弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法与流程

本发明属于X射线相衬成像领域，具体涉及弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法。

背景技术：

近年来，随着X射线探测器和新型光源技术的发展，特别是20世纪90年代第三代同步辐射（Synchrotron Radiation，SR）光源的投入使用，把X射线成像带到一个全新的高度。同步辐射装置由电子直线加速器、增强器、储存环、光束线站等部分组成，电子经直线加速器加速后进入增强器进一步加速，当电子达到预定能量后注入到储存环，在储存环内高速运动。在储存环内有弯转磁铁及各种插入件，可以产生磁场使得电子偏转，这时电子束沿其运动的切线方向向外发射出同步辐射光。同步辐射产生的X射线波段宽广，是探测物质微观结构的有力工具，同时同步辐射光源具有常规光源不可比拟的优良性能，如高亮度，高准直性，高偏振性，高相干性和宽频谱范围等优点，已成为当今众多学科基础研究和高技术开发应用研究的新型高质量光源。

基于上海同步辐射光源（电子储存环能量3.5GeV，周长为432米）的生物医学成像线站BL13W1的X射线同轴相位衬度成像系统，具有装置简单、成像直观且分辨率高的特点，如图1所示，根据研究样品的特性，同步辐射装置Wiggler产生的高亮度同步辐射光（能量范围8-72.5keV），经过双晶单色器DCM选通后，成为一束高准直单色光入射到样品上，采用高分辨探测器CMOS（C11440–22C, Hamamatsu Photonics, Japan）采集高质量的X射线与样品相互作用后产生的吸收和相移信号，通过样品台（Sample Stage）的180⁰的旋转扫描进行投影成像，利用滤波反投影CT重构技术，获取被研究样品的三维微观原位结构信息。

当X射线穿过样品时，它们对X射线的作用不仅因其吸收因子的存在，改变X射线的强度，还由于其相位因子的存在，可以改变X射线的相位。X射线相位相衬成像（X-ray Phase-contrast Imaging: XPCI）原理是利用X射线透过样品后满足菲涅尔衍射传播规律，在像空间的光强分布如图2（a）所示：根据样品距探测器的距离（SDD）不同，在像空间范围内即可以采集到吸收像（SDD=0），也可以采集到包含吸收衬度和相位衬度的相衬像（SDD>0），图2（b）和（c）是SR-based IL-PCI方法对生物组织成像（兔肺）特点比较，可以明显看出差异性和相衬优势。在硬X射线区域内（10-100keV），对于主要由轻元素组成的生物医学软组织、高分子聚合材料等弱吸收物体而言，其相位因子较其吸收因子要高3-5个数量级，既其相位衬度远远大于其吸收衬度，ILPCI虽然是利用样品的相位信息成像，IL-PCI得到的是样品的边缘增强图像，成像衬度差分辨率不高，只能用于弱吸收样品的定性研究。相位恢复能从IL-PCI采集到的图像中重构出样品相位信息并用于定量研究，受到越来越多研究团队的广泛关注。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法，以提高成像衬度及分辨率，满足对弱吸收物体样品定量研究的要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法，包括如下步骤：

（1）采用同步辐射X射线同轴相衬成像法获取弱吸收物体样品的相衬数据；

（2）按式I对步骤（1）获取的相衬数据进行相位恢复，得到样品的相位信息的空间分布，

式I：

其中，和分别代表傅立叶变换和逆傅立叶变换，代表空间坐标系，代表傅立叶空间坐标系，代表样品到探测器的距离，代表入射X射线的波长，代表样品的吸收和相位比率，代表样品的投影光强分布，代表入射光强分布，代表样品的相位信息的空间分布；

（3）对步骤（2）得到的相位信息的空间分布进行图像重构。

优选地，在10-100keV的X射线区域内，所述弱吸收物体的相位因子较吸收因子高3-5个数量级。

优选地，步骤（3）采用滤波反投影得法进行图像重构。

本发明方法有效突破传统X射线同轴相衬成像在弱吸收物体的微结构分析方面的局限性，开创性地将X射线同轴相衬成像法与本发明的相位恢复算法结合，大幅提高弱吸收物体的空间分辨和密度分辨的探测能力，同时具有高信噪比，降低辐照剂量的特点，从而将X射线同轴相衬成像的应用领域拓展到高分子材料、生物医学软组织、中药材等弱吸收物体样品的微米级无损、高分辨三维成像，实现弱吸收物体的定量研究。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是BL13W1的X射线同轴相位衬度成像系统结构示意图；

图2是X射线同轴相位衬度成像的原理示意图；

图3是高分子聚合物混合样品的成像；

图4是大鼠肝包虫模型样品的三维立体图；

图5是大鼠肝包虫模型样品三维立体图的定量特征分割和提取；

图6是大鼠肝包虫模型样品中原头蚴在血管内外的三维特征分布。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法，包括如下步骤：

（1）采用同步辐射X射线同轴相衬成像法（同轴XPCI）获取弱吸收物体样品的相衬数据；

（2）按式I对步骤（1）获取的相衬数据进行相位恢复，得到样品的相位信息的空间分布，式I：

其中，和分别代表傅立叶变换和逆傅立叶变换，代表空间坐标系，代表傅立叶空间坐标系，代表样品到探测器的距离，代表入射X射线的波长，代表样品的吸收和相位比率，代表样品的投影光强分布，代表入射光强分布，代表样品的相位信息的空间分布；

（3）对步骤（2）得到的相位信息的空间分布进行图像重构。

数据采集利用IMAGE PRO Plus 6.0软件进行处理。

同步辐射X射线同轴相衬成像采用上海同步辐射光源（电子储存环能量3.5GeV，周长为432米）的生物医学成像线站BL13W1的X射线同轴相位衬度成像系统。具体操作：根据弱吸收物体样品的透过率，确定同轴XPCI的实验参数，包括光子能量、物像距离、探测器像素大小等。设定曝光时间和投影间隔，在[0，π]范围内旋转样品，采集同轴XPCI投影数据；每旋转30°，将样品移出探测器视场，采集2张背景图，数据采集全部结束时，关闭光闸，采集5张暗电流噪声图，以校正投影图的背景。

根据相位恢复获得的样品相位信息的空间分布，采用滤波反投影重构算法（FBP），进行样品的切片重构。对重构切片进行三维堆积和渲染，得到样品的相位恢复后的三维立体图。

基于上述方法开展弱吸收物体的同轴X射线同轴相衬成像的相位恢复方法学测试实验。

一、实验样品以高分子聚合物混合样品为例

高分子聚合物混合样品由PMMA棒材一根（直径为1mm，物质密度为1.19g/cm³）、PA6管材三根（外径为1.34mm，内径为1mm，管壁为0.17mm，物质密度为1.13g/cm³）、PS套管一根（内径为3.5mm，物质密度为1.04g/cm³）组成，将PMMA棒材和PA6管材放入PS套管中构成，以上各样品材料均由英国Goodfellow公司生产。

如图3所示：（a）为X射线相位相衬成像图（未经过相位恢复的重构切片），由于边缘增强效应仅能够分辨实验样品的轮廓信息，对于弱吸收混合样品基本无法体现其不同组分的密度分布和差异，甚至无法与背景分离，导致无法进一步开展定量分析。（b）为经过相位恢复的重构切片，不仅有效各组分样品的轮廓信息而且很好地体现了其不同的密度分布，并且与背景也有明显区别，为样品的定量分割和分析奠定了良好地基础。（c）是（a）图的直方图分析，可以看出只有一个灰度分布峰，背景和不同组分材料难以区别。（d）是（b）图的直方图分析，可以看出其灰度分布明显不同，根据其密度不同，从右至左各峰依次为：PMMA，PA6和PS，因此，相位恢复方法可以提高弱吸收物体的密度分辨能力。（e）是X射线相位相衬成像（未经过相位恢复）的样品三维立体图，可以看出仅重构了样品的轮廓三维信息，无法区别其内在物质分布，与真实样品不符。（f）是经过相位恢复处理的样品三维立体图，可以明显看出形貌分布和物质密度分布均与真实样品内外表现一致，完全符合真实样品的表现形式。

二、实验样品以大鼠肝包虫模型为例

动物致病模型的建立，是用人为的方法，使动物在一定的致病因素（物理的、化学的、生物的）作用下，造成动物组织、器官或全身一定损害，出现某些类似人类疾病的功能、代谢、形态结构方面的变化或各种疾病，为研究疾病的致病机制奠定基础。

本发明大鼠肝包虫模型的建立参考“肝囊型包虫病小鼠动物模型的优化”，叶建蔚等，疾病预防控制通报，2012年，第27卷第5期，第1-7页。

图4是大鼠肝泡状包虫病理模型样品的三维立体图，可观察到明显的棘球蚴区（如箭头1所示）；钙化区（如箭头2所示）；炎症带（如箭头3 所示）；原头蚴（如箭头4所示）；以及囊结构和隔膜形态分布（单囊和多囊泡结构：如箭头5所示）。

图5是大鼠肝泡状包虫模型样品三维立体图的定量特征分割和提取，箭头所指为肝泡状棘球蚴区的三维特征分布，其它部分为钙化区分布，该方法可有效区分并提取不同病理区域的三维分布，开展定量分析。

图6是大鼠肝泡状包虫模型样品中棘球蚴在血管内外的三维特征分布，证实肝包虫具有血供系统和侵犯血管行为方式。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。