[发明专利]一种面向非理想同轴相衬成像的多材料相位抽取方法

说明书

本发明涉及一种面向非理想成像系统的多材料相位抽取方法，包括下列步骤：X射线同轴相衬成像参数设置；获得对应的系统点扩散函数；骨组织仿体构建；将骨组织仿体放置于物体平面位置，对其成像；分拨额获取材料“2”“3”“4”小圆柱体的投影厚度；获取骨组织仿体的外部包裹材料“1”的投影厚度；获得骨组织仿体整体的相位信息图像

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同轴相衬成像的多材料相位抽取方法。

背景技术

骨关节炎是一种退行性关节疾病，其侵害人体关节软骨、骨及周围软组织，严重影响人的活动能力。骨关节炎发病率高，目前世界范围内，60-75岁人群的发病率高于50％，75岁以上人群发病率高达80％，且发病年龄出现逐渐年轻化的趋势。随世界范围内人口老龄化的加剧，与骨关节炎相关的医疗问题及因劳动力损失带来的社会生产力的损失急剧增加，骨关节炎对患者生活质量及社会公共卫生事业的影响已成为不容忽视的问题。统计资料显示，中国骨关节炎患者已超过5000万，随着我国逐步进入老龄化社会，预计未来将会出现更大的发病人群。有效的预防和治疗骨关节炎已成为亟待解决的社会问题，而实现其早期诊断是解决这一问题的重要途径之一。

常规X射线摄影方法是当前骨关节炎诊断的主要方法，该成像方法通过组织体对透射X射线的衰减而形成吸收对比度。这种对比度机制对于骨类强吸收组织体或密度有显著差异的组织体是有效的，而对于软组织及骨关节炎早期密度变化并不显著的关节软骨，由于这些组织缺乏足够的吸收对比度，该成像方法不能对它们有效成像。因此，这种X射线摄影方法只有在骨关节炎症晚期，当关节间隙变窄、关节软骨明显损失时才能有效诊断。而对于骨关节炎早期特征，如关节软骨变性、周围软组织密度变化等，该方法并不能达到有效诊断。这种常规X射线摄影方法不适合早期骨关节炎的评估。

直到上世纪末，科学家发现，轻元素物质(软组织特征元素)引起的X射线相位改变的幅度是其对X射线吸收值的一千倍到一万倍，基于相位变化的X射线相位衬度成像理论(X-ray phase contrast imaging,XPCI)因此被提出。其打破了传统的基于吸收衬度的X射线成像理念，解决了传统射线照相法对于弱吸收材料难以有效成像的不足，可以提高对病变早期的关节软骨及周围软组织成像的图像可见度，有望实现理想的早期骨关节炎症的诊断。相关研究表明，在当前可用的X射线相衬成像技术中，只有同轴相衬成像技术在先期临床实验中达到了临床应用水平，且由于该技术不需要引入额外的光学元件，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。

在同轴相衬成像的过程中，当入射的空间相干X射线传播到物体时,波面发生畸变,畸变的波面经过物体后继续传播一定的距离，将和未发生畸变的波面发生干涉效应,从而将相位信息转化成强度调制,在像面上以可观察的强度变化显示出来。此时在像面上获得的强度分布正比于相位改变量的拉普拉斯变换，且在X射线的传播过程中，由于物体的吸收及衍射等会产生干扰因素，因此该强度分布并不能直接反映相位改变量的二维分布。为了将物体的相位信息从所获得的强度分布中恢复出来，需要进行相位抽取。目前，已有很多学者对基于同轴相衬成像的相位抽取进行了深入细致的研究，并取得了有价值的研究成果。

但迄今为止，X射线同轴相衬成像在骨关节炎诊断上仍没有得到应用：大部分学者都是对基于弱吸收物质(软组织)建立的近似模型展开的研究，而由于骨关节中不仅包含关节软骨及其他软组织，同时还包含对X射线有较大吸收的骨组织，因此这种研究模型不适用于骨关节组织。此外，在实际成像过程中，X光源的尺寸、空间相干性以及探测器的性能都会对相衬成像效果产生直接影响，这些光学装置会在成像系统中带来不可避免的缺陷，而目前采用的各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，对于实际系统中会引起成像质量恶化的因素没有充分考虑。虽然现在部分研究人员通过采用同步辐射源可以极大的改善X光源对成像的影响，但是该辐射源装置复杂，应用成本较高，不适用于常规检测。