CN110376222B - 一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法 - Google Patents

一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110376222B
CN110376222B CN201910597891.6A CN201910597891A CN110376222B CN 110376222 B CN110376222 B CN 110376222B CN 201910597891 A CN201910597891 A CN 201910597891A CN 110376222 B CN110376222 B CN 110376222B
Authority
CN
China
Prior art keywords
image
phase
thickness
imaging
projected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910597891.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110376222A (zh
Inventor
周仲兴
王令霄
张舒南
郑涵铭
程奕昕
高峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201910597891.6A priority Critical patent/CN110376222B/zh
Publication of CN110376222A publication Critical patent/CN110376222A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110376222B publication Critical patent/CN110376222B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • G01N23/041—Phase-contrast imaging, e.g. using grating interferometers

Abstract

本发明涉及一种面向非理想成像系统的多材料相位抽取方法，包括下列步骤：X射线同轴相衬成像参数设置；获得对应的系统点扩散函数；骨组织仿体构建；将骨组织仿体放置于物体平面位置，对其成像；分拨额获取材料“2”“3”“4”小圆柱体的投影厚度；获取骨组织仿体的外部包裹材料“1”的投影厚度；获得骨组织仿体整体的相位信息图像
Figure DDA0002118248500000011

Description

一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法
技术领域
本发明属于生物医学工程及医学影像学领域，涉及一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法。
背景技术
骨关节炎是一种退行性关节疾病，其侵害人体关节软骨、骨及周围软组织，严重影响人的活动能力。骨关节炎发病率高，目前世界范围内，60-75岁人群的发病率高于50％，75岁以上人群发病率高达80％，且发病年龄出现逐渐年轻化的趋势。随世界范围内人口老龄化的加剧，与骨关节炎相关的医疗问题及因劳动力损失带来的社会生产力的损失急剧增加，骨关节炎对患者生活质量及社会公共卫生事业的影响已成为不容忽视的问题。统计资料显示，中国骨关节炎患者已超过5000万，随着我国逐步进入老龄化社会，预计未来将会出现更大的发病人群。有效的预防和治疗骨关节炎已成为亟待解决的社会问题，而实现其早期诊断是解决这一问题的重要途径之一。
常规X射线摄影方法是当前骨关节炎诊断的主要方法，该成像方法通过组织体对透射X射线的衰减而形成吸收对比度。这种对比度机制对于骨类强吸收组织体或密度有显著差异的组织体是有效的，而对于软组织及骨关节炎早期密度变化并不显著的关节软骨，由于这些组织缺乏足够的吸收对比度，该成像方法不能对它们有效成像。因此，这种X射线摄影方法只有在骨关节炎症晚期，当关节间隙变窄、关节软骨明显损失时才能有效诊断。而对于骨关节炎早期特征，如关节软骨变性、周围软组织密度变化等，该方法并不能达到有效诊断。这种常规X射线摄影方法不适合早期骨关节炎的评估。
直到上世纪末，科学家发现，轻元素物质(软组织特征元素)引起的X射线相位改变的幅度是其对X射线吸收值的一千倍到一万倍，基于相位变化的X射线相位衬度成像理论(X-ray phase contrast imaging,XPCI)因此被提出。其打破了传统的基于吸收衬度的X射线成像理念，解决了传统射线照相法对于弱吸收材料难以有效成像的不足，可以提高对病变早期的关节软骨及周围软组织成像的图像可见度，有望实现理想的早期骨关节炎症的诊断。相关研究表明，在当前可用的X射线相衬成像技术中，只有同轴相衬成像技术在先期临床实验中达到了临床应用水平，且由于该技术不需要引入额外的光学元件，成像光路设计相对简单稳定，被认为是当前条件下最适合实现临床医学应用转化的显微成像技术之一。
在同轴相衬成像的过程中，当入射的空间相干X射线传播到物体时,波面发生畸变,畸变的波面经过物体后继续传播一定的距离，将和未发生畸变的波面发生干涉效应,从而将相位信息转化成强度调制,在像面上以可观察的强度变化显示出来。此时在像面上获得的强度分布正比于相位改变量的拉普拉斯变换，且在X射线的传播过程中，由于物体的吸收及衍射等会产生干扰因素，因此该强度分布并不能直接反映相位改变量的二维分布。为了将物体的相位信息从所获得的强度分布中恢复出来，需要进行相位抽取。目前，已有很多学者对基于同轴相衬成像的相位抽取进行了深入细致的研究，并取得了有价值的研究成果。
但迄今为止，X射线同轴相衬成像在骨关节炎诊断上仍没有得到应用：大部分学者都是对基于弱吸收物质(软组织)建立的近似模型展开的研究，而由于骨关节中不仅包含关节软骨及其他软组织，同时还包含对X射线有较大吸收的骨组织，因此这种研究模型不适用于骨关节组织。此外，在实际成像过程中，X光源的尺寸、空间相干性以及探测器的性能都会对相衬成像效果产生直接影响，这些光学装置会在成像系统中带来不可避免的缺陷，而目前采用的各类同轴相衬成像的相位抽取模型是建立在理想的成像系统和成像过程上，对于实际系统中会引起成像质量恶化的因素没有充分考虑。虽然现在部分研究人员通过采用同步辐射源可以极大的改善X光源对成像的影响，但是该辐射源装置复杂，应用成本较高，不适用于常规检测。
因此，当前制约同轴相衬成像技术在骨关节炎临床中应用的关键问题主要体现在两个方面：1.现有的相衬成像相位抽取模型是基于弱吸收物质(软组织)建立的近似模型，而由于骨关节中不仅包含关节软骨及其他软组织，同时还包含对X射线有较大吸收的骨组织，因此这种研究模型不适用于骨关节组织；2.实际成像系统方面自身缺陷，如X光源非理想点源，探测器性能受自身分辨率及点扩散函数等因素的限制，系统存在各类有害噪声等。
由于基于微焦点源的同轴相衬成像是适合骨关节炎早期诊断的成像技术，因此，针对该成像技术实现骨关节组织相位信息的准确抽取，获取表征骨关节内部结构信息的相位图像具有显著的研究和应用价值。传统的相位抽取方法，通过对软组织(弱吸收材料)相衬成像建立单材料相位抽取近似模型，以此获取相位的解析解，而由于骨关节中除包含关节软骨及其他软组织等弱吸收材料外，同时还包含骨组织等强吸收材料，因此这种模型不适用于骨关节组织，且对于存在缺陷的成像系统，这种相位抽取方法往往不能准确获取相位信息。因此，本发明从微焦点源同轴相衬成像模型出发，考虑骨关节组织同时具有强吸收物质和弱吸收物质的特性，并结合传统相位抽取方法，发展出一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法，实现对同时包含强吸收材料和弱吸收材料物体的内部结构信息的准确相位抽取，这对于相衬成像在骨关节炎早期诊断方面的应用和推广具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的主旨是提出一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法，保证了非理想成像系统下准确获取同时包含强吸收材料及弱吸收材料物体的相位信息，为同轴相衬成像系统及技术在骨关节炎症早期诊断的临床推广应用提供有力条件。技术方案如下：
一种面向非理想成像系统的多材料相位抽取方法，包括下列步骤：
(1)X射线同轴相衬成像参数设置：设置光源到物体的距离R1以及物体到探测器的距离R2，确定成像放大率
Figure BDA0002118248480000031
(2)设置数字放射成像系统的曝光参数，放置刀口器具在物体平面位置，在上述成像参数下连续采集多幅图像，从每幅图像获取不同位置的刀口截面曲线，而后各条刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的系统点扩散函数
Figure BDA0002118248480000032
Figure BDA0002118248480000033
是物平面上的坐标位置；而后对
Figure BDA0002118248480000034
傅里叶变换得到系统传递函数
Figure BDA0002118248480000035
Figure BDA0002118248480000036
代表空间频率；
(3)骨组织仿体构建：用亚克力，标记为材料“1”，加工得到直径12.75mm的大圆柱体，在其内部打4个直径1mm的通孔，前3个通孔中依次嵌入直径1mm的不同材质的小圆柱体，3个小圆柱体的材质依次为骨等效塑料,标记为材料“2”、特氟龙,标记为材料“3”、羟基磷灰石，标记为材料“4”；大圆柱体内部某处保留一圆柱形通孔，用来模拟骨组织体内部的空腔结构；
(4)将骨组织仿体放置于物体平面位置，对其成像，获得成像结果
Figure BDA0002118248480000037
(5)获取材料“2”小圆柱体的投影厚度
Figure BDA0002118248480000038
1)基于材料“2”的相移和吸收系数，从相衬图像
Figure BDA0002118248480000039
中获取成像物体的投影厚度图像Img2，所得Img2中仅材料“2”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失，投影厚度图像Img2的获取方式为：
Figure BDA0002118248480000041
其中
Figure BDA0002118248480000042
为材料“2”小圆柱体的频域相位抽取因子，δ2、μ2分别为材料“2”的相移系数和吸收系数，δ1、μ1分别为材料“1”的相移系数和吸收系数，R2为物体到探测器的距离，
Figure BDA0002118248480000043
代表空间频率；Iin为已知入射光强；
Figure BDA0002118248480000044
Figure BDA0002118248480000045
分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换；ε为正则化参数，其数值设定为实际相衬图像信噪比的倒数，| |为取模运算，*号为取共轭复数；
Figure BDA0002118248480000046
为成像物体在不同位置的厚度；
2)在Img2中材料“2”小圆柱体投影厚度图像两侧、距材料“2”与包裹材料“1”交界面
Figure BDA0002118248480000047
处进行分割，经图像分割抽取出材料“2”小圆柱体投影厚度图像
Figure BDA0002118248480000048
而后用大圆柱体材料“1”对Img2中
Figure BDA0002118248480000049
图像的位置进行填充，得到图像Img_m2；
(6)获取材料“3”小圆柱体的投影厚度
Figure BDA00021182484800000410
1)基于材料“3”的相移和吸收系数，从Img_m2中获取成像物体的投影厚度图像Img3，所得Img3中仅材料“3”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失；投影厚度图像Img3获取方式为：
Figure BDA00021182484800000411
其中Hp(δ3-1,μ3-1)是材料“3”的频域相位抽取因子，
Figure BDA00021182484800000412
δ3、μ3分别为材料“3”的相移系数和吸收系数；
2)将步骤5(2)中的材料“2”替换为材料“3”，用相同的方法从Img3图像中分割抽取出材料“3”小圆柱体的投影厚度
Figure BDA0002118248480000051
而后用大圆柱体材料“1”对Img3中
Figure BDA0002118248480000052
图像的位置进行填充，得到图像Img_m3；
(7)获取材料“4”小圆柱体的投影厚度
Figure BDA0002118248480000053
1)基于材料“4”的相移和吸收系数，从Img_m3中获取成像物体的投影厚度图像Img4，所得Img4中仅材料“4”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失；投影厚度图像Img4获取方式为：
Figure BDA0002118248480000054
其中Hp(δ4-1,μ4-1)是材料“4”的频域相位抽取因子，
Figure BDA0002118248480000055
δ4、μ4分别为材料“4”的相移系数和吸收系数；
2)将步骤5(2)中的材料“2”替换为材料“4”，用相同的方法从Img4图像中分割抽取出材料“4”小圆柱体的投影厚度
Figure BDA0002118248480000056
(8)获取骨组织仿体的外部包裹材料“1”的投影厚度
Figure BDA0002118248480000057
将原始相衬图像
Figure BDA0002118248480000058
中材料“2”、“3”、“4”的图像位置用空气柱相衬图像填充，得到图像
Figure BDA0002118248480000059
由下式获取材料“1”大圆柱体的投影厚度图像Img1:
Figure BDA00021182484800000510
其中
Figure BDA00021182484800000511
为材料“1”频域相位抽取因子，δ1、μ1分别为材料“1”的相移系数和吸收系数，
Figure BDA00021182484800000512
代表空间频率；由上式求得的Img1即为材料“1”大圆柱体的投影厚度
Figure BDA00021182484800000513
(9)由公式
Figure BDA00021182484800000514
(i＝1,2,3,4)求取材料“i”的相位
Figure BDA00021182484800000515
其中k为波数，δi为材料“i”相移系数；而后将各材料的相位图像按照原先的图像位置叠加，最终获得骨组织仿体整体的相位信息图像
Figure BDA0002118248480000061
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1为本发明构建的骨组织仿体俯视示意图；图中，1.亚克力2.骨等效塑料3.特氟龙4.羟基磷灰石5.空气
图2(a)为骨组织仿体相衬图像；
图2(b)为图2(a)的中间位置水平线轮廓图；
图3(a)为材料“2”投影厚度恢复图像；
图3(b)为图3(a)的中间位置水平线轮廓图；
图4(a)为材料“3”投影厚度恢复图像；
图4(b)为图4(a)的中间位置水平线轮廓图；
图5(a)为材料“4”投影厚度恢复图像；
图5(b)为图5(a)的中间位置水平线轮廓图；
图6(a)为材料“1”投影厚度恢复图像；
图6(b)为图6(a)的中间位置水平线轮廓图；
图7为最终相位抽取结果与真实相位图像的中间位置水平线轮廓对比图像；
图8(a)为加入比例系数2％的噪声后的相衬图像；
图8(b)为图8(a)中间位置水平线轮廓图；
图9为加噪相衬图像最终相位抽取结果与真实相位图像的中间位置水平线轮廓对比图像。
具体实施方式
1数字X射线成像系统设置
实验采用自行构建的微焦点源数字放射成像系统。探测器像素大小为15μm×15μm，X射线微焦点源工作电压25kVp。成像物体采用上述同时包含强吸收物质和弱吸收物质的由亚克力、骨等效塑料、特氟龙及羟基磷灰石组成的骨组织仿体。成像时设置X射线源到物体的距离为60cm，物体到探测器的距离为60cm，系统成像放大倍数为2倍，对应的物平面探测器像素有效尺寸为7.5μm×7.5μm。成像系统的点扩散函数是探测器点扩散函数和光源点扩散函数的卷积，在上述实验设置情况下，需要考虑探测器和光源焦斑点扩散函数对同轴相衬成像结果的恶化效应以及系统噪声问题，最终针对成像系统特性，实现一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法。
本发明骨组织仿体结构设计为：用亚克力，标记为材料“1”，加工得到直径12.75mm的大圆柱体，在其内部打4个直径1mm的通孔，前3个通孔中依次嵌入直径1mm的不同材质的小圆柱体，3个小圆柱体的材质依次为骨等效塑料,标记为材料“2”、特氟龙,标记为材料“3”、羟基磷灰石，标记为材料“4”；大圆柱体内部某处保留一圆柱形通孔，用来模拟骨组织体内部的空腔结构。材料“1”采用亚克力，这种材料密度和相移吸收系数与人体软组织接近，研究中常用来模拟真实软组织；骨等效塑料，其密度略低于骨，研究中常被用作骨等效材料；羟基磷灰石是人体骨骼中的主要成分，可表征骨关节炎时软组织内出现的钙质沉积。本发明设计的骨组织仿体既包含可模拟骨关节软组织的弱吸收物质，同时包含可模拟具有较大吸收、不同密度骨组织的强吸收物质，不满足传统的相衬成像所采用的低吸收物体模型，可认为与骨关节结构具有类似特性，因此本发明的研究成果可以进一步有效的移植到实际临床上用于骨关节炎早期诊断的同轴相衬成像系统中。该方法的应用，将为有效实现早期骨关节炎的诊断提供技术支持，为深入开展骨关节炎的同轴相衬成像的临床实践和研究提供有力支持。
2面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法应用
在X射线同轴相衬成像中，物体对入射X射线的传播函数
Figure BDA0002118248480000071
可以表示为
Figure BDA0002118248480000072
其中
Figure BDA0002118248480000073
是物平面上的坐标位置，i为虚数单位，
Figure BDA0002118248480000074
和
Figure BDA0002118248480000075
分别对应物体对入射X射线的吸收作用和相移效应。
X射线穿过物体后，相关光在继续传播过程中发生菲涅尔衍射效应，X射线波面表示为：
Figure BDA0002118248480000076
其中下标d表示物体到探测器的距离，
Figure BDA0002118248480000077
为线性卷积算子，
Figure BDA0002118248480000078
是菲涅尔衍射算子：
Figure BDA0002118248480000079
k为波数，λ为入射光波长，i为虚数单位。
这样，最终由探测器采集到的相衬图像为(假设入射X射线强度为均匀分布)
Figure BDA0002118248480000081
在同轴相衬成像的近轴条件下，上述的坐标
Figure BDA0002118248480000082
需要用
Figure BDA0002118248480000083
来代替，这里的M为成像放大倍数，可以通过
Figure BDA0002118248480000084
来计算(R1，R2分别为物体到光源和探测器的距离)。
由上述过程即得到物体相衬图像。由于不同材料相移系数不同、对X射线的折射率不同，因此各材料交界面处相位发生突变，而相衬图像强度分布同物体相位分布的二阶导数成正比，因此各材料交界面处的相位突变最终即以相衬条纹的形式体现在相衬图像中。相衬图像不能直接反应物体相位信息，为恢复物体相位，消除相衬条纹的影响，需对相衬图像进行相位抽取。
物体相位求取公式为
Figure BDA0002118248480000085
其中k为波数，δ为已知的材料相移系数，
Figure BDA0002118248480000086
为材料投影厚度，因此相位的恢复可转化为投影厚度的恢复，应用一种面向非理想成像系统的多材料相位抽取方法依次获取各材料投影厚度：
(1)材料“2”投影厚度
Figure BDA0002118248480000087
的恢复：
1)基于材料“2”的相移和吸收系数，由公式(5)从相衬图像中获取成像物体的投影厚度图像Img2：
Figure BDA0002118248480000088
其中，Iin为已知入射光强，
Figure BDA0002118248480000089
为成像物体在不同位置的厚度；
Figure BDA00021182484800000810
分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换；
Figure BDA00021182484800000811
代表空间频率，
Figure BDA00021182484800000812
代表系统传递函数，主要取决于X射线光源焦斑尺寸以及探测器点扩散函数；ε为正则化参数，其数值设定为实际相衬图像信噪比的倒数，| |为取模运算，*号为取共轭复数；Hp(δ2-1,μ2-1)为材料“2”小圆柱体的频域相位抽取因子，其计算公式如式(6)：
Figure BDA00021182484800000813
δ2、μ2分别为材料“2”的相移系数和吸收系数，δ1、μ1分别为材料“1”的相移系数和吸收系数，R2为物体到探测器的距离。上述抽取过程中应用材料“2”的频域抽取因子进行投影厚度恢复，因而Img2中仅材料“2”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失。
2)在Img2材料“2”小圆柱体投影厚度图像两侧、距材料“2”与包裹材料“1”交界面
Figure BDA0002118248480000091
处进行分割，由图像分割抽取出材料“2”小圆柱体投影厚度图像
Figure BDA0002118248480000092
(2)材料“3”投影厚度
Figure BDA0002118248480000093
的恢复：
用大圆柱体材料“1”对图像分割后的Img2中
Figure BDA0002118248480000094
图像的位置进行填充，得到图像Img_m2，而后基于材料“3”的相移和吸收系数，由公式(7)从Img_m2中获取成像物体的投影厚度图像Img3：
Figure BDA0002118248480000095
Hp(δ3-1,μ3-1)为材料“3”小圆柱体的频域相位抽取因子，其计算公式如式(8)：
Figure BDA0002118248480000096
δ3、μ3分别为材料“3”的相移系数和吸收系数。
上述抽取过程应用材料“3”的频域抽取因子进行投影厚度恢复，因而Img3中仅材料“3”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失；将步骤1(2)中的材料“2”替换为材料“3”，用相同的方法从Img3图像中分割抽取出材料“3”小圆柱体的投影厚度
Figure BDA0002118248480000097
(3)材料“4”投影厚度
Figure BDA0002118248480000098
的恢复：
用大圆柱体材料“1”对图像分割后的Img3中
Figure BDA0002118248480000099
图像的位置进行填充，得到图像Img_m3，而后基于材料“4”的相移和吸收系数，由公式(9)从Img_m3中获取成像物体的投影厚度图像Img4：
Figure BDA0002118248480000101
Hp(δ4-1,μ4-1)为材料“4”小圆柱体的频域相位抽取因子，其计算公式如式(10)：
Figure BDA0002118248480000102
δ4、μ4分别为材料“4”的相移系数和吸收系数。
上述抽取过程应用材料“4”的频域抽取因子进行投影厚度恢复，因而Img4中仅材料“4”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失；将步骤1(2)中的材料“2”替换为材料“4”，用相同的方法从Img4图像中分割抽取出材料“4”小圆柱体的投影厚度
Figure BDA0002118248480000103
4)骨组织仿体外部包裹材料“1”投影厚度
Figure BDA0002118248480000104
的恢复：
将原始相衬图像
Figure BDA0002118248480000105
中材料“2”、“3”、“4”的图像位置用空气柱相衬图像填充，得到图像
Figure BDA0002118248480000106
由公式(11)获取材料“1”大圆柱体的投影厚度图像：
Figure BDA0002118248480000107
Figure BDA0002118248480000108
为材料“1”频域相位抽取因子，由上式求得的Img1即为材料“1”大圆柱体的投影厚度
Figure BDA0002118248480000109
由公式
Figure BDA00021182484800001010
(i＝1,2,3,4)求取材料“i”的相位
Figure BDA00021182484800001011
其中k为波数，δi为材料“i”相移系数，再将各材料的相位图像按照原先的图像位置叠加，即可得到相衬图像的相位抽取结果
Figure BDA00021182484800001012
最终结果表明，针对当前工程技术条件下，同轴相衬成像的相位抽取模型无法准确获取非理想成像系统下同时包含强吸收材料及弱吸收材料物体的相位信息的问题，采用本发明的一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法，可以有效提高非理想系统情况下，对同时包含强吸收材料及弱吸收材料物体的相衬图像进行相位抽取结果的准确性。本发明中成像物体既包含可模拟骨关节软组织的弱吸收物质，同时包含可模拟具有较大吸收、不同密度骨组织的强吸收物质，不满足传统的相衬成像所采用的低吸收物体模型，可认为与骨关节结构具有类似特性，因此本发明的研究成果可以进一步有效的移植到实际临床上用于骨关节炎早期诊断的同轴相衬成像系统中。该方法的应用，将为有效实现早期骨关节炎的诊断提供技术支持，为深入开展骨关节炎的同轴相衬成像的临床实践和研究提供有力支持。

Claims (1)

1.一种面向非理想成像系统的多材料相位抽取方法，包括下列步骤：
(1)X射线同轴相衬成像参数设置：设置光源到物体的距离R1以及物体到探测器的距离R2，确定成像放大率
Figure FDA0003169062780000011
(2)设置数字放射成像系统的曝光参数，放置刀口器具在物体平面位置，在上述成像参数下连续采集多幅图像，从每幅图像获取不同位置的刀口截面曲线，而后各条刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的系统点扩散函数
Figure FDA0003169062780000012
Figure FDA0003169062780000013
是物平面上的坐标位置；而后对
Figure FDA0003169062780000014
傅里叶变换得到系统传递函数
Figure FDA0003169062780000015
Figure FDA0003169062780000016
代表空间频率；
(3)骨组织仿体构建：用标记为材料“1”的亚克力加工得到直径12.75mm的大圆柱体，在其内部打4个依次排布的直径1mm的通孔，前3个通孔中依次嵌入直径1mm的不同材质的小圆柱体，3个小圆柱体的材质依次为：标记为材料“2”的骨等效塑料,标记为材料“3”的特氟龙和标记为材料“4”的羟基磷灰石，第四个圆柱形通孔保留，用来模拟骨组织体内部的空腔结构；
(4)将骨组织仿体放置于物体平面位置，对其成像，获得成像结果
Figure FDA0003169062780000017
(5)获取材料“2”小圆柱体的投影厚度
Figure FDA0003169062780000018
1)基于材料“2”的相移和吸收系数，从相衬图像
Figure FDA0003169062780000019
中获取成像物体的投影厚度图像Img2，所得Img2中仅材料“2”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失，投影厚度图像Img2的获取方式为：
Figure FDA00031690627800000110
其中
Figure FDA00031690627800000111
为材料“2”小圆柱体的频域相位抽取因子，δ2、μ2分别为材料“2”的相移系数和吸收系数，δ1、μ1分别为材料“1”的相移系数和吸收系数，R2为物体到探测器的距离，
Figure FDA00031690627800000112
代表空间频率；Iin为已知入射光强；
Figure FDA00031690627800000113
Figure FDA00031690627800000114
分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换；ε为正则化参数，其数值设定为实际相衬图像信噪比的倒数，||为取模运算，*号为取共轭复数；
Figure FDA0003169062780000021
为成像物体在不同位置的厚度；
2)在Img2中材料“2”小圆柱体投影厚度图像两侧、距材料“2”与包裹材料“1”交界面
Figure FDA0003169062780000022
处进行分割，经图像分割抽取出材料“2”小圆柱体投影厚度图像
Figure FDA0003169062780000023
而后用大圆柱体材料“1”对Img2中
Figure FDA0003169062780000024
图像的位置进行填充，得到图像Img_m2；
(6)获取材料“3”小圆柱体的投影厚度
Figure FDA0003169062780000025
1)基于材料“3”的相移和吸收系数，从Img_m2中获取成像物体的投影厚度图像Img3，所得Img3中仅材料“3”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失；投影厚度图像Img3获取方式为：
Figure FDA0003169062780000026
其中Hp(δ3-1,μ3-1)是材料“3”的频域相位抽取因子，
Figure FDA0003169062780000027
δ3、μ3分别为材料“3”的相移系数和吸收系数；
2)将步骤(5)第2)步中的材料“2”替换为材料“3”，用相同的方法从Img3图像中分割抽取出材料“3”小圆柱体的投影厚度
Figure FDA0003169062780000028
而后用大圆柱体材料“1”对Img3中
Figure FDA0003169062780000029
图像的位置进行填充，得到图像Img_m3；
(7)获取材料“4”小圆柱体的投影厚度
Figure FDA00031690627800000210
1)基于材料“4”的相移和吸收系数，从Img_m3中获取成像物体的投影厚度图像Img4，所得Img4中仅材料“4”小圆柱的投影厚度得到准确恢复且边界条纹消失；投影厚度图像Img4获取方式为：
Figure FDA00031690627800000211
其中Hp(δ4-1,μ-4是材料“4”的频域相位抽取因子，
Figure FDA0003169062780000031
δ4、μ4分别为材料“4”的相移系数和吸收系数；
2)将步骤(5)第2)步中的材料“2”替换为材料“4”，用相同的方法从Img4图像中分割抽取出材料“4”小圆柱体的投影厚度
Figure FDA0003169062780000032
(8)获取骨组织仿体的外部包裹材料“1”的投影厚度
Figure FDA0003169062780000033
将原始相衬图像
Figure FDA0003169062780000034
中材料“2”、“3”、“4”的图像位置用空气柱相衬图像填充，得到图像
Figure FDA0003169062780000035
由下式获取材料“1”大圆柱体的投影厚度图像Img1:
Figure FDA0003169062780000036
其中
Figure FDA0003169062780000037
为材料“1”频域相位抽取因子，δ1、μ1分别为材料“1”的相移系数和吸收系数，
Figure FDA0003169062780000038
代表空间频率；由上式求得的Img1即为材料“1”大圆柱体的投影厚度
Figure FDA0003169062780000039
(9)由公式
Figure FDA00031690627800000310
求取材料“i”的相位
Figure FDA00031690627800000311
其中k为波数，δi为材料“i”相移系数；而后将各材料的相位图像按照原先的图像位置叠加，最终获得骨组织仿体整体的相位信息图像
Figure FDA00031690627800000312
CN201910597891.6A 2019-07-04 2019-07-04 一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法 Active CN110376222B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910597891.6A CN110376222B (zh) 2019-07-04 2019-07-04 一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910597891.6A CN110376222B (zh) 2019-07-04 2019-07-04 一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110376222A CN110376222A (zh) 2019-10-25
CN110376222B true CN110376222B (zh) 2021-10-12

Family

ID=68251817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910597891.6A Active CN110376222B (zh) 2019-07-04 2019-07-04 一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110376222B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106556612A (zh) * 2016-11-04 2017-04-05 立讯精密工业（昆山）有限公司 一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法
CN107220963A (zh) * 2017-04-20 2017-09-29 天津大学 一种面向非理想相衬成像系统的频域正则化相位抽取方法
CN108886407A (zh) * 2016-06-23 2018-11-23 华为技术有限公司 在频域线性均衡器中处理数字信号的装置和方法
CN109035359A (zh) * 2018-07-28 2018-12-18 天津大学 一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法
CN109406550A (zh) * 2018-12-07 2019-03-01 立讯精密工业（昆山）有限公司 基于多材质物体相位提取的缺陷检测方法及检测装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109830269B (zh) * 2013-10-10 2023-09-19 思高博塔公司 选择材料组合物和设计具有目标特性的材料的方法
US20190003959A1 (en) * 2017-06-30 2019-01-03 Guangdong University Of Technology Blind separation based high accuracy perspective detection method for multilayer complex structure material

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108886407A (zh) * 2016-06-23 2018-11-23 华为技术有限公司 在频域线性均衡器中处理数字信号的装置和方法
CN106556612A (zh) * 2016-11-04 2017-04-05 立讯精密工业（昆山）有限公司 一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法
CN107220963A (zh) * 2017-04-20 2017-09-29 天津大学 一种面向非理想相衬成像系统的频域正则化相位抽取方法
CN109035359A (zh) * 2018-07-28 2018-12-18 天津大学 一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法
CN109406550A (zh) * 2018-12-07 2019-03-01 立讯精密工业（昆山）有限公司 基于多材质物体相位提取的缺陷检测方法及检测装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Phase retrieval for non-ideal in-line phase contrast x-ray imaging;Baikuan Guo;《SPIE BiOS》;20171017;第1-9页 *
X射线同轴相衬成像原理数值模拟及实验初探;龚绍润 等;《软件学报》;20090515;第20卷(第5期);第1156-1165页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110376222A (zh) 2019-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pfeiffer et al. Grating-based X-ray phase contrast for biomedical imaging applications
Mokso et al. Advantages of phase retrieval for fast x-ray tomographic microscopy
Schulz et al. High-resolution tomographic imaging of a human cerebellum: comparison of absorption and grating-based phase contrast
Beltran et al. Interface-specific x-ray phase retrieval tomography of complex biological organs
Bech et al. Soft-tissue phase-contrast tomography with an x-ray tube source
Lewis et al. X-ray refraction effects: application to the imaging of biological tissues
CN104540451B (zh) 用于微分相位衬度锥束ct和混合锥束ct的方法和装置
US9724063B2 (en) Surrogate phantom for differential phase contrast imaging
JP7212631B2 (ja) Ｘ線暗視野撮像におけるビーム・ハードニング補正
Arhatari et al. Imaging the 3D structure of secondary osteons in human cortical bone using phase-retrieval tomography
Stampanoni et al. Tomographic hard X‐ray phase contrast micro‐and nano‐imaging at TOMCAT
Pfeiffer et al. Region-of-interest tomography for grating-based x-ray differential phase-contrast imaging
Chenglin et al. X-ray phase-contrast CT imaging of the acupoints based on synchrotron radiation
Delecourt et al. Cartilage morphology assessed by high resolution micro-computed tomography in non OA knees
Li et al. Phase-sensitive X-ray imaging of synovial joints
Qin et al. High-resolution 3D visualization of ductular proliferation of bile duct ligation-induced liver fibrosis in rats using X-ray phase contrast computed tomography
CN110376222B (zh) 一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法
Germann et al. Strain fields in histological slices of brain tissue determined by synchrotron radiation-based micro computed tomography
Clark et al. Reproducing 2D breast mammography images with 3D printed phantoms
Gao et al. A micro-tomography method based on X-ray diffraction enhanced imaging for the visualization of micro-organs and soft tissues
Yu et al. Phase retrieval in 3D X-ray magnified phase nano CT: Imaging bone tissue at the nanoscale
Pacureanu et al. Adaptive filtering for enhancement of the osteocyte cell network in 3D microtomography images
JP2005040239A (ja) 画像処理方法、画像処理プログラム及びコンピュータ読取可能な記録媒体
Yuasa et al. Highly sensitive detection of the soft tissues based on refraction contrast by in-plane diffraction-enhanced imaging CT
Tavakoli et al. Tracking cells in the brain of small animals using synchrotron multi-spectral phase contrast imaging

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant