肾脏相位衬度两种成像技术的比较及分析

目的:分别采用衍射增强成像(DEI)和同轴成像(IOXI)技术进行小鼠肾脏组织的相位衬度成像研究,旨在评估两种成像方法的特性和效果。方法:分别在北京同步辐射装置(BSRF)4W1A及上海光源(SSRF)BL13W1上进行实验(分别实施DEI和IOXI)。经福尔马林溶液固定的不同月龄(10、18、24月龄)小鼠的肾脏标本置于成像台进行成像,以图像衬度及分辨率等指标评估电荷耦合器件(CCD)获得的图像,具体评估指标包括显示的图像形态结构、衬度、分辨率等参数。结果:DEI技术获得的图像主要是显示血管结构。而IOXI技术获得的图像包含更多的细节,除了血管结构外,还能清晰显示包括肾小球在内的小鼠肾脏的微细结构,尤其在高分辨成像下,通过比较不同月龄的小鼠肾脏,初步获得小鼠老化的过程:首先从皮质肾小球的分布、走行及数量发生变化,到后期乃至终末期累及髓质,直小管及血管结构紊乱、皱缩以及肾脏呈硬化萎缩改变。结论:DEI和IOXI技术均能较好显示小鼠的肾脏血管结构,但IOXI技术更能显示包括肾小球在内的细微结构,这对未来研究肾脏病变乃至其余实质脏器的研究具有更加重要的价值。

比较同步辐射衍射增强与同轴技术小鼠肾脏成像

目的通过评价同步辐射相位衬度成像技术在小鼠肾脏微细结构的成像过程,比较同轴成像技术(IOXI)与衍射增强成像(DEI)的差异,探索相位成像技术的应用价值。方法在北京同步辐射装置(BSRF)形貌站4W1A和上海光源(SSRF)成像线站BL13W上,分别对小鼠肾脏进行成像,以组织衬度与空间分辨力作为评价指标。结果肾脏微细结构在IOXI与DEI中均得以显示,尤其是IOXI可显示肾小球。通过显微放大法获得的图像空间分辨力达10μm。结论包括IOXI与DEI在内的相位衬度成像技术在软组织及血管结构的显示中均具有较高的应用价值。IOXI由于获得成像信息更多,且光路较为简单、图像可直接获得,在生物医学应用研究中的价值可能更高。

利用同步辐射扭摆器光源研究X射线同轴轮廓成像质量

利用北京同步辐射光源研究了准平行束X射线同轴轮廓成像中影响成像质量的若干因素。结果表明,同步辐射光束在垂直方向能获得更好的边缘增强效果。尺寸较大的样品能获得更高的衬度。随着样品到探测器距离的增大,衬度增大,但存在一个最佳距离。高分辨率的探测器可以获得较高的衬度和较好的边界锐度。

X射线同轴相衬成像原理数值模拟及实验初探

主要对微焦点源X射线同轴相衬成像系统的系统参数进行了设计与讨论,并对结果进行了实验验证.根据实际选取X射线能量以及物体的折射率改变量和吸收因子来确定物体传输函数,从物体到探测面的距离、物体边缘渐变宽度等因素对图像可见度的影响进行分析,提出了改进分辨率方法并通过数值模拟得到验证.最后,在实验中对普通三角板进行相衬成像,并与其吸收衬度成像进行对比.实验结果表明,利用数值模拟的方法可以指导微焦点源相衬成像参数设计,同时验证了该实验仪器的相衬能力.

台阶模糊边的X射线同轴相衬成像参数优化

采用图像衬度、信噪比、分辨率和探测器抽样数作为X射线同轴相衬成像质量的综合评价标准,针对具有广泛应用意义的台阶模糊边分布特征的物体,提出了参数优化方法并建立了优化流程。通过数值模拟的方式分别对具有广泛代表性的亚微米焦点源、激光驱动微米焦点源及同步辐射源3种X射线源下成像系统的相关参数进行了优化。结果表明,基于优化方法的优化流程很好地完成了3种X射线源的同轴相衬成像参数优化。可见,这种优化方法具有广泛的应用意义,在根据具体情况对方法进行简单修正的基础上,可以完成任意X射线源下对具有台阶模糊边分布特征物体的同轴相衬成像优化工作。

优化X射线同轴相位衬度成像的理论研究

采用同轴相位衬度成像方法,基于PGW理论获得的频域相位衬度传递函数,对于理想光源和多色X射线源,用计算机模拟分析了如何选择物像距离和空间频率以获取最佳相位衬度像。实际应用中要综合考虑具体成像实验装置对于物像距离的可调范围以及成像分辨率的要求。对于具有一定谱宽的X射线源,应选择谱宽尽量小的源,以获得含信息量丰富、分辨率高的图像。

基于同轴相衬成像方法的人体膝关节软骨可视化

目的同轴相位衬度成像对软组织具有高衬度和高分辨率的特性。利用该成像技术,通过纹理特征参数提取进行定量分析,可为骨性关节炎的早期诊断提供可行性的依据。方法研究样本来自人工关节置换手术患者的膝关节软骨。样本分为正常组与早期骨性关节炎(osteoarthritis,OA)组,每组18例膝关节软骨组织。利用同轴相衬成像(in-line phase contrast imaging,IL-PCI)技术,观察两组软骨组织的纹理差异,并运用行程长度矩阵与分形维数方法提取纹理特征参数长行程加重(long run emphasis,LRE)、短行程加重(short run emphasis,SRE)、程分数(run percentage,RP)、灰度级的非均匀性(gray level non-uniformity,GLN)、行程长度的非均匀性(run length non-uniformity,RLN)以及分形维数。通过独立样本t检验方法比较上述参数,量化分析正常与病变软骨组织纹理差异。结果利用IL-PCI技术可以清晰观察到正常与早期OA软骨中微结构的变化。通过纹理参数提取比较两组的软骨纹理特征,结果表明正常组的LRE明显高于早期OA组(P<0.01),而早期OA组的GLN、RLN远高于正常组(P<0.01),正常组的分形维数小于早期OA组(P<0.01)。结论同轴相衬技术可为骨性关节炎的早期诊断提供定量分析手段。

基于同轴相衬成像方法与支持向量机算法的早期骨性关节炎的鉴别诊断

目的利用同轴相衬成像(in-line phase contrast imaging,IL-PCI)技术与支持向量机(support vector machine,SVM)算法对正常与早期骨性关节炎(osteoarthritis,OA)软骨组织建立分类模型。方法研究样本分别来自接受人工膝关节置换手术及创伤性关节损伤患者的离体膝关节软骨组织。实验对象分为正常组与早期OA组,每组18例。利用IL-PCI技术分别获取两组样本的电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)图像,运用行程长度矩阵、分形维度及小波变换三种分析方法对两组样本的CT图像提取纹理参数26个,经主成分分析法降维,利用纹理参数构建支持向量机分类诊断模型,对正常软骨与早期OA软骨进行自动分类。结果利用IL-PCI技术可以清晰观察到正常与早期OA软骨中微结构的变化。两组软骨的纹理特征参数比较显示,大部分纹理特征参数差异有统计学意义。利用SVM算法建立的分类模型能较好地区分正常与早期OA软骨组织,分类准确性可达86.1%。结论利用支持向量机算法与同轴相衬成像方法,能够为早期OA的鉴别诊断提供一种量化判别的手段。

一维高斯分布物体X射线同轴相衬成像参数优化

采用图像衬度、信噪比、分辨率和探测器抽样数作为X射线同轴相衬成像质量的综合评价标准,针对具有广泛应用意义的一维高斯型分布特征的物体,建立了最大化衬度优化和信噪比优化两种参数优化方法的优化流程。通过数值模拟的方式分别对亚微焦点源、激光驱动微焦点源及同步辐射源3种不同X射线源下的成像系统相关参数进行了优化。结果表明,两种优化方法各具优势,可根据不同的相衬成像需求选择相应的优化方法。同步辐射源同轴相衬成像系统采用信噪比优化方法较为合适,而亚微焦点源和激光驱动微焦点源则需根据不同的需求来选择优化方法,必要时还可对优化方法进行一定的修正。研究为不同条件下有着不同要求的优质X射线同轴相衬成像实验提供了保证。

同轴法射线相衬成像的数值模拟计算与分析

对同轴法射线相衬成像进行数值模拟计算,可用于特定对象检测方法的可行性分析或检测参数优化。为此,分析了同轴法射线相衬成像系统数值模拟计算的原理及其实现方法,并针对圆形物体、长条形物体进行了相衬成像实验的数值模拟计算。对照计算结果进行分析可知:对物体平面进行离散化的尺寸很大程度上影响到数值模拟计算结果的准确程度,究其原因在于对物体平面进行离散化时决定了成像系统光学传递函数离散化的准确程度;为保证数值模拟结果的准确性,应使数值计算中光学传递函数取值点连续、不存在明显的失真;保证数值模拟结果准确所需的光学传递函数的离散化尺寸不是固定的,而是应与检测对象的大小相匹配。

离体生物样本无对比剂血管成像:硬X线同轴轮廓相衬成像术的实验研究

目的X线相衬成像能够在无对比剂和降低曝光量的情况下观察生物组织尤其是软组织的内部结构。该实验利用同步辐射相干X线,根据同轴轮廓成像原理,在无对比剂的情况下,观察新西兰大白兔和人的离体肝组织标本内部的血管结构。方法所有样品经10%甲醛溶液固定,并切成6mm厚,10mm×10mm大小备用。成像胶片为富士工业胶片(Fuji-IX80)。实验是在北京同步辐射实验室4W1A光束上进行的,实验装置类似于全息成像,最大光斑为20mm×10mm,光子能量为8keV。改变样品和胶片的距离,以获得最佳的成像质量。结果兔肝标本的血管树得到清晰显示,人肝硬化标本的扭曲的异常血管也得到清晰显示。显示的最小的血管直径小于20μm。结论在第一代同步辐射上,在无对比剂的情况下,肝脏样本内部的血管结构可以通过X线同轴轮廓成像的方法得到显示。

相干X线相衬成像的初步研究:离体大白鼠肝脏、肺脏成像实验

目的 应用同轴轮廓成像原理对大白鼠离体肝脏、肺脏进行X线相衬成像实验 ,并与常规X线技术对比 ,为进一步实验奠定基础。方法 在北京正负电子对撞机国家实验室 ,利用同步辐射装置的插入件辐射引出的空间相干X射线 ,应用同轴轮廓成像原理 ,对大白鼠离体的肝脏、肺脏进行X线相衬成像。同时 ,对离体的大白鼠肺脏进行常规X线摄影 ,并进行对比。结果 大白鼠离体肝脏血管成像未能显示内部结构 ;离体肺脏的同轴轮廓成像清晰度及分辨率显著高于普通X线技术。结论 X线相衬成像从原理和实践上 ,其分辨率都高于常规X线技术 ,但尚需进一步探索和改进。

X射线同轴轮廓成像中影响成像质量的若干因素研究

采用数字模拟方法较为系统地研究了光子能量、样品直径和散射强度对成像质量的影响,克服了已有实验结果的局限性.研究得到成像质量随光子能量的变化关系,模拟结果与已有实验结果相符.研究发现,当其他成像参数不变时,同一样品存在多个光子能量可实现相近的成像质量,且成像质量都较好,这可用于定量相衬成像中多图重构时图像的选择,也为对辐射剂量有要求的样品提供理论依据.得到了不同直径样品在成像质量最佳时所对应的样品到探测器距离,发现这一距离随样品直径的增加而增加.研究了样品厚度或折射率变化导致的散射X射线对成像质量的影响,发现成像衬度随散射的增强呈指数下降,在厚度或折射率分布不规则导致散射的情况下,X射线同轴轮廓成像仍能得到较好的轮廓像.

利用定量相衬成像消除X射线同轴轮廓成像中散射的影响

在所有的相衬成像方法中,X射线同轴轮廓成像由于光路简单、不需要任何光学元件而备受关注.其缺点是无法直接消除散射的影响,从而限制了它在生物医学等领域中的应用.利用数字模拟方法研究了引入散射前后轮廓像的质量随样品到探测器距离的变化情况.模拟结果表明直接轮廓成像存在一个最佳成像距离,因而无法通过改变样品到探测器距离来减小散射的影响.利用定量相衬成像不受成像距离限制的特点,研究了远距离成像时散射的影响.结果表明,样品到探测器的距离增大到一个临界值时,散射对重构像的影响可降到一个极值,此时成像质量得到了明显改善.

硬x射线同轴相衬成像的相位恢复

基于角谱的概念 ,分析了硬x射线同轴相衬成像过程 ,在传统相位恢复算法GS算法的基础上 ,提出了基于角谱传播的相位恢复算法——迭代角谱法 (IASA) ,并利用数值法模拟研究了相衬成像和相位恢复过程 ,从理论上验证了这一相位恢复算法 .

基于X射线同轴相衬成像的炸药缺陷准静态扩展过程诊断

由于炸药具有弱吸收特性,利用传统的X射线成像技术难以获得质量较好的图像,因而无法对炸药内部的微小缺陷进行诊断。为提高炸药的X射线成像质量,采用X射线同轴相衬成像方法,获得了不同压力作用下高聚物粘结炸药(PBX)内部缺陷的一系列X射线相衬图像,从中清楚地观察到炸药内部缺陷从无到有、从小到大的准静态扩展过程,为研究高能炸药的热点形成机制提供技术支持。

高对称度光源的同步辐射X射线同轴相衬成像

全球现有的同步辐射光源中,电子束团在垂直于运动方向的截面上其水平尺寸和垂直尺寸的差异都较大,即同步辐射X射线(SRX)源的尺寸在水平和垂直两方向上有较大差异(二者的比值为光源的对称度,与1的差别越大,则对称度越差).这使得利用同步辐射X射线开展同轴相衬成像实验时,水平和垂直两个方向上入射X射线的点扩展函数相差较大,造成两个方向上空间分辨率有很大差别,这种差异还会造成两个方向上相位衬度水平的明显差别,从而严重影响同轴相位衬度成像的质量.本文通过在北京同步辐射装置(BSRF)成像线站(4W1A)束线上加入白光光阑直接限制光源对样品的点扩展函数的方法,获得了一个对称度大大提高的同步辐射X射线源(光源对称度从2.7提高到接近1),并开展了模型样品(聚酰胺细丝)的同轴相位衬度成像实验.使4W1A的光源对称度从2.7提高到1,虽然会使总通量约减小为原来的0.0005,但通量密度只减小到原来的0.22.总通量的减小由光斑尺寸的减小和通量密度的减小共同决定,由于高分辨率同轴成像需要的光斑尺寸很小,因此本方法对高分辨率同轴成像的不利影响仅限于通量密度的减小.同时,研究结果表明,通过关小水平光阑尺寸,把对成像有贡献的水平方向光源尺寸从1.23 mm减小到约0.35 mm,使模型样品成像的最大相位衬度从0.057提高到了0.35,即通过关小光阑提高光源的对称度,使同轴相衬成像的密度灵敏度提高了5倍.光源对称度的提高,使空间分辨率和相位衬度这两方面在水平方向和垂直方向达到相同的水平,从而极大改善了BSRF 4W1A线站SRX同轴相位衬度成像的质量.我们分析了成像质量提升的原因,并讨论了未来进一步改进的方向.

In situ study on columnar-equiaxed transition and anaxial columnar dendrite growth of Al-15%Cu alloy by synchrotron radiography

Directional solidification of Al-15% （mass fraction） Cu alloy was investigated by in situ and real time radiography which was performed by Shanghai synchrotron radiation facility （SSRF）. The imaging results reveal that columnar to equiaxed transition （CET） is provoked by external thermal disturbance. The detaching and floating of fragments of dendrite arms are the prelude of the transition when the solute boundary layer in front of the solid-liquid interface is thin. And the dendrite triangular tip is the fracture sensitive zone. When the conditions are suitable, new dendrites can sprout and grow up. This kind of dendrite has no obvious stem and is named anaxial columnar dendrites.

基于压缩感知的相移数字全息图的压缩实验研究

由于数字全息图的数据量庞大,其传输、存储占用大量的通信带宽和存储空间。为实现数字全息图有效的传输、存储,需要对其进行信息压缩。压缩感知理论突破了奈奎斯特采样定理的极限,能够以随机采样的方式,用远低于奈奎斯特采样定理所需要的最小数量,来精确地恢复原始信号。本文主要在同轴数字全息成像系统的基础上,引入压缩感知理论,深入研究了三种重构算法在物体全息图压缩中的影响。并分析比较出了适合数字全息图压缩重构的算法。经实验验证,适用于普通图像压缩重构的TVAL3算法,在数字全息图压缩重构中,其效果并不如Tw IST算法。

同轴相衬成像中基于约束的三维相位恢复算法

为了提升X射线同轴相位衬度CT成像中三维相位恢复算法的准确性和普适性,提出基于约束的三维衬度传递函数优化算法。该算法在三维空间施加有关样品信息的约束信息,并利用迭代优化算法提升样品的三维相位重建质量。模拟研究结果表明:与传统三维衬度传递函数算法相比,基于约束的三维衬度传递函数算法具有相位重建准确性高、抗噪性能优异、适用范围广等特点。该算法有助于推动X射线同轴相衬CT成像技术在材料科学、生物医学等领域的应用研究。