X射线相位衬度成像方法中的信息提取方法研究

发布时间：2020-08-20 07:35

【摘要】：X射线相位衬度成像技术的物理基础是利用X射线在透过物体后的相位变化,将X射线的相移转换为可以被探测的强度变化来进行成像。目前存在的X射线相位衬度成像方法有：X射线泽尼克相位衬度显微镜、X射线光栅相位衬度成像、X射线晶体干涉仪、相位传播成像、衍射增强成像。依托于同步辐射光源,这几种相位衬度成像技术都取得了很好的发展和应用,特别是X射线泽尼克相衬显微镜和X射线光栅相位衬度成像。前者在硬X射线波段应用比较广泛,比如：生命科学的研究、材料科学等,后者凭借于与常规X射线光源的结合有望在临床医学上实现相位衬度成像。在X射线相位衬度成像中,探测器记录的强度信息中同时包含物体的吸收信息、相移信息和散射信息。因此,必须发展合适的信息提取方法来提取相应的信息。本论文的研究重点就是样品信息的定量提取方法。本论文系统的总结了X射线相位衬度成像方法的原理,重点研究了：X射线泽尼克相位衬度显微镜中样品相移信息的定量提取方法,和X射线光栅相位衬度成像中如何实现单次曝光下样品信息的快速提取。本论文开展的主要研究工作如下： 1,X射线泽尼克相位衬度显微镜中样品相移信息的定量提取。本研究通过改变波带片物镜后焦平面的相移环(先后采用π/2相移环和3π/2相移环),先后得到两幅携带样品信息的相衬图像,利用提出的信息提取方法对这两幅图像进行处理,就能够定量的得到样品的相移信息。并对一系列不同样品开展数值实验研究,实验结果证实了该信息提取方法的可行性。 2,针对X射线泽尼克相位衬度显微镜中的相移信息定量提取公式,进行普适性(能量、样品厚度)的研究。本研究通过改变入射X射线的能量对标准样品进行泽尼克相位衬度成像的数值实验,并研究信息提取结果。实验结果表明在不同的X射线能量下,通过定量提取方法得到的结果都是准确和可靠的。通过对实验结果的分析得到如下结论：该定量提取相移信息的方法适用于不同的入射能量；当入射能量为2.5keV的时候,能够得到比较好的的相衬图像,即2.5keV是对弱吸收物质进行相衬成像的理想能量；另一方面,对于强吸收物质,可通过改变入射X射线能量来实现定量相移信息的提取。 3,单次曝光x射线光栅相位衬度成像信息提取方法研究。本研究从目前存在的单次曝光信息提取方法——傅里叶变换方法和加窗傅里叶变换方法入手,针对傅里叶变换方法的空间分辨率低,和加窗傅里叶变换方法尽管有效的改善了空间分辨率,但对高频信息处理不理想的局限性,提出基于小波变换的信息提取方法研究。将小波变换理论和光强变化规律结合起来,完成了信息提取方法的公式推导,开展了数值模拟验证实验研究。小波变换的自适应性有效的改善了加窗傅里叶变换方法中的窗口大小固定不可调而导致对边界突变部分信息处理不理想的局限性。
【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】：2015
【分类号】：TP391.41;O434.1
【图文】：

示意图,吸收信息,射线,光束

简单来说，在上面提到的三种效应的作用下，均体现在X射线强度的衰减，这也是X射线吸收衬度成像技术的物理基础。如下图所示，X射线强度的减可用公式（1.1.2)表示。

X射线显微镜,原理图,吸收信息,相衬显微镜

mmlrne back focal plane图2.1.3 (a)全场式透射X射线显微镜原理图，（b)全场式透射X射线显微镜的几何示意图。（Chen，Chen, Yi, etal.,lQ\\)X射线泽尼克相衬显微镜的成像过程推导(Schneider, 1998, Rudolph et al,1990)如下：首先可以用复折射率n来表示X射线与物质相互作用，其数学表达式如下：n{X) = \-5{X) + ip{X) (2.1.1)其中代表物质的相位信息，y0(/l)代表物质的吸收信息。^5(；1)和/?(2)可13

X射线显微镜,泽尼克,衬度,光路图

图2.1.4 X射线泽尼克相位衬度成像（全场式透射X射线显微镜）光路图。（Schneider, 1998)故探测器平面探测到的强度信息：^3 (?，少3) - "3 (?，少3)"3 (? ‘ 3^3 ) (2.1.8)经过计算，发现在公式（2.1.7)中包含很多独立的相位因子，可忽略掉其中对强度信息分布没有影响的独立分量。其中exp{^ik(^x^ + ~ exp^/l^xj + y]^ j ，M 为放大倍数，且满足关系M = b/z,,，显然与最后测到的强度关系不大，故亦可忽略不计。所以公式(2.1.7)可简化为："3(&,少3，//爪)=： ^ 11 "i(A,_yi)exp -(^2+^2) — + 7im^rA 2,2? L2 1? ?f)_xexp —ik

【共引文献】