[論文レビュー] Tutorials on X-ray Phase Contrast Imaging: Some Fundamentals and Some Conjectures on Future Developments

David M. Paganin, Daniele Pelliccia|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2019

Advanced X-ray Imaging Techniques被引用数 10

ひとこと要約

本チュートリアルは、X線位相コントラスト画像化の基礎的原則と将来の展望を提示する。主に、運搬方程式（TIE）や位相再構成を含むコherent X線法に焦点を当てる。部分的コherencyをモデル化するための空間周波数フレームワークを導入し、バーチャルオプティクス、高度な検出器、および臨床的・産業的応用におけるコンact X線光源の統合といった新たなトレンドについても議論する。

ABSTRACT

These tutorials introduce some basics of imaging with coherent X-rays, focusing on phase contrast. We consider the transport-of-intensity equation, as one particular method for X-ray phase contrast imaging among many, before passing on to the inverse problem of phase retrieval. These ideas are applied to two-dimensional and three-dimensional propagation-based phase-contrast imaging using coherent X-rays. We then consider the role of partial coherence, and sketch a generic means by which partially coherent X-ray imaging scenarios may be modelled, using the space-frequency description of partial coherence. Besides covering fundamental concepts in both theory and practice, we also give opinions on future trends in X-ray phase contrast imaging including X-ray tomography, and comparison of different phase contrast imaging methods. These tutorials will be accessible to those with a basic background in optics (e.g. wave equation, Maxwell equations, Fresnel and Fraunhofer diffraction, and the basics of Fourier and vector analysis) and interactions of X-rays with matter (e.g. attenuation mechanisms and complex refractive index).

研究の動機と目的

• 波動光学およびX線-物質相互作用に基づいて、分野に新しく入門する研究者向けに、X線位相コントラスト画像化の自己完結型チュートリアルを提供すること。
• コherent X線を用いた2次元および3次元画像化における位相再構成の理論的・実用的課題に取り組むこと。
• 空間周波数記述によるコherencyを用いた、部分的コherencyX線画像化システムの一般理論的フレームワークを構築すること。
• バーチャルオプティクス、高度な検出器、およびシンクロトロンとコンパクトX線光源の統合といった、X線位相コントラスト画像化分野における将来のトレンドを探ること。
• 理論的概念と実用的応用を橋渡しし、現実の状況における強みと限界に基づいた手法選定を強調すること。

提案手法

• マクスウェル方程式からスカラー近似の軸対称波動方程式を導出し、複素屈折率および減衰メカニズムを組み込むことにより、コherent X線場を記述する。
• 運搬方程式（TIE）を、伝搬ベース画像化における位相再構成の主要手法として適用し、強度勾配と位相分布の関係を結びつける。
• 各空間周波数における単色光の集合を用いて部分的コherencyX線場をモデル化し、スペクトル密度およびコherency関数の効率的計算を可能にする。
• 伝達関数形式を用いて線形かつシフト不変な画像化システムを一般化し、一元的なフレームワーク内でさまざまな位相コントラスト技術を分析可能にする。
• バーチャルオプティクスの概念を導入し、デジタル計算が画像化システムの不可欠な一部となることを示す。アナログ的なX線波場操作とデジタル処理を統合する。
• 揺動するスパーキルパターンを用いた、部分的コherency場の直接的な空間的・時間的モデリングを提案。検出素子および積分時間における統計的平均化により、安定した強度測定を回復する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運搬方程式（TIE）は、2次元および3次元X線画像化において、どのように位相情報の再構成に応用可能か？
• RQ2 部分的コherencyはX線位相コントラスト画像化において果たす役割は何か？ そして、空間周波数記述を用いて、どのように体系的にモデリング可能か？
• RQ3 計算が光学系に統合されたバーチャルオプティクスは、X線位相コントラスト画像化の性能をどのように向上可能か？
• RQ4 エネルギー分解ピクセル検出器を含む検出器技術の今後の進歩は、データの豊かさおよび位相再構成能力にどのような影響を与えるか？
• RQ5 第3世代シンクロトロンとコンパクトで市販可能なX線光源の統合は、臨床的・産業的画像化応用にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 運搬方程式（TIE）は、複数の平面での強度測定を組み合わせることで、伝搬ベースX線位相コントラスト画像化における位相再構成に堅牢な手法を提供する。
• 空間周波数記述による部分的コherencyは、コherency関数（交差スペクトル密度関数やウィグナー関数を含む）を含む、広範な部分的コherencyX線画像化システムを効率的かつ一般にモデリング可能である。
• 3次元での位相再構成は、TIEに基づく強度データに反復アルゴリズムを適用することで達成可能であり、複数平面での取得により精度が向上する。
• 時間的および空間的統計的独立なスパーキルパターンの平均化により、部分的コherency場は効果的にモデル化可能であり、検出素子および積分時間における統合により安定した強度測定が得られる。
• デジタル計算と物理的X線波場操作を統合するバーチャルオプティクスは、複雑な光学ハードウェアへの依存を低減し、画像化システムの柔軟性を向上させると予想される。
• 将来的なコンパクトX線光源は、シンクロトロンを用いた概念実証実験と医療・産業分野における実用応用の間のギャップを埋めるものと予想され、アクセス性と実用性の向上が期待される。