衍射增强成像的相位信息提取方法和CT重建算法研究

论文摘要

衍射增强成像是X射线成像领域的最新前沿技术和研究热点之一,它能检测对X射线弱吸收的轻元素物质,空间分辨率可达微米甚至亚微米量级,和传统X射线吸收成像技术相比具有独特的优势,并且在医学、生物学、材料科学等学科上的初步实验上获得了成功。因此,衍射增强成像的课题研究具有重要的研究价值和应用前景。本论文在解决衍射增强成像的计算机模拟实验建模问题的基础上,深入研究了衍射增强成像中最重要的两个方面:相位信息提取方法和衍射增强CT成像的重建算法,其研究成果都得到了北京同步辐射装置上的衍射增强成像实验的验证。论文所做的研究工作及研究成果可概括如下:首先,在计算机模拟实验建模问题的研究上,根据对称Bragg几何结构的完整晶体X射线衍射的几何光学近似理论,提出了等效直线传播简化模型,部分地简化了模拟实验中衍射增强成像的几何光路结构。在这个模型的基础上定量分析了在摇摆曲线不同位置上的DEI图像的错位问题,并对计算机模拟实验提出了位置修正方案,从而保证了相位信息提取方法和CT重建算法的模拟计算结果的正确性。其次,在相位信息提取方法的研究上,分析了目前最常用的几何光学近似方法和多图统计方法的局限性,提出了3种更有效的方法:统计-几何光学近似方法、极大折射角方法和高斯曲线拟合方法,并制定了在真实实验中选择相位信息提取方法的基本策略。计算机模拟实验和真实实验的计算结果表明,这3种方法都能得到比现有方法更精确的折射角信息。最后,在衍射增强CT成像的重建算法的研究上,针对CT旋转轴与分析晶体晶格面平行的CT采集方式,提出了基于折射角信息的直接滤波反投影算法,一步到位地直接重建出样品内部的折射率位相因子δ的分布。计算机模拟实验和真实实验的结果表明,基于相位信息提取新方法的直接滤波反投影算法能重建出与实际值相当接近的δ的数值,在计算精度和图像效果上优于基于现有信息提取方法的CT重建算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 发展现状
• 1.2.1 相位衬度成像
• 1.2.2 衍射增强成像
• 1.3 研究内容和方法
• 1.4 论文结构安排
• 第2章 衍射增强成像的基本原理
• 2.1 物理基础
• 2.1.1 X 射线源
• 2.1.2 X 射线与物质的相互作用
• 2.1.3 完整晶体X 射线衍射理论
• 2.1.4 高分辨率CCD 探测器
• 2.2 衍射增强成像的基本理论
• 2.2.1 物理原理和求解思路
• 2.2.2 基本光路图
• 2.2.3 分析晶体的作用
• 第3章 等效直线传播简化模型
• 3.1 现有的衍射增强成像的建模理论
• 3.1.1 几何光学近似建模理论
• 3.1.2 基于几何光学近似模型的计算机模拟实验设计
• 3.2 等效直线传播简化模型
• 3.2.1 简化模型原理
• 3.2.2 DEI 图像数据的错位问题
• 3.3 讨论与总结
• 第4章 相位信息提取方法
• 4.1 现有的相位信息提取方法
• 4.1.1 几何光学近似方法
• 4.1.2 多图统计方法
• 4.1.3 傅立叶光学方法
• 4.1.4 综合比较
• 4.2 三种新相位信息提取方法
• 4.2.1 C-GOA 方法的局限性
• 4.2.2 统计-几何光学近似方法
• 4.2.3 极大折射角方法
• 4.2.4 MIS 方法的局限性
• 4.2.5 高斯曲线拟合方法
• 4.2.6 各种方法综合比较
• 4.2.7 真实实验数据比较
• 4.2.8 相位信息提取的策略
• 4.3 讨论与总结
• 第5章 衍射增强CT 重建算法
• 5.1 传统吸收CT 成像概述
• 5.2 衍射增强CT 成像概述
• 5.2.1 CT 旋转轴与分析晶体晶格面相交的CT 成像
• 5.2.2 CT 旋转轴与分析晶体晶格面平行的CT 成像
• 5.3 折射角投影数据的CT 重建算法
• 5.3.1 直接滤波反投影算法
• 5.3.2 相位信息提取方法在 CT 重建中的比较
• 5.3.3 DFBP 算法和“两步走”方法相比较
• 5.3.4 真实实验数据处理结果
• 5.4 讨论与总结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 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