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自从相位衬度成像技术发展起来之后,凭借其能够提供传统X射线成像所不能提供的对软组织具有较高分辨率的优势,已经开始被广泛应用于材料科学、生物科学、医学诊断等领域的研究中,有望发展成为科学研究、疾病诊断、材料合成等领域的又一强有力的表征手段。尤其针对生物组织等主要由轻元素组成的研究对象,X射线相位改变的幅度相比其对X射线的吸收值高三到五个数量级。因此,X射线相位衬度成像方法的优势尤为突出,针对X射线相位衬度成像与CT重建方法的研究具有前瞻性和开拓性,是该领域的一个研究热点。然而,目前被广泛使用的CT重建方法依然是以滤波反投影法为代表的解析法。为了获得更高的信噪比、更清晰的图像细节,重建出理想的断层图像,通常会增加扫描所获得的投影图像数量,这无疑延长了被成像物体的曝光时间,使物体吸收到更多的辐射剂量。
压缩感知理论指出:在满足信号稀疏或可压缩的前提条件下,通过远低于Nyquist采样标准的方式进行数据采样,仍能够精确地恢复出原始信号。在压缩感知理论的思想下,将传统采样过程中所需要的时间转移到稀疏重建过程中。因此,通过对样本进行快速稀疏采样,可以有效地缩短采样时间、降低辐射剂量。
本研究工作致力于基于压缩感知理论的X射线相位衬度CT图像重建的新方法和实验研究。针对不完全投影数据重建问题,进行了大量仿真实验研究。仿真结果表明,在不完全投影的情况下,采用基于压缩感知理论的稀疏重建算法得到的CT图像质量远好于同等条件下应用传统解析法与代数重建法所得到的结果。除此之外,在同步辐射装置上进行的实验结果也得到了与仿真实验相似的结论。说明采用稀疏采样与CT重建的方法可以在一定程度上降低被照样本吸收X射线辐射的时间与照射剂量,使相位衬度成像技术实现在生物医学领域的应用迈出了重要的一步。
本文的主要工作内容和创新点包括:
1.通过计算机模拟方法,对基于压缩感知理论的CT重建方法进行了深入细致的研究探索。提出一种用于稀疏采样的X射线稀疏重建方法,该方法首先通过图像的稀疏分解,用远小于图像像素个数的稀疏系数来表示图像,并将图像投影到稀疏投影矩阵中,在满足图像梯度模最小化的约束条件下,通过迭代的方法恢复出原始图像,获得了一些有意义的成果。
2.在北京同步辐射光源的4W1A实验平台上开展聚苯乙烯仿体成像实验,采用衍射增强相位衬度成像系统,利用实验所获得的腰位投影图像进行了CT图像的稀疏重建,并与传统解析法和迭代法进行了定性和定量比较。比较的结果表明本研究所采用的稀疏重建方法可以获得更好的重建图像质量。
3.在上海光源的BL13W1线站上进行了活体小鼠胸部成像的实验研究,采用类同轴相位衬度成像方法,通过呼吸机对小鼠进行呼吸控制,采集同一呼吸相位的相衬图像,对实验所获投影数据进行了稀疏重建,并在Amira软件平台上进行了小鼠肋骨的三维重构与显示。