XRF—mapping 图像处理方法的研究

卢浩浩　卜祥晒　田旺　王晓华　刘成林

【摘 要】本文借助Matlab软件分别采用四种不同的插值方法对元素成像的结果进行优化，并进行图像质量的评价，可以看出：Cubic插值法具有很好的优化图像的效果。其次，不同的插值点数，所形成的图像质量也不相同，综合图像质量和数据处理的时间，插值点数是1000时，图像已基本达到理想的状况。最后，将优化的结果用于胃肿瘤组织的微量元素分析，所反映的元素相对含量和分布特征与实际情况基本一致，从而说明图像优化是可行的。

【关键词】元素成像；图像优化；图像质量评价；MATLAB

0 引言

同步辐射是一种高强度、宽谱带的光源，使得基于同步辐射的X射线荧光分析方法（SR-XRF）能够测量活的、湿的样品中元素含量的动态变化。同步辐射X射线荧光分析在生物医学、地学研究、环保和考古等方面有着广泛的应用[1-3]。同样地，同步辐射X射线荧光分析在肿瘤早期诊断上也存在着明显的优势[4-5]。但是由于同步辐射实验的机时有限，生物样品采集数据的时间较长，因而使的采集的数据有限，使得绘制出的元素图像并不是特别的理想，都是十分的粗糙[6]。因此，有必要对实验数据进行优化处理。

数据分析和处理在各个领域有着广泛的应用，MATLAB本身有着强大的数据分析和处理功能[7-8]。插值法作为数值分析的理论基础，有着十分丰富的内容。插值（interpolation）是指在所给的基准数据情况下，研究如何平滑地估算出基准数据之间其他点的函数数值。每当其他点上函数值若获取的代价比较高时，插值就会发挥作用。插值法包括lagrange插值、Newton插值、Hermite插值、分段低次插值、样条插值等[9-12]。它们均在数值计算领域发挥着不同程度的作用。在MATLAB中提供多种插值函数在获得数据的平滑度、时间复杂度和空间复杂度方面有着完全不同的性能[13]。

因此，本文利用MATLAB软件对实验数据进行插值处理后优化元素图像，进而达到提高图像质量的效果。

1 XRF-mapping图像的优化方法及比较

1.1 四种插值方法的比较

在相同插值点数下，不同插值方法（cubic插值、linear插值、nearest插值、spline插值）所成平面图像之间的比较。

图1为根据采集数据形成的元素分布图，可以看出：图像有点模糊，对观看稍有妨碍，其对应的绝对测量尺度为一般。再做不同插值法对比时，以图1为参照标准。

图2为四种插值方法的所形成平面图的比较，以图1为参照标准。在相同插值点数的情况下，可以看出：cubic插值和spline插值方法所形成的图像优化程度较好，图形并未出现模糊现象，也没有出现边境棱角分裂现象，其对应的绝对测量尺度为非常好。Linear插值图形棱角较分明，其对应的绝对测量尺度为好。Nearest插值方法所形成的图像特别模糊，其对应的绝对测量尺度为特别差，所以这两种插值方法优化程度不太好。因此，在优化图形时，选用cubic插值和spline插值可以形成较好的优化图形。

1.2 不同插值点所形成图样的比较

对同一插值方法（cubic插值）四种不同插值点数，所形成的二维图像进行对比分析。

图3为四种不同插值点数所形成平面图的比较。在相同插值方法的情况下，可以看出：插值点为2和5时，图像难以分辨出元素的分布；插值点为10时，图像特别模糊，无法分清元素分布情况，其对应的绝对测量尺度为差。这两种情况下，所反映出来的元素相对含量的最高值只有实际的一半，显然是不正确的。插值点数为100时，图像较前两图清晰了不少，基本满足清晰条件，其对应的绝对测量尺度为好，但相对含量比实际的最高值小了一点，即存在一定的偏差。当插值点数为1000，所形成的图形特别清晰，优化的图像很好，其对应的绝对测量尺度为非常好，显示出的相对含量与实际情况基本一致。当插值点更多时，生成的较大的存储档，严重影响计算机的运行速度，如插值点达到10000时，个人计算机运行卡顿（所用电脑配置为core i7处理器和8 G存储器），只有在计算机工作站上才能完成运算。所以，在优化图形时选取插值点为1000，可以优化出很好的元素图像，同时又不影响计算机的正常运行。

2 结论

根据前面的讨论，在相同插值点数的情况下选用cubic插值和spline插值可以形成较好的优化图像；在相同插值方法的情况下，考虑到现有计算机的运行能力，选取插值点为1000，可以优化出很好的元素图像。因此，在cubic插值方法下选择插值点数为1000时，所形成的元素图像较好。

通过对实验中采集到的数据进行优化处理后，显示出来的“胃肿瘤组织中的微量元素的相对含量和分布规则”等特征没有受到影响，但优化处理后的微量元素分布的特征更加明显，如在胃肿瘤组织中微量元素则相对集中于癌巢的区域。因此，对同步辐射X射线荧光分析中采集的数据在mapping时进行插值优化处理是可行的。

致谢

感谢国家自然科学基金项目（11175152）的资助；感谢中科院北京高能物理研究所北京同步辐射荧光实验站的陈栋梁研究员、徐伟副研究员等在实验上的帮助。

【参考文献】

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[责任编辑：杨玉洁]