圍；
將大數(shù)據(jù)分析與可視化與在線CT掃描和工藝仿真相結(jié)合，開發(fā)基于CT的增材制造構(gòu)建準(zhǔn)備自主流水線；
基于CT計(jì)量的制造和組裝流水線。
關(guān)于眾星聯(lián)恒
眾星聯(lián)恒致力于引進(jìn)高端的EUV/SXR/X射線產(chǎn)品、及新孵化高新技術(shù)產(chǎn)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(chǎn)品線包含X射線/EUV光源、X射線/SXR/EUV光學(xué)元件、X射線/SXR/EUV/可見光/電子探測(cè)器、VUV/XUV/X射線光譜儀、X射線分析系統(tǒng)和輝光放電質(zhì)譜儀。同時(shí)，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(dǎo)體計(jì)量的需求，提供定制化的工業(yè)在線X射線檢測(cè)解決方案。
內(nèi)容 凱文
編輯 小喬
