基于玻恩近似相位恢复的X射线显微CT实验研究

结合同轴X射线相位衬度成像(XPCI)中的Born近似相位恢复法和CT技术,实现了基于单一物像距同轴X射线相位衬度CT(IL-XPCT)投影图像的相位恢复切片重构方法。利用上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站的单色光开展模型和生物样品(蝗虫)IL-XPCT研究。对比显示,进行相位恢复后,能获得更好的IL-XPCT重构切片和三维重建图像。实验结果表明,本方法具有用于生物活体样品三维无损成像研究的潜力。     

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.     

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.     

采用吸收修正Bronnikov算法的有机复合样品的X射线显微计算机层析研究

有机复合样品如大多数由低原子序数物质构成的多聚物组合材料、生物软组织等具有混合相位和振幅特性,采用传统吸收计算机层析(CT)或纯相位重构算法难以达到较高密度分辨的目的。采用基于吸收修正的Bronnikov相位恢复算法的X射线同轴相衬CT技术对高分子混合组份材料和药物医学样品进行了实验研究。结果表明该相位恢复算法可以实现多聚物组合材料的无损分辨和精确测量,能够清晰辨别各组份材料的电子密度分布;验证了药物样品多孔性结构三维测量的可行性,能够有效提供孔隙测量的阈值选择。该方法在材料科学尤其是聚合物组合材料、泡沫多孔材料都会发挥很好的作用;单距的低辐射优势,尤其适用于生物医学样品三维无损成像。     

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     

硬x射线同轴相衬成像的相位恢复

基于角谱的概念，分析了硬x射线同轴相衬成像过程，在传统相位恢复算法GS算法的基础上 ，提出了基于角谱传播的相位恢复算法——迭代角谱法（IASA），并利用数值法模拟研究了 相衬成像和相位恢复过程，从理论上验证了这一相位恢复算法. 关键词： 相位恢复 相位衬度 角谱 硬x射线     

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.     

基于L1范数的微分相位衬度CT稀疏角度重建算法

微分相位衬度成像及其计算层析(CT)技术是近年出现的无损检测新方法。但是,相位衬度CT往往需要对样品进行多次扫描,这必将导致非常长的辐射时间和巨大的辐射剂量。稀疏角度重建在降低辐射剂量方面有着非常明显的优势,因此,研究针对相位衬度CT的稀疏角度重建算法就显得尤为重要。在分析了相位衬度CT的特点之后,将压缩感知理论引入相位衬度CT重建中,并在该理论框架下将L1约束融入代数迭代重建(ART)算法中,提出了一种微分相位衬度CT重建算法。数值模拟和实际实验表明,该方法可以根据少量投影数据给出较好的重建结果。     

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.     

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     

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。     

Phase retrieval in quantitative x-ray microtomography with a single sample-to-detector distance

Phase retrieval extracts quantitative phase information from x-ray propagation-based phase-contrast images. Notwithstanding inherent approximations, phase retrieval using a single sample-to-detector distance (SDD) is very attractive, because it imposes no setup complications or additional radiation dose compared to absorption-based imaging. Considering the phase-attenuation duality (ε=δ/β, where ε is constant), a simple absorption correction factor is proposed for the modified Bronnikov algorithm in x-ray propagation-based phase-contrast computed tomography (PPCT). Moreover, a practical method for calculating the optimal ε value is proposed, which requires no prior knowledge of the sample. Tests performed on simulation and experimental data successfully distinguished different materials in a quasihomogeneous and weakly absorbing sample from a single SDD-PPCT data point.     

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...     

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.     

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.     

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.     

部分相干X射线衍射相位成像与相位复原的模拟研究

借助于光学传递函数(OTF)概念，分析了微分相位成像过程和直接相位成像过程，讨论了通过图像处理进行相位复原的方法，得到了具有较高成像对比度和分辨率的实验参量区间，并利用数字方法模拟研究了相位成像的过程，对多种相位复原方法进行了比较。     

Quantitative quasi-local tomography using absorption and phase contrast

Possibilities are investigated for quantitative computed tomography (CT) reconstruction of the spatial distribution of refractive index in a region of interest (ROI) inside an object which is larger than the field of view. The analysis is presented for the case of conventional (absorption) CT, as well as diffraction (phase-contrast) CT. It is shown that in both cases an accurate reconstruction can be achieved using the projection data corresponding to rays passing through a sufficiently wide vicinity of a ROI. Our analysis also indicates that X-ray phase-contrast CT can typically be localized to smaller regions compared to absorption CT. In particular, quasi-local hard X-ray micro-CT of regions of the order of 100 μm or even smaller in size, appears feasible with the use of propagation-based phase contrast. Numerical and experimental tests confirm the possibility of accurate quantitative CT reconstruction from truncated projections.