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《天津大学》 2010年
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X光同轴相衬成像原理的模拟与实验研究

龚绍润  
【摘要】:与基于强度衰减的传统X光成像技术相比,X光相衬成像技术在对软组织进行成像时具有低辐射量,高可见度等优点,因而在过去十年间引起了研究者的广泛重视并得到了迅速发展。 本研究中讨论的微焦点源同轴相衬成像方法由于其对于光源限制较小且无需在光路中附加光学器件,因此被视为最具临床应用前景的相衬成像方法。本论文包括以下三方面内容,首先,采用刀口法定量评估相衬成像系统的成像质量;其次,建立数值模拟模型来指导实验室成像系统下各物理参数的最优化配置;最后,采用维纳滤波法来提高相衬成像中干涉条纹对的可见度。 实验室构建了基于微焦点源的同轴相衬成像系统,为定量评估该成像系统下成像质量,本文中采用刀口法测量了该系统的调制传递函数。为修正因刀口加工精度和探测器上各像素点响应差异引入的测量误差,文中在对边缘响应曲线采用了分段指数拟合后,又对线扩散函数采用了拖尾截断和指数沿拓。刀口法所获系统调制传递函数与线对卡的离散结果非常接近,说明使用文中刀口法能够有效地测量系统的调制传递函数。 为获得最佳的相衬成像结果,需要建立一套准确可靠的数值模拟工具来指导相衬成像系统下各物理参数的最优化配置。本文中数值模拟工具基于菲涅耳-基尔霍夫衍射积分,综合考虑了点源到样本距离、样本到探测器距离、微焦点源尺寸、复色光频谱分布、荧光屏的点扩散函数及探测器上像素点大小对相衬成像结果的影响。数值模拟模型下获得的强度剖面图与相同物理参数配置下实验结果较吻合,验证了该数值模拟模型的正确性和有效性。 实际相衬成像结果因受到系统噪声、总的点扩散函数和空间采样率的影响,导致相衬成像下干涉条纹对可见度低。该章中首先通过数值模拟的方法验证了采用维纳滤波器来提高相衬图像可见度的可行性,随后采用维纳滤波器处理了一维情况下的实验数据,结果显示该滤波方法有效地提高了干涉条纹对的信噪比,增强了相衬成像结果的可见度。
【关键词】:同轴相衬成像 调制传递函数 刀口法 点扩散函数 可见度
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP391.41
【目录】:
  • 中文摘要3-4
  • ABSTRACT4-8
  • 第一章 引言8-18
  • 1.1 X 光相衬成像应用背景8-15
  • 1.1.1 干涉仪成像法10-12
  • 1.1.2 衍射增强成像法12-13
  • 1.1.3 同轴相衬成像法13-14
  • 1.1.4 基于编码孔径的同轴相衬成像法14-15
  • 1.2 本论文的主要研究内容及结构安排15-18
  • 第二章 同轴相衬成像的物理光学理论模型18-32
  • 2.1 样本的数值模拟模型18-21
  • 2.2 同轴相衬成像系统数值模拟模型21-27
  • 2.2.1 光源的空间相干性21-22
  • 2.2.2 惠更斯-菲涅耳原理22-24
  • 2.2.3 菲涅耳-基尔霍夫衍射积分24-27
  • 2.3 微焦点源下同轴相衬成像中菲涅耳-基尔霍夫衍射积分27-31
  • 2.4 本章小结31-32
  • 第三章 微焦点源同轴相衬成像实验系统32-51
  • 3.1 微焦点源同轴相衬成像实验系统34-38
  • 3.1.1 成像系统介绍34-35
  • 3.1.2 微焦点源尺寸35-36
  • 3.1.3 成像系统点扩散函数36-38
  • 3.2 相衬成像系统成像质量的定量评估38-49
  • 3.2.1 刀口法测量系统MTF39-40
  • 3.2.2 采样率及噪声对系统MTF 影响40-43
  • 3.2.3 实验准备43-45
  • 3.2.4 实验结果分析及讨论45-49
  • 3.3 本章小结49-51
  • 第四章 同轴相衬成像的数值模拟及实验验证51-72
  • 4.1 同轴相衬成像下各物理参数对干涉条纹对的影响54-68
  • 4.1.1 理想点源下改变距离对干涉条纹对对比度的影响55-60
  • 4.1.2 微焦点源大小对干涉条纹对对比度的影响60-63
  • 4.1.3 光源非单色性对干涉条纹对对比度的影响63-66
  • 4.1.4 成像系统点扩散函数与像素点大小对干涉条纹对对比度的影响66-68
  • 4.2 数值模拟结果与实验结果的比对68-70
  • 4.3 本章小结70-72
  • 第五章 提高同轴相衬成像中干涉条纹可见度的维纳滤波法72-86
  • 5.1 噪声模型73-78
  • 5.1.1 噪声概率密度函数73-76
  • 5.1.2 相衬成像系统下噪声分析76-78
  • 5.2 常用的滤波降噪方法78-80
  • 5.3 维纳滤波法验证80-85
  • 5.3.1 数值模拟验证80-83
  • 5.3.2 实验验证83-85
  • 5.4 本章小结85-86
  • 第六章 总结与展望86-90
  • 6.1 本论文的主要研究工作及结论86-88
  • 6.2 本课题完成的主要创新性工作88-89
  • 6.3 今后工作的展望89-90
  • 参考文献90-98
  • 发表论文和科研情况说明98-100
  • 致谢100

【参考文献】
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