CN111795980A - 一种基于逐像素高斯函数拟合法的x射线边界照明成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于逐像素高斯函数拟合法的X射线边界照明成像方法,是应用于沿Z轴向上依次设置有X射线源、调制掩膜、分析探测掩膜和图像探测器所构成的X射线边界照明成像***中,且在沿Y轴向上中心对齐;X射线入射到调制掩膜被空间调制,出射的调制X射线在穿透被成像物后,入射到分析探测掩膜,X射线的空间调制被转换成光强变化后,被图像探测器记录;利用提出的逐像素高斯拟合法处理图像探测器记录的投影图像,可同时获取被成像物的吸收信号、折射信号和散射信号。本发明能够解决光强曲线的偏置不为零时被成像物的吸收、折射和散射信号的准确提取问题,能够解决光强分布非均一导致的信号提取不准确问题。
Description
技术领域
本发明涉及X射线成像方法领域,具体的说是一种基于逐像素高斯函数拟合法的X射线边界照明成像方法。
背景技术
X射线边界照明成像方法具有多模式成像能力,能够同时获取被成像物体的吸收信号、折射信号和散射信号。作为现有X射线吸收衬度成像技术的有力补充,X射线边界照明成像方法具有高空间分辨率、高灵敏度等优点,在临床前乳腺成像、工业无损检测、食品安全检测等众多领域具有广阔的潜在应用价值。X射线边界照明成像方法利用调制掩膜对入射X射线的振幅进行空间调制,而物体内部折射率的空间分布差异会导致X射线空间调制的局部扭曲。这些局部扭曲被分析探测掩膜转换成可被探测器测量的光强变化。特别地,X射线边界照明成像方法对X射线源的空间相干性和时间相干性几乎没有要求,因此被认为是最有可能推广到临床应用的X射线多模式成像方法之一。
当前,X射线边界照明成像方法通常采用三图全局拟合法来进行多模式成像的图像数据采集,和提取被成像物体的吸收、折射和散射信号。三图全局拟合法要求:光强曲线的偏置必须为零。偏置不为零时,三图全局拟合法不能准确提取被成像物体的吸收信号、折射信号和散射信号;视场范围内光强分布必须均一。而事实上,调制掩膜或分析探测掩膜不可避免地存在局部缺陷,将会导致光强分布的非均一。在这种情形下,三图全局拟合法不能准确提取被成像物体的吸收信号、折射信号和散射信号。这些局限性阻碍了X射线边界照明成像方法在材料科学等要求定量表征领域的推广应用。因此,发展新的X射线边界照明成像方法,克服三图全局拟合法要求光强曲线偏置为零、光强分布必须均一的局限性,就成为X射线边界照明成像方法推广应用进程中需要解决的问题之一。
发明内容
本发明为避免现有成像方法的不足之处,提出一种基于逐像素高斯函数拟合法的X射线边界照明成像方法,以期能在光强曲线的偏置不为零时,准确提取被成像物的吸收、折射和散射信号;在光强分布不满足均一条件时,准确提取被成像物的吸收、折射和散射信号,从而为实现准确、定量、普适的X射线边界照明成像提供新途径。
为达到上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
本发明一种基于逐像素高斯函数拟合法的X射线边界照明成像方法的特点是应用于由X射线源、调制掩膜、分析探测掩膜和图像探测器组成的X射线边界照明成像***中,
以所述X射线源的位置点为坐标系原点O,以光轴方向为Z轴向,垂直于光轴、且平行于所述调制掩膜的调制结构方向为Y轴向,以共同垂直于光轴和所述调制掩膜的调制结构方向为X轴向,建立直角坐标系O-XYZ;
在沿Z轴向上依次设置有所述X射线源、调制掩膜、分析探测掩膜和图像探测器;且所述X射线源、调制掩膜、分析探测掩膜和图像探测器在沿Y轴向上中心对齐;
所述X射线边界照明成像方法是按如下步骤进行:
步骤1、设置各器件相关位置,且满足:0<d21<d31<d41,其中,d21为所述调制掩膜与所述X射线源在沿Z轴向上的相对距离,d31为所述分析探测掩膜与所述X射线源在沿Z轴向上的相对距离,d41为所述图像探测器与所述X射线源在沿Z轴向上的相对距离;
步骤2、获取背景投影图像:
步骤3、获取被成像物的投影图像:
步骤3.1、将被成像物沿Z轴向放置在所述调制掩膜和所述分析探测掩膜的中间;并将所述被成像物与所述X射线源在沿Z轴向上的相对距离记为d51,且满足d21<d51<d31;设置所述被成像物与所述调制掩膜在沿Y轴向上中心对齐;
步骤4、利用逐像素高斯函数拟合法获得背景投影图像的拟合参数:
步骤4.1、定义投影图像的行数为W,列数为H;定义N1为当前行数,N2为当前列数,并初始化N1=1;
步骤4.2、初始化N2=1;
步骤4.3、利用式(1)作多参数拟合,得到像素(N1,N2)的第一拟合参数A0(N1,N2)、第二拟合参数θ0(N1,N2)、第三拟合参数S0(N1,N2)、第四拟合参数B0(N1,N2),且满足A0>0,S0>0,B0>0:
步骤4.4、将N2+1赋值给N2后,判断N2>H是否成立,若成立,则执行步骤4.5;否则,返回步骤4.3;
步骤4.5、将N1+1赋值给N1后,判断N1>W是否成立,若成立,表示背景投影图像的逐像素拟合过程结束,得到所有像素的第一拟合参数A0、第二拟合参数θ0、第三拟合参数S0、第四拟合参数B0;否则,返回步骤4.2;
步骤5、利用逐像素高斯函数拟合法获得所述被成像物(5)的投影图像的拟合参数:
步骤5.1、初始化N1=1;
步骤5.2、初始化N2=1;
步骤5.3、利用式(2)作多参数拟合,得到像素(N1,N2)的第一物体拟合参数A1(N1,N2)、第二物体拟合参数θ1(N1,N2)、第三物体拟合参数S1(N1,N2)、第四物体拟合参数B1(N1,N2),且满足A1>0,S1>0,B1>0:
步骤5.4、将N2+1赋值给N2后,,判断N2>H是否成立,若成立,则执行步骤5.5;否则,返回步骤5.3;
步骤5.5、将N1+1赋值给N1后,判断N1>W是否成立,若成立,则表示所述被成像物的投影图像的逐像素拟合过程结束,得到所有像素的第一物体拟合参数A1、第二物体拟合参数θ1、第三物体拟合参数S1、第四物体拟合参数B1;否则,返回步骤5.2;
步骤6、利用式(3)逐像素提取所述被成像物的吸收信号T:
T=A1/A0 (3)
步骤7、利用式(4)逐像素提取所述被成像物的折射信号θR:
θR=θ1-θ0 (4)
步骤8、利用式(5)逐像素提取所述被成像物的散射信号S:
以所述被成像物的吸收信号T、折射信号θR、散射信号S作为所述X射线边界照明成像方法的结果。
与已有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明利用光强曲线的高斯函数近似,提出了一种基于逐像素高斯函数拟合法的X射线边界照明成像方法,克服了三图全局拟合法要求光强偏置为零的局限性,实现了光强曲线的偏置不为零时,被成像物的吸收、折射和散射信号的准确提取;解决了光强分布不均一时,被成像物的吸收信号、折射信号、散射信号的准确提取问题,实现了准确、定量、普适的X射线边界照明成像;
2、与现有的三图全局拟合法相比,本发明在作高斯函数拟合时,专门引入了一个拟合参数,解决光强偏置不为零的问题,克服了三图全局拟合法要求光强偏置为零的局限性,实现了折射成像、散射成像的定量准确性;
3、与现有的三图全局拟合法相比,本发明采用了逐像素高斯函数拟合,从而消除了光强分布的局部不均一导致的多模式成像的不准确性,实现了被成像物的吸收信号、折射信号和散射信号的准确提取;
附图说明
图1为现有技术中X射线边界照明成像装置示意图;
图2为现有技术中的光强曲线图及其高斯函数拟合图;
图3为本发明被成像物吸收信号的提取结果图;
图4为本发明被成像物折射信号的提取结果图;
图5为本发明被成像物散射信号的提取结果图;
图中标号:1X射线源;2调制掩膜;3分析探测掩膜;4图像探测器;5被成像物。
具体实施方式
本实施例中,参见图1,设置由X射线源1、调制掩膜2、分析探测掩膜3和图像探测器4构成的X射线边界照明成像装置;如图1所示,以X射线源1的位置点为坐标系原点O,以光轴方向为Z轴向,垂直于光轴、且平行于调制掩膜2的调制结构方向为Y轴向,以共同垂直于光轴和调制掩膜2的调制结构方向为X轴向,建立直角坐标系O-XYZ;在沿Z轴向上依次设置有X射线源1、调制掩膜2、分析探测掩膜3和图像探测器4;且X射线源1、调制掩膜2、分析探测掩膜3和图像探测器4在沿Y轴向上中心对齐;
X射线边界照明成像方法是按如下步骤进行:
步骤1、设置各器件相关位置,满足:0<d21<d31<d41,其中,d21为调制掩膜2与X射线源1在沿Z轴向上的相对距离,d31为分析探测掩膜3与X射线源1在沿Z轴向上的相对距离,d41为图像探测器4与X射线源1在沿Z轴向上的相对距离;
步骤2、获取背景投影图像:
沿X轴向步进扫描分析探测掩膜3与调制掩膜2的相对位移,并记录每个被扫描的相对位移值所对应的光强,就得到X射线边界照明成像装置的光强曲线。如图2所示,实验上得到的光强曲线能够被高斯函数很好地近似描述,拟合优度超过0.999。图2所示的光强曲线的高斯函数拟合满足式(2.1),
曝光时长t1、t2、t3、t4、t5:当X射线源1是同步辐射X射线源时,曝光时长的典型值是1~100毫秒;当X射线源1是常规X射线源时,根据射线源功率的不同,曝光时长的典型值是十几秒到上百秒。
t1、t2、t3、t4、t5的大小关系:当相对位移x1对应的光强曲线(如图2所示)的数值大于相对位移x2对应的光强曲线的数值时,t1<t2。反之,则t1>t2。以此类推。
沿X轴向上的相对位移x1、x2、x3、x4、x5:实验上,这些相对位移的数值局限在-P/2到P/2区间内,其中P是调制掩膜2的调制结构沿X轴向上的周期,典型值为几十微米。
式(2.2)中,I0是入射X射线的强度,Ar是边界照明成像装置的背景光强曲线的偏置,满足Ar>0;Br是背景光强曲线的幅值,满足Br>0;Cr是背景光强曲线的中心位置;Dr是背景光强曲线的等效宽度,满足Dr>0;
步骤3、获取被成像物的投影图像:
在获取被成像物5的投影图像时,分析探测掩膜3与调制掩膜2在沿X轴向上的相对位移、曝光时长的数值,与获取背景投影图像时的数值分别保持一致。以利于之后被成像物5的吸收信号的定量提取。
式(3.1)中,T是被成像物5的吸收信号,满足0<T<1;θR是被成像物5的折射信号;S是被成像物5的散射信号,满足S>0。
步骤4、利用逐像素高斯函数拟合法获得背景投影图像的拟合参数:
步骤4.1、定义投影图像的行数为W,列数为H;定义N1为当前行数,N2为当前列数,并初始化N1=1;
步骤4.2、初始化N2=1;
步骤4.3、利用式(1)作多参数拟合,得到像素(N1,N2)的第一拟合参数A0(N1,N2)、第二拟合参数θ0(N1,N2)、第三拟合参数S0(N1,N2)、第四拟合参数B0(N1,N2),且满足A0>0,S0>0,B0>0:
步骤4.4、将N2+1赋值给N2后,判断N2>H是否成立,若成立,则执行步骤4.5;否则,返回步骤4.3;
步骤4.5、将N1+1赋值给N1后,判断N1>W是否成立,若成立,表示背景投影图像的逐像素拟合过程结束,得到所有像素的第一拟合参数A0、第二拟合参数θ0、第三拟合参数S0、第四拟合参数B0;否则,返回步骤4.2;
步骤5、利用逐像素高斯函数拟合法获得被成像物5的投影图像的拟合参数:
步骤5.1、初始化N1=1;
步骤5.2、初始化N2=1;
步骤5.3、利用式(2)作多参数拟合,得到像素(N1,N2)的第一物体拟合参数A1(N1,N2)、第二物体拟合参数θ1(N1,N2)、第三物体拟合参数S1(N1,N2)、第四物体拟合参数B1(N1,N2),且满足A1>0,S1>0,B1>0:
步骤5.4、将N2+1赋值给N2后,,判断N2>H是否成立,若成立,则执行步骤5.5;否则,返回步骤5.3;
步骤5.5、将N1+1赋值给N1后,判断N1>W是否成立,若成立,则表示所述被成像物(5)的投影图像的逐像素拟合过程结束,得到所有像素的第一物体拟合参数A1、第二物体拟合参数θ1、第三物体拟合参数S1、第四物体拟合参数B1;否则,返回步骤5.2;
步骤6、利用式(3)逐像素提取被成像物5的吸收信号T:
T=A1/A0 (3)
图3所示为被成像物5的吸收信号的提取结果。从图3中可以看出,本发明提出的新方法的提取结果与理论值符合的很好,而现有方法的提取结果则明显偏离了理论预测值,是不准确的。
步骤7、利用式(4)逐像素提取被成像物5的折射信号θR:
θR=θ1-θ0 (4)
图4所示为被成像物5的折射信号的提取结果。如图4所示,与理论预测值相比,现有方法的提取结果总是偏小的,不满足定量准确性。而本发明提出的新方法的提取结果,在实验误差允许范围内,与理论值保持了定量的准确性。
步骤8、利用式(5)逐像素提取被成像物5的散射信号S:
图5所示为被成像物5的散射信号的提取结果。如图5所示,在实验误差允许范围内,本发明提出的新方法的提取结果与理论值保持了定量地一致准确,而现有方法的提取结果是错误的,与理论值完全不符。
图3、图4、图5所示的这些提取结果,证实了本发明提出的X射线边界照明成像方法的可行性。
以被成像物5的吸收信号T、折射信号θR、散射信号S作为X射线边界照明成像方法的结果。
Claims (1)
1.一种基于逐像素高斯函数拟合法的X射线边界照明成像方法,其特征应用于由X射线源(1)、调制掩膜(2)、分析探测掩膜(3)和图像探测器(4)组成的X射线边界照明成像***中,
以所述X射线源(1)的位置点为坐标系原点O,以光轴方向为Z轴向,垂直于光轴、且平行于所述调制掩膜(2)的调制结构方向为Y轴向,以共同垂直于光轴和所述调制掩膜(2)的调制结构方向为X轴向,建立直角坐标系O-XYZ;
在沿Z轴向上依次设置有所述X射线源(1)、调制掩膜(2)、分析探测掩膜(3)和图像探测器(4);且所述X射线源(1)、调制掩膜(2)、分析探测掩膜(3)和图像探测器(4)在沿Y轴向上中心对齐;
所述X射线边界照明成像方法是按如下步骤进行:
步骤1、设置各器件相关位置,且满足:0<d21<d31<d41,其中,d21为所述调制掩膜(2)与所述X射线源(1)在沿Z轴向上的相对距离,d31为所述分析探测掩膜(3)与所述X射线源(1)在沿Z轴向上的相对距离,d41为所述图像探测器(4)与所述X射线源(1)在沿Z轴向上的相对距离;
步骤2、获取背景投影图像:
步骤3、获取被成像物的投影图像:
步骤3.1、将被成像物(5)沿Z轴向放置在所述调制掩膜(2)和所述分析探测掩膜(3)的中间;并将所述被成像物(5)与所述X射线源(1)在沿Z轴向上的相对距离记为d51,且满足d21<d51<d31;设置所述被成像物(5)与所述调制掩膜(2)在沿Y轴向上中心对齐;
步骤3.2、设置所述分析探测掩膜(3)与所述调制掩膜(2)在沿X轴向上的第一相对位移为x1;启动所述X射线源(1)后,利用所述图像探测器(4)按照所述第一曝光时长t1获取所述被成像物(5)的第一投影图像
步骤3.6、设置所述分析探测掩膜(3)与所述调制掩膜(2)在沿X轴向上的第五相对位移为x5;利用所述图像探测器(4)按照所述第五曝光时长t5获取所述被成像物(5)的第五投影图像关闭所述X射线源(1);
步骤4、利用逐像素高斯函数拟合法获得背景投影图像的拟合参数:
步骤4.1、定义投影图像的行数为W,列数为H;定义N1为当前行数,N2为当前列数,并初始化N1=1;
步骤4.2、初始化N2=1;
步骤4.3、利用式(1)作多参数拟合,得到像素(N1,N2)的第一拟合参数A0(N1,N2)、第二拟合参数θ0(N1,N2)、第三拟合参数S0(N1,N2)、第四拟合参数B0(N1,N2),且满足A0>0,S0>0,B0>0:
步骤4.4、将N2+1赋值给N2后,判断N2>H是否成立,若成立,则执行步骤4.5;否则,返回步骤4.3;
步骤4.5、将N1+1赋值给N1后,判断N1>W是否成立,若成立,表示背景投影图像的逐像素拟合过程结束,得到所有像素的第一拟合参数A0、第二拟合参数θ0、第三拟合参数S0、第四拟合参数B0;否则,返回步骤4.2;
步骤5、利用逐像素高斯函数拟合法获得所述被成像物(5)的投影图像的拟合参数:
步骤5.1、初始化N1=1;
步骤5.2、初始化N2=1;
步骤5.3、利用式(2)作多参数拟合,得到像素(N1,N2)的第一物体拟合参数A1(N1,N2)、第二物体拟合参数θ1(N1,N2)、第三物体拟合参数S1(N1,N2)、第四物体拟合参数B1(N1,N2),且满足A1>0,S1>0,B1>0:
步骤5.4、将N2+1赋值给N2后,,判断N2>H是否成立,若成立,则执行步骤5.5;否则,返回步骤5.3;
步骤5.5、将N1+1赋值给N1后,判断N1>W是否成立,若成立,则表示所述被成像物(5)的投影图像的逐像素拟合过程结束,得到所有像素的第一物体拟合参数A1、第二物体拟合参数θ1、第三物体拟合参数S1、第四物体拟合参数B1;否则,返回步骤5.2;
步骤6、利用式(3)逐像素提取所述被成像物(5)的吸收信号T:
T=A1/A0 (3)
步骤7、利用式(4)逐像素提取所述被成像物(5)的折射信号θR:
θR=θ1-θ0 (4)
步骤8、利用式(5)逐像素提取所述被成像物(5)的散射信号S:
以所述被成像物(5)的吸收信号T、折射信号θR、散射信号S作为所述X射线边界照明成像方法的结果。
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