基于几何投影的X射线相位衬度CT装置成像性能研究
发布时间：2021-01-04 04:58
自1895年伦琴发现X射线以来,X射线就被广泛地应用于医疗诊断、无损检测等领域。传统X射线吸收成像方法对于弱吸收物质,如主要由轻元素组成的生物软组织,无法进行高质量成像。不同于传统基于吸收衬度机制的X射线成像,相位衬度成像方法通过探测物质对X射线的相移来进行成像。物体在X射线波段的折射率通常用复数表示,其实部减小量反映相移信息,虚部反映吸收信息。在硬X射线波段,软组织的折射率实部减小量是虚部的几百到几千倍,理论上相衬图像比吸收图像有着更高的灵敏度,因此相衬成像对弱吸收物质能提供较好的成像对比度。近二十年来,X射线相衬成像技术得到了快速发展,其中的光栅相衬成像引起了越来越多的关注。与其它的相衬成像方法相比,光栅相衬成像能够使用大功率的常规X光管作为光源,并且有较大的成像视场,因此被普遍认为是极有可能应用于临床医学的成像方法。本文围绕光栅相衬成像,讨论了信息分离和计算机断层重建算法;介绍了国家同步辐射实验室搭建的相衬CT装置,并发展了一种光栅光学检测方法;分析了成像系统中光学器件对成像性能的影响。本文开展的主要工作包括:1.讨论了相衬CT成像中的信息分离和重建算法,在正反投影（RP）方法的...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ｘ射线的吸收和相移??
?第１章绪论???１０＊５｜?＞?＇?＇?；??１〇－７［?｜＾￣ｐｃ?，??Ｃ?—ＰＮ??ｉ?一?：。ｉ??１０－４?■＂■＊？？■？?５ｎ?，??Ｉ?卜‘…．５０丨?ｉ??１０＇１０?［??１〇＊１１?＾?１?１?１???１０?１５?２０?２５?３０??Ｅｎｅｒｇｙ?（ｋｅＶ）??图１．２碳、氮、氧元素的吸收因子＃和相位因子（５的比较（数据来自于科学软件ｘｏｐ２．３??ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．?ｅｓｒ?ｆ．?ｆｒ／Ｉ?ｎｓｔｒｕｎｉ?ｃｎｔａｔ?ｉｏｎ／ｓｏ?ｆｔ?ｗａｒｅ／ｄａｔａ?－ａｎａ?１?ｖｓ?ｉ?ｓ／ｘｏｐ２．３）??由于探测器只能探测Ｘ射线的光强信息，无法直接测量相位信息。因此，需??要把Ｘ射线的相移信息转变为光强信息，才能实现相衬成像。自上世纪六十年??代中期开始，经过科研人员五十多年的潜心研宄，发展出了多种Ｘ射线相衬成??像方法。按照基本成像原理以及成像装置的不同，可以将目前主要的相衬成像方??法分为六种晶体千涉法衍射增强法［ｍ３］；同轴法又称为基于自由空间??传播成像法光栅相衬成像方法散斑成像［２？２２］以及多色远场干涉仪［２３－??２７Ｌ图１．３是以上六种相衬成像方法的原理示意图。??晶体干涉法最早是由美国科学家Ｂｏｎｓｅ和Ｈａｒｔ［１（）］于上世纪六十年代提出，??一束单射光经过分束晶体后被分为两束光线，一束光经过物体，一束光不经过物??体，它们之间会形成干涉条纹，该方法通过测量干涉条纹的偏移量，就可以直接??获得物体引起的Ｘ射线的相位变化。１９９６年，日本科学家Ｍ〇ｍ〇Ｓｅ［ｎ味ｊ用晶体??千涉仪实现了三维断层成像，成功区分出了
＂生好、单色性高［７］，因此只能在同步辐射装置上进行。???（ａ）晶体干涉仪成像?（的衍射增强成像??Ｉ?｜?麵器??样禮??Ｉ?ｘ－ｒａｙ?／?々覆??ｉ?ｂ??分束晶体透肖晶体』撕Ｂａ￥?Ｉ???分束晶体???（ｃ）同轴相衬成像?（ｄ＞光栅相衬成像??ｉｆ＂＊—．气—．Ｊｆ３?－?．ｉｉ?馨＿?＇??探测器在不同的位置采集数据?分束光棚分析光栅??（ｅ）散斑相衬成像?（ｆ）多色远场相衬成像??样品?ｒ?＾???＾??相位光栅???图１．３Ｘ射线相衬成像方法：Ｕ）晶体干涉法；（ｂ）衍射增强法；（ｃ）自由传播法；（ｄ）光??栅相衬成像法；（ｅ）散斑成像；（ｆ）多色远场干涉仪成像法。??同轴相衬成像法，又称为基于自由空间传播的相衬成像方法［２８］，是科学家??ＳｎｉｇｉｒｅＶ［１４＾上世纪九十年代提出。如图１．３（ｃ）所示，该方法只需要光源和探测??器，不需要额外的光学元件。在光路中，Ｘ射线穿过物体后，波前会被物体调制??然后发生自身干涉，在自由空间中传播一定距离后到达探测器平面，探测器上接??收到的光强与样品相移的二阶导数成正比。该成像方法光路简单、系统稳定性高，??但是该方法对光源的相干性有着很高的要求，因此只能利用同步辐射光源或者微??焦点Ｘ射线光源。??光栅相衬成像方法是由Ｄａｖｉｄ［１６］和Ｍｏｍｏｓｅ［１７］首先实现，他们分别于２００２年??和２００３年实现了基于光栅的Ｘ射线相衬成像技术。成像装置主要包括光源、两??块光栅以及探测器，如图１．３（ｄ）所示。光源发出的Ｘ射线，经过Ｇ１分束光栅后，??会在特定位置上产生干涉条纹。当光路中存在物体时，这些干涉条纹会发生
【参考文献】：
期刊论文
[1]硬X射线衍射增强峰位成像CT的几何失真纠正方法[J]. 孙怡,朱佩平,刘明贺,于健. CT理论与应用研究. 2006(02)
博士论文
[1]X射线微结构阵列光源光栅相衬成像系统研究[D]. 昝贵彬.中国科学技术大学 2019
[2]软X射线细胞CT成像重构方法及细胞器识别研究[D]. 刘健宏.中国科学技术大学 2018
[3]大尺寸大高宽比X射线吸收光栅的制作工艺研究[D]. 侯双月.中国科学技术大学 2018
[4]X射线光栅相位衬度成像实验技术和应用研究[D]. 胡仁芳.中国科学技术大学 2017
[5]角度受限下纳米CT图像处理及三维重构算法研究[D]. 梁知挺.中国科学技术大学 2016
[6]X射线微分相位衬度成像及CT的理论和方法研究[D]. 鲍园.中国科学技术大学 2016
[7]X射线光栅相位衬度成像技术和方法研究[D]. 王圣浩.中国科学技术大学 2015
[8]X射线光栅相衬成像中的信息分离以及计算机断层重建[D]. 吴朝.中国科学技术大学 2014
[9]全景航空相机动态分辨率检测系统关键技术研究[D]. 白雪梅.长春理工大学 2009
硕士论文
[1]X射线光栅相衬成像系统数值仿真模拟研究[D]. 骆荣辉.中国科学技术大学 2017
[2]X射线光栅相衬成像装置光强漂移与断层重建研究[D]. 张鹏飞.中国科学技术大学 2016
本文编号：2956196
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ｘ射线的吸收和相移??
?第１章绪论???１０＊５｜?＞?＇?＇?；??１〇－７［?｜＾￣ｐｃ?，??Ｃ?—ＰＮ??ｉ?一?：。ｉ??１０－４?■＂■＊？？■？?５ｎ?，??Ｉ?卜‘…．５０丨?ｉ??１０＇１０?［??１〇＊１１?＾?１?１?１???１０?１５?２０?２５?３０??Ｅｎｅｒｇｙ?（ｋｅＶ）??图１．２碳、氮、氧元素的吸收因子＃和相位因子（５的比较（数据来自于科学软件ｘｏｐ２．３??ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．?ｅｓｒ?ｆ．?ｆｒ／Ｉ?ｎｓｔｒｕｎｉ?ｃｎｔａｔ?ｉｏｎ／ｓｏ?ｆｔ?ｗａｒｅ／ｄａｔａ?－ａｎａ?１?ｖｓ?ｉ?ｓ／ｘｏｐ２．３）??由于探测器只能探测Ｘ射线的光强信息，无法直接测量相位信息。因此，需??要把Ｘ射线的相移信息转变为光强信息，才能实现相衬成像。自上世纪六十年??代中期开始，经过科研人员五十多年的潜心研宄，发展出了多种Ｘ射线相衬成??像方法。按照基本成像原理以及成像装置的不同，可以将目前主要的相衬成像方??法分为六种晶体千涉法衍射增强法［ｍ３］；同轴法又称为基于自由空间??传播成像法光栅相衬成像方法散斑成像［２？２２］以及多色远场干涉仪［２３－??２７Ｌ图１．３是以上六种相衬成像方法的原理示意图。??晶体干涉法最早是由美国科学家Ｂｏｎｓｅ和Ｈａｒｔ［１（）］于上世纪六十年代提出，??一束单射光经过分束晶体后被分为两束光线，一束光经过物体，一束光不经过物??体，它们之间会形成干涉条纹，该方法通过测量干涉条纹的偏移量，就可以直接??获得物体引起的Ｘ射线的相位变化。１９９６年，日本科学家Ｍ〇ｍ〇Ｓｅ［ｎ味ｊ用晶体??千涉仪实现了三维断层成像，成功区分出了
＂生好、单色性高［７］，因此只能在同步辐射装置上进行。???（ａ）晶体干涉仪成像?（的衍射增强成像??Ｉ?｜?麵器??样禮??Ｉ?ｘ－ｒａｙ?／?々覆??ｉ?ｂ??分束晶体透肖晶体』撕Ｂａ￥?Ｉ???分束晶体???（ｃ）同轴相衬成像?（ｄ＞光栅相衬成像??ｉｆ＂＊—．气—．Ｊｆ３?－?．ｉｉ?馨＿?＇??探测器在不同的位置采集数据?分束光棚分析光栅??（ｅ）散斑相衬成像?（ｆ）多色远场相衬成像??样品?ｒ?＾???＾??相位光栅???图１．３Ｘ射线相衬成像方法：Ｕ）晶体干涉法；（ｂ）衍射增强法；（ｃ）自由传播法；（ｄ）光??栅相衬成像法；（ｅ）散斑成像；（ｆ）多色远场干涉仪成像法。??同轴相衬成像法，又称为基于自由空间传播的相衬成像方法［２８］，是科学家??ＳｎｉｇｉｒｅＶ［１４＾上世纪九十年代提出。如图１．３（ｃ）所示，该方法只需要光源和探测??器，不需要额外的光学元件。在光路中，Ｘ射线穿过物体后，波前会被物体调制??然后发生自身干涉，在自由空间中传播一定距离后到达探测器平面，探测器上接??收到的光强与样品相移的二阶导数成正比。该成像方法光路简单、系统稳定性高，??但是该方法对光源的相干性有着很高的要求，因此只能利用同步辐射光源或者微??焦点Ｘ射线光源。??光栅相衬成像方法是由Ｄａｖｉｄ［１６］和Ｍｏｍｏｓｅ［１７］首先实现，他们分别于２００２年??和２００３年实现了基于光栅的Ｘ射线相衬成像技术。成像装置主要包括光源、两??块光栅以及探测器，如图１．３（ｄ）所示。光源发出的Ｘ射线，经过Ｇ１分束光栅后，??会在特定位置上产生干涉条纹。当光路中存在物体时，这些干涉条纹会发生
【参考文献】：
期刊论文
[1]硬X射线衍射增强峰位成像CT的几何失真纠正方法[J]. 孙怡,朱佩平,刘明贺,于健. CT理论与应用研究. 2006(02)
博士论文
[1]X射线微结构阵列光源光栅相衬成像系统研究[D]. 昝贵彬.中国科学技术大学 2019
[2]软X射线细胞CT成像重构方法及细胞器识别研究[D]. 刘健宏.中国科学技术大学 2018
[3]大尺寸大高宽比X射线吸收光栅的制作工艺研究[D]. 侯双月.中国科学技术大学 2018
[4]X射线光栅相位衬度成像实验技术和应用研究[D]. 胡仁芳.中国科学技术大学 2017
[5]角度受限下纳米CT图像处理及三维重构算法研究[D]. 梁知挺.中国科学技术大学 2016
[6]X射线微分相位衬度成像及CT的理论和方法研究[D]. 鲍园.中国科学技术大学 2016
[7]X射线光栅相位衬度成像技术和方法研究[D]. 王圣浩.中国科学技术大学 2015
[8]X射线光栅相衬成像中的信息分离以及计算机断层重建[D]. 吴朝.中国科学技术大学 2014
[9]全景航空相机动态分辨率检测系统关键技术研究[D]. 白雪梅.长春理工大学 2009
硕士论文
[1]X射线光栅相衬成像系统数值仿真模拟研究[D]. 骆荣辉.中国科学技术大学 2017
[2]X射线光栅相衬成像装置光强漂移与断层重建研究[D]. 张鹏飞.中国科学技术大学 2016
本文编号：2956196
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