相衬成像一阶相移信息提取方法的研究

论文摘要

X射线相衬成像（X-ray phase-contrast imaging）技术是X射线成像领域的最新研究方向之一,不同于传统的X射线成像技术,相衬成像利用X射线的相移信息来反映观测物内部的电子密度变化,从而揭示物体的内部结构。自90年至今,相衬成像技术已经发展了多种成像技术,其中,衍射增强成像（DEI）方法和光栅相衬成像方法现已成为目前相衬成像方法中的研究焦点之一。这两种方法分别通过完整晶体或光栅来测量X射线穿过物体后的一阶相移信息（也称为折射角信息）,而如何精确地测量X射线的一阶相移信息则是这两种相衬成像方法的关键核心问题。本论文分别对这两种相衬成像方法的一阶相移信息提取方法进行深入的研究:在衍射增强成像的一阶相移信息提取方法的研究方面,首先,在北京同步辐射装置上衍射增强成像系统的基础上,应用Maksimenko提出的利用两幅DEI图像进行相移信息提取的非线性相位提取思路,研究了利用高斯函数表征摇摆曲线下的非线性提取（GEDEI）方法,提出了对DEI图像进行近似预处理的方法,并推导了相关的一阶相移信息近似提取公式。模拟和真实实验数据验证了GEDEI算法的有效性,并证明了GEDEI方法比几何光学近似方法能得到更好的一阶相移信息。其次,在利用多幅DEI图像进行相移信息提取方法方面,提出了多项式拟合（PCF）相移信息提取方法。PCF方法很好地避免了高斯曲线拟合（GCF）方法高计算复杂度,在计算速度上比GCF方法提高了10倍。在光栅相衬成像的一阶相移信息提取方法的研究方面,首先,介绍了本实验室所搭建的基于莫尔偏折法的光栅相衬成像系统的基本原理与系统构成,以及相应的相位步进测量方法。在此基础上,研究了正弦函数拟合（SCF）方法与多项式拟合（PCF）方法这两种算法,并实验验证了它们的有效性。其次,探讨了条纹扫描（FS）方法应用于基于摩尔偏折法的光栅相衬成像系统的可行性,获得了初步的结果,通过与SCF方法、PCF方法的性能比较,证实了这一方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 X 射线相衬成像技术的发展历程与分类
• 1.2 X 射线与物质的相互作用
• 1.3 一阶相移信息与折射角之间的关系
• 1.4 研究内容及方法
• 第2章 衍射增强成像一阶相移信息提取方法的研究
• 2.1 衍射增强成像原理
• 2.1.1 基本原理及光路模型
• 2.1.2 分析晶体的作用
• 2.2 现有的衍射增强成像一阶相移信息提取方法
• 2.2.1 几何光学近似方法
• 2.2.2 多图统计方法
• 2.2.3 高斯曲线拟合方法
• 2.3 非线性信息提取方法的研究
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 高斯函数表征摇摆曲线的GEDEI 提取方法
• 2.3.3 实验验证
• 2.4 多项式拟合提取方法的研究
• 2.4.1 基本原理
• 2.4.2 实验验证与性能比较
• 2.4.3 讨论与总结
• 第3章 光栅相衬成像一阶相移信息提取方法的研究
• 3.1 传统光栅相衬成像技术
• 3.1.1 基本原理
• 3.1.2 传统的光栅相衬信息提取方法
• 3.2 基于莫尔偏折方法的光栅相衬成像系统的介绍
• 3.2.1 基本原理与系统组成
• 3.2.2 相位步进测量法的求解思路
• 3.3 基于曲线拟合法的一阶相移信息提取方法研究
• 3.3.1 基于正弦曲线拟合法的提取方法研究
• 3.3.2 基于多项式曲线拟合法的提取方法研究
• 3.3.3 实验验证
• 3.4 条纹扫描方法的应用
• 3.5 比较几种方法的性能
• 3.3.1 实验一
• 3.3.2 实验二
• 3.3.3 其他实验结果
• 3.6 讨论与总结
• 第4章 结论与展望
• 4.1 研究结论与成果
• 4.2 局限性与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果