一种基于成像系统特性的X射线相位成像方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于成像系统特性的X射线相位成像方法，包括：设置X射线类同轴相衬成像参数和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，计算二维点扩散函数。放置成像物体，对物体成像。根据物体组成的先验信息以及所得图像的噪声情况，计算松弛松弛因子的初始值。计算物体的相位信息。根据所得结果的对比度，微调松弛因子，直到获得理想结果。

X ray phase imaging method based on imaging system characteristics

The invention discloses a X X-ray phase imaging method, imaging system based on the characteristics of the exposure parameters include: X X-ray in-line phase contrast imaging parameters and digital radiography system, placed on the object plane position to edge device imaging, the collected image edge, from the edge image acquisition section curve of different position, calculation two dimensional point spread function. Place the imaging object. According to the prior information of the object and the noise of the image, the initial value of the relaxation factor is calculated. Calculating the phase information of an object. According to the contrast of the obtained results, the relaxation factor is adjusted until the desired results are obtained.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物医学工程及医学影像学领域，涉及一种基于成像系统特性的X射线相位成像的方法。
技术介绍
乳腺癌是当前妇女第一大“杀手”，据2015年最新统计数据，全世界乳腺癌患者人数和死亡人数在2012年分别增加至170万和52万，各占所有女性癌症病例的25％和癌症死亡数的15％[2]。我国人口众多，近年来乳腺癌患病率呈明显上升趋势，乳腺癌的诊治已经成为日益沉重并亟需解决的社会问题，而实现其早期诊断是解决这一社会问题、提高患者生存率和生活质量的关键。当前乳腺常规检查的主要手段为钼(铑)靶X射线乳房成像术，然而长期临床实践表明，该技术在灵敏度，特异性，安全性和舒适性等方面均存在重大缺欠：一方面该技术存在高达10-15％的漏检率；另一方面由该技术诊断为阳性而最终的活检确诊率为25-29％。尤其严重的是，由于年轻女性的乳房过于致密，导致诊断准确性严重降低。直到上世纪末，X射线相位衬度成像理论(X-rayphasecontrastimaging,XPCI)的提出，打破了传统的X射线成像理念，为实现理想的早期乳腺癌解剖成像诊断技术带来了新的曙光。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，显著提高了软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光通过薄层弱吸收弱相移样本后，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。类同轴相衬成像成像采用的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。但迄今为止，X射线类同轴相衬成像在乳腺癌临床诊断上仍没有得到应用，大部分的研究是基于同步辐射源的类同轴相衬成像展开的，同步辐射源投资巨大，占地面积巨大，不利于临床应用推广。而实际工程可行的基于微焦点源的X射线相衬成像系统，由于其系统非理想性，相衬成像与理论结果存在差异，导致最终相位抽取结果并没有达到预期的结果。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。因此，当前制约同轴相衬成像技术在临床推广应用的关键问题主要体现在像系统方面，图像系统自身存在着缺陷，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。由于基于微焦点源的类同轴相衬成像是更适合实现临床推广应用的成像技术，因此，针对该成像技术实现相位信息抽取的准确度，获取表征物体内部结构信息的相位图像具有显著的研究和应用价值。为了在成像系统存在缺陷情况下，实现物体结构真实相位的获取，必须充分考虑到成像系统自身的特性，发展出一种基于成像系统特性的X射线相位成像方法，这对于类同轴相衬成像系统的发展应用具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的主旨是提出一种基于成像系统特性的X射线相位成像方法，以此解决当前工程技术条件下，基于类同轴相衬成像的相位信息抽取所面临的关键问题：由于当前工程条件下，X光源，探测器的非理想性以及系统噪声等引起了相衬图像质量恶化，相衬度降低，基于传统的相位抽取方法无法保证相位信息抽取结果的准确性。本专利技术的基于成像系统特性的X射线相位成像方法，保证了非理想成像系统下准确获取被成像物体的相位信息，为类同轴相衬成像系统及技术的临床推广应用提供有力条件，从而为实现乳腺癌的早期诊断提供技术支持。技术方案如下：一种基于成像系统特性的X射线相位成像方法，包括下列步骤：①设置X射线类同轴相衬成像参数：设定光源到物体的距离，并设定物体到探测器的距离d。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PSF(x,y),(x,y)是探测器平面上的坐标位置。③放置成像物体，保持成像参数不变，对物体成像，获得成像结果Id(x,y)。④根据物体组成的先验信息以及所得图像的噪声情况，计算松弛松弛因子α的初始值其中λ为X射线的波长，δ为被成像物体的复折射率n＝1-δ+jβ中的相移部分，j为虚数单位，mu与复折射率n中的吸收因子β相关，SNR为实际获得信号的信噪比。⑤计算g(I)函数，其中Iin(x,y)选择无物体部分的X射线强度平均值。⑥利用公式计算物体的相位信息，这里u，v为探测器平面所在直角坐标系下两个方向的空间频率，FT为傅里叶变换，FT-1为傅里叶逆变换。⑦根据所得结果的对比度，微调松弛因子，直到获得理想结果。附图说明图1类同轴相衬成像系统的线扩散函数图2仿体的真实相位剖面曲线图3仿体在理想情况下的相衬成像结果的剖面曲线图4仿体在实际系统下的相衬成像结果的剖面曲线图5传统的相位抽取方法获得的相位剖面曲线图6本专利技术相位抽取方法获得的相位剖面曲线具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行说明。1数字X射线成像系统实验成像系统为Pixarray100小动物数字放射成像系统，由美国BIOPTICS公司制造。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33kVp，工作电流为0.5mA。成像物体采用直径分别为100μm，50μm，20μm和10μm的聚乙烯纤维构建。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，最终针对程序系统特性，实现X射线相位成像方法。2类同轴相衬成像的相位抽取原理在X射线类同轴相衬成像中，物体对入射X射线的传递函数T(x,y)可以表示为其中(x,y)是物平面上的坐标位置，j为虚数单位，μ(x,y)和分别对应物体对入射X射线的吸收作用和相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于成像系统特性的X射线相位成像方法，包括下列步骤：①设置X射线类同轴相衬成像参数：设定光源到物体的距离，并设定物体到探测器的距离d。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PSF(x,y),(x,y)是探测器平面上的坐标位置；③放置成像物体，保持成像参数不变，对物体成像，获得成像结果Id(x,y)；④根据物体组成的先验信息以及所得图像的噪声情况，计算松弛松弛因子α的初始值其中λ为X射线的波长，δ为被成像物体的复折射率n＝1‑δ+jβ中的相移部分，j为虚数单位，mu与复折射率n中的吸收因子β相关，SNR为实际获得信号的信噪比；⑤计算g(I)函数，其中Iin(x,y)选择无物体部分的X射线强度平均值；⑥利用公式计算物体的相位信息，这里u，v为探测器平面所在直角坐标系下两个方向的空间频率，FT为傅里叶变换，FT‑1为傅里叶逆变换；⑦根据所得结果的对比度，微调松弛因子，直到获得理想结果。...

【技术特征摘要】
1.一种基于成像系统特性的X射线相位成像方法，包括下列步骤：①设置X射线类同轴相衬成像参数：设定光源到物体的距离，并设定物体到探测器的距离d。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PSF(x,y),(x,y)是探测器平面上的坐标位置；③放置成像物体，保持成像参数不变，对物体成像，获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：周仲兴，高峰，赵会娟，张力新，郭柏宽，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12