Luận văn Đánh giá khuyết tật bằng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp

Nội dung tài liệu: Luận văn Đánh giá khuyết tật bằng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Vũ Quốc Toàn ĐÁNH GIÁ KHUYẾT TẬT BẰNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CẮT LỚP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Vũ Quốc Toàn ĐÁNH GIÁ KHUYẾT TẬT BẰNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CẮT LỚP Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN THIỆN THANH Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này được viết và trình bày bởi chính tôi. Những tài liệu tham khảo được tôi trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận văn được chính tôi thực hiện. Người thực hiện Nguyễn Vũ Quốc Toàn
4. LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên, tôi xin được dành tặng cho ba mẹ tôi vì họ đã là những người không ngại khó khăn, nuôi sống và cho tôi có đủ điều kiện để hoàn thành con đường học vấn của mình. Con xin chân thành cảm ơn ba mẹ và con thiết nghĩ, không có những từ ngữ nào có thể cảm ơn hết được công lao của ba mẹ đã giành cho con. Con chỉ biết để ba mẹ xuất hiện trong cuốn luận văn này như một lời tri ân đến ba mẹ vì đã giúp con hoàn thành được việc học của con. Lời cảm ơn thứ hai, tôi xin được dành tặng cho PGS.TS. Trần Thiện Thanh, là người thầy đã không ngại số lượng học viên mà nhận tôi làm ''đệ'' của thầy vào những giờ phút chót. Có những lúc, vì những thiếu sót mắc phải của việc lần đầu làm luận văn mà thầy đã suýt chút nữa không nhận tôi, nhưng thầy đã tha thứ cho tôi, và tôi coi đó là một điều cực kì lớn lao. Tôi cực kì quý trọng điều đó ở thầy. Em xin tri ân thầy một cách sâu sắc nhất. Lời cảm ơn thứ ba, tôi xin được gửi đến TS. Trần Nhân Giang, người thầy trực tiếp đồng hành cùng tôi trên chặng đường làm luận văn. Có những lúc, tôi đã tưởng chừng công việc này sẽ không thể hoàn thành, nhưng bằng một cách nào đó, thầy đã vực dậy tôi, trao cho tôi nghị lực vươn lên và không bỏ cuộc. Tôi cực kì tâm tắc câu nói động viên của thầy: "Dù thế nào cũng nhất quyết không được gia hạn'', chính câu nói ấy đã cho tôi niềm tin vững mạnh, rằng luận văn tôi sẽ hoàn thành đúng thời hạn. Sau cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến Phòng sau Đại học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được hoàn tất các thủ tục cần thiết cho việc làm luận văn. Cầu chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành đạt đến tất cả mọi người. Xin trân trọng cám ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 09 năm 2019 Nguyễn Vũ Quốc Toàn
5. MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục hình ảnh LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 3 1.1. Tổng quan về lịch sử hình thành và phát triển của kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp điện toán (Computed Tomography - CT) ................................... 3 1.1.1. Lịch sử hình thành ............................................................................. 3 1.1.2. Các thế hệ máy ghi hình cắt lớp điện toán ........................................ 4 1.2. Phép biến đổi Radon ................................................................................ 7 1.2.1. Khái niệm .......................................................................................... 7 1.2.2. Tính chất ........................................................................................... 9 1.2.3. Phép biến đổi Radon ngược ............................................................ 10 1.3. Nguyên lý chụp ảnh cắt lớp điện toán ................................................... 11 1.4. Tổng kết chương 1 ................................................................................. 13 Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰNG ẢNH TRONG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN ...................................... 14 2.1. Phương pháp phân tích .......................................................................... 14 2.1.1. Phương pháp biến đổi Fourier ........................................................ 15 2.1.2. Phương pháp chiếu ngược có lọc (Filtered Backprojection - FBP)................................................................................................ 17 2.2. Phương pháp lặp .................................................................................... 19 2.3. Cơ sở lý thuyết của một số bộ lọc ......................................................... 24 2.3.1. Bộ lọc Ram-Lak .............................................................................. 24 2.3.2. Bộ lọc Shepp-Logan ....................................................................... 25
6. 2.3.3. Bộ lọc Cosin .................................................................................... 25 2.3.4. Bộ lọc Hann và Hamming ............................................................... 25 2.4. Tổng kết chương 2 ................................................................................. 25 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 26 3.1. Số liệu thực nghiệm. .............................................................................. 26 3.2. Kết quả phục hồi ảnh bằng phương pháp Fourier ................................. 30 3.3. Kết quả phục hồi ảnh bằng phương pháp FBP ...................................... 32 3.4. Kết quả phục hồi ảnh bằng phương pháp EM ....................................... 35 3.5. Kết luận ................................................................................................. 37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 40
7. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt NDT Non-Destructive Testing Kiểm tra không phá hủy CT Computed Tomography Chụp ảnh cắt lớp điện toán FBP Filtered Backprojection Chiếu ngược có lọc Algebraic Reconstruction Kỹ thuật tái tạo đại số ART Technique Simulataneous Algebraic Kỹ thuật tái tạo đại số đồng SART Reconstruction Technique thời EM Expectation Maximization Cực đại hóa kỳ vọng Vietnam National University Đại học Quốc Gia Thành Phố VNUHCM Ho Chi Minh City Hồ Chí Minh
8. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1.Tính chất phép biến đổi Radon ................................................................... 10 Bảng 3.1.Tham số của hệ chụp CT ............................................................................. 26
9. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Ảnh chụp đầu người từ máy CT năm 1975 ............................................... 3 Hình 1.2. Nguyên lý ghi hình của thế hệ máy CT thứ nhất ...................................... 4 Hình 1.3. Nguyên lý ghi hình của thế hệ máy CT thứ hai ........................................ 5 Hình 1.4. Nguyên lý ghi hình của thế hệ máy CT thứ ba .......................................... 6 Hình 1.5. Nguyên lý ghi hình của thế hệ máy CT thứ tư .......................................... 7 Hình 1.6. Phép chiếu ................................................................................................. 9 Hình 1.7. Nguyên lý ghi hình cắt lớp điện toán thể hiện thông qua bốn thế hệ máy chụp ................................................................................................. 11 Hình 3.1. Giao diện người dùng của chương trình điều khiển hệ quét gamma CT . 28 Hình 3.2. Cấu trúc sinogram của ba bộ số liệu ....................................................... 29 Hình 3.3. Ảnh của phantom 1 được phục hồi bằng phương pháp Fourier khi không có bộ lọc và có bộ lọc .................................................................. 30 Hình 3.4. Ảnh phantom 2 được phục hồi bằng phương pháp Fourier khi không có bộ lọc và có bộ lọc ............................................................................. 31 Hình 3.5. Ảnh phantom 3 được phục hồi bằng phương pháp Fourier khi không có bộ lọc và có bộ lọc ............................................................................. 32 Hình 3.6. Ảnh phantom 1 được phục hồi bằng phương pháp FPB khi không có bộ lọc và có bộ lọc .................................................................................. 33 Hình 3.7. Ảnh thu được của phantom 2 khi sử dụng phương pháp FBP khi không có bộ lọc và có bộ lọc .................................................................. 34 Hình 3.8. Ảnh phantom 3 được phục hồi bằng phương pháp FBP khi không có bộ lọc và có bộ lọc .................................................................................. 35 Hình 3.9. Ảnh phantom 1 được phục hồi bằng phương pháp EM khi không có bộ lọc và có bộ lọc .................................................................................. 36 Hình 3.10. Ảnh phantom 2 được phục hồi bằng phương pháp EM khi không có bộ lọc và có bộ lọc .................................................................................. 37
10. 1 LỜI MỞ ĐẦU Kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing – NDT) [1] đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng. Phương pháp này giúp xác định được các khuyết tật bên trong các cấu trúc vật liệu, nhờ đó có thể biết được sản phẩm sản xuất ra có đạt chất lượng hay không? Có đáp ứng được nhu cầu hay không? Có nhiều kỹ thuật được sử dụng trong phương pháp NDT, trong đó kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp điện toán (Computed Tomography – CT) là một trong những phương pháp phổ biến, được sử dụng nhiều trong NDT. Trong phương pháp này, dữ liệu chiếu ghi nhận được bằng detector sẽ được sử dụng để phục hồi lại ảnh của mẫu vật mà không cần phá hủy mẫu. Kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp điện toán ngày nay đang trở nên phổ biến, không những trong y học, mà còn cả trong công nghiệp bởi những ưu điểm mà phương pháp này mang lại. Dựa vào khả năng đâm xuyên của các tia bức xạ, ta có thể tái tạo lại hình ảnh của sản phẩm mà không cần trực tiếp tiếp xúc, hơn nữa việc làm này còn giúp nâng cao năng suất công việc. Kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp điện toán đã có một khoảng thời gian xây dựng và phát triển rất dài. Từ những phương pháp thô sơ cho đến hiện đại và hiện nay vẫn đang được tiếp tục phát triển. Nhiều công trình nghiên cứu đã ra đời, các công trình nghiên cứu khoa học này tập trung vào việc phát triển các phương pháp chiếu bức xạ từ một nguồn bức xạ đến vật thể sao cho phù hợp nhất. Bên cạnh đó, thuật toán phục hồi ảnh cũng được cải thiện và phát triển song song. Có nhiều thuật toán được sử dụng trong phương pháp phục hồi ảnh. Tuy nhiên, có ba thuật toán đang được sử dụng phổ biến bao gồm thuật toán Fourier [2] thuật toán chiếu ngược có lọc [2] và thuật toán cực đại hóa kỳ vọng [2]. Mỗi thuật toán có những ưu và nhược điểm khác nhau, việc chọn lựa thuật toán thích hợp tùy thuộc vào mục đích và điều kiện thực nghiệm. Bên cạnh các thuật toán, quá trình phục hồi ảnh cũng cần phải được kết hợp với các bộ lọc xử lý ảnh khác nhau để nhằm làm tăng chất lượng ảnh. Việc kết hợp