微分相襯成像中的相位恢復(fù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于獲得微分相襯成像系統(tǒng)和微分相襯成像方法的方法和設(shè)備的實施方案。方法和設(shè)備實施方案可提供正則化的相襯恢復(fù)，所述正則化的相襯恢復(fù)可致力于噪聲減少和/或邊緣增強。某些示例性實施方案可抑制在有噪聲的微分相位數(shù)據(jù)的積分過程中出現(xiàn)的條紋偽影。另外，某些示例性實施方案可使用透射圖像和/或暗場圖像來改進或復(fù)原受噪聲邊緣影響的相襯圖像。
【專利說明】微分相襯成像中的相位恢復(fù) 發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本申請一般來說涉及數(shù)字X射線成像方法/系統(tǒng)，且更明確地說涉及用于在使用相 襯成像技術(shù)采集物體的多個圖像信息（例如，醫(yī)學(xué)射線照相成像)時減少偽影和/或噪聲的 方法和/或系統(tǒng)。
[0002] 背景
[0003] 常規(guī)的醫(yī)學(xué)X射線成像裝置依賴于材料的吸收性質(zhì)以提供關(guān)于所成像物體的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)的信息。這種吸收類型的成像假設(shè)非折射X射線穿透研究中的物體。因為吸收截面的差 異而產(chǎn)生對比度。盡管在高衰減(例如，硬的)材料與弱衰減(例如，軟的)材料之間觀察到大 體上良好的對比度，但在軟組織材料之間進行區(qū)分可因為低的相對對比度而為困難的。舉 例來說，包括但不限于脈管、軟骨、肺和胸部組織的低對比度軟組織材料與高衰減骨結(jié)構(gòu)相 比提供不良對比度。軟組織成像的問題由干涉測量X射線成像裝置解決，干涉測量X射線成 像裝置利用X射線輻射的波的性質(zhì)。此類成像干涉儀集中于測量在X射線穿過所研究物體的 過程中顯現(xiàn)的折射特性。除了研究中物體的吸收圖像之外，這些成像干涉測量裝置還可提 供微分相襯圖像和暗場圖像。我們將微分相襯成像技術(shù)稱作DPCI。微分相襯圖像含有穿過 研究中物體的X射線相移性質(zhì)的信息，例如，類似于吸收成像提供材料性質(zhì)的補充知識。相 比之下，暗場圖像提供關(guān)于物體的局部散射的信息。
[0004] 作為電磁波，X射線可由其頻率、振幅和相位表征。當X射線作為電磁波穿透介質(zhì) 時，其振幅衰減且相位偏移。穿透物質(zhì)的X射線的折射性質(zhì)可用復(fù)折射率來描述：
[0005] η = 1-δ+?β,
[0006] 其中虛部β促成振幅的衰減且實部δ(折射率減量)負責(zé)相移。盡管干涉儀類型的成 像裝置可測量β和S兩項，但常規(guī)成像裝置僅可檢測β?？墒境?，δ(拉德/厘米單位）比β(1/厘 米單位)大大約1〇 3至1〇4倍。因此，復(fù)折射率的實部S提供用較高對比度對軟組織材料進行成 像的可能。
[0007] 到目前為止，已探索了幾種相襯成像(PCI)技術(shù)：1)干涉儀技術(shù)，2)衍射增強成像 (DEI)技術(shù)，和3)自由空間傳播技術(shù)。然而，存在與所有三種技術(shù)相關(guān)聯(lián)的各種實踐問題。在 晶體干涉儀和衍射計的情況下，需要高時間相干性(例如，高單色度），這因此將應(yīng)用限于同 步輻射或定義良好的單色輻射源。除了同步源要求之外，在DEI中使用多孔準直儀限制可實 現(xiàn)的空間分辨率，且增加采集時間。自由空間傳播技術(shù)的效率因為高空間相干性要求而受 限制，高空間相干性僅可從具有非常小的焦點大小的X射線源或大傳播距離獲得。
[0008] 另外，在過去十年內(nèi)已積極探索了以Talbot-Lau原理為基礎(chǔ)的基于光柵的微分相 襯干涉測量法。此類基于光柵的微分相襯干涉測量成像裝置在與部分吸收光柵G0(源光柵） 一起使用時可使用標準的寬帶X射線管，部分吸收光柵G0可產(chǎn)生部分相干的X射線輻射，且 接著可經(jīng)由干涉圖案檢測所掃描物體的折射特性，干涉圖案由相位光柵G1產(chǎn)生且通過部分 吸收光柵G2調(diào)制至成像檢測器(例如，數(shù)字射線照相(DR)檢測器)上。
[0009]上文所描述的技術(shù)中的圖像采集程序通常需要多次X射線曝光。一致地，上文所描 述的所有技術(shù)需要在每次X射線曝光時更改幾何參數(shù)中的一些。舉例來說，基于光柵的干涉 測量系統(tǒng)需要三個光柵中的一者在每次X射線曝光時相對于系統(tǒng)其余部分平移(或步進）。 此類采集技術(shù)稱作相位步進。步進(或掃描)方向通常垂直于光柵的溝槽?；诠鈻诺母缮?測量系統(tǒng)中的相位步進采集產(chǎn)生三種圖像:1)透射T圖像，2)微分相位f圖像，和3)暗場DF圖 像。透射圖像表示由檢測器在相位-步進循環(huán)內(nèi)測量的平均強度。微分相位圖像表示在相位 步進的方向上(例如，光柵的平移方向（例如，G2光柵步進的方向））在物體中發(fā)生的X射線相 移梯度。暗場圖像再現(xiàn)在相位步進期間觀察到的相對于平均信號的強度調(diào)制（或散射效應(yīng) 的作用）。
[0010] 相應(yīng)圖像中的每一者中所包括的信息彼此顯著不同。如上文所描述，與折射率減 量S成比例的穿過物體的實際相移被特定地關(guān)注，因為穿過物體的實際相移可提供較好的 軟組織對比度。為了獲得此相移信息，可沿著微分方向（例如，垂直于光柵溝槽且沿著相位 步進方向）對微分相位圖像進行積分。積分可對應(yīng)于通過譜域中的頻率進行的分頻，且因此 低頻率可顯著放大。微分相位數(shù)據(jù)中存在的噪聲將沿著積分方向放大，這可導(dǎo)致例如定向 于積分方向上的嚴重的條紋偽影。
[0011] 公開的美國專利申請2013/0156284A1，"Regularized phase retrieval in differential phase-contrast imaging" ；公開的論文"Non_linear regularized phase retrieval for unidirectional X-ray differential phase contrastradiography'， (Optics Express，19卷，25期，第25545-58頁，2011);以及公開的國際申請 W02012080125A1，"A method and a system for image integration using constrained optimization for phase contrast imaging with an arrangement ofgratings"描述了 用于通過將微分相位數(shù)據(jù)的積分過程正則化來解決條紋偽影問題的過程。這些來源描述了 垂直于微分相位的積分方向的方向上的正則化，即，一維正則化。所描述的現(xiàn)有技術(shù)的一個 缺點是在消除條紋偽影的相應(yīng)過程中，正則化也可導(dǎo)致已復(fù)原相位中的細節(jié)損失。可針對 與掃描方向?qū)实慕Y(jié)構(gòu)（例如，邊緣)和/或受噪聲嚴重影響的邊緣突出細節(jié)損失。另外，所 描述的現(xiàn)有技術(shù)的另一缺點是它們不考慮與光柵結(jié)構(gòu)的不均勻性相關(guān)聯(lián)的噪聲（例如，主 要由相位光柵G1和吸收光柵G2的不均勻性顯現(xiàn)）。
[0012]因此，仍然需要可在相位圖像復(fù)原時抑制條紋偽影而不會抑制邊緣且可處置光柵 結(jié)構(gòu)的不均勻性的相位恢復(fù)方法。 發(fā)明概要
[0013] 本申請的一方面將使醫(yī)學(xué)射線照相成像領(lǐng)域有所進步。本申請的另一方面將提供 用于數(shù)字射線照相相襯成像的方法和/或設(shè)備實施方案。
[0014] 本申請的另一方面將完全或部分地解決相關(guān)領(lǐng)域中的至少上述和其它缺陷。
[0015] 本申請的另一方面將完全或部分地提供至少本文中描述的優(yōu)點。
[0016] 本申請的另一方面將提供解決和/或減少因為使用PCI成像設(shè)備和/或使用所述設(shè) 備的方法引起的缺點的方法和/或設(shè)備。
[0017] 本申請的另一方面將提供用于基于Talbot-Lau三光柵配置進行微分相襯成像的X 射線干涉儀裝置和/或方法。本申請的另一方面將提供用于調(diào)諧的或去調(diào)的PCI醫(yī)學(xué)成像的 方法和/或設(shè)備實施方案。
[0018] 本申請的另一方面將提供用于包括但不限于醫(yī)學(xué)成像、非破壞性試驗和/或安全 (例如，國家安全)的應(yīng)用的方法和/或設(shè)備實施方案。
[0019] 本申請的另一方面將提供用于借助二維邊緣增強特征和/或二維噪聲標記進行二 維正則化方法的方法和/或設(shè)備實施方案，所述二維噪聲標記用于提取受有噪聲的微分相 襯數(shù)據(jù)影響的相位信息。
[0020] 本申請的另一方面將提供可提供噪聲減少或抑制的相襯圖像的方法和/或設(shè)備實 施方案;其中相襯圖像可由2D正則化程序借助額外的2D邊緣增強特征(例如，其中每一維度 可個別地標示)和/或作為權(quán)重應(yīng)用于正則化參數(shù)的依賴于噪聲的二維掩碼從微分相位數(shù) 據(jù)進行提取所述正則化程序具有。
[0021] 根據(jù)一個實施方案，本發(fā)明可提供一種至少部分在計算機上執(zhí)行的方法，所述方 法可包括根據(jù)基圖像恢復(fù)相襯積分圖像，所述方法包括:接收多個相關(guān)的基圖像，其中所述 基圖像中的至少一者是微分圖像;使用剩余基圖像中的至少一者和所述微分圖像重建積分 圖像；以及呈現(xiàn)所述圖像，其中所述圖像中的至少一者是所述重建的圖像。
[0022] 這些目標僅通過說明性實例給出，且這些目標可示范本發(fā)明的一個或多個實施方 案。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，由公開的發(fā)明自然地實現(xiàn)的其它期望的目標和優(yōu)點可發(fā)生 或變得顯而易見。本發(fā)明由所附權(quán)利要求書限定。
[0023] 附圖簡述
[0024] 本發(fā)明的上述以及其它目標、特征和優(yōu)點將從本發(fā)明的實施方案的以下更明確的 描述顯而易見，如附圖中所說明。
[0025] 附圖的元件相對于彼此未必按比例繪制。
[0026]圖1是示出具有寬帶X射線源、三個光柵G0、G1和G2以及X射線檢測器的示例性三光 柵PCI系統(tǒng)的示意圖的圖式。
[0027] 圖2是示出雞翅膀的重建的基圖像的實例的圖式，基圖像包括(從左到右)透射圖 像、暗場圖像和微分相位圖像。
[0028] 圖3是示出通過微分相位圖像在微分方向（例如，X方向）上的直接積分獲得的示例 性相位圖像的圖式。嚴重的水平定向的條紋偽影是由微分相位圖像中存在的噪聲導(dǎo)致的。 [0029 ]圖4是示出根據(jù)本申請的相襯成像系統(tǒng)中的相位恢復(fù)方法的示例性實施方案的流 程圖。
[0030] 圖5是示出根據(jù)本申請的實施方案的通過示例性正則化程序復(fù)原的相位圖像的實 例的圖式，所述相位圖像包括具有邊緣增強的一些圖像。
[0031] 圖6是示出兩根空心管(聚四氟乙烯和橡膠)的微分相襯成像中的噪聲的實例的圖 式。
[0032] 圖7是示出根據(jù)本申請的實施方案的已恢復(fù)的相位圖像的實例的圖式，所述相位 圖像包括具有正則項的空間加權(quán)的一些圖像。
[0033]示例性實施方案的描述
[0034]以下是本發(fā)明的示例性實施方案的描述，本發(fā)明的實例在附圖中進行說明。只要 可能，相同參考數(shù)字將在所有附圖中用以指相同或相似部分。
[0035]出于說明性目的，本文中通過主要參考本發(fā)明的示例性實施方案來描述本發(fā)明的 原理。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認識到，相同原理同樣適用于所有類型的射線照相成像 陣列、各種類型的射線照相成像設(shè)備和/或使用所述射線照相成像設(shè)備的方法，且可在所有 類型的射線照相成像陣列、各種類型的射線照相成像設(shè)備和/或使用所述射線照相成像設(shè) 備的方法中實現(xiàn)，且任何此類變化不脫離本申請的真實精神和范圍。此外，在以下描述中， 參考附圖，【附圖說明】特定示例性實施方案?？稍诓幻撾x本發(fā)明的精神和范圍的情況下對實 施方案進行電、機械、邏輯和結(jié)構(gòu)改變。另外，盡管可能已相對于若干實現(xiàn)方式/實施方案中 的僅一者公開了本發(fā)明的特征，但此特征可與其它實現(xiàn)方式/實施方案的一個或多個其它 特征結(jié)合，就如對于任何給定的或可識別的功能來說可能是需要的和/或有利的。因此，以 下描述不應(yīng)以限制性意義來考慮，而且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書和其等效物限定。
[0036] 盡管闡述本發(fā)明的廣泛范圍的數(shù)字范圍和參數(shù)是近似的，但是特定實例中所闡述 的數(shù)值是盡可能精確地報告的。然而，任何數(shù)值天生含有必然由相應(yīng)測試測量中發(fā)現(xiàn)的標 準偏差而產(chǎn)生的某些誤差。此外，本文中公開的所有范圍應(yīng)被理解為涵蓋其中包括的任何 和所有子范圍。在使用時，術(shù)語"第一"、"第二"等等未必表示任何次序或優(yōu)先關(guān)系，而是可 用于更清晰地區(qū)分一個元件或時間間隔與另一元件或時間間隔。
[0037] 本文中針對基于光柵的干涉儀裝置和/或方法描述的示例性實施方案可用于微分 相襯成像。本文中所描述的某些示例性實施方案提供用于在根據(jù)X射線微分相襯數(shù)據(jù)復(fù)原X 射線相位圖像時消除噪聲和/或抑制條紋偽影的正則化方法和/或設(shè)備。
[0038] 在本申請的描述中，與給定方向?qū)驶虬唇o定方向定向的邊緣可具有垂直于邊緣 法線的單位向量。邊緣法線是在其梯度(最大強度改變)方向上的單位向量。舉例來說，與X 方向?qū)实倪吘壴趛方向上具有最大強度改變。
[0039] 在本申請的描述中，向量F和標量維度（諸如x、y和z)例如針對2D情況 /(F) = /(.r,.y)可互換地使用。
[0040] 如本文中所描述，DPCI可由許多不同技術(shù)執(zhí)行。圖1示出以Talbot-Lau干涉測量原 理為基礎(chǔ)的基于三光柵的DPCI系統(tǒng)的示意圖。對于本文中所描述的本申請的實施方案，選 擇一種DPCI技術(shù)作為非限制性代表性實例，因為可替代地使用其它已知的或所描述的技 術(shù)。如圖1所示，基于三光柵的DPCI系統(tǒng)100可包括源光柵G0 104,源光柵G0 104可因為產(chǎn)生 個別相干的線光源陣列而允許使用大的非相干X射線源(例如，標準寬帶X射線管）1〇2,個別 相干的線光源可提供足夠的空間相干性以獲得干涉測量對比度。替代地，可使用微聚焦X射 線源或同步輻射源以代替光柵G0和大的非相干X射線源。相位光柵G1 110可作為分束器操 作且將射入的光束主要分成±1衍射級。這兩個±1衍射的光束可干涉并形成周期性干涉圖 案，所述干涉圖案按特定距離(稱作泰伯距離)重復(fù)其本身。另外，分析器光柵G2 112可放置 在此類泰伯距離中的一者處以在直接放置在G2光柵112后面的X射線檢測器D 114的平面中 調(diào)制莫耳條紋圖案。因此，源光柵G0 104可產(chǎn)生波陣面106以在撞擊相位光柵G1 110之前穿 過將成像的物體108?？舍槍ν队邦愋偷某上窈陀嬎銠C斷層掃描（CT)兩者實現(xiàn)此例示性 DPCI成像系統(tǒng)100。
[0041] DPCI系統(tǒng)100中的數(shù)據(jù)采集技術(shù)通常需要多次X射線曝光。此處可一般地描述的采 集技術(shù)中的一者稱作相位步進。相位步進采集技術(shù)涉及光柵中的一者相對于其它光柵和X 射線檢測器114進行橫向位移(例如，以步進的形式）（例如，G2光柵112沿著X軸步進)達相應(yīng) 光柵節(jié)距的一小部分。作為在移動的光柵的總節(jié)距內(nèi)的此類多個位移(例如，步進)的結(jié)果， X射線檢測器114的每一像素116可測量周期性強度曲線(例如，強度正弦或余弦曲線）。重建 方法(例如但不限于基于傅里葉的方法)利用此類強度振蕩(例如，強度曲線)來提取以下基 圖像:1)透射圖像，2)暗場(或可見度)圖像，和3)微分相位圖像。
[0042]舉例來說，對于檢測器像素（i，j)，振蕩(或強度）曲線可用傅里葉級數(shù)表示：
[0045]其中a是所調(diào)制強度的平均值，b是所調(diào)制強度的振幅，且Φ是相位。方程式1可表 示在物體存在的情況下的強度測量，而方程式2可指物體不存在的情況下的測量(例如，參 考掃描）。應(yīng)用傅里葉逆變換，可獲得以下基圖像：
[0046] 1)透射圖像：
[0052]為了獲得X射線穿過所成像物體108(例如，所關(guān)注物體）的實際相移，可沿著微分 方向?qū)ξ⒎窒辔粓D像進行積分。如果微分相位表示為⑦且實際相移表示為Φ，那么所測得 的微分相位可寫作：
[0054]其中，一般來說，選擇X作為微分方向，微分方向在所描述的相位步進技術(shù)的情況 下可與光柵步進方向一致。實際相移Φ將為方程式（1)在X上積分的結(jié)果。微分相位數(shù)據(jù)中 存在的噪聲將隨機分布的偏移引入積分中，這導(dǎo)致條紋狀偽影沿著積分方向傳播。圖2示出 雞翅膀的重建的基圖像的實例。如圖2所示，從示例性DPCI系統(tǒng)獲得雞翅膀的透射200、暗場 210和微分相位220圖像。圖3是示出通過微分相位圖像在微分方向（例如，X方向）上的直接 積分獲得的示例性相位圖像的圖式。如圖3所示，微分相位220的直接積分可產(chǎn)生受條紋偽 影嚴重影響的相位圖像300。此類水平定向的條紋偽影是由微分相位圖像220中存在的噪聲 導(dǎo)致的。條紋偽影可大大地損害相位圖像300的診斷能力。盡管所有圖像信息可受偽影嚴重 影響，但定向于X方向上(例如，條紋偽影方向上）的邊緣上的信息可特別難以復(fù)原。因此，解 決此類條紋狀偽影是重要的。
[0055]裝置和/或方法的某些示例性實施方案可用以提供用于抑制或完全去除此類條紋 狀偽影的有效手段。
[0056] 通過從許多不同視角測量微分相位，可應(yīng)用常規(guī)吸收X射線CT和/或斷層合成的原 理以產(chǎn)生相襯計算機斷層掃描(CT)體積。參考DPCI系統(tǒng)100，可通過使物體108繞著y軸旋轉(zhuǎn) 來獲得不同視角。替代地，DPCI系統(tǒng)100可安裝至臺架以圍繞(例如，完全地或180度加扇角） 物體108轉(zhuǎn)動。體積圖像重建在斷層掃描領(lǐng)域中是眾所周知的且可根據(jù)若干算法執(zhí)行，所述 算法采用在不同角度下獲得的2-D投影圖像作為輸入并提供重建的體積圖像數(shù)據(jù)作為輸 出。這些體積圖像重建方法可包括濾波反投影、迭代重建和用于結(jié)合2-D投影圖像數(shù)據(jù)的其 它類似技術(shù)。
[0057] 參考圖4,現(xiàn)在將描述示出根據(jù)本申請的實施方案的用于微分相襯成像系統(tǒng)中的 相位恢復(fù)的示例性方法的流程圖。將使用圖1所示的的示例性DPCI系統(tǒng)描述相位恢復(fù)方法； 然而，圖4的方法不旨在限于此。如圖4所示，在過程開始之后，可例如從PCI系統(tǒng)100或從存 儲文件接收PCI數(shù)據(jù)(操作方框410)?？筛鶕?jù)PCI數(shù)據(jù)重建透射、可見度/暗場和微分相位圖 像(操作方框420)?？筛鶕?jù)微分相位圖像恢復(fù)(例如，復(fù)原）相位圖像(操作方框430)。接著， 可重建相位、衰減和可見度/暗場圖像(例如，體積）（操作方框440)。另外，可向用戶顯示已 復(fù)原相位、透射、可見度/暗場和微分相位圖像(和體積）（操作方框450)。替代地，可存儲已 復(fù)原相位、透射、可見度/暗場和微分相位圖像(和體積）以用于隨后使用或遠程地傳輸所述 圖像以用于顯示、存儲、修改等等。
[0058] 現(xiàn)在將描述根據(jù)本申請的示例性實施方案的根據(jù)所測得的微分相位圖像復(fù)原相 位圖像的操作。在以下描述中，假設(shè)步進(或掃描)方向在X方向上，其與定向于y方向上的光 柵線垂直(正交）。然而，此處并不旨在限制根據(jù)本申請的實施方案。
[0059] 在根據(jù)本申請的某些示例性實施方案中，變分模型用以根據(jù)所測得的有噪聲的微 分相位圖像復(fù)原相位圖像。原理是相對于相位圖像減小或最小化能量（目標)E函數(shù)。選定實 施方案的能量函數(shù)可以是以下兩項的總和：（i)測量已復(fù)原相位與所測得的微分相位圖像 配合的良好程度的數(shù)據(jù)保真項，和（ii)對已復(fù)原相位圖像強加平滑和/或先驗知識的正則 項。
[0061] 其中Φ是已復(fù)原相位圖像，是所測得的微分相位圖像，J((i>)是正則項，/7 (>#) 是加權(quán)的數(shù)據(jù)保真項，且μ是正則化參數(shù)，其可控制正則化與數(shù)據(jù)項之間的平衡。
[0062] 用于實踐根據(jù)本申請的選定示例性實施方案的一類正則項可經(jīng)由已復(fù)原相位圖 像Φ的梯度和高階導(dǎo)數(shù)來控制平滑度;這些可包括但不限于二次方程式（Sobolev)、全變 差、Huber、廣義高斯隨機馬爾科夫場、高階導(dǎo)數(shù)，和較高階全變差正則項，諸如全廣義變差。 用于實踐根據(jù)本申請的選定示例性實施方案的第二類正則項可包括但不限于定向表示變 換，諸如小波、曲波、剪切波、脊波等。
[0063] 加權(quán)的數(shù)據(jù)保真項可基于所測得的微分相位數(shù)據(jù)的不確定性在空間上對數(shù)據(jù)項 加權(quán)。加權(quán)的數(shù)據(jù)保真項可對數(shù)據(jù)項起作用，使得具有低方差的區(qū)域使用較少平滑程度且 具有高方差的區(qū)域使用較多平滑。用于實踐根據(jù)本申請的選定示例性實施方案的加權(quán)的數(shù) 據(jù)保真項的實例可包括但不限于已復(fù)原相位Φ沿著微分方向的梯度與所測得的微分相位 識之間的差的L1和L2范數(shù)。對于一維光柵系統(tǒng)，加權(quán)的數(shù)據(jù)保真由以下式子給出：
[0065] 其中w(x，y)是所測得的數(shù)據(jù)的不確定性且p = l或2。對于基于光柵的PCI系統(tǒng)，微 分相位的方差與用以產(chǎn)生微分相位的光子的總數(shù)量和測量的可見度成反比。
[0066] 在一個實施方案中，可通過相對于Φ減小或最小化以下目標函數(shù)ΕΚΦ)來獲得相 移圖像Φ :
[0068]其中第一項對應(yīng)于全變差正則項且第二項對應(yīng)于L2數(shù)據(jù)保真項，Vf是沿著微分方 向的梯度，且▽是在X和/或y維度上施加的梯度算子。正則化參數(shù)μ控制平滑程度和條紋偽 影減少量。
[0069]盡管可在每一方向上不同地對正則化平滑程度加權(quán)，但在垂直于條紋偽影的方向 (y方向）上的平滑在去除條紋偽影方面可能比X方向上的平滑更有效。為了根據(jù)微分相位復(fù) 原條紋偽影減少的相位(或沒有條紋偽影的相位），相移恢復(fù)的正則化解在X和/或y方向上 提供平滑，同時數(shù)據(jù)項在X方向上加強邊緣。因此，X方向上的邊緣比y方向上的邊緣更可能 變模糊。
[0070] 圖5中的圖像520示出使用方程式(9)進行的雞翅膀的正則化相位恢復(fù)的小的關(guān)注 區(qū)（R0I)的結(jié)果，其中數(shù)據(jù)保真加權(quán)函數(shù)w(x，y) = l。為了比較，圖像510示出微分相位的直 接積分的結(jié)果，其受條紋偽影嚴重影響。圖像520是在沒有邊緣增強的情況下的正則化相位 恢復(fù)的結(jié)果，且圖像530和540是根據(jù)選定示例性實施方案的在實現(xiàn)邊緣增強選項的情況下 通過正則化程序復(fù)原的相位的圖像。如針對正則化的相位恢復(fù)圖像520所觀察，條紋被有效 地去除;然而與掃描方向（X方向）對準的一些邊緣沒有完全復(fù)原(見指向邊緣褪色的區(qū)域的 箭頭525)。因為從所測得的微分相位中的噪聲產(chǎn)生條紋，所以與條紋偽影方向或掃描方向 對準的邊緣可能所測得的最難以復(fù)原。
[0071] 現(xiàn)有技術(shù)的一個缺點是在消除條紋偽影的過程中，正則化也可導(dǎo)致已復(fù)原相位中 的細節(jié)損失?？舍槍εc掃描方向?qū)实慕Y(jié)構(gòu)(例如，邊緣)尤其突出此細節(jié)損失。如先前所描 述，相位步進程序產(chǎn)生三種圖像:透射、微分相位和暗場。即使所述圖像中的每一者攜載的 信息顯著不同；但這些圖像高度相關(guān)且含有可用于根據(jù)本申請的實施方案復(fù)原相位圖像的 冗余。對于某些示例性實施方案，透射和暗場圖像中含有的信息可用于使用以下目標函數(shù) 根據(jù)所測得的微分相位9復(fù)原相位圖像Φ:
[0073]其中J是相關(guān)圖像驅(qū)動的正則項，加權(quán)矩陣D是從相關(guān)圖像導(dǎo)出的，G( Φ，C)是測量 相位與相關(guān)圖像的幾何形狀的對準的幾何形狀(定向）匹配項，C是相關(guān)圖像，其隨透射和/ 或暗場圖像而變，是加權(quán)的數(shù)據(jù)保真項，且μ#Ρμ 2是加權(quán)標量。
[0074]對于某些示例性實施方案，相關(guān)圖像可用以引導(dǎo)已復(fù)原相位圖像的正則化和/或 使已復(fù)原相位圖像與相關(guān)圖像的幾何形狀對準。透射Τ、暗場DF(或可見度V)和微分相位爐圖 像是含有關(guān)于同一掃描物體的不同信息的空間相關(guān)的圖像。相關(guān)圖像(C)是從透射和/或暗 場圖像產(chǎn)生的且其強度可與相位圖像正相關(guān)和/或負相關(guān)。用于實踐本申請的實施方案的 相關(guān)圖像的一些實例包括但不限于〇 = 1'、0=1-1'、0 = -1噸(1')、0=±0?，等。
[0075]對于某些示例性實施方案，相關(guān)圖像中的幾何形狀信息可用以對已復(fù)原相位強加 類似幾何形狀。幾何形狀匹配項G( Φ，C)可測量相關(guān)與相位圖像的幾何形狀(水平集合）的 對準。用于實踐本申請的實施方案的幾何形狀匹配項的實例包括但不限于：
[0078]
div()是散度算子，且正負號取決于相關(guān)圖像與相位圖像是正相 關(guān)還是負相關(guān)。
[0079] 可處置正相關(guān)和/或負相關(guān)的幾何形狀匹配函數(shù)的實例是：
[0081] 其中是梯度向量的正切值。
[0082] 加權(quán)矩陣指定點（x，y)處的依賴于相關(guān)圖像結(jié)構(gòu)的度量，其可用以修改正則項提 供的平滑的量或量和方向兩者。加權(quán)矩陣可使用相關(guān)圖像中的邊緣信息來減少跨越邊緣的 平滑和/或鼓勵沿著相位圖像中的邊緣的平滑。用于實踐本申請的實施方案的加權(quán)矩陣的 一些實例包括但不限于：
[0087]其中g(shù)和h是邊緣指示符函數(shù)，其為嚴格遞減的正函數(shù)， I是單位矩陣，
是nc的正切值，λ是標量，且上標T是轉(zhuǎn)置。邊緣指示符函數(shù)的實例是：
[0089] 其中α和β是標量。
[0090] 在一個實施方案中，可通過相對于Φ減小或最小化以下目標函數(shù)Ε3(Φ)來獲得相 移圖像Φ :
[0092]其中d = -log(T)是透射圖像的密度，D(x，y)是2x2矩陣，其使用密度圖像中的信息 來對已復(fù)原相位的全變差加權(quán)。在這個實施方案中，假設(shè)密度與相位圖像正相關(guān)。
[0093]可通過使用梯度下降、共輒梯度和/或其它最小化技術(shù)相對于相位Φ減小或最小 化能量（目標)Ε函數(shù)來復(fù)原相位圖像。替代地，鄰近梯度方法(例如，前向后向分裂、算子分 裂)技術(shù)可用于減小或最小化能量（目標)Ε函數(shù)，其中可使用用于泊松方程式的有效技術(shù) (例如，最小化技術(shù))和原始對偶公式以獲得近似解。
[0094]圖5示出使用方程式19來復(fù)原雞翅膀的相位圖像的結(jié)果。在一個示例性實施方案 中，當包括幾何形狀匹配項且將加權(quán)矩陣D(x，y)設(shè)置為單位矩陣時，獲得相位圖像530。圖5 中的相位圖像540示出加權(quán)矩陣D(x，y)對根據(jù)另一實施方案的相位圖像的復(fù)原的影響。通 過撤回幾何形狀匹配項(yi = 〇)且設(shè)置加權(quán)矩陣
來獲得 相位圖像540。如先前所描述，因為來自條紋的高噪聲和在微分方向上缺乏邊緣信息，條紋 偽影方向或微分方向上的邊緣可能最難以復(fù)原。這個結(jié)果在相位圖像520中清楚地觀察到， 其中X方向上的邊緣不明顯（見指向邊緣褪色的區(qū)域的箭頭525)。相關(guān)驅(qū)動的正則項
和幾何形狀匹配項G( Φ，C)兩者有效地減少或去除相位圖像中的條紋偽影， 所述條紋偽影是由微分相位510的直接積分獲得的，且使用方程式9還原圖像520中模糊的 邊緣來復(fù)原相位圖像530和540。
[0095]另外，數(shù)據(jù)項可由空間相關(guān)(例如，二維)權(quán)重懲罰。對于基于光柵的PCI系統(tǒng)，微分 相位的方差與用以產(chǎn)生微分相位圖像的光子的總數(shù)量和成像系統(tǒng)設(shè)置的可見度成反比。舉 例來說，因為較強的散射過程，暗場圖像中的具有低代碼值的區(qū)域在微分相位圖像中含有 較高噪聲。此外，微分相位圖像可含有與相位(G1)和吸收(G2)光柵的不均勻性相關(guān)聯(lián)的額 外噪聲。舉例來說，微分相位圖像中的與G2光柵中的吸收材料(例如，金)的過度電鍍或電鍍 不足區(qū)域相對應(yīng)的區(qū)域?qū)⒁驗楣鈻诺拇渭压ぷ餮h(huán)而含有較高噪聲。
[0096]圖6示出兩根空心管的來自DPCI的透射610、微分相位620和暗場630圖像，一根空 心管由聚四氟乙烯制成且另一空心管由橡膠制成。與聚四氟乙烯管相比，橡膠管在暗場630 圖像中具有較低代碼值，且因此，在微分相位620圖像中具有較高噪聲。這在兩根管具有最 大材料厚度的區(qū)域周圍尤其值得注意。而且，可在暗場630和微分相位620圖像的右邊緣和 左邊緣上觀察到升高的噪聲。這是與G2光柵中的吸收材料的過度電鍍相關(guān)聯(lián)的噪聲。
[0097] 圖7示出使用空間加權(quán)的數(shù)據(jù)項以進行兩根空心管的來自DPCI的相位圖像的復(fù)原 的結(jié)果。進行非加權(quán)正則化610的相位圖像710在管的最厚部分(尤其是橡膠管中）和在圖像 的左側(cè)和右側(cè)留下最高噪聲。通過暗場圖像和開闊視野圖像的方差對數(shù)據(jù)項加權(quán)產(chǎn)生相位 圖像720,相位圖像720可降低橡膠管的已復(fù)原相位中的噪聲和/或降低圖像左側(cè)和右側(cè)的 噪聲。
[0098] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識到，在根據(jù)本申請的實施方案根據(jù)所測得的微分相位復(fù)原 相位圖像的過程中，也可替代于透射圖像或與透射圖像一起使用暗場圖像中含有的信息。 本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識到，使用矩陣和向量記法的離散表示可替代于本申請中使用的連續(xù) 表示而使用以描述本文中的示例性實施方案。另外，按照一維（1D)光柵系統(tǒng)描述某些示例 性實施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識到，實施方案可延伸至二維(2D)光柵系統(tǒng)，其中對數(shù)據(jù) 項進行適當修改
[0100]其中是X和y方向上的梯度，爐*和h是在X和y方向上的所測得的微分相位， 且wx和wy是加權(quán)函數(shù)且p=l或2。
[0101]另外，盡管已按照2D圖像描述根據(jù)本申請的某些示例性實施方案，但本領(lǐng)域技術(shù) 人員可意識到，本文中的實施方案可延伸至N維圖像，例如3D體積。
[0102]本文中的示例性實施方案可適用于使用像素陣列的數(shù)字射線照相成像面板，所述 成像面板包括使用X射線吸收光電導(dǎo)體和讀出電路的直接檢測器或使用單獨的閃爍屏幕、 光電檢測器和讀出電路的間接檢測器。
[0103]應(yīng)注意，盡管本描述和實例主要涉及人類或其他對象的射線照相醫(yī)學(xué)成像，但是 本申請的設(shè)備和方法的實施方案也可適用于其它射線照相成像應(yīng)用。此包括諸如非破壞性 試驗(NDT)等應(yīng)用，可獲得用于NDT的射線照相圖像且對射線照相圖像提供不同的處理以便 強調(diào)成像的對象的不同特征。
[0104] 本文中描述的射線照相成像系統(tǒng)和/方法的實施方案涵蓋關(guān)于用于實現(xiàn)其操作的 任何計算機可讀媒體的方法和程序產(chǎn)品。某些示例性實施方案可相應(yīng)地使用現(xiàn)有計算機處 理器，或由出于此目的或另一目的而并入的專用計算機處理器或由硬連線系統(tǒng)實現(xiàn)。
[0105] 根據(jù)示例性實施方案，可使用存儲有指令的計算機程序，指令對從電子存儲器存 取的圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行。如圖像處理領(lǐng)域的技術(shù)人員可了解，實現(xiàn)本文中的實施方案的計算機 程序可由合適的通用計算機系統(tǒng)(例如，個人計算機或工作站)利用。然而，許多其它類型的 計算機系統(tǒng)可用以執(zhí)行實現(xiàn)實施方案的計算機程序，包括聯(lián)網(wǎng)處理器。用于執(zhí)行方法實施 方案或設(shè)備實施方案的計算機程序可存儲在各種已知的計算機可讀存儲媒體(例如，磁盤、 磁帶、固態(tài)電子存儲裝置或用以存儲計算機程序的任何其它物理裝置或媒體）中，所述計算 機可讀存儲媒體可通過因特網(wǎng)或其它通信媒體直接或間接連接到圖像處理器。本領(lǐng)域技術(shù) 人員將容易認識到，此計算機程序產(chǎn)品的等效物也可在硬件中建構(gòu)。計算機可存取的存儲 裝置或存儲器可以是易失性的、非易失性的或易失性和非易失性類型的混合組合。
[0106] 應(yīng)理解，實現(xiàn)本申請的實施方案的計算機程序產(chǎn)品可使用眾所周知的各種圖像操 縱算法和程序。應(yīng)進一步理解，實現(xiàn)本申請的實施方案的計算機程序產(chǎn)品可實施本文中未 特定示出或描述的對于實現(xiàn)方式有用的算法和程序。此類算法和程序可包括在圖像處理領(lǐng) 域的一般技術(shù)內(nèi)的常規(guī)設(shè)施。此類算法和系統(tǒng)的額外方面，以及用于產(chǎn)生和另外處理圖像 或與實現(xiàn)本申請的實施方案的計算機程序產(chǎn)品合作的硬件和/或軟件在本文中未特定示出 或描述，且可從本領(lǐng)域中已知的此類算法、系統(tǒng)、硬件、組件和元件中選擇。
[0107] 盡管已相對于一個或多個實現(xiàn)方式說明了本發(fā)明，但可在不脫離所附權(quán)利要求書 的精神和范圍的情況下對所說明的實例進行變化和/或修改。術(shù)語"中的至少一者"用以指 列出的項目中的一個或多個可被選擇。術(shù)語"大約"指示列出的值可稍微變化，只要所述變 化不會導(dǎo)致過程或結(jié)構(gòu)與所說明的實施方案不一致。最后，"示例性"指示描述用作實例，而 不是暗示其是理想的。通過考慮本文中公開的本發(fā)明的說明書和實踐，本發(fā)明的其它實施 方案對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將為顯而易見的。旨在僅將說明書和實例看作示例性的。本 發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書指示，且在所附權(quán)利要求書的等效物的含義和范圍內(nèi)的所有 改變都旨在包括在本發(fā)明的范圍中。
【主權(quán)項】
1. 一種由微分圖像重建積分圖像的方法，其包括： a) 接收多個相關(guān)圖像，其中所述圖像中的至少一者是微分圖像； b) 使用剩余圖像中的至少一者和所述微分圖像重建積分圖像；以及 c) 呈現(xiàn)所述圖像，其中所述圖像中的至少一者是所述重建的積分圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述微分圖像是一維的，其中所述微分圖像是二維 的或所述微分圖像是N維的。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過確定能減小能量函數(shù)的圖像來實現(xiàn)所述重建 積分圖像，所述能量函數(shù)包括以下各項： i) 正則項，其中通過所述相關(guān)圖像中的至少一者來調(diào)制已復(fù)原的積分圖像的梯度和/ 或高階導(dǎo)數(shù);以及 ii) 幾何形狀匹配項，其使所述已復(fù)原的積分圖像與所述相關(guān)圖像中的至少一者的幾 何形狀對準； 且其中所述重建積分圖像受制于數(shù)據(jù)保真度約束。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過確定能減小能量函數(shù)的圖像來實現(xiàn)所述重建 積分圖像，所述能量函數(shù)包括以下各項： i) 正則項，其中通過所述相關(guān)圖像中的至少一者來調(diào)制已復(fù)原的積分圖像的梯度和/ 或高階導(dǎo)數(shù)； 或 ii) 幾何形狀匹配項，其使所述已復(fù)原的積分圖像與所述相關(guān)圖像中的至少一者的幾 何形狀對準； 且其中所述重建積分圖像受制于數(shù)據(jù)保真度約束。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述微分圖像中的至少一者的數(shù)據(jù)保真項由以下 式子給出：其中七(，)是加權(quán)函數(shù)，ζ是對應(yīng)于可在1維、2維……Ν維之間變化的微分維度的指數(shù)， Φ是所述已復(fù)原的積分圖像，外是所測得的微分圖像，且Ρ =域2。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述加權(quán)函數(shù)與所測得的微分圖像或所測得的微 分數(shù)據(jù)的不確定性相關(guān)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所測得的微分圖像的所述不確定性至少包括所述 所測得的微分圖像的方差。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述正則項由以下式子給出：其中Ψ是正則化函數(shù)且D是從所述相關(guān)圖像中的至少一者導(dǎo)出的呈矩陣形式的加權(quán)函 數(shù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述正則項Ψ包括二次函數(shù)、全變差函數(shù)、Huber函 數(shù)、廣義高斯隨機馬爾科夫場中的一者。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中從來自所述相關(guān)圖像(C)中的至少一者的邊緣信 息導(dǎo)出矩陣D，所述矩陣D由以下式子中的一者給出： D = diag(g2(VxC) ,h2(VyC)), D = diag(g2(VC)), D = g(VC)(▽丄C· (▽丄〇τ+λΙ),VC 其中g(shù)和h是嚴格遞減的正函數(shù)，nc=胃，I是單位矩陣，λ是標量，11〗是nc的正切值， V1是梯度向量的正切值，且上標T是轉(zhuǎn)置。11. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述幾何形狀匹配項由以下式子中的一者給出：12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從微分相襯成像系統(tǒng)獲得所述多個相關(guān)圖像。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述多個相關(guān)圖像對應(yīng)于微分相位、透射和暗場 圖像。14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述相關(guān)圖像隨透射圖像T和暗場圖像DF而變， 所述相關(guān)圖像由以下各項中的一者給出< =1'、0=1-1'、0 = -1(^(1')、0=±0卩。15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在物體周圍的多個不同視角下獲得所述相關(guān)圖 像， 其中所積分的微分相位圖像包括在所述多個不同視角中的每一者下的積分圖像。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中使用體積圖像重建方法來從所述多個所積分的 微分相位圖像創(chuàng)建相位體積。17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中對X射線相襯成像系統(tǒng)進行配置以使用計算機可 讀媒體，用于相襯成像中的正則化相位恢復(fù)的計算機程序存儲在所述計算機可讀媒體中， 所述計算機程序在由處理器執(zhí)行時適合于實施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法。18. -種由基圖像恢復(fù)相襯積分圖像的方法，其包括： a) 接收多個相關(guān)基圖像，其中所述基圖像中的至少一者是微分圖像； b) 使用剩余基圖像中的至少一者和所述微分圖像重建積分圖像；以及 c) 呈現(xiàn)所述圖像，其中所述圖像中的至少一者是所述重建圖像。
【文檔編號】G06T11/00GK105874509SQ201480071794
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月18日
【發(fā)明人】P.巴圖林, R.A.西蒙
【申請人】卡爾斯特里姆保健公司