一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法及系统，该方法包括：采集物体N个成像面的物体图像和背景图像，N为大于等于3的自然数；根据物体N个成像面的物体图像和背景图像，将采集的物体N个成像面的物体图像进行归一化处理，选择归一化处理后的物体一个成像面的物体图像为参照物体图像，选择归一化处理后的物体其余N-1个成像面的物体图像为对照物体图像，将参照物体图像与N-1幅对照物体图像分别进行图像精确配准，获得配准后的N-1幅物体图像；根据迭代算法、参照物体图像和配准后的N-1幅物体图像，计算参照物体图像对应成像面的收敛相位分布。实施本发明实施例，可以增强相位恢复的稳定性、精确度和抗噪声能力。
【专利说明】—种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学【技术领域】，具体涉及一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法及系统。
【背景技术】
[0002]X射线相位衬度成像(X-ray phase contrast imaging, XPCI)是一种X射线成像技术，利用X射线通过物体后发生的相移变化成像。基于不同的成像原理，目前有五种实现X射线相位衬度成像的技术，分别为:干涉法、衍射增强法、光栅剪切法、同轴相衬法以及编码孔径相衬成像法。同轴相衬成像装置最为简单，无需精密的光学元器件，可以基于实验室普通的微焦斑X射线源，利用X射线通过样品后在自由空间传播，基于菲涅耳衍射成像原理将相位信息转化为强度信息。
[0003]同轴相衬成像可以增强图像的边缘亮度，从而提高了图像的对比度，但这种亮度的增强不是线性的，可能会呈现出错误的样品厚度或密度。然而，可以通过算法从获得的强度图中恢复出相位分布图，正确反应出样品的真实结构与组织特性，但对基于普通微焦斑X射线源的同轴相衬成像，想实现精确相位恢复非常困难。目前，同轴相衬成像的相位恢复方法有:解析算法(或线性近似算法)和迭代算法。解析算法是将非线性方程进行线性近似得到方程的解，计算效率高，但相位的解可能不稳定。此外，由于线性近似基于一定的假设和简化，不同的方法适用的范围不同、受限于成像物体组成、受限于成像距离。迭代算法由于没有太多的近似，适用范围更广，且简单、灵活、结果稳定、精确。为了完成相位恢复，一般需要采集两幅图像，其中，一幅X射线图像探测器与物体贴近的吸收图像，另一幅X射线图像探测器与物体有一定间隔的相衬图像，或者采集两幅相衬图像。然而，只采集两幅图像可能会导致结果不稳定、精度不高、抗噪声能力弱。
【发明内容】
[0004]本发明公开了一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法及系统，用于增强相位恢复的稳定性、精确度和抗噪声能力。
[0005]本发明第一方面公开了一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法，包括:
[0006]采集物体N个成像面的物体图像以及所述物体N个成像面的背景图像，所述N为大于等于3的自然数；
[0007]根据所述物体N个成像面的物体图像和所述物体N个成像面的背景图像，将采集的所述物体N个成像面的物体图像进行归一化处理，选择归一化处理后的所述物体一个成像面的物体图像为参照物体图像，选择归一化处理后的所述物体其余N-1个成像面的物体图像为对照物体图像，将所述参照物体图像与N-1幅所述对照物体图像分别进行图像精确配准，获得配准后的N-1幅物体图像；[0008]根据迭代算法、所述参照物体图像和所述配准后的N-1幅物体图像，计算所述参 照物体图像对应成像面的收敛相位分布。[0009]本发明第二方面公开了一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复系统，包 括:[0010]第一单元，用于采集物体N个成像面的物体图像以及所述物体N个成像面的背景 图像，所述N为大于等于3的自然数；[0011]第二单元，用于根据所述物体N个成像面的物体图像和所述物体N个成像面的背 景图像，将采集的所述物体N个成像面的物体图像进行归一化处理，选择归一化处理后的 所述物体其中一个成像面的物体图像为参照物体图像，选择归一化处理后的所述物体其余 N-1个成像面的物体图像为对照物体图像，将所述参照物体图像与N-1幅所述对照物体图 像分别进行图像精确配准，获得配准后的N-1幅物体图像；[0012]第三单元，用于根据迭代算法、所述参照物体图像和所述配准后的N-1幅物体图 像，计算所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布。[0013]本发明实施例中，采集物体N个成像面的物体图像和背景图像，N为大于等于3的 自然数；根据物体N个成像面的物体图像和背景图像，将采集的物体N个成像面的物体图像 进行归一化处理，选择归一化处理后的物体一个成像面的物体图像为参照物体图像、物体 其余N-1个成像面的物体图像为对照物体图像，将参照物体图像与N-1幅对照物体图像分 别进行图像精确配准，获得配准后的N-1幅物体图像；根据迭代算法、参照物体图像和配准 后的N-1幅物体图像，计算参照物体图像对应成像面的收敛相位分布。本发明实施例中，采 集了物体N个成像面的物体图像，并对采集的物体N个成像面的物体图像进行了图像精确 配准，然后，用参照物体图像和配准后的N-1个物体图像进行迭代计算，可以增强相位恢复 的稳定性、精确度和抗噪声能力。【专利附图】
【附图说明】[0014]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附 图。[0015]图1是本发明第一实施例公开的一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢 复方法的流程图；[0016]图2是本发明第二实施例公开的另一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位 恢复方法的流程图；[0017]图3是本发明第三实施例公开的一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢 复系统的结构图。【具体实施方式】[0018]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]本发提供了一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法及系统，用于增强相位恢复的稳定性、精确度和抗噪声能力。以下分别进行详细说明。
[0020]请参阅图1，图1是本发明第一实施例公开的一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法的流程图。其中，图1所示的基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法适用于X射线相衬成像系统。如图1所示，该基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法可以包括以下步骤。
[0021 ] SlOl、采集物体N个成像面的物体图像以及物体N个成像面的背景图像，该N为大于等于3的自然数。
[0022]本发明实施例中，X射线相衬成像系统采集物体N个成像面的物体图像以及物体N个成像面的背景图像。
[0023]本发明实施例中，X射线图像探测器与物体近贴的物体图像为吸收图像、X射线图像探测器与物体具有一定间隔的物体图像为相衬图像。采集的物体N个成像面的物体图像可以全部为相衬图像，也可以I幅为吸收图像，其余N-1幅为相衬图像。
[0024]本发明实施例中，采集的背景图像为无物体放置的亮场图像。
[0025]S102、根据物体N个成像面的物体图像和物体N个成像面的背景图像，将采集的物体N个成像面的物体图像进行归一化处理，选择归一化处理后的物体一个成像面的物体图像为参照物体图像，选择归一化处理后的物体其余N-1个成像面的物体图像为对照物体图像，将参照物体图像与N-1幅对照物体图像分别进行图像精确配准，获得配准后的N-1幅物体图像。
[0026]本发明实施例中，X射线相衬成像系统根据物体N个成像面的物体图像和物体N个成像面的背景图像，将采集的物体N个成像面的物体图像进行归一化处理，选择归一化处理后的物体一个成像面的物体图像为参照物体图像，选择归一化处理后的物体其余N-1个成像面的物体图像为对照物体图像，将参照物体图像与N-1幅对照物体图像分别进行图像精确配准，获得配准后的N-1幅物体图像。
[0027]本发明实施例中，采集了物体N个成像面的物体图像和相应位置的背景图像后，首先需要对物体图像进行归一化处理，即用采集的物体图像除以物体图像对应位置的背景图像，得到归一化处理后的物体图像。
[0028]本发明实施例中，在对物体图像进行迭代计算以前，还需要对物体图像进行图像精确配准预处理，这是由于在不同位置采集的图像其几何放大倍数不同，而且系统自身也存在一定的机械精度，应用中采集的两幅物体图像存在缩放、平移和旋转，在进行相位恢复前对物体图像的精确配准，可以提高相位恢复精度。采用基于傅氏变换的方法完成图像精确配准，相对基于灰度或基于特征的配准算法，更方便处理采集的物体图像。因为图像的比例、旋转和平移变换均能在傅里叶变换频域中反映出来，且在频域内对噪声干扰有一定的抵抗能力，同时，傅里叶变换可以采用快速傅里叶变换(FFT)方法提高处理速度，并且有成熟的快速算法，易于硬件实现。实现图像精确配准的步骤如下:
[0029]I)选择归一化后的物体图像A为参照物体图像，归一化后的物体图像B为对照物体图像，对参照物体图像A与对照物体图像B分别做傅里叶变换，得到新的参照物体图像2与新的对照物体图像5 ;[0030]2)在傅里叶空间对新的参照物体图像J与新的对照物体图像J分别进行对数极坐标变换；[0031]3)再在对数极坐标下利用相位相关求得对照物体图像B相对于参照物体图像A的缩放因子a和旋转角度Θ ^ ;[0032]4)根据缩放因子a和旋转角度Θ ^，对对照物体图像B进行角度和缩放比例补偿， 补偿以后得到的物体图像B2与参照物体图像A之间仅存在平移量的差别；[0033]5)利用直角坐标下的相位相关求出对照物体图像B相对于参照物体图像A的平移量;[0034]6)根据平移量，对物体图像B2进行平移补偿，得到新的物体图像C。[0035]S103、根据迭代算法、参照物体图像和配准后的N-1幅物体图像，计算参照物体图像对应成像面的收敛相位分布。[0036]本发明实施例中，X射线相衬成像系统根据迭代算法、参照物体图像和配准后的 N-1幅物体图像，计算参照物体图像对应成像面的收敛相位分布。[0037]本发明实施例中，迭代算法可以为傅里叶变换算法或盖师贝格-撒克斯通算法。[0038]本发明实施例中，傅里叶变换(Fourier transform, FT)迭代算法的原理:[0039]基于Wu和Liu提出的一般性相衬成像公式[Xizeng Wu and Hong Liu, A general theoretical formalism for X-rayphase contrast imaging, 2003],公式可写为:
【权利要求】
1.一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复方法，其特征在于，包括: 采集物体N个成像面的物体图像以及所述物体N个成像面的背景图像，所述N为大于等于3的自然数； 根据所述物体N个成像面的物体图像和所述物体N个成像面的背景图像，将采集的所述物体N个成像面的物体图像进行归一化处理，选择归一化处理后的所述物体一个成像面的物体图像为参照物体图像，选择归一化处理后的所述物体其余N-1个成像面的物体图像为对照物体图像，将所述参照物体图像与N-1幅所述对照物体图像分别进行图像精确配准，获得配准后的N-1幅物体图像； 根据迭代算法、所述参照物体图像和所述配准后的N-1幅物体图像，计算所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集物体N个成像面的物体图像以及所述物体N个成像面的背景图像之前，还包括: 设置射线源的优化工作参数以及探测器的工作模式。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据迭代算法、所述参照物体图像和所述配准后的N-1幅物体图像，计算所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布之前，还包括: 计算焦斑几何模糊光学传输函数； 计算探测器响应的光学传输函数； 将所述参照物体图像和所述配准后的N-1幅物体图像进行去卷积处理； 设置所述参照物体图像对应成像面的初始相位分布。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述迭代算法为傅里叶变换算法或盖师贝格_撒克斯通算法。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据迭代算法、所述参照物体图像和所述配准后的N-1幅物体图像，计算所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布之后，还包括: 判断所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布是否在物平面，若否，则用菲涅尔传播因子对所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布进行去卷积处理，获得物体在物平面的收敛相位分布。
6.一种基于多面图像信息的同轴相衬成像相位恢复系统，其特征在于，包括: 第一单元，用于采集物体N个成像面的物体图像以及所述物体N个成像面的背景图像，所述N为大于等于3的自然数； 第二单元，用于根据所述物体N个成像面的物体图像和所述物体N个成像面的背景图像，将采集的所述物体N个成像面的物体图像进行归一化处理，选择归一化处理后的所述物体其中一个成像面的物体图像为参照物体图像，选择归一化处理后的所述物体其余N-1个成像面的物体图像为对照物体图像，将所述参照物体图像与N-1幅所述对照物体图像分别进行图像精确配准，获得配准后的N-1幅物体图像； 第三单元，用于根据迭代算法、所述参照物体图像和所述配准后的N-1幅物体图像，计算所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括:第四单元，用于在所述第一单元采集物体N个成像面的物体图像以及所述物体N个成像面的背景图像之前，设置射线源的优化工作参数以及探测器的工作模式。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括:第五单元，用于在所述第三单元根据迭代算法、所述参照物体图像和所述配准后的N-1 幅物体图像，计算所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布之前，计算焦斑几何模糊光学传输函数；第六单元，用于计算探测器响应的光学传输函数；第七单元，用于将所述参照物体图像和所述配准后的N-1幅物体图像进行去卷积处理；第八单元，用于设置所述参照物体图像对应成像面的初始相位分布。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述迭代算法为傅里叶变换算法或盖师贝格-撒克斯通算法。
10.如权利要求6-9任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括:第九单元，用于在所述第三单元根据迭代算法、所述参照物体图像和所述配准后的N-1 幅物体图像，计算所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布之后，判断所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布是否在物平面； 第十单元，用于在所述第九单元的判断结果为否时，用菲涅尔传播因子对所述参照物体图像对应成像面的收敛相位分布进行去卷积处理，获得物体在物平面的收敛相位分布。
【文档编号】G06T5/00GK103559686SQ201310485397
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】桂建保, 郑海荣, 陈垚, 胡战利 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院