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     

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.     

同步辐射硬x射线衍射增强成像新进展

对于相位衬度成像的实验方法研究及其在医学、材料等领域的应用研究已成为国际上研究的热点.衍射增强成像方法(DEI)作为其中的一种方法通过测量相位衬度的一阶导数而成像.在北京同步辐射装置(BSRF)4W1A束线上，对衍射增强成像方法进行了研究，并对一系列生物医学样品及材料样品成像，得到了非常清晰的相位衬度图像. 关键词： 衍射增强成像 同步辐射 硬x射线     

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     

相干衍射成像的相位复原及重建

相干衍射成像是一种对材料体密度敏感的超高分辨成像技术。相较于传统表面敏感的超高分辨成像技术,相干衍射成像利用了硬X射线的强穿透能力,可以深入材料体内部进行成像,且成像分辨能力可以根据成像布局进行调整,最高达到原子级空间分辨能力。这种灵活的空间分辨调整依赖于相干衍射成像独特的相位复原技术,即通过对图像成像强度的过采样,利用含约束的迭代算法同时获得光场的强度及相位,进而对样品进行重建;同时结合图像定向及组合技术,相干衍射成像可以实现对样品的三维重建。本文主要从成像原理、复原算法和重建方法介绍相干衍射成像技术,并结合实验进展及模拟研究展示该技术在多种重建情形下具备的诊断能力,以期较为全面地给出相干衍射成像技术的发展趋势。     

光栅成像的锥束相位CT重建算法

X射线相位衬度成像对弱吸收物质有着独有的高密度分辨率,在医学、生物学、材料学等领域显示出良好的应用前景.但是其中的干涉成像法、衍射增强成像法和同轴成像法具有一定局限性,难以被广泛应用.光栅成像克服了以往相位衬度成像的缺陷,也使相位衬度成像向锥束成像发展成为可能.本文致力于锥束相位X射线计算机断层摄影术(CT)重建算法的研究,根据基于光栅的锥束相位成像的特点,利用吸收CT中FDK (Feldkamp-Davis-Kress)重建算法的思想,发展出适用于锥束相位成像的CT重建方法.该方法为滤波反投影类型,以相位一阶导数像为投影值,直接重建物体的相位项.通过仿真验证了算法的正确性.     

相干X射线衍射成像三维重建的数字模拟研究

利用相干X射线衍射成像“过采样”采集样品的远场相干衍射图样, 结合相位重建迭代算法重建物空间样品信息. 三维重建过程中, 边界约束条件是相位重建算法中最为关键的部分. 本文采用数字模拟的方法, 利用灰度值图像作为物空间的样品, 研究并实现了边界条件的自动寻找, 重建结果显示比以往采用较“松”的边界约束更为精确. 利用噪声模拟方法, 研究了衍射图样中不同噪声类型的滤除对重建结果的影响. 研究发现传统的去噪方法在高噪声情况下不能直接应用于相干X射线衍射成像, 并找到了适用于相干X射线衍射成像噪声滤除的有效方法. 研究表明, 此方法能非常有效地降低噪声对重建结果的影响. 利用模拟三维纳米金颗粒作为样品, 完成了对纳米金颗粒中电子密度分布的三维重建, 在有随机噪声的影响下, 也得到了很好的重建结果, 并找到了成功实现三维重建的噪声限为信噪比不低于27. 关键词： X射线相干衍射成像 过采样 三维相位重建 显微成像     

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.     

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     

干涉型计算层析成像光谱仪的图像重建

针对干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)提出了一种光谱图像数据立方体的重建方法。干涉型计算层析成像光谱仪是一种将空间调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理相结合的一种新型成像光谱仪,具有高通量、高光谱分辨力以及高空间分辨力的特点。分析和讨论了干涉型计算层析成像光谱仪的工作原理以及获取图像的特征,介绍了光谱图像数据立方体的重建方法。根据多角度投影数据的特点提出采用卷积反投影计算层析成像图像重建算法,给出了图像重建步骤以及相应的数学表达式。对D65光源照明条件下的396×396像素目标进行了仿真实验,投影角度为0~180°,步长为0.5°,列出了仿真实验部分结果。实验结果验证了干涉型计算层析成像光谱仪及其图像重建算法的可行性。     

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.     

基于平均吸收的太赫兹波振幅成像研究

提出了一种基于一定频率内平均吸收的太赫兹(THz)波振幅成像新方法。太赫兹波频率在0.1～10 THz之间,波段位于红外和微波之间。太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大,如何对每个样品点的大量信息进行处理提取有用信息重构出样品的图像是一项关键技术。选用中间挖空有“THz”字样的白纸为样品作太赫兹波成像研究,首先探讨了时域和频域上几种常用太赫兹波振幅成像方法所反映的样品信息及其特点,进一步使用提出的基于一定频率内平均吸收的太赫兹波振幅成像新方法对样品进行图像重构。实验结果表明这种新方法可以很好的反映样品的真实信息,反映了样品在一定频率范围内由于吸收而引起的效果的综合,与吸收系数和厚度相关,离散效应得到了很好的消除,相对几种常用的太赫兹波振幅成像方法能够得到更清晰的图像。此新方法尤其适用于结构简单的样品,能够成为几种常用振幅成像方法的有力补充。     

基于Hartley变换的磁共振成象

许多磁共振成象的应用场合需要利用正交双通道来采集一个具有时间和空间分辨力的对象序列。传统的基于Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的成象方法，一方面，图象序列的重建时各帧图象是独立地进行重建的，因而图象序列的时间分辨力受到编码的限制；另一方面，来自两个通道之间的Ｆａｒｔｌｅｙ变换的磁共振成象技术。     

Cosine fitting radiography and computed tomography

A new method in diffraction-enhanced imaging computed tomography(DEI-CT) that follows the idea developed by Chapman et al.[Chapman D,Thomlinson W,Johnston R E,Washburn D,Pisano E,Gmur N,Zhong Z,Menk R,Arfelli F and Sayers D 1997 Phys.Med.Biol.42 2015] in 1997 is proposed in this paper.Merged with a "reverse projections"algorithm,only two sets of projection datasets at two defined orientations of the analyzer crystal are needed to reconstruct the linear absorption coefficient,the decrement of the real part of the refractive index and the linear scattering coefficient of the sample.Not only does this method reduce the delivered dose to the sample without degrading the image quality,but,compared with the existing DEI-CT approaches,it simplifies data-acquisition procedures.Experimental results confirm the reliability of this new method for DEI-CT applications.     

Modified computational integral imaging-based double image encryption using fractional Fourier transform

In this paper, we propose an image encryption technique to simultaneously encrypt double or multiple images into one encrypted image using computational integral imaging (CII) and fractional Fourier transform (FrFT). In the encryption, each of the input plane images are located at different positions along a pickup plane, and simultaneously recorded in the form of an elemental image array (EIA) through a lenslet array. The recorded EIA to be encrypted is multiplied by FrFT with two different fractional orders. In order to mitigate the drawbacks of occlusion noise in computational integral imaging reconstruction (CIIR), the plane images can be reconstructed using a modified CIIR technique. To further improve the solution of the reconstructed plane images, a block matching algorithm is also introduced. Numerical simulation results verify the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

基于声透镜的三维光声成像技术

基于声透镜的光声成像系统中, 由样品的光声压分布等效样品的吸收分布, 进行光声像重建, 但之前的这种等效是一种近似, 理论上并不准确. 本文阐述了声透镜三维光声成像的基本原理, 揭示了声透镜像面上光声压信号的时间分布与样品轴向吸收分布之间的关系; 提出用积分法和希尔伯特变换提取光声信号瞬时值法, 解调样品吸收系数分布并重建光声像; 实验上, 对不同样品分别用积分法和希尔伯特变换法获取样品的吸收系数, 重建光声像的横向和轴向分辨率均约为1 mm, 实现了真正的三维快速光声成像.     

Three-dimensional free view reconstruction in axially distributed image sensing

In this Letter, we propose a three-dimensional(3D) free view reconstruction technique in axially distributed image sensing(ADS). In typical integral imaging, free view reconstructed images can be obtained by tilting all elemental images or tilting the reconstruction plane due to large lateral perspectives for 3D objects. In conventional ADS, the reconstructed images at only a front view can be generated since the sensor is moved along with its optical axis so that it has small lateral perspectives for 3D objects. However, the reconstructed 3D images at any viewing point may be obtained because the virtual viewing camera may capture these slightly different perspectives for 3D objects. Therefore, in this Letter, we employ the virtual viewing camera to visualize the 3D images at the arbitrary viewing point. To support our proposed method, we show the experimental results.     

Single‐cell resolution in high‐resolution synchrotron X‐ray CT imaging with gold nanoparticles

Gold nanoparticles are excellent intracellular markers in X‐ray imaging. Having shown previously the suitability of gold nanoparticles to detect small groups of cells with the synchrotron‐based computed tomography (CT) technique both ex vivo and in vivo, it is now demonstrated that even single‐cell resolution can be obtained in the brain at least ex vivo. Working in a small animal model of malignant brain tumour, the image quality obtained with different imaging modalities was compared. To generate the brain tumour, 1 × 10⁵ C6 glioma cells were loaded with gold nanoparticles and implanted in the right cerebral hemisphere of an adult rat. Raw data were acquired with absorption X‐ray CT followed by a local tomography technique based on synchrotron X‐ray absorption yielding single‐cell resolution. The reconstructed synchrotron X‐ray images were compared with images obtained by small animal magnetic resonance imaging. The presence of gold nanoparticles in the tumour tissue was verified in histological sections.