Inverse Problem Approach for the Alignment of Electron Tomographic Series. - Université Jean-Monnet-Saint-Étienne Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Oil & Gas Science and Technology - Revue d'IFP Energies nouvelles Année : 2014

Inverse Problem Approach for the Alignment of Electron Tomographic Series.

Approche problème inverse pour l’alignement de séries en tomographie électronique

Maxime Moreaud
Jean-Marie Becker
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 971954
  • IdRef : 070548285

Résumé

In the refining industry, morphological measurements of particles have become an essential part in the characterization catalyst supports. Through these parameters, one can infer the specific physicochemical properties of the studied materials. One of the main acquisition techniques is electron tomography (or nanotomography). 3D volumes are reconstructed from sets of projections from different angles made by a Transmission Electron Microscope (TEM). This technique provides a real three-dimensional information at the nanometric scale. A major issue in this method is the misalignment of the projections that contributes to the reconstruction. The current alignment techniques usually employ fiducial markers such as gold particles for a correct alignment of the images. When the use of markers is not possible, the correlation between adjacent projections is used to align them. However, this method sometimes fails. In this paper, we propose a new method based on the inverse problem approach where a certain criterion is minimized using a variant of the Nelder and Mead simplex algorithm. The proposed approach is composed of two steps. The first step consists of an initial alignment process, which relies on the minimization of a cost function based on robust statistics measuring the similarity of a projection to its previous projections in the series. It reduces strong shifts resulting from the acquisition between successive projections. In the second step, the pre-registered projections are used to initialize an iterative alignment-refinement process which alternates between (i) volume reconstructions and (ii) registrations of measured projections onto simulated projections computed from the volume reconstructed in (i). At the end of this process, we have a correct reconstruction of the volume, the projections being correctly aligned. Our method is tested on simulated data and shown to estimate accurately the translation, rotation and scale of arbitrary transforms. We have successfully tested our method with real projections of different catalyst supports.
Dans le domaine du raffinage, les mesures morphologiques de particules sont devenues indispensables pour caractériser les supports de catalyseurs. A travers ces paramètres, on peut remonter aux spécificités physico-chimiques des matériaux étudiés. Une des techniques d’acquisition utilisées est la tomographie électronique (ou nanotomographie). Des volumes 3D sont reconstruits à partir de séries de projections sous différents angles obtenues par Microscopie Électronique en Transmission (MET). Cette technique permet d’obtenir une réelle information tridimensionnelle à l’échelle du nanomètre. Un problème majeur dans ce contexte est le mauvais alignement des projections qui contribuent à la reconstruction. Les techniques d’alignement actuelles emploient habituellement des marqueurs de réference tels que des nanoparticules d’or pour un alignement correct des images. Lorsque l’utilisation de marqueurs n’est pas possible, l’alignement de projections adjacentes est obtenu par corrélation entre ces projections. Cependant, cette méthode échoue parfois. Dans cet article, nous proposons une nouvelle méthode basée sur une approche de type problème inverse où un certain critère est minimisé en utilisant une variante de l’algorithme de Nelder et Mead, qui exploite le concept de simplexe. Elle est composéé de deux étapes. La première étape consiste en un processus d’alignement initial s’appuyant sur la minimisation d’une fonction de coût basée sur des statistiques robustes, mesurant la similarité entre une projection et les projections précédentes de la série. Elle vise à réduire les forts déplacements, résultant de l’acquisition entre les projections successives. Dans la seconde étape, les projections pré-recalées sont employées pour initialiser un processus itératif et alterné d’alignement et reconstruction, minimisant alternativement une fonction de coût basée sur la reconstruction du volume et une fonction basée sur l’alignement d’une projection avec sa version simulée obtenue à partir du volume reconstruit. A la fin de ce processus, nous obtenons une reconstruction correcte du volume, les projections étant correctement alignées. Notre méthode a été testée sur des données simulées et prouve qu’elle récupère d’une manière précise les changements dans les paramètres de translation, rotation et mise à l’échelle. Nous avons testé avec succès notre méthode pour les projections réelles de différents supports de catalyseur.
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Dates et versions

hal-00992251 , version 1 (16-05-2014)

Identifiants

Citer

Viet Dung Tran, Maxime Moreaud, Éric Thiébaut, L. Denis, Jean-Marie Becker. Inverse Problem Approach for the Alignment of Electron Tomographic Series.. Oil & Gas Science and Technology - Revue d'IFP Energies nouvelles, 2014, 69 (2), pp.279-291. ⟨10.2516/ogst/2013116⟩. ⟨hal-00992251⟩
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