X-ray diffraction enhanced imaging study of intraocular tumors in human beings

Diffraction enhanced imaging （DEI） with edge enhancement is suitable for the observation of weakly absorbing objects. The potential ability of the DEI was explored for displaying the microanatomy and pathology of human eyeball in this work. The images of surgical specimens from malignant intraocular tumor of hospitalized patients were taken using the hard X-rays from the topography station of Beamline 4W1A at Beijing Synchrotron Radiation Facility （BSRF）. The obtained radiographic images were analyzed in correlation with those of pathology. The results show that the anatomic and pathologic details of intraocular tumors in human beings can be observed clearly by DEI for the first time, with good visualization of the microscopic details of eyeball ring such as sclera, choroids and other details of intraocular organelles. And the best resolution of DEI images reaches up to the magnitude of several tens of μm. The results suggest that it is capable of exhibiting clearly the details of intraocular tumor using DEI method.     

一种以超分辨率理论为基础的磁共振眼球成像方法

磁共振成像（MRI）是一种无电离辐射的非介入性的眼内肿瘤检测方法,但分辨率和运动伪影是成像过程中不易克服的困难．以往的扫描方法或是不可避免的引入运动伪影,或是需要受试者做精确的配合,增加了成像的难度,给受试者带来不舒适的体验．本文提出了一种以超分辨率理论为基础的新的磁共振眼球成像方法,使用一种特制的眼球线圈,对眼部区域扫描一系列动态的图像,使得不同方向上的采集分辨率互补．最后经过预处理、配准、超分辨率重建等操作,得到高质量的磁共振眼球图像．实验结果表明,这种方法可以在不需要受试者做额外配合工作的情况下,得到更加清晰的磁共振眼球图像．     

Improvement and error analysis of quantitative information extraction in diffraction-enhanced imaging

Diffraction-enhanced imaging （DEI） is a powerful phase-sensitive technique that provides higher spatial resolution and supercontrast of weakly absorbing objects than conventional radiography. It derives contrast from the X-ray absorption, refraction, and ultra-small-angle X-ray scattering （USAXS） properties of an object. The separation of different-contrast contributions from images is an important issue for the potential application of DEI. In this paper, an improved DEI （IDEI） method is proposed based on the Gaussian curve fitting of the rocking curve （RC）. Utilizing only three input images, the IDEI method can accurately separate the absorption, refraction, and USAXS contrasts produced by the object. The IDEI method can therefore be viewed as an improvement to the extended DEI （EDEI） method. In contrast, the IDEI method can circumvent the limitations of the EDEI method well since it does not impose a Taylor approximation on the RC. Additionally, analysis of the IDEI model errors is performed to further investigate the factors that lead to the image artifacts, and finally validation studies are conducted using computer simulation and synchrotron experimental data.     

X射线衍射增强成像中吸收、折射以及散射衬度的计算层析

X射线相位衬度成像是一种新型的X射线成像技术,通过记录射线穿过物体后相位的改变对物体进行成像,可以提供比传统的X射线吸收成像更高的图像衬度以及空间分辨力。衍射增强成像方法(Diffraction enhancedimaging,DEI)是X射线相位衬度成像方法之一,利用一块放置在物体和探测器之间的分析晶体提取物体的吸收、折射以及散射信息并进行成像。将衍射增强成像方法与计算机断层成像技术(Computerized Tomography)进行结合,利用吸收、散射以及折射信息,分别采用滤波反投影以及雷登(Radon)变换,对昆虫样品——蜜蜂进行计算层析重建,获得了好于X射线吸收计算层析的重建结果,验证了衍射增强成像信息分离计算层析的优越性。     

X射线衍射增强成像中的定量测量

提出了一种基于X射线衍射增强成像(DEI)断层计算机X射线层析术(CT)图像的物体尺寸精确测量方法.X射线衍射增强成像是一种基于相位衬度的成像技术.通过建立DEI的简化模型,研究衍射成像过程中品体转角、投影图像谷点位置、成像系统等效模糊等因素之间关系,由此具体探讨了系统模糊效应对圆物体边界成像带来的位置偏移,并以圆形被测样品为例.提出可精确测定直径的简单有效算法.通过理论仿真模型数据和北京同步辐射装置上的实测数据验证了该算法的精度.该方法实现了利用DEI图像对被测物体几何尺寸的精确测量,可用于对牛物组织样品等物体内部微小结构的尺寸的精确测量.     

同步辐射硬X射线衍射增强峰位成像CT研究

对于主要由轻元素组成的生物、医学样品,利用衍射增强成像技术可以观察到常规吸收成像无法观察到的内部微观结构,因而衍射增强成像具有较高的衬度和空间分辨率.选用苍蝇作为实验样品,在北京同步辐射装置上首次开展了衍射增强峰位成像CT实验.重建出的样品断层像显示其分辨率达到了几十μm水平.对于将衍射增强成像技术应用于生物和医学等领域具有重要意义.     

衍射增强成像提取多种信息的简便方法研究

衍射增强相位衬度成像中的信息分离研究一直以来都是相关研究人员重点关注的方向之一. 本文在利用余弦函数拟合衍射增强成像中的摇摆曲线的基础上, 推导出了峰位像、左腰像和右腰像的余弦函数表达式以及吸收像、折射角像和散射角方差像的解析表达式, 形成了一种基于衍射增强成像的简便信息分离方法. 该方法只需利用摇摆曲线左腰、右腰和峰位三幅图像, 就能提取出样品的吸收、折射和散射信息, 具有方法简便、样品所受辐射剂量低等优点. 对模型样品和真实样品的实验结果表明, 本文所提方法可成功对样品进行信息分离, 并且所获得的信息分离结果可以和目前常用的多图统计方法(至少需要7张图像)获得的实验结果相比较. 关键词： 衍射增强成像 相位衬度成像 样品信息提取     

Analysis of Purkinje images as an effective method for estimation of intraocular lens implant location in the eyeball

The implantation of an artificial intraocular lens (IOL) into a capsular bag in place of an extracted natural, but nontransparent lens is a standard therapy method in the case of cataract. Any decentration or tilt of the IOL can cause a deterioration of the retinal image quality, thus decreasing the vision quality. The analysis of the relative position of Purkinje images being a reflection of the point light source from the refracting surfaces of the eyeball determines the location of IOL inside the eye and thus enables to state its wrong or correct location. The paper describes the Purkinje experimental setup consisting of an illuminator (several infrared LEDs arranged in a circle), an imaging telecentric lens and image recording CCD camera and reports details of the system calibration The usefulness of the experimental setup has been proven both in laboratory conditions using artificial model of the eyeball and in measurements on human subjects. Simulations of the retinal image with different decentrations or tilts are shown.     

X射线衍射增强成像中的折射衬度

根据X射线在界面处的折射过程,推导出X射线在物体中折射偏转角度的表达式;从X射线双晶衍射的原理出发,讨论了衍射增强成像(DEI)技术的空间分辨率和电子密度的衬度分辨率,明确了折射衬度在DEI技术中的表现形式,并从实验上进行了验证.利用不同能量的X射线获得了人肝病理样品中血管的DEI清晰图像,讨论了折射衬度在其中所起的作用.     

旋转不变的非局域均值算法在磁共振图像去噪中的应用

磁共振成像（MRI）实验时常采用多次扫描累加平均提高图像信噪比（SNR）,但当扫描过程中运动引起图像变形时,简单地累加平均就无法奏效.为此,本研究组曾提出一种匹配加权平均方法（MWA）提高图像的信噪比.在此基础上,该文提出一种旋转不变的非局域均值算法（RINLM）,即选取圆形邻域区域并将其划分为一系列以中心像素为圆心的等面积圆环,再计算模式的相似性.RINLM算法可以更好地利用图像中旋转的冗余信息、找到更多的相似结构,提高算法的去噪性能.我们把该方法应用于低信噪比图像序列的平均和去噪中,可以更好地处理旋转的局部运动.与非局域均值算法（NLM）相比,RINLM算法可以进一步提高图像的信噪比;与MWA方法相比,其与RINLM算法的结合可以进一步提高磁共振图像序列信噪比,更好的保持图像边缘信息.     

X射线衍射增强成像中的信息分离和信息处理

人们已经利用X射线的高穿透性,发展了较为成熟的X射线成像理论和技术. X射线成像已经广泛应用于众多领域.传统X射线成像受生物样品中组织间吸收系数差别较小和散射噪声较大两个因素的限制,不易利用这种方法获得生物组织的信息. 衍射增强成像方法不但能将有害的散射噪声滤除,而且能利用样品的折射信息, 是一种具有发展潜力的新成像方法. 本文利用衍射增强成像, 通过在摇摆曲线不同部位成像, 然后对信息处理, 得到了清晰的吸收像、消光(小角散射滤除)像、小角散射(角)宽度像和折射像,最后通过一定的算法将各种成分的像合成, 形成细节部位清晰的合成伪彩色像.     

同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究

基于北京同步辐射装置(BSRF)开展了同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术(CT)研究.利用北京同步辐射的14 keV单色X射线作为光源,以高分辨能力的X射线胶片作为探测器,分别开展吸收衬度和同轴相位衬度成像的比较研究以及相位衬度计算机X射线断层摄影术研究.相位衬度计算机X射线断层摄影术重建采用Bronnikov提出的算法.结果显示,与传统的吸收衬度图像相比,相位衬度图像具有更好的衬度和更高的空间分辨力;实验获得人工样品和蝗虫的相位衬度计算机X射线断层摄影术重建图像.重建图像中可见样品的一些结构细节.实验结果表明,相位衬度X射线成像更适合于研究弱吸收或吸收差异很小的材料;利用北京同步辐射开展同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究是可行的.     

线焦斑X射线源成像

为解决普通X射线源光通量和空间相干性的矛盾,本文提出一种焦斑为线状的新型X射线源.理论上,本文所提的射线焦斑为理想的线,沿线方向上提供高通量光子;垂直线方向光源为空间相干光,可为系统提供高分辨率图像.沿着线方向上,图像会损失细节,为补偿该方向上图像的损失,利用旋转叠加的方法,重构出高分辨率图像.在频率域,分析了旋转叠加空间频率传递函数值的分布特性,其结果表明:相对单个图像,频率传递函数在频域的各个方向,传递函数特性有大幅度提高,从而可以传递图像高空间频率成分.基于普通X射线管,实现了该种射线源,并利用实验验证了该方法的有效性.     

衍射增强成像方法在计算机断层成像中的应用

衍射增强成像是X射线相位衬度成像方法之一，这种方法具有较高的衬度和空间分辨率. 利用它对由轻元素组成的生物、医学样品成像可以观察到常规吸收成像无法观察到的内部微细结构. 这种方法在生物、医学、材料科学等无损检测领域中的应用研究，已成为当前国际上X射线成像领域中的研究热点. 讨论衍射增强成像方法和该方法在计算机断层成像中的应用. 实验结果表明，使用衍射增强成像方法获得的数据源能够重建出微米级的生物组织结构，这些组织结构信息在常规X射线断层成像中是难以得到的. 关键词： 衍射增强成像 CT重建 同步辐射 微细结构     

多种图像采集策略下X射线折射信息的提取研究

不同的图像采集策略下,基于分析晶体相衬成像技术的折射信息提取方法(衍射增强成像法、广义衍射增强成像法、多图成像法)的折射角提取结果有明显的差异.与摇摆曲线腰位作为图像采集位置的传统策略相比,采集位置靠近摇摆曲线中轴时,衍射增强成像法能够提取得到更好的折射角结果.广义衍射增强成像法的三个图像采集位置相对摇摆曲线中轴对称时,折射角的提取结果好于采集位置非对称的结果,并且采集位置靠近摇摆曲线中轴时,折射角的提取结果好于摇摆曲线腰位或趾位的结果.对于多图成像法,相邻图像采集位置的角度间隔大于摇摆曲线半高全宽时,折射角提取结果非常差;而当角度间隔小于半高全宽并且图像采集位置对应的角度范围接近样品的最大折射角理论值时,能够获得很好的折射角提取结果.此研究有助于实验上对图像采集策略的合理选择以及对折射信息提取方法的更深理解.     

衍射增强成像中的折射角与边界可见度

X射线衍射增强成像技术可以精确得到样品内部结构的折射角信息, 对提高轻元素物质的成像衬度有着重要的意义. 本文对楔型和圆形两种模型样品进行了DEI实验的研究, 对3种不同能量的X射线均精确得到了样品的折射角信息, 与理论计算值吻合的很好. 利用边界可见度(Edge Visibility)对楔形样品进行了定量的分析. 结果表明, 对于特定折射角的界面, 能精确计算其最佳可见度的位置, 并与实验结果吻合的较好. 最后对一块实际医学肿瘤样品边界处的可见度进行了定量的研究, 讨论了获得最佳成像衬度的条件.     

衍射增强成像原理

研究了衍射增强成像过程中X射线与样品和晶体的相互作用,重点分析了小角散射对衍射增强成像的影响,为衍射增强成像方程补充了小角散射噪声项,建立了更普遍的衍射增强成像方程.根据新的衍射增强成像方程,推导出峰位像和腰位像的吸收衬度,消光衬度和折射衬度的数学表达,并讨论了两种合成像(表观吸收像和折射像)的衬度问题. 关键词： 相位衬度成像 同步辐射 晶体衍射 X射线照相术     

衍射增强成像信息分离方法研究

衍射增强成像（DEI）是一种功能强大的相位衬度成像技术,对于软组织,它能获得比基于吸收的传统X射线成像技术更高的衬度.研究了一种基于DEI的信息分离方法,它能同时获得三种参数图像,即吸收像、折射像和小角散射像.信息分离利用解析方程求解,获得的参数图像质量取决于在三个不同的分析晶体角度处获得的DEI图像.利用矩阵条件数对方程求解的稳定性进行了讨论,推导出理论上的折射角和小角散射宽度的最大值.最后,利用豚鼠耳蜗DEI图像对研究结果进行了验证. 关键词： 信息分离 衍射增强成像 矩阵条件数 豚鼠耳蜗     

Polynomial curve fitting method for refraction-angle extraction in diffraction enhanced imaging

X-ray diffraction enhanced imaging (DEI) is applied to inspect internal structures of weakly absorbing low-Z sample. How to extract phase information from raw images measured in different positions of rocking curve is the key problem of DEI. In this paper, we present an effective extraction method called polynomial curve fitting method, in order to extract accurate information angular in a fast speed. It is compared with the existing methods such as multiple-images statistical method and Gaussian curve fitting method. The experiments results on a plastic cylinder and a black ant at the Beijing Synchrotron Radiation Facility prove that the polynomial curve fitting method can obtain most approximate refraction-angle values and its computation speed is 10 times faster than the Gaussian curve fitting method.

     

Role of apparent diffusion coefficient values for the differentiation of viable and necrotic areas of breast cancer and its potential utility to guide voxel positioning for MRS in the absence of dynamic contrast-enhanced MRI data

We carried out retrospective analysis of apparent diffusion coefficient (ADC) values in 48 infiltrating ductal breast cancer patients who had dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging (DCEMRI; Group I) and in 53 patients (Group II) for whom DCEMRI data were not available. Twenty-three patients of Group I showed no necrosis (Group Ia), while in 25 patients, both viable (nonnecrotic) and necrotic tumor areas (Group Ib) were observed on DCEMRI. T1-weighted, fat-suppressed and short inversion recovery images were used to identify the viable and necrotic tumor areas in Group II patients, and necrosis was not seen in 11 patients (Group IIa), while 42 (Group IIb) showed both viable and necrotic tumor areas. The ADCs of the necrotic area of Group Ib (1.79±0.30 ×10(-3) mm(2)/s) and Group IIb (1.83±0.40 ×10(-3) mm(2)/s) patients were similar and significantly higher (P<.01) compared to the ADCs of the viable tumor area of Group Ia (0.96±0.21 ×10(-3) mm(2)/s) and Group IIa (0.90±0.17 ×10(-3) mm(2)/s) patients. Proton MR spectroscopy (MRS) data were also available in these patients, and the ADC values were retrospectively determined from the voxel from which MR spectrum was obtained. These values were compared with the ADC obtained for the viable and necrotic areas of the tumor. ADC of the MRS voxel was similar to that obtained for the viable tumor area in patients of both groups. This interesting observation reveals the potential utility of using ADC values to identify viable tumor area for positioning of voxel for MRS in the absence of DCEMRI data.