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