第29卷第12期 核技术 Vol. 29. No 12 年12月 NUCLEAR TECHNIQUES December 2006 衍射增强成像的若千基础问题研究 Ⅱ衍射增强成像的边界效应和本底影响 刘成林12闫晓辉!张新夷3朱佩平4黄万霞4袁清习 1(复旦大学同步辐射研究中心物理系应用表面物理国家重点实验室上海200433) 2(盐城师范学院物理系盐城224002) 3(上海市针灸经络研究所上海201203) 4(中国科学院高能物理研究所北京100049 摘要在衍射增强成像原理的基础上,通过简单的实验模型分析了衍射增强成像(DEI)的过程与特点。在摇 摆曲线顶部记录的峰位图像有很好的衬度,可以直接用于观察物体的内部结构。表观吸收图像的特点与传统X 射线图像相似,但折射图像具有更好的边界衬度,而且腰位折射图像的成像效果比趾位折射图像的成像效果 更好。同时也发现,分析晶体的本底信号会影响DEI成像的质量,但对折射图像没有任何影响,不会引起折 射图像与实际物体之间的偏差。因而,折射图像用于辨别正常组织与病变组织、工业检测等方面具有很好的 关键词边界效应,本底信号,衍射增强成像,同步辐射 中图分类号O434.1 常规ⅹ射线成像方法是以吸收为基础的,图像探测围。DE已经从样品到实验装置,再到图像分 衬度由样品对X射线的吸收不同而引起,它能够比离技术等进行了全面的研究,目前也发展到将 较理想地分辨硬组织与软组织之间的界限,但对区DEⅠ方法和其它手段联合使用,如将DEI方法与造 分软组织之间的边界显得无能为力。当前,肿瘤影剂联合使用等,以进一步提高图像的衬度。然 的影像学检查是医学诊断的一个重要方面。因为肿而,对DEI成像原理中所涉及的边界特性,无论是 瘤组织属于软组织,不同组织间的密度差别小,其理论分析还是实验硏究都不够深入和细致。除此之 对Ⅹ射线的吸收差别也小,所以传统的医学成像方外,晶体衍射产生的本底对图像的影响也没有讨论 法对肿瘤的诊断有一定的难度。如文献[2]所述,由过,可是它与图像的可信度有直接的关系。因此 于在X射线折射率中,相移项比吸收项大几个数量在本文中,利用简单的实验模型讨论衍射增强成像 级,由此引起组织对X射线的相移差别比吸收差别中的边界效应和本底信号对实验结果的影响 大几个数量级,所以利用位相探测对生物软组织成 像,可以获得比传统ⅹ射线吸收成像高得多的分辨 实验模型与方法 实验采用的模型由两根同心的中空塑料管组 衍射增强成像(DEI)技术自1995年由D. 成,塑料管的外径分别约为10mm和4mm,管壁 Chapman和他的同事们在美国国家同步光源的厚度分别为2m和07m左右,如图1所示(x 步辐射装置上都开展了这方面的研究工作。与传 ν均沿径向,〓沿轴向)。进行DEI成像分析。成像 时,模型样品被固定在样品架上。DEI实验是在北 统的辐射成像相比,衍射增强成像通过一种或多种京同步辐射装置4 WiA Wiggler白光束线上的形貌 衬度机制的组合使物体的图像更清楚,分辨能力更 实验站完成的。实验方法已在前文中介绍,这里不 好,分辨率可以达到μm量级,更适合对医学成像 再赘述。关于衍射增强成像的实验装置和基本参数 中肿瘤的微小不均匀性和工业部件中的微裂纹进行 可参见文献[6。在实验中,单色光的能量为9keV。 国家重点基础研究专项973项目(2005CB523306)资助 第一作者:刘成林,男,1964年5月出生,复旦大学凝聚态物理专业博士生,盐城师范学院副教授 通讯作者:张新夷 收稿日期:2006-08-11,修回日期:2006-09-20
第 29 卷 第 12 期 核 技 术 Vol. 29, No.12 2006 年 12 月 NUCLEAR TECHNIQUES December 2006 —————————————— 国家重点基础研究专项 973 项目（2005CB523306）资助 第一作者：刘成林，男，1964 年 5 月出生，复旦大学凝聚态物理专业博士生，盐城师范学院副教授 通讯作者：张新夷 收稿日期：2006-08-11，修回日期：2006-09-20 衍射增强成像的若干基础问题研究 II. 衍射增强成像的边界效应和本底影响 刘成林 1,2 闫晓辉 1 张新夷 1,3 朱佩平 4 黄万霞 4 袁清习 4 1（复旦大学同步辐射研究中心 物理系 应用表面物理国家重点实验室 上海 200433） 2（盐城师范学院物理系 盐城 224002） 3（上海市针灸经络研究所 上海 201203） 4（中国科学院高能物理研究所 北京 100049） 摘要 在衍射增强成像原理的基础上，通过简单的实验模型分析了衍射增强成像（DEI）的过程与特点。在摇 摆曲线顶部记录的峰位图像有很好的衬度，可以直接用于观察物体的内部结构。表观吸收图像的特点与传统 X 射线图像相似，但折射图像具有更好的边界衬度，而且腰位折射图像的成像效果比趾位折射图像的成像效果 更好。同时也发现，分析晶体的本底信号会影响 DEI 成像的质量，但对折射图像没有任何影响，不会引起折 射图像与实际物体之间的偏差。因而，折射图像用于辨别正常组织与病变组织、工业检测等方面具有很好的 可信度。 关键词 边界效应，本底信号，衍射增强成像，同步辐射 中图分类号 O434.1 常规 X 射线成像方法是以吸收为基础的，图像 衬度由样品对 X 射线的吸收不同而引起，它能够比 较理想地分辨硬组织与软组织之间的界限，但对区 分软组织之间的边界显得无能为力 [1]。当前，肿瘤 的影像学检查是医学诊断的一个重要方面。因为肿 瘤组织属于软组织，不同组织间的密度差别小，其 对 X 射线的吸收差别也小，所以传统的医学成像方 法对肿瘤的诊断有一定的难度。如文献[2]所述，由 于在 X 射线折射率中，相移项比吸收项大几个数量 级，由此引起组织对 X 射线的相移差别比吸收差别 大几个数量级，所以利用位相探测对生物软组织成 像，可以获得比传统 X 射线吸收成像高得多的分辨 率。 衍射增强成像（DEI）技术自 1995 年由 D. Chapman 和他的同事们在美国国家同步光源 （NSLS）发展起来后[3]，世界范围内几个主要的同 步辐射装置上都开展了这方面的研究工作[4-7]。与传 统的辐射成像相比，衍射增强成像通过一种或多种 衬度机制的组合使物体的图像更清楚，分辨能力更 好，分辨率可以达到µm 量级，更适合对医学成像 中肿瘤的微小不均匀性和工业部件中的微裂纹进行 探测[8,9]。DEI 已经从样品到实验装置，再到图像分 离技术等进行了全面的研究 [10-14]，目前也发展到将 DEI 方法和其它手段联合使用，如将 DEI 方法与造 影剂联合使用等，以进一步提高图像的衬度[15]。然 而，对 DEI 成像原理中所涉及的边界特性，无论是 理论分析还是实验研究都不够深入和细致。除此之 外，晶体衍射产生的本底对图像的影响也没有讨论 过，可是它与图像的可信度有直接的关系。因此， 在本文中，利用简单的实验模型讨论衍射增强成像 中的边界效应和本底信号对实验结果的影响。 1 实验模型与方法 实验采用的模型由两根同心的中空塑料管组 成，塑料管的外径分别约为 10 mm 和 4 mm，管壁 的厚度分别为 2 mm 和 0.7 mm 左右，如图 1 所示（x、 y 均沿径向，z 沿轴向）。进行 DEI 成像分析。成像 时，模型样品被固定在样品架上。DEI 实验是在北 京同步辐射装置 4W1A Wiggler 白光束线上的形貌 实验站完成的。实验方法已在前文中介绍，这里不 再赘述。关于衍射增强成像的实验装置和基本参数 可参见文献[16]。在实验中，单色光的能量为 9 keV
886 核技术 第29卷 位置(图2),然后进行成像。当双晶夹角为零时 反射率达到摇摆曲线峰位,即图2中的C处,拍摄 的图像称为峰位图像;当分析晶体的入射角小于单 色器晶体的入射角,反射率达到摇摆曲线腰位(半 高宽处)时,即图2中的B处,拍摄的图像称为低 角腰位图像;当分析晶体的入射角大于单色器晶体 的入射角,反射率达到摇摆曲线腰位(半高宽处), 即图2中的D处时,拍摄的图像称为高角腰位图像; 当反射率达到摇摆曲线趾位,即图2中的A处,拍 摄的图像称为低角趾位图像;当反射率达到摇摆曲 线趾位,即图2中的E处,拍摄的图像称为高角趾 位图像 型示意图 Fig 1 Desig berimental model 2实验结果与讨论 21DEI成像过程 在DEI实验中,首先测量摇摆曲线,即改变分 析晶体与单色器晶体之间的夹角,测量反射率随双 晶夹角变化而变化的函数曲线。这个测量过程通常 是固定单色器晶体,转动(即所谓摇摆)分析晶体, 逐点测量反射率而得到摇摆曲线,如图2所示。测 得摇摆曲线后,将样品放入双晶之间的光路,并将 图2Si(1ll 模型的摇摆曲线 Fig 2 Rocking curve of perimental model for 双晶夹角分别固定在与不同的反射率相对应的角度 图3实验模型的衍射增强成像 B、D_在摇摆曲线的腰位左右两边记录的图像:A、E—在摇摆曲线的趾位左右两边记录的图像 C—在摇摆曲线的顶部记录的图像 Fig 3 DEI images of the experimental model: B, D-recorded at the middle positions on either side of the rocking curve, A,E- recorded at the toe positions on either side of the rocking curve; and C-recorded at the peak position of the rocking curve
886 核 技 术 第 29 卷 图 1 实验模型示意图 Fig.1 Design of experimental model 2 实验结果与讨论 2.1 DEI 成像过程 在 DEI 实验中，首先测量摇摆曲线，即改变分 析晶体与单色器晶体之间的夹角，测量反射率随双 晶夹角变化而变化的函数曲线。这个测量过程通常 是固定单色器晶体，转动（即所谓摇摆）分析晶体， 逐点测量反射率而得到摇摆曲线，如图 2 所示。测 得摇摆曲线后，将样品放入双晶之间的光路，并将 双晶夹角分别固定在与不同的反射率相对应的角度 位置（图 2），然后进行成像。当双晶夹角为零时， 反射率达到摇摆曲线峰位，即图 2 中的 C 处，拍摄 的图像称为峰位图像；当分析晶体的入射角小于单 色器晶体的入射角，反射率达到摇摆曲线腰位（半 高宽处）时，即图 2 中的 B 处，拍摄的图像称为低 角腰位图像；当分析晶体的入射角大于单色器晶体 的入射角，反射率达到摇摆曲线腰位（半高宽处）， 即图 2 中的 D 处时，拍摄的图像称为高角腰位图像； 当反射率达到摇摆曲线趾位，即图 2 中的 A 处，拍 摄的图像称为低角趾位图像；当反射率达到摇摆曲 线趾位，即图 2 中的 E 处，拍摄的图像称为高角趾 位图像。 图 2 Si (111)+实验模型的摇摆曲线 Fig. 2 Rocking curve of the experimental model for Si (111) 图 3 实验模型的衍射增强成像 B、D—在摇摆曲线的腰位左右两边记录的图像；A、E—在摇摆曲线的趾位左右两边记录的图像； C—在摇摆曲线的顶部记录的图像 Fig.3 DEI images of the experimental model: B, D- recorded at the middle positions on either side of the rocking curve; A, Erecorded at the toe positions on either side of the rocking curve; and C-recorded at the peak position of the rocking curve
第12期 刘成林等:衍射增强成像的若干基础问题研究——Ⅱ衍射增强成像的边界效应和本底影响 实验中,分别将双晶夹角调整在摇摆曲线上的左右两边对称位置上记录的图像存在着相反的信 A、B、C、D和E处拍摄实验模型的图像。图3(C)息。从图5(A)中可以看出:分别在摇摆曲线腰位 为拍摄的峰位图像。在这个位置上,被物体偏折的两边对称位置记录的两张图像即有对称性的信息, X射线绝大部分在摇摆曲线的接收范围以外,即存也有反对称性的信息。因此,将这两张图像相加 在消光衬度(对小角散射的消除)而使图3(C)的可以获得图像的对称性信息,即只含有吸收和消光 左边和右边有相同的亮线。如果对该图像沿垂直于信息的表观吸收像;将这两张图像相减,可以获得 样品轴向进行强度分析,可以看出它们的左右边界图像的反对称性信息,即只含有折射信息的折射像。 的强度是基本相等的(如图4所示) 如果将分析晶体调整在摇摆曲线中反射率为 50%的腰位低角处(图2中的B处),被物体偏向高 角的Ⅹ射线将获得超过50%的反射率,而被物体偏 向低角的X射线将获得小于50%的反射率。这种效 应使腰位低角图像中右边亮而左边暗,如图3(B) 所示。相反,如果将分析晶体调整到摇摆曲线中反 射率为50%的另一侧——腰位高角处(图2中的D 处),则会导致相反的效果,图像的左边亮而右边暗, 如图3(D)所示。这种关系可以从图像强度的分布 曲线上明显地看出(图5(A))。在不同的位置上 Pixel 图像的灰度是不同的,在边界的位置上存在着起伏, 图4峰位图像沿径向(x或y轴方向)的强度分布曲线 且图3(B)和图3(D)的左右边界的情况是相Fig4 Intensity distribution of the peak-position image along 反的,如图5(A)所示。这说明在对应于摇摆曲线 = Lett(FWHM Left bottom 02004006008001001200 02004060080010001200 Pixel 图5腰位图像(A)和趾位图像(B)沿径向(x或y轴方向)的强度分布曲线 Fig5 Intensity distribution along the direction of the abscissa axis x or y for(A)the middle position images, and(b)the toe position images 如果将分析晶体移到对应于摇摆曲线峰位上更别得到腰位表观吸收图像(图6(A))或腰位折射 远的位置记录图像,如在反射率为10%的地方记录,图像(图6(B))。从图上可以看出,腰位表观吸收 得到趾位图像(图2中的A和E处)。虽然趾位图图像的衬度不高,整个图像的分辨率不如图3(C) 像有很强的衬度增强效应(边缘线比较明亮,浮雕中的峰位图像。然而,腰位折射图像的衬度比较髙 感更加明显),但是由于较少ⅹ射线被反射到探测边界非常清楚。同样,也可以将像素对像素的相加 器上,记录到的图像噪声较大,图像也不易分辨。或相减处理方法用于在摇摆曲线趾位(图2中A和 此外,这种图像需要的曝光剂量较大,不适合生物E处)拍摄的两张图像,分别获得趾位表观吸收图 软组织成像。 像(图7(A))或趾位折射图像(图7(B))。由于 趾位图像背景较暗,所以趾位表观吸收图像边缘显 2.2表观吸收图像和折射图像 得比较明亮。又因为摇摆曲线趾位位于线性区域边 将分别把曲线的左右半高宽处记录的两张图缘,低角趾位图像对高角信号的灵敏度高于对低角 像,通过像素对像素的相加或相减处理15,可以分信号的灵敏度,高角趾位图像对低角信号的灵敏度
第 12 期 刘成林等：衍射增强成像的若干基础问题研究——II. 衍射增强成像的边界效应和本底影响 887 实验中，分别将双晶夹角调整在摇摆曲线上的 A、B、C、D 和 E 处拍摄实验模型的图像。图 3（C） 为拍摄的峰位图像。在这个位置上，被物体偏折的 X 射线绝大部分在摇摆曲线的接收范围以外，即存 在消光衬度（对小角散射的消除）而使图 3（C）的 左边和右边有相同的亮线。如果对该图像沿垂直于 样品轴向进行强度分析，可以看出它们的左右边界 的强度是基本相等的（如图 4 所示）。 如果将分析晶体调整在摇摆曲线中反射率为 50%的腰位低角处（图 2 中的 B 处），被物体偏向高 角的 X 射线将获得超过 50%的反射率，而被物体偏 向低角的 X 射线将获得小于 50%的反射率。这种效 应使腰位低角图像中右边亮而左边暗，如图 3（B） 所示。相反，如果将分析晶体调整到摇摆曲线中反 射率为 50%的另一侧——腰位高角处（图 2 中的 D 处），则会导致相反的效果，图像的左边亮而右边暗， 如图 3（D）所示。这种关系可以从图像强度的分布 曲线上明显地看出（图 5（A））。在不同的位置上， 图像的灰度是不同的，在边界的位置上存在着起伏， 而且图 3（B）和图 3（D）的左右边界的情况是相 反的，如图 5（A）所示。这说明在对应于摇摆曲线 左右两边对称位置上记录的图像存在着相反的信 息。从图 5（A）中可以看出：分别在摇摆曲线腰位 两边对称位置记录的两张图像即有对称性的信息， 也有反对称性的信息。因此，将这两张图像相加， 可以获得图像的对称性信息，即只含有吸收和消光 信息的表观吸收像；将这两张图像相减，可以获得 图像的反对称性信息，即只含有折射信息的折射像。 图 4 峰位图像沿径向（x 或 y 轴方向）的强度分布曲线 Fig.4 Intensity distribution of the peak-position image along the direction of the abscissa axis x or y 图 5 腰位图像（A）和趾位图像（B）沿径向（x 或 y 轴方向）的强度分布曲线 Fig.5 Intensity distribution along the direction of the abscissa axis x or y for (A) the middle position images, and (B) the toe position images 如果将分析晶体移到对应于摇摆曲线峰位上更 远的位置记录图像，如在反射率为 10%的地方记录， 得到趾位图像（图 2 中的 A 和 E 处）。虽然趾位图 像有很强的衬度增强效应（边缘线比较明亮，浮雕 感更加明显），但是由于较少 X 射线被反射到探测 器上，记录到的图像噪声较大，图像也不易分辨。 此外，这种图像需要的曝光剂量较大，不适合生物 软组织成像。 2.2 表观吸收图像和折射图像 将分别把曲线的左右半高宽处记录的两张图 像，通过像素对像素的相加或相减处理[15]，可以分 别得到腰位表观吸收图像（图 6（A））或腰位折射 图像（图 6（B））。从图上可以看出，腰位表观吸收 图像的衬度不高，整个图像的分辨率不如图 3（C） 中的峰位图像。然而，腰位折射图像的衬度比较高， 边界非常清楚。同样，也可以将像素对像素的相加 或相减处理方法用于在摇摆曲线趾位（图 2 中 A 和 E 处）拍摄的两张图像，分别获得趾位表观吸收图 像（图 7（A））或趾位折射图像（图 7（B））。由于 趾位图像背景较暗，所以趾位表观吸收图像边缘显 得比较明亮。又因为摇摆曲线趾位位于线性区域边 缘，低角趾位图像对高角信号的灵敏度高于对低角 信号的灵敏度，高角趾位图像对低角信号的灵敏度
888 核技术 第29卷 高于对高角信号的灵敏度,所以趾位图像获得的反峰位图像对边界的分辨能力,其原因是折射图像中 对称信息不如腰位图像强,导致趾位折射图像的衬除了包含与折射角成正比的灰度外,还包含边界两 度不如腰位折射图像衬度高。 侧由不同介质折射率差别引起的边界大折射角的有 比较图4和图8(A),可以看出腰位表观吸收关灰度。尽管不同介质的界面两边的折射率差别只 图像的衬度没有峰位图像的衬度高。表观吸收图像有10--106数量级,但是折射图像对这个差别有 和峰位图像都含有吸收衬度和消光衬度,因为两种极高的灵敏度,从而使折射图像对边界有较高的分 图像的吸收衬度是相同的,所以峰位图像的消光衬辨能力。因为摇摆曲线腰位位于线性区域中央,腰 度高于表观吸收图像的消光衬度。图8(B)是折射位折射图像对低角信号和高角信号具有相同的灵敏 图像沿垂直于样品轴向的强度分布曲线,折射图像度,所以腰位折射图像比趾位折射图像的成像效果 对边界的分辨能力很强,明显高于表观吸收图像和好。 图6腰位表观吸收图像(A)和腰位折射图像(B) Fig 6 Apparent absorption image(A)and refraction image(B)at the middle position of the rocking curve 图7趾位表观吸收图像(A)和趾位折射图像(B) Fig7 Apparent absorption image(A)and refraction image(B)at the toe position of the rocking curve 150 叫yAw=“ 的m FWHM A 020040060080010001200 0200400 图8衍射增强图像沿径向(x或y轴方向)的强度分布曲线 A—腰位表观吸收图像为实线,趾位表观吸收图像为虚线 B—腰位折射图像为实线,趾位折射图像为虚线 Fig.8 Intensity distribution of the DEl images along the direction of the abscissa axis x or y for(A)the apparent absorption images at the middle and toe positions, and (B)the refraction images at the middle and toe positions
888 核 技 术 第 29 卷 高于对高角信号的灵敏度，所以趾位图像获得的反 对称信息不如腰位图像强，导致趾位折射图像的衬 度不如腰位折射图像衬度高。 比较图 4 和图 8（A），可以看出腰位表观吸收 图像的衬度没有峰位图像的衬度高。表观吸收图像 和峰位图像都含有吸收衬度和消光衬度，因为两种 图像的吸收衬度是相同的，所以峰位图像的消光衬 度高于表观吸收图像的消光衬度。图 8（B）是折射 图像沿垂直于样品轴向的强度分布曲线，折射图像 对边界的分辨能力很强，明显高于表观吸收图像和 峰位图像对边界的分辨能力，其原因是折射图像中 除了包含与折射角成正比的灰度外，还包含边界两 侧由不同介质折射率差别引起的边界大折射角的有 关灰度。尽管不同介质的界面两边的折射率差别只 有 10－7 —10－6 数量级，但是折射图像对这个差别有 极高的灵敏度，从而使折射图像对边界有较高的分 辨能力。因为摇摆曲线腰位位于线性区域中央，腰 位折射图像对低角信号和高角信号具有相同的灵敏 度，所以腰位折射图像比趾位折射图像的成像效果 好。 图 6 腰位表观吸收图像（A）和腰位折射图像（B） Fig.6 Apparent absorption image (A) and refraction image (B) at the middle position of the rocking curve 图 7 趾位表观吸收图像（A）和趾位折射图像（B） Fig.7 Apparent absorption image (A) and refraction image (B) at the toe position of the rocking curve 图 8 衍射增强图像沿径向（x 或 y 轴方向）的强度分布曲线 A—腰位表观吸收图像为实线，趾位表观吸收图像为虚线 B—腰位折射图像为实线，趾位折射图像为虚线 Fig. 8 Intensity distribution of the DEI images along the direction of the abscissa axis x or y for (A) the apparent absorption images at the middle and toe positions, and (B) the refraction images at the middle and toe positions
第12期 刘成林等:衍射增强成像的若干基础问题研究——Ⅱ衍射增强成像的边界效应和本底影响 889 23本底信号对DEI图像的影响 方法中折射图像不受本底的影响。 如果将每个图像本底信号用像素对像素的算法 去除后,图像的清晰度有所改善,但是不是非常明 显的,而且在前面讨论的边界特征没有改变,如图 9所示。同样地,也可以利用去除本底信号后的图 像处理得到表观吸收图像和折射图像。图10是用摇 摆曲线腰位处获得的图像去除本底后处理得到的表 观吸收图像和折射图像。可以看出:图像去除本底 Left (FWHM) 后处理得到的折射图像和没有去除本底信号求出的 Right (FWHM) 400600 图像没有明显的差别。通过比较去除本底信号前后 得到的表观吸收图像和折射图像在垂直于样品轴向 图9去除本 后的图像沿径向(x或y轴方向) 的强度分布(图11所示)可以看出:强度的分布特 的强度分布曲线(摇摆曲线腰位处) 征在去除本底信号前后没有变化,唯一变化的是图 Fig9 Intensity distribution of DEl images at the middle 像的强度在去除本底信号后有所下降。因此,在DEI of the rocking curve along the direction of the abscissa axis x or y as the background is subtracted 图10在摇摆曲线腰位处记录的图像去除本底后处理获得的图像 A—表观吸收图像:B_折射图像 Fig 10 Apparent absorption image(A)and refraction image(B)at the middle position of the rocking curve taken emoving the backgroun 0000800 20A W/Aye withou hckpgroun知 With background 10001200 0200400600800 0001200 图11去除本底信 的图像沿径向(x或y轴方向)的强度分布曲线 A 收P 折射图像 Fig 11 Intensity distribution along the direction of the abscissa axis x or y of(A)the apparent absorption images and(B)the refraction images with and without the background 结论 较大,不适合生物软组织成像;在摇摆曲线腰位线 性区域中央,特别适合记录样品的折射信号。因此 衍射增强成像是一种对不同密度及折射率的边DEL方法中在摇摆曲线顶部记录的峰位图像可以直 界有很强分辨能力的成像方法。在摇摆曲线顶部记接在实际中应用;而经过像素对像素算法处理后的 录的图像—一峰位图像有较高的衬度;在摇摆曲线折射图像具有很高的边界衬度,能够分辨不同材料 趾位记录的图像由于噪音比较强,需要的曝光剂量的边界。同时也发现,分析晶体的本底信号会影响
第 12 期 刘成林等：衍射增强成像的若干基础问题研究——II. 衍射增强成像的边界效应和本底影响 889 2.3 本底信号对 DEI 图像的影响 如果将每个图像本底信号用像素对像素的算法 去除后，图像的清晰度有所改善，但是不是非常明 显的，而且在前面讨论的边界特征没有改变，如图 9 所示。同样地，也可以利用去除本底信号后的图 像处理得到表观吸收图像和折射图像。图 10 是用摇 摆曲线腰位处获得的图像去除本底后处理得到的表 观吸收图像和折射图像。可以看出：图像去除本底 后处理得到的折射图像和没有去除本底信号求出的 图像没有明显的差别。通过比较去除本底信号前后 得到的表观吸收图像和折射图像在垂直于样品轴向 的强度分布（图 11 所示）可以看出：强度的分布特 征在去除本底信号前后没有变化，唯一变化的是图 像的强度在去除本底信号后有所下降。因此，在 DEI 方法中折射图像不受本底的影响。 图 9 去除本底信号后的图像沿径向（x 或 y 轴方向） 的强度分布曲线（摇摆曲线腰位处） Fig.9 Intensity distribution of DEI images at the middle of the rocking curve along the direction of the abscissa axis x or y as the background is subtracted 图 10 在摇摆曲线腰位处记录的图像去除本底后处理获得的图像 A—表观吸收图像；B—折射图像 Fig.10 Apparent absorption image (A) and refraction image (B) at the middle position of the rocking curve taken by removing the background 图 11 去除本底信号前后的图像沿径向（x 或 y 轴方向）的强度分布曲线 A—表观吸收图像；B—折射图像 Fig.11 Intensity distribution along the direction of the abscissa axis x or y of (A) the apparent absorption images and (B) the refraction images with and without the background 3 结论 衍射增强成像是一种对不同密度及折射率的边 界有很强分辨能力的成像方法。在摇摆曲线顶部记 录的图像——峰位图像有较高的衬度；在摇摆曲线 趾位记录的图像由于噪音比较强，需要的曝光剂量 较大，不适合生物软组织成像；在摇摆曲线腰位线 性区域中央，特别适合记录样品的折射信号。因此， DEI 方法中在摇摆曲线顶部记录的峰位图像可以直 接在实际中应用；而经过像素对像素算法处理后的 折射图像具有很高的边界衬度，能够分辨不同材料 的边界。同时也发现，分析晶体的本底信号会影响
核技术 第29卷 DEI成像的效果,但对合成的折射图像没有影响,8 Fiedler s, Pagot E, Cloetens p,eal. Proceedings of Spie 不会产生图像与实际物体之间的偏差。因此,折射 2003.5030:266-273 图像用于医学诊断和工业检测具有很高的可信度。9LiCL, Zhang Y, Zhang XY, et al. med sci monit,.2005, 参考文献 l1(5):MT33-38 10 Miklos Kz, Sayers D E, Zhong Z Phys Med Biol, 2003 1 Menk R H Nuclear Physics, 1999, 78 (Suppl. ) 604--609 2刘成林,闫晓辉,张新夷,等,核技术,206012)11 bravin a. J Phys D: Appl phys.20036A24-A29 881-884 12朱佩平,王寯越,袁清习,等.物理学报,2005,54:58-63 Chenglin, YAN Xiaohui, ZHANG Xinyi, et al. Nuc ZHU Peiping, WANG Junyue, YUAN Qingxi, et al. Acta Tech,2006,29(12)881-884 3 Dilmanian F A, Zhong Z, Ren B, et al. Phys Med Biol, 13 Oral O, Zhong Z, Moumen H, et al. J Phys D: Appl Phys, 2000,45:933-946 2003.36:2152-2156 4 Spanne P, Matsuo R, Katafuchi T, et al. Med Phys,14姜晓明,黎刚,陈志华,等.高能物理与核物理,2004 2005,32:2690-2697 5陈建文,高鸿奕,李儒新,等.物理学进展,2005,25 JIANG Xiaoming. LI Gang. Chen Zhihua, et al. High 175-194 Energy Physics and Nuclear Physics, 2004, 28: 1282--1290 CHEN Jianwen, GAO Hongy, LI Ruxin, et al. Prog in 15 Fiedler S, Bravin A, Keyrilainen et al. Phys Med Biol Phys,2005,25:175-194 2004,49:175-188 6 Zhong Z, Thomlinson w, Chapman D, et al. 16刘成林,张渊,张新夷,等.高能物理与核物理,2005, Instruments and Methods in physics research 29(增刊):130-132 450:556-567 LIU Chenglin, ZHANG Yuan, ZHANG Xinyi, et al. High 7黄万霞,袁清习,田玉莲,等.物理学报,2005,54:677 Energy Physics and Nuclear Physics, 2005, 29(Suppl.) HUANG Wanxia, YUAN Qingxi, TIAN Yulian, ef al. Acta Phys Sin, 2005, 25: 677-681 Studies on some basic problems about diffraction enhanced imaging Il. Edge effect and background influence LIU Chenglin,2 YAN Xiaohui' ZHANG Xinyi. 3 ZHU Peiping* HUANG Wanxia YUAN Qingxi 1 (Synchrotron Radiation Research Center, Physics Department, Surface Physics(National Key) Laboratory of Fudan University, Shanghai 200433, China) 2( Physics Department, Yancheng Teachers'College, Yancheng 224002. China) 3 Shanghai Research Center of Acupuncture and Meridian, Pudong, Shanghai 201203. China) 4( Institute of High Energy Physics, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) Abstract On the basis of the DEI's principle, a simple experimental model is used to analyze the process and haracter of DEl. The peak-position image, which is recorded at the peak of the rocking curve, has higher contrast than the absorption images and can show also micro-structures inside the breast tissues. The apparent absorption image is similar to the conventional X-ray image, while the refraction image is extraordinarily sensitive to the change of the refractive index of the sample, and can clearly display edges of organic objects having different refractive indexes. The refraction image recorded in the middle position of rocking curve has better quality than that in the toe position. Furthermore, the background of the analyzer crystal shall affect the quality of the del, but does not affect the refraction image. Therefore, the refraction image has very good reliability in distinguishing normal or disease tissues, as well as for industrial inspection Key words Edge effect, Background, Diffraction enhanced imaging(DED), Synchrotron radiation CLC 0434
890 核 技 术 第 29 卷 DEI 成像的效果，但对合成的折射图像没有影响， 不会产生图像与实际物体之间的偏差。因此，折射 图像用于医学诊断和工业检测具有很高的可信度。 参考文献 1 Menk R H. Nuclear Physics, 1999, 78 (Suppl.): 604—609 2 刘成林, 闫晓辉, 张新夷, 等. 核技术, 2006, 29(12): 881—884 LIU Chenglin, YAN Xiaohui, ZHANG Xinyi, et al. Nucl Tech, 2006, 29(12):881—884 3 Dilmanian F A, Zhong Z, Ren B, et al. Phys Med Biol, 2000, 45: 933—946 4 Spanne P, Matsuo C R S, Katafuchi T, et al. Med Phys, 2005, 32: 2690—2697 5 陈建文, 高鸿奕, 李儒新, 等. 物理学进展, 2005, 25: 175—194 CHEN Jianwen, GAO Hongyi, LI Ruxin, et al. Prog in Phys, 2005, 25: 175—194 6 Zhong Z, Thomlinson W, Chapman D, et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2000, 450: 556—567 7 黄万霞, 袁清习, 田玉莲, 等. 物理学报, 2005, 54: 677 —681 HUANG Wanxia, YUAN Qingxi, TIAN Yulian, et al. Acta Phys Sin, 2005, 25: 677—681 8 Fiedler S, Pagot E, Cloetens P, et al. Proceedings of SPIE, 2003, 5030: 266—273 9 Liu C L, Zhang Y, Zhang X Y, et al. Med Sci Monit, 2005, 11(5): MT33—38 10 Miklos K Z, Sayers D E, Zhong Z. Phys Med Biol, 2003, 48: 325—340 11 Bravin A. J Phys D: Appl Phys, 2003, 36: A24—A29 12 朱佩平, 王寯越, 袁清习, 等. 物理学报, 2005, 54: 58—63 ZHU Peiping, WANG Junyue, YUAN Qingxi, et al. Acta Phys Sin, 2005, 25: 58—63 13 Oral O, Zhong Z, Moumen H, et al. J Phys D: Appl Phys, 2003, 36: 2152—2156 14 姜晓明, 黎刚, 陈志华, 等. 高能物理与核物理, 2004, 28: 1282—1290 JIANG Xiaoming, LI Gang, CHEN Zhihua, et al. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2004, 28: 1282—1290 15 Fiedler S, Bravin A, Keyriläinen J, et al. Phys Med Biol, 2004, 49: 175—188 16 刘成林, 张渊, 张新夷, 等. 高能物理与核物理, 2005, 29（增刊）: 130—132 LIU Chenglin, ZHANG Yuan, ZHANG Xinyi, et al. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2005, 29（Suppl.）: 130—132 Studies on some basic problems about diffraction enhanced imaging II. Edge effect and background influence LIU Chenglin1,2 YAN Xiaohui1 ZHANG Xinyi1,3 ZHU Peiping4 HUANG Wanxia4 YUAN Qingxi4 1 ( Synchrotron Radiation Research Center, Physics Department, Surface Physics (National Key) Laboratory of Fudan University, Shanghai 200433,China ) 2 ( Physics Department, Yancheng Teachers’ College, Yancheng 224002, China) 3 ( Shanghai Research Center of Acupuncture and Meridian, Pudong, Shanghai 201203, China ) 4 ( Institute of High Energy Physics, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China ) Abstract On the basis of the DEI’s principle, a simple experimental model is used to analyze the process and character of DEI. The peak-position image, which is recorded at the peak of the rocking curve, has higher contrast than the absorption images and can show also micro-structures inside the breast tissues. The apparent absorption image is similar to the conventional X-ray image, while the refraction image is extraordinarily sensitive to the change of the refractive index of the sample, and can clearly display edges of organic objects having different refractive indexes. The refraction image recorded in the middle position of rocking curve has better quality than that in the toe position. Furthermore, the background of the analyzer crystal shall affect the quality of the DEI, but does not affect the refraction image. Therefore, the refraction image has very good reliability in distinguishing normal or disease tissues, as well as for industrial inspection. Key words Edge effect, Background, Diffraction enhanced imaging(DEI), Synchrotron radiation CLC O434
