基于主成分分析的圖像融合方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種融合吸收、微分相位對(duì)比度和暗場(chǎng)(散射)信號(hào)的方法，上述信號(hào)采用x射線相位對(duì)比度靈敏技術(shù)獲得，如光柵裝置。該新的方法通過主成分分析(PCA)融合吸收和暗場(chǎng)信號(hào)；進(jìn)一步地，微分相位對(duì)比度被合并至該P(yáng)CA融合圖像中，以獲得邊緣增強(qiáng)效應(yīng)。由于其普遍的可應(yīng)用性以及其在使用中的簡(jiǎn)單性，所提出的發(fā)明期望變成用于使用相位對(duì)比度成像的圖像融合方案的標(biāo)準(zhǔn)方法，特別是在醫(yī)學(xué)掃描儀(例如人體乳房x射線照相設(shè)備)、工業(yè)生產(chǎn)線上的檢查、非破壞的測(cè)試以及國土安全方面。
【專利說明】基于主成分分析的圖像融合方法
[0001]本發(fā)明涉及一種基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)和暗場(chǎng)(DFI)信號(hào)的微分相位對(duì)比度成像的主成分分析(PCA)進(jìn)行圖像融合的方法。
[0002]眾所周知，不同于傳統(tǒng)的可見光光學(xué)器件，X-射線光學(xué)器件的折射率非常接近于并且小于I。在一級(jí)近似中，對(duì)于介質(zhì)中的小的并且可忽略的各向異性，表征組織的光學(xué)性質(zhì)的折射率可用其復(fù)數(shù)形式表示為-包括X-射線吸收:
[0003]η = 1- δ -1 β ,
[0004]其中δ是折射率的實(shí)部的減量，表征相移特性，而虛部β描述了樣品的吸收特性。在傳統(tǒng)的以吸收為基礎(chǔ)的放射攝影術(shù)中，X-射線的相移信息通常不直接用于圖像重建。然而，在光子能量大于10千電子伏時(shí)并且對(duì)于輕型材料(由低-Z元素組成)來說，相移項(xiàng)扮演比衰減項(xiàng)更加重要的角色，因?yàn)棣牡湫偷厥铅碌囊磺П?。因此，與傳統(tǒng)的以吸收為基礎(chǔ)的成像相比，相位對(duì)比模態(tài)能夠產(chǎn)生明顯更大的圖像對(duì)比度。而且，遠(yuǎn)離吸收邊緣，δ與X-射線能量的平方成反比，而β隨著能量的四次方減小。這種機(jī)制的一個(gè)顯著后果是，相位信號(hào)可通過比吸收低得多的劑量的沉積來獲得，當(dāng)輻射損傷必須加以考慮時(shí)，例如在生物樣品或者生命系統(tǒng)中，這是一個(gè)非常重要的問題。
[0005]為了記錄相位信號(hào)，已經(jīng)開發(fā)了多種方法。它們可以被分為干涉測(cè)量方法(使用晶體)、相位傳播方法，基于分光晶體或者基于X-射線光柵的技術(shù)。所描述的發(fā)明在上下文中使用任何上述的技術(shù)，假定吸收、微分相位和暗場(chǎng)信號(hào)是可獲得的，因?yàn)樵跉W洲專利申請(qǐng)ΕΡ10167569和國際專利申請(qǐng)W02010/089319中提供了在光柵于涉測(cè)量法情況下的細(xì)節(jié)。
[0006]基于光柵的X-射線成像
[0007]基于光柵的X-射線成像設(shè)置可同時(shí)產(chǎn)生三種不同的信號(hào):傳統(tǒng)的吸收對(duì)比度(AC)信號(hào)，由折射引起的微分相位對(duì)比度(DPC)信號(hào)[1]，以及由樣品中雜質(zhì)上的散射引起的所謂的暗場(chǎng)圖像(DFI)對(duì)比度信號(hào)[2]。DPC圖像信號(hào)可用于通過圖像處理例程[3，4]獲得相位對(duì)比度(PC)圖像?？梢詰?yīng)用具有雙光柵(Gl和G2)或者三光柵(G0，G1和G2)的設(shè)置來記錄X射線的偏轉(zhuǎn)。
[0008]在雙光柵設(shè)置的情況下，源需要符合涉及其空間相干性的一定的要求，而在三光柵的設(shè)置中不要求空間相干性[5，6]。因此，三光柵設(shè)置適于與非相干X射線源一起使用，特別是與X-射線管一起使用。圖1示出了用于X射線成像的雙光柵設(shè)置(上圖)和三光柵設(shè)置(下圖)的現(xiàn)有技術(shù)。當(dāng)源尺寸大于P2*l/d時(shí)，GO光柵是必須的，其中p2是G2的周期，I是源和Gl之間的距離，而d是光柵Gl和G2之間的距離。
[0009]為了將傳統(tǒng)的衰減對(duì)比度(AC)與DPC和DFI對(duì)比度分離，通常應(yīng)用相位步進(jìn)的方法。光柵中的一個(gè)與入射光束橫向地位移，同時(shí)獲取多個(gè)圖像。在探測(cè)器平面內(nèi)的每個(gè)像素處的強(qiáng)度信號(hào)作為該位移的函數(shù)振動(dòng)。振動(dòng)的平均值表示衰減對(duì)比度(AC)。該振動(dòng)的相位可被直接關(guān)聯(lián)到波前相位輪廓，從而關(guān)聯(lián)到DPC信號(hào)。該振動(dòng)的振幅依賴于X-射線在目標(biāo)物中的散射，因此產(chǎn)生DFI信號(hào)。
[0010]對(duì)于(兩個(gè)或者三個(gè))光柵，一些方法已經(jīng)被提出并且應(yīng)用。光柵GO(如果需要的話)是最接近X射線源的一個(gè)。它通常由具有周期為PO的吸收線的透射光棚組成。它可被只從具有相同周期的線發(fā)出輻射的源代替。光柵Gl被放置在源的更下游。它由具有周期Pl的線組成。光柵G2是該設(shè)置中最下游的一個(gè)。它通常由具有周期為p2的吸收線的透射光柵組成。它可被具有與光柵類似的靈敏度并且具有相同周期的探測(cè)器系統(tǒng)代替。
[0011]可區(qū)分兩種類型的設(shè)置:所謂的“近場(chǎng)類型”和“塔爾博特(Talbot)類型”。在“近場(chǎng)類型”中，光柵周期P，光柵距離d以及X射線波長λ可這樣選擇，使衍射效應(yīng)可忽略不計(jì)。在這種情況下，所有的光柵需要由吸收線組成。在Talbot類型中，在光柵結(jié)構(gòu)上的衍射是顯著的。兩種類型之間的明確區(qū)分是不能很容易地給出的，因?yàn)榇_切的標(biāo)準(zhǔn)依賴于光柵結(jié)構(gòu)的占空比以及光柵是吸收還是相移。例如，對(duì)于具有吸收線和占空比為0.5的光柵，“近場(chǎng)類型”的條件為d ^ ρ2/2λ。這里Gl應(yīng)當(dāng)由光柵線組成，這些光柵線是吸收的或者優(yōu)選地是相移的。相移的幾種數(shù)量都是可能的，優(yōu)選為η/2或者其倍數(shù)。光柵周期必須與光柵之間的相對(duì)距離相匹配。在“Talbot類型”中的設(shè)置情況下，需要考慮Talbot效應(yīng)，以獲得好的對(duì)比度。用于光柵周期和距離的公式記載在[8]中。樣品大多置于Gl的GO之間(或者在雙光柵設(shè)置的情況下置于Gl的上游)，然而，將樣品置于Gl和G2之間可能是有利的[9]。
[0012]本發(fā)明與上述的所有情況都是相關(guān)的，也就是在雙光柵和三光柵情況下，在“近場(chǎng)類型”和“塔爾博特類型”情況下，以及樣品置于Gl的上游或者下游。此外，這里介紹的發(fā)明還與如在[10，11]中建議的以掃描為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)合，或者用于如[12]中建議的平面光柵幾何形狀。
[0013]對(duì)于探測(cè)器上的每個(gè)像素，如果已知在有以及沒有樣品的情況下的強(qiáng)度曲線的平均值、相位和能見度則可以計(jì)算吸收(AC)、微分相位(DPC)以及暗場(chǎng)(DFI)信號(hào)[1，2]。
[0014]因?yàn)榛诠鈻诺腦射線干涉儀記錄三種通過不同的物理量所產(chǎn)生的信號(hào)，所以產(chǎn)生的問題是如何有效地將這些信號(hào)融合到一個(gè)單個(gè)的圖像中。
[0015]因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于這樣的圖像融合的方法，以集成來自多個(gè)圖像的互補(bǔ)的以及冗余的信息 至一個(gè)單個(gè)的輸出圖像中。例如，圖像融合可以在當(dāng)今的醫(yī)學(xué)成像中起到非常重要的作用。合并后的圖像可導(dǎo)致在單個(gè)圖像中不能被明顯探測(cè)到的額外的臨床信息，并從而導(dǎo)致更準(zhǔn)確的診斷。
[0016]這些目的根據(jù)本發(fā)明通過圖像融合的方法來實(shí)現(xiàn)，其中圖像融合是基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)以及暗場(chǎng)(DFI)信號(hào)的微分對(duì)比度成像的主成分分析(PCA)，該方法包括如下步驟:
[0017]a)收集一系列的2D圖像，每個(gè)圖像包括以吸收為主的像素和/或以微分相位為主的像素和/或以暗場(chǎng)為主的信號(hào)；
[0018]b)通過對(duì)以吸收為主的像素和以微分相位為主的像素和以暗場(chǎng)為主的像素中的每一個(gè)進(jìn)行列式的像素值提取，獲得向量圖像；
[0019]c)通過主成分分析(PCA)融合以吸收為主的像素和以暗場(chǎng)為主的像素的向量圖像，以產(chǎn)生PCA融合圖像；以及
[0020]d)通過空間的空間方法、傅里葉空間方法或者其它合適的圖像融合方案，如PCA，將以微分相位為主的像素的向量圖像合并至對(duì)應(yīng)的PCA融合圖像中。
[0021]本發(fā)明因此提供一種用于圖像融合的方法，其將來自多個(gè)圖像的互補(bǔ)以及冗余的信息集成至單個(gè)輸出圖像中，合并后的圖像導(dǎo)致在單個(gè)圖像中不能被明顯探測(cè)的額外的臨床信息，并且因此導(dǎo)致更準(zhǔn)確的診斷。
[0022]該方法需要提供合適的設(shè)置。微分?jǐn)?shù)據(jù)優(yōu)選從用于X射線、特別是硬X射線的裝置獲得，該裝置用于從樣品中獲得量化的X射線圖像，該裝置包括:
[0023]a) X射線源(X射線)；
[0024]b)至少所謂的第一光柵(Gl)和第二光柵(G2)；
[0025]c)具有多個(gè)單獨(dú)像素的、具有空間調(diào)制探測(cè)靈敏度的位置靈敏的探測(cè)器(PSD)；
[0026]d)用于記錄所述探測(cè)器(PSD)的圖像的器件；
[0027]e)用于評(píng)估一系列圖像中每個(gè)像素的強(qiáng)度的器件，以便為作為以吸收為主的像素和/或以微分相位對(duì)比度為主的像素和/或以X射線散射為主的像素的每個(gè)單獨(dú)的像素識(shí)別目標(biāo)物的特征；
[0028]f)其中所述一系列圖像通過連續(xù)地或者逐步地將樣品或者所述裝置以及源相對(duì)于樣品從O旋轉(zhuǎn)至π或者2π來收集。
[0029]典型地，這些圖像通過在近場(chǎng)類型或者塔爾博特類型下操作的設(shè)置來獲得。優(yōu)選地，第一光柵是被設(shè)計(jì)成吸收光柵或者相位光柵的線光柵，所述相位光柵是低吸收光柵，但是產(chǎn)生相當(dāng)大的X射線相移，后者優(yōu)選為η或者其奇數(shù)倍。
[0030]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二光柵是具有高的X射線吸收對(duì)比度的線光柵，其周期與第一光柵的自圖像的周期相同，其中第二光柵優(yōu)選置于緊靠探測(cè)器的前方，其線平行于第一線光柵的線。
[0031]用于近場(chǎng)類型和塔爾博特類型的典型裝置在下文中給出。對(duì)于近場(chǎng)類型的操作，第一和第二光柵之間的距離在該類型內(nèi)可自由選擇，而對(duì)于塔爾博特類型可根據(jù)下式選擇:
【權(quán)利要求】
1.一種基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)和暗場(chǎng)(DFI)信號(hào)的微分相位對(duì)比度成像的主成分分析(PCA)進(jìn)行圖像融合的方法，包括如下步驟: a)收集一系列的二維圖像，每個(gè)圖像包括以吸收為主的像素和/或以微分相位為主的像素和/或以暗場(chǎng)為主的信號(hào)； b)通過對(duì)以吸收為主的像素和以微分相位為主的像素和以暗場(chǎng)為主的像素中的每一個(gè)按列進(jìn)行像素值的提取，獲得向量圖像； c)通過主成分分析(PCA)融合以吸收為主的像素和以暗場(chǎng)為主的像素的向量圖像，以產(chǎn)生PCA融合圖像；以及 d)通過空間的空間方法、傅里葉空間方法或者其它合適的圖像融合方案，例如PCA，合并以微分相位為主的像素的向量圖像至對(duì)應(yīng)的PCA融合圖像中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中微分?jǐn)?shù)據(jù)通過X射線、特別是硬X射線的裝置獲得，所述裝置用于從樣本中獲得量化的X射線圖像，該裝置包括: a)X射線源(X射線)； b)至少所謂的第一光柵(Gl)和第二光柵(G2)； c)具有多個(gè)單獨(dú)像素的、具有空間調(diào)制探測(cè)靈敏度的位置靈敏的探測(cè)器(PSD)； d)用于記錄所述探測(cè)器(PSD)的圖像的器件； e)用于評(píng)估一系列圖像中每個(gè)像素的強(qiáng)度的器件，以便為作為以吸收為主的像素和/或以微分相位對(duì)比度為主的像素和/或以X射線散射為主的像素的每個(gè)單獨(dú)的像素識(shí)別目標(biāo)物的特征； f)其中所述一系列圖像通過連續(xù)地或者逐步地將樣品或者所述裝置從O旋轉(zhuǎn)至π或者2 31以及將源相對(duì)于樣品從O旋轉(zhuǎn)至31或者2 31來收集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的方法，該方法在近場(chǎng)類型或者塔爾博特類型下操作。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其中第一光柵(Gl)是線光柵(G1)，其設(shè)計(jì)為吸收光柵或者是低吸收光柵但是產(chǎn)生相當(dāng)大的X射線相移的相位光柵，該X射線相移優(yōu)選是η或者其奇數(shù)倍。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其中第二光柵(G2)是具有高的X射線吸收對(duì)比度的線光柵，其周期與所述第一光柵(Gl)的自圖像的周期相同，其中第二光柵(G2)優(yōu)選放置在緊靠探測(cè)器(PSD)的前方，其中第二光柵的線與第一線光柵(Gl)的線平行。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求1-5中任一所述的方法，其中對(duì)于近場(chǎng)類型操作，第一和第二光柵(G1，G2)之間的距離在該類型中自由選擇，并且對(duì)于塔爾博特類型根據(jù)下式選擇:
7.根據(jù)上述權(quán)利要求1-6中任一所述的方法，其中相位步進(jìn)是通過一個(gè)光柵(G0，G1或者G2)相對(duì)于其它一個(gè)或多個(gè)光柵的機(jī)械移位來執(zhí)行的。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求1-7中任一所述的方法，其中光柵結(jié)構(gòu)根據(jù)歐洲專利申請(qǐng)10167569.2中所主張的方法，采用平面技術(shù)制造。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求1-8中任一所述的方法，其中微分相位信息根據(jù)歐洲專利申請(qǐng)10167569.2中所主張的方法獲得。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求1-9中任一所述的方法,其中第一光柵(Gl)和第二光柵(G2)之間的相位關(guān)系準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)于使用一級(jí)泰勒級(jí)數(shù)展開的強(qiáng)度曲線的值，并且微分相位信息根據(jù)國際專利申請(qǐng)W02010/089319AI中所主張的方法獲得。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求1-10中任一所述的方法，其中PCA融合圖像通過第一主成分與以下數(shù)據(jù)矩陣的乘法來計(jì)算
/ —e, = e;'.I = λ、xIAC + S2 x Idfi，
其中 ei = [S1, s2]T。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求1-11中任一所述的方法，其中PCA融合圖像通過對(duì)以吸收為主的像素和以微分相位為主的像素和以暗場(chǎng)為主的像素的向量圖像執(zhí)行PCA來產(chǎn)生。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求1-12中任一所述的方法，其中所述以微分相位為主的像素被合并到PCA融合圖像中，以通過空間的空間操作，傅里葉空間操作或者其它圖像融合方案得到邊緣增強(qiáng)效應(yīng)。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求1-13中任一所述的方法,其中一種用于將以微分相位為主的像素合并到PCA融合圖像中的空間的空間方法是通過以下公式得到
Ifuse — I_ei+ 3 X I Idpc I， 其中比例值S控制邊緣增強(qiáng)效應(yīng)有多強(qiáng)。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求1和11-14中任一所述的方法，其中吸收，微分相位對(duì)比度以及暗場(chǎng)信號(hào)通過不同于光柵的替代方法來提供。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求1-15中任一所述的方法，該方法用于在收集的二維圖像的三維重建之前或者之后，融合以吸收為主的像素、以微分相位為主的像素以及以暗場(chǎng)為主的像素。
【文檔編號(hào)】G01N23/20GK103858002SQ201280038053
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月28日
【發(fā)明者】M·斯塔帕諾尼, Z·王 申請(qǐng)人:保羅·謝勒學(xué)院