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CN111089871B - X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法及系统、储存介质、设备 - Google Patents

X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法及系统、储存介质、设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法，该方法包括如下步骤：获取相衬图像，第一次滤波，第二次滤波，获得散射像与折射像。本发明还涉及一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离系统、电子设备、储存介质。本发明通过对相衬图像进行低通滤波以获得吸收像；通过对相衬图像进行高通滤波后再进行希尔伯特变换，获得散射像与折射像。本发明通过引入希尔伯特变换使得X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法无需多次正反傅里叶变换，通过希尔伯特变换的相位信息分离方法大大减少了信息分离所需要的时间。

Description

X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法及系统、储存介质、 设备
技术领域
本发明涉及X射线成像领域，尤其涉及一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法。
背景技术
X射线相位衬度成像方法，相对于传统基于吸收的成像方法，因其对于人体软组织等低原子序数物质有明显优势，自提出以来引起了各方面的广泛关注。从上世纪90年代开始，X射线相衬成像主要有晶体干涉仪方法、衍射增强方法、同轴方法以及光栅干涉仪方法。由于X射线相移探测要求X射线光源有比较高的相干性，所以刚开始都是在同步辐射上完成的。在2006年，Pfeiffer等人从可见光的相位测量得到启发，在原有的基于两块光栅的Talbot干涉仪基础上增加了一块源光栅，提出了可以使用普通光源的Talbot-Lau干涉仪。由于该方法摆脱了庞大而昂贵的同步辐射光源以及低功率的微焦点光源，真正使X射线相衬成像应用于医学成像、无损检测等成为了可能。
光栅相衬成像方法，其最大特点就是可以同时获取被检物体的吸收，折射以及散射图像，三种信息可以反映物质的不同特征，且相互补充。光栅相衬成像的基础在于通过信息分离技术求解衰减信息、折射信息与散射信息。主流的信息分离技术是相位步进法，需要在条纹信息采集时对光栅进行步进，耗时长，剂量大，对机械精度要求高等不足。为了提高光栅相衬成像的速度，异形光栅法、物体扫描法和傅里叶分析法也分别被提出，但带来一定改进的同时，也各有缺陷，异形光栅法额外增加了设计制造成本，物体扫描法依然需要被测物体的移动，傅里叶分析法对莫尔条纹的一致性要求很高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法。
本发明通过将相衬图像经过滤波在经过希尔伯特变换以实现相位信息分离。
本发明提供一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法，包括如下步骤：
获取相衬图像，在光栅不运动的情况下从成像系统中获取相衬图像，其中，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、所述光栅以及探测器，所述X射线光学照射所述光栅在所述探测器形成的条纹为莫尔条纹；
第一次滤波，通过第一滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述相衬图像的吸收像；其中，所述第一滤波器为低通滤波器；
第二次滤波，通过第二滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述滤波图像；其中，所述第二滤波器为高通滤波器；
获得散射像与折射像，对所述滤波图像进行希尔伯特变换，获得变换后的滤波图像；取所述变换后的滤波图像的模与相角，获得所述成像系统的散射像与折射像。
优选地，在步骤获取吸收像中，包括：
配置所述低通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半。
优选地，在步骤获取吸收像中，还包括：
配置所述低通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上的最低点处。
优选地，在步骤获取滤波图像中，包括：
配置所述高通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半。
优选地，在步骤获取滤波图像中，还包括：
配置所述高通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上小的最低点处。
优选地，配置所述高通滤波器使滤波后图像的阻带内频率成分的幅值小于其截止频率的处的幅值。
一种电子设备，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法。
一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离系统，包括获取相衬图像模块、滤波模块、获得散射像与折射像模块；其中，
所述获取相衬图像模块用于在光栅不运动的情况下从成像系统中获取相衬图像，其中，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、所述光栅以及探测器，所述X射线光学照射所述光栅在所述探测器形成的条纹为莫尔条纹；
所述滤波模块用于选取第一滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述相衬图像的吸收像；其中，所述第一滤波器为低通滤波器；选取第二滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述滤波图像；其中，所述第二滤波器为高通滤波器；
所述获得散射像与折射像模块用于对所述滤波图像进行希尔伯特变换，获得变换后的滤波图像；取所述变换后的滤波图像的模与相角，获得所述成像系统的散射像与折射像。
优选地，所述滤波模块包括配置单元，所述配置单元用于配置所述低通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半；配置所述低通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上的最低点处；
配置所述高通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半；配置所述高通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上小的最低点处；配置所述高通滤波器使滤波后图像的阻带内频率成分的幅值小于其截止频率的处的幅值。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法，该方法通过对相衬图像进行低通滤波以获得吸收像；通过对相衬图像进行高通滤波后再进行希尔伯特变换，获得散射像与折射像。本发明通过引入希尔伯特变换使得X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法无需多次正反傅里叶变换，通过希尔伯特变换的相位信息分离方法大大减少了信息分离所需要的时间。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法的整体流程图；
图2为本发明的一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法的逻辑图；
图3为本发明的一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法的相衬图像的频谱图；
图4为本发明的一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离系统的模块图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本发明提供一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法，如图1、2所示，包括如下步骤：
S1、获取相衬图像，在光栅不运动的情况下从成像系统中获取相衬图像，其中，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、所述光栅以及探测器，所述X射线光学照射所述光栅在所述探测器形成的条纹为莫尔条纹。在一个实施例中，按照经典的光栅相衬成像方案布置系统，即沿光轴方向依次设置有X射线光源、源光栅、相位光栅、分析光栅以及探测器。通过经典的光栅相衬成像系统中获取相衬图像，在获取相衬图像的过程中光栅保持静止，经典的光栅相衬成像系统中通过单次曝光即可获得相衬图像，图像可以表达为：
Figure BDA0002319566270000051
其中，I(x,y)表示探测器上一个点处的光强；Iab(x,y)表示探测器上一个点处的吸收像；
Figure BDA0002319566270000052
表示探测器上一个点处的散射像；
Figure BDA0002319566270000053
为相角。
S2、第一次滤波，通过第一滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述相衬图像的吸收像；其中，所述第一滤波器为低通滤波器。在一个实施例中，通过低通滤波器对相衬图像进行滤波，所获得的图像可以表达为Iab(x,y)。
具体地，低通滤波器的截止频率小于莫尔条纹的中心频率。配置所述低通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半。截止频率是通带与阻带的界限，当信号频率高于这个截止频率时，信号得以通过；当信号频率低于这个截止频率时，信号输出将大幅衰减。
进一步地，配置所述低通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上的最低点处。
一般地，折射像与散射像的频带宽度越大越好，但是越大越好的同时不能引入吸收像的干扰。
S3、第二次滤波，通过第二滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述滤波图像；其中，所述第二滤波器为高通滤波器。在一个实施例中，对相衬图像进行第二次滤波即通过高通滤波器进行滤波，所获得的图像的表达式为
Figure BDA0002319566270000061
需要说明的是，第二滤波器与步骤S2中的第一滤波器可以不相关，也可以为带通滤波器。
具体地，高通滤波器的截止频率小于莫尔条纹的中心频率。配置所述高通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半。截止频率为莫尔条纹的中心频率的一半时，一般可以实现折射像与散射像的分离。
进一步地，配置所述高通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上小的最低点处。截止频率选为频谱包络最低点时，折射像与散射像实现最佳的分离。其中频谱包络线是将不同频率的振幅的最高点连接起来形成的曲线。
配置所述高通滤波器使滤波后图像的阻带内频率成分的幅值小于其截止频率的处的幅值。滤波器除了包括截止频率外还包括阻带的衰减指标；阻带内频率成分的幅值小于其截止频率处的幅值即要求滤波器对阻带有足够的过滤，让阻带内的幅值足够小。
需要说明的是，高频信号的幅值比低频信号的幅值小很多，所以高通滤波器要有足够的过滤作用，而低通滤波器不需要。
如图3所示，从单幅图像中分离相位信息的基本原理在于吸收信息与相位信息，在频谱上是分离的，可以单独提取。图3为相衬图像的频谱，图框2部分为低通滤波后得到的吸收像，图框2为高通滤波后保留下的折射像与散射像信息，图框1与图框2交界处为截止频率；箭头处是莫尔条纹的中心频率。
需要说明的是，图3展示的是沿竖直方向的频率分量，水平方向的频率分量也有类似的特征。
S4、获得散射像与折射像，对所述滤波图像进行希尔伯特变换，获得变换后的滤波图像；取所述变换后的滤波图像的模与相角，获得所述成像系统的散射像与折射像。在一个实施例中，对步骤S3中的滤波图像进行希尔伯特变换后，此时图像可以表达为：
Figure BDA0002319566270000071
其中，Isc表示散射像，j表示虚数单位。
常规的通过单幅图像实现相位信息分离的技术依靠傅里叶方法，该方法需要多次正反进行傅里叶正逆变换，耗时长。本发明通过将希尔伯特变换引入相位信息分离方法中，同样可以实现单幅图像进行信息分离，无需多次正反进行傅里叶变换，大大减少了信息分离所需要的时间。另外，希尔伯特变换不产生共轭像，利于进行相位分解，提高信息分离的效率。
一种电子设备，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法。
一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离系统，如图4所示，包括获取相衬图像模块、滤波模块、获得散射像与折射像模块；其中，
所述获取相衬图像模块用于在光栅不运动的情况下从成像系统中获取相衬图像，其中，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、所述光栅以及探测器，所述X射线光学照射所述光栅在所述探测器形成的条纹为莫尔条纹；
所述滤波模块用于选取第一滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述相衬图像的吸收像；其中，所述第一滤波器为低通滤波器；选取第二滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述滤波图像；其中，所述第二滤波器为高通滤波器；
所述获得散射像与折射像模块用于对所述滤波图像进行希尔伯特变换，获得变换后的滤波图像；取所述变换后的滤波图像的模与相角，获得所述成像系统的散射像与折射像。
优选地，所述滤波模块包括配置单元，所述配置单元用于配置所述低通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半；配置所述低通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上的最低点处；
配置所述高通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半；配置所述高通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上小的最低点处；配置所述高通滤波器使滤波后图像的阻带内频率成分的幅值小于其截止频率的处的幅值。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取相衬图像，在光栅不运动的情况下从成像系统中获取相衬图像，其中，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、所述光栅以及探测器，所述X射线光源照射所述光栅在所述探测器形成的条纹为莫尔条纹；
第一次滤波，通过第一滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述相衬图像的吸收像；其中，所述第一滤波器为低通滤波器；配置所述低通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半；配置所述低通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上的最低点处；
第二次滤波，通过第二滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得滤波图像；其中，所述第二滤波器为高通滤波器；
配置所述高通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半；
配置所述高通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上小的最低点处；
获得散射像与折射像，对所述滤波图像进行希尔伯特变换，获得变换后的滤波图像；取所述变换后的滤波图像的模与相角，获得所述成像系统的散射像与折射像。
2.如权利要求1所述的一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离方法，其特征在于，配置所述高通滤波器使滤波后图像的阻带内频率成分的幅值小于其截止频率的处的幅值。
3.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器读取程序执行实现如权利要求1所述的方法步骤。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的方法。
5.一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离系统，其特征在于，包括获取相衬图像模块、滤波模块、获得散射像与折射像模块；其中，
所述获取相衬图像用于在光栅不运动的情况下从成像系统中获取相衬图像，其中，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、所述光栅以及探测器，所述X射线光源照射所述光栅在所述探测器形成的条纹为莫尔条纹；
所述滤波模块用于选取第一滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得所述相衬图像的吸收像；其中，所述第一滤波器为低通滤波器；选取第二滤波器对所述相衬图像进行滤波，获得滤波图像；其中，所述第二滤波器为高通滤波器；
所述获得散射像与折射像模块用于对所述滤波图像进行希尔伯特变换，获得变换后的滤波图像；取所述变换后的滤波图像的模与相角，获得所述成像系统的散射像与折射像；
所述滤波模块包括配置单元，所述配置单元用于配置所述低通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半；配置所述低通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上的最低点处；配置所述高通滤波器的截止频率以使其等于所述莫尔条纹的中心频率的一半；配置所述高通滤波器的截止频率以使其位于频谱包络线上小的最低点处。
6.如权利要求5所述的一种X射线光栅相衬图像的相位信息分离系统，其特征在于，所述配置单元包括配置所述高通滤波器使滤波后图像的阻带内频率成分的幅值小于其截止频率的处的幅值。
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