基于主成分分析的X射线微分相位衬度成像研究

In the last two decades, X-ray phase contrast imaging has attracted increasing attention, and a widespread application of this technique is expected in life sciences etc.In particular, X-ray differential phase contrast imaging has been one of the hot topics in X-ray imaging researches, since it allows an effective utilization of conventional X-ray tubes. Presently, the phase-stepping technique is adopted for information extraction from experimental images. However, the results given by the method is not accurate, and with systematic error. Although the error can be reduced by acquiring more experimental images, the radiation dose and subsequent damage will increase. These limitations hinder the application of the phase-stepping technique in dose-sensitive researches, such as clinical medical imaging..To overcome the limitations, X-ray differential phase contrast imaging based on principal component analysis is presented in this project. The novel method allows a quantitative and accurate extraction of the object absorption, phase and scattering information without systematic error. This novel method is applicable to both 1D and 2D differential phase contrast imaging. With the novel method based on principal component analysis, we predict fast and accurate X-ray phase contrast imaging, with reduced radiation dose and subsequent damage.This may present a major step in X-ray phase contrast imaging with potential implementations in clinical medical imaging and many other fields.

X射线相位衬度成像技术在过去二十多年来受到了日益广泛的关注，在生命科学等众多研究领域展现出广阔的应用前景。特别是X射线微分相位衬度成像方法，能够有效利用常规X光源，成为近年来X射线成像领域的研究热点之一。目前，X射线微分相衬成像通常采用相位步进法从实验图像中提取物体的吸收、相位和散射信息。然而，利用这种方法得到的物体信息存在着系统误差，是不准确的。尽管增加实验图像数目可减小系统误差，但会导致辐射剂量和辐射损伤的增加，在临床医学等剂量敏感领域是不可行的。为克服相位步进法的局限性，本课题提出基于主成分分析的X射线微分相分相位衬度成像新方法研究，能够准确、定量提取物体的吸收、相位和散射信息，不存在系统误差。X射线微分相衬成像新方法的发展将实现快速、准确的相位衬度成像，降低物体所受的辐射剂量和辐射损伤，有力推动X射线相衬成像技术在临床医学等领域的广泛应用。

上世纪70年代以来，随着临床X射线计算机断层成像扫描装置（XCT）的研制成功，X射线成像技术作为一种高性能的无创诊断技术在临床医学成像等领域得到了广泛应用。然而，现有X射线成像技术仍然存在着一些局限性，主要表现在软组织成像衬度太低、CT扫描的高辐射剂量等。为克服这些局限性，X射线相位衬度成像技术在上世纪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，被公认为最快走向临床应用的相衬成像技术。.在X射线光栅干涉仪中，物体信息提取方法是连接实验投影数据与三维断层重建的桥梁，是X射线光栅干涉仪成像方法的重要组成部分，因而成为近年来的研究热点之一。本项目的主要内容就是X射线光栅干涉仪中信息提取新方法的研究。.利用X射线光子计数探测器的能量分辨特性、光强曲线的一阶近似、物体线性衰减系数和相移系数的能量变化规律，建立了单次曝光X射线光栅干涉仪的成像方程，并发展了信息提取新方法。只需对物体进行一次曝光，就能够定量提取物体的吸收和相移信息。新方法不仅提高了实验效率，而且降低了辐射损伤风险。相关研究成果发表于Optics Letters。.在已有研究工作[PNAS 107, 13576 (2010)]基础上，研究了扇束照明下的正反投影像方法，提出了信息提取公式。数值实验结果证实了提取公式的准确性；研究了正反投影像方法的噪声特性，并以折射图像的噪声方差作为评价标准，比较了正反投影像方法与相位步进法的灵敏度。相关研究成果发表于Medical Physics。.X射线泽尼克相位衬度显微镜中信息提取新方法研究。通过在波带片物镜后焦平面先后放置π/2相移环、3π/2相移环，记录两幅包含样品相移信息的投影图像。利用信息提取公式对投影图像进行计算，就能够得到定量的样品相移信息。实验结果证实了新方法的可行性和准确性。相关研究成果发表于Journal of Synchrotron Radiation。.利用北京同步辐射装置的硬X射线显微镜，首次获得了缓控释药物载体PLGA微球内部复杂孔隙结构的纳米分辨三维图像，定量揭示了微球内部孔隙三维空间结构、空隙分布等结构信息；研究了完整水稻花粉细胞的三维结构与形貌，对胞内细胞器的体积、表面积等结构性能参数进行定量统计与分析。相关研究成果发表于Journal of Synchrotron Radiation