CN105874509B - 微分相衬成像中的相位恢复 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于获得微分相衬成像系统和微分相衬成像方法的方法和设备的实施方案。方法和设备实施方案可提供正则化的相衬恢复，所述正则化的相衬恢复可致力于噪声减少和/或边缘增强。某些示例性实施方案可抑制在有噪声的微分相位数据的积分过程中出现的条纹伪影。另外，某些示例性实施方案可使用透射图像和/或暗场图像来改进或复原受噪声边缘影响的相衬图像。

Description

微分相衬成像中的相位恢复
发明领域
本申请一般来说涉及数字x射线成像方法/系统，且更明确地说涉及用于在使用相衬成像技术采集物体的多个图像信息(例如，医学射线照相成像)时减少伪影和/或噪声的方法和/或系统。
背景
常规的医学X射线成像装置依赖于材料的吸收性质以提供关于所成像物体的内部结构的信息。这种吸收类型的成像假设非折射X射线穿透研究中的物体。因为吸收截面的差异而产生对比度。尽管在高衰减(例如，硬的)材料与弱衰减(例如，软的)材料之间观察到大体上良好的对比度，但在软组织材料之间进行区分可因为低的相对对比度而为困难的。举例来说，包括但不限于脉管、软骨、肺和胸部组织的低对比度软组织材料与高衰减骨结构相比提供不良对比度。软组织成像的问题由干涉测量X射线成像装置解决，干涉测量X射线成像装置利用X射线辐射的波的性质。此类成像干涉仪集中于测量在X射线穿过所研究物体的过程中显现的折射特性。除了研究中物体的吸收图像之外，这些成像干涉测量装置还可提供微分相衬图像和暗场图像。我们将微分相衬成像技术称作DPCI。微分相衬图像含有穿过研究中物体的X射线相移性质的信息，例如，类似于吸收成像提供材料性质的补充知识。相比之下，暗场图像提供关于物体的局部散射的信息。
作为电磁波，x射线可由其频率、振幅和相位表征。当x射线作为电磁波穿透介质时，其振幅衰减且相位偏移。穿透物质的X射线的折射性质可用复折射率来描述：
n＝1-δ+iβ，
其中虚部β促成振幅的衰减且实部δ(折射率减量)负责相移。尽管干涉仪类型的成像装置可测量β和δ两项，但常规成像装置仅可检测β。可示出，δ(拉德/厘米单位)比β(1/厘米单位)大大约103至104倍。因此，复折射率的实部δ提供用较高对比度对软组织材料进行成像的可能。
到目前为止，已探索了几种相衬成像(PCI)技术：1)干涉仪技术，2)衍射增强成像(DEI)技术，和3)自由空间传播技术。然而，存在与所有三种技术相关联的各种实践问题。在晶体干涉仪和衍射计的情况下，需要高时间相干性(例如，高单色度)，这因此将应用限于同步辐射或定义良好的单色辐射源。除了同步源要求之外，在DEI中使用多孔准直仪限制可实现的空间分辨率，且增加采集时间。自由空间传播技术的效率因为高空间相干性要求而受限制，高空间相干性仅可从具有非常小的焦点大小的X射线源或大传播距离获得。
另外，在过去十年内已积极探索了以Talbot-Lau原理为基础的基于光栅的微分相衬干涉测量法。此类基于光栅的微分相衬干涉测量成像装置在与部分吸收光栅G0(源光栅)一起使用时可使用标准的宽带X射线管，部分吸收光栅G0可产生部分相干的X射线辐射，且接着可经由干涉图案检测所扫描物体的折射特性，干涉图案由相位光栅G1产生且通过部分吸收光栅G2调制至成像检测器(例如，数字射线照相(DR)检测器)上。
上文所描述的技术中的图像采集程序通常需要多次X射线曝光。一致地，上文所描述的所有技术需要在每次X射线曝光时更改几何参数中的一些。举例来说，基于光栅的干涉测量系统需要三个光栅中的一者在每次X射线曝光时相对于系统其余部分平移(或步进)。此类采集技术称作相位步进。步进(或扫描)方向通常垂直于光栅的沟槽。基于光栅的干涉测量系统中的相位步进采集产生三种图像：1)透射T图像，2)微分相位图像，和3)暗场DF图像。透射图像表示由检测器在相位-步进循环内测量的平均强度。微分相位图像表示在相位步进的方向上(例如，光栅的平移方向(例如，G2光栅步进的方向))在物体中发生的X射线相移梯度。暗场图像再现在相位步进期间观察到的相对于平均信号的强度调制(或散射效应的作用)。
相应图像中的每一者中所包括的信息彼此显著不同。如上文所描述，与折射率减量δ成比例的穿过物体的实际相移被特定地关注，因为穿过物体的实际相移可提供较好的软组织对比度。为了获得此相移信息，可沿着微分方向(例如，垂直于光栅沟槽且沿着相位步进方向)对微分相位图像进行积分。积分可对应于通过谱域中的频率进行的分频，且因此低频率可显著放大。微分相位数据中存在的噪声将沿着积分方向放大，这可导致例如定向于积分方向上的严重的条纹伪影。
公开的美国专利申请2013/0156284A1，“Regularized phase retrieval indifferential phase-contrast imaging”；公开的论文“Non-linear regularized phaseretrieval for unidirectional X-ray differential phase contrastradiography”(Optics Express，19卷，25期，第25545-58页，2011)；以及公开的国际申请WO2012080125A1，“A method and a system for image integration using constrainedoptimization for phase contrast imaging with an arrangement ofgratings”描述了用于通过将微分相位数据的积分过程正则化来解决条纹伪影问题的过程。这些来源描述了垂直于微分相位的积分方向的方向上的正则化，即，一维正则化。所描述的现有技术的一个缺点是在消除条纹伪影的相应过程中，正则化也可导致已复原相位中的细节损失。可针对与扫描方向对准的结构(例如，边缘)和/或受噪声严重影响的边缘突出细节损失。另外，所描述的现有技术的另一缺点是它们不考虑与光栅结构的不均匀性相关联的噪声(例如，主要由相位光栅G1和吸收光栅G2的不均匀性显现)。
因此，仍然需要可在相位图像复原时抑制条纹伪影而不会抑制边缘且可处置光栅结构的不均匀性的相位恢复方法。
发明概要
本申请的一方面将使医学射线照相成像领域有所进步。本申请的另一方面将提供用于数字射线照相相衬成像的方法和/或设备实施方案。
本申请的另一方面将完全或部分地解决相关领域中的至少上述和其它缺陷。
本申请的另一方面将完全或部分地提供至少本文中描述的优点。
本申请的另一方面将提供解决和/或减少因为使用PCI成像设备和/或使用所述设备的方法引起的缺点的方法和/或设备。
本申请的另一方面将提供用于基于Talbot-Lau三光栅配置进行微分相衬成像的x射线干涉仪装置和/或方法。本申请的另一方面将提供用于调谐的或去调的PCI医学成像的方法和/或设备实施方案。
本申请的另一方面将提供用于包括但不限于医学成像、非破坏性试验和/或安全(例如，国家安全)的应用的方法和/或设备实施方案。
本申请的另一方面将提供用于借助二维边缘增强特征和/或二维噪声标记进行二维正则化方法的方法和/或设备实施方案，所述二维噪声标记用于提取受有噪声的微分相衬数据影响的相位信息。
本申请的另一方面将提供可提供噪声减少或抑制的相衬图像的方法和/或设备实施方案；其中相衬图像可由2D正则化程序借助额外的2D边缘增强特征(例如，其中每一维度可个别地标示)和/或作为权重应用于正则化参数的依赖于噪声的二维掩码从微分相位数据进行提取所述正则化程序具有。
根据一个实施方案，本发明可提供一种至少部分在计算机上执行的方法，所述方法可包括根据基图像恢复相衬积分图像，所述方法包括：接收多个相关的基图像，其中所述基图像中的至少一者是微分图像；使用剩余基图像中的至少一者和所述微分图像重建积分图像；以及呈现所述图像，其中所述图像中的至少一者是所述重建的图像。
这些目标仅通过说明性实例给出，且这些目标可示范本发明的一个或多个实施方案。对于本领域技术人员来说，由公开的发明自然地实现的其它期望的目标和优点可发生或变得显而易见。本发明由所附权利要求书限定。
附图简述
本发明的上述以及其它目标、特征和优点将从本发明的实施方案的以下更明确的描述显而易见，如附图中所说明。
附图的元件相对于彼此未必按比例绘制。
图1是示出具有宽带X射线源、三个光栅G0、G1和G2以及X射线检测器的示例性三光栅PCI系统的示意图的图式。
图2是示出鸡翅膀的重建的基图像的实例的图式，基图像包括(从左到右)透射图像、暗场图像和微分相位图像。
图3是示出通过微分相位图像在微分方向(例如，x方向)上的直接积分获得的示例性相位图像的图式。严重的水平定向的条纹伪影是由微分相位图像中存在的噪声导致的。
图4是示出根据本申请的相衬成像系统中的相位恢复方法的示例性实施方案的流程图。
图5是示出根据本申请的实施方案的通过示例性正则化程序复原的相位图像的实例的图式，所述相位图像包括具有边缘增强的一些图像。
图6是示出两根空心管(聚四氟乙烯和橡胶)的微分相衬成像中的噪声的实例的图式。
图7是示出根据本申请的实施方案的已恢复的相位图像的实例的图式，所述相位图像包括具有正则项的空间加权的一些图像。
示例性实施方案的描述
以下是本发明的示例性实施方案的描述，本发明的实例在附图中进行说明。只要可能，相同参考数字将在所有附图中用以指相同或相似部分。
出于说明性目的，本文中通过主要参考本发明的示例性实施方案来描述本发明的原理。然而，本领域技术人员将容易认识到，相同原理同样适用于所有类型的射线照相成像阵列、各种类型的射线照相成像设备和/或使用所述射线照相成像设备的方法，且可在所有类型的射线照相成像阵列、各种类型的射线照相成像设备和/或使用所述射线照相成像设备的方法中实现，且任何此类变化不脱离本申请的真实精神和范围。此外，在以下描述中，参考附图，附图说明特定示例性实施方案。可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对实施方案进行电、机械、逻辑和结构改变。另外，尽管可能已相对于若干实现方式/实施方案中的仅一者公开了本发明的特征，但此特征可与其它实现方式/实施方案的一个或多个其它特征结合，就如对于任何给定的或可识别的功能来说可能是需要的和/或有利的。因此，以下描述不应以限制性意义来考虑，而且本发明的范围由所附权利要求书和其等效物限定。
尽管阐述本发明的广泛范围的数字范围和参数是近似的，但是特定实例中所阐述的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值天生含有必然由相应测试测量中发现的标准偏差而产生的某些误差。此外，本文中公开的所有范围应被理解为涵盖其中包括的任何和所有子范围。在使用时，术语“第一”、“第二”等等未必表示任何次序或优先关系，而是可用于更清晰地区分一个元件或时间间隔与另一元件或时间间隔。
本文中针对基于光栅的干涉仪装置和/或方法描述的示例性实施方案可用于微分相衬成像。本文中所描述的某些示例性实施方案提供用于在根据X射线微分相衬数据复原X射线相位图像时消除噪声和/或抑制条纹伪影的正则化方法和/或设备。
在本申请的描述中，与给定方向对准或按给定方向定向的边缘可具有垂直于边缘法线的单位向量。边缘法线是在其梯度(最大强度改变)方向上的单位向量。举例来说，与x方向对准的边缘在y方向上具有最大强度改变。
在本申请的描述中，向量和标量维度(诸如x、y和z)例如针对2D情况可互换地使用。
如本文中所描述，DPCI可由许多不同技术执行。图1示出以Talbot-Lau干涉测量原理为基础的基于三光栅的DPCI系统的示意图。对于本文中所描述的本申请的实施方案，选择一种DPCI技术作为非限制性代表性实例，因为可替代地使用其它已知的或所描述的技术。如图1所示，基于三光栅的DPCI系统100可包括源光栅G0 104，源光栅G0 104可因为产生个别相干的线光源阵列而允许使用大的非相干X射线源(例如，标准宽带X射线管)102，个别相干的线光源可提供足够的空间相干性以获得干涉测量对比度。替代地，可使用微聚焦X射线源或同步辐射源以代替光栅G0和大的非相干X射线源。相位光栅G1 110可作为分束器操作且将射入的光束主要分成±1衍射级。这两个±1衍射的光束可干涉并形成周期性干涉图案，所述干涉图案按特定距离(称作泰伯距离)重复其本身。另外，分析器光栅G2 112可放置在此类泰伯距离中的一者处以在直接放置在G2光栅112后面的X射线检测器D 114的平面中调制莫耳条纹图案。因此，源光栅G0 104可产生波阵面106以在撞击相位光栅G1 110之前穿过将成像的物体108。可针对投影类型的成像和计算机断层扫描(CT)两者实现此例示性DPCI成像系统100。
DPCI系统100中的数据采集技术通常需要多次X射线曝光。此处可一般地描述的采集技术中的一者称作相位步进。相位步进采集技术涉及光栅中的一者相对于其它光栅和X射线检测器114进行横向位移(例如，以步进的形式)(例如，G2光栅112沿着x轴步进)达相应光栅节距的一小部分。作为在移动的光栅的总节距内的此类多个位移(例如，步进)的结果，X射线检测器114的每一像素116可测量周期性强度曲线(例如，强度正弦或余弦曲线)。重建方法(例如但不限于基于傅里叶的方法)利用此类强度振荡(例如，强度曲线)来提取以下基图像：1)透射图像，2)暗场(或可见度)图像，和3)微分相位图像。
举例来说，对于检测器像素(i,j)，振荡(或强度)曲线可用傅里叶级数表示：
其中a是所调制强度的平均值，b是所调制强度的振幅，且φ是相位。方程式1可表示在物体存在的情况下的强度测量，而方程式2可指物体不存在的情况下的测量(例如，参考扫描)。应用傅里叶逆变换，可获得以下基图像：
1)透射图像：
2)暗场(可见度)图像：
3)微分相位图像：
为了获得X射线穿过所成像物体108(例如，所关注物体)的实际相移，可沿着微分方向对微分相位图像进行积分。如果微分相位表示为且实际相移表示为φ，那么所测得的微分相位可写作：
其中，一般来说，选择x作为微分方向，微分方向在所描述的相位步进技术的情况下可与光栅步进方向一致。实际相移φ将为方程式(1)在x上积分的结果。微分相位数据中存在的噪声将随机分布的偏移引入积分中，这导致条纹状伪影沿着积分方向传播。图2示出鸡翅膀的重建的基图像的实例。如图2所示，从示例性DPCI系统获得鸡翅膀的透射200、暗场210和微分相位220图像。图3是示出通过微分相位图像在微分方向(例如，x方向)上的直接积分获得的示例性相位图像的图式。如图3所示，微分相位220的直接积分可产生受条纹伪影严重影响的相位图像300。此类水平定向的条纹伪影是由微分相位图像220中存在的噪声导致的。条纹伪影可大大地损害相位图像300的诊断能力。尽管所有图像信息可受伪影严重影响，但定向于x方向上(例如，条纹伪影方向上)的边缘上的信息可特别难以复原。因此，解决此类条纹状伪影是重要的。
装置和/或方法的某些示例性实施方案可用以提供用于抑制或完全去除此类条纹状伪影的有效手段。
通过从许多不同视角测量微分相位，可应用常规吸收X射线CT和/或断层合成的原理以产生相衬计算机断层扫描(CT)体积。参考DPCI系统100，可通过使物体108绕着y轴旋转来获得不同视角。替代地，DPCI系统100可安装至台架以围绕(例如，完全地或180度加扇角)物体108转动。体积图像重建在断层扫描领域中是众所周知的且可根据若干算法执行，所述算法采用在不同角度下获得的2-D投影图像作为输入并提供重建的体积图像数据作为输出。这些体积图像重建方法可包括滤波反投影、迭代重建和用于结合2-D投影图像数据的其它类似技术。
参考图4，现在将描述示出根据本申请的实施方案的用于微分相衬成像系统中的相位恢复的示例性方法的流程图。将使用图1所示的的示例性DPCI系统描述相位恢复方法；然而，图4的方法不旨在限于此。如图4所示，在过程开始之后，可例如从PCI系统100或从存储文件接收PCI数据(操作方框410)。可根据PCI数据重建透射、可见度/暗场和微分相位图像(操作方框420)。可根据微分相位图像恢复(例如，复原)相位图像(操作方框430)。接着，可重建相位、衰减和可见度/暗场图像(例如，体积)(操作方框440)。另外，可向用户显示已复原相位、透射、可见度/暗场和微分相位图像(和体积)(操作方框450)。替代地，可存储已复原相位、透射、可见度/暗场和微分相位图像(和体积)以用于随后使用或远程地传输所述图像以用于显示、存储、修改等等。
现在将描述根据本申请的示例性实施方案的根据所测得的微分相位图像复原相位图像的操作。在以下描述中，假设步进(或扫描)方向在x方向上，其与定向于y方向上的光栅线垂直(正交)。然而，此处并不旨在限制根据本申请的实施方案。
在根据本申请的某些示例性实施方案中，变分模型用以根据所测得的有噪声的微分相位图像复原相位图像。原理是相对于相位图像减小或最小化能量(目标)E函数。选定实施方案的能量函数可以是以下两项的总和：(i)测量已复原相位与所测得的微分相位图像配合的良好程度的数据保真项，和(ii)对已复原相位图像强加平滑和/或先验知识的正则项。
其中φ是已复原相位图像，是所测得的微分相位图像，J(φ)是正则项，是加权的数据保真项，且μ是正则化参数，其可控制正则化与数据项之间的平衡。
用于实践根据本申请的选定示例性实施方案的一类正则项可经由已复原相位图像φ的梯度和高阶导数来控制平滑度；这些可包括但不限于二次方程式(Sobolev)、全变差、Huber、广义高斯随机马尔科夫场、高阶导数，和较高阶全变差正则项，诸如全广义变差。用于实践根据本申请的选定示例性实施方案的第二类正则项可包括但不限于定向表示变换，诸如小波、曲波、剪切波、脊波等。
加权的数据保真项可基于所测得的微分相位数据的不确定性在空间上对数据项加权。加权的数据保真项可对数据项起作用，使得具有低方差的区域使用较少平滑程度且具有高方差的区域使用较多平滑。用于实践根据本申请的选定示例性实施方案的加权的数据保真项的实例可包括但不限于已复原相位φ沿着微分方向的梯度与所测得的微分相位之间的差的L1和L2范数。对于一维光栅系统，加权的数据保真由以下式子给出：
其中w(x,y)是所测得的数据的不确定性且p＝1或2。对于基于光栅的PCI系统，微分相位的方差与用以产生微分相位的光子的总数量和测量的可见度成反比。
在一个实施方案中，可通过相对于φ减小或最小化以下目标函数E1(φ)来获得相移图像φ：
其中第一项对应于全变差正则项且第二项对应于L2数据保真项，是沿着微分方向的梯度，且是在x和/或y维度上施加的梯度算子。正则化参数μ控制平滑程度和条纹伪影减少量。
尽管可在每一方向上不同地对正则化平滑程度加权，但在垂直于条纹伪影的方向(y方向)上的平滑在去除条纹伪影方面可能比x方向上的平滑更有效。为了根据微分相位复原条纹伪影减少的相位(或没有条纹伪影的相位)，相移恢复的正则化解在x和/或y方向上提供平滑，同时数据项在x方向上加强边缘。因此，x方向上的边缘比y方向上的边缘更可能变模糊。
图5中的图像520示出使用方程式(9)进行的鸡翅膀的正则化相位恢复的小的关注区(ROI)的结果，其中数据保真加权函数w(x,y)＝1。为了比较，图像510示出微分相位的直接积分的结果，其受条纹伪影严重影响。图像520是在没有边缘增强的情况下的正则化相位恢复的结果，且图像530和540是根据选定示例性实施方案的在实现边缘增强选项的情况下通过正则化程序复原的相位的图像。如针对正则化的相位恢复图像520所观察，条纹被有效地去除；然而与扫描方向(x方向)对准的一些边缘没有完全复原(见指向边缘褪色的区域的箭头525)。因为从所测得的微分相位中的噪声产生条纹，所以与条纹伪影方向或扫描方向对准的边缘可能所测得的最难以复原。
现有技术的一个缺点是在消除条纹伪影的过程中，正则化也可导致已复原相位中的细节损失。可针对与扫描方向对准的结构(例如，边缘)尤其突出此细节损失。如先前所描述，相位步进程序产生三种图像：透射、微分相位和暗场。即使所述图像中的每一者携载的信息显著不同；但这些图像高度相关且含有可用于根据本申请的实施方案复原相位图像的冗余。对于某些示例性实施方案，透射和暗场图像中含有的信息可用于使用以下目标函数根据所测得的微分相位复原相位图像φ：
其中J是相关图像驱动的正则项，加权矩阵D是从相关图像导出的，G(φ,C)是测量相位与相关图像的几何形状的对准的几何形状(定向)匹配项，C是相关图像，其随透射和/或暗场图像而变，是加权的数据保真项，且μ1和μ2是加权标量。
对于某些示例性实施方案，相关图像可用以引导已复原相位图像的正则化和/或使已复原相位图像与相关图像的几何形状对准。透射T、暗场DF(或可见度V)和微分相位图像是含有关于同一扫描物体的不同信息的空间相关的图像。相关图像(C)是从透射和/或暗场图像产生的且其强度可与相位图像正相关和/或负相关。用于实践本申请的实施方案的相关图像的一些实例包括但不限于C＝T、C＝1–T、C＝–log(T)、C＝±DF，等。
对于某些示例性实施方案，相关图像中的几何形状信息可用以对已复原相位强加类似几何形状。几何形状匹配项G(φ,C)可测量相关与相位图像的几何形状(水平集合)的对准。用于实践本申请的实施方案的几何形状匹配项的实例包括但不限于：
其中div()是散度算子，且正负号取决于相关图像与相位图像是正相关还是负相关。
可处置正相关和/或负相关的几何形状匹配函数的实例是：
其中是梯度向量的正切值。
加权矩阵指定点(x,y)处的依赖于相关图像结构的度量，其可用以修改正则项提供的平滑的量或量和方向两者。加权矩阵可使用相关图像中的边缘信息来减少跨越边缘的平滑和/或鼓励沿着相位图像中的边缘的平滑。用于实践本申请的实施方案的加权矩阵的一些实例包括但不限于：
其中g和h是边缘指示符函数，其为严格递减的正函数，I是单位矩阵，是nC的正切值，λ是标量，且上标T是转置。边缘指示符函数的实例是：
其中α和β是标量。
在一个实施方案中，可通过相对于φ减小或最小化以下目标函数E3(φ)来获得相移图像φ：
其中d＝–log(T)是透射图像的密度，D(x,y)是2x2矩阵，其使用密度图像中的信息来对已复原相位的全变差加权。在这个实施方案中，假设密度与相位图像正相关。
可通过使用梯度下降、共轭梯度和/或其它最小化技术相对于相位φ减小或最小化能量(目标)E函数来复原相位图像。替代地，邻近梯度方法(例如，前向后向分裂、算子分裂)技术可用于减小或最小化能量(目标)E函数，其中可使用用于泊松方程式的有效技术(例如，最小化技术)和原始对偶公式以获得近似解。
图5示出使用方程式19来复原鸡翅膀的相位图像的结果。在一个示例性实施方案中，当包括几何形状匹配项且将加权矩阵D(x,y)设置为单位矩阵时，获得相位图像530。图5中的相位图像540示出加权矩阵D(x,y)对根据另一实施方案的相位图像的复原的影响。通过撤回几何形状匹配项(μ1＝0)且设置加权矩阵 来获得相位图像540。如先前所描述，因为来自条纹的高噪声和在微分方向上缺乏边缘信息，条纹伪影方向或微分方向上的边缘可能最难以复原。这个结果在相位图像520中清楚地观察到，其中x方向上的边缘不明显(见指向边缘褪色的区域的箭头525)。相关驱动的正则项和几何形状匹配项G(φ,C)两者有效地减少或去除相位图像中的条纹伪影，所述条纹伪影是由微分相位510的直接积分获得的，且使用方程式9还原图像520中模糊的边缘来复原相位图像530和540。
另外，数据项可由空间相关(例如，二维)权重惩罚。对于基于光栅的PCI系统，微分相位的方差与用以产生微分相位图像的光子的总数量和成像系统设置的可见度成反比。举例来说，因为较强的散射过程，暗场图像中的具有低代码值的区域在微分相位图像中含有较高噪声。此外，微分相位图像可含有与相位(G1)和吸收(G2)光栅的不均匀性相关联的额外噪声。举例来说，微分相位图像中的与G2光栅中的吸收材料(例如，金)的过度电镀或电镀不足区域相对应的区域将因为光栅的次佳工作循环而含有较高噪声。
图6示出两根空心管的来自DPCI的透射610、微分相位620和暗场630图像，一根空心管由聚四氟乙烯制成且另一空心管由橡胶制成。与聚四氟乙烯管相比，橡胶管在暗场630图像中具有较低代码值，且因此，在微分相位620图像中具有较高噪声。这在两根管具有最大材料厚度的区域周围尤其值得注意。而且，可在暗场630和微分相位620图像的右边缘和左边缘上观察到升高的噪声。这是与G2光栅中的吸收材料的过度电镀相关联的噪声。
图7示出使用空间加权的数据项以进行两根空心管的来自DPCI的相位图像的复原的结果。进行非加权正则化610的相位图像710在管的最厚部分(尤其是橡胶管中)和在图像的左侧和右侧留下最高噪声。通过暗场图像和开阔视野图像的方差对数据项加权产生相位图像720，相位图像720可降低橡胶管的已复原相位中的噪声和/或降低图像左侧和右侧的噪声。
本领域技术人员可意识到，在根据本申请的实施方案根据所测得的微分相位复原相位图像的过程中，也可替代于透射图像或与透射图像一起使用暗场图像中含有的信息。本领域技术人员可意识到，使用矩阵和向量记法的离散表示可替代于本申请中使用的连续表示而使用以描述本文中的示例性实施方案。另外，按照一维(1D)光栅系统描述某些示例性实施方案，本领域技术人员可意识到，实施方案可延伸至二维(2D)光栅系统，其中对数据项进行适当修改
其中和是x和y方向上的梯度，和是在x和y方向上的所测得的微分相位，且wx和wy是加权函数且p＝1或2。
另外，尽管已按照2D图像描述根据本申请的某些示例性实施方案，但本领域技术人员可意识到，本文中的实施方案可延伸至N维图像，例如3D体积。
本文中的示例性实施方案可适用于使用像素阵列的数字射线照相成像面板，所述成像面板包括使用X射线吸收光电导体和读出电路的直接检测器或使用单独的闪烁屏幕、光电检测器和读出电路的间接检测器。
应注意，尽管本描述和实例主要涉及人类或其他对象的射线照相医学成像，但是本申请的设备和方法的实施方案也可适用于其它射线照相成像应用。此包括诸如非破坏性试验(NDT)等应用，可获得用于NDT的射线照相图像且对射线照相图像提供不同的处理以便强调成像的对象的不同特征。
本文中描述的射线照相成像系统和/方法的实施方案涵盖关于用于实现其操作的任何计算机可读媒体的方法和程序产品。某些示例性实施方案可相应地使用现有计算机处理器，或由出于此目的或另一目的而并入的专用计算机处理器或由硬连线系统实现。
根据示例性实施方案，可使用存储有指令的计算机程序，指令对从电子存储器存取的图像数据执行。如图像处理领域的技术人员可了解，实现本文中的实施方案的计算机程序可由合适的通用计算机系统(例如，个人计算机或工作站)利用。然而，许多其它类型的计算机系统可用以执行实现实施方案的计算机程序，包括联网处理器。用于执行方法实施方案或设备实施方案的计算机程序可存储在各种已知的计算机可读存储媒体(例如，磁盘、磁带、固态电子存储装置或用以存储计算机程序的任何其它物理装置或媒体)中，所述计算机可读存储媒体可通过因特网或其它通信媒体直接或间接连接到图像处理器。本领域技术人员将容易认识到，此计算机程序产品的等效物也可在硬件中建构。计算机可存取的存储装置或存储器可以是易失性的、非易失性的或易失性和非易失性类型的混合组合。
应理解，实现本申请的实施方案的计算机程序产品可使用众所周知的各种图像操纵算法和程序。应进一步理解，实现本申请的实施方案的计算机程序产品可实施本文中未特定示出或描述的对于实现方式有用的算法和程序。此类算法和程序可包括在图像处理领域的一般技术内的常规设施。此类算法和系统的额外方面，以及用于产生和另外处理图像或与实现本申请的实施方案的计算机程序产品合作的硬件和/或软件在本文中未特定示出或描述，且可从本领域中已知的此类算法、系统、硬件、组件和元件中选择。
尽管已相对于一个或多个实现方式说明了本发明，但可在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下对所说明的实例进行变化和/或修改。术语“中的至少一者”用以指列出的项目中的一个或多个可被选择。术语“大约”指示列出的值可稍微变化，只要所述变化不会导致过程或结构与所说明的实施方案不一致。最后，“示例性”指示描述用作实例，而不是暗示其是理想的。通过考虑本文中公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施方案对于本领域技术人员来说将为显而易见的。旨在仅将说明书和实例看作示例性的。本发明的范围由所附权利要求书指示，且在所附权利要求书的等效物的含义和范围内的所有改变都旨在包括在本发明的范围中。

Claims (16)

1.一种由微分图像重建积分图像的方法，所述方法包括：
a)接收多个相关图像，每一所述图像包含关于同一扫描物体的不同图像信息，所述相关图像包括透射图像、暗场图像和微分图像；
b)使用所述微分图像和仅一幅剩余的相关图像重建所述积分图像；以及
c)至少呈现所述重建的积分图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微分图像是N维的，并且其中N是大于或等于1的整数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中重建所述积分图像的步骤包括确定减小能量函数的图像，所述能量函数包括以下各项：
i)正则项，其包括已复原的相位图像的函数以及从所述相关图像中的至少一者导出的加权矩阵；以及
ii)几何形状匹配项，其使所述已复原的相位图像与所述相关图像中的至少一者的几何形状对准；
且其中所述重建的积分图像受制于数据保真度约束。
4.根据权利要求1所述的方法，其中重建所述积分图像的步骤包括确定减小能量函数的图像，所述能量函数包括以下各项：
i)正则项，其包括已复原的相位图像的函数以及从所述相关图像中的至少一者导出的加权矩阵；
或
ii)几何形状匹配项，其使所述已复原的相位图像与所述相关图像中的至少一者的几何形状对准；
且其中所述重建的积分图像受制于数据保真度约束。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述微分图像中的至少一者的数据保真项由以下式子给出：
其中是加权函数，ζ是对应于可在1维、2维……N维之间变化的微分维度的指数，φ是所述已复原的相位图像，是所测得的微分图像，且p＝1或2。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述加权函数与所测得的微分图像或所测得的微分数据的不确定性相关。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所测得的微分图像的所述不确定性至少包括所述所测得的微分图像的方差。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述正则项由以下式子给出：
其中Ψ是正则化函数且D是从所述相关图像中的至少一者导出的呈矩阵形式的加权函数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述正则化函数Ψ包括二次函数、全变差函数、Huber函数、广义高斯随机马尔科夫场中的一者。
10.根据权利要求8所述的方法，其中从来自所述相关图像C中的至少一者的边缘信息导出加权函数矩阵D，所述加权函数矩阵D由以下式子中的一者给出：
其中g和h是严格递减的正函数，I是单位矩阵，λ是标量，是nC的正切值，是梯度向量的正切值，且上标T是转置。
11.根据权利要求4所述的方法，其中所述几何形状匹配项由以下式子中的一者给出：
以及
其中φ是已复原的相位图像,是矢量,C是相关图像，且是梯度向量的正切值。
12.根据权利要求1所述的方法，其中从微分相衬成像系统获得所述多个相关图像。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述相关图像随透射图像T和暗场图像DF而变，所述相关图像由以下各项中的一者给出：C＝T、C＝1–T、C＝–log(T)、C＝±DF。
14.根据权利要求12所述的方法，其中在所述同一扫描物体周围的多个不同视角下获得所述相关图像，以及
其中所积分图像包括来自所述多个不同视角的每一者的积分图像。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使用体积图像重建方法来从所述多个相关图像创建相位体积。
16.根据权利要求12所述的方法，其中对所述微分相衬成像系统进行配置以使用计算机可读媒介，用于相衬成像中的正则化相位恢复的计算机程序存储在所述计算机可读媒介中，所述计算机程序在由处理器执行时适合于实施根据权利要求1所述的方法。
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