專利名稱：X射線相襯成像的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及X射線無損成像領域，特別涉及一種X射線相襯成像的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
X射線相襯成像(XPCI)就是利用X射線透過樣品后攜帶的位相信息對樣品內部結構成清晰象，這是近幾年發(fā)展起來的一種新的X射線成像方法。傳統(tǒng)的X射線成像系統(tǒng)都是基于樣品不同部位對X射線吸收不同進行的，即所謂的吸收反襯成像。從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線開始，該方法在眾多領域特別是臨床醫(yī)學領域獲得了巨大的成功。然而，受原理的限制它很難對密度相差不大的軟組織如血管、腫瘤等成清晰象。XPCI技術原則上可分辨密度變化0.0003～0.002g/cm3的不同組織的邊界，空間分辨率可達1μm。而目前被認為是軟組織檢查最好方法的傳統(tǒng)CT可分辨的密度變化為0.01g/cm3，空間分辨率僅為亞毫米量級。
較傳統(tǒng)的X射線成像方法而言，XPCI方法的優(yōu)勢是明顯的。它在生物軟組織內部結構研究中有其獨特的優(yōu)越性，其中包括1、血管系統(tǒng)。不用注射造影劑可清晰地觀察到動、靜脈血管，如心血管系統(tǒng)、毛細血管微循環(huán)等；2、呼吸系統(tǒng)，包括氣管、支氣管和肺的精細結構；3、神經(jīng)系統(tǒng)，包括傳出神經(jīng)末梢的精細結構；4、包括肝、胃、腸等在內的其他軟組織。因此，該方法在生物、醫(yī)學研究中有重要應用，并很有可能發(fā)展成為一種新的臨床診斷方法。此外，XPCI在材料科學特別是低Z元素材料研究中有重要應用，在化學反應動力學研究中的應用也已取得突破性的進展。
XPCI對光源性能有較高的要求，具備較好的空間相干性是實現(xiàn)高分辨率成像的必要條件。迄今為止，絕大部分研究都是基于同步輻射光源進行的。由于同步輻射裝置是一個多學科的大型研究平臺，可供某一項研究的機時有限。這一點在國內顯得尤為突出，目前國內僅有北京同步輻射裝置能提供XPCI研究的硬X射線。由于它是第一代的兼用機，設計時并未優(yōu)化到同步輻射，其X射線輸出特性無法與國際上普遍采用的第三代同步輻射裝置相比，而且每年能提供給同步輻射用戶的機時也十分有限。因此，發(fā)展一套XPCI實驗室成像系統(tǒng)是很有必要的。
XPCI對X射線源的空間相干性要求較高，而對時間相干性則要求不高。S.W.Wilkins等人首次采用微聚焦X射線管的多色輻射實現(xiàn)了相襯成像，這說明建立一套XPCI實驗室成像系統(tǒng)是可行的。但他們的微聚焦管X射線管產(chǎn)生的X射線光斑尺寸在10～20微米之間，這個直接影響最終的成像分辨率，同時光源和樣品之間的距離必須比較遠(30厘米以上)，才能滿足成像的相干性要求，帶來的問題是X射線光子通亮急劇下降，曝光時間延長(他們使用X射線膠片)，因此干擾因素如震動、溫度濕度變化等使得成像分辨率變差，從而嚴重影響了該類相襯成像系統(tǒng)的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是解決上述課題，提供一套實驗室使用的新型X射線位相襯度(相襯)成像系統(tǒng)和方法，用于生物軟組織、低Z材料樣品內部結構的無損成像研究。
本發(fā)明的設計原理為
如圖1所示，在常規(guī)的依次包括產(chǎn)生硬X射線光源的X射線管1、放置樣品2的掃描臺3和探測器4的X射線成像系統(tǒng)基礎上，為實現(xiàn)XPCI，空間相干性是必要條件，也是光源選擇時首先要考慮的問題。理想的平行光或點光源是完全空間相干的，對于實際光源只要它的平行度足夠好或是點源尺寸足夠小，它就具備了一定的空間相干性。同步輻射輸出的X射線束呈一個很窄的錐狀，其張角與電子的能量成反比，是一個非常小的值。在微弧度量級的張角內輻射出高強度的X射線光子，具有良好的空間相干性和相當高的相干通量，是相襯成像的理想光源。而普通實驗室X射線光源的性能則相距甚遠，因此選擇合適的光源是保證系統(tǒng)成功的關鍵。
X射線管是最簡單也是最通用的實驗室X射線光源。普通的X射線管電子束在靶面上的投影呈線狀，尺寸一般為1×10mm2左右，這也就是X射線光源的實際尺寸。盡管通過選擇不同的引出角度可得到不同的有效光斑，如得到尺度為1mm的方形或圓形光斑。但很難進一步減小光源點尺寸，因為這就意味著減少輸出光子數(shù)目，對成像來說還減小了視場。因此，普通X射線管并不是XPCI實驗室成像系統(tǒng)的理想光源。
目前的技術，X射線管的光源點尺寸已達亞微米，又稱為納聚焦管。微聚焦管通常只采用一個電磁透鏡來聚焦電子束至靶，納聚焦管則在準直單元附近增加了一個電磁聚焦鏡，其作用是在電子束到達物鏡前進行預聚焦。另一不同之處就是在靠近靶子的位置增加一個光闌過濾雜散電子。采用納聚焦X射線管可實現(xiàn)更高的成像分辨率，對形成位相襯度而言還可以獲得更高的有效通量或相干通量。
但還需合適的成像方式。除X射線全息術以外，實現(xiàn)XPCI的途徑主要有1、X射線干涉。利用晶體對X射線的勞厄衍射和透射分束實現(xiàn)兩束X光的干涉來探測樣品的位相變化，其局限性a)視場小，很難用于臨床；b)穩(wěn)定性要求很高，達亞納弧度量級，易產(chǎn)生贗象；c)僅適于測量位相變化量小且緩變的樣品。2、X射線衍射增強。利用晶體布喇格衍射搖擺曲線隨角度變化很靈敏來分辨很小的位相變化梯度，相當于一個帶通濾波器。該方法得到的襯度與工作點的選擇有關，極易產(chǎn)生贗象，得到的圖象較難解釋。3、同軸輪廓成像。成像光路與同軸全息一致，類同通常的醫(yī)學透射成像，具有光路簡單、視場大以及圖象直觀無贗象等特點。在上述各種XPCI成像方法中，全息、干涉和衍射增強方法除要求X射線源具有好的空間相干性外，對光源的時間相干性或單色性也有較高的要求，只有同軸輪廓法允許多色X射線成像。因此，要建立一套XPCI實驗室成像系統(tǒng)，同軸輪廓成像方式是唯一的選擇。
同軸輪廓成像的襯度形成機理可由菲涅爾衍射來描述，對純位相物體和點光源的情形，在一階近似下像面上的光強分布可描述為I(Mx,My;d1+d2,k)=(I0/M2){1-2πrek2d2MΔx,y2∫ρ(x,y,z)dz}]]>其中M＝(d1+d2)/d1為放大倍數(shù)，d1，d2分別為樣品到光源點和探測平面的距離，k＝2π/λ，λ為波長，re為經(jīng)典電子半徑，ρ為樣品內電子密度，I0為物面上的光強值。由此可見，像面上的光強分布正比于電子密度的二階微分，且與光子能量(k)無關，其中對多色源而言1/k2可用譜分布權重因子替代。這就意味著，無需重構即可直接獲得樣品內部結構的位相襯度像，而且對光源的單色性要求不高。由于只是在樣品內電子密度有突變的位置形成襯度，該方法得到的實際上是一個密度變化的輪廓圖，故稱為同軸輪廓成像。像面上的強度變化是由X射線通過樣品時的位相變化導致的，因而對電子密度變化的探測靈敏度很高。另一方面，只是在密度變化位置附近的X射線相干疊加對襯度的形成有貢獻，物平面上只需局域相干照明即可，因此對空間相干性的要求也不高?？臻g相干長度可表達為Is＝d1λ/σ，其中σ光源尺寸，λ為波長。
由上可見，樣品面上入射X射線的空間相干長度ls與d1成正比，增大樣品到光源點的距離可改善空間相干性，而d1的增大又會迅速減小放大倍數(shù)M，從而提高對探測器空間分辨率的要求，因此，需根據(jù)具體實驗條件選擇一個合適的d1值；而選用的納聚焦管產(chǎn)生的X射線光斑尺寸可以很小，從而成像分辨率可以很高，但是受到其它因素如探測器等的制約，加之樣品與探測器之間的距離d2，與最后的像的分辨率和反襯度相關，故為使得分辨率和反襯度最佳，確定這個最佳距離及選擇合適的探測器也是至關重要的。
因此，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為一種X射線相襯成像的方法，其利用依次包括產(chǎn)生硬X射線光源的X射線管，放置樣品的掃描臺和探測器的成像系統(tǒng)，其特征在于其選擇光斑尺寸為0.5-5微米的納聚焦管來產(chǎn)生X射線光源，所述X射線通過同軸輪廓成像方式將樣品成像于該探測器上。
其中，所述的同軸成像方式具體包括以下步驟1)調整該納聚焦管產(chǎn)生的光源點與掃描臺上的樣品之間的距離d1，其根據(jù)下式得出d1＝lsσ/λ，其中，ls為空間相干長度，其值不少于1微米，σ為光源尺寸，λ為X射線波長；2)調整該樣品與探測器之間的距離d2，其可根據(jù)下式估計2λd2Mf2≈1，其中，λ是X射線波長，M是放大倍數(shù)，M＝(d1+d2)/d1，f是樣品需要分辨的空間頻率，f＝2π/δ，提樣品需要分辨的細節(jié)；3)選擇探測器進行成像。
所述的距離d1至少為8毫米。
而該距離d2至少為5毫米，一般選取的范圍為5毫米至2米之間。
其中，該選擇的探測器的分辨率最好符合下式要求分辨率≤δ×M。
另外，本發(fā)明的一種X射線相襯成像的系統(tǒng)，依次包括產(chǎn)生硬X射線光源的X射線管，放置樣品的掃描臺和探測器，其特征在于該X射線管為光斑尺寸為0.5-5微米的納聚焦管。
其中，該納聚焦管選擇的電壓為40kV-200kV，電流強度不低于100μA，出射光錐張角為10-45度。
該探測器的分辨率符合下式要求分辨率≤δ×M，其中δ為樣品需要分辨的細節(jié)尺寸，M為需放大的倍數(shù)。
該探測器可為X射線工業(yè)底片或數(shù)字探測器。
而所說的數(shù)字探測器是指X射線CCD(電荷耦合組件)或成像板。
本發(fā)明的積極進步效果在于本發(fā)明使用納聚焦管作為X射線光源，在保證足夠的空間相干長度的前提下，其調整樣品到光源點的距離最小可為d1＝8mm，樣品尺寸一定，入射通量與d1的平方成反比。與已有的S.W.Wilkins的系統(tǒng)相比(d1＝300mm)，僅考慮這一因素時有效通量要增大1400倍。綜上述，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)在空間分辨率和有效通量上已有相當大的提高，可以滿足一般實驗室研究的需要，并且具備了利用數(shù)字探測器開展實時相襯成像的潛力。
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的優(yōu)點在于(1)采用光源點尺寸可達500nm的納聚焦X射線管，大大提高了X射線相襯成像的有效通量，從而當選用X射線工業(yè)底片時可以降低曝光時間，最短可至30秒。當然，具體視底片類型、樣品的吸收、d1和d2的距離而定，可從30秒到2小時不等；并且可提高信噪比，為該類成像系統(tǒng)的實用化打下了結實的基礎；(2)空間分辨率可達500nm亞微米量級，是生物軟組織內部結構高分辨率無損成像的有效手段；(3)采用X射線CCD探測器時，還可以實現(xiàn)實時X射線相襯成像；(4)X射線管輸出錐形光束，系統(tǒng)本身具備放大作用，從而降低對探測器分辨率的要求。通過樣品臺調節(jié)樣品與光源點的距離，以適應不同種類、不同尺寸的樣品成像，適合于大尺寸樣品成像。
從而可使普通實驗室進行生物軟組織、低Z材料樣品內部結構的無損成像研究。


圖1為本發(fā)明X射線相襯成像系統(tǒng)的配置示意圖。
圖2為應用本發(fā)明的X射線相襯成像系統(tǒng)和方法攝制的氣墊薄膜中單個氣泡的X射線相襯像。
圖3為應用本發(fā)明攝制的蚊子的X射線相襯像，其中右圖為蚊子腹部管道的顯微圖。
圖4(a)為應用本發(fā)明一實施例攝制的新鮮蜻蜓的位相襯度圖；(b)應用傳統(tǒng)的吸收成像原理攝制的新鮮蜻蜓的吸收襯度圖。
圖5(a)為應用本發(fā)明一實施例攝制的新鮮蜻蜓樣品眼部的X射線相襯成像的放大圖；(b)應用傳統(tǒng)的吸收成像原理攝制的新鮮蜻蜓樣品眼部的X射線吸收成像的放大圖。
圖6為應用本發(fā)明攝制的小檗堿沉淀的位相襯度成像。
圖7為應用本發(fā)明攝制的秋水仙堿沉淀的位相襯度成像。
具體實施例方式
為更好地說明本發(fā)明系統(tǒng)的配置及本發(fā)明方法的實驗操作步驟，以及其功能，下面舉幾個實施例來說明之。其中樣品包括氣泡、蚊子、蜻蜓等，所有樣品都是新鮮、未經(jīng)任何處理的；選用納聚焦管(德國Pheonix公司phoenix|x-ray package|analyser 160NF)的光源點尺寸為500nm，并按常規(guī)根據(jù)樣品選擇其電壓、電流強度及出射光錐張角，下列實施例的出射光錐張角約為30°；采用高分辨率X光膠片(富士IX80或50系列，也可選用其它規(guī)格)作為探測器，并按常規(guī)視底片類型、樣品的吸收、d1和d2的距離而定；掃描臺為常規(guī)的可以X、Y、Z軸三維平動，還可以轉動和扭動掃描臺。
操作步驟打開納聚焦管X射線光源，根據(jù)不同的樣品選擇合適的電壓和電流，經(jīng)過一段時間后X射線趨于穩(wěn)定，可以用于實驗。選擇合適的樣品到光源的距離d1，通常情況下大于8毫米、尤其是1厘米以上就可以得到足夠的空間相干性；接著調整樣品與底片的距離d2，對于吸收非常小的樣品，即該樣品的吸收厚度ts遠遠大于位相厚度tp(其中ts＝μ-1，μ是樣品的吸收率，tp＝2π/φ，φ是單位長度的位相差)時，可直接根據(jù)上述公式估算，而對于吸收不是非常小的樣品，則根據(jù)上述公式估算一個距離后，再作些調整，從而找到一個最佳距離使得成像質量最佳。
實施例1圖2給出了氣墊薄膜中單個氣泡的X射線相襯像，實驗中工作電壓70kV，電流200μA，曝光時間100s，d1＝50mm，d2＝450mm。在該實驗條件下，有機薄膜對X射線的吸收可以忽略，可以看成純位相物體。實驗樣品是一種常用的合成緩沖包裝材料，在兩層塑料薄膜之間采用特殊的方法封入空氣，使薄膜之間連續(xù)均勻地形成氣泡。根據(jù)緩沖要求不同，也可制成三層的氣墊薄膜，它的緩沖效果比兩層更佳。圖中給出的是薄膜交疊處的邊界，可以看出，該樣品應該是緩沖效果較好的三層氣墊薄膜。邊界四周沒有形成旁通，說明它的質量是合格的。
實施例2圖3給出了蚊子的X射線相襯像，實驗中工作電壓70kV，電流100μA，曝光時間120s，d1為130mm，d2為400mm。從蚊子腹部管道的顯微圖可清晰地分辨出主管道、次級管道、毛細管及其分叉，分辨率可達幾個微米。
實施例3為了和吸收襯度像比較，選取蜻蜓樣品分別記錄了它的位相襯度像和吸收襯度像。圖4和圖5給出了蜻蜓樣品的實驗結果。圖4(a)是我們利用本發(fā)明納聚焦管硬X射線光源拍攝的位相襯度像(d1＝150mm，d2＝380mm)，除了吸收襯度外，還包含了明顯的位相襯度像，圖4(b)則主要是吸收襯度像(d1＝150mm，d2＝5mm)?？梢苑浅Ｃ黠@的看出，相比圖4(b)，圖4(a)顯示了蜻蜓的更為明顯的細微結構。根據(jù)計算可以得到在該實驗條件下，當蜻蜓的空間周期為9μm-1時，可以得到比較好的反襯度，這與實驗結果是比較一致的，見圖4(a)和圖5(a)。圖5(a)是利用本發(fā)明納聚焦管硬X射線光源拍攝的蜻蜓單個眼睛的位相襯度像(d1＝150mm，d2＝380mm)，包含了明顯的位相襯度像。作為比較，圖5(b)為相應的吸收襯度像(d1＝150mm，d2＝5mm)。實驗中X射線管的工作電壓70kV、電流150μA，曝光時間分別為15分鐘和2分鐘。由X射線衍射的光學傳遞函數(shù)(OTF)隨空間頻率變化曲線可知，探測器到樣品的距離d2值足夠小時，記錄的實際上只有吸收襯度。另外從現(xiàn)有技術可知，X射線管輻射連續(xù)譜強度最大的位置一般在最短波長的1.5倍處，70kV工作電壓對應的波長應為0.0266nm，樣品到光源點的距離d1＝150mm，樣品面上入射X射線空間相干長度為8μm，這說明本實施例實驗中X射線光束已具有較高的空間相干性，從圖5(a)的位相襯度像中可觀察到蜻蜓眼睛內部結構更多的細節(jié)，其中的網(wǎng)狀結構可能就是蜻蜓的復眼。
實施例4
圖6顯示小檗堿沉淀的位相襯度成像。選用的靶電壓90kV，流強150μA，光源到樣品的距離d1為130mm，樣品到底片的距離d2為250mm，曝光時間1800秒。從圖中可以看到小檗堿沉淀的花瓣狀結構。
實施例5圖7顯示秋水仙堿沉淀的位相襯度成像。其中選用的靶電壓45kV，流強150μA，光源到樣品的距離d1為130mm，樣品到底片的距離d2為200mm，曝光時間1500秒。從圖中可以看到針狀結構清晰可辨，這樣的結果用現(xiàn)有的X射線成像方法和系統(tǒng)尚無法觀察到。
顯然，如果上述實施例中的探測器如換用X射線CCD，則可以進行實時成像。而一些成像時按常規(guī)根據(jù)不同的樣品來調整的不同參數(shù)，如納聚焦管采用的其它光源尺寸、電壓、電流強度、出射光錐張角等在此不一一舉例說明。
權利要求
1.一種X射線相襯成像的方法，其利用依次包括產(chǎn)生硬X射線光源的X射線管，放置樣品的掃描臺和探測器的成像系統(tǒng)，其特征在于其選擇光斑尺寸為0.5-5微米的納聚焦管來產(chǎn)生X射線光源，所述X射線通過同軸輪廓成像方式將樣品成像于該探測器上。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的同軸成像方式具體包括以下步驟1)根據(jù)樣品，調整該納聚焦管產(chǎn)生的光源點與掃描臺上的樣品之間的距離d1，其根據(jù)下式得出d1＝lsσ/λ，其中，ls為空間相干長度，其不少于1微米，σ為光源尺寸，λ為X射線波長；2)調整該樣品與探測器之間的距離d2，其可根據(jù)下式估計2λd2Mf2≈1，其中，λ是X射線波長，M是放大倍數(shù)，M＝(d1+d2)/d1，f是樣品需要分辨的空間頻率，f＝2π/δ，δ是樣品需要分辨的細節(jié)。3)選擇探測器進行成像。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于該距離d1至少為8毫米。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于該距離d2至少為5毫米。
5.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于該選擇的探測器的分辨率符合下式要求分辨率≤δ×M。
6.一種X射線相襯成像的系統(tǒng)，依次包括產(chǎn)生硬X射線光源的X射線管，放置樣品的掃描臺和探測器，其特征在于該X射線管為光斑尺寸為0.5-5微米的納聚焦管。
7.根據(jù)權利要求6所述的X射線相襯成像的系統(tǒng)，其特征在于該納聚焦管選擇的電壓為40kV-200kV，電流強度不低于100μA，出射光錐張角為10-45度。
8.根據(jù)權利要求6所述的X射線相襯成像的系統(tǒng)，其特征在于該探測器的分辨率符合下式要求分辨率≤δ×M，其中δ為樣品需要分辨的細節(jié)尺寸，M為需放大的倍數(shù)。
9.根據(jù)權利要求8所述的X射線相襯成像的系統(tǒng)，其特征在于該探測器為X射線工業(yè)底片或數(shù)字探測器。
10.根據(jù)權利要求9所述的X射線相襯成像的系統(tǒng)，其特征在于該數(shù)字探測器為X射線CCD或成像板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種X射線相襯成像的系統(tǒng)，依次包括產(chǎn)生硬X射線光源的X射線管，放置樣品的掃描臺和探測器，其特征在于該X射線管為光斑尺寸為0.5－5微米的納聚焦管。本發(fā)明還提供一種X射線相襯成像的方法，其利用上述成像系統(tǒng)通過同軸輪廓成像方式將樣品成像于該探測器上，其主要包括以下步驟1)根據(jù)樣品，調整該納聚焦管產(chǎn)生的光源點與掃描臺上的樣品之間的距離d
文檔編號G01N23/04GK1725000SQ20041005301
公開日2006年1月25日 申請日期2004年7月21日 優(yōu)先權日2004年7月21日
發(fā)明者肖體喬, 陳敏, 徐洪杰, 杜國浩 申請人:中國科學院上海應用物理研究所