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本文研究在全息测量方式下相位衬度断层成像的重建算法。X射线照射到物体上所产生的总场(入射场与散射场的和)已有如下的描·在物体内部,有两种近似模型(1)直线传播表示模型:将x射线在物体内的传播路径看作直线。
(2)Born近似表示模型:利用高阶Born近似来模拟物体内的散射场。
·在物体外部,利用Fresnel衍射来描述散射场在物体与探测器之间的自由空间中的传播。
基于以上对空间中的总场的描述,本文提出了相应的相位衬度断层成像算法,具体内容包括:
(1)基于物体内部总场的直线传播表示模型,本文利用牛顿法求解相位和场强满足的非线性方程,从而得到射线穿过物体后的相位分布,然后结合滤波反投影算法得到基于相位恢复的相位衬度断层成像算法。与相同正问题描述下已提出的算法的比较说明,本文提出的基于相位恢复的算法的优势在于:对探测器的位置不要求限制在Fresnel区域的近场;同时适用于对弱吸收物体和强吸收物体的相位系数的重建,重建结果的平均相对误差为3%。
(2)基于物体内部总场的Born近似表示模型,本文提出了计算散射场的高阶Born近似的算法,并利用圆柱体对平面波的散射产生的散射场数据对该算法的有效性进行了检验。然后,基于对正问题的描述,本文利用简化牛顿法提出了基于高阶Born近似的相位衬度断层成像算法。数值实验的结果表明,对于强散射物体(物体产生的散射场不能以其一阶Born近似来精确描述),利用基于高阶Born近似的算法得到的重建结果的平均相对误差值为3%~4.5%,而利用已提出的基于一阶Born近似的算法得到的重建结果的平均相对误差为5.6%~16%。因此,基于高阶Born近似的算法减小了基于一阶Born近似的算法的重建误差。
对本文提出的两个算法下的数值实验结果的比较表明:
(1)对于内部总场的直线传播近似成立的物体,例如数值实验中的尺寸远大于波长的椭圆体,基于相位恢复的算法下的重建结果在重建区域上的平均相对误差为3%,而基于高阶Born近似的算法下的重建误差为3%~3.3%。同时,中心切片的图像误差比较显示,基于相位恢复的算法下的重建误差要比基于高阶Born近似的算法下的重建误差低0.4%~0.6%。
(2)对于内部总场的衍射效应不能被忽略的物体,例如数值实验中的直径仅为波长的20倍和125倍的圆柱体,基于高阶Born近似的算法下的重建结果的平均相对误差为4.5%~5.6%,而基于相位恢复的算法得到的重建结果的平均相对误差在200%以上。