第一章 X射线源谱模型分析和仿真.docVIP

第五章 X射线相位衬度成像仿真 引言 从光传播的角度看，X射线历经物体时与物体发生的作用类型除了物体吸收之外，还存在折射和散射等多种作用方式[1]。传统X线成像技术仅仅利用了X线历经物体时的吸收作用，而忽略了其他方式的存在和其可应用性。1935年，德国科学家泽尼克( Frits Zernike) [2]在可见光波段发明了新的显微镜—相衬显微镜，把相位变化转换成强度分布，因此泽尼克获得了诺贝尔物理学奖。经过数十年发展的硬X线相位衬度成像（PCI，phase contrast imaging）是一种利用X射线穿透物体时产生衍射的特性成像方法，可以提供质量更高的成像效果，包含更丰富的细节信息，尤其适用于如生物软组织等弱衰减器官成像。可以预见未来相位衬度成像技术将在生物医学成像、林业、工业领域发挥更大的作用[2-13]。相位衬度成像利用低原子序数物质对于相位变化的敏感程度远超于吸收变化从而可以对微细结构给出更高分辨率的成像效果，实验表明在同等条件下X线对于碳、氢、氧等轻元素相位项变化是吸收项变化的1000多倍[14]。由于真实相位衬度成像系统费用昂贵，因此，发展相应的仿真平台用于验证相位衬度成像系统的参数以及参数优化是十分必要的。 根据对相位的不同测度成像，相位衬度成像存在四种实现方法，干涉成像（Interferometer Imaging）方法、衍射增强成像（DEI，Diffraction Enhanced Imaging）方法、光栅剪切相位衬度成像法和同轴相位衬度成像（In-line Imaging）方法[15, 16]，分别对应X射线经过物体引起的相位变化、相位变化梯度和相位变化二阶导数。干涉成像法利用插入物体前后的干涉图像形成物体的相位衬度像；衍射增强成像法中入射光角度固定，调节接收器角度选择性吸收形成相位衬度像；同轴相位衬度成像法则是利用波阵面经物体后弯曲，而后再经过一个自由行程的传播，转变为光的聚焦和发射，相位二阶导数转换成光强二阶导数形成物体内部结构的衬度影像[7, 15, 17]。实验比较发现，干涉成像法比衍射增强法的衬度更高，更适合与软组织成像；而衍射增强法可以获得更宽的密度动态范围，更适合与对不同区域密度差异较大的样品物体成像[18]。鉴于同轴相位衬度成像方法光路简单，优点突出，对光源的相干性和光通量要低于其他相衬成像方法，在生物医学成像上具有广泛应用前景，因而，该方法也是被研究最频繁的方法之一。 具有高度相干性的X射线是应用菲涅尔-基尔霍夫（FK，Fresnel-Kirchhoff）衍射理论的前提，即使是部分空间相干或是短时相干也是必须的。20世纪下半叶，具有高强度、宽波谱、高准直、脉冲性和偏振性等优点的同步辐射光源的出现和发展为实现相位衬度成像提供了实践基础，医学领域中的硬X射线相位衬度成像主要是利用同步辐射光源的高强度和宽波谱这两个特性[19]。由同步辐射光源产生的单色X线束在穿透人体组织时仅强度改变而能谱不变的特点，从而避免了在医学诊断影像和放射治疗中出现的X射线硬化问题[6, 7, 9, 19]。国外利用第三代欧洲同步辐射装置（ESRF）Grenoble对不同的生物材料和生物体做了若干实验研究[20, 21]；北京同步辐射装置是国内最早应用于相位衬度成像的实验装置，研究者利用同步辐射光源已经对苍蝇、大鼠、树脂材料等不同实验对象给出了较满意的实验结果。国内在建的上海光源（SSRF，已于2009年建成并出光）[10, 11]即在设计上特意为生物医学成像预留了专用线站，可以用于相位衬度成像、心脏冠脉造影等多项医学研究。但由于同步辐射装置费用昂贵，设备大，难以适应医学临床需求。近年来，Wilkins等[22]发展了一种使用多色X线束的同轴硬X射线相位衬度成像方法，仅要求高度的空间相干性（微焦光源）。Toth等[23]人提出了应用更便宜更易控制的激光硬X射线源取代同步辐射光源的方法。 CT由于主要体现的是样品物体的吸收项，对于软组织等弱吸收物质较难分辨；核磁共振成像（MRI）可以展现出其对软组织良好的衬度分辨率，若需进一步提升其分辨率，则需要提高磁场强度。但是过高的磁场强度会产生对人体是不利的Morsel效应[24]。结合相位衬度成像技术，正在逐步发展相位衬度CT[25-27]、相位衬度MRI[3, 28]等多种融合成像方法。 本章首先论述了X射线相位衬度成像的理论基础，而后提出了相位衬度成像系统的仿真算法，给出了相应的仿真结果，对结果做出了相关的分析讨论，指出了影响X线同轴相位衬度成像质量的关键参数。仿真实验结果表明理论推导与实验结果保持一致，可以作为X射线相位衬度成像系统设计与优化的验证平台。 X射线衍射物理模型 同轴相位衬度成像方法中早期的重要理论是由Wilkins及其同事提出的菲涅尔（Fresnel）同轴