基于主成分分析的图像融合方法

基于主成分分析的图像融合方法
【专利摘要】本发明提出了一种融合吸收、微分相位对比度和暗场(散射)信号的方法，上述信号采用x射线相位对比度灵敏技术获得，如光栅装置。该新的方法通过主成分分析(PCA)融合吸收和暗场信号；进一步地，微分相位对比度被合并至该PCA融合图像中，以获得边缘增强效应。由于其普遍的可应用性以及其在使用中的简单性，所提出的发明期望变成用于使用相位对比度成像的图像融合方案的标准方法，特别是在医学扫描仪(例如人体乳房x射线照相设备)、工业生产线上的检查、非破坏的测试以及国土安全方面。
【专利说明】基于主成分分析的图像融合方法
[0001]本发明涉及一种基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)和暗场(DFI)信号的微分相位对比度成像的主成分分析(PCA)进行图像融合的方法。
[0002]众所周知，不同于传统的可见光光学器件，X-射线光学器件的折射率非常接近于并且小于I。在一级近似中，对于介质中的小的并且可忽略的各向异性，表征组织的光学性质的折射率可用其复数形式表示为-包括X-射线吸收:
[0003]η = 1- δ -1 β ,
[0004]其中δ是折射率的实部的减量，表征相移特性，而虚部β描述了样品的吸收特性。在传统的以吸收为基础的放射摄影术中，X-射线的相移信息通常不直接用于图像重建。然而，在光子能量大于10千电子伏时并且对于轻型材料(由低-Z元素组成)来说，相移项扮演比衰减项更加重要的角色，因为δ典型地是β的一千倍。因此，与传统的以吸收为基础的成像相比，相位对比模态能够产生明显更大的图像对比度。而且，远离吸收边缘，δ与X-射线能量的平方成反比，而β随着能量的四次方减小。这种机制的一个显著后果是，相位信号可通过比吸收低得多的剂量的沉积来获得，当辐射损伤必须加以考虑时，例如在生物样品或者生命系统中，这是一个非常重要的问题。
[0005]为了记录相位信号，已经开发了多种方法。它们可以被分为干涉测量方法(使用晶体)、相位传播方法，基于分光晶体或者基于X-射线光栅的技术。所描述的发明在上下文中使用任何上述的技术，假定吸收、微分相位和暗场信号是可获得的，因为在欧洲专利申请ΕΡ10167569和国际专利申请W02010/089319中提供了在光栅于涉测量法情况下的细节。
[0006]基于光栅的X-射线成像
[0007]基于光栅的X-射线成像设置可同时产生三种不同的信号:传统的吸收对比度(AC)信号，由折射引起的微分相位对比度(DPC)信号[1]，以及由样品中杂质上的散射引起的所谓的暗场图像(DFI)对比度信号[2]。DPC图像信号可用于通过图像处理例程[3，4]获得相位对比度(PC)图像。可以应用具有双光栅(Gl和G2)或者三光栅(G0，G1和G2)的设置来记录X射线的偏转。
[0008]在双光栅设置的情况下，源需要符合涉及其空间相干性的一定的要求，而在三光栅的设置中不要求空间相干性[5，6]。因此，三光栅设置适于与非相干X射线源一起使用，特别是与X-射线管一起使用。图1示出了用于X射线成像的双光栅设置(上图)和三光栅设置(下图)的现有技术。当源尺寸大于P2*l/d时，GO光栅是必须的，其中p2是G2的周期，I是源和Gl之间的距离，而d是光栅Gl和G2之间的距离。
[0009]为了将传统的衰减对比度(AC)与DPC和DFI对比度分离，通常应用相位步进的方法。光栅中的一个与入射光束横向地位移，同时获取多个图像。在探测器平面内的每个像素处的强度信号作为该位移的函数振动。振动的平均值表示衰减对比度(AC)。该振动的相位可被直接关联到波前相位轮廓，从而关联到DPC信号。该振动的振幅依赖于X-射线在目标物中的散射，因此产生DFI信号。
[0010]对于(两个或者三个)光栅，一些方法已经被提出并且应用。光栅GO(如果需要的话)是最接近X射线源的一个。它通常由具有周期为PO的吸收线的透射光棚组成。它可被只从具有相同周期的线发出辐射的源代替。光栅Gl被放置在源的更下游。它由具有周期Pl的线组成。光栅G2是该设置中最下游的一个。它通常由具有周期为p2的吸收线的透射光栅组成。它可被具有与光栅类似的灵敏度并且具有相同周期的探测器系统代替。
[0011]可区分两种类型的设置:所谓的“近场类型”和“塔尔博特(Talbot)类型”。在“近场类型”中，光栅周期P，光栅距离d以及X射线波长λ可这样选择，使衍射效应可忽略不计。在这种情况下，所有的光栅需要由吸收线组成。在Talbot类型中，在光栅结构上的衍射是显著的。两种类型之间的明确区分是不能很容易地给出的，因为确切的标准依赖于光栅结构的占空比以及光栅是吸收还是相移。例如，对于具有吸收线和占空比为0.5的光栅，“近场类型”的条件为d ^ ρ2/2λ。这里Gl应当由光栅线组成，这些光栅线是吸收的或者优选地是相移的。相移的几种数量都是可能的，优选为η/2或者其倍数。光栅周期必须与光栅之间的相对距离相匹配。在“Talbot类型”中的设置情况下，需要考虑Talbot效应，以获得好的对比度。用于光栅周期和距离的公式记载在[8]中。样品大多置于Gl的GO之间(或者在双光栅设置的情况下置于Gl的上游)，然而，将样品置于Gl和G2之间可能是有利的[9]。
[0012]本发明与上述的所有情况都是相关的，也就是在双光栅和三光栅情况下，在“近场类型”和“塔尔博特类型”情况下，以及样品置于Gl的上游或者下游。此外，这里介绍的发明还与如在[10，11]中建议的以扫描为基础的系统结合，或者用于如[12]中建议的平面光栅几何形状。
[0013]对于探测器上的每个像素，如果已知在有以及没有样品的情况下的强度曲线的平均值、相位和能见度则可以计算吸收(AC)、微分相位(DPC)以及暗场(DFI)信号[1，2]。
[0014]因为基于光栅的X射线干涉仪记录三种通过不同的物理量所产生的信号，所以产生的问题是如何有效地将这些信号融合到一个单个的图像中。
[0015]因此，本发明的目的是提供一种用于这样的图像融合的方法，以集成来自多个图像的互补的以及冗余的信息 至一个单个的输出图像中。例如，图像融合可以在当今的医学成像中起到非常重要的作用。合并后的图像可导致在单个图像中不能被明显探测到的额外的临床信息，并从而导致更准确的诊断。
[0016]这些目的根据本发明通过图像融合的方法来实现，其中图像融合是基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)以及暗场(DFI)信号的微分对比度成像的主成分分析(PCA)，该方法包括如下步骤:
[0017]a)收集一系列的2D图像，每个图像包括以吸收为主的像素和/或以微分相位为主的像素和/或以暗场为主的信号；
[0018]b)通过对以吸收为主的像素和以微分相位为主的像素和以暗场为主的像素中的每一个进行列式的像素值提取，获得向量图像；
[0019]c)通过主成分分析(PCA)融合以吸收为主的像素和以暗场为主的像素的向量图像，以产生PCA融合图像；以及
[0020]d)通过空间的空间方法、傅里叶空间方法或者其它合适的图像融合方案，如PCA，将以微分相位为主的像素的向量图像合并至对应的PCA融合图像中。
[0021]本发明因此提供一种用于图像融合的方法，其将来自多个图像的互补以及冗余的信息集成至单个输出图像中，合并后的图像导致在单个图像中不能被明显探测的额外的临床信息，并且因此导致更准确的诊断。
[0022]该方法需要提供合适的设置。微分数据优选从用于X射线、特别是硬X射线的装置获得，该装置用于从样品中获得量化的X射线图像，该装置包括:
[0023]a) X射线源(X射线)；
[0024]b)至少所谓的第一光栅(Gl)和第二光栅(G2)；
[0025]c)具有多个单独像素的、具有空间调制探测灵敏度的位置灵敏的探测器(PSD)；
[0026]d)用于记录所述探测器(PSD)的图像的器件；
[0027]e)用于评估一系列图像中每个像素的强度的器件，以便为作为以吸收为主的像素和/或以微分相位对比度为主的像素和/或以X射线散射为主的像素的每个单独的像素识别目标物的特征；
[0028]f)其中所述一系列图像通过连续地或者逐步地将样品或者所述装置以及源相对于样品从O旋转至π或者2π来收集。
[0029]典型地，这些图像通过在近场类型或者塔尔博特类型下操作的设置来获得。优选地，第一光栅是被设计成吸收光栅或者相位光栅的线光栅，所述相位光栅是低吸收光栅，但是产生相当大的X射线相移，后者优选为η或者其奇数倍。
[0030]在本发明的另一个优选实施例中，第二光栅是具有高的X射线吸收对比度的线光栅，其周期与第一光栅的自图像的周期相同，其中第二光栅优选置于紧靠探测器的前方，其线平行于第一线光栅的线。
[0031]用于近场类型和塔尔博特类型的典型装置在下文中给出。对于近场类型的操作，第一和第二光栅之间的距离在该类型内可自由选择，而对于塔尔博特类型可根据下式选择:
【权利要求】
1.一种基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)和暗场(DFI)信号的微分相位对比度成像的主成分分析(PCA)进行图像融合的方法，包括如下步骤: a)收集一系列的二维图像，每个图像包括以吸收为主的像素和/或以微分相位为主的像素和/或以暗场为主的信号； b)通过对以吸收为主的像素和以微分相位为主的像素和以暗场为主的像素中的每一个按列进行像素值的提取，获得向量图像； c)通过主成分分析(PCA)融合以吸收为主的像素和以暗场为主的像素的向量图像，以产生PCA融合图像；以及 d)通过空间的空间方法、傅里叶空间方法或者其它合适的图像融合方案，例如PCA，合并以微分相位为主的像素的向量图像至对应的PCA融合图像中。
2.如权利要求1所述的方法，其中微分数据通过X射线、特别是硬X射线的装置获得，所述装置用于从样本中获得量化的X射线图像，该装置包括: a)X射线源(X射线)； b)至少所谓的第一光栅(Gl)和第二光栅(G2)； c)具有多个单独像素的、具有空间调制探测灵敏度的位置灵敏的探测器(PSD)； d)用于记录所述探测器(PSD)的图像的器件； e)用于评估一系列图像中每个像素的强度的器件，以便为作为以吸收为主的像素和/或以微分相位对比度为主的像素和/或以X射线散射为主的像素的每个单独的像素识别目标物的特征； f)其中所述一系列图像通过连续地或者逐步地将样品或者所述装置从O旋转至π或者2 31以及将源相对于样品从O旋转至31或者2 31来收集。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，该方法在近场类型或者塔尔博特类型下操作。
4.根据上述权利要求1-3中任一所述的方法，其中第一光栅(Gl)是线光栅(G1)，其设计为吸收光栅或者是低吸收光栅但是产生相当大的X射线相移的相位光栅，该X射线相移优选是η或者其奇数倍。
5.根据上述权利要求1-3中任一所述的方法，其中第二光栅(G2)是具有高的X射线吸收对比度的线光栅，其周期与所述第一光栅(Gl)的自图像的周期相同，其中第二光栅(G2)优选放置在紧靠探测器(PSD)的前方，其中第二光栅的线与第一线光栅(Gl)的线平行。
6.根据上述权利要求1-5中任一所述的方法，其中对于近场类型操作，第一和第二光栅(G1，G2)之间的距离在该类型中自由选择，并且对于塔尔博特类型根据下式选择:
7.根据上述权利要求1-6中任一所述的方法，其中相位步进是通过一个光栅(G0，G1或者G2)相对于其它一个或多个光栅的机械移位来执行的。
8.根据上述权利要求1-7中任一所述的方法，其中光栅结构根据欧洲专利申请10167569.2中所主张的方法，采用平面技术制造。
9.根据上述权利要求1-8中任一所述的方法，其中微分相位信息根据欧洲专利申请10167569.2中所主张的方法获得。
10.根据上述权利要求1-9中任一所述的方法,其中第一光栅(Gl)和第二光栅(G2)之间的相位关系准确地对应于使用一级泰勒级数展开的强度曲线的值，并且微分相位信息根据国际专利申请W02010/089319AI中所主张的方法获得。
11.根据上述权利要求1-10中任一所述的方法，其中PCA融合图像通过第一主成分与以下数据矩阵的乘法来计算
/ —e, = e;'.I = λ、xIAC + S2 x Idfi，
其中 ei = [S1, s2]T。
12.根据上述权利要求1-11中任一所述的方法，其中PCA融合图像通过对以吸收为主的像素和以微分相位为主的像素和以暗场为主的像素的向量图像执行PCA来产生。
13.根据上述权利要求1-12中任一所述的方法，其中所述以微分相位为主的像素被合并到PCA融合图像中，以通过空间的空间操作，傅里叶空间操作或者其它图像融合方案得到边缘增强效应。
14.根据上述权利要求1-13中任一所述的方法,其中一种用于将以微分相位为主的像素合并到PCA融合图像中的空间的空间方法是通过以下公式得到
Ifuse — I_ei+ 3 X I Idpc I， 其中比例值S控制边缘增强效应有多强。
15.根据上述权利要求1和11-14中任一所述的方法，其中吸收，微分相位对比度以及暗场信号通过不同于光栅的替代方法来提供。
16.根据上述权利要求1-15中任一所述的方法，该方法用于在收集的二维图像的三维重建之前或者之后，融合以吸收为主的像素、以微分相位为主的像素以及以暗场为主的像素。
【文档编号】G01N23/20GK103858002SQ201280038053
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年7月20日 优先权日:2011年7月28日
【发明者】M·斯塔帕诺尼, Z·王 申请人:保罗·谢勒学院