任务导向的X射线光栅相位衬度成像方法的定量评价

Grating-based X-ray phase contrast imaging can efficiently utilize conventional X-ray sources to perform highly sensitive phase imaging. Therefore, it is expected that this method can find widespread potential applications in clinical medical imaging, materials science and many other fields, and has become a hot topic in X-ray imaging community. Recent research has confirmed that grating-based X-ray phase contrast imaging is very powerful in the visualization of weakly absorbing features. However, there is a lack of quantitative characterization of this visualization. Modern image science theory has point out definitely that task-based measures of image quality is the ultimate standard. Physical measure of image quality do not directly reveal how useful the image quality are for the facilitating a specified detection task..Therefore, this project proposes the research on task-based quantitative evaluation of grating-based X-ray phase contrast imaging. By use of Fourier optics theory and statistical decision theory, this research derives the calculation model of signal-to-noise ratios (SNRs) for ideal and non-ideal observer, respectively. The SNRs is then used as objective measure to evaluate grating-based phase contrast imaging. This project aims to provide an objective and comprehensive understanding of how phase contrast contributes to the detection of weakly absorbing features, and promote the widespread implementations of X-ray phase contrast imaging in clinical medical imaging and many other fields.

X射线光栅相位衬度成像方法能够有效利用常规光源进行高灵敏度的相衬成像，因而在临床医学、材料科学等领域具有广阔的应用前景，成为近年来X射线成像领域的研究热点之一。最近的研究报道证实，X射线光栅相衬成像方法能够在软组织等弱吸收特征的可视化方面发挥重要作用。然而，目前还缺乏对这种可视化能力的定量表征。当代图像科学理论已经明确指出任务导向的图像质量评价才是图像质量和成像方法的最终评价标准。图像质量的物理评价不能够客观地反映相位衬度对于完成特征探测任务的直接贡献。为此，本项目提出任务导向的X射线光栅相位衬度成像方法的定量评价研究，利用傅里叶光学理论和统计决策理论，建立理想/非理想观测者信噪比的计算模型，作为评价X射线光栅相衬成像方法的客观依据。本项目研究工作的开展将使得人们能够更加深刻、客观地理解相位衬度在弱吸收特征检测方面的贡献，推动X射线相位衬度成像技术在临床医学诊断等领域的实际应用。

为克服现有X射线成像技术的软组织成像衬度太低、CT扫描的高辐射剂量等局限性，X射线相位衬度成像技术在20世纪90年代被提出，并在过去20多年中得到了迅速发展。特别是X射线光栅干涉仪，能够有效利用常规X光源，被认为是最有希望迈向临床应用的相衬成像技术之一。近年来，随着X射线相衬成像方法应用潜力的逐步发掘，X射线相衬成像方法的图像质量评价和性能优化得到了日益广泛的重视。以噪声方差、空间分辨率等作为评价标准，图像质量的物理评价已经被广泛用于X射线相位衬度成像系统的优化设计。然而物理评价不能够客观反映图像中的相位衬度对于完成特征探测任务的直接贡献。而根据当代图像科学理论，任务导向的图像质量评价，例如精细图像特征的探测能力，是图像质量和成像方法的最终评价标准。因此，本项目提出开展任务导向的X射线光栅相位衬度成像方法的定量评价研究。.对于准单一成分的被成像物体，在硬X射线波段其折射率实部与虚部的比值近似为常数。结合光强曲线的一阶线性近似，提出并建立了新的硬X射线光栅干涉仪的成像方程。并基于此成像方程，发展了相应的信息提取方法。上海光源同步辐射实验结果证实了信息提取新方法的可行性。相比于传统的积分相移图像，新方法提取的相移图像中条纹伪影被削弱。相关研究成果在线发表于Journal of Synchrotron Radiation。.在X射线衍射增强成像中，利用本征摇摆曲线的单高斯函数近似，结合被成像物体的角度响应函数，建立了衍射增强成像的新方程。并基于此成像方程，发展了一种新的信息提取方法。只需要采集3张图像，新方法就能够同时提取被成像物体的吸收、折射和散射信息。北京同步辐射装置的实验结果证实了信息提取新方法的可行性和准确性。相关研究成果发表于Journal of Synchrotron Radiation。