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.     

Performance analysis of quantitative phase retrieval method in Zernike phase contrast X-ray microscopy

Since the invention of Zernike phase contrast method in 1930,it has been widely used in optical microscopy and more recently in X-ray microscopy.Considering the image contrast is a mixture of absorption and phase information,we recently have proposed and demonstrated a method for quantitative phase retrieval in Zernike phase contrast X-ray microscopy.In this contribution,we analyze the performance of this method at different photon energies.Intensity images of PMMA samples are simulated at 2.5 keV and 6.2 keV,respectively,and phase retrieval is performed using the proposed method.The results demonstrate that the proposed phase retrieval method is applicable over a wide energy range.For weakly absorbing features,the optimal photon energy is 2.5 keV,from the point of view of image contrast and accuracy of phase retrieval.On the other hand,in the case of strong absorption objects,a higher photon energy is preferred to reduce the error of phase retrieval.These results can be used as guidelines to perform quantitative phase retrieval in Zernike phase contrast X-ray microscopy with the proposed method.     

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.     

硬X射线光栅微分干涉相衬成像两步相移算法的理论与实验研究

针对硬X射线光栅微分干涉相衬成像在实际应用中对低辐射剂量和快速获取图像的要求, 通过对实验系统的理论分析和参数优化设计, 采用了两步相移算法用于提取物体相位信息. 这种方法可以有效降低X射线对物体的辐射剂量, 大大提高恢复相位信息的速度, 为X射线光栅相衬成像在未来的医疗和工业中的应用奠定基础. 关键词： 光栅干涉 X射线相衬成像 两步相移算法     

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.     

A comparison of iterative algorithms and a mixed approach for in-line X-ray phase retrieval

Previous studies have shown that iterative in-line X-ray phase retrieval algorithms may have higher precision than direct retrieval algorithms. This communication compares three iterative phase retrieval algorithms in terms of accuracy and efficiency using computer simulations. We found the Fourier transformation based algorithm (FT) is of the fastest convergence, while the Poisson-solver based algorithm (PS) has higher precision. The traditional Gerchberg-Saxton algorithm (GS) is very slow and sometimes does not converge in our tests. Then a mixed FT-PS algorithm is presented to achieve both high efficiency and high accuracy. The mixed algorithm is tested using simulated images with different noise level and experimentally obtained images of a piece of chicken breast muscle.     

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.     

X射线相位衬度成像

文章使用形象、生动、通俗、易懂的语言,介绍X射线相位衬度成像的基本概念,物理思想和方法,其中包括X射线的基本性质、光的波粒二象性、同步辐射X射线光源和常规非相干X射线光源的相位相干性,以及X射线相位衬度成像方法、三维成像的基本原理和相位衬度成像的最新进展,将抽象的相位、相位一阶导数和相位二阶导数概念与形象的光波阵面平移、倾斜和弯曲等形变联系在一起,着重介绍相位衬度成像发展中的创新思想,力图使读者能分享人类文明在这个学科发展中积累的精神财富.     

近场X射线位相衬度成像及位相恢复算法

理论分析了X射线衍射位相成像和近场位相恢复算法。定义了一个最佳成像距离，给出了基于最佳成像距离和特征空间频率的衍射场光强分布新的表达形式。基于模拟位相物体给出了数值模拟结果。由此得出了探测距离和多色辐照对相衬图像和位相恢复结果的影响。本文给出的结果将对同轴x射线相衬成像实验具有一定的指导作用。     

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.     

X射线光栅微分相衬成像视场分析

X射线光栅微分相衬成像对由轻元素构成的物质的内部探测具有传统吸收成像无法比拟的优势, 尤其在癌症的早期诊断和轻元素材料及器件的无损检测等领域应用潜力巨大. 大视场成像是影响该技术从实验室走向实际应用的重要因素. 针对大视场成像的客观需求, 基于菲涅耳衍射原理和光栅结构特征, 建立了量化物理模型用于分析影响成像视场的因素, 提出了实现大成像视场的有效途径, 为未来大视场光栅微分相衬成像方法的设计和应用提供理论依据.     

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.     

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.     

双层塑料靶丸的X射线相衬成像

 为对微聚焦X射线相衬成像技术应用于双层以及多层塑料靶丸成像和特征分析进行可行性研究,基于类同轴X射线成像技术,综合考虑成像放大倍数、分辨率和衬度等因素,选择合适的实验参数,成功获得了较为清晰的双层塑料靶丸X射线相衬成像照片;采用数字图像处理技术的图像分割手段,如拉普拉斯高斯边缘检测法等对所成像中靶丸边界特征进行分析处理,获得了双层靶丸内层厚度为（10.5±0.6） μm,外层厚度为（9.2±0.7） μm,靶丸外径为（273.3±1.0） μm等参数。     

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。     

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。     

硬X射线微分相衬成像的噪声特性分析

量子噪声引起光强随机波动是影响X射线相衬图像质量的一个重要因素.提出了一种针对硬X射线微分相衬成像噪声特性的分析方法,通过数值模拟获得了量子噪声对成像结果的作用规律.模拟结果表明,折射像和散射像的噪声均方差与叠栅条纹对比度成反比关系,叠栅条纹对比度越大,统计所得的均方差值越小.在保证X射线探测效率的前提下,提高叠栅条纹对比度将有利于获得高质量的相衬图像,并为有效减少X射线曝光剂量提供条件.     

聚合物泡沫结构及密度分布的相衬CT表征技术

阐述了利用X射线相衬成像技术研究高分子有机泡沫材料微观结构的原理及方法,理论分析及实验结果表明,X射线相衬成像方法可以在相当大的程度上提高低Z聚合物泡沫材料的成像衬度。将相衬成像技术与计算机层析成像技术相结合,获得了泡沫样品的3维骨架结构分布,同时,提出利用统计切片骨架"粒子"质心分布的方法来表征其密度分布均匀性。结果说明,该方法能够在微观层次上实现对泡沫样品3维密度分布的完备表征。     

X射线相衬成像法检测内爆靶参数

理论分析了利用X射线同轴离焦相衬成像法测量金黑腔内塑料中心微球位置的可行性,在此基础上进行了实验研究。实验结果证明,由于低Z低密度材料对高能X射线有相位调制作用,因此仍能够形成一定的图像反差,这种效应并不依赖X射线的能量,因此在一定的尺度范围内,可以实现高Z高密度材料与低Z低密度材料在高能X射线下同时成像,克服了传统吸收成像的不足,最终实现了内爆靶装配参数的精密检测。