X射線相位襯度成像及CT研究.pdf

1、自從1896年，德國(guó)著名物理學(xué)家威廉康拉德倫琴(Wilhelm Conrad Rontgen)首次拍攝到X射線照片以來(lái)，X射線成像技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并且在在臨床醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)等等許多重要的應(yīng)用領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。作為X射線成像技術(shù)的發(fā)展前沿，X射線相位襯度成像方法囚其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射X光相位變化的探測(cè)得到了廣泛的關(guān)注，有望發(fā)展成為科學(xué)研究、疾病診斷、材料合成等領(lǐng)域的又一強(qiáng)有力的表征手段。尤其針對(duì)生物組織等主要由

2、輕元素組成的研究對(duì)象，X射線相位改變的幅度相比其對(duì)X射線的吸收值高3到5個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，X射線相位襯度成像方法的優(yōu)勢(shì)尤為突出，針對(duì)X射線相位襯度成像及相關(guān)CT重建方法等問(wèn)題的研究具有前瞻性和開(kāi)拓性，是國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 為此，本研究工作致力于在基于北京同步輻射光源的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展X射線相位襯度成像以及CT重建技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了以下幾個(gè)方面的成果： 1.通過(guò)大量計(jì)算機(jī)模擬以及在北京同步輻射裝置上所開(kāi)展的廣

3、泛的實(shí)驗(yàn)嘗試，對(duì)X射線衍射增強(qiáng)相位襯度成像(Diffraction Enhanced X—ray Phase Contrast Imaging，DE—XPCI)方法進(jìn)行了深入細(xì)致的研究探索。對(duì)衍射增強(qiáng)成像方法給出了詳盡的數(shù)學(xué)描述，使得衍射增強(qiáng)方法在真正意義上成為高分辨、高襯度、定量的顯微表征手段。并進(jìn)一步在多個(gè)應(yīng)用方向與相關(guān)領(lǐng)域的專家開(kāi)展了廣泛的合作，利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得了一系列有價(jià)值的成果。 2.對(duì)X射線光柵剪切相位襯度成像方

4、法(Grating based Xray Phase Contrast Imaging，G—XPCI)在理論上進(jìn)行了仿真模擬討論，給出了清晰的物理圖像。在此基礎(chǔ)上，提出了新的適用于G—XPCI相位恢復(fù)算法，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，縮短了曝光時(shí)間，減小了輻射劑量，在一定程度上克服了該方法走向?qū)嶋H應(yīng)用的瓶頸。并且在基于同步輻射光源和基于實(shí)驗(yàn)室常規(guī)X射線光源，兩種成像裝置上分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 3.考慮到同步輻射光源的發(fā)展前景(自由電子激光)

5、，本研究工作對(duì)相干光照明下的衍射增強(qiáng)成像體系(Coherent Diffraction Enhanced X—ray Phase Contrast Imaging，CDE—XPCI)進(jìn)行了深入的討論。提出一種基于近場(chǎng)過(guò)采樣的相位重建算法，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)單幅近場(chǎng)照片的相位恢復(fù)?？紤]到CDE—XPCI實(shí)現(xiàn)輪廓襯度增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)信息的特性，并結(jié)合我們提出的定量相位恢復(fù)算法，CDE—XPCI的應(yīng)用前景將隨著自由電子激光的發(fā)展而不斷開(kāi)闊。

6、 4.對(duì)相干照明條件下的類同軸成像體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬，提出了一種基于結(jié)構(gòu)照明的全新的X射線相位襯度成像(Structured Illuminated X—ray Phase Contrast Imaging，SI-XPCI)方法。相比于現(xiàn)有的類似條件下的相襯成像機(jī)制，SI-XPCI具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有望被基于同步輻射裝置的成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)廣泛采用。 5.通過(guò)對(duì)X射線相位襯度成像原理的探索，結(jié)合對(duì)傳統(tǒng)CT斷層重建方