在光栅相衬成像中,通常使用相位步进法进行数据采集和信息提取.然而,对于相位步进法在提取暗场信号的算法效率还没有得到充分的评估.本研究引入Cramér-Rao下界对提取暗场信号的算法效率进行评估.基于理论分析和数值计算发现目前完全有效的算法仅适用于三步相位步进法,其他更多步数的相位步进法都是次优的.本研究以Cramér-Rao下界作为依据,定量地分析了相位步进数和可见度对算法效率的影响.结果表明在低可见度的情况下,相位步进法可以接近理论的最佳效率;在高可见度的情况下,当相位步进数大于5时,算法效率仅为77.4%,这可为基于X射线和中子光栅干涉仪的暗场成像的信噪比优化提高、剂量优化提供指导.

基于投影的X射线光栅相衬成像技术由于具有较大的成像视场以及可以实现较高能量的成像,有望实现医学临床应用.由于其光学元件较多,在系统设计时确定合适的结构参数是一件复杂而艰难的工作.因此,通过一定的合理假设,构建系统的计算机数值仿真模型,利用计算机强大的循环计算能力,实现相关参数对系统性能影响的分析进而实现参数优化将是一个很好的选择.根据基于投影的X射线光栅相衬成像装置的结构原理,同时将成像系统抽象为一个线性系统,在此基础上构建出成像系统的数学模型.并将其转变为适合于计算机的离散模型,实现基于投影的X射线光栅相衬成像的模拟仿真.最后,利用国家同步辐射实验室相衬平台采集的数据验证了该模拟方法的正确性.

目的:利用同步辐射相衬成像技术(synchrotron radiation propagation phase contrast micro-tomography, SR-PPCT)对大鼠腰椎小关节(lumbar facet joint,LFJ)的解剖微结构进行三维可视化观测及量化分析,探讨小关节源性腰痛(low back pain,LBP)的潜在机制.方法:取成年(对照组)和老化(实验组)SD大鼠L4/5小关节,经多聚甲醛固定、梯度脱水后于上海光源X射线成像与生物医学应用(BL13W1)光束线站进行扫描.采用独立样本t检验比较两组大鼠LFJ间软骨、软骨下骨板、松质骨、关节间隙的差异.结果:成年组大鼠LFJ关节间隙为38.00±4.50μm,软骨厚度为15.6±0.63μm,软骨体积为(51.25±1.49)×104μm3,软骨下骨板厚度为16.37±1.23μm,软骨下骨骨体积分数(BV/TV)为(60±5)％,表面积体积分数(BS/TV)为180±20mm-1,松质骨骨小梁数量(TbN)为6.85±0.31 mm-1;老化组LFJ关节间隙为16.25±0.85 μm,软骨厚度为18.90±2.14μm,软骨体积为(37.00±1.83)×104μm3,软骨下骨板厚度为72.48±3.14μm,软骨下骨骨体积分数(BV/TV)为(87±4)％,表面积体积分数(BS/TV)为0.97±0.08mm-1,松质骨骨小梁数量(TbN)为2.07±0.21 mm-1;与成年组相比,老化组大鼠LFJ关节间隙变窄(P＜0.05)、软骨容量减低(P＜0.05),软骨厚度改变无统计学差异(P＞0.05)、软骨下骨骨板增厚(P＜0.05),孔隙状结构消失,松质骨骨小梁数量减少(P＜0.05).结论:SR-PPCT可实现软骨和软骨下骨的同时高精度三维可视化观测;LFJ退变过程中软骨和软骨下骨形态均发生明显改变.

利用新型第三代高亮度同步辐射光源相衬成像技术,可实现弱吸收(主要含碳、氢、氧和氮等元素)物质材料特征结构的无损三维鉴定.以具有极高药用价值的新疆地产药材——阿魏(Ferula)为研究对象,采用同步辐射高分辨X射线相衬显微CT技术,并结合相位恢复算法,有效解析和评价了新疆阿魏(F. sinkiangensis)的三维特征结构,极大提高了对药材类生物样品的显微结构和密度的分辨能力,从而为新疆阿魏的特征分辨、品质鉴定和真伪识别提供了一种直观可靠的三维可视化新手段.

目的:基于微焦点X射线源,进行相衬成像实验和相位信息提取.方法:根据Fresnel-Kirchhoff衍射理论,考虑空间相干性与时间相干性的影响,对连续X射线相衬成像的一般公式进行推导.根据从含有相位信息和吸收信息的图片里提取纯相位信息的方法,通过MATLAB对相衬图片进行处理.结果:实验一,对塑料吸管进行相衬成像,通过改变探测器与样品之间的距离,得到比传统X射线成像更清晰、放大且能够突出边界信息的图像;实验二,在电压分别为45 kVp和70 kVp的情况下得到硼硅酸盐玻璃的相衬图像,然后通过相位恢复重建得到含有纯相位信息的相衬图像.结论:对于轻元素物质,微焦点类同轴X射线相衬成像比传统X射线相衬成像的分辨率高、图像衬度好;相位信息提取技术将会大大促进微焦点类同轴X射线相衬成像技术在普通实验室应用和医学肿瘤检测等方面的应用进展.

目的 探讨X射线相衬CT(PCCT)对人体胆道闭锁(BA)样品中脉管显微结构的显示作用.方法 将4份人体BA样品进行冲洗、固定并以乙醇脱水干燥,采用上海同步辐射光源BL13W1线站进行PCCT成像,通过图像处理分别获得滤波反投影算法重建图像、样品整体及微脉管的3D重建图像,并对不同类型脉管进行区分.而后对样品进行石蜡包埋,4 μm切片,并行平滑肌细胞抗体(SMA)、细胞角蛋白19抗体(CK19)免疫组化染色及苦味酸天狼星红染色组织病理检查.对比观察滤波反投影算法及微脉管3D重建图像与相应病理图.结果 滤波反投影算法重建CT图像及微脉管3D重建图像均可用以区分人体BA样品中的肝动脉、胆管及增生胆管、门静脉,并清晰显示不同类型脉管的结构特征,所示微脉管结构与组织病理学检查相符.结论 结合滤波反投影重建算法及3D可视化技术,PCCT能够清晰显示离体BA组织的微脉管结构.

目的 应用常规Micro-CT及基于同步辐射相位衬度Micro-CT技术对大鼠肺脏进行成像,探讨两种检查方法显示鼠肺部细微结构的能力,并评价其优缺点.方法 常规饲养Wistar大鼠7d,适应环境后进行活体常规Micro-CT扫描.处死大鼠获取大鼠离体肺脏标本,标本经10％ 甲醛固定24 h后,梯度酒精脱水获得干燥标本,行离体成像.离体大鼠肺脏标本分别在SCANCO uCT80 Micro-CT及Skyscan1172 Micro-CT进行不同分辨率的常规Micro-CT成像,之后在上海光源(SSRF)X射线成像与生物医学应用光束线站(BL13W)进行基于同步辐射相位衬度Micro-CT成像.成像后将原位肺脏组织再次浸泡在10％ 甲醛中,行H E染色组织病理学检查评估.结果 利用常规Micro-CT可行活体大鼠肺脏成像,高分辨率常规Micro-CT和基于同步辐射相衬Micro-CT成像技术可以清晰显示大鼠肺组织微结构,包括气管、各级支气管、肺泡及肺脏血管,与病理学图像所示结构特征相似,具有较好的一致性,经后处理可进一步对肺脏容积、支气管束、肺泡及血管束等进行测量,提供更多参考数据.结论 常规Micro-CT成像技术可应用于实验动物的影像学动态监测,高分辨率的常规Micro-CT和基于同步辐射相衬Micro-CT成像技术一定程度上可替代病理学检查.

目的 采用X射线相衬显微CT(synchrotron radiation-based X-ray phase-contrast computed tomography,SR-XPCT),对处理后正常C57BL/6小鼠肝脏组织进行成像研究,以阐明不同组织样品处理方法间成像的差异,进而为SR-XPCT实验样品前处理提供参考.方法 72个正常C57BL/6小鼠肝脏样品随机分为4％多聚甲醛组(P组,亚组P1～P4)和10％中性福尔马林溶液组(F组,亚组FI～F4),亚组采用4种脱水浓度处理,干燥后进行X射线成像,观察各组软组织结构并进行比较.结果 F组的血管边缘灰度及图像信噪比均高于对应P组,差异有统计学意义(P＜0.05).在P组内,F2血管边缘灰度差均低于P3、P4,差异有统计学意义(P＜0.05);P2血管直径均高于P3、P4,差异有统计学意义(P ＜0.05);P2断层感兴趣区域(ROI,region of interest)中对比度噪声比(Signal to Noise Ratio,CNR)均高于其余P1、P3和P4,差异有统计学意义(P＜0.05).在F组内,F2血管边缘灰度差高于F1、F2和F3,差异有统计学意义(P＜0.05);F2血管直径高于F4,差异有统计学意义(P ＜0.05);F2断层ROI中CNR均高于F1、F4,差异有统计学意义(P＜0.05).结论 室温下采用10％中性福尔马林固定液固定,40％低起始脱水梯度缓慢过渡到100％的处理,实验样品具有脱水形变小,血管及软组织重构精度高、图像信噪比较高的特点,对诊断和分析生物医学软组织和器官的微小病理差异具有相对优势.

目的 比较大鼠离体上颌骨X线同步辐射吸收CT(ACCT)和X线相衬CT(PCCT)成像特点,观察PCCT技术评估牙周炎大鼠模型的价值.方法 将6只雄性SD大鼠随机分为牙周炎组(n=3)和正常组(n=3);对牙周炎组采用“丝线结扎+高糖饲养”法构建模型,并以10％高糖黏性饲料喂养8周,正常组予常规饲养.8周后取2组大鼠右上颌骨行ACCT和PCCT,分析其特点,并重建上颌骨3D图像,测量并比较2组大鼠釉牙骨质界到牙槽嵴顶的距离(CEJ-ABC).结果 ACCT图像无法清晰完整显示牙髓,难以分辨牙周膜软组织;PCCT图像组织对比度佳,能清晰展现上颌骨软、硬组织的微观结构,且基于PCCT重构3D图像质量优于ACCT.相比正常组,牙周炎组CEJ-ABC明显增大(Z=-9.43,P＜0.01).结论 利用PCCT进行大鼠上颌骨软硬组织成像较ACCT更具优势,对评估牙周炎大鼠模型上颌骨具有重要价值.

肝癌是我国恶性肿瘤发病率和死亡率较高的癌症之一,传统医学影像设备因成像机制导致成像分辨率不足,对肝癌的检查和诊断具有较大的影响.基于同步辐射的X射线相衬显微CT成像具有极高的灵敏度和分辨率,结合机器学习方法建立肝癌分类模型,为肝癌辅助诊断提供参考.收集弥漫型和溃疡型肝肿瘤X射线相衬图像各500幅,归一化和中值滤波后提取灰度直方图、灰度共生矩阵、灰度-梯度共生矩阵和灰度差分统计等灰度及纹理特征,并组合成融合特征,采用十折交叉验证法进行机器学习方法的训练和分类.使用支持向量机、随机森林和神经网络等3种分类算法对肝癌图像进行分类,灰度共生矩阵特征和神经网络分类算法下分类准确率最高,达到99.5％,取得较好的分类效果,有望帮助医生准确完成肝肿瘤类型的鉴别.