基于微焦点X射线源的类同轴相位衬度成像理论研究

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    X射线相位衬度成像（X-ray phase contrast imaging, XPCI）利用相位移动反映物质内部电子密度变化，从而揭示物体内部结构。对于弱吸收物体而言，相比传统X射线吸收成像，XPCI能够提供更高的图像衬度，故非常适合软组织和复合材料等低原子序数材料的成像应用。作为一类新型的成像方法，XPCI在成像机制和工程实现技术方面尚不完善。    根据成像原理和所用光源的不同，现已形成多种XPCI技术。由于解决了工程可行光源的题目，基于微焦点X射线源的类同轴XPCI（in-line XPCI）技术具有更大的工程实际应用前景。因此，本论文从物理成像机制和工程实现技术角度出发，深入研究了微焦点X射线源in-line XPCI的两个方向：投影成像和层析成像。论文所作研究工作及取得的成果概括如下：   （1）投影成像的成像机理和工程实现技术。     在成像机理方面，首先从复折射率系数出发，阐述了相位衬度成像技术及其特点；然后，基于基尔霍夫光学衍射公式，系统分析了电磁波近场菲涅尔旁轴衍射成像理论；并据此，推导了平行X光源和点X光源等相干光条件下的相位成像衬度调制公式；再借助互强度传播理论，推导了近似点X光源部分相干光条件下的调制公式；以此为基础，讨论了光源焦点尺寸、成像几何参数、管电压和光源能谱等参数对相位衬度的调制，形成了微焦点X射线源类同轴相位衬度投影成像的理论基础。    在工程实现技术方面，首先讨论了探测器分辨率和动态范围对成像衬度的影响，完成了计算机仿真分析；然后，分析了样品厚度与结构对相衬成像的影响，得到了物体厚度与成像衬度的变化关系，给出了物体边缘结构斜率变化和边缘增强效果的关系，讨论了相衬成像对物体相位分布误差的定量要求；最后，基于X 光与物质的相互作用过程，提出了使用瑞利散射-光电效应概率比和加权的瑞利散射-光电效应概率比对成像性能进行分析的方法。   （2）层析成像重建算法。     层析成像以多角度的投影成像数据集为基础，根据一定的重建方法恢复物体三维空间结构，可克服投影成像存在的空间结构重叠题目。为此，开展了层析成像重建算法研究。针对圆轨道锥束扫描微焦点X射线源类同轴相位衬度层析成像，从Radon变换对和投影成像调制模型出发，基于小锥角FDK近似原理，推导了一种解析重建方法，并对其进行了扩展，使其可满足系统硬件在三种不同几何约束下的重建要求，完成了数值仿真分析和实验验证。    针对稀疏圆轨道扫描微焦点X射线源类同轴相位衬度层析成像，讨论了一种基于代数迭代的重建方法；并针对迭代重建的时间复杂度和空间复杂度较高的题目，给出了降维近似重建和分辨率逐次递增重建两种算法，完成了数值仿真分析和实验验证。