882 核技术 第29卷 吸收衬度成像类似的峰位像和表观吸收像,利用合结构。另外,将分析晶体调整到摇摆曲线中反射率 成像的方法可以将折射率的变化(相当于位相的一为50%的低角处和高角处,分别记录到两张图像。 级导数)记录下来,由于它具有成像原理简单、图这两张图像包含相同的吸收效应、相近的消光效应 像衬度易于解释和实验技术要求不高等优点,成为和相反的折射效应,因而两张图像的吸收信息是相 一种非常有发展前途并且可能在医学诊断中发挥重同的,消光信息是相近的,而折射信息是相反的。 要作用的方法。然而,对DE成像原理中所涉由于在单张图像中,折射信息与吸收信息和消光信 及的一些基本问题,无论是理论分析还是实验研究息混合在一起,因而在表现软组织结构方面的作用 都需要更深入和细致的硏究。本文着重讨论衍射增不是十分显著。可是,通过像素对像素的合成算法 强成像的衬度与X射线能量的关系。在文献[16中,得到表观吸收图像和折射图像,能分别抑制折射信 我们将着重讨论边界效应和晶体衍射产生的本底对息和消光信息,分离出单纯的消光信息和单纯的折 图像的影响,这些基本问题与图像的可信度都有直射信息,获取更多有关软组织结构方面的信息阿。 接的关系 被探测器接收到的图像包含着样品的吸收、折 射和消光信息。按照常规辐射成像衬度的定义,在 1实验样品与方法 摇摆曲线不同位置获得的图像的最大衬度(可见度) 正常和病变(包括良性和恶性)的乳腺组织样可以定义为 品由复旦大学附属肿瘤医院提供,样品尺寸大约为 12mm×9mm×2mm,用福尔马林固定。成像时, (1) 样品从缓冲溶液中取出后晾干,然后固定在样品架 上。DE实验是在北京同步辐射装置4W1A光束线 这里,Ⅰ是本底图像的平均灰度,lmm是探测接 的形貌实验站完成的。这是一条 Wiggler白光束线, 收到的图像的最小灰度。对于表观吸收图像,也可 其光源尺寸为水平方向22mm及垂直方向08mm 以用类似的方法确定其最大衬度。然而对于折射图 光源发出的光束近似为平行光束。衍射增强成像的像,情况比较特别。折射图像是由折射信息相反的 实验装置见文献174W1A束线的x射线能量范两张图像相减得到,对于没有折射的区域,在相减 围可以调节,在实验中,从 Wiggler发出的白光x中灰度为零,如果以没有折射的区域作为折射图像 射线入射到sl晶体(单色器)上,调整晶体的本底,也就是说用灰度为零的区域作为本底,就会 入射角可以获得能量不同的单色光,从而使单色光得到折射衬度为无穷大的错误结果。实际操作中, 能量分别调整在9、10、15、18和27keV等:在单合成图像的本底不可能为零,总有噪声背景。因此 色晶体前,选择厚度合适的Al箔吸收低能X射线, 对于本底灰度为零的合成图像,用噪声背景作为折 还可利用S(33晶面衍射获得更高能量。实验所用射衬度的本底是合理的选择,因此折射图像的最大 光斑尺寸为15mm×12mm。透过样品的单色x射衬度可以写成 线通过分析晶体被反射到探测器后成像。样品与探 测器的距离约1m。实验中采用CCD(X射线快速 SNR ref=-max-L 成像18mm系统, Photonic- science ltd.UK)记录 图像,其像素空间周期为109μm。采集图像时, 这里,lmx和kRmn分别是折射图像的最大和 控制总曝光量不变。DEI实验中,将分析晶体调谐最小灰度,oe为相对于平均本底信号的标准偏差 到摇摆曲线顶部位置记录峰位图像,再将分析晶体 利用图像处理软件对各个图像进行灰度分析 调整到摇摆曲线中反射率为50%的低角处和高角处获得所需要的图像数据。根据公式(1)可以确定峰 分别记录两张图像,并通过像素对像素的合成算法位图像和表观吸收图像的衬度,根据公式(2)可以 得到表观吸收图像和折射图像 确定折射图像的衬度。峰位图像衬度随X射线能量 的变化关系如图1所示。可以看出:随着X射线能 2实验结果与讨论 量的增加,图像的衬度先是下降,然后又回升,在 在DEI实验中,通常将分析晶体调整到特定角 段范围内基本不变后又继续上升。在9-10keV 度的位置记录图像。例如在摇摆曲线顶部位置,能 范围内,良性组织图像的衬度下降最快,恶性组织 图像的衬度下降最慢。在10-15keV范围内,正常 够记录峰位图像。峰位图像中,消光效应比较显著,和良性肿瘤组织的图像的衬度上升基本相同,而恶 图像的清晰度比较高,能够大致反映出软组织中的 性肿瘤组织的图像的衬度上升较快。在15-18keV882 核 技 术 第 29 卷 吸收衬度成像类似的峰位像和表观吸收像，利用合 成像的方法可以将折射率的变化（相当于位相的一 级导数）记录下来，由于它具有成像原理简单、图 像衬度易于解释和实验技术要求不高等优点，成为 一种非常有发展前途并且可能在医学诊断中发挥重 要作用的方法[14, 15]。然而，对 DEI 成像原理中所涉 及的一些基本问题，无论是理论分析还是实验研究 都需要更深入和细致的研究。本文着重讨论衍射增 强成像的衬度与 X 射线能量的关系。在文献[16]中， 我们将着重讨论边界效应和晶体衍射产生的本底对 图像的影响，这些基本问题与图像的可信度都有直 接的关系。 1 实验样品与方法 正常和病变（包括良性和恶性）的乳腺组织样 品由复旦大学附属肿瘤医院提供，样品尺寸大约为 12 mm×9 mm×2 mm，用福尔马林固定。成像时， 样品从缓冲溶液中取出后晾干，然后固定在样品架 上。DEI 实验是在北京同步辐射装置 4W1A 光束线 的形貌实验站完成的。这是一条 Wiggler 白光束线， 其光源尺寸为水平方向2.2 mm及垂直方向0.8 mm， 光源发出的光束近似为平行光束。衍射增强成像的 实验装置见文献[17]。4W1A 束线的 X 射线能量范 围可以调节，在实验中，从 Wiggler 发出的白光 X 射线入射到 Si(111)晶体（单色器）上，调整晶体的 入射角可以获得能量不同的单色光，从而使单色光 能量分别调整在 9、10、15、18 和 27 keV 等；在单 色晶体前，选择厚度合适的 Al 箔吸收低能 X 射线， 还可利用 Si(333)晶面衍射获得更高能量。实验所用 光斑尺寸为 15 mm×12 mm。透过样品的单色 X 射 线通过分析晶体被反射到探测器后成像。样品与探 测器的距离约 1m。实验中采用 CCD（X 射线快速 成像 18 mm 系统，Photonic-science Ltd. UK）记录 图像，其像素空间周期为 10.9 µm。采集图像时， 控制总曝光量不变。DEI 实验中，将分析晶体调谐 到摇摆曲线顶部位置记录峰位图像，再将分析晶体 调整到摇摆曲线中反射率为 50%的低角处和高角处 分别记录两张图像，并通过像素对像素的合成算法 得到表观吸收图像和折射图像。 2 实验结果与讨论 在 DEI 实验中，通常将分析晶体调整到特定角 度的位置记录图像。例如在摇摆曲线顶部位置，能 够记录峰位图像。峰位图像中，消光效应比较显著， 图像的清晰度比较高，能够大致反映出软组织中的 结构。另外，将分析晶体调整到摇摆曲线中反射率 为 50%的低角处和高角处，分别记录到两张图像。 这两张图像包含相同的吸收效应、相近的消光效应 和相反的折射效应，因而两张图像的吸收信息是相 同的，消光信息是相近的，而折射信息是相反的。 由于在单张图像中，折射信息与吸收信息和消光信 息混合在一起，因而在表现软组织结构方面的作用 不是十分显著。可是，通过像素对像素的合成算法 得到表观吸收图像和折射图像，能分别抑制折射信 息和消光信息，分离出单纯的消光信息和单纯的折 射信息，获取更多有关软组织结构方面的信息[6]。 被探测器接收到的图像包含着样品的吸收、折 射和消光信息。按照常规辐射成像衬度的定义，在 摇摆曲线不同位置获得的图像的最大衬度（可见度） 可以定义为[18] I I I C − min = (1) 这里，I 是本底图像的平均灰度，Imin 是探测接 收到的图像的最小灰度。对于表观吸收图像，也可 以用类似的方法确定其最大衬度。然而对于折射图 像，情况比较特别。折射图像是由折射信息相反的 两张图像相减得到，对于没有折射的区域，在相减 中灰度为零，如果以没有折射的区域作为折射图像 本底，也就是说用灰度为零的区域作为本底，就会 得到折射衬度为无穷大的错误结果。实际操作中， 合成图像的本底不可能为零，总有噪声背景。因此， 对于本底灰度为零的合成图像，用噪声背景作为折 射衬度的本底是合理的选择，因此折射图像的最大 衬度可以写成 R,max R,min ref ref SNR I I σ − = (2) 这里，IR,max 和 IR,min 分别是折射图像的最大和 最小灰度，σref为相对于平均本底信号的标准偏差。 利用图像处理软件对各个图像进行灰度分析， 获得所需要的图像数据。根据公式（1）可以确定峰 位图像和表观吸收图像的衬度，根据公式（2）可以 确定折射图像的衬度。峰位图像衬度随 X 射线能量 的变化关系如图 1 所示。可以看出：随着 X 射线能 量的增加，图像的衬度先是下降，然后又回升，在 一段范围内基本不变后又继续上升。在 9—10 keV 范围内，良性组织图像的衬度下降最快，恶性组织 图像的衬度下降最慢。在 10—15 keV 范围内，正常 和良性肿瘤组织的图像的衬度上升基本相同，而恶 性肿瘤组织的图像的衬度上升较快。在 15—18 keV