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。     

关于X射线同轴位相衬度成像的研究

利用模糊函数对部分相干源相X射线衬成像进行了详细的理论分析.列举了不同条件下的实验结果.通过与吸收成像相比较,相衬成像无疑对生物样品的内部结构有更高的对比度和可见度.     

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.     

代数迭代重建算法在折射衬度CT中的应用

X射线折射衬度CT是一种基于相位衬度的断层成像技术,特别适合对由轻元素组成的生物、医学样品进行成像,可以观察到常规吸收衬度CT无法观察到的软组织内部微细结构,是一种具有巨大发展潜力的新成像方法.迭代重建算法和解析重建算法是计算机断层成像技术中并行发展的两种算法,虽然已经提出了几种X射线折射衬度CT的解析重建算法,可是还未见X射线折射衬度CT迭代重建算法的报道.研究了代数迭代重建算法在X射线折射衬度CT中的应用,比较分析了不同的投影数据排列方式对于折射衬度CT重建图像的影响,并对实验数据进行了图像重建,获得了满意的CT图像.研究结果表明,在相位衬度CT中,迭代重建算法相对于解析重建算法而言,能减少投影次数,降低曝光剂量,减少对生物样品的辐射损伤,在生物样品成像和投影数据不完整的情况下具有明显的优势. 关键词： 衍射增强成像 代数迭代算法 CT重建 同步辐射     

无吸收光栅的X射线相位衬度成像实验研究

通过对基于空间相干源和具有分析光栅功能的X射线转换屏的微分干涉X射线相位衬度成像 系统的理论分析, 利用线发射体阵列结构阳极X射线管和光助电化学刻蚀技术 研制的相位光栅和具有分析光栅功能的X射线转换屏, 组建了一种无吸收光栅的X射线微分干涉相衬成像系统. 在此系统上开展了生物样品的实验研究, 获得了较传统吸收成像更为清晰和更多样品结构信息的相位衬度图像. 从而试验验证了该系统方案设计的可行性, 为X射线相衬成像技术从实验室走向临床应用提供了有效途径.     

基于光栅相衬成像的扇束螺旋CT重建算法

X射线相位衬度成像具有极高的灵敏度,能探测到轻元素样品的内部结构,在医学、生物学和材料科学等众多领域显示出良好的应用前景。光栅成像模式可使用非相干光源进行X射线相位衬度成像,开创了非相干光源相衬成像新纪元。将螺旋CT的概念引入光栅相衬成像领域,将螺旋CT的高效率优势与光栅相位成像的高衬度优势相结合,发展X射线螺旋相位CT方法。通过分析螺旋轨迹非相干光源相位成像的特点,提出一种扇形束螺旋条件下的相位信息提取方法;而后借鉴希尔伯特滤波反投影重建算法的思想,得到扇形束螺旋相位CT重建算法。该算法利用折射角像直接重建物体的相位项。计算机仿真实验证明了该算法的有效性。     

X射线光栅相位成像的理论和方法

通过对X射线光栅相位衬度成像实验装置的理论分析,提出了光栅位移曲线的表达式,推导出了X射线光栅相位衬度成像方程.根据该成像方程,提出了基于光栅成像相位提取方法.这些理论结果将简化光栅相位衬度成像实验步骤,提高信息获取效率,并为X射线光栅相位衬度成像和计算机断层成像的结合,进一步提出光栅相位衬度CT的简化理论奠定基础. 关键词： X射线 相位衬度成像 光栅衍射 Talbot效应     

相移吸收二元性算法用于X射线混合衬度定量显微CT的可行性研究

本文采用相移吸收二元性(PAD)相位恢复算法来实现混合 衬度样品内部不同密度组分的定量成像, 采用数字模拟和实验研究验证该方法的可行性. 模拟结果表明, 对于三种不同材料其重构误差均小于1%, 且误差值随材料折射率的增大而减小. 利用上海光源X射线成像线站开展了实验研究, 结果表明用单距PAD相位恢复算法可获取样品的定量信息. 与模拟结果相比, 实验中的重构精度相对较低, 环状伪影可能是影响精度的主要原因. 模拟和实验研究过程中, 均只采用了一组单距投影数据. 可以认为, 相移吸收二元性算法可用于混合衬度样品的定量信息分析研究. 由于剂量相对较低, 应可适合于软组织和骨骼同时存在时生物医学样品的定量相衬CT研究.     

微焦点源X射线相衬成像技术

 相衬成像方法利用硬X射线对低密度弱吸收物质成像，可获得高衬度图像。用菲涅尔衍射理论分析了X射线图像的形成机理。在频域中根据光学传递函数，对物像距离、样品空间频率等对图像相位衬度的影响进行了分析。分辨率和衬度是决定图像可见度的两个依据，分辨率主要依赖于光源的空间相干性，空间相干性又决定于源点尺寸，而时间相干性（单色性）是一个不重要的影响因子。利用多色微焦点源实现了X射线相衬成像技术，获得了有价值的相衬图像，如低原子序数低密度泡沫材料的硬X射线相衬图像，与吸收衬度成像相比，其图像质量得到了很大提高，能观察到泡沫材料的细微结构，分辨率可达μm量级。     

免分析光栅一次曝光相位衬度成像方法

X射线光栅微分相位衬度成像技术可以观察到常规吸收衬度成像难以分辨的弱吸收物质的精细结构信息,因而在医学、材料学等研究领域具有巨大的应用前景.但传统的X射线光栅微分相位衬度成像技术由于采用分析光栅作为空间滤波器,需要采用相位步进法扫描分析光栅来获得样品的多张投影图像才能够分离出样品的吸收、折射和散射信息,因此存在样品曝光时间长、辐射剂量高以及X射线光通量利用率低等问题,限制了其在各个学科领域的应用研究.为克服上述问题,本文提出一种基于免分析光栅相位衬度成像系统的一次曝光样品信息提取算法.该算法只需要利用一块相位光栅,进而采用高分辨探测器进行样品投影数据的一次采集即可提取样品的吸收、折射和散射信息.理论和模拟研究结果表明:与传统相位步进法相比,该算法具有样品信息提取精度高,且不受光栅的自成像周期需为探测器像素尺寸的整数倍条件的限制.此外,该算法还能够有效地减少对生物样品的辐射损伤,因此在生物医学成像等研究领域中具有广泛的应用前景.     

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.     

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     

Experimental verification of negative refraction in a double cross metamaterial

We report on microwave experiments with a metamaterial composed of pairs of metallic crosses. The transmission properties of the structure show a left-handed transmission band at frequencies around 10.2 GHz. The validity of the negative effective index of refraction is verified by a Snell’s law refraction experiment performed on a wedge-shaped sample of the metamaterial. A second measurement of a similar wedge made from blank FR4 boards is done for reference. The results of the measurements show positive refraction over the whole measured frequency band for the FR4 wedge as well as the refraction of the incident radiation to negative angles within the designated left-handed frequency band for the metamaterial sample.     

Quantitative evaluation of equatorial small-angle X-ray scattering for cylindrical fibers

Elongated microvoids, internal fibrillar structure, and edge scattering from both surface refraction cause an equatorial streak in small angle X-ray scattering. A model for analyzing the edge scattering of fibers is proposed. Simulation results indicate that the intensity of edge scattering from surface refraction of a cylindrical fiber is strong and makes an important contribution to the equatorial streak. Two factors influence edge scattering intensity. One is the sample-to-detector distance (D); edge scattering intensity increases with increasing D. The equatorial streak becomes weak when D is shortened. The other factor is the refraction index. Edge scattering intensity increases as the real component of the refraction index decreases. In experiment, weak or even no equatorial streaks were found for samples measured in a roughly index-matching fluid. Edge scattering can be eliminated or weakened, and it can be calculated by comparing the intensities of a cylindrical fiber when it is measured in air and in index-matching fluid. The simulation data are basically in agreement with the experimental data.     

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.     

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.     

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.     

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     

缺陷对左手材料负折射的调控行为

采用电路板刻蚀技术制备左手材料样品，由劈尖法分别研究了无缺陷和引入缺陷时左手材料的负折射特性.实验结果表明，引入两种点缺陷材料与无缺陷材料的功率峰值之比分别为1.035和1.256，且负折射率的绝对值分别增大了9.6%和19.6%；引入空位缺陷材料与无缺陷材料的功率峰值之比最大为1.973，最小为0.364，负折射率的绝对值最大增大了68.3%，最小增大了9.6%.缺陷的存在改变了左手材料周期性结构，形成新的电磁谐振条件，使其负折射率和功率峰值发生了变化，实现了对左手材料负折射率的调控. 关键词： 左手材料 负折射 缺陷