[发明专利]一种面向非理想相衬成像系统的频域正则化相位抽取方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程及医学影像学领域，涉及一种面向非理想相衬成像系统的频域正则化相位抽取方法。

背景技术

乳腺癌是当前妇女第一大“杀手”，据2015年最新统计数据，全世界乳腺癌患者人数和死亡人数在2012年分别增加至170万和52万，各占所有女性癌症病例的25％和癌症死亡数的15％[2]。我国人口众多，近年来乳腺癌患病率呈明显上升趋势，乳腺癌的诊治已经成为日益沉重并亟需解决的社会问题，而实现其早期诊断是解决这一社会问题、提高患者生存率和生活质量的关键。

当前乳腺常规检查的主要手段为钼(铑)靶X射线乳房成像术，然而长期临床实践表明，该技术在灵敏度，特异性，安全性和舒适性等方面均存在重大缺欠：一方面该技术存在高达10-15％的漏检率；另一方面由该技术诊断为阳性而最终的活检确诊率为25-29％。尤其严重的是，由于年轻女性的乳房过于致密，导致诊断准确性严重降低。

直到上世纪末，X射线相位衬度成像理论(X-ray phase contrast imaging,XPCI)的提出，打破了传统的X射线成像理念，为实现理想的早期乳腺癌解剖成像诊断技术带来了新的曙光。研究表明，在相同辐射剂量下，相衬成像的衬度分辨率较之传统X线吸收衬度成像提高10倍左右，显著提高了软组织成像的图像可见度。在当前可用的X射线相衬成像技术中，类同轴相衬成像技术由于不需要引入额外的光学装置，成像光路设计相对简单稳定，被认为是当前条件下最适合实现临床医学应用转化的显微成像技术之一。

在类同轴相衬成像测量中，入射的X射线经过物体后，波面发生畸变，当畸变后的波面在继续传播到一定距离后，将和未发生畸变的波面重叠而发生干涉效应。这样，X光通过薄层弱吸收弱相移样本后，经过一定距离的自由传播，就能将相位改变信息转化成经调制后的强度信息通过像平面显示出来。类同轴相衬成像采用的采用菲涅耳近场衍射的系统参数设置，此时在像面上获得的衍射强度分布正比于相位改变量的Laplacian变换，并非直接反映的相位改变二维分布，所以要通过数学方法从得到的光强信息中获取相位分布信息，这种由强度测量来恢复物体相位信息问题的逆过程就是相位抽取。到目前为止，已经有很多学者开展了理想情况下类同轴相衬成像的相位抽取研究，取得了有价值的成果。

但迄今为止，X射线类同轴相衬成像在乳腺癌临床诊断上仍没有得到应用，大部分的研究是基于同步辐射源的类同轴相衬成像展开的，同步辐射源投资巨大，占地面积巨大，不利于临床应用推广。而实际工程可行的基于微焦点源的X射线相衬成像系统，由于其系统非理想性，相衬成像与理论结果存在差异，导致最终相位抽取结果并没有达到预期的结果。目前采用的各类类同轴相衬成像的相位抽取模型是建立在理想的成像系统和成像过程上，而对于实际系统中的引起成像质量恶化的因素没有充分考虑，更没有采取措施对成像结果中的恶化效应进行排除。虽然通过采用高亮度微焦斑X射线源以及高量子检测效率探测器可望在较大程度上改善上述问题，但在目前条件下，高性能X射线源及探测器尚处于研发阶段，即使这些设备得到了应用，成像质量恶化因素仍然无法完全排除。另外，如果引入高性能设备，势必造成系统成本提高，导致类同轴相衬成像的推广普及优势的极大削弱。

因此，当前制约同轴相衬成像技术在临床推广应用的关键问题主要体现在成像系统方面，图像系统自身存在着缺陷，比如X光源并非理想点源，探测器性能受到自身分辨率及点扩散函数等因素的限制，系统存在各类有害噪声等。

由于基于微焦点源的类同轴相衬成像是更适合实现临床推广应用的成像技术，因此，针对该成像技术实现相位信息抽取的准确度，获取表征物体内部结构信息的相位图像具有显著的研究和应用价值。传统的相位抽取方法，通过对相衬成像的空间域模型进行近似，以此获取相位的解析解，这种方法在高质量成像情况下可以获得有效的相位信息，但是对于存在缺陷的成像系统，这种基于空间域理想模型的相位抽取方法往往不能准确获取相位信息。

发明内容

本发明的主旨是提供一种能够保证非理想成像系统下准确获取被成像物体的相位信息的频域正则化相位抽取方法，本发明从频域空间出发，结合正则化方法，并通过迭代方法逼近真实的相位信息。技术方案如下：

一种面向非理想相衬成像系统的频域正则化相位抽取方法，包括下列步骤：

①设置X射线类同轴相衬成像参数和数字放射成像系统的曝光参数，在待成像的物平面位置放置刀口器具，采集获得刀口图像，从图像中获取不同位置的刀口截面曲线，将刀口截面曲线进行平均得到平均曲线，再对平均曲线求导数，获得对应的表征系统特性的线扩散函数；