硬X射线微分相衬成像的噪声特性分析冰.PDFVIP

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．16(2014) 168702 硬X射线微分相衬成像的噪声特性分析冰 黄建衡 杜杨 雷耀虎 刘鑫 郭金川 牛憨笨t (深圳大学光电工程学院，光电子器件与系统教育部重点实验室，广东省光电子器件与系统重点实验室，深圳 518060) (2014年4月13日收到；2014年5月20日收到修改稿) 量子噪声引起光强随机波动是影响x射线相衬 图像质量的一个重要因素．提出了一种针对硬X射线微 分相衬成像噪声特性的分析方法，通过数值模拟获得了量子噪声对成像结果的作用规律．模拟结果表 明，折 射像和散射像的噪声均方差与叠栅条纹对比度成反比关系，叠栅条纹对比度越大，统计所得的均方差值越小． 在保证X射线探测效率的前提下，提高叠栅条纹对比度将有利于获得高质量的相衬图像，并为有效减少X射 线曝光剂量提供条件． 关键词：X射线光学，光栅相衬成像，量子噪声，叠栅条纹对 比度 PACS：87．59．_e，87．64．mh，42．50．Lc，42．30．Ms DOI：10．7498／aps．63．168702 空间相干长度都要在微米量级以上，因此，目前只 1 引 言 能在同步辐射源上进行实验．另外，它们对机械稳 定性的要求非常苛刻．自由空间传播法克服了上述 X射线吸收成像已成为医疗诊断中一个不可 两种方法对光源时间相干性的严格要求，己实现了 或缺的标准工具，并越来越多地应用在其他研究领 带宽大于10％ 的宽谱成像，但对空间相干性的要 域，如生物学、环境科学、材料科学、工业无损检测 求仍然苛刻，只有 同步辐射源或微焦斑源能满足其 以及安全检查等．然而，对于生物体软组织、聚合物 成像要求．而光栅干涉法成功突破 了对X射线源的 和纤维复合材料等对X射线弱吸收的一类物体，传 限制，使用普通X射线管就可实现，对机械稳定性 统X射线成像技术难 以获得它们的清晰图像 1【]．理 的要求也大幅降低，并有可能获得厘米量级的大视 论上，硬x射线与轻元素物质相互作用的弹性散射 场图像，被广泛认为是最有潜力从实验室走向实际 截面通常 比其吸收截面大几个数量级，弹性散射和 应用的X射线相衬成像方法 8[--12】． 吸收分别引起X射线透过样 品后波前的相移和振 近年来，光栅干涉相衬成像技术已取得了很 幅衰减 [2I_因此、若能在探测样品吸收像的同时记 大的进展，研究人员对X射线光栅相衬成像的研 录下X射线的相移，将有可能获得高对比度的相位 究逐渐从原理方法学转变到系统成像质量的评估 衬度图像 3【，． 上 [13--15】．噪声特性是影响系统图像质量的重要因 在过去几十年中，发展了多种x射线相衬成像 素之一．分析成像系统的噪声特性不仅有利于优化 方法，可分为晶体干涉法、衍射增强法、自由空间传 系统参数以获取高信噪比的相衬图像，也为进一步 播法和光栅干涉法四类，它们的实验装置、记录的 减少x射线曝光剂量、降低对生物或人体的损伤提 信号特征和对X射线源的要求都各不相 同[—7]．其 供了可能．因此，对该系统的噪声分析具有十分重 中晶体干涉法和衍射增强法需使用平行度和单色 要的意义．从光栅干涉成像系统的基本原理出发， 性很高的X射线光束，x射线源的时间相干长度和 本文提出了一种针对硬X射线光栅微分相衬成像 国家重大科学仪器设备开发专项基金 (批准号、国家自然科学基金 (批准