[论文解读] 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 10

一句话总结

本教程介绍了X射线相位衬度成像的基础原理与未来展望，重点聚焦于相干X射线方法，如传输-强度方程（TIE）和相位恢复。它引入了一种时空频域框架以建模部分相干X射线场，并探讨了虚拟光学、先进探测器等新兴趋势，以及紧凑型X射线源与临床及工业应用的集成。

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).

研究动机与目标

• 为该领域的新研究者提供一份自包含的X射线相位衬度成像教程，基于波动光学与X射线-物质相互作用。
• 解决使用相干X射线进行二维与三维成像时相位恢复的理论与实际挑战。
• 基于X射线成像系统的时空频域相干性描述，建立一种通用的理论框架以建模部分相干X射线成像系统。
• 探索X射线相位衬度成像的未来趋势，包括虚拟光学、先进探测器，以及第三代同步辐射源与紧凑型X射线源的融合。
• 弥合理论概念与实际应用之间的鸿沟，强调在真实场景中根据方法的优势与局限性进行选择。

提出的方法

• 从麦克斯韦方程组推导标量近轴波方程，以描述相干X射线场，包含复折射率与衰减机制。
• 将传输-强度方程（TIE）作为传播基成像中相位恢复的关键方法，建立强度梯度与相位分布之间的联系。
• 通过在每个空间频率上对单色场的集合进行建模，实现对部分相干X射线场的描述，从而高效计算光谱密度与相干函数。
• 采用传递函数形式化方法，推广线性、空间不变成像系统，使各种相位衬度技术能在统一框架下进行分析。
• 引入虚拟光学的概念，即数字计算成为成像系统固有部分，将模拟X射线波场调控与数字处理相结合。
• 提出通过随机斑点场对部分相干场进行直接时空域建模，通过对探测器像素与积分时间进行统计平均以恢复强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将传输-强度方程应用于二维与三维X射线成像中的相位信息恢复？
• RQ2 部分相干性在X射线相位衬度成像中的作用是什么？如何利用时空频域描述系统性地建模它？
• RQ3 虚拟光学（即计算被整合进光学系统）在哪些方面可提升X射线相位衬度成像性能？
• RQ4 探测器技术的未来进步，如能量分辨像素探测器，如何影响数据丰富度与相位恢复能力？
• RQ5 第三代同步辐射源与紧凑型、现成X射线源的融合，对临床与工业成像应用有何影响？

主要发现

• 传输-强度方程为传播基X射线相位衬度成像中的相位恢复提供了一种稳健的方法，尤其在结合多平面强度测量时效果更佳。
• 部分相干性的时空频域描述能够高效且通用地建模一大类部分相干X射线成像系统，包括互谱密度与Wigner函数等相干函数。
• 通过在TIE基础上对多平面采集的强度数据应用迭代算法，可实现三维相位恢复，且精度随多平面采集提升。
• 通过统计独立斑点图案的平均，可有效建模部分相干场，对探测器元件进行时空积分可获得稳定的强度测量。
• 虚拟光学通过将数字计算与物理X射线波场调控相结合，有望减少对复杂光学硬件的依赖，并增强成像系统的灵活性。
• 未来紧凑型X射线源有望弥合基于同步辐射的原理验证实验与医学和工业中实际应用之间的差距，提升可及性与可转化性。