基于主成分分析的圖像融合方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種融合吸收、微分相位對比度和暗場(散射)信號的方法，上述信號采用x射線相位對比度靈敏技術獲得，如光柵裝置。該新的方法通過主成分分析(PCA)融合吸收和暗場信號；進一步地，微分相位對比度被合并至該PCA融合圖像中，以獲得邊緣增強效應。由于其普遍的可應用性以及其在使用中的簡單性，所提出的發(fā)明期望變成用于使用相位對比度成像的圖像融合方案的標準方法，特別是在醫(yī)學掃描儀(例如人體乳房x射線照相設備)、工業(yè)生產(chǎn)線上的檢查、非破壞的測試以及國土安全方面。
【專利說明】基于主成分分析的圖像融合方法
[0001]本發(fā)明涉及一種基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)和暗場(DFI)信號的微分相位對比度成像的主成分分析(PCA)進行圖像融合的方法。
[0002]眾所周知，不同于傳統(tǒng)的可見光光學器件，X-射線光學器件的折射率非常接近于并且小于I。在一級近似中，對于介質(zhì)中的小的并且可忽略的各向異性，表征組織的光學性質(zhì)的折射率可用其復數(shù)形式表示為-包括X-射線吸收:
[0003]η = 1- δ -1 β ,
[0004]其中δ是折射率的實部的減量，表征相移特性，而虛部β描述了樣品的吸收特性。在傳統(tǒng)的以吸收為基礎的放射攝影術中，X-射線的相移信息通常不直接用于圖像重建。然而，在光子能量大于10千電子伏時并且對于輕型材料(由低-Z元素組成)來說，相移項扮演比衰減項更加重要的角色，因為δ典型地是β的一千倍。因此，與傳統(tǒng)的以吸收為基礎的成像相比，相位對比模態(tài)能夠產(chǎn)生明顯更大的圖像對比度。而且，遠離吸收邊緣，δ與X-射線能量的平方成反比，而β隨著能量的四次方減小。這種機制的一個顯著后果是，相位信號可通過比吸收低得多的劑量的沉積來獲得，當輻射損傷必須加以考慮時，例如在生物樣品或者生命系統(tǒng)中，這是一個非常重要的問題。
[0005]為了記錄相位信號，已經(jīng)開發(fā)了多種方法。它們可以被分為干涉測量方法(使用晶體)、相位傳播方法，基于分光晶體或者基于X-射線光柵的技術。所描述的發(fā)明在上下文中使用任何上述的技術，假定吸收、微分相位和暗場信號是可獲得的，因為在歐洲專利申請ΕΡ10167569和國際專利申請W02010/089319中提供了在光柵于涉測量法情況下的細節(jié)。
[0006]基于光柵的X-射線成像
[0007]基于光柵的X-射線成像設置可同時產(chǎn)生三種不同的信號:傳統(tǒng)的吸收對比度(AC)信號，由折射引起的微分相位對比度(DPC)信號[1]，以及由樣品中雜質(zhì)上的散射引起的所謂的暗場圖像(DFI)對比度信號[2]。DPC圖像信號可用于通過圖像處理例程[3，4]獲得相位對比度(PC)圖像?？梢詰镁哂须p光柵(Gl和G2)或者三光柵(G0，G1和G2)的設置來記錄X射線的偏轉(zhuǎn)。
[0008]在雙光柵設置的情況下，源需要符合涉及其空間相干性的一定的要求，而在三光柵的設置中不要求空間相干性[5，6]。因此，三光柵設置適于與非相干X射線源一起使用，特別是與X-射線管一起使用。圖1示出了用于X射線成像的雙光柵設置(上圖)和三光柵設置(下圖)的現(xiàn)有技術。當源尺寸大于P2*l/d時，GO光柵是必須的，其中p2是G2的周期，I是源和Gl之間的距離，而d是光柵Gl和G2之間的距離。
[0009]為了將傳統(tǒng)的衰減對比度(AC)與DPC和DFI對比度分離，通常應用相位步進的方法。光柵中的一個與入射光束橫向地位移，同時獲取多個圖像。在探測器平面內(nèi)的每個像素處的強度信號作為該位移的函數(shù)振動。振動的平均值表示衰減對比度(AC)。該振動的相位可被直接關聯(lián)到波前相位輪廓，從而關聯(lián)到DPC信號。該振動的振幅依賴于X-射線在目標物中的散射，因此產(chǎn)生DFI信號。
[0010]對于(兩個或者三個)光柵，一些方法已經(jīng)被提出并且應用。光柵GO(如果需要的話)是最接近X射線源的一個。它通常由具有周期為PO的吸收線的透射光棚組成。它可被只從具有相同周期的線發(fā)出輻射的源代替。光柵Gl被放置在源的更下游。它由具有周期Pl的線組成。光柵G2是該設置中最下游的一個。它通常由具有周期為p2的吸收線的透射光柵組成。它可被具有與光柵類似的靈敏度并且具有相同周期的探測器系統(tǒng)代替。
[0011]可區(qū)分兩種類型的設置:所謂的“近場類型”和“塔爾博特(Talbot)類型”。在“近場類型”中，光柵周期P，光柵距離d以及X射線波長λ可這樣選擇，使衍射效應可忽略不計。在這種情況下，所有的光柵需要由吸收線組成。在Talbot類型中，在光柵結構上的衍射是顯著的。兩種類型之間的明確區(qū)分是不能很容易地給出的，因為確切的標準依賴于光柵結構的占空比以及光柵是吸收還是相移。例如，對于具有吸收線和占空比為0.5的光柵，“近場類型”的條件為d ^ ρ2/2λ。這里Gl應當由光柵線組成，這些光柵線是吸收的或者優(yōu)選地是相移的。相移的幾種數(shù)量都是可能的，優(yōu)選為η/2或者其倍數(shù)。光柵周期必須與光柵之間的相對距離相匹配。在“Talbot類型”中的設置情況下，需要考慮Talbot效應，以獲得好的對比度。用于光柵周期和距離的公式記載在[8]中。樣品大多置于Gl的GO之間(或者在雙光柵設置的情況下置于Gl的上游)，然而，將樣品置于Gl和G2之間可能是有利的[9]。
[0012]本發(fā)明與上述的所有情況都是相關的，也就是在雙光柵和三光柵情況下，在“近場類型”和“塔爾博特類型”情況下，以及樣品置于Gl的上游或者下游。此外，這里介紹的發(fā)明還與如在[10，11]中建議的以掃描為基礎的系統(tǒng)結合，或者用于如[12]中建議的平面光柵幾何形狀。
[0013]對于探測器上的每個像素，如果已知在有以及沒有樣品的情況下的強度曲線的平均值、相位和能見度則可以計算吸收(AC)、微分相位(DPC)以及暗場(DFI)信號[1，2]。
[0014]因為基于光柵的X射線干涉儀記錄三種通過不同的物理量所產(chǎn)生的信號，所以產(chǎn)生的問題是如何有效地將這些信號融合到一個單個的圖像中。
[0015]因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于這樣的圖像融合的方法，以集成來自多個圖像的互補的以及冗余的信息 至一個單個的輸出圖像中。例如，圖像融合可以在當今的醫(yī)學成像中起到非常重要的作用。合并后的圖像可導致在單個圖像中不能被明顯探測到的額外的臨床信息，并從而導致更準確的診斷。
[0016]這些目的根據(jù)本發(fā)明通過圖像融合的方法來實現(xiàn)，其中圖像融合是基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)以及暗場(DFI)信號的微分對比度成像的主成分分析(PCA)，該方法包括如下步驟:
[0017]a)收集一系列的2D圖像，每個圖像包括以吸收為主的像素和/或以微分相位為主的像素和/或以暗場為主的信號；
[0018]b)通過對以吸收為主的像素和以微分相位為主的像素和以暗場為主的像素中的每一個進行列式的像素值提取，獲得向量圖像；
[0019]c)通過主成分分析(PCA)融合以吸收為主的像素和以暗場為主的像素的向量圖像，以產(chǎn)生PCA融合圖像；以及
[0020]d)通過空間的空間方法、傅里葉空間方法或者其它合適的圖像融合方案，如PCA，將以微分相位為主的像素的向量圖像合并至對應的PCA融合圖像中。
[0021]本發(fā)明因此提供一種用于圖像融合的方法，其將來自多個圖像的互補以及冗余的信息集成至單個輸出圖像中，合并后的圖像導致在單個圖像中不能被明顯探測的額外的臨床信息，并且因此導致更準確的診斷。
[0022]該方法需要提供合適的設置。微分數(shù)據(jù)優(yōu)選從用于X射線、特別是硬X射線的裝置獲得，該裝置用于從樣品中獲得量化的X射線圖像，該裝置包括:
[0023]a) X射線源(X射線)；
[0024]b)至少所謂的第一光柵(Gl)和第二光柵(G2)；
[0025]c)具有多個單獨像素的、具有空間調(diào)制探測靈敏度的位置靈敏的探測器(PSD)；
[0026]d)用于記錄所述探測器(PSD)的圖像的器件；
[0027]e)用于評估一系列圖像中每個像素的強度的器件，以便為作為以吸收為主的像素和/或以微分相位對比度為主的像素和/或以X射線散射為主的像素的每個單獨的像素識別目標物的特征；
[0028]f)其中所述一系列圖像通過連續(xù)地或者逐步地將樣品或者所述裝置以及源相對于樣品從O旋轉(zhuǎn)至π或者2π來收集。
[0029]典型地，這些圖像通過在近場類型或者塔爾博特類型下操作的設置來獲得。優(yōu)選地，第一光柵是被設計成吸收光柵或者相位光柵的線光柵，所述相位光柵是低吸收光柵，但是產(chǎn)生相當大的X射線相移，后者優(yōu)選為η或者其奇數(shù)倍。
[0030]在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，第二光柵是具有高的X射線吸收對比度的線光柵，其周期與第一光柵的自圖像的周期相同，其中第二光柵優(yōu)選置于緊靠探測器的前方，其線平行于第一線光柵的線。
[0031]用于近場類型和塔爾博特類型的典型裝置在下文中給出。對于近場類型的操作，第一和第二光柵之間的距離在該類型內(nèi)可自由選擇，而對于塔爾博特類型可根據(jù)下式選擇:
【權利要求】
1.一種基于用于合并吸收(AC)、微分相位(DPC)和暗場(DFI)信號的微分相位對比度成像的主成分分析(PCA)進行圖像融合的方法，包括如下步驟: a)收集一系列的二維圖像，每個圖像包括以吸收為主的像素和/或以微分相位為主的像素和/或以暗場為主的信號； b)通過對以吸收為主的像素和以微分相位為主的像素和以暗場為主的像素中的每一個按列進行像素值的提取，獲得向量圖像； c)通過主成分分析(PCA)融合以吸收為主的像素和以暗場為主的像素的向量圖像，以產(chǎn)生PCA融合圖像；以及 d)通過空間的空間方法、傅里葉空間方法或者其它合適的圖像融合方案，例如PCA，合并以微分相位為主的像素的向量圖像至對應的PCA融合圖像中。
2.如權利要求1所述的方法，其中微分數(shù)據(jù)通過X射線、特別是硬X射線的裝置獲得，所述裝置用于從樣本中獲得量化的X射線圖像，該裝置包括: a)X射線源(X射線)； b)至少所謂的第一光柵(Gl)和第二光柵(G2)； c)具有多個單獨像素的、具有空間調(diào)制探測靈敏度的位置靈敏的探測器(PSD)； d)用于記錄所述探測器(PSD)的圖像的器件； e)用于評估一系列圖像中每個像素的強度的器件，以便為作為以吸收為主的像素和/或以微分相位對比度為主的像素和/或以X射線散射為主的像素的每個單獨的像素識別目標物的特征； f)其中所述一系列圖像通過連續(xù)地或者逐步地將樣品或者所述裝置從O旋轉(zhuǎn)至π或者2 31以及將源相對于樣品從O旋轉(zhuǎn)至31或者2 31來收集。
3.根據(jù)權利要求1或者2所述的方法，該方法在近場類型或者塔爾博特類型下操作。
4.根據(jù)上述權利要求1-3中任一所述的方法，其中第一光柵(Gl)是線光柵(G1)，其設計為吸收光柵或者是低吸收光柵但是產(chǎn)生相當大的X射線相移的相位光柵，該X射線相移優(yōu)選是η或者其奇數(shù)倍。
5.根據(jù)上述權利要求1-3中任一所述的方法，其中第二光柵(G2)是具有高的X射線吸收對比度的線光柵，其周期與所述第一光柵(Gl)的自圖像的周期相同，其中第二光柵(G2)優(yōu)選放置在緊靠探測器(PSD)的前方，其中第二光柵的線與第一線光柵(Gl)的線平行。
6.根據(jù)上述權利要求1-5中任一所述的方法，其中對于近場類型操作，第一和第二光柵(G1，G2)之間的距離在該類型中自由選擇，并且對于塔爾博特類型根據(jù)下式選擇:
7.根據(jù)上述權利要求1-6中任一所述的方法，其中相位步進是通過一個光柵(G0，G1或者G2)相對于其它一個或多個光柵的機械移位來執(zhí)行的。
8.根據(jù)上述權利要求1-7中任一所述的方法，其中光柵結構根據(jù)歐洲專利申請10167569.2中所主張的方法，采用平面技術制造。
9.根據(jù)上述權利要求1-8中任一所述的方法，其中微分相位信息根據(jù)歐洲專利申請10167569.2中所主張的方法獲得。
10.根據(jù)上述權利要求1-9中任一所述的方法,其中第一光柵(Gl)和第二光柵(G2)之間的相位關系準確地對應于使用一級泰勒級數(shù)展開的強度曲線的值，并且微分相位信息根據(jù)國際專利申請W02010/089319AI中所主張的方法獲得。
11.根據(jù)上述權利要求1-10中任一所述的方法，其中PCA融合圖像通過第一主成分與以下數(shù)據(jù)矩陣的乘法來計算
/ —e, = e;'.I = λ、xIAC + S2 x Idfi，
其中 ei = [S1, s2]T。
12.根據(jù)上述權利要求1-11中任一所述的方法，其中PCA融合圖像通過對以吸收為主的像素和以微分相位為主的像素和以暗場為主的像素的向量圖像執(zhí)行PCA來產(chǎn)生。
13.根據(jù)上述權利要求1-12中任一所述的方法，其中所述以微分相位為主的像素被合并到PCA融合圖像中，以通過空間的空間操作，傅里葉空間操作或者其它圖像融合方案得到邊緣增強效應。
14.根據(jù)上述權利要求1-13中任一所述的方法,其中一種用于將以微分相位為主的像素合并到PCA融合圖像中的空間的空間方法是通過以下公式得到
Ifuse — I_ei+ 3 X I Idpc I， 其中比例值S控制邊緣增強效應有多強。
15.根據(jù)上述權利要求1和11-14中任一所述的方法，其中吸收，微分相位對比度以及暗場信號通過不同于光柵的替代方法來提供。
16.根據(jù)上述權利要求1-15中任一所述的方法，該方法用于在收集的二維圖像的三維重建之前或者之后，融合以吸收為主的像素、以微分相位為主的像素以及以暗場為主的像素。
【文檔編號】G01N23/20GK103858002SQ201280038053
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年7月20日 優(yōu)先權日:2011年7月28日
【發(fā)明者】M·斯塔帕諾尼, Z·王 申請人:保羅·謝勒學院