X射线微分相位衬度成像及CT的理论和方法研究

发布时间：2017-09-04 17:33

  本文关键词：X射线微分相位衬度成像及CT的理论和方法研究

  更多相关文章： 光栅相衬成像 计算机断层成像 信息提取方法 噪声特性 空间分辨率

【摘要】：自上世纪九十年代以来,一系列X射线相位衬度成像方法相继被提出,不同于传统基于吸收衬度机制的X射线成像,这些新颖的成像方法通过检测物体对X射线波前的调制获得物体的内部折射率信息。X射线波段,物体的折射率为复数形式,实部减小量(相移因子)反映相移信息,虚部(吸收因子)反映吸收信息。尤其是在硬X射线波段,软组织的相位因子是吸收因子的成百上千倍,也就是说相衬图像理论上有着更高的灵敏度,因此利用相移信号成像可以获得更高的图像质量。经过二十年的发展,目前X射线相衬成像形成了四种主流成像装置,包括晶体干涉仪、衍射增强成像、光栅相衬成像和同轴相衬成像,其中部分装置由于成像视场太小,以及较高的机械稳定性和光源相干性要求,难以向临床推广。近年来,基于光栅的X射线微分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,光栅相衬成像方法主要有两大显著优势：较低的光源相干性要求以及较大的成像视场,因此被普遍认为是极有可能应用于临床医学的成像方法。本论文从角度信号成像理论出发,讨论了衍射增强成像和光栅相衬成像的信息分离问题：以及相位衬度和散射衬度结合计算机断层重建(Computed Tomography, CT)的相关问题。相衬成像的投影同时包含吸收、折射和散射信号,三种信号对应物体不同的物理特性。为了获取这三种物体特性的定量信息,涌现了大量的信息分离方法。目前光栅相衬成像方法中主要有五种信息分离方法：相位步进方法、交错相步进方法、莫尔条纹分析方法、共轭射线分析方法和能量分辨方法。这些方法中,有的方法产生的辐射剂量大、有的方法引起分辨率降低、有的方法不能提取散射信号,针对这些问题,本论文发展了角度信号成像理论,并基于该理论提出余弦拟合方法,不仅可以实现标准方法的效果,弥补了标准方法对大角度折射信号的低估问题,而且建立了衍射增强成像和光栅相衬成像之间密切的联系,它们本质上都是由角度准直器和分析器组成的成像装置，探测的物理量都是样品相位分布的一阶导数,利用分析器的运动(分析晶体的转动或分析光栅的平移)来选择性接收入射到分析器上的光线,分析晶体的运动所对应的角度,等价于样品对X射线产生的折射角。在光栅相位CT(phase tomography)中,利用传统的相位步进方法分离信息时,光栅平移运动与CT旋转运动交替进行,降低了成像速度,增加了样品受辐照时间。共轭射线分析方法是本研究组在2010年提出的一种快速低剂量成像方法,它巧妙利用照明几何中互为正反投影图像的共轭特性(即具有相同的吸收和相反的折射角)，只利用两幅图就可成功分离吸收和折射信息,一定程度上实现了快速、低剂量的相位CT成像。本论文将共轭射线分析方法与CT结合,分析了相位CT重建的相位因子的信噪比和空问分辨率之间的关系,阐述了光栅相位CT成像在高分辨率成像时比吸收CT成像具有更好的抗噪声性能。在光栅相衬CT中,散射信息可以反映亚分辨率尺度上的结构信息,提供了更加丰富的图像细节,与物体的吸收信息和折射信息形成有效的互补。本文利用光栅相衬CT成像重建出物体断层的散射信息,分析了散射体的尺寸和系统设计能量分别对重建的散射系数的影响,结果可以为区分具有相同吸收特性的材料提供帮助,从而拓宽了X射线光栅干涉仪在材料检测领域的应用。
【关键词】：光栅相衬成像 计算机断层成像 信息提取方法 噪声特性 空间分辨率
【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】：2016
【分类号】：O434.1;R814
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 课题研究意义12-14
• 1.2 研究背景及发展趋势14-20
• 1.2.1 研究背景14-17
• 1.2.2 发展趋势17-20
• 1.3 论文研究思路和结构安排20-24
• 第2章 X射线成像理论24-38
• 2.1 X射线与物质的相互作用24-27
• 2.1.1 粒子性24-26
• 2.1.2 波动性26-27
• 2.2 X射线吸收成像27-28
• 2.3 X射线相位衬度成像28-35
• 2.3.1 晶体干涉仪30-31
• 2.3.2 相位传播技术31-32
• 2.3.3 衍射增强成像32-33
• 2.3.4 光栅干涉仪33-34
• 2.3.5 各种相衬成像技术的比较34-35
• 2.4 X射线散射成像35-38
• 第3章 X射线微分相位衬度成像38-56
• 3.1 衍射增强成像38-42
• 3.2 光栅相衬成像42-56
• 3.2.1 Talbot效应42-43
• 3.2.2 Talbot干涉仪43-45
• 3.2.3 Lau效应45-46
• 3.2.4 Talbot-Lau干涉仪46-50
• 3.2.5 非相干条件下的光栅相衬成像50-56
• 第4章 X射线微分相位衬度成像的信息分离方法56-78
• 4.1 衍射增强成像的信息分离56-65
• 4.1.1 Chapman几何光学近似法57-58
• 4.1.2 Rigon的近似方法58-61
• 4.1.3 扩展的衍射增强算法61
• 4.1.4 普适的衍射增强算法61-62
• 4.1.5 多图法62-63
• 4.1.6 逐个像素的高斯曲线拟合方法63-65
• 4.2 光栅相衬成像的信息分离方法65-78
• 4.2.1 相位步进方法65-72
• 4.2.2 交错相步进方法72-73
• 4.2.3 莫尔条纹分析方法73-74
• 4.2.4 共轭射线方法74-76
• 4.2.5 能量分辨方法76-78
• 第5章 角度信号响应成像理论及噪声分析78-98
• 5.1 角度信号响应模型78-82
• 5.2 基于角度信号响应理论的信息提取算法82-89
• 5.2.1 衍射增强成像82-88
• 5.2.2 光栅相衬成像88-89
• 5.3 噪声分析89-96
• 5.3.1 相关噪声分析工作89-92
• 5.3.2 角度信号响应理论的噪声分析92-96
• 5.4 角度信号响应理论的推广96-98
• 第6章 X射线微分相位衬度成像与CT技术的结合98-118
• 6.1 吸收CT98-101
• 6.2 相位CT101-110
• 6.2.1 希尔伯特变换101-104
• 6.2.2 光栅相位CT的噪声特性分析104-108
• 6.2.3 模拟实验验证108-110
• 6.3 散射CT110-115
• 6.4 几个设想115-118
• 6.4.1 角度信号响应理论结合阶梯光栅115-116
• 6.4.2 将阶梯光栅集成进探测器116
• 6.4.3 阶梯光栅结合螺旋CT116
• 6.4.4 电磁相步进结合交错相步进116-118
• 第7章 总结与展望118-122
• 参考文献122-128
• 附录128-138
• 致谢138-140
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果140

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本文编号：792889