X射线类同轴相衬成像的相位抽取方法及质量评价研究
发布时间：2020-10-24 03:58
X射线相衬成像技术由于对软组织成像具有可见度高、低辐射剂量的优势,克服了基于吸收衬度的传统X射线成像在这方面的不足。在目前的适用于相衬成像的方法中,类同轴相衬成像对于光源要求较低,同时不需要复杂的光学器件,在实际的研究和应用中应用广泛。为将相衬成像应用于三维成像领域,需要通过相位抽取来恢复相衬图像中的相位信息。目前采用的相位抽取方法主要分为直接法和间接法两种。现有的基于直接法的相位抽取算法,均基于不同的假设,满足不同条件下的相位抽取。其优势在于计算时间短,但结果并不稳定。目前对于相位抽取算法的研究均基于较为理想的成像条件,而在实际应用中,成像系统的探测器分辨率和系统噪声都会对相位抽取的结果有影响。本文利用基于直接法的相位抽取方法,通过改变探测器半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)和系统噪声大小,对这种影响进行研究。通过均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)对各相位抽取方法的结果进行评价,发现探测器分辨率的降低或系统噪声的增加会恶化相位抽取的结果,对于小尺寸的物体相位其恶化程度更为严重。基于间接法的相位抽取算法通常利用迭代正则化方法,利用一定的先验条件,可以获得较为稳定的相位抽取结果。本文在基于间接法的相位抽取方法的基础上,考虑了成像系统的非理想性,提出了基于系统函数补偿的相位抽取方法。通过模拟数据圆柱对-球体对仿体和实际数据气泡膜相衬图像对该方法进行分析验证。该方法能有效提升圆柱对-球体对仿体相位抽取结果的分辨力,使得气泡膜相衬图像的相位抽取结果的边缘更为清晰。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R814;O572.212
【部分图文】：
在这段传播距离中将与未发生畸变的波面叠加，从而产生干涉效应。这样，待测样本的相位信息转化成光强信息被探测器记录下来。图2-1 类同轴相衬成像原理示意图已知样本后表面的波面 1U r Tr ，经过一定距离的自由传播后，根据基于近场菲涅尔衍射定理，在探测器平面的波面 2U r 可以表示为 22 1exp d2ikzeU U ik zi z z 11r rr r (2-5)其中 是波长。ikze 是恒定的相位项，因其对于图像强度没有影响，可以被忽略，所以公式(5)可以重新表示为 1U r 与传播核函数 zH r 的卷积： 2 1dikzzeU U H zi z 1 1r r r r (2-6) 21exp2zH iki z z rr (2-7)根据卷积定理，公式(2-6)可以被重新表示为 12 1 zU r F F U F H (2-8)其中，F 为傅里叶变换算子，1F 为傅里叶逆变换算子。从而可以得到探测器所记录的光强 2I r Ur 。上述得到的光强只适用于与入射光为类平面波的情况。由几何光学原理可以得出，当光照射的样本中的结构偏离中心光轴时，在探测器上其对应的图像也会相应发生偏移
由于对于类同轴相衬成像来说，微焦点源的尺寸对光的空间相干性有影响，从而会影响相衬图像的对比度。针孔成像时光源强度分布在像面的投影示意图如图2-2所示。假设光源的强度分布为S Q ，则其投影到像面的强度分布为 2 1S R R Q ，负号表示光源投影到像面上的强度分布与光源本身的强度分布方向相反。对于基于吸收衬度的传统X射线成像，待测样本后边面紧贴探测器，这种情况下2R 接近与零， 2 1S R R Q 对于相衬成像的结果影响非常小、可以忽略。而在基于微焦点源的相衬成像中，由于2R 不为零，且通常1R 同2R 的大小接近，则光源投影到像面上的强度分布不可被忽略。在类同轴相衬成像中，采用微焦点源
常小的点光源可以假设为理想的点光源，对于视觉系统中的视网膜，其接收图像可假设为与其本身完全一致，则其相对强度与视网膜上距离的关系可以表示为图2-3中垂直的绿色虚线。但实际上，视网膜接收点光源的强度分布是图2-3中红色曲线所示的情况，红色曲线即是视觉系统点扩散函数的剖面图。图2-3 人眼视网膜上的点扩散函数而对于X射线成像系统来说，也符合上面提到的视觉系统的情况。X射线成像系统需要将接收到的X射线的光子转化成电子，才能对其进行后处理。光子在荧光屏内传播时，除散射、漫射和吸收现象外，还存在光子密度还与传播距离的平方成反比的现象，也就是说光子在荧光屏内部的分布与X射线在开始时进入荧光屏发生相互作用的深度有关。下面以图2-4说明上述内容，(a)中三个黑点分表表示三个不同的光子与荧光屏发生相互作用的位置，每个位置的光子都会被发散。图2-4(b)上图定性地给出处在不同深度的荧光屏对于相互独立的光子的点扩散函数
【参考文献】
本文编号：2853984
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R814;O572.212
【部分图文】：
在这段传播距离中将与未发生畸变的波面叠加，从而产生干涉效应。这样，待测样本的相位信息转化成光强信息被探测器记录下来。图2-1 类同轴相衬成像原理示意图已知样本后表面的波面 1U r Tr ，经过一定距离的自由传播后，根据基于近场菲涅尔衍射定理，在探测器平面的波面 2U r 可以表示为 22 1exp d2ikzeU U ik zi z z 11r rr r (2-5)其中 是波长。ikze 是恒定的相位项，因其对于图像强度没有影响，可以被忽略，所以公式(5)可以重新表示为 1U r 与传播核函数 zH r 的卷积： 2 1dikzzeU U H zi z 1 1r r r r (2-6) 21exp2zH iki z z rr (2-7)根据卷积定理，公式(2-6)可以被重新表示为 12 1 zU r F F U F H (2-8)其中，F 为傅里叶变换算子，1F 为傅里叶逆变换算子。从而可以得到探测器所记录的光强 2I r Ur 。上述得到的光强只适用于与入射光为类平面波的情况。由几何光学原理可以得出，当光照射的样本中的结构偏离中心光轴时，在探测器上其对应的图像也会相应发生偏移
由于对于类同轴相衬成像来说，微焦点源的尺寸对光的空间相干性有影响，从而会影响相衬图像的对比度。针孔成像时光源强度分布在像面的投影示意图如图2-2所示。假设光源的强度分布为S Q ，则其投影到像面的强度分布为 2 1S R R Q ，负号表示光源投影到像面上的强度分布与光源本身的强度分布方向相反。对于基于吸收衬度的传统X射线成像，待测样本后边面紧贴探测器，这种情况下2R 接近与零， 2 1S R R Q 对于相衬成像的结果影响非常小、可以忽略。而在基于微焦点源的相衬成像中，由于2R 不为零，且通常1R 同2R 的大小接近，则光源投影到像面上的强度分布不可被忽略。在类同轴相衬成像中，采用微焦点源
常小的点光源可以假设为理想的点光源，对于视觉系统中的视网膜，其接收图像可假设为与其本身完全一致，则其相对强度与视网膜上距离的关系可以表示为图2-3中垂直的绿色虚线。但实际上，视网膜接收点光源的强度分布是图2-3中红色曲线所示的情况，红色曲线即是视觉系统点扩散函数的剖面图。图2-3 人眼视网膜上的点扩散函数而对于X射线成像系统来说，也符合上面提到的视觉系统的情况。X射线成像系统需要将接收到的X射线的光子转化成电子，才能对其进行后处理。光子在荧光屏内传播时，除散射、漫射和吸收现象外，还存在光子密度还与传播距离的平方成反比的现象，也就是说光子在荧光屏内部的分布与X射线在开始时进入荧光屏发生相互作用的深度有关。下面以图2-4说明上述内容，(a)中三个黑点分表表示三个不同的光子与荧光屏发生相互作用的位置，每个位置的光子都会被发散。图2-4(b)上图定性地给出处在不同深度的荧光屏对于相互独立的光子的点扩散函数
【参考文献】
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10 肖体乔，徐至展，陈建文，朱佩平，寇雷刚，程亚;全息图的数字重现[J];光学学报;1995年02期
本文编号：2853984
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