一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法
阅读：1025发布：2020-08-21
专利汇可以提供一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于 相移 吸收二元性的频域 迭代 相位 抽取 方法，包括下列步骤：设置数字放射成像系统的曝光参数，在待成像的物平面 位置 放置刀口器具，采集获得刀口图像，从图像中获取不同位置的刀口截面曲线，而后将刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的表征系统特性的线扩散函数，将该线扩散函数在直 角 坐标系 中旋转一周，计算得到二维点扩散函数，而后对其求傅里叶变换得到放置成像物体，保持成像参数不变，对物体成像，获得相衬成像结果通过相位抽取解析方法求解出吸收项作为初始值，迭代计算得到相衬成像吸收项图像的傅里叶变换求出表征物体内部结构的相位信息图像。，下面是一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法专利的具体信息内容。
1.一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法，包括下列步骤：
①X射线类同轴相衬成像参数设置；
②设置数字放射成像系统的曝光参数，在待成像的物平面位置放置刀口器具，采集获得刀口图像，从图像中获取不同位置的刀口截面曲线，而后将刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的表征系统特性的线扩散函数，将该线扩散函数在直角坐标系中旋转一周，计算得到二维点扩散函数，而后对其求傅里叶变换得到
③放置成像物体，保持成像参数不变，对物体成像，获得相衬成像结果
④通过相位抽取解析方法求解出吸收项 作为初始值，而后分别计算
这里 符号 表示傅里叶变换算子，▽2表示梯度
算子和拉普拉斯算子，λ为X射线波长，re＝2.82×10-15m为经典电子半径，σKN为康普顿散射截面，为空间频率，M为成像放大倍数，可以通过 来计算，R1，R2分别为物体到光源和探测器的距离；
⑤将上述计算结果代入如下迭代公式
这里Iin表示入射X
射线强度，ε为正则化参数，其数值可以设定为实际相衬图像信噪比的倒数，| |为取模运算，*号为取共轭复数，当迭代达到预设次数，或者相邻两次迭代结果误差小于预设误差，即得到相衬成像吸收项图像的傅里叶变换
⑥对 进行傅里叶逆变换，获得 而后利用吸收项
与相位信息 之间的关系，求出表征物体内部结构的相位信息图像 这
里 为投影电子密度。
一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法
技术领域
背景技术
[0002] 骨质疏松是中老年人常见病之一，居中老年人五大疾病患病率之首，严重影响中老年人的生活质量。统计资料显示，目前全球约有2亿人患有骨质疏松症，中国目前骨质疏松患者大约为9000万。1997年，世界卫生组织将每年的10月20日定为“世界骨质疏松日”，意在提高人们对骨质疏松这种疾病的认识。中国是发展中国家，随着我国逐步进入老龄化社会，预防和治疗骨质疏松症已经成为亟需解决的社会问题，而实现其早期诊断是解决这一问题的关键之一。
[0003] X射线影像学方法是当前骨质疏松诊断的主要常规方法，该方法通过直接观察或测量不同部位骨骼密度、形状、骨小梁的形状和分布进行诊断。但是这种X射线影像学方法是通过组织体不同部位密度差异形成对比度，因此只能在骨量损失较大时才能有效诊断，不适合早期骨质疏松的评估。
[0004] 直到上世纪末，X射线相位衬度成像理论(X-ray phase contrast imaging,XPCI)的提出，打破了传统的X射线成像理念，为实现理想的早期骨质疏松诊断带来了新的曙光。研究表明，在相同辐射剂量下，相衬成像的衬度分辨率较之传统X线吸收衬度成像提高10倍左右，可以提高对病变早期(正常组织和病灶密度差异较小)的骨组织成像的图像可见度。
在当前可用的X射线相衬成像技术中，类同轴相衬成像技术由于不需要引入额外的光学装置，成像光路设计相对简单稳定，被认为是当前条件下最适合实现临床医学应用转化的显微成像技术之一。
在当前可用的X射线相衬成像技术中，类同轴相衬成像技术由于不需要引入额外的光学装置，成像光路设计相对简单稳定，被认为是当前条件下最适合实现临床医学应用转化的显微成像技术之一。
[0005] 在类同轴相衬成像测量中，入射的X射线经过物体后，波面发生畸变，当畸变后的波面在继续传播到一定距离后，将和未发生畸变的波面重叠而发生干涉效应。这样，X光通过物体后，经过一定距离的自由传播，就能将相位改变信息转化成经调制后的强度信息通过像平面显示出来。类同轴相衬成像采用菲涅耳近场衍射的系统参数设置，此时在像面上获得的衍射强度分布正比于相位改变量的Laplacian变换，并非直接反映的相位改变二维分布，所以要通过数学方法从得到的光强信息中获取相位分布信息，这种由强度测量来恢复物体相位信息问题的逆过程就是相位抽取。到目前为止，已经有很多学者开展了理想情况下类同轴相衬成像的相位抽取研究，取得了有价值的成果。
[0006] 但迄今为止，X射线类同轴相衬成像在骨质疏松诊断上仍没有得到应用，大部分学者都是基于弱吸收物质(软组织)建立的近似模型展开研究，不适用于对X射线有较大吸收的骨组织。另外，目前采用的各类类同轴相衬成像的相位抽取模型是建立在理想的成像系统和成像过程上，而对于实际系统中的引起成像质量恶化的因素没有充分考虑，更没有采取措施对成像结果中的恶化效应进行排除。虽然通过采用高亮度微焦斑X射线源以及高量子检测效率的探测器可望在较大程度上改善上述问题，但在目前条件下，高性能X射线源及探测器尚处于研发阶段，即使这些设备得到了应用，成像质量恶化因素仍然无法完全排除。另外，如果引入高性能设备，势必造成系统成本提高，导致类同轴相衬成像的推广普及优势的极大削弱。
[0007] 因此，当前制约同轴相衬成像技术在骨质疏松临床推广应用的关键问题主要体现在两个方面：1.现有的相衬成像相位抽取模型是基于弱吸收物质建立的近似模型，不适用于骨组织相衬成像的相位抽取；2.成像系统方面自身存在着缺陷，比如X光源并非理想点源，探测器性能受到自身分辨率及点扩散函数等因素的限制，系统存在各类有害噪声等。
[0008] 由于基于微焦点源的类同轴相衬成像是适合骨质疏松诊断推广应用的成像技术，因此，针对该成像技术实现骨组织相位信息的准确抽取，获取表征骨骼内部结构信息的相位图像具有显著的研究和应用价值。传统的相位抽取方法，通过对软组织相衬成像建立线性近似模型，以此获取相位的解析解，这种方法不适用于高吸收的骨组织，且对于存在缺陷的成像系统，这种基于线性近似模型的相位抽取方法往往不能准确获取相位信息。因此，发展出一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法，实现强吸收物体内部结构信息的准确相位抽取，这对于相衬成像在骨质疏松诊断方面的应用和推广具有十分重要的意义。
发明内容
[0009] 本发明的主旨是提出一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法，本发明从微焦点源类同轴相衬成像的精确非线性模型出发，考虑骨组织的强吸收特性并结合相移吸收二元性理论，通过迭代方法逼近真实的相位信息，保证了非理想成像系统下准确获取被强吸收物体的相位信息，为类同轴相衬成像系统及技术在骨质疏松诊断的临床推广应用提供有力条件。技术方案如下：
[0010] 一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法，包括下列步骤：
[0011] ①X射线类同轴相衬成像参数设置；
[0012] ②设置数字放射成像系统的曝光参数，在待成像的物平面位置放置刀口器具，采集获得刀口图像，从图像中获取不同位置的刀口截面曲线，而后将刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的表征系统特性的线扩散函数，将该线扩散函数在直角坐标系中旋转一周，计算得到二维点扩散函数，而后对其求傅里叶变换得到
[0013] ③放置成像物体，保持成像参数不变，对物体成像，获得相衬成像结果[0014] ④通过相位抽取解析方法求解出吸收项 作为初始值，而后分别计算这里 符号 表示傅里叶变换算子， 表示梯度算子和拉普拉斯算子，λ为X射线波长，re＝2.82×10-15m为经典电子半径，σKN为康普顿散射截面， 为空间频率，M为成像放大倍数，可以通过 来计算，R1，R2分别为物体到光源和探测器的距离。
[0015] ⑤将上述计算结果代入如下迭代公式这里Iin表示入射X
射线强度，ε为正则化参数，其数值可以设定为实际相衬图像信噪比的倒数，| |为取模运算，*号为取共轭复数，当迭代达到预设次数，或者相邻两次迭代结果误差小于预设误差，即得到相衬成像吸收项图像的傅里叶变换
射线强度，ε为正则化参数，其数值可以设定为实际相衬图像信噪比的倒数，| |为取模运算，*号为取共轭复数，当迭代达到预设次数，或者相邻两次迭代结果误差小于预设误差，即得到相衬成像吸收项图像的傅里叶变换
[0017] 图1类同轴相衬成像系统的线扩散函数。
[0018] 图2蝉蜕的相衬成像结果。
[0019] 图3经典解析方法下获得的相位抽取结果。
[0020] 图4本发明基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法的结果。
具体实施方式
[0021] 下面从几个方面对本发明进行说明。
[0022] 1.数字X射线成像系统
[0023] 实验采用自行构建的微焦点源数字放射成像系统。该系统的探测器为1024×1024的CCD阵列，像素大小为50μm×50μm，14级灰度。横向及纵向的空间分辨率均为每毫米20像素。X射线管的焦斑尺寸为50μm。实验中，X射线源的工作电压为70kVp，工作电流为0.5mA。成像物体采用具有较强吸收的蝉蜕。实验设置X射线源到物体的距离为100cm，对应的物体到探测器的距离为100cm。在以上设置下，光源在探测器上成的焦斑像为50μm。由于成像系统的点扩散函数是探测器点扩散函数和光源点扩散函数的卷积，在上述实验设置情况下，需要考虑探测器和光源焦斑点扩散函数对类同轴相衬成像结果的恶化效应以及系统噪声问题，最终针对成像系统特性，实现一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法。
[0024] 2.基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取原理
[0025] 在X射线类同轴相衬成像中，物体对入射X射线的传递函数 可以表示为[0026]
[0027] 其中 是物平面上的坐标位置，i为虚数单位， 和 分别对应物体对入射X射线的吸收作用和相移效应。
[0028] X射线穿过物体后，相关光在继续传播过程中发生Fresnel衍射效应，X射线波面表示为：
[0029]
[0030] 其中下标d表示物体到探测器的距离， 为线性卷积算子， 是Fresnel衍射算子：
[0031]
[0032] 这样，由最终探测器采集到的图像为(假设入射X射线强度为均匀分布)[0033]
[0034] 在类同轴相衬成像的近轴条件下，上述的坐标 需要用 来代替，这里的M为成像放大倍数，可以通过 来计算(R1，R2分别为物体到光源和探测器的距离)。
[0035] 在高能X射线下，由于X射线的光电效应减少，对人体的辐射伤害降低，因此实现高能X射线的相衬成像具有重要意义。当考虑高能X射线情况(60-500keV)，物体的相位和吸收满足相移吸收二元性理论，即
[0036]
[0037]
[0038] 这里λ为X射线波长， 为投影电子密度，re＝2.82×10-15m为经典电子半径，σKN为康普顿散射截面，可以用下式计算
[0039]
[0040] 这里η＝E/511keV，E为X射线能量。
[0041] 根据近轴的菲涅尔衍射理论，并考虑到人体组织不同位置的相位不会出现突变的情况，可以得到探测器上光强信息的傅里叶变换表达式
[0042]
[0043] 这里 符号 表示傅里叶变换算子， 和 分别表示梯度算子和拉普拉斯算子，Iin表示入射X射线强度， 为空间频率， 代表系统传递函数，主要取决于X射线光源焦斑尺寸以及探测器点扩散函数。
[0044] 依据相移吸收二元性理论，可以得到如下关系：
[0045]
[0046]
[0047] 要实现准确的相位抽取，可以将公式(8)转化为一个最小二乘拟合问题，即[0048]
[0049] 这里为扰动项。
[0050] 公式(11)的最小化问题对应的解可以用下式表示
[0051]
[0052] 这里 表示第n+1次迭代结果,实际迭代时， 的初始值可以通过传统的相位抽取解析方法获得。
[0053] 传统的相位抽取解析方法是基于被成像物体的低密度特性简化模型，即对公式(12)作了很多假设近似，把其中的非线性项忽略，把正弦项 近似为0，余弦项近似为1，由此得到传统的相位抽取解析法的模型如下：
[0054]
[0055] 由于系统噪声影响，实际测得的系统传递函数 存在零值，由于公式(12)中位于分母，分母为零将导致相位抽取失败。因此需要将公式(12)修正为
[0056]
[0057] 这里ε为正则化参数，其数值可以设定为实际相衬图像信噪比的倒数，| |为取模运算，*号为取共轭复数。
[0058] 当迭代达到预设次数，或者相邻两次迭代结果误差小于预设误差，即得到了物体吸收图像的傅里叶变换 再通过傅里叶逆变换获得对应的空间域的吸收图像最后根据相位和吸收二元性理论(公式(5)、(6))，即可得到相衬图像的相位抽取结果[0059] 3.一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法的技术流程
[0060] 本发明的一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法的流程描述如下：
[0061] 1)X射线类同轴相衬成像参数设置：本发明中，设置光源到物体的距离为100cm，与此对应的物体到探测器的距离为100cm。
[0062] 2)设置数字放射成像系统的曝光参数，在待成像的物平面位置放置刀口器具，采集获得刀口图像，从图像中获取不同位置的刀口截面曲线，而后将刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的表征系统特性的线扩散函数，将该线扩散函数在直角坐标系中旋转一周，计算得到二维点扩散函数，而后对其求傅里叶变换得到
[0063] 3)放置成像物体，本发明中采用蝉蜕为实验物体，保持成像参数不变，对该物体成像，获得相衬成像结果
[0064] 4)通过传统的相位抽取解析方法求解出吸收项 作为初始值，而后分别计算这里 符号 表示傅里叶变换算子， 表示梯度算子和拉普拉斯算子，λ为X射线波长，re＝2.82×10-15m为经典电子半径，σKN为康普顿散射截面，为空间频率，M为成像放大倍数，可以通过 来计算(R1，R2分别为物体到光源和探测器的距离)。
[0065] 5)将上述计算结果代入如下迭代公式这里Iin表示入射X
射线强度，ε为正则化参数，其数值可以设定为实际相衬图像信噪比的倒数，| |为取模运算，*号为取共轭复数，当迭代达到预设次数，或者相邻两次迭代结果误差小于预设误差，即得到了相衬成像吸收项图像的傅里叶变换
射线强度，ε为正则化参数，其数值可以设定为实际相衬图像信噪比的倒数，| |为取模运算，*号为取共轭复数，当迭代达到预设次数，或者相邻两次迭代结果误差小于预设误差，即得到了相衬成像吸收项图像的傅里叶变换
[0066] 6)对吸收项 进行傅里叶逆变换，获得 而后利用吸收项与相位信息 之间的关系，求出表征物体内部结构
的相位信息图像 这里 为投影电子密度。
的相位信息图像 这里 为投影电子密度。
[0067] 本发明采用自行构建的微焦点源数字放射成像系统。首先通过刀口装置获取系统探测器的传递函数。图1给出了通过刀口法测量获得的系统线扩散函数，由此测量获得的系统线函数曲线的半高宽是80微米。将该线扩散函数在直角坐标系中旋转一周，可以获得对应的点扩散函数。
[0068] 对蝉蜕成像，图2给出了非理想相衬成像系统下获取的蝉蜕的相衬成像结果图，可以看出，由于噪声和系统传递函数的影响，相衬图像质量并不理想。
[0069] 利用公式(13)对应的经典解析方法对图2的相衬成像结果进行相位抽取，得到的结果如图3所示。可以看到，由于成像模型对具有较强吸收的蝉蜕并不适合，所以获得的相位图像质量较差。
[0070] 采用本发明提出的基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法，考虑到物体的吸收特性，避免了线性近似带来的误差，通过迭代优化逼近，可以获得如图4所示的相位信息抽取结果，优于经典解析方法下相位抽取结果。
[0071] 最终结果表明，针对当前工程条件下，类同轴相衬成像的相位抽取模型无法准确获取得非理想成像系统下强吸收物体相位信息的问题，采用本发明的一种基于相移吸收二元性的频域迭代相位抽取方法，可以有效提高非理想系统情况下，对强吸收物体的相衬图像进行相位抽取结果的准确性。由于本发明成像物体采用的是蝉蜕，对X射线具有较大的吸收，不满足传统的相衬成像所采用的低吸收物体模型，可认为与骨骼结构具有类似特性，因此本发明的研究成果可以进一步有效的一指到实际临床上用于骨质疏松早期诊断的同轴相衬成像系统中。该方法的应用，将为有效实现早期骨质疏松的诊断提供技术支持，为深入开展于骨质疏松的同轴相衬成像的临床实践和研究提供有力支持。
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