X射线相位衬度成像技术与方法研究

发布时间：2017-12-08 00:20

  本文关键词：X射线相位衬度成像技术与方法研究

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【摘要】：在硬X射线波段,低原子序数的元素相移截面比吸收截面大至少两个数量级,因此利用相衬成像机制对软组织等轻元素组成的样品成像有可能获得更高的图像衬度以及更高的探测灵敏度。对于弱吸收样品,相比传统的X射线吸收衬度成像,相位衬度具有更高的灵敏度,可以更好的反映物体内部的结构信息。因此,这种新的成像方法在生物医学、材料科学、无损检测等领域具有巨大的应用前景。随着X射线成像技术的不断发展,X射线相位衬度成像作为一种新的成像手段得到了长足的发展,涌现了许多成像方法。大体可以分为以下三类:第一种是基于干涉的成像,其中相移被转换成干涉强度。荷兰物理学家Zernike于1934年发明的相衬显微镜以及基于晶体干涉仪的成像方法可以归于这类方法;第二种是基于角度滤波的成像,其中相移的一阶导数被转换为强度。波兰物理学家Nomarski于1952年发明的微分干涉对比显微镜、衍射增强成像、基于光栅的成像和基于散斑的成像可归于此方法。基于角度滤波的成像通常被称为微分相衬成像;第三种是基于相位传播的成像,其中相位的二阶导数被转换为强度。基于相位传播的成像和离焦显微镜可归于此方法。X射线泽尼克相衬显微镜技术是在全场透射X射线显微镜(TXM)中引入相移环,相移环位于物镜波带片后焦面使样品直通光产生π/2或3π/2的相移,进而与样品衍射光在探测器上发生干涉将相位信息转换为强度信息被探测器探测到。X射线泽尼克相衬显微成像技术直接将相位信息转换为强度信息,有很高的灵敏度,而且利用X射线全场透射显微镜高强的分辨本领,是一种高分辨率高衬度的成像方法。因此其在细胞,生物组织以及有机材料成像中有着广泛的应用。在X射线投影成像领域,X射线泰保-劳(Talbot-Lau)光栅干涉仪的引入,使X射线相位衬度成像技术从同步辐射光源扩展到了常规光源,这一方法可以同时获得衰减、相衬和散射三种信息,但是这一技术对相干性有着较高的需求,要求光栅周期小,而X射线能量高要求光栅刻线足够高来满足一定得衍射效率。这种大高宽比的光栅制作困难,而且难以实现大视场、高能量成像。基于投影条纹的X射线光栅相衬成像方法对相干性要求低,光栅周期变大后可以降低光栅的制造难度,有望获得更大的成像视场以及更高的成像能量。本论文主要内容概括如下:搭建原理实验平台,介绍实验平台调节流程,介绍实验操作流程。讨论数据采集和处理方法,并利用Matlab-GUI编写数据处理软件。分析影响合肥实验平台成像质量的因素:光源强度的漂移,会影响位移曲线,进而影响信息分离的结果;机械系统的不稳定,会造成光栅之间的漂移,进而导致CT重建图像中出现严重的环型伪影。对此,完成了对光源漂移的校正,提出了图像匹配的方法,来找到与样品图像同一位置的背景图像,提高成像质量。通过实验分析验证了实验平台的可行性,证明了成像方法的正确性。结合实验结果,讨论实验平台的成像性能,分析影响装置灵敏度的因素,为以后的实验和装置的优化升级提供支持。讨论了一种利用X射线泽尼克相位衬度成像技术来进行元素分辨的方法。与常规吸收衬度的元素分辨方法相同,该方法利用金属元素X射线复折射率的实部减小量在吸收边附近的突变,应用X射线泽尼克相衬成像技术在目标元素的吸收边前后对样品分别成像,然后对得到的两张图像相减,即可得到目标元素的分布。通过对该方法的数值模拟,证明了方法的正确性。分析入射光子数与图像信噪比的关系,经过比较,得出X射线泽尼克相衬元素分辨方法比传统的吸收衬度元素分辨方法有更高的光子利用率。本文的主要内容包含以下六个部分:1.概述X射线相位衬度成像技术;2.详细介绍合肥实验平台的研制;3.详细介绍实验数据处理和校正的方法;4.分析影响成像质量的因素;5.讨论利用泽尼克相衬成像的X射线元素分辨方法;6.最后对本文进行总结和展望。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O434.19;TP391.41

【参考文献】

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本文编号：1264351