X射线类同轴相衬成像的相位抽取方法及质量评价研究

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1、X射线类同轴相衬成像的相位抽取方法及质量评价研究PerformanceEvaluationofPhaseRetrievalMethodsforIn-linePhase-contrastX-rayImaging学科专业：生物医学工程作者姓名：郭柏宽指导教师：周仲兴副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二〇一七年十二月摘要X射线相衬成像技术由于对软组织成像具有可见度高、低辐射剂量的优势，克服了基于吸收衬度的传统X射线成像在这方面的不足。在目前的适用于相衬成像的方法中，类同轴相衬成像对于光源要求较低，同时不需要复杂的光学器件，在实际

2、的研究和应用中应用广泛。为将相衬成像应用于三维成像领域，需要通过相位抽取来恢复相衬图像中的相位信息。目前采用的相位抽取方法主要分为直接法和间接法两种。现有的基于直接法的相位抽取算法，均基于不同的假设，满足不同条件下的相位抽取。其优势在于计算时间短，但结果并不稳定。目前对于相位抽取算法的研究均基于较为理想的成像条件，而在实际应用中，成像系统的探测器分辨率和系统噪声都会对相位抽取的结果有影响。本文利用基于直接法的相位抽取方法，通过改变探测器半高宽（FullWidthatHalfMaximum,FWHM）和系统噪声大小，对这种影响进

3、行研究。通过均方根误差（RootMeanSquareError,RMSE）对各相位抽取方法的结果进行评价，发现探测器分辨率的降低或系统噪声的增加会恶化相位抽取的结果，对于小尺寸的物体相位其恶化程度更为严重。基于间接法的相位抽取算法通常利用迭代正则化方法，利用一定的先验条件，可以获得较为稳定的相位抽取结果。本文在基于间接法的相位抽取方法的基础上，考虑了成像系统的非理想性，提出了基于系统函数补偿的相位抽取方法。通过模拟数据圆柱对-球体对仿体和实际数据气泡膜相衬图像对该方法进行分析验证。该方法能有效提升圆柱对-球体对仿体相位抽取结果

4、的分辨力，使得气泡膜相衬图像的相位抽取结果的边缘更为清晰。关键词：类同轴相衬成像，相位抽取，点扩散函数，正则化ABSTRACTPhasecontrastX-rayimagingtechniqueshaveshowntheabilitytoovercometheweaknessofthelowsensitivityofconventionalX-rayimaging.Amongthem,in-linephasecontrastimaging,blessedwithsimplicityofarrangement,isdeemedt

5、obeapromisingtechniqueinclinicalapplication.Inordertoapplythetechniqueto3Dimaging,phaseretrievalisneededtoobtainphaseinformationfromphasecontrastimages.Numerousphase-retrievalalgorithmshavebeendeveloped,whichcouldbegenerallydividedintotwocategories:thedirectalgorith

6、msandtheindirectones.Basedondifferentphysicalassumptions,theexistingdirectphase-retrievalalgorithmsexcelatcomputationtimebutsufferfrominstability.Thetheoriesofthesephase-retrievalalgorithmsaremostlyproposedonthebasisofidealimagingconditions.However,inpractice,bothde

7、tectorresolutionandsystemnoisewouldhaveinfluenceontheperformanceofthesephase-retrievalalgorithms.Toinvestigatesuchinfluence,wedesignednumericalsimulationswithGaussianshapeddetectorsvaryinginthefullwidthathalfmaximum(FWHM)andsystemnoiseatdifferentlevels.Theperformanc

8、eofthephase-retrievalmethodsundersuchconditionswasevaluatedbytherootmeansquareerror(RMSE).Theresultsdemonstratedthatanincreaseinthedetecto