本文關(guān)鍵詞：X射線微分相位襯度成像及CT的理論和方法研究

  更多相關(guān)文章： 光柵相襯成像 計算機斷層成像 信息提取方法 噪聲特性 空間分辨率

【摘要】：自上世紀九十年代以來,一系列X射線相位襯度成像方法相繼被提出,不同于傳統(tǒng)基于吸收襯度機制的X射線成像,這些新穎的成像方法通過檢測物體對X射線波前的調(diào)制獲得物體的內(nèi)部折射率信息。X射線波段,物體的折射率為復數(shù)形式,實部減小量(相移因子)反映相移信息,虛部(吸收因子)反映吸收信息。尤其是在硬X射線波段,軟組織的相位因子是吸收因子的成百上千倍,也就是說相襯圖像理論上有著更高的靈敏度,因此利用相移信號成像可以獲得更高的圖像質(zhì)量。經(jīng)過二十年的發(fā)展,目前X射線相襯成像形成了四種主流成像裝置,包括晶體干涉儀、衍射增強成像、光柵相襯成像和同軸相襯成像,其中部分裝置由于成像視場太小,以及較高的機械穩(wěn)定性和光源相干性要求,難以向臨床推廣。近年來,基于光柵的X射線微分相襯成像引起了越來越多的關(guān)注,與其它的相襯成像方法相比,光柵相襯成像方法主要有兩大顯著優(yōu)勢：較低的光源相干性要求以及較大的成像視場,因此被普遍認為是極有可能應用于臨床醫(yī)學的成像方法。本論文從角度信號成像理論出發(fā),討論了衍射增強成像和光柵相襯成像的信息分離問題：以及相位襯度和散射襯度結(jié)合計算機斷層重建(Computed Tomography, CT)的相關(guān)問題。相襯成像的投影同時包含吸收、折射和散射信號,三種信號對應物體不同的物理特性。為了獲取這三種物體特性的定量信息,涌現(xiàn)了大量的信息分離方法。目前光柵相襯成像方法中主要有五種信息分離方法：相位步進方法、交錯相步進方法、莫爾條紋分析方法、共軛射線分析方法和能量分辨方法。這些方法中,有的方法產(chǎn)生的輻射劑量大、有的方法引起分辨率降低、有的方法不能提取散射信號,針對這些問題,本論文發(fā)展了角度信號成像理論,并基于該理論提出余弦擬合方法,不僅可以實現(xiàn)標準方法的效果,彌補了標準方法對大角度折射信號的低估問題,而且建立了衍射增強成像和光柵相襯成像之間密切的聯(lián)系,它們本質(zhì)上都是由角度準直器和分析器組成的成像裝置，探測的物理量都是樣品相位分布的一階導數(shù),利用分析器的運動(分析晶體的轉(zhuǎn)動或分析光柵的平移)來選擇性接收入射到分析器上的光線,分析晶體的運動所對應的角度,等價于樣品對X射線產(chǎn)生的折射角。在光柵相位CT(phase tomography)中,利用傳統(tǒng)的相位步進方法分離信息時,光柵平移運動與CT旋轉(zhuǎn)運動交替進行,降低了成像速度,增加了樣品受輻照時間。共軛射線分析方法是本研究組在2010年提出的一種快速低劑量成像方法,它巧妙利用照明幾何中互為正反投影圖像的共軛特性(即具有相同的吸收和相反的折射角)，只利用兩幅圖就可成功分離吸收和折射信息,一定程度上實現(xiàn)了快速、低劑量的相位CT成像。本論文將共軛射線分析方法與CT結(jié)合,分析了相位CT重建的相位因子的信噪比和空問分辨率之間的關(guān)系,闡述了光柵相位CT成像在高分辨率成像時比吸收CT成像具有更好的抗噪聲性能。在光柵相襯CT中,散射信息可以反映亞分辨率尺度上的結(jié)構(gòu)信息,提供了更加豐富的圖像細節(jié),與物體的吸收信息和折射信息形成有效的互補。本文利用光柵相襯CT成像重建出物體斷層的散射信息,分析了散射體的尺寸和系統(tǒng)設計能量分別對重建的散射系數(shù)的影響,結(jié)果可以為區(qū)分具有相同吸收特性的材料提供幫助,從而拓寬了X射線光柵干涉儀在材料檢測領(lǐng)域的應用。
【關(guān)鍵詞】：光柵相襯成像 計算機斷層成像 信息提取方法 噪聲特性 空間分辨率
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O434.1;R814
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-24
• 1.1 課題研究意義12-14
• 1.2 研究背景及發(fā)展趨勢14-20
• 1.2.1 研究背景14-17
• 1.2.2 發(fā)展趨勢17-20
• 1.3 論文研究思路和結(jié)構(gòu)安排20-24
• 第2章 X射線成像理論24-38
• 2.1 X射線與物質(zhì)的相互作用24-27
• 2.1.1 粒子性24-26
• 2.1.2 波動性26-27
• 2.2 X射線吸收成像27-28
• 2.3 X射線相位襯度成像28-35
• 2.3.1 晶體干涉儀30-31
• 2.3.2 相位傳播技術(shù)31-32
• 2.3.3 衍射增強成像32-33
• 2.3.4 光柵干涉儀33-34
• 2.3.5 各種相襯成像技術(shù)的比較34-35
• 2.4 X射線散射成像35-38
• 第3章 X射線微分相位襯度成像38-56
• 3.1 衍射增強成像38-42
• 3.2 光柵相襯成像42-56
• 3.2.1 Talbot效應42-43
• 3.2.2 Talbot干涉儀43-45
• 3.2.3 Lau效應45-46
• 3.2.4 Talbot-Lau干涉儀46-50
• 3.2.5 非相干條件下的光柵相襯成像50-56
• 第4章 X射線微分相位襯度成像的信息分離方法56-78
• 4.1 衍射增強成像的信息分離56-65
• 4.1.1 Chapman幾何光學近似法57-58
• 4.1.2 Rigon的近似方法58-61
• 4.1.3 擴展的衍射增強算法61
• 4.1.4 普適的衍射增強算法61-62
• 4.1.5 多圖法62-63
• 4.1.6 逐個像素的高斯曲線擬合方法63-65
• 4.2 光柵相襯成像的信息分離方法65-78
• 4.2.1 相位步進方法65-72
• 4.2.2 交錯相步進方法72-73
• 4.2.3 莫爾條紋分析方法73-74
• 4.2.4 共軛射線方法74-76
• 4.2.5 能量分辨方法76-78
• 第5章 角度信號響應成像理論及噪聲分析78-98
• 5.1 角度信號響應模型78-82
• 5.2 基于角度信號響應理論的信息提取算法82-89
• 5.2.1 衍射增強成像82-88
• 5.2.2 光柵相襯成像88-89
• 5.3 噪聲分析89-96
• 5.3.1 相關(guān)噪聲分析工作89-92
• 5.3.2 角度信號響應理論的噪聲分析92-96
• 5.4 角度信號響應理論的推廣96-98
• 第6章 X射線微分相位襯度成像與CT技術(shù)的結(jié)合98-118
• 6.1 吸收CT98-101
• 6.2 相位CT101-110
• 6.2.1 希爾伯特變換101-104
• 6.2.2 光柵相位CT的噪聲特性分析104-108
• 6.2.3 模擬實驗驗證108-110
• 6.3 散射CT110-115
• 6.4 幾個設想115-118
• 6.4.1 角度信號響應理論結(jié)合階梯光柵115-116
• 6.4.2 將階梯光柵集成進探測器116
• 6.4.3 階梯光柵結(jié)合螺旋CT116
• 6.4.4 電磁相步進結(jié)合交錯相步進116-118
• 第7章 總結(jié)與展望118-122
• 參考文獻122-128
• 附錄128-138
• 致謝138-140
• 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文與取得的其他研究成果140

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本文編號：792889