專利名稱：X射線相襯層析成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線輻射成像領(lǐng)域，具體涉及用X射線對物體進(jìn)行相位襯度的層析 成像。
背景技術(shù)：
常用的X射線成像一般利用物質(zhì)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)。如果物體內(nèi)部的各部分結(jié)構(gòu)組成的密度差異明顯，則傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù) 的效果尤為顯著。但是，對于輕元素(例如氫、炭、氮和氧)構(gòu)成的物質(zhì)，它們對X射線來說 是弱吸收物質(zhì)，所以用傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)幾乎看不到它們內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)。即使是用 其它輔助的手段，例如給生物組織打上造影劑也很難得到清晰的圖像，這造成了很多的缺 憾。 二十世紀(jì)九十年代中期，產(chǎn)生了 X射線相襯成像技術(shù)。所說的相襯成像是通過捕 捉X射線的相移信息來觀察物體內(nèi)部的電子密度變化，從而揭示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。已有的 相襯成像方法一般通過利用相干或者部分相干的X射線的干涉或衍射現(xiàn)象來增強(qiáng)輻射圖 像的低對比度分辨率。目前具有臨床應(yīng)用前景的相襯成像方法通常是基于通用X光機(jī)的光 柵相襯成像。例如，瑞士的Pfeiffer F等人首先于2006年使用三塊功能不同的光柵，根據(jù) Talbot效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)了相襯成像。另外，清華大學(xué)的黃志峰等人于2007年提出了使用兩塊 吸收光柵的非相干光柵相襯成像方法，并得到了較好的相襯成像效果。該方法可以工作在 多色，非相干的射線源下(通用X光機(jī))，實(shí)驗(yàn)裝置具有很高的實(shí)用性。另外，日本的柯尼卡 公司基于類同軸相襯成像原理推出了一臺乳腺相襯成像診斷儀，其依靠X射線的傳播，得 到的圖像包含吸收襯度和相位襯度，是具有邊緣增強(qiáng)效果的乳腺透視圖像，但是由于設(shè)備 體積限制，射線傳播距離短，因此相比于常規(guī)的X射線透視圖像，其襯度提高并不顯著。
另一方面，已出現(xiàn)X射線層析成像技術(shù)。這通過采集有限角度范圍內(nèi)的投影圖像 來重建物體的三維結(jié)構(gòu)信息。層析成像同常規(guī)的照相成像相比，具有斷層掃描成像能力。而 同CT技術(shù)相比較，層析成像只需要少量角度的投影，從而掃描時(shí)間短，被檢物的吸收劑量 低。由此，層析成像適用于對劑量有嚴(yán)格要求的醫(yī)學(xué)或生物學(xué)領(lǐng)域的三維成像。
目前，常規(guī)的乳腺成像方法是X射線照相技術(shù)，其存在兩個(gè)主要問題一是組織的 層疊問題，常規(guī)的乳腺X射線機(jī)只能給出乳腺一個(gè)角度或者幾個(gè)角度下的透視圖像，軟組 織和病灶彼此層疊在一起，導(dǎo)致很難發(fā)現(xiàn)癌癥初期微小的病灶；另一個(gè)問題是成像對比度 較低，常規(guī)乳腺X射線照相使用的是傳統(tǒng)的X射線透視成像技術(shù)，主要利用物質(zhì)對X射線的 衰減特性成像，屬于吸收襯度成像方式。但是，人體的乳腺組織主要是以輕元素構(gòu)成，它們 對X射線來說是弱吸收物質(zhì)，通過吸收襯度得到的圖像對比度低。這兩方面原因都增加了
6乳腺癌檢查的漏報(bào)率。

發(fā)明內(nèi)容
由此，通過結(jié)合層析成像和光柵相襯成像，本發(fā)明提供了一種新型的快速準(zhǔn)確地 對被檢測對象進(jìn)行清楚成像的方法。特別地，例如針對醫(yī)學(xué)乳腺成像，它能夠解決常規(guī)乳腺 X射線照相方法中組織層疊和對比度低的問題，并且在低照射劑量的條件下得到更高對比 度的圖像，從而提高得到的斷層圖像的質(zhì)量。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種X射線層析相襯成像系統(tǒng)，用于對物體進(jìn)行 成像檢測，該系統(tǒng)包括X射線發(fā)射裝置，操作用于向被檢測物體發(fā)射X射線束；光柵子系 統(tǒng)，包括第一和第二吸收光柵(A， B)，其設(shè)置在X射線束的發(fā)射方向上，操作用于取得X射 線束經(jīng)過所述物體的折射信息；光柵移動(dòng)裝置，操作用于使得所述第一和第二光柵之一相 對于另一個(gè)進(jìn)行步進(jìn)移動(dòng)；檢測單元，位于被檢測物體和所述光柵子系統(tǒng)的后面，操作用于 接收經(jīng)所述經(jīng)被檢測物體折射的X射線，并將其轉(zhuǎn)換為可識別的電信號；以及數(shù)據(jù)處理子 系統(tǒng)，用于處理所述電信號的數(shù)據(jù)并從中計(jì)算出所述X射線束的折射信息，以及并由此計(jì) 算出被檢測物體的像素信息；其中，所述成像系統(tǒng)還包括移動(dòng)裝置，操作用于使得所述被檢 測的物體相對于所述成像系統(tǒng)進(jìn)行相對地移動(dòng)；其中，在所述成像系統(tǒng)與被檢測物體的一 定相對移動(dòng)范圍內(nèi)，在多個(gè)位置的每個(gè)位置處，所述成像系統(tǒng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像， 由此取得被檢測物體的多個(gè)X射線掃描圖像；所述多個(gè)圖像經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成同一個(gè)重建平面 上的圖像，并由此進(jìn)行三維圖像重建。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種利用X射線對物體進(jìn)行層析相襯成像的方法 一種X射線成像的方法，用于對被檢測物體進(jìn)行成像，該方法包括在一個(gè)相對位置，由X射 線發(fā)射裝置向被檢測物體發(fā)射X射線束；經(jīng)過被檢測物體的X射線束穿過第一和第二吸收 光柵(A，B)，其中由兩個(gè)吸收光柵(A，B)作相互步進(jìn)移動(dòng)，從而在所述光柵后的檢測單元上 產(chǎn)生強(qiáng)度變化的X射線信號；所述檢測單元接收所述強(qiáng)度變化的X射線，將X射線信號轉(zhuǎn)換 為可識別的電信號；以及利用數(shù)據(jù)處理單元，從所述可識別的電信號，計(jì)算X射線的光強(qiáng)變 化，以及利用所述光強(qiáng)變化值計(jì)算出X射線的折射角信息，以及利用獲得的折射角信息，計(jì) 算得出被折射物體的圖像；并且將所述圖像轉(zhuǎn)換到一個(gè)重建平面上；變換所述相對位置， 重復(fù)以上的步驟，由此取得多個(gè)圖像，以及將所述多個(gè)圖像進(jìn)行重建，從而重建出三維圖 像。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，包括所述X射線發(fā)射裝置、光柵子系統(tǒng)、檢測器單 元的系統(tǒng)部分相對于被檢測的物體以一個(gè)圓弧軌跡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，在圓弧軌跡的不同固 定位置上，所述成像系統(tǒng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像，并生成一個(gè)或多個(gè)掃描圖像；以及所 述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺度下的圖像，并進(jìn)行圖像疊加合 成為三維圖像。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中所述X射線源沿直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)所述檢測 單元和光柵子系統(tǒng)保持不動(dòng)；在直線軌跡的不同位置下，X射線源固定，所述成像系統(tǒng)通過 光柵子系統(tǒng)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像，并由此生成一個(gè)或多個(gè)掃描圖像；以 及所述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺度下的圖像，并進(jìn)行圖像疊 加合成為三維圖像。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中所述被檢測物體和由所述X射線發(fā)射裝置、光柵子系統(tǒng)、檢測器單元構(gòu)成的相襯成像子系統(tǒng)相對地作直線運(yùn)動(dòng)；在不同的相對位置下相對固定，所述成像系統(tǒng)通過所述光柵子系統(tǒng)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像，并生成相襯掃描圖像；以及所述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺度下的圖像，并進(jìn)行圖像疊加合成為三維圖像。 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，包括將在檢測單元的探測面上所得到的圖像分布轉(zhuǎn)換到一個(gè)與圖像重建平面平行的虛擬面上，以及將所述不同虛擬面上的圖像轉(zhuǎn)換到一個(gè)相同的尺度下。 通過結(jié)合層析成像和相襯成像技術(shù)，本發(fā)明有效地解決了實(shí)踐中例如乳腺成像存在的問題。其中，層析成像的三維重建能力可解決照相方法中的組織層疊問題，從而發(fā)現(xiàn)隱藏在軟組織背景下的癌癥病灶，降低乳腺癌檢查的漏報(bào)率；而X射線相襯成像技術(shù)相比于常規(guī)的X射線吸收襯度成像方法，又能夠減少被照者所受劑量，并檢查過程也更加快速簡潔。 本發(fā)明優(yōu)選地使用了非相干X射線源，從而擺脫了對射線源相干性的依賴。另外，根據(jù)根發(fā)明的實(shí)施例，優(yōu)選地使了用十微米量級以上的周期的光柵，從而實(shí)現(xiàn)近分米量級視場的相襯成像。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的X射線光柵相襯成像系統(tǒng)的示意圖； 圖2示出在不同焦點(diǎn)尺寸的射線源照射條件下，兩個(gè)光柵使用相位步進(jìn)技術(shù)時(shí)所對應(yīng)的模擬光強(qiáng)變化曲線； 圖3示出X射線與被檢測物體作用后的波陣面變化； 圖4示出X射線被物體折射的示意圖； 圖5示出兩個(gè)吸收光柵的對于X射線的"光閘"作用； 圖6示出在利用光柵相位步進(jìn)技術(shù)時(shí)檢測面上某點(diǎn)在經(jīng)被測物體折射后與未經(jīng)
折射情況下所檢測的X射線的光強(qiáng)變化曲線的比較； 圖7a-7d分別示出使用X射線的折射信息重建圖像的示例； 圖8示出被檢測物體位于兩個(gè)吸收光柵之間的情況的示意圖； 圖9示出平行軌道層析掃描的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖10示出圓弧軌道模式下相襯層析成像結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖11a、llb示出固定探測器模式相襯層析成像結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖12a、12b示出直線運(yùn)動(dòng)式相襯層析成像結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖13示出等效成平行層析掃描系統(tǒng)的示意圖； 圖14示出層析重建算法中圖像等效到虛擬檢測面上原理的示意圖。
具體實(shí)施例方式
〈X射線光柵相襯成像> 參見圖1所示，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的成像系統(tǒng)，其主要包括以下的組成部分 X射線發(fā)射裝置，在附圖1中用射線源表示，其用于向被檢測物體發(fā)射X射線束；光柵子系統(tǒng)，包括第一吸收光柵和第二吸收光柵部分(在圖中分別表示為光柵A和光柵B，其周期分別為Pi、P》，它們平行地依次位于X射線束的發(fā)射方向上；檢測單元(圖中用探測
器表示)，用于接收所述X射線，能夠通過光電信號轉(zhuǎn)換技術(shù)(例如，數(shù)字化攝影技術(shù)(DR))將X射線信號轉(zhuǎn)換為可識別的電信號；光柵移動(dòng)裝置，用于使所述光柵子系統(tǒng)的光柵相對地作步進(jìn)移動(dòng)，或者還可以作其他的機(jī)械移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)；以及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(圖1中未示出)，用于從所述電信號計(jì)算得出X射線經(jīng)過被檢測物體后的光強(qiáng)變化信息，并利用所述光強(qiáng)變化值計(jì)算得出X射線的折射角信息，以及利用折射角信息計(jì)算出所述被檢測物體的平面像素信息。其中，所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)優(yōu)選地可包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，或者與之相連接，用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。所述各部分詳述如下。
X身機(jī)別寸驟 根據(jù)本發(fā)明的相襯成像的原理，使用了非相干的X射線源直接照射。該相襯成像技術(shù)不依靠射線的相干性，也就不需考慮光柵衍射或Talbot效應(yīng)。而當(dāng)不需要考慮X射線的相干性時(shí)，光學(xué)的成像系統(tǒng)可用幾何光學(xué)近似理論來描述。其中，根據(jù)光衍射原理，X射線與光柵A不產(chǎn)生衍射的條件是 P?！穪A義 (1 ) 可以看出，當(dāng)光柵A的周期即p工越大，則方程式右側(cè)的值越小。由此，采用較大周期的吸收光柵也能夠得到相襯圖像。例如，假設(shè)光柵A的周期為20微米，射線源到光柵距離2米，則
/ ?！穪A義=. 1爿=10戸 (2 )20， —般來說，通用X射線機(jī)的焦點(diǎn)尺寸至少幾十微米或幾百微米以上，所以這樣的通用X射線機(jī)就可以符合要求。而20微米周期的光柵與現(xiàn)有光柵相襯成像技術(shù)要求2或4微米周期的光柵相比，制作難度將大大降低，這產(chǎn)生明顯的技術(shù)優(yōu)勢。 但射線源的焦點(diǎn)也不能過大，因?yàn)樗苤朴趦蓚€(gè)吸收光柵的相位步進(jìn)技術(shù)的精度要求。如圖2所示，在一定實(shí)驗(yàn)條件下，其中兩吸收光柵的周期分別為20微米和22微米，源到光柵A距離2米，兩光柵之間距離0. 2米時(shí)，在不同焦點(diǎn)尺寸的射線源照射條件下，兩光柵使用相位步進(jìn)技術(shù)時(shí)某點(diǎn)所對應(yīng)的模擬光強(qiáng)變化曲線，其中橫坐標(biāo)為步進(jìn)大小(0. 5微米/步)，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)值。從圖2發(fā)現(xiàn)，焦點(diǎn)尺寸越大，光強(qiáng)變化曲線就越平滑，直至焦點(diǎn)尺寸等于220微米時(shí)成為一條直線。也就是說相位步進(jìn)技術(shù)不再起作用。當(dāng)焦點(diǎn)尺寸大于220微米時(shí)，光強(qiáng)變化曲線呈現(xiàn)其它變化趨勢?？梢酝扑愠錾渚€源焦點(diǎn)尺寸的上限臨界值為P。,dti。ai，其中
<formula>formula see original document page 9</formula> 又根據(jù)圖2所示，當(dāng)焦點(diǎn)尺寸大于這個(gè)臨界值時(shí)仍有光強(qiáng)變化，仍可根據(jù)這一點(diǎn)獲得相襯效果的圖像，但襯度效果沒有當(dāng)焦點(diǎn)尺寸小于P。,。riti^的情況要好?？梢缘贸觯赑。, 。rm^范圍內(nèi)，焦點(diǎn)尺寸越小，光強(qiáng)變化曲線越陡，那么提取出來的相襯圖像的襯度也越高。優(yōu)選情況下，射線源焦點(diǎn)尺寸大小P。要求不超過P。,。rm^的一半。而如果射線源焦點(diǎn)尺寸P。大于該臨界值，可以采用在焦點(diǎn)尺寸大于P。的射線源前放置多縫準(zhǔn)直器的方式將大射線源細(xì)分為一系列等效的小焦點(diǎn)射線源。每個(gè)小焦點(diǎn)線射線源的焦點(diǎn)尺寸大小P。,i也要求不超過P。,。rmw的一半。當(dāng)然，射線源焦點(diǎn)大小也可以大于P。,。rm^，這樣相襯圖像的襯度由當(dāng)時(shí)的光強(qiáng)變化曲線來決定。優(yōu)選地，本發(fā)明的系統(tǒng)使用小焦點(diǎn)源，它的焦點(diǎn)尺寸優(yōu)選在10-1000微米之間。 本發(fā)明要求射線裝置的工作電壓最好設(shè)置在5-40kVp條件下，具體數(shù)值由吸收光
柵的金高度決定，也就是說金的高度越高，允許使用的工作電壓則越高。
光柵子系統(tǒng) 如圖l所示，所述光柵子系統(tǒng)包括兩個(gè)吸收光柵，即光柵A和光柵B，其相互結(jié)合作用可用于提取穿過物體的X射線的一階相位變化，進(jìn)而得出X射線的折射角信息，具體操作方式參見下文的相位步進(jìn)式數(shù)據(jù)采集部分所述。通用X射線機(jī)發(fā)射的X射線束可以是扇束、錐束或平行束。本發(fā)明中優(yōu)選地是錐束。由此，本發(fā)明的相襯成像系統(tǒng)所采用的兩個(gè)吸收光柵的周期也優(yōu)選地要求成幾何比例關(guān)系，艮卩 ^ = 7^ (O 其中，光柵A的周期為Pp光柵B的周期為^，占空比一般為l，但是也可以為其它值。優(yōu)選地，兩個(gè)吸收光柵的周期在O. l-30微米之間。其中，l為射線源(一個(gè)理想點(diǎn)源)到第一個(gè)光柵A的垂直投影距離，d為兩個(gè)吸收光柵A和B之間的距離。光柵A和光柵B平面都平行于探測器平面。所述光柵的面積大小決定了整個(gè)相襯成像系統(tǒng)的視場大小。例如，若光柵的襯底為4英時(shí)硅片，則系統(tǒng)的視場在直徑10cm的范圍內(nèi)。所述光柵使用重金屬作為吸收材料，以金(Au)為例，金的高度由使用的X射線的能量決定。
檢測單元 所述檢測單元包括探測器，圖1中用探測器代表所述檢測單元，用于檢測和記錄X射線的強(qiáng)度變化。優(yōu)選地，所述探測器可以是矩陣探測器，其中每個(gè)探測元可以檢測射到該單元上的X射線的強(qiáng)度變化。本系統(tǒng)中的探測器，與其它相襯成像方法相比，對探測器的空間分辨率的要求不高不必要求十幾微米、甚至幾微米的高分辨率，而可只用幾十微米或幾百微米量級的分辨率。當(dāng)然，如果探測器的空間分辨率越高，則最終相襯圖像的信息越清晰。由于相襯成像的優(yōu)點(diǎn)是能提高圖像的密度分辨率(對比度分辨率)，所以數(shù)字化攝影技術(shù)DR對探測器的動(dòng)態(tài)范圍有比較高的要求(> 12bits)。每個(gè)探測器單元可以探測到射到其上的X射線的光強(qiáng)變化(例如圖6所示)。其中，所述光強(qiáng)變化可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R別的電信號。 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng) 本發(fā)明中涉及到的電子信號的數(shù)據(jù)處理、計(jì)算過程實(shí)際上可以通過通用的或?qū)Ｓ?br> 的計(jì)算機(jī)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。其中，可以對獲得的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括原始數(shù)據(jù)處理和折射角
信息提取、對折射角投影數(shù)據(jù)重建出物體圖像以及繪制三維立體圖像等等。 另外，所述處理子系統(tǒng)可以與顯示單元相連接，從而將生成的圖像顯示出來。有益
地，本申請所涉及的數(shù)據(jù)處理單元和顯示單元可以由計(jì)算機(jī)的主機(jī)和顯示器來實(shí)現(xiàn)。另外，
檢測單元和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)及顯示單元可以相互連接，且優(yōu)選地可以集成在一個(gè)整體設(shè)備
上?；蛘呤牵琗射線裝置、光柵子系統(tǒng)、檢測單元和相關(guān)的移動(dòng)裝置集成在一個(gè)設(shè)備上，而數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和顯示單元由與之連接的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
X身寸驗(yàn)討機(jī)測隨隨身寸 X射線具有"波粒二象性"。以波動(dòng)性來看，X射線具備透射、反射、折射、偏振、相干和不相干散射、衍射等波動(dòng)性質(zhì)。當(dāng)X射線穿過某一物體的時(shí)候，X射線的振幅因?yàn)槲矬w對它的吸收而減弱；同時(shí)，X射線與物質(zhì)原子相干散射使X射線還產(chǎn)生了相移，宏觀上可表現(xiàn)為X射線的波陣面產(chǎn)生變形。也就是說，X射線在穿過物體時(shí)發(fā)生了折射現(xiàn)象，如圖3所示。 在宏觀上，X射線與物質(zhì)之間的相互作用可以用物質(zhì)對X射線的復(fù)折射率n來描述 n = 1— S —i p (5) 其中S與物質(zhì)的相移截面p相關(guān)，|3與物質(zhì)的線性吸收系數(shù)p相關(guān)，它們之間的關(guān)系如下表示jP =——，// = ~( 6 ) 其中A為X射線的波長，S被稱為位相因子，|3被稱為吸收因子。對X射線來說，S —般為10—s左右，所以n小于l。 X射線在物質(zhì)分界面上只發(fā)生微小的折射，可用折射角A e表示，約為微弧度量級。假設(shè)在二維XY平面上，X射線沿笛卡兒坐標(biāo)系X軸方向傳播，如圖4所示，被物體折射的X射線的傳播偏離原來方向的折射角近似為義獨(dú)(力 ， 其中①(y)表示X射線沿傳播路徑M上的總相移。經(jīng)過物體內(nèi)部某幾何點(diǎn)的X射線的相移為P (x， y) dx，則沿傳播路徑積分可求得總相移為 ①(力=PO，力血=平J^(a力血 (8 ) 結(jié)合式(7)和(8)，得出^=^^血=-^^血(9) 由公式(9)表明，折射角A 9是物體內(nèi)部折射率一階微分的沿傳播路徑的積分。
只要我們能夠測量出折射x射線的折射角a e ，就可根據(jù)式(9)并結(jié)合層析重建方法求解
出物體內(nèi)部折射率n的分布。因此，如何測量折射角A e是本發(fā)明的兩光柵相襯成像技術(shù)的關(guān)鍵。 根據(jù)幾何光學(xué)近似理論，兩吸收光柵的作用相當(dāng)"光閘"一樣。當(dāng)兩吸收光柵相對運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，光柵對X射線來說就像閘門一樣時(shí)開時(shí)閉，從而引起檢測單元的探測元上的光強(qiáng)變化。例如參見圖5所示，從兩光柵相襯成像系統(tǒng)的二維平面圖觀察。舉例說明，在沒有物體的情況下，X射線1被光柵A遮擋即被Au吸收，X射線2不被兩光柵遮擋而順利到達(dá)探測元。當(dāng)在光路上放上物體后，X射線1被物體折射后的折射角為A e p X射線2被物
體折射后的折射角為a e2。這時(shí)情況發(fā)生變化，x射線i因折射而順利避開兩光柵的遮擋
到達(dá)探測器，X射線2則被光柵B遮擋從而被Au吸收。這樣一來，探測器所探測到的光強(qiáng)變化反映了 X射線被物體折射的情況。
11
具體地，例如利用數(shù)字化攝影技術(shù)通過相位步進(jìn)方法可以得出所述折射角信息。另外需要注意的是，本發(fā)明涉及的光柵相襯成像使用的射線源是多色射線源，因此本系統(tǒng)所獲得的信息都是平均能量(J )意義下的折射角信息(A )、一階相位信息(VOA )和
折射率信息( )。 為幫助更好地理解本發(fā)明，下面進(jìn)一步討論相位步進(jìn)(Phasest印ping)技術(shù)。
相位歩講 對于圖5所示的示意性系統(tǒng)，兩個(gè)吸收光柵(A、 B)在所述光柵移動(dòng)裝置的致動(dòng)下相對地作步進(jìn)移動(dòng)，所述致動(dòng)受到系統(tǒng)所應(yīng)潛在具有的控制器的控制。例如，第一光柵A固定不動(dòng)，第二光柵B沿X方向在光柵周期P2距離范圍內(nèi)平移N(N〉 1)步?；蛘呤?，第二吸收光柵B固定不動(dòng)，光柵A沿X方向平移N步。所述光柵B(或A)每平移一步，檢測單元采集一次光強(qiáng)信號，所述信號可以由檢測單元直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，或者由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進(jìn)一步由數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)計(jì)算和處理。在平移距離范圍內(nèi)采集N張圖像后，可獲得每個(gè)象素(探測器的探測面上的每個(gè)點(diǎn))在一個(gè)光柵周期內(nèi)光強(qiáng)
變化曲線的分布情況。該光強(qiáng)變化函數(shù)的形狀類似于一個(gè)正弦函數(shù)
y = ^sin(Sx + p)( 10 )
其中A表示振幅，B與光柵周期相關(guān)，p表示相位。 舉例說明，取模型內(nèi)部的某個(gè)象素與背景部分的某個(gè)象素的光強(qiáng)變化曲線進(jìn)行比較，見圖6(為更好地表現(xiàn)差異，兩光柵相對平移了一個(gè)半周期)。從圖6可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X射線被物體折射后，其光強(qiáng)變化曲線相對于背景的光強(qiáng)變化曲線發(fā)生了移動(dòng)。光強(qiáng)變化曲線可用正弦函數(shù)來描述，那么光強(qiáng)變化曲線的移動(dòng)Af對應(yīng)著正弦函數(shù)的相位變化A伊。顯然，當(dāng)
兩光柵相對運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期P2，則正弦函數(shù)相位P變化2 ，所以有
2;r 而Af是由于X射線被折射引起的，它與折射角的關(guān)系是
Af = dA 9 (12)
聯(lián)合式(11)禾P (12)，有
A^虛(13) 由此，得到折射角和X射線的相位變化Ap之間的關(guān)系，其中A^可以通過比較和計(jì)
算得出。 舉例說明一種示例性實(shí)驗(yàn)條件X射線源的焦點(diǎn)尺寸為170微米，光柵A和光柵B周期分別為20和22微米，源與光柵A距離1為1916. 4mm，兩光柵距離d為191.6mm，探測器分辨率127微米。X射線發(fā)射裝置設(shè)置為高壓27kVp，電流9.6mA。兩光柵相對運(yùn)動(dòng)的步長1微米，共步進(jìn)22步，每步各采集一張投影數(shù)據(jù)。被測物體是直徑1厘米的塑料模型(如圖7a所示)。為盡量消除噪聲的影響，每張投影圖像共采集400張圖像進(jìn)行疊加。最后根據(jù)式(13)計(jì)算的折射角圖像如圖7b所示。從圖7b發(fā)現(xiàn)，塑料模型內(nèi)部的三個(gè)孔地結(jié)構(gòu)的
12邊緣清晰地表現(xiàn)出來了 。圖7c和7d顯示了在同樣系統(tǒng)條件下測量出來的小老鼠的后爪和
尾巴的折射角圖像。隨隨魏豐免 利用前述方法獲得的X射線折射角(A e)信息，可通過一定的算法，例如線性映射法、查表算法，等得出這個(gè)點(diǎn)上的像素信息。示例性地，可以利用下述的線性映射法計(jì)算像素值的公式來實(shí)現(xiàn)折射角信息與像素信息的轉(zhuǎn)換z=mx255 (i4) 其中，z為0-255范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)值。這樣，X射線經(jīng)過物體上的每一點(diǎn)所發(fā)生的折射角A e就可以轉(zhuǎn)化為這一點(diǎn)的像素信息。利用得到的關(guān)于物體每一點(diǎn)的像素信息，可以得出物體的圖像象素值并在顯示器上顯示。 當(dāng)然，還可以有多種其他的像素轉(zhuǎn)換計(jì)算方法。現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有多種關(guān)于像素處理的具體方法，例如拉伸和突出某部分的像素等，本發(fā)明在此處可以借鑒使用。
〈X射線相襯層析掃描〉 根據(jù)非相干光柵相襯成像的條件，射線源、光柵和探測器需要保持一定的幾何關(guān)
系，如公式(4)所示。由射線源、光柵和探測器構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)備之間相對固定。 根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思，對于被檢測物體的多角度相襯層析掃描成像的過程包括
如下的步驟。 首先，系統(tǒng)的X射線發(fā)射裝置以一個(gè)角度方向向被檢測的對象發(fā)射(非相干)X射線。在這個(gè)過程中，所述光柵子系統(tǒng)的第一和第二光柵A、 B通過一個(gè)光柵移動(dòng)裝置相對地作步進(jìn)移動(dòng)，即一個(gè)移動(dòng)一個(gè)不動(dòng)。其中每步進(jìn)一下，系統(tǒng)設(shè)備采集所述檢測單元上的X射線光強(qiáng)，所述光強(qiáng)可轉(zhuǎn)換為電信號。通過完成一次一個(gè)周期的步進(jìn)動(dòng)作，檢測單元上的每個(gè)點(diǎn)的X射線光強(qiáng)變化經(jīng)過一個(gè)周期，與背景光強(qiáng)信號相比較后，其可產(chǎn)生對應(yīng)的電信號。所述可識別的電信號經(jīng)電路的轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過計(jì)算，可以得出這個(gè)點(diǎn)的像素信息。各個(gè)點(diǎn)的信息合成后生成一個(gè)所述被檢測物體的平面圖像。 然后，所述系統(tǒng)的X射線發(fā)射裝置以另一個(gè)角度向被檢測的物體發(fā)射X射線，類似地又完成一次上述的過程并得到另一個(gè)圖像。 在一定的范圍內(nèi)，可以得到多幅(例如幾十幅)所述被檢測物體的圖像。所述的多個(gè)圖像經(jīng)過重建形成所述被檢測物體的三維層析圖像。 實(shí)踐中，可以以三種方式實(shí)現(xiàn)所述設(shè)備同與被檢測物體的相對角度變化的運(yùn)動(dòng)，包括圓弧軌跡掃描方式、固定探測器掃描方式和直線軌跡掃描方式。但此處的三種掃描方式不能直接采用"平移-疊加"的重建方法。通過使給出的掃描結(jié)構(gòu)可以等效為平行軌跡的層析系統(tǒng)，可以使用"平移-疊加"方法來進(jìn)行重建。但是，對于某一重建平面來說，不同角度下得到的投影的放大系數(shù)不同，使得不符合"平移-疊加"的重建方法的要求。因此，需要對投影圖像進(jìn)行一定的變換。本發(fā)明給出一種圖像等效變換方法，該方法分為兩步，可以將本專利的多種掃描結(jié)構(gòu)下得到的圖像變換為平行軌道層析掃描，從而可以使用"平移_疊加"的三維圖像重建方法。 具體地，以圓弧軌跡掃描方式(如圖10所示)為例進(jìn)行解釋，所述的變換方法分兩步
1)將實(shí)際探測器得到的圖像數(shù)據(jù)變換到虛擬探測器平面。虛擬探測器平面的特點(diǎn)是與圖像重建平面平行，從而重建平面上的任意點(diǎn)與在虛擬探測器上的放大系數(shù)相同。
2)將不同角度下的虛擬探測器平面數(shù)據(jù)縮放變換到同一尺度下。
首先，將實(shí)際探測器得到的數(shù)據(jù)變換到虛擬探測器平面。 掃描結(jié)構(gòu)等效示意圖見附圖13，算法示意圖見附圖14。設(shè)光源到旋轉(zhuǎn)中心的距離為R，源到探測器平面的距離為D，機(jī)架的旋轉(zhuǎn)中心為C，在旋轉(zhuǎn)角①=0的時(shí)候重建平面距離旋轉(zhuǎn)中心的距離為L，垂足為0，旋轉(zhuǎn)中心C跟0在實(shí)際探測器平面的投影點(diǎn)為(V旋轉(zhuǎn)①角之后，0點(diǎn)位置旋轉(zhuǎn)到P點(diǎn)，P在實(shí)際探測器平面上的投影為P1D過重建平面的中心在實(shí)際探測器上的投影Pi點(diǎn)建立虛擬探測器平面，虛擬探測器平面的特點(diǎn)是與重建平面平行，則重建平面上的任意點(diǎn)在虛擬探測器上的放大系數(shù)相同。重建平面上任一點(diǎn)Q在實(shí)際探測器平面和虛擬探測器平面的投影分別為Qi和Q2。
在三角形SCP中丄尺 i
0098]0099]0100]0101]0102]
0103]<formula>formula see original document page 14</formula>
0104] 在虛擬探測器平面以P工點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，對于其上任意點(diǎn)92，設(shè)其在虛擬探測器上的投影坐標(biāo)為x"即P^2， Q在實(shí)際探測器上的投影點(diǎn)為Qp設(shè)投影坐標(biāo)為x，在三角
形P梨中，PA與PA之間的關(guān)系，及Xi與X的關(guān)系:
<formula>formula see original document page 14</formula>0105]
0106]0107]0108]0109]0110]
<formula>formula see original document page 14</formula>
所以虛擬探測器同實(shí)際探測器坐標(biāo)之間的變換關(guān)系
<formula>formula see original document page 14</formula>
0112] 其次，將不同角度下的虛擬探測器平面數(shù)據(jù)縮放變換到同一尺度下。
0113] 不同角度下虛擬探測器平面得到圖像的放大因子不同，不能直接進(jìn)行疊加重建，
需要進(jìn)行縮放變換到統(tǒng)一的尺度下。不同角度下的放大系數(shù)可以通過幾何關(guān)系求出來，見
附圖14。
0114] 在①=0情況下，虛擬探測器平面同實(shí)際探測器平面一致，重建平面的放大倍數(shù)
， ，0115]<formula>formula see original document page 14</formula>
在①角度下，重建平面的放大倍數(shù)
<formula>formula see original document page 15</formula>
則縮放變換后的坐標(biāo)
<formula>formula see original document page 15</formula>
綜合以上兩步，可以將本專利中的圓弧軌道掃描方式轉(zhuǎn)換成常規(guī)的平行軌跡層析掃描方式(如圖9所示)，從而使用"平移-疊加"的方法進(jìn)行重建。對于①角度下的投影，需要已知的條件為R，D和L。
實(shí)施例1 下面以圓弧軌道的掃描方式為例，給出X射線相襯層析成像的具體實(shí)施例。
在該實(shí)施例的情況下，被檢查對象固定保持不動(dòng)，X射線源同光柵子系統(tǒng)(包括雙光柵)和檢測單元的探測器固定在同一個(gè)支架上，如上圖IO所示。源、光柵子系統(tǒng)以及探測器在數(shù)據(jù)采集過程當(dāng)中保持之間相對靜止。為滿足公式(4)的參數(shù)要求，需要調(diào)節(jié)X射線源，雙光柵之間的距離。這可以通過固定射線源和第而光柵B，調(diào)節(jié)第一光柵A在Z方向的位置來進(jìn)行。第一光柵A在Z方向的運(yùn)動(dòng)，可由系統(tǒng)所具有的控制裝置控制致動(dòng)結(jié)構(gòu)來完成，其精度在微米量級。同理，也可以固定X射線源跟第一光柵A，而通過調(diào)節(jié)第二光柵B來的Z方向位置實(shí)現(xiàn)。整個(gè)支架可圍繞旋轉(zhuǎn)軸在X-Z平面內(nèi)做圓弧型的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的角度范圍通常為60度，具體如上圖10所示。 具體地，所示的圓弧旋轉(zhuǎn)軌跡上，每隔一定的角度間隔(例如可以為5度)，系統(tǒng)的支架停止旋轉(zhuǎn)并保持靜止，然后系統(tǒng)發(fā)射X射線，同時(shí)雙光柵子系統(tǒng)做相對運(yùn)動(dòng)，完成一次步進(jìn)相位掃描光柵B保持不動(dòng)，光柵A通過X方向自由度的步進(jìn)控制器做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)動(dòng)一步通過探測器采集一副圖像。N次步進(jìn)之后完成一個(gè)角度下全部數(shù)據(jù)采集。
—個(gè)角度下采集的N幅圖像，通過計(jì)算機(jī)信息提取算法可以獲得通過一階相位信息(實(shí)際上或也能夠得到散射信息和吸收信息)導(dǎo)出的投影圖像。 在圓弧軌道上的多個(gè)位置分別可以得到不同角度下的投影圖像，使用這些投影圖像，通過上述的兩步變換方法可以得到被檢查物體平行于X-Y平面的三維斷層圖像。系統(tǒng)根據(jù)需要可以在所在平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這樣在圓弧掃描軌道的每一個(gè)掃描角度下，光柵步進(jìn)的方向可以不同(但是步進(jìn)方向始終是垂直于光柵條紋方向的)，能夠得到物體不同方向的一階相位信息。特例情況下，當(dāng)支架不旋轉(zhuǎn)，保持在O度時(shí)(探測器平行于X-Y平面)，系統(tǒng)可以作為透視成像系統(tǒng)使用，得到物體的透視相襯圖像。此時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類似于目前臨床使用的普通X射線乳腺成像系統(tǒng)。
實(shí)施例2 在一種示例的情況下，檢測單元的探測器部分和光柵子系統(tǒng)保持不動(dòng)，而射線源直線運(yùn)動(dòng)，如圖11a、llb所示。此時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)更為簡單。相對于圓弧軌跡掃描方式，它在同等大小探測器的條件下其有效的掃描角度較小。 在一個(gè)位置狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集過程中，被檢查物體(例如乳腺)、雙光柵和探測器均保持靜止不動(dòng)，射線源做直線軌跡運(yùn)動(dòng)，如圖lla所示。其中，射線源可以在軌跡上做等間隔的運(yùn)動(dòng)，也可以采用等角的方式。在等角方式下，物體運(yùn)動(dòng)間隔由角度間隔e跟射線源到樣品的距離L決定，H = Lsin9 。在固定探測器掃描方式下，角度采樣間隔e比圓弧軌跡掃描方式小，通常為3 4度。例如，可以采集13個(gè)角度下的圖像。
在不同的軌跡位置，射線源的發(fā)射窗口需要旋轉(zhuǎn)一定的角度，如果它的前面設(shè)置了源光柵，這該源光柵也應(yīng)連帶地作一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，其目的是使射線源束方向?qū)?zhǔn)探測器中心，從而提高X射線的有效利用率。 在射線源直線軌跡的每個(gè)固定位置，進(jìn)行一次獨(dú)立的相位步進(jìn)掃描成像，得到一
個(gè)位置狀態(tài)下的一個(gè)或多個(gè)投影圖像。在多個(gè)不同的位置進(jìn)行多個(gè)所述的相襯成像過程，
并得到多個(gè)相襯圖像，其中可以通過本發(fā)明給出的轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行相襯成像。 如上圖llb所示，固定探測器的掃描方式，通過設(shè)置虛擬探測器可以等效成為圓
弧軌跡的掃描方式，等效于采集了不同角度下的物體的投影圖像。類似地，當(dāng)射線源在途中
所示的中心位置時(shí)，系統(tǒng)可以作為透視成像系統(tǒng)使用，得到物體的透視相襯圖像。同圓弧軌
跡掃描方式相同，光柵子系統(tǒng)的兩個(gè)平行光柵可以在所在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而得到物體不同
方向的一階相位信息，以及相應(yīng)的圖像。 實(shí)施例3 該實(shí)施例描述了直線軌跡運(yùn)動(dòng)掃描方式，特點(diǎn)是射線源、光柵子系統(tǒng)和探測器保持相對靜止，而與被檢測的對象做相對直線運(yùn)動(dòng)，具體如圖12所示。該模式下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不包含相對復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。取決于應(yīng)用環(huán)境，如圖12a所示，直線軌跡的方式有兩種等效的方式射線源和光柵子系統(tǒng)不動(dòng)，而樣品做直線軌跡的運(yùn)動(dòng)；樣品不動(dòng)，射線源同光柵子系統(tǒng)保持相對靜止做直線運(yùn)動(dòng)。 以第一種運(yùn)動(dòng)方式為例，被檢查物體在直線軌跡上運(yùn)動(dòng)，在不同的位置上停止運(yùn)動(dòng)并保持靜止，完成一次相位步進(jìn)掃描，通過信息提取方法，得到一幅或多幅投影圖像。這種掃描方式同樣可以等效為多個(gè)角度下投影，如圖12b。 同圓弧軌跡掃描方式相同，雙光柵可以在所在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而得到物體不同方向的一階相位信息。 盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，對于目前所給出的公開內(nèi)容，在不脫離這里所描述的本發(fā)明概念的精神范圍內(nèi)可以做出變形。因此，并不意味著本發(fā)明的范圍局限于所示出的和所描述的特定實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種X射線成像系統(tǒng)，用于對被檢測物體進(jìn)行成像，該系統(tǒng)包括X射線發(fā)射裝置，操作用于向被檢測物體發(fā)射X射線束；光柵子系統(tǒng)，包括第一和第二吸收光柵(A，B)，其設(shè)置在X射線束的發(fā)射方向上，操作用于取得X射線束經(jīng)過所述物體的折射信息；光柵移動(dòng)裝置，操作用于使得所述第一和第二光柵之一相對于另一個(gè)進(jìn)行步進(jìn)移動(dòng)；檢測單元，位于被檢測物體和所述光柵子系統(tǒng)的后面，操作用于接收經(jīng)所述經(jīng)被檢測物體折射的X射線，并將其轉(zhuǎn)換為可識別的電信號；以及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，用于處理所述電信號的數(shù)據(jù)并從中計(jì)算出所述X射線束的折射信息，以及并由此計(jì)算出被檢測物體的像素信息；其中，所述成像系統(tǒng)還包括移動(dòng)裝置，操作用于使得所述被檢測的物體相對于所述成像系統(tǒng)進(jìn)行相對地移動(dòng)；其中，在所述成像系統(tǒng)與被檢測物體的一定相對移動(dòng)范圍內(nèi)，在多個(gè)位置的每個(gè)位置處，所述成像系統(tǒng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像，由此取得被檢測物體的多個(gè)X射線掃描圖像；所述多個(gè)圖像經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成同一個(gè)重建平面上的圖像，并由此進(jìn)行三維圖像重建。
2. 如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述X射線裝置發(fā)射非相干的X射線束，并且所述X射線束為錐形。
3. 如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，該X射線裝置包括X射線源，該X射線源的焦點(diǎn)尺寸p。$兩足<formula>formula see original document page 2</formula>其中A為X射線的波長，p。為X射線發(fā)射裝置的焦點(diǎn)尺寸，p工為所述第一吸收光柵(A)的周期，1為所述第一吸收光柵與所述X射線發(fā)射裝置的射線源之間的距離。
4. 如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述X射線源的焦點(diǎn)尺寸不大于所述X射線發(fā)射裝置的臨界焦點(diǎn)尺寸的一半，其中所述X射線發(fā)射裝置的臨界焦點(diǎn)尺寸p。,^ti^為p。礎(chǔ)^ =4戶2，其中P2為所述第二吸收光柵的周期，d為所述第一吸收光柵與所述第二吸收光柵之間的距離。
5. 如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述光柵移動(dòng)裝置還可以使所述兩個(gè)吸收光柵之一在X射線方向上移動(dòng)。
6. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述第一和第二吸收光柵(A，B)之間的距離滿足方程式^ = 7f7 '其中Pl、P2分別為第一、第二光柵的周期，1為所述X射線發(fā)射裝置與第一吸收光柵之間的距離，d為第一和第二吸收光柵之間的距離。
7. 如權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述光柵移動(dòng)裝置還可操作用于使得所述第一和第二光柵之一在X射線方向上移動(dòng)；和/或使得所述第一和第二光柵在其平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。
8. 如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述第一吸收光柵和第二吸收光柵的周期pl、p2在0. 1微米_30微米之間。
9. 如權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述X射線發(fā)射裝置包括多縫準(zhǔn)直器，以及所述多縫準(zhǔn)直器優(yōu)選為源光柵。
10. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理單元能夠通過計(jì)算得出檢測面上的X射線的光強(qiáng)變化，并利用所述光強(qiáng)變化的值計(jì)算得出X射線經(jīng)過被檢測物體的折射角。
11. 如權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)處理單元通過所述折射角信息，計(jì)算得出對于所述被檢測物體成像的像素信息。
12. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述被檢測物體位于所述X射線發(fā)射裝置與所述第一和第二吸收光柵(A，B)之間，或者位于所述第一和第二吸收光柵(A，B)之間。
13. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述第一吸收光柵和第二吸收光柵與所述步進(jìn)移動(dòng)裝置相連接，使得第一、第二吸收光柵之一不動(dòng)，而另一吸收光柵在平行于光柵平面的方向上步進(jìn)動(dòng)作。
14. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，包括所述X射線發(fā)射裝置、光柵子系統(tǒng)、檢測單元的相系統(tǒng)部分相對于被檢測的物體以一個(gè)圓弧軌跡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，在圓弧軌跡的不同固定位置上，所述成像系統(tǒng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像并生成掃描圖像；以及其中在所述數(shù)據(jù)處理子單元的計(jì)算中，所述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺度下的圖像，并進(jìn)行圖像疊加合成為三維圖像。
15. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述X射線源沿直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)所述檢測單元和光柵子系統(tǒng)保持不動(dòng)；在直線軌跡的不同位置下，X射線源固定，同時(shí)所述成像系統(tǒng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像并生成掃描圖像；以及所述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺度下的圖像，并進(jìn)行圖像疊加合成為三維圖像。
16. 如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述被檢測物體和由所述X射線發(fā)射裝置、光柵子系統(tǒng)、檢測器單元構(gòu)成的相襯成像子系統(tǒng)相對地作直線運(yùn)動(dòng)；在不同的相對位置下相對固定，所述成像系統(tǒng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像并生成掃描圖像；以及所述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺度下的圖像，并進(jìn)行圖像疊加合成為三維圖像。
17. 如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，特征在于，還包括圖像顯示單元，用于顯示重建的圖像。
18. 如權(quán)利要求14-16中任一所述的系統(tǒng)，特征在于，所述數(shù)據(jù)吃力子系統(tǒng)還可操作用于將在檢測單元的探測面上所得到的圖像分布轉(zhuǎn)換到一個(gè)與圖像重建平面平行的虛擬面上，以及將所述不同虛擬面上的圖像轉(zhuǎn)換到一個(gè)相同的尺度下。
19. 一種X射線成像的方法，用于對被檢測物體進(jìn)行成像，該方法包括在一個(gè)相對位置，由X射線發(fā)射裝置向被檢測物體發(fā)射X射線束；經(jīng)過被檢測物體的X射線束穿過第一和第二吸收光柵(A，B)，其中由兩個(gè)吸收光柵(A，B)作相互步進(jìn)移動(dòng)，從而在所述光柵后的檢測單元上產(chǎn)生強(qiáng)度變化的X射線信號；所述檢測單元接收所述強(qiáng)度變化的X射線，將X射線信號轉(zhuǎn)換為可識別的電信號；以及利用數(shù)據(jù)處理單元，從所述可識別的電信號，計(jì)算X射線的光強(qiáng)變化，以及利用所述光強(qiáng)變化值計(jì)算出X射線的折射角信息，以及利用獲得的折射角信息，計(jì)算得出被折射物體 的圖像；并且將所述圖像轉(zhuǎn)換到一個(gè)重建平面上；變換所述相對位置，重復(fù)以上的步驟，由此取得多個(gè)圖像，以及將所述多個(gè)圖像進(jìn)行重 建，從而重建出三維圖像。
20. 如權(quán)利要求19的方法，其中，所述X射線發(fā)射裝置與所述第一和第二吸收光柵之間 的幾何距離滿足方程式<formula>formula see original document page 4</formula>其中Pl為所述第一吸收光柵(A)的周期，p2為所述第二吸收光柵(B)的周期，d為所 述第一吸收光柵與所述第二吸收光柵之間的距離，1為所述第一吸收光柵與X射線發(fā)射裝 置之間的距離。
21. 如權(quán)利要求20的方法，其中使所述被檢測物體位于所述X射線發(fā)射裝置與所述第 一和第二吸收光柵(A，B)之間，或者位于所述第一和第二吸收光柵(A，B)之間。。
22. 如權(quán)利要求20的方法，其中所述第一和第二吸收光柵，可以在其平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。
23. 如權(quán)利要求22的方法，其中所述光柵子系統(tǒng)在一個(gè)相襯成像過程中通過相位步進(jìn) 提取所述X射線經(jīng)過被檢測物體后的折射角信息。
24. 如權(quán)利要求23的方法，其中所述相位步進(jìn)包括，第一和第二吸收光柵之一保持不 動(dòng)，而另一吸收光柵在垂直于光柵縫隙和X射線束的方向上步進(jìn)移動(dòng)。
25. 如權(quán)利要求24的方法，其中在所述的步進(jìn)移動(dòng)過程中，檢測單元測量X射線在檢測 面上的光強(qiáng)變化，并且將所取得的光強(qiáng)變化曲線與未放置物體時(shí)的背景X射線的光強(qiáng)變化 曲線相比較，從而得到光強(qiáng)的變化量，根據(jù)預(yù)定的關(guān)于光強(qiáng)變化和折射角之間的關(guān)系式得 出X射線的折射信息。
26. 如權(quán)利要求24的方法，其中，包括所述X射線發(fā)射裝置、光柵子系統(tǒng)、檢測器單元的 系統(tǒng)部分相對于被檢測的物體以一個(gè)圓弧軌跡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，在圓弧軌跡的不同固定位置上，所述成像系統(tǒng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像，并生 成一個(gè)或多個(gè)掃描圖像；以及所述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺 度下的圖像，并進(jìn)行圖像疊加合成為三維圖像。
27. 如權(quán)利要求19的方法，其中，所述X射線源沿直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)所述檢測單元和光柵 子系統(tǒng)保持不動(dòng)；在直線軌跡的不同位置下，X射線源固定，所述成像系統(tǒng)通過光柵子系統(tǒng)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)對 被檢測物體進(jìn)行相襯成像，并由此生成一個(gè)或多個(gè)掃描圖像；以及所述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺度下的圖像，并進(jìn)行圖像 疊加合成為三維圖像。
28. 如權(quán)利要求19的方法，其中，所述被檢測物體和由所述X射線發(fā)射裝置、光柵子系 統(tǒng)、檢測器單元構(gòu)成的相襯成像子系統(tǒng)相對地作直線運(yùn)動(dòng)；在不同的相對位置下相對固定，所述成像系統(tǒng)通過所述光柵子系統(tǒng)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)對被檢 測物體進(jìn)行相襯成像，并生成相襯掃描圖像；以及所述各個(gè)位置上所生成的相襯掃描圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變成同一縮放尺度下的圖像，并進(jìn)行圖像 疊加合成為三維圖像。
29.如權(quán)利要求26-28中任一所述的方法，包括將在檢測單元的探測面上所得到的圖 像分布轉(zhuǎn)換到一個(gè)與圖像重建平面平行的虛擬面上，以及 將所述不同虛擬面上的圖像轉(zhuǎn)換到一個(gè)相同的尺度下。
全文摘要
涉及X射線層析相襯成像系統(tǒng)及方法，包括X射線裝置，向被檢測物體發(fā)射X射線束；光柵子系統(tǒng)，包括第一和第二吸收光柵，位于X射線束方向上，被檢測物體折射的X射線經(jīng)該第一和第二吸收光柵形成強(qiáng)度變化的X射線信號；檢測單元，接收強(qiáng)度變化的X射線并轉(zhuǎn)換為電信號；和數(shù)據(jù)處理單元，處理并提取該電信號中折射角信息，并利用折射角信息計(jì)算出像素信息；相對移動(dòng)裝置，用于使得所述被檢測的物體相對于所述成像系統(tǒng)相對地移動(dòng)。在所述成像系統(tǒng)與被檢測物體的一定相對移動(dòng)范圍內(nèi)，在多個(gè)位置處，所述成像系統(tǒng)對被檢測物體進(jìn)行相襯成像，由此取得被檢測物體的多個(gè)圖像。所述多個(gè)圖像經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成同一個(gè)重建平面上的圖像，并由此進(jìn)行三維圖像重建。
文檔編號G01N23/02GK101726503SQ20081022436
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者張麗, 李元景, 王振天, 肖永順, 趙自然, 邢宇翔, 陳志強(qiáng), 黃志峰 申請人:清華大學(xué);同方威視技術(shù)股份有限公司