X射线相位衬度成像及CT研究

论文摘要

自从1896年,德国著名物理学家威廉康拉德伦琴（Wilhelm ConradRontgen）首次拍摄到X射线照片以来,X射线成像技术得到了迅速的发展,并且在在临床医学、生物学、材料科学、信息科学等等许多重要的应用领域得到了非常广泛的应用。作为X射线成像技术的发展前沿,X射线相位衬度成像方法因其能够实现对入射X光相位变化的探测得到了广泛的关注,有望发展成为科学研究、疾病诊断、材料合成等领域的又一强有力的表征手段。尤其针对生物组织等主要由轻元素组成的研究对象,X射线相位改变的幅度相比其对X射线的吸收值高3到5个数量级。因此,X射线相位衬度成像方法的优势尤为突出,针对X射线相位衬度成像及相关CT重建方法等问题的研究具有前瞻性和开拓性,是国际上相关领域的研究热点。为此,本研究工作致力于在基于北京同步辐射光源的实验平台上开展X射线相位衬度成像以及CT重建技术的理论和实验研究,取得了以下几个方而的成果:1.通过大量计算机模拟以及在北京同步辐射装置上所开展的广泛的实验尝试,对X射线衍射增强相位衬度成像（Diffraction Enhanced X-ray PhaseContrast Imaging,DE-XPCI）方法进行了深入细致的研究探索。对衍射增强成像方法给出了详尽的数学描述,使得衍射增强方法在真正意义上成为高分辨、高衬度、定量的显微表征手段。并进一步在多个应用方向与相关领域的专家开展了广泛的合作,利用这个实验平台获得了一系列有价值的成果。2.对X射线光栅剪切相位衬度成像方法（Grating based Xray Phase ContrastImaging,G-XPCI）在理论上进行了仿真模拟讨论,给出了清晰的物理图像。在此基础上,提出了新的适用于G-XPCI相位恢复算法,简化了实验操作,缩短了曝光时间,减小了辐射剂量,在一定程度上克服了该方法走向实际应用的瓶颈。并且在基于同步辐射光源和基于实验室常规X射线光源,两种成像装置上分别进行了实验验证。3.考虑到同步辐射光源的发展前景（自由电子激光）,本研究工作对相干光照明下的衍射增强成像体系（Coherent Diffraction Enhanced X-ray PhaseContrast Imaging,CDE-XPCI）进行了深入的讨论。提出一种基于近场过采样的相位重建算法,成功实现对单幅近场照片的相位恢复。考虑到CDE-XPCI实现轮廓衬度增强,进而增强结构信息的特性,并结合我们提出的定量相位恢复算法,CDE-XPCI的应用前景将随着自由电子激光的发展而不断开阔。4.对相干照明条件下的类同轴成像体系进行了系统的研究。通过计算机仿真模拟,提出了一种基于结构照明的全新的X射线相位衬度成像（StructuredIlluminated X-ray Phase Contrast Imaging,SI-XPCI）方法。相比于现有的类似条件下的相衬成像机制,SI-XPCI具有独特的优势,有望被基于同步辐射装置的成像实验平台广泛采用。5.通过对X射线相位衬度成像原理的探索,结合对传统CT断层重建方法的深入研究,在国际上首次提出了适用于X射线相位衬度成像的迭代CT算法,并得到了实验的验证。迭代CT重建算法所具有的多种有点在X射线相位衬度成像领域显得尤为重要。本研究工作开发出的相衬CT迭代算法,在衍射增强、Zernike相衬体系、光栅剪切相衬体系等等诸多领域中都得到了验证,并获得了许多很有价值的实验结果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• §1.1 概述x射线成像的发展
• §1.2 x射线相位衬度的主要方法简介
• §1.2.1 X射线干涉全息法相位衬度成像
• §1.2.2 基于光学分析元件的X射线相衬成像
• §1.2.3 基于波带片的相位衬度显微成像方法
• §1.2.4 基于X射线自由传播的相位衬度成像方法
• §1.2.5 基于相于光照明条件的相位衬度成像方法
• §1.3 本文的研究内容
• 第二章 基于光学分析元件的X射线相位衬度成像
• §2.1 衍射增强相位衬度成像
• §2.1.1 衍射增强相衬成像方法的理论基础
• §2.1.2 北京同步辐射4W1A光束线衍射增强相衬成像实验装置
• §2.1.3 衍射增强成像中定量恢复波阵面的实验方案与相关算法
• §2.1.4 衍射增强方法在几个方面的应用
• §2.2 光栅剪切X射线相衬成像
• §2.2.1 光栅剪切相衬成像的实验装置和理论基础
• §2.2.2 针对光栅剪切相衬成像的定量波阵面恢复算法
• §2.3 本章小结
• 第三章 相干光照明条件下的相位衬度成像
• §3.1 相干衍射成像
• §3.2 相干光照明下的衍射增强相衬成像系统
• §3.3 相干光照明下的结构照明成像系统
• §3.4 结论
• 第四章 X射线相位衬度成像与CT断层技术的结合
• §4.1 CT断层重建技术的发展历史
• §4.2 CT断层重建技术的基本原理与算法
• §4.2.1 投影和反投影
• §4.2.2 卷积（滤波）反投影和傅立叶变换重建算法
• §4.2.3 迭代CT重建算法
• §4.3 针对X射线衍射增强相位衬度成像方法的CT重建技术
• §4.3.1 X射线衍射增强相位衬度成像数据的特点
• §4.3.2 适用于X射线衍射增强相位衬度成像数据的解析CT断层重建算法
• §4.3.3 适用于X射线衍射增强相位衬度成像数据的迭代CT断层重建算法
• §4.4 迭代相衬CT在X射线显微成像装置中的应用
• §4.5 结论
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文目录
• 致谢