微焦点同轴法相衬成像算法的数值仿真与实验研究

发布时间：2020-06-10 16:14

【摘要】：X射线成像模式主要有吸收衬度成像与相位衬度成像两种。相比吸收成像,人体组织、器官等轻元素物质对相移的变化更加敏感,因而通过相衬成像可获得更好的成像质量。相衬成像方法主要有干涉仪法、衍射增强法、光栅相衬成像法和同轴法等,前三种都需要复杂的光路设计,成本高,成像时间长,难以推广,而微焦点同轴法相衬成像具有光路简单,成本较低,可采用多色光源成像及成像面积大等优点,是最可能率先取得广泛应用的相衬成像方法。目前国内外对X射线同轴相衬成像的研究大都基于同步辐射光源,针对微焦点源的同轴相衬成像研究特别是相位恢复算法研究相对不足。因此本文重点开展微焦点源同轴相衬成像的数值模拟和实验验证研究工作。首先,本文对理想点源的同轴相衬成像特点开展了研究,介绍理想点源成像下同轴法相衬成像的简化模型,利用模拟数据验证了X射线同轴相衬成像结果与物面相移的拉普拉斯变换成正相关的结论。此外,从频率域下理想点源成像系统的系统调制函数出发,讨论系统有效成像距离对相位衬度的影响,仿真实验结果表明,成像衬度随系统有效成像距离的增加而增强。在分析理想点源相衬传递函数的基础上,通过近场与远场成像分析了源到探测器的距离,射线能量对同轴相衬成像分辨率的影响,仿真实验结果表明,增加源到探测器的距离及提高射线能量可以提高相衬成像分辨率。其次,考虑了实际同轴相衬的成像条件,将焦点尺寸引入到了理想点源同轴相衬成像系统中,推导了结合焦点尺寸的系统整体相衬传递函数模型,得到该模型的本质是对理想点源相衬传递函数增加了光源强度分布函数调制。基于此模型,本文研究了在固定系统成像距离条件下,不同焦点尺寸对成像衬度的影响,实验数据表明,焦点尺寸越小,成像衬度越高。此外,本文还研究了不同焦点大小的成像条件下,调节系统成像距离对成像衬度的影响,实验结果表明适当增加物体到探测器的距离,以及在放大倍数不变的情况下,增加射线源到物体成像距离均可以提高成像衬度,且焦点尺寸越小,上述成像条件下的成像衬度提高越明显。最后,考虑到相衬成像中一般都混合了吸收和相位信息,相互影响会造成相衬成像质量的退化,因此本文开展了微焦点源相衬成像相位恢复算法的研究。首先介绍了强度传递方程相位恢复算法(TIE)及传统GS迭代算法的实现原理,并利用多重网格算法对TIE算法进行优化,引入多平面及梯度下降法对GS算法进行改进,实验数据证明本文提出的改进算法提高了传统算法的收敛速度及恢复精度。此外,针对GS与TIE算法分别适用于远场与近场的相位恢复特点,本文提出一种GS-TIE结合优化算法,以TIE算法的计算结果作为GS算法的迭代初值,实验结果表明该优化算法对近场与远场成像的相位恢复均有不错的精度表现。最后对实际数据进行了相位恢复实验,初步验证了本文提出的改进算法相较传统算法在相位恢复速度及精度上的优势。
【图文】：

吸收比,乳腺组织,软骨,相位

衬度成像构成了 X 线成像的主要有两种模式素材料构成的物质，吸收成像能够得到很好的图等轻元素材料组成的物质，如医学成像中的乳收成像衬度很差，分辨率低，无法满足诊断的同能量的 X 射线不同组织下的吸收及相位变化组织，他们的吸收因子的变化不大，但其相位0 倍以上[6]。比如对于乳腺浸润性导管癌，人们间时，肿瘤组织的大约在 610 到810 之间，以看出，对于软组织而言，X 射线的相位衬度

小羊,衬度,成像,肝脏

图 1.2 （a）小羊肝脏 X 射线吸收衬度成像（b）小羊肝脏 X 射线相位衬度成像相位衬度成像因对轻元素物质成像有优势而得到广泛关注，，是近年来 X 射线成像领域里最具前景的研究方向之一。但由于目前大部分的相衬成像方法仍需要复杂的光路设计，高品质射线，复杂的光学算法等，难于推广，因此多数研究成果仍处于实验室阶段。光路简单、较低成本、易于推广应用的实际系统将是相衬成像进一步深入研究的目标。1.2 X 射线相衬成像方法研究情况微焦点光源或者同步辐射源是 X 射线相衬成像研究中常用的光源。由于常用的探测器都是强度积分探测器，只能够记录探测到的强度分布，因此不能直接测量其相移分布，需要特别的成像方法和仪器来测量 X 射线穿过物体后的相移信息。根据获得相移信息的原理可将 X 射线相衬成像方法分为干涉仪法（Interferometry）、衍射增强法（DEI）、同轴法（In-line Phase Contrast）和光栅法（Grating）相衬成像。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;R814

【参考文献】