20o6年 工程图学学报 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS 2006 No.4 第4期 基于Zernike相衬法的相衬成像探索 刁麓弘 ,2一, 李 华 2, 于 斌4, 彭 翔4, 牛憨笨4 (1.中国科学院计算技术研究所智能信息处理重点实验室,北京100080; 2.中国科学院计算技术研究所智能中心,北京100080;3.中国科学院研究生院,北京100080; 4.深圳大学光电子学研究所,广东深圳518060) 摘 要:传统CT由于利用人体组织对x光的吸收进行成像具有很大的局限性。利 用相位衬度对物体成像可以获得更高的对比度和分辨率,因此相衬成像成为近年来研究的热 点。但是目前相衬图像的获取十分困难,一般需要利用第三代同步光源。为了摆脱物理手段 的限制和探索图像相位信息的意义,提出了一种基于Zemike相衬法处理医学图像的方法, 并对该方法进行了分析。实验表明,结果图像呈现出了相衬成像的特点。 关键词:计算机应甩;医学图像处理;相衬成像;Zemike相衬法 文章编号:1003.01 58(2006)04.0100.05 中图分类号:TP 391 文献标识码:A Exploration of Phase Contrast Imaging Based on Zernike Phase Contrast Method DIAO Lu.hong ,2 ,LI Hua 一,YU Bin ,PENG Xiang ,NIU Han.ben (1.KeyLaboratoryofIntelligentInformationProcessing,Institute ofComputing Technol0g ChineseAcademyofScience,Beijing100080,China; 2.NCIC,ChineseAcademyofScince,Beiejing100080,China;3.GraduateUniversity,ChineseAcademyofScince,Beiejing100080,China; 4.Insitute tofOptoelectronic,Shenzhen Universiy,Shenzhen tGuangdong 518060,China) Abstract:Traditional CT has a great limimtion because its image iS produced based on the X-ray absorbed by human tissue.Phase contrast imaging can get high-resolution and hi曲-contrast images by using the change of phases to display the object.Then phase contrast imaging has been paid much attention to in recent years.HoweveL phase-contrast images’acquisition is very diiculft now.In general,it needs to be resorted to third-generation synchrotron light sources.In order to break the limit of physics implementation and discuss the meaning of images phase information,a method to process medical images based on he Zemitke phase-contrast method is presented.Experiments show that the produced images have the characteristics of phase contrast imaging. Key words:computer application;medical image processing;phase contrast imaging; Zemike phase-contrast method 收稿日期:2006—03—29 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(60532090):中国科学院计算所青年基金资助项目(20056600—17) 作者简介:刁麓弘(1978一),男,山东济南人,博士研究生,主要研究方向为计算机图形学与图像处理。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 刁麓弘等:基于Zernike相衬法的相衬成像探索 CT作为可以探测人体内部信息的医疗设备 现在已经成为一种重要的辅助诊断手段。它根据 x光穿过人体后的强度衰减,利用radon逆变换 反求人体各组织器官的衰减系数,然后进行显 示。因此,对于衰减因子很小的器官和组织,传 统的CT图像很难清楚地对它们进行描述,这也 是CT成像的主要局限性之一。其他医学成像方 式,如MRj、PET、超声等目前的分辨率和灵敏 度都相对比较低;而新发展的方法,如光学相干 层析成像,虽然精度较高,但穿透深度受到很大 限制。为了获得更高质量的图像,Davis【1]和 Wilkins/2]分别于1995年和1996年发表了关于x 射线相衬成像的奠基性工作。他们将相位信息引 入x射线成像,为传统x射线成像科学开辟了 一个崭新的研究领域L3J。光线在传播的过程中会 发生强度和相位的两种变化:强度变化是由传播 媒介的衰减因子造成的,而相位的改变则与媒介 的折射率有关。对于衰减因子很小的物质,由该 物质的折射率变化所引起的光线的相位变化幅 度仍然相对很大。一般认为,两者之间的差距会 达到3~5个数量级。利用相位衬度实现成像的最 大优点在于,即使物质对光线的吸收微弱到无法 探测,人们也有可能通过探测光线相位的变化来 实现对弱吸收物质的成像。这有望克服传统成像 方式中的图像对比度低,活体数据难以获得等困 难,因此也越来越成为当前研究的热点L4卜L7J。但 是目前x射线相衬成像的理论与成像机制还不 成熟,对它的研究也大多停留于这两个阶 段嗍~【l0J。因此,x射线相衬图像的获取还十分困 难。图像处理中对于相衬成像的研究大都是针对 MR相衬图像的【¨J~【 J。 为了摆脱物理探测手段的限制,分析图像的 位相结构与相衬成像的关系,作者将傅立叶变换 与Zemike相衬法相结合,提出了一种新的图像 处理方法并分析了处理后的结果。这种方法首先 利用傅立叶变换对医学图像的相位信息进行提 取,然后将获得的相位信息按频率进行滤波,最 后进行重建。实验表明:处理后的图像含有更加 丰富的信息并且出现了边缘增强的效果,这些均 符合相衬图像的特点,同时也说明合理改变图像 相位结构可以显示出更多的图像信息。 1 Zernike相衬法 人眼和一般的成像系统都是根据光线的强度 成像的,光强的变化与振幅有关。因为位相物体 (只有空间的位相结构而透明度一样的物体,如 生物切片,油膜以及热塑等)只改变入射光的相 位而不影响其振幅。因此,为了显示位相物体, Zernike提出了一种将物的位相结构转换成像的 对比度的方法L1 。他使用一个使零频衰减同时相 移90。的位相板进行空间滤波,使像平面上光强 分布近似正比于物体的位相分布。Zernike相衬 法奠定了现代显微镜的基础,利用这种技术可以 直接观察生物切片中的活体组织,而无需对它们 染色。 位相物函数f(x)总是可以写成e 的形 式(为简便本节所举的例子为一维函数,其中 是物体的坐标, ( )是物体的位相分布)。当 ( )很小时,可以对函数做如下展开 f(x)=1+iq ̄(x) 若忽略相干光学的有限孔径的影响,则物的频谱 为 F( )=e(1+f ))P = ( )+ ( ) 其中 5(v )是狄拉克函数。Zemike相板的光学 传递函数可写成 日 V ={± 三 : 其中 ,,是衰减因子,V0代表滤波的频谱平面上 的范围。由上可知,经滤波后物体的频谱变为 ,’(1, )=F(v ) (1,)=±f (1, )+i ̄a(v ) 所以,物体的像函数可以写成 ∞ … 、 f’( )=I F’( )Pu d =±f +f ( ) 于是,像平面上可观察到的光强度为 l(x)=f’( ) ’木 )=y2±2 ( )+一 ( ) 厂’木 )是像函数厂’( )的共轭。当 (】:)很小时, 维普资讯 http://www.cqvip.com
工程图学学报 2006生 光强度可以近似看作与 ( )成iEL ̄,。 2该文对医学图像的处理 Zemike相衬法的实现需要有相应的物理手 段的保证,这也给它的应用带来了限制。但是在 计算机处理中则没有这样的要求。本文设计了新 的传输函数,对原来的方法进行了改进,并充分 借鉴了其中的思想:通过数学变换突出了图像的 相位信息。 首先,对图像f(x,y)做二维离散傅立叶变 换,提取图像的相位信息 F( Vy) 赤 荟八 k1 N N 2)WNhⅣ^和Nw是图像的高度和宽度。然后,设计一个 新的传输函数 (1, ,Vy),对图像进行处理 , )=月 , ) , )= l砘,Vy)+iPc(b-[vx, , I 盹, ) >Vo 传输函数H(v ,Vy)的作用是将滤波范围1,0内频 谱函数的实部转化为虚部。最后将滤波后得到的 频谱函数做傅立叶逆变换重建新的图像 厂’( ),) 八 ): l "w兰 ,( 3结果与分析 图l至图4是利用第2节的方法对医学图像 处理的结果,左图均为原图,右图是处理过的图 像。滤波范围均选择为√10。可以看出,处理后 的图像显示出更加丰富的信息,特别是包含衰减 因子较小的组织与器官的区域。另外,处理后的 图像也出现了边缘增强的效果。这些特点与相衬 成像的性质是相符的,这说明直接利用图像的相 位信息模拟相衬图像的生成是可行的。 经过分析可知:这种对图像处理的方法,其 本质是改变图像函数的对称部分和不对称部分 在低频分量的分布。图像函数f(x,Y)可以写成 偶函数与奇函数的和 f(x,Y)=妄[厂( , )+厂(一 ,一 )】+ 去[厂( , )一厂(一 ,一Y]=P( ,Y)+D( ,Y) 偶函数e(x,Y)和奇函数o(x,Y)可以分别看作图 像的对称和不对称的部分。根据傅立叶变换的性 质可知,频谱函数F(v ,Vy)的实部经傅立叶逆 变换后得到e(x,Y),虚部的重构结果是o(x,Y)。 设e(x,Y)和o(x,Y)在低频部分的分量分别为 ez(x,Y)和ol( ,Y),对el( ,Y)和ol( ,Y)作二 维离散傅立叶变换 巧( ,V )= 赢 ( ( , )+D』( ), : ( ,Vy)+iO ̄(Vx,V ) 经传输函数H(v ,Vy)滤波后, ’(Vx,1, )= F( ,vy)H(v ̄, ):i(Ez(v ̄, )+0:r( ,Vy)) 对 ’(1, ,Vy)进行逆傅立叶变换重构 ’( ,Y)= 1"∑Vo 窖 : oz(x, )+ie ̄(x,J,) 所以 = 一 If,・I=D』+ 一√ = _e l一 以上的实验结果与分析表明:改变图像的相位分 布,突出图像的相位信息,可以获得更多的图像 信息。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 刁麓弘等:基于ZerMke相衬法的相衬成像探索 图1人体胸部的CT图像1 图2人体肺部的CT图像2 图3人体腹部CT图像1 图4人体腹部CT图像 维普资讯 http://www.cqvip.com
・104・ 工程图学学报 2006血 4未来的工作 相衬成像研究目前尚处在刚开始的阶段,作 者所作的工作主要是摆脱了物理探测手段的限 制,探索利用相位信息的生成具有相衬成像特点 图像的可行性。应该说,经过傅立叶变换提取的 相位信息与物体的相位分布的概念并不相同。如 何正确提取更加有用的相位信息,是下一步工作 的重点。另外,脱离了物理手段的限制,如何充 分利用数学变换的性质来构造较好的传输函数 和确定滤波范围,以取得更好的图像效果,也是 下一步的主要工作之一。 参考文献 Davis T J,Gao D,Gureyev T E,et a1.Phase-contrast imaging of weakly absorbing materials using hard X-rays[J】.Nature,1995,373:595—598. Wilkins S W,Gureyev T E,Gao D,et a1. Phase—contrast imaging using polychromatic hard X-rays[J】.Nature,1990,384:335—338. Fitzgerald R.Phase-sensitive X-ray imaging[A】.In: Physics Today[C】.2000.23—26. Nugent K A,Gureyev T E,Cookson D J,et a1. Quantitative phase imaging using hard X-rays[J】. Plays.Rev.Lett.1996.77:2961—2964. Momose A,Fukuda J.Phase constrast radiography of nonstained rat cerebellra specimen[J】.Med.Phys., 1 996,22:375—380. Cloetens P,Ludwig W,Baruchel J,et a1. Holotomography:Quantitative phase tomography with micrometre resolution using hard synchrotron radiation X—rays[J】.App1.Phys.Lett.,1999,75: Ⅲ 2912-2914. [7】 Chapman D,Thomlinson W,Johnston R E,et a1. Diffraction enhanced X-ray imaging[J].Phys.Med. Bio1.,1997,42:2015-2025. [8】PaganinD,Mayo SC,GureyevTE,eta/.Simultaneous phase nad ampliutde extraction from a single defocused image of a homogeneous object[J】_J.Microscopy, 2002,206:33—40. 【9】Momose A.Nuc1.Instrum[J].Meth.A.,1995,352: 622. [10】Paschal CB,Carroll FE,Worrell JA,et a1.Volumetric monochromatic X-ray tomography ofthe lungs[A].In: Computer Tomography[C】.2003.5—10. 【l1】 Wink O,Niessen W J,Viergerver M A.Fast delineation and visualization of vessels in 3-D nagiographic images[J】.IEEE Transactions on Medical Imaging,2000,1 9(4):337—346. [12】 Wong A L N,Liu Huafeng;Shi Pengcheng. Segmentation of myocardium using velocity field constrained front propagation[A】.In:Proceedings. Sixth IEEE Workshop on Applications of Computer Vision,2002.(WACV 2002)[C】.2002.84—89. [1 3】Bogren H G Buonocore M H.Four-D blood flow patterns in the thoracic aorta in patients wiht CAD compared to age-matched normal subjects[A】.In: Proceedings.International Workshop on Medical Imaging nadAugmented Reality[C】.2001.72—76. [1 4】Fatouraee N,Amini A A.Regularization of flow streamlines in multislice phase—contrast MR imaging[J】.IEEE Trnasactions on Medical Imaging, 2003,22(6):699—709. 【15】母国光,战元令.光学[M].北京:人民教育出版社, 】978.395—397.
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