[发明专利]一种基于衬度间增强的低剂量X射线差分相位衬度成像方法

说明书

本发明一种基于衬度间增强的低剂量X射线差分相位衬度成像方法，包括：获取低剂量条件下光栅差分相衬成像的多衬度断层图像；构建卷积神经网络模型；训练卷积神经网络模型；使用已训练的卷积神经网络对低剂量多衬度断层图像进行恢复，能够有效减少样品所受的辐射剂量，提升X射线光栅差分相衬成像的应用潜力；利用卷积神经网络实现各衬度间结构互补，采用解析精度较高的衬度图像为解析精度较差的衬度图像提供结构先验，能够对受低剂量影响较大的衬度图像进行有效增强，提高最终的成像质量；直接采用降低管电流方式获取低剂量投影并完成高精度X射线相位衬度成像，有效地降低了辐射剂量，并显著提高了受噪声波动较大的衬度图像的质量。

技术领域

本发明实施例涉及深度学习及X射线差分相位衬度成像技术领域，尤其涉及一种基于衬度间增强的低剂量X射线差分相位衬度成像方法。

背景技术

相比传统吸收衬度成像技术，X射线差分相位衬度成像能够在对生物组织等轻元素物质的成像方面获得更高的成像对比度。在现有X射线光栅差分相位衬度成像装置中，普通X射线源产生的X射线通过源光栅G0产生相干X射线，经过相位光栅G1并自由传播一定的距离后，穿过吸收光栅G2，最终被吸收光栅G2后面的探测器接收。由于探测器不能够直接得到X射线的相位变化，因此通常需要横向移动吸收光栅G2微米级的距离若干次(通常需要4-8次的移动)，并对采集的二维投影图像进行解析得到差分相位衬度信号，之后对解析得到的差分相位衬度信号进行重建。该过程显著加大了成像过程中的辐射剂量、极大降低了成像的效率。

降低管电流是最简单易行的低剂量措施，但是低剂量会影响衬度信号的质量。此外，低剂量扫描条件下光栅差分相衬成像中所解析出的各衬度图像受量子噪声的影响不同，其中某些受噪声影响程度较大的图像结构会出现严重的结构失真，而受影响较小的衬度则能够保持较为完整的结构细节。由于各衬度图像实际上是同一样品结构在不同形式下的反映，因而各衬度图像的结构细节可以达成互补。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种衬度间增强的低剂量X射线差分相位衬度成像方法，通过降低管电流或者减少曝光时间实现透照过程中射线辐射剂量的减少；同时，利用深度学习技术使多衬度图像的结构细节通过互补的形式提升衬度信号的细节完整性，保证低剂量条件下差分相位衬度重建的质量，使之满足高质高效的工业无损检测需求。

本发明技术解决方案：一种基于衬度间增强的低剂量X射线差分相位衬度成像方法，包括以下步骤：

步骤1、使用基于Talbot-Lau效应的X射线光栅差分相位衬度成像装置获取样品的低剂量步进投影序列，所述低剂量是指通过降低管电流或曝光时间实现射线辐射剂量的降低，所述步进投影序列是由于光栅差分相衬成像装置的衬度信号解析需要在吸收光栅的多个步进位置采集图像，所述低剂量条件会使投影序列产生量子噪声；

步骤2、解析上述步进投影序列，得到样品的多衬度投影信号，所述信号解析算法采用傅里叶解析法，所述多衬度投影信号包含样品的吸收衬度、相位衬度及暗场衬度信号；

步骤3、对所述多衬度投影信号进行CT重建，获取样品的低剂量多衬度图像，所述重建算法为滤波反投影(Filter Projection,FBP)重建算法，所述低剂量多衬度图像中，低剂量条件对吸收衬度图像的影响远小于相位和暗场衬度；

步骤4、利用基于衬度间增强的卷积神经网络对上述低剂量多衬度图像进行处理，得到降噪后的优化多衬度图像；所述优化多衬度图像是由于衬度间增强的卷积神经网络模型，将光栅差分相称所得到的多衬度图像同时输入卷积神经网络模型，利用卷积核操作的特性进行衬度间的信息融合，实现了各衬度图像间的结构互补，即本发明的创新点。

进一步地，步骤1所述的低剂量成像采用降低光电流或曝光时间方式实现，该方法简单易行，无需对现有成像装置进行改动，可扩展性强，能够有效地降低辐射剂量；

进一步地，步骤2所述的X射线光栅差分相位衬度成像装置获取样品的步进投影序列，其获取方法如下所示：