專利名稱：X射線暗場成像系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線成像領(lǐng)域，具體地涉及利用X射線對物體進行暗場成像的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)例如CT的設(shè)備中，利用X射線對物體進行掃描成像得到了廣泛地應(yīng) 用。但是，傳統(tǒng)的X射線成像利用材料對X射線的衰減特性來非破壞性地檢查物體的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)，這屬于X射線的明場成像的技術(shù)。在光學成像領(lǐng)域，暗場(Dark field)成像顯著區(qū)別于明場(Brightfield)成像。 暗場成像是利用非直射光(例如散射光、衍射光、折射光和熒光等)對物質(zhì)進行成像的技 術(shù)。其中，可見光和電子的暗場成像技術(shù)的研究較早，其在科學研究、工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域和 生物領(lǐng)域等中得到廣泛地應(yīng)用。在硬X射線成像領(lǐng)域，傳統(tǒng)硬X射線成像技術(shù)使用直射X射 線對物體進行成像，即采用的是明場成像技術(shù)。對于暗場成像，由于硬X射線獨特的光學性 質(zhì)，所需的光學元件制作非常困難，所以硬X射線的暗場成像一直難以較佳地實現(xiàn)。20世紀 九十年代，隨著第三代同步輻射源的發(fā)展和精密的硬X射線光學元件制作水平的提高，硬X 射線暗場成像技術(shù)的研究得到了一定的發(fā)展，但與同時期發(fā)展起來的硬X射線相襯成像技 術(shù)相比，硬X射線暗場成像由于信號量少、探測比較困難、成像時間長，一直得不到足夠的 重視。然而，硬X射線的暗場成像技術(shù)在對物質(zhì)內(nèi)部微細結(jié)構(gòu)分辨和探測能力上相對于 明場成像和相襯成像具有獨到的優(yōu)勢。硬X射線暗場成像技術(shù)通過物質(zhì)對X射線散射能力 的差異來對物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行成像。由于硬X射線的散射在微米量級或甚至納米量級尺 度，因而硬X射線暗場成像技術(shù)能夠看到硬X射線明場成像和相襯成像都無法分辨到的物 質(zhì)內(nèi)部超微細結(jié)構(gòu)。近年來，有研究者提出將基于同步輻射光源的使用晶體的硬X射線暗場成像技術(shù) 應(yīng)用到軟骨組織診斷、早期乳腺癌診斷成像上，并取得了優(yōu)于硬X射線明場成像的圖像效 果。但是，由于同步輻射裝置體積龐大、造價昂貴、視場小，極大限制了硬X射線暗場成像技 術(shù)在醫(yī)學臨床和工業(yè)檢測上的廣泛應(yīng)用。2008年，開發(fā)出了光柵成像技術(shù)，使得硬X射線暗場成像擺脫了同步輻射光源的 束縛和依賴。在通用X光機的條件下，實現(xiàn)了大視場的硬X射線暗場成像，這極大降低了硬 X射線暗場成像技術(shù)的應(yīng)用門檻。2008年初，瑞士的Pfeiffer等人在通用X光機上使用光 柵基于Talbot-Lau干涉法實現(xiàn)了大視場(例如，64mmX64mm)的硬X射線暗場成像。這種 光柵式的硬X射線暗場成像技術(shù)能夠很好地區(qū)分塑料和橡膠兩種材料，還能觀察到雞翅的 骨頭和肌肉組織中超微細的結(jié)構(gòu)。從2006年開始，清華大學的黃志峰等人進行了基于通用 X光機的光柵式的硬X射線相襯成像技術(shù)的相關(guān)研究工作，并且在2008年提出的申請?zhí)枮?200810166472. 9、名稱為“X射線光柵相襯成像系統(tǒng)及方法”的中國專利申請中提出了在非 相干條件下的基于投影方法的光柵相襯成像方法，搭建了基于通用X光機的光柵相襯成像 實驗平臺。該專利申請的全部內(nèi)容在此通過參照引入到本申請中。
發(fā)明內(nèi)容

在已經(jīng)提出的非相干X射線光柵相襯成像方法的基礎(chǔ)上，基于非相干X射線光柵 成像技術(shù)，本發(fā)明提出了非相干X射線暗場成像系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明，通過光柵系統(tǒng)中位移曲線的對比度降低來反映物體的散射信息，并 且本發(fā)明導出了穿過物質(zhì)后的散射射線分布的二階矩與光柵成像系統(tǒng)中位移曲線對比度 降低之間的定量關(guān)系，通過傳統(tǒng)的線性CT重建算法可以定量重建物體的散射信息。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出了一種X射線成像系統(tǒng)，用于對物體進行X射線散射 成像，其包括x射線源、第一和第二吸收光柵Gl和G2、X射線探測器，其依次位于X射線的 傳播方向上；其中，該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)處理器單元，用于進行數(shù)據(jù)信息的處理；以及控制器，用于控制所述X射線源、第一和第二吸收光柵Gl和G2、X射線探測器、以 及處理器單元的操作，以實現(xiàn)下述過程X射線源向被測物體發(fā)射X射線；所述兩塊吸收光柵Gl和G2之一在其至少一個周 期范圍內(nèi)進行相位步進運動；在每個相位步進步驟，所述探測器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信 號；其中，經(jīng)過至少一個周期的相位步進，探測器上每個像素點處的X射線光強表示為一個 光強曲線；將探測器上每個像素點處的光強曲線與不存在被檢測物體情況下的光強曲線相 比較，得到光強曲線的對比度變化；由所述光強曲線的變化計算得出探測器上每個像素的 散射角分布的二階矩；以及由所述散射角分布的二階矩得出被檢測物體的圖像的像素值， 由此重建被檢測物體的圖像。另外，所述系統(tǒng)優(yōu)選地還包括一個旋轉(zhuǎn)裝置，用于在所述控制器的控制下，使得被 檢測物體相對地旋轉(zhuǎn)一個角度。其中，在每個旋轉(zhuǎn)角度下，重復(fù)以上所述各步驟，從而得出 多個角度下的X射線散射圖像。根據(jù)傳統(tǒng)的線性CT圖像重建算法，例如濾波反投影算法， 即可以重建被檢測物體的圖像。具體地，所述光強曲線的對比度表示為
權(quán)利要求
一種X射線成像系統(tǒng)，用于對物體進行X射線散射成像，其包括X射線源、第一和第二吸收光柵G1和G2、X射線探測器，其依次位于X射線的傳播方向上；其中，該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)處理器單元，用于進行數(shù)據(jù)信息的處理；以及控制器，用于控制所述X射線源、第一和第二吸收光柵G1和G2、X射線探測器、以及處理器單元的操作，以實現(xiàn)下述過程X射線源向被測物體發(fā)射X射線；所述兩塊吸收光柵G1和G2之一在其至少一個周期范圍內(nèi)進行相位步進運動；在每個相位步進步驟，所述探測器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信號；其中，經(jīng)過至少一個周期的相位步進，探測器上每個像素點處的X射線光強表示為一個光強曲線；將探測器上每個像素點處的光強曲線與不存在被檢測物體情況下的光強曲線相比較，得到光強曲線的對比度變化；由所述光強曲線的變化計算得出探測器上每個像素的散射角分布的二階矩；以及由所述散射角分布的二階矩得出被檢測物體的圖像的像素值，由此重建被檢測物體的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述X射線源為小焦點源；或者，在其為大焦點光源 的情況下，所述系統(tǒng)進一步包括一個源光柵，用于將所述X射線光機發(fā)射的X射線分成一系 列小焦點的X射線束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述X射線源、第一和第二吸收光柵Gl和G2、X射線 探測器相互之間具有下述的關(guān)系Pi 二 L P2 L + D其中，P1和P2分別為第一和第二吸收光柵Gl、G2的周期，L為X射線源與第一光柵Gl 之間的距離，D為第一和第二光柵之間的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括一個旋轉(zhuǎn)裝置，在所述控制器的控制 下，用于使得被檢測物體相對地旋轉(zhuǎn)一個角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，在每個旋轉(zhuǎn)角度下，重復(fù)所述各步驟，從而得出多個 角度下的X射線散射分布的二階矩，然后根據(jù)CT圖像重建算法來重建被檢測物體的圖像，其中所述重建算法利用了下述的公式σ 2 = J fs{l)dlL __ _其中fs為廣義散射參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述探測器上某像素點在有被檢測物體時的光強曲線 和無被檢測物體時的光強曲線分別表示為Is (k) ^ as+bscos(kAx+(J)s)及 Ib (k) ^ ab+bbcos(kAx+(]5b)其中，Δχ是步進長度，兩個光強曲線間相位差為Δφ = (cj5s-cK)，k表示第k步進。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，所述光強曲線的對比度表示為~y _ m ax_m in~ —I + I .maxm in其中1_和Imin分別表示光強曲線的最大和最小值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，散射角分布的二階矩和所述光強曲線的對比度之間 的定量數(shù)量關(guān)系為σ 2 = - —^(^)2 ln(^) 2π2 DVr其中，其中Vs和t分別表示探測器上某點在有被檢測物體時的光強曲線和無被檢測物 體時的光強曲線的對比度，P1為第一吸收光柵Gl的周期，D為所述第一和第二吸收光柵之 間的距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括成像單元，用于顯示被檢測物體的圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述X射線為非相干的X射線。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)處理器單元和所述控制器集成在一起，由通 用或?qū)Ｓ锰幚砥鱽韺崿F(xiàn)。
12.—種X射線成像方法，利用X射線光柵成像系統(tǒng)對物體進行成像，其中該X射線光 柵成像系統(tǒng)包括x射線源、第一和第二吸收光柵Gl和G2、X射線探測器、控制器和數(shù)據(jù)處 理單元；其中，該方法包括下述步驟 向被測物體發(fā)射X射線；使得所述兩塊吸收光柵Gl和G2之一在其至少一個周期范圍內(nèi)進行相位步進運動； 在每個相位步進步驟，探測器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信號；其中，經(jīng)過至少一個周期 的相位步進，探測器上每個像素點處的X射線光強表示為一個光強曲線；將探測器上每個像素點處的光強曲線與不存在被檢測物體情況下的光強曲線相比較， 得到光強曲線的對比度變化；由所述光強曲線的變化計算得出探測器上每個像素的散射角分布的二階矩；以及 由所述散射角分布的二階矩得出被檢測物體的圖像的像素值，由此重建被檢測物體的 圖像。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括旋轉(zhuǎn)被檢測物體，在每個旋轉(zhuǎn)角度下，重復(fù)所述各步驟，得出多個角度下的X射線散射 分布的二階矩，然后根據(jù)CT圖像重建算法來重建被檢測物體的圖像， 其中重建算法利用了下述的公式σ 2 = J fADdlL其中，fs為廣義散射參數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述X射線為非相干的X射線。
全文摘要
一種X射線成像技術(shù)，利用包括X射線源、兩吸收光柵G1和G2、X射線探測器、控制器和數(shù)據(jù)處理單元的成像系統(tǒng)對被測物體進行X射線暗場CT成像，包括向被測物體發(fā)射X射線；使得所述兩塊吸收光柵G1和G2之一在其至少一個周期范圍內(nèi)進行相位步進運動；在每個相位步進步驟，探測器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信號；其中，經(jīng)過至少一個周期的相位步進，探測器上每個像素點處的X射線光強表示為一個光強曲線；根據(jù)探測器上每個像素點處的光強曲線與不存在被檢測物體情況下的光強曲線的對比度，計算得到每個像素的散射角分布的二階矩；在多個角度拍攝物體的圖像，然后根據(jù)CT重建算法可以得物體的散射信息圖像。
文檔編號G03B42/02GK101943668SQ20091008866
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者張麗, 王振天, 肖永順, 趙自然, 邢宇翔, 陳志強, 黃志峰 申請人:清華大學;同方威視技術(shù)股份有限公司