CN111595877A - 一种x射线衍射增强成像的多衬度图像提取方法 - Google Patents

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CN111595877A CN202010481800.5A CN202010481800A CN111595877A CN 111595877 A CN111595877 A CN 111595877A CN 202010481800 A CN202010481800 A CN 202010481800A CN 111595877 A CN111595877 A CN 111595877A
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Abstract

本发明公开了一种X射线衍射增强成像的多衬度图像提取方法，是应用于沿X射线传播方向上依次设置有X射线源、单色晶体、分析晶体和探测器所构成的衍射增强成像装置中；X射线入射到单色晶体后被衍射，出射的单色准直X射线在穿透被成像物后入射到分析晶体后被衍射，出射X射线入射到探测器后，X射线的强度被探测器检测并记录；以分析晶体的衍射面的法线为旋转轴，利用探测器记录分析晶体沿旋转轴的不同角位置的投影图像，并利用提出的多衬度图像提取方法处理探测器记录的投影图像，能够得到被成像物的吸收图像、折射图像、散射图像、偏度图像和峰度图像。本发明能够解决被成像物的偏度图像、峰度图像的准确、定量提取问题。

Description

一种X射线衍射增强成像的多衬度图像提取方法
技术领域
本发明涉及X射线成像方法领域，具体的说是一种X射线衍射增强成像的多衬度图像提取方法。
背景技术
经过100多年来的不断发展和完善，X射线成像技术已经在公共安全检查、临床医学诊疗、无损检测、材料科学等众多领域得到了广泛应用。作为当前X射线成像技术的主流，X射线吸收衬度成像方法应用于主要由高原子序数元素组成的物体时，能够得到很好的图像质量。但是，对于主要由低原子序数元素组成的物体，包括有机复合材料、人体软组织等，它们对X射线的强度衰减非常弱。利用吸收衬度成像技术，获得的图像质量很差，不能够实现物体内部特征的准确识别。为了克服这一局限性，科学家们陆续发展了一系列的新的X射线成像方法，作为传统吸收衬度成像方法的有力补充。这些新的成像方法能够利用X射线穿过物体时的相移信号、散射信号等来形成图像衬度，在对有机复合材料等弱吸收物体成像时能够获得很好的图像质量。其中，衍射增强成像方法利用晶体衍射对入射X射线角度的选择性，将物体内部折射率变化导致的X射线传播方向的微小变化筛选出来。衍射增强成像方法能够同时获取被成像物体的吸收、折射和散射信号，并具有高空间分辨率、高灵敏度等优点，已经应用于乳腺摄影、关节成像、多孔复合材料的三维空间结构研究等领域。
X射线衍射增强成像普遍采用多图统计法来进行多模式成像的数据采集和被成像物体的吸收、折射和散射信号的提取。多图统计法要求：以分析晶体的衍射面的法线为旋转轴，沿旋转轴对分析晶体进行角位置步进扫描，同时采集几十张投影图像。对采集的投影图像进行计算，提取被成像物体的吸收图像、折射图像和散射图像。但是，多图统计法不能提取被成像物体的偏度图像、峰度图像。而偏度信号是物体内部散射结构的空间分布的不对称性的定量表征，峰度信号则与物体内部散射结构的空间分布形状信息直接相关。实验结果已经证实，偏度信号、峰度信号对于多孔材料内部特征的空间分布规律的定量表征等应用是非常重要的。这正是当前多图统计法存在的局限性之一。因此，发展新的多衬度图像提取方法，克服多图统计法不能提取偏度图像、峰度图像的局限性，能够推动X射线衍射增强成像方法在材料科学等领域的更加广泛的应用。
发明内容
本发明为避免现有成像方法的不足之处，提出一种X射线衍射增强成像的多衬度图像提取方法，以期能同时提取被成像物体的吸收图像、折射图像、散射图像、偏度图像和峰度图像，从而为实现准确、多模式的X射线衍射增强成像提供新途径。
为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种X射线衍射增强成像的多衬度图像提取方法的特点是应用于衍射增强成像装置中，所述衍射增强成像装置是以X射线的传播方向为Z轴向，并在沿Z轴向上依次设置有X射线源、单色晶体、分析晶体和探测器；所述多衬度图像提取方法是按如下步骤进行：
步骤1、设置各器件相关位置满足：0＜Z1＜Z2＜Z3，其中，Z1为所述X射线源与所述单色晶体在沿Z轴向上的相对距离，Z2为所述X射线源与所述分析晶体在沿Z轴向上的相对距离，Z3为所述X射线源与所述探测器在沿Z轴向上的相对距离；
步骤2、获取背景投影图像数据：
步骤2.1、以所述分析晶体的衍射面的法线为旋转轴；
步骤2.2、启动所述X射线源后，利用所述探测器分别进行M次X射线强度测量，获取所述分析晶体沿所述旋转轴的角位置分别为θ1，θ2，...，θm，...，θM、且曝光时长分别为t1，t2，...，tm，...，tM的M张背景投影图像I1，I2，...，Im，...，IM；其中，Im表示利用所述探测器获取的第m张背景投影图像，tm表示获取第m张背景投影图像的曝光时长，θm表示获取第m张背景投影图像时，所述分析晶体沿所述旋转轴的角位置，且满足1≤m≤M；
步骤2.3、关闭所述X射线源；
步骤3、获取被成像物的投影图像数据：
步骤3.1、将所述被成像物沿Z轴向放置在所述单色晶体和所述分析晶体的中间；并将所述X射线源与所述被成像物在沿Z轴向上的相对距离记为Z4，且满足Z1＜Z4＜Z2；
步骤3.2、启动所述X射线源后，利用所述探测器分别进行M次X射线强度测量，获取所述分析晶体沿所述旋转轴的角位置分别为θ1，θ2，...，θm，...，θM、且曝光时长分别为t1，t2，...，tm，...，tM的M张所述被成像物的投影图像
Figure BDA0002511223580000021
其中，
Figure BDA0002511223580000022
表示利用所述探测器获取的第m张所述被成像物的投影图像，且满足1≤m≤M；
步骤3.3、关闭所述X射线源；
步骤4、利用式(1)提取所述被成像物(5)的吸收图像T：
Figure BDA0002511223580000023
式(1)中，
Figure BDA0002511223580000031
是被成像物的投影图像的0阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000032
M0是背景投影图像的0阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000033
步骤5、利用式(2)提取所述被成像物的折射图像θR：
Figure BDA0002511223580000034
式(2)中，
Figure BDA0002511223580000035
是被成像物的投影图像的1阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000036
M1是背景投影图像的1阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000037
步骤6、利用式(3)提取所述被成像物的散射图像S：
Figure BDA0002511223580000038
式(3)中，
Figure BDA0002511223580000039
是被成像物的投影图像的2阶几何距，且
Figure BDA00025112235800000310
M2是背景投影图像的2阶几何距，且
Figure BDA00025112235800000311
步骤7、利用式(4)提取所述被成像物(5)的偏度图像Sw：
Figure BDA00025112235800000312
式(4)中，
Figure BDA00025112235800000313
是被成像物的投影图像的3阶几何距，且
Figure BDA00025112235800000314
M3是背景投影图像的3阶几何距，且
Figure BDA00025112235800000315
步骤8、利用式(5)提取所述被成像物的峰度图像K：
Figure BDA0002511223580000041
式(5)中，
Figure BDA0002511223580000042
是被成像物的投影图像的4阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000043
M4是背景投影图像的4阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000044
以所述被成像物的吸收图像T、折射图像θR、散射图像S、偏度图像Sw、峰度图像K作为所述多衬度图像提取方法的结果。
与已有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用信号形成原理和图像几何距的性质，提出了一种X射线衍射增强成像的多衬度图像提取方法，实现了被成像物体的吸收图像、折射图像、散射图像、偏度图像、峰度图像的同时提取，解决了现有多图统计法不能提取被成像物体的偏度图像、峰度图像的局限性，实现了准确、多模式的X射线衍射增强成像；
2、与现有的多图统计法相比，本发明利用图像的3阶几何距，实现了被成像物体的偏度图像的定量提取，获得了被成像物体内部散射结构的空间分布的不对称性信息；
3、与现有的多图统计法相比，本发明利用图像的4阶几何距，实现了被成像物体的峰度图像的提取，获得了被成像物体内部散射结构的空间分布的形状信息。
附图说明
图1为现有技术中X射线衍射增强成像装置示意图；
图2为本发明被成像物吸收图像的提取结果图；
图3为本发明被成像物折射图像的提取结果图；
图4为本发明被成像物散射图像的提取结果图；
图5为本发明被成像物偏度图像的提取结果图；
图6为本发明被成像物峰度图像的提取结果图；
图中标号：1X射线源；2单色晶体；3分析晶体；4探测器；5被成像物。
具体实施方式
本实施例中，参见图1，设置由X射线源1、单色晶体2、分析晶体3和探测器4构成的X射线衍射增强成像装置；如图1所示，以X射线传播方向为Z轴向；X射线源1、单色晶体2、被成像物5、分析晶体3和探测器4在沿Z轴向上依次设置；该X射线衍射增强成像的多衬度信息提取方法按如下步骤进行：
步骤1、设置各器件相关位置，满足：0＜Z1＜Z2＜Z3，其中，Z1为X射线源1与单色晶体2在沿Z轴向上的相对距离；Z2为X射线源1与分析晶体3在沿Z轴向上的相对距离；Z3为X射线源1与探测器4在沿Z轴向上的相对距离；
步骤2、获取背景投影图像：
步骤2.1、以分析晶体3的衍射面的法线为旋转轴；
步骤2.2、启动X射线源1后，利用探测器4分别进行M次X射线强度测量，获取分析晶体3沿旋转轴的角位置分别为θ1，θ2，...，θm，...，θM、且曝光时长分别为t1，t2，...，tm，...，tM的M张背景投影图像I1，I2，...，Im，...，IM；其中，Im表示利用探测器4获取的第m张背景投影图像，tm表示获取第m张背景投影图像的曝光时长，θm表示获取第m张背景投影图像时，分析晶体3沿旋转轴的角位置，且满足1≤m≤M；
对曝光时长tm(1≤m≤M)：当X射线源1是同步辐射X射线源时，曝光时长的典型值是1～100毫秒；当X射线源1是常规X射线源时，根据射线源功率的不同，曝光时长的典型值是10几秒到100多秒；
步骤2.3、关闭X射线源1；
步骤3、获取被成像物的投影图像：
步骤3.1、将被成像物5沿Z轴向放置在单色晶体2和分析晶体3的中间；并将X射线源1与被成像物5在沿Z轴向上的相对距离记为Z4，且满足Z1＜Z4＜Z2；
步骤3.2、启动X射线源1后，利用探测器4分别进行M次X射线强度测量，获取分析晶体3沿旋转轴的角位置分别为θ1，θ2，...，θm，...，θM、且曝光时长分别为t1，t2，...，tm，...，tM的M张被成像物5的投影图像
Figure BDA0002511223580000051
其中，
Figure BDA0002511223580000052
表示利用探测器4获取的第m张被成像物5的投影图像，且满足1≤m≤M；
步骤3.3、关闭X射线源1；
步骤4、利用式(1)提取被成像物5的吸收图像T：
Figure BDA0002511223580000061
式(1)中，
Figure BDA0002511223580000062
是被成像物5的投影图像的0阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000063
M0是背景投影图像的0阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000064
根据信号形成原理，被成像物的吸收信号定义为被成像物的散射分布函数的积分值，等于被成像物的投影图像的积分与背景投影图像的积分的比值，其中积分是针对分析晶体的角位置来进行的。而实验上，只能在有限个(这里是M个)分析晶体的角位置来采集投影图像，于是积分就用加权求和来近似。
被成像物的投影图像的加权求和
Figure BDA0002511223580000065
就是其0阶几何距，即
Figure BDA0002511223580000066
背景投影图像的加权求和
Figure BDA0002511223580000067
就是其0阶几何距，即
Figure BDA0002511223580000068
于是得到被成像物的吸收图像，满足：
Figure BDA0002511223580000069
图2为提取的被成像物5的吸收图像。被成像物5是某昆虫。
步骤5、利用式(2)提取被成像物5的折射图像θR：
Figure BDA00025112235800000610
式(2)中，
Figure BDA00025112235800000611
是被成像物5的投影图像的1阶几何距，且
Figure BDA00025112235800000612
M1是背景投影图像的1阶几何距，且
Figure BDA00025112235800000613
根据信号形成原理，被成像物的折射信号定义为被成像物的散射分布函数的重心，等于被成像物的投影图像的重心与背景投影图像的重心的差值。根据定义，被成像物的投影图像的重心等于投影图像与角位置乘积的积分，与被成像物的投影图像的积分的比值，其中积分是针对分析晶体的角位置来进行的。而实验上，只能在有限个(这里是M个)分析晶体的角位置来采集投影图像，于是积分就用加权求和来近似。
被成像物的投影图像的重心，等于
Figure BDA0002511223580000071
即
Figure BDA0002511223580000072
背景投影图像的重心，等于
Figure BDA0002511223580000073
即
Figure BDA0002511223580000074
于是得到被成像物的折射图像，满足：
Figure BDA0002511223580000075
图3为提取的被成像物5的折射图像，被成像物5是某昆虫。
步骤6、利用式(3)提取被成像物5的散射图像S：
Figure BDA0002511223580000076
式(3)中，
Figure BDA0002511223580000077
是被成像物(5)的投影图像的2阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000078
M2是背景投影图像的2阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000079
根据信号形成原理，被成像物的散射信号定义为被成像物的散射分布函数的方差，等于被成像物的投影图像的归一化方差与与背景投影图像的归一化方差的差值。根据定义，被成像物的投影图像的归一化方差等于投影图像与角位置平方的乘积的积分，与被成像物的投影图像的积分的比值，其中积分是针对分析晶体的角位置来进行的。而实验上，只能在有限个(这里是M个)分析晶体的角位置来采集投影图像，于是积分就用加权求和来近似。
被成像物的投影图像的归一化方差，等于
Figure BDA00025112235800000710
即
Figure BDA00025112235800000711
背景投影图像的归一化方差，等于
Figure BDA00025112235800000712
即
Figure BDA00025112235800000713
于是得到被成像物的散射图像，满足：
Figure BDA0002511223580000081
图4为提取的被成像物5的散射图像，被成像物5是某昆虫。
步骤7、利用式(4)提取被成像物5的偏度图像Sw：
Figure BDA0002511223580000082
式(4)中，
Figure BDA0002511223580000083
是被成像物的投影图像的3阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000084
M3是背景投影图像的3阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000085
根据信号形成原理，被成像物的偏度信号定义为被成像物的散射分布函数的归一化3阶中心距，等于被成像物的投影图像的归一化3阶中心距与与背景投影图像的归一化3阶中心距的差值。根据定义，被成像物的投影图像的归一化3阶中心距可通过计算投影图像与角位置三次方的乘积的积分得到，其中积分是针对分析晶体的角位置来进行的。而实验上，只能在有限个(这里是M个)分析晶体的角位置来采集投影图像，于是积分就用加权求和来近似。
被成像物的投影图像的归一化3阶中心距，等于
Figure BDA0002511223580000086
即
Figure BDA0002511223580000087
背景投影图像的归一化3阶中心距，等于
Figure BDA0002511223580000088
即
Figure BDA0002511223580000089
于是得到被成像物的偏度图像，满足：
Figure BDA00025112235800000810
图5为提取的被成像物5的偏度图像，被成像物5是某昆虫。
步骤8、利用式(5)提取被成像物5的峰度图像K：
Figure BDA0002511223580000091
式(5)中，
Figure BDA0002511223580000092
是被成像物(5)的投影图像的4阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000093
M4是背景投影图像的4阶几何距，且
Figure BDA0002511223580000094
根据信号形成原理，被成像物的峰度信号定义为被成像物的散射分布函数的归一化4阶中心距，与被成像物的投影图像的归一化4阶中心距、背景投影图像的归一化4阶中心距等相关。根据定义，被成像物的投影图像的归一化3阶中心距可通过计算投影图像与角位置四次方的乘积的积分得到，其中积分是针对分析晶体的角位置来进行的。而实验上，只能在有限个(这里是M个)分析晶体的角位置来采集投影图像，于是积分就用加权求和来近似。
被成像物的投影图像的归一化4阶中心距，等于
Figure BDA0002511223580000095
即
Figure BDA0002511223580000096
背景投影图像的归一化4阶中心距，等于
Figure BDA0002511223580000097
即
Figure BDA0002511223580000098
结合被成像物的投影图像的归一化方差、背景投影图像的归一化方差，得到被成像物的峰度图像，满足：
Figure BDA0002511223580000101
图6为提取的被成像物5的峰度图像，被成像物5是某昆虫。图2到图6展示的这些结果，证实了本发明提出的多衬度图像提取方法的可行性。
以被成像物的吸收图像T、折射图像θR、散射图像S、偏度图像Sw、峰度图像K作为多衬度图像提取方法的结果。

Claims (1)

1.一种X射线衍射增强成像的多衬度图像提取方法，其特征是应用于衍射增强成像装置中，所述衍射增强成像装置是以X射线的传播方向为Z轴向，并在沿Z轴向上依次设置有X射线源(1)、单色晶体(2)、分析晶体(3)和探测器(4)；所述多衬度图像提取方法是按如下步骤进行：
步骤1、设置各器件相关位置满足：0＜Z1＜Z2＜Z3，其中，Z1为所述X射线源(1)与所述单色晶体(2)在沿Z轴向上的相对距离，Z2为所述X射线源(1)与所述分析晶体(3)在沿Z轴向上的相对距离，Z3为所述X射线源(1)与所述探测器(4)在沿Z轴向上的相对距离；
步骤2、获取背景投影图像数据：
步骤2.1、以所述分析晶体(3)的衍射面的法线为旋转轴；
步骤2.2、启动所述X射线源(1)后，利用所述探测器(4)分别进行M次X射线强度测量，获取所述分析晶体(3)沿所述旋转轴的角位置分别为θ1，θ2，...，θm，...，θM、且曝光时长分别为t1，t2，...，tm，...，tM的M张背景投影图像I1，I2，...，Im，...，IM；其中，Im表示利用所述探测器(4)获取的第m张背景投影图像，tm表示获取第m张背景投影图像的曝光时长，θm表示获取第m张背景投影图像时，所述分析晶体(3)沿所述旋转轴的角位置，且满足1≤m≤M；
步骤2.3、关闭所述X射线源(1)；
步骤3、获取被成像物的投影图像数据：
步骤3.1、将所述被成像物(5)沿Z轴向放置在所述单色晶体(2)和所述分析晶体(3)的中间；并将所述X射线源(1)与所述被成像物(5)在沿Z轴向上的相对距离记为Z4，且满足Z1＜Z4＜Z2；
步骤3.2、启动所述X射线源(1)后，利用所述探测器(4)分别进行M次X射线强度测量，获取所述分析晶体(3)沿所述旋转轴的角位置分别为θ1，θ2，...，θm，...，θM、且曝光时长分别为t1，t2，...，tm，...，tM的M张所述被成像物(5)的投影图像
Figure FDA0002511223570000011
其中，
Figure FDA0002511223570000012
表示利用所述探测器(4)获取的第m张所述被成像物(5)的投影图像，且满足1≤m≤M；
步骤3.3、关闭所述X射线源(1)；
步骤4、利用式(1)提取所述被成像物(5)的吸收图像T：
Figure FDA0002511223570000013
式(1)中，
Figure FDA0002511223570000021
是被成像物(5)的投影图像的0阶几何距，且
Figure FDA0002511223570000022
M0是背景投影图像的0阶几何距，且
Figure FDA0002511223570000023
步骤5、利用式(2)提取所述被成像物(5)的折射图像θR：
Figure FDA0002511223570000024
式(2)中，
Figure FDA0002511223570000025
是被成像物(5)的投影图像的1阶几何距，且
Figure FDA0002511223570000026
M1是背景投影图像的1阶几何距，且
Figure FDA0002511223570000027
步骤6、利用式(3)提取所述被成像物(5)的散射图像S：
Figure FDA0002511223570000028
式(3)中，
Figure FDA0002511223570000029
是被成像物(5)的投影图像的2阶几何距，且
Figure FDA00025112235700000210
M2是背景投影图像的2阶几何距，且
Figure FDA00025112235700000211
步骤7、利用式(4)提取所述被成像物(5)的偏度图像Sw：
Figure FDA00025112235700000212
式(4)中，
Figure FDA00025112235700000213
是被成像物的投影图像的3阶几何距，且
Figure FDA00025112235700000214
M3是背景投影图像的3阶几何距，且
Figure FDA00025112235700000215
步骤8、利用式(5)提取所述被成像物(5)的峰度图像K：
Figure FDA0002511223570000031
式(5)中，
Figure FDA0002511223570000032
是被成像物(5)的投影图像的4阶几何距，且
Figure FDA0002511223570000033
M4是背景投影图像的4阶几何距，且
Figure FDA0002511223570000034
以所述被成像物(5)的吸收图像T、折射图像θR、散射图像S、偏度图像Sw、峰度图像K作为所述多衬度图像提取方法的结果。
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