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.     

基于迭代重建算法的X射线光栅相位CT成像

基于光栅干涉仪的X射线成像技术可以同时获得样品内部的吸收信息、相位信息和散射信息,既保持了传统X射线衰减成像的优点,又拥有相衬成像和散射成像的优势.然而基于传统CT重建算法的X射线光栅成像需要采集大量完整的原始投影数据,数据采集时间过长从而使得物体接受很大的辐射剂量,难以在实际中应用.提出基于传统代数迭代重建算法的光栅成像技术.该方法利用现有X射线光栅成像系统采集少量原始投影数据,基于传统代数迭代重建算法,对旋转变化的相位数据进行CT重构,同时基于傅里叶变换的方法对微分相位数据进行相位恢复.模拟和实验结果表明,基于少量或不完备的原始投影数据,该方法能够准确重构成像对象的吸收、柑位和散射三维信息,同时还能对微分相位切片进行高信噪比的相位恢复,得到样品折射率实部衰减率,为X射线光栅成像技术在工业、生物和医学诊断等领域的应用提供理论和技术支撑.     

双能X射线光栅相衬成像的研究

X射线光栅相衬成像存在系统复杂、成像效率低、步进精度要求高、光栅加工难度大等问题.本文设计了一种双能阵列X射线源和双能分析光栅,并应用于X射线光栅相衬成像,提出了一种双能X射线光栅相衬成像系统,阐述了该成像系统的成像原理和相位信息提取方法.提出的成像系统不需要精密步进平台,精简了成像系统,避免了步进误差导致的成像质量降低问题;两次曝光就可以成像,提高了成像效率;双能阵列X射线源、双能分析光栅的应用避免了源光栅、分析光栅难以加工的问题.对提出的成像系统及其相位提取方法进行了仿真,仿真结果显示成像系统可以正常成像,提取到的检测样本的X射线相衬成像相位一阶导数分布与相关文献实验所得结果一致.     

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。     

单光栅相衬成像莫尔伪影的理论分析与消除

与传统相衬成像方法相比,基于傅里叶变换的X射线单光栅相衬成像技术具有辐射剂量低、成像速度快等优势,在材料、医疗等领域具有广阔的应用前景。物体频谱信息的获取是利用该技术恢复相位的关键步骤,但其提取过程容易受到莫尔伪影的影响而导致成像质量下降,限制了该方法的发展应用。针对上述问题,基于莫尔伪影的理论分析和成像系统的结构特征,提出了旋转光栅和调节光栅投影频率两种方案来消除伪影,并在实验上成功验证了它们的可行性,为X射线单光栅相衬成像的推广应用提供了参考。     

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.     

复合组分材料的X射线定量相衬成像研究

对复合组分材料的应用和需求日益广泛,但如何精确地测量其定量结构信息仍是一个亟待解决的难题.建立了复合组分结构模型,利用X射线同轴相衬成像和相位恢复方法,分别进行了计算机模拟和实验研究,系统地分析了复合组分材料不同的密度差异对X射线相衬成像和相位恢复精度的影响以及噪声对定量相位恢复的影响.实验结果表明,利用X射线定量相衬...     

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     

铋光栅X射线相衬成像条纹对比度的定量计算

吸收光栅是X射线相衬成像系统的关键器件,铋吸收光栅由于其制作成本低廉且适于在普通实验室开展制作而受到青睐。提出了一种针对铋光栅X射线相衬成像条纹对比度的定量计算方法,通过建立模型,数值计算了不同铋层厚度的吸收光栅所对应的叠栅条纹对比度,并比较了π和π/2相位光栅两种情形下的结果。结果显示,随着吸收光栅铋层厚度的增加,条纹对比度逐渐增加,当源光栅和分析光栅的铋层厚度分别达到150μm和110μm时,利用π相位光栅在40kV管电压下其条纹对比度可达48%,60kV管电压下其条纹对比度只能达到22%。而在两个吸收光栅铋层厚度相同的情况下,采用π/2相位光栅所得条纹对比度略优于π相位光栅的结果。对铋光栅X射线相衬成像条纹对比度的计算分析,可作为X射线相衬成像系统设计的参考依据,推动该成像技术走向实用化。     

中能X射线光栅相衬显微成像分析及模拟

理论分析了基于相位光栅分数塔尔博特效应的X射线相衬显微成像原理,采用菲涅耳衍射公式推导出相位光栅在两个不同距离处的成像结果公式.然后建立一个水合蛋白质细胞模型,对成像系统进行了参数设计,得出1～2 keY的中能波段X射线是兼顾大景深和高成像衬度的最优选择.针对10μm厚的细胞模型,选取1.5 keY的中能X射线做模拟计...     

优化X射线同轴相位衬度成像的理论研究

采用同轴相位衬度成像方法，基于PGW理论获得的频域相位衬度传递函数，对于理想光源和多色X射线源，用计算机模拟分析了如何选择物像距离和空间频率以获取最佳相位衬度像。实际应用中要综合考虑具体成像实验装置对于物像距离的可调范围以及成像分辨率的要求。对于具有一定谱宽的X射线源，应选择谱宽尽量小的源，以获得含信息量丰富、分辨率高的图像。     

A new method for information retrieval in two-dimensional grating-based X-ray phase contrast imaging

Grating-based X-ray phase contrast imaging has been demonstrated to be an extremely powerful phase-sensitive imaging technique.By using two-dimensional(2D) gratings,the observable contrast is extended to two refraction directions.Recently,we have developed a novel reverse-projection(RP) method,which is capable of retrieving the object information efficiently with one-dimensional(1D) grating-based phase contrast imaging.In this contribution,we present its extension to the 2D grating-based X-ray phase contrast imaging,named the two-dimensional reverseprojection(2D-RP) method,for information retrieval.The method takes into account the nonlinear contributions of two refraction directions and allows the retrieval of the absorption,the horizontal and the vertical refraction images.The obtained information can be used for the reconstruction of the three-dimensional phase gradient field,and for an improved phase map retrieval and reconstruction.Numerical experiments are carried out,and the results confirm the validity of the 2D-RP method.     

X射线相衬成像

本文介绍了近年来X射线位相衬度成像技术的发展状况，详细论述了X射线干涉相衬、衍射增强相衬，类同轴相衬和数字位相重构等几种典型的成像原理，讨论了影响成像衬度与分辨率的若干因素，并对位相成像的发展趋势作了展望。     

A variable-wavelength-based approach of phase retrieval for contrast transfer function based methods

X-ray phase-contrast imaging has emerged as an important method for improving contrast and sensitivity in the field of X-ray imaging. This increase in the sensitivity is attributed to the fact that, in the hard X-ray regime, the phase shift is more prominent as compared with the attenuation for materials having a low X-ray absorption coefficient. Among all the methods using the X-ray phase-contrast technique, in-line phase-contrast imaging scores over the other methods in terms of ease of implementation and efficient use of available X-ray flux. In order to retrieve the projected phase map of the object from the recorded intensity pattern, a large number of algorithms have been proposed. These algorithms generally use either the transport of intensity or contrast transfer function based approach for phase retrieval. In this paper it is proposed to use multiple wavelengths for phase retrieval using the contrast transfer function based formalism.     

X射线相衬成像应用于惯性约束核聚变多层球壳靶丸检测

随着惯性约束核聚变(ICF)研究的逐步深入,尤其是氘氚(DT)燃料层球壳梯度掺杂的广泛应用,对轻物质界面的诊断需求日益增长.在北京同步辐射形貌成像站的微米CT机上利用类同轴相衬成像方法获取了三层球壳靶丸的相衬图像,最佳空间分辨率达到了2μupm,衬度达到12%;通过分析边缘增强函数和衬度传递函数之间的关系,总结出一套完整的类同轴相衬成像方法,同时将相衬成像结果与吸收成像结果对比.实验结果表明,X射线相衬成像在轻物质界面的分辨中具有明显的优势,能够广泛应用于ICF研究、医学断层扫描CT装置和生物结构等前沿科学领域.     

X射线相衬成像技术应用于高能量密度物理条件下内爆靶丸诊断

内爆压缩过程中多层球壳靶丸变化规律的研究是惯性约束聚变的核心内容. 利用相衬成像技术可以提高低Z材料分界面成像衬度的特点在神光Ⅱ大型激光装置上开展了相关研究. 实验通过激光打Ti靶和针孔点背光的方式产生4.75 keV的X射线微点源, 针对内爆压缩过程中的靶丸样品投影成像获得了清晰的多层球壳靶丸图像, 空间分辨率优于10 μm.同时利用一维流体力学数值模拟程序分析了球壳运动的过程, 实验结果与数值模拟结果符合较好.表明了X射线相衬成像技术在高能量密度物理环境下仍然能够提高低Z材料分界面的衬度,获得高质量的物理图像,能够广泛应用于可控聚变能源、 天体物理等前沿科学领域.     

X射线相衬成像中靶丸球壳界面晕区暗区现象

在微聚焦X射线以及等离子体X射线源平台上开展了多层球壳靶丸的相衬成像实验。实验结果表明,通过相衬成像能够获得清晰的多层球壳靶丸图像并观察到球壳内外表面晕区暗区现象。根据光的折射原理解释了该晕区暗区现象产生的物理机制。实验结果与几何模型计算结果符合较好。     

The impact on the X-ray phase contrast imaging clarity of the light source area

Based on the partially coherent optical theory, a new theoretical model is established about the X-ray light source radius of X-ray phase contrast imaging system. Through the integral phase contrast modulation transfer function, a comprehensive analysis about the light source radius is made. Then the light source radius selection methods are investigated. Finally, an actual imaging experiment is shown to confirm the choice method of light source radius in X-ray phase contrast imaging system.