X射线时空一阶光子关联成像研究

论文摘要

在统计光学理论中,光场的关联特性可分为一阶关联特性和高阶关联特性。实际上,大多数光学成像方法仅仅利用了光场的一阶关联效应,即是利用光场的振幅或相位所形成的空间或时间的关联来获得成像物体信息的。X射线相位衬度成像相比于吸收成像在生物软组织或较轻元素材料中有着更高的分辨力和更高的信噪比。但是硬X射线的相衬成像往往对光源的一阶空间相干性有一定的要求,例如干涉法、同轴轮廓法、晶体衍射法、光栅微分法、散斑追踪法等相衬成像方法。在以上的相衬成像方法中散斑追踪法因其成像装置简单高效、成本低廉、相位灵敏度高等原因近年来受到了广泛关注。但制约该方法实际应用的阻碍始终没有解决,即相位的二阶导数效应会在样品相位急剧变化处产生边缘增强效应干扰这些位置的相位恢复精确度。在一阶时间光场关联成像领域,时间减影血管造影成像技术一直是血管病变诊断与治疗的“金标准”。该方法利用造影剂灌注在时间上的相关性质,通过时间上相间隔的两帧影像减影得到血管影像。但因活体生物体内复杂运动的干扰,这种减影方式往往人工伪影较多,成像分辨率和信噪比较低。因此,目前的X射线一阶时间空间光场关联成像还需进一步的发展与完善。本文针对以上的X射线成像方法学的不足之处,给出了创新性的解决方案。具体的内容如下:(一)在上海同步辐射光源装置BL13W成像线站上国内首次设计并成功建立起了基于一阶空间光场关联的X射线砂纸散斑相衬成像方法与成像系统。目前该平台通过一系列的验证实验证明了该实验方法及平台的可行性、有效性和实用性。传统散斑追踪相衬成像不管单次曝光法还是砂纸步进扫描法中样品相位的二阶导数产生的边缘增强效应会干扰相位突变处的相位恢复,使成像质量恶化。本文从成像原理出发,创造性的提出了“二次曝光法”其通过综合同轴轮廓图像中相位二阶导数的信息从根本上解决了传统的散斑成像方法中边缘增强效应降低成像质量的缺陷。从定性甚至定量标准来看,“二次曝光法”在仅仅增加了一次曝光的辐射剂量和数据采集量的前提下精确的重构了样品的相位信息且图像的信噪比和分辨率都有显著的提升。该方法为散斑追踪相衬成像的实际应用和普及解决了一个关键技术难题。(二)基于一阶时间光场关联本文提出了运动衬度的概念和方法并将其应用于X射线血管造影领域即运动衬度血管造影成像(MCA)。该方法是利用信号处理的方法分离血流信号和运动组织信号以及杂散噪声信号,是一种高灵敏度追踪造影剂在体内运动的成像技术,其目的是重建造影剂完整的灌注轨迹,包括恒定流动的或脉冲式的运动。与传统的X射线血管造影相比,MCA具有更高的衬噪比和更高的空间分辨率,在实现动态微血管造影方面具有很大的潜力。结合各血管的血流动力学特性利用反映造影剂血管灌注时刻的动态信号的相位信息,MCA方法可以重建造影剂的整个灌注过程。这样,可实现小动脉血管和小静脉血管的分别独立增强成像。MCA方法的数据采集方式与传统X射线血管造影几乎相同,与临床所用的血管造影设备可直接兼容。MCA方法为临床与科研中血管造影成像提供了另一个可靠的选择。(三)以上的X射线一阶时间空间关联成像都是二维成像方法,若要将方法拓展至三维还需要与相应的CT算法相结合。但CT成像需要的数据量庞大,不宜于实现动态的实时成像。针对这一问题,本文在基于更高层次的空间关联概念上通过模拟人类视觉在上海同步辐射光源BL13W成像线站上建立起X射线双目立体成像系统。该系统使用两个毛细管将同步辐射光引出并分为两束交叉的X射线,采用CCD探测器记录样品的两个投影。毛细管方案简单易行,光斑质量满足成像要求。推导得出由单个CCD探测器记录的两幅投影还原样品深度信息的计算公式,并编写了一套立体信息的重建算法程序。该方案经数值模拟和实验验证均得到了良好的成像结果。X射线立体成像与其他X射线三维成像方法相比具有特有的优势和适用范围,可作为上海光源BL13W线站的另一个备选成像方法。(四)本文还简单介绍了二阶光场关联成像方法。由于二阶关联成像一般需要相干时间可控的赝热光源作为二阶关联成像的照明光源。但不同于可见光,X射线的的赝热光源一般不易获取。本文首先在模拟实现了热光二阶关联成像以及结合压缩感知图像恢复算法的基础上,选用实验采集到的真实砂纸散斑图样作为X射线赝热光场模拟二阶关联成像实验以验证X射线砂纸散斑赝热光场作为X射线二阶关联成像的照明光源的有效性与实用性。模拟实验结果表明,X射线砂纸散斑赝热光场是满足高斯分布的,从而保证了测量矩阵(37)满足RIP准则。结合压缩感知数据还原算法,以X射线砂纸散斑赝热光场作为实验光源的X射线二阶关联成像方法可大大降低实验复杂度和数据采集量。这为X射线砂纸散斑赝热光二阶关联成像的实际应用打下了基础。

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摘要

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第1章绪论

1.1 引言

1.2 光场关联成像概述

1.2.1 一阶光场关联成像

1.2.2 高阶光场关联成像

1.3 X射线一阶光场关联成像

1.3.1 X射线特点及光源种类

1.3.2 X射线一阶光场关联成像

1.4 本文的研究内容和意义

第2章 X射线散斑追踪相衬成像边缘增强效应消除研究

2.1 引言

2.2 X射线吸收及相位衬度成像

2.2.1 复折射率

2.2.2 X射线吸收及相位衬度成像方法

2.2.3 相位衬度的优势

2.3 基于一阶空间光场关联的X射线散斑追踪相衬成像

2.3.1 成像系统及成像原理

2.3.2 数字图像相关算法

2.3.3 数据扫描方式及数据重建

2.4 针对具有明显边缘增强效应样品的二次曝光散斑相衬成像

2.4.1 二次曝光散斑成像理论分析

2.4.2 实际样品成像结果及分析

2.5 小结

第3章 X射线运动衬度成像

3.1 引言

3.2 基于一阶时间光场关联的复杂体系运动衬度成像

3.2.1 运动衬度信号振幅模型

3.2.2 运动衬度信号相位模型

3.3 基于运动衬度血管造影实验验证

3.3.1 同步辐射光源实验验证

3.3.2 血流成像及动静脉分离成像

3.3.3 X光管实验验证

3.3.4 医院血管造影设备实验验证

3.3.5 低浓度造影剂血管造影成像

3.3.6 尾静脉注射造影剂及其脉冲式流动的轨迹成像

3.4 运动衬度血管造影成像优势及讨论

3.5 小结

第4章 X射线立体成像

4.1 引言

4.2 基于毛细管分光的X射线立体成像

4.2.1 理论模型

4.2.2 模拟结果

4.2.3 实验装置

4.2.4 实验结果

4.3 小结

第5章基于砂纸散斑的X射线二阶光场关联成像的探索

5.1 引言

5.2 理论模型

5.3 模拟结果

5.4 X射线二阶关联成像初步探索

5.4.1 X射线砂纸散斑赝热光的二阶关联成像模拟

5.5 小结

第6章总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王飞翔

导师: 肖体乔

关键词: 射线,关联成像,相衬成像,血管造影,立体成像,二阶关联

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

分类号: O434.1

总页数: 125

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