一種雙能x射線相位襯度成像裝置及其實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙能X射線相位襯度成像裝置及其實現(xiàn)方法，該雙能X射線相位襯度成像裝置沿光路依次包括X光機、源光柵、分束光柵、樣品室、分析光柵和X射線探測器，其中：X光機用于發(fā)出X射線；源光柵用于將大焦點的X光源分成為若干個不相干的小焦點光源；分束光柵用于將小焦點光源分成若干束，照射到樣品室中的樣品上，并在在分析光柵上形成幾何投影；樣品室用于放置并固定樣品，同時帶動樣品進行旋轉；分析光柵用于與分束光柵一起在X射線探測器上形成莫爾條紋；X射線探測器用于獲取并記錄該莫爾條紋。利用本發(fā)明進行雙能X射線相位襯度成像時，選取的兩個能量值V高和V低可以根據(jù)實際情況隨意調(diào)整，從而擴大雙能X射線相位襯度成像的使用范圍。
【專利說明】一種雙能X射線相位襯度成像裝置及其實現(xiàn)方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及X射線成像【技術領域】，尤其是一種雙能X射線相位襯度成像裝置及其實現(xiàn)方法。

【背景技術】
[0002]基于傳統(tǒng)吸收襯度的雙能X射線成像技術，在臨床醫(yī)學中獲得了廣泛的應用。雙能X射線骨密度測量儀，是目前骨質(zhì)疏松診斷最準確和最有價值的方法[1’2]。雙能X射線CT成像技術，能夠把骨組織或軟組織從X射線圖像中除去，得到僅含軟組織或骨組織的圖像，從而可以便捷醫(yī)學診斷。雙能減影X射線血管造影技術(利用碘造影劑)可以去除骨骼、肌肉和其他組織，只留下單純血管的清晰圖像，因而可以提供更加準確的診斷信息，同時可以保證更為安全的介入手術[3’4]。但是對于由C、H、N、O等輕元素組成的弱吸收物質(zhì)，由于他們在不同能量下，吸收系數(shù)的差異性很小，所以基于傳統(tǒng)吸收襯度的雙能X射線成像技術，在弱吸收生物組織間的分辨和識別方面，發(fā)揮作用有限[5]。
[0003]與傳統(tǒng)吸收襯度成像相比，對于弱吸收物體，硬X射線相位襯度成像技術能夠提供大大增強的圖像襯度和明顯改善的成像質(zhì)量[6_9]，這是因為在硬X射線波段，弱吸收物質(zhì)的相移因子是吸收因子的1000多倍_。同時，弱吸收物質(zhì)的相移因子在不同能量下的差異性明顯高于吸收因子。因此雙能X射線相位襯度成像技術在弱吸收物質(zhì)間的分辨識別方面有著巨大的應用價值[5]。
[0004]在目前眾多的X射線相位襯度成像技術中[11_16]，基于三塊光柵的成像技術[16]，是唯一可以利用普通X光源進行成像試驗的，因此該技術最有可能在臨床醫(yī)學、社會安全檢查和工業(yè)無損檢測等領域獲得推廣應用。
[0005]目前的雙能X射線相位襯度成像裝置和試驗方法，正是基于三塊光柵的相位襯度成像技術[5]。在該雙能成像技術中，相位信息提取是基于衍射光柵的Talbot效應，選取的兩個X光機管電壓^和￥<0^必須滿足以下兩個條件:(I)X光機在高電壓^下發(fā)出射線的等效能量E?通過相位光柵時產(chǎn)生的相移為= (2)Χ光機在低電壓VffiT發(fā)出射線的等效能量Eis通過相位光柵時產(chǎn)生的相移為= j。由于入射射線通過相位光柵時產(chǎn)生的相移Λ φ和射線能量E的一一對應性[5]，因此，對于一套構建完畢的成像系統(tǒng)，
L.進行雙能成像時選取的兩個管電壓就固定不可改變，在目前的機器配置中，選用的兩個管電壓必須為Vs= 7OKV和Vffi= 40KV，對應射線的平均能量為Ek= 40KeV和Effi= 20KeV,不能選取其他的管電壓進行雙能X射線相位襯度成像[5]。
[0006]然而，在實際的雙能X射線相位襯度成像中，由于試驗對象各種各樣，為了得到比較理想的成像效果，需要根據(jù)實際情況，選用合理的X射線能量[17’18]。因此，目前雙能X射線相位襯度成像技術的使用范圍受到了限制。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0026](一 )要解決的技術問題
[0027]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種雙能X射線相位襯度成像裝置及其實現(xiàn)方法，以構建一套靈活的雙能X射線相位襯度成像裝置，在利用該裝置進行雙能X射線相位襯度成像時，選取的兩個能量值￥^和Vffi可以根據(jù)實際情況隨意調(diào)整，從而擴大雙能X射線相位襯度成像的使用范圍。
[0028]( 二 )技術方案
[0029]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種雙能X射線相位襯度成像裝置，該裝置沿光路依次包括X光機1、源光柵2、分束光柵3、樣品室4、分析光柵5和X射線探測器6，其中:X光機1，用于發(fā)出X射線；源光柵2，用于將大焦點的X光源分成為若干個不相干的小焦點光源；分束光柵3，用于將小焦點光源分成若干束，照射到樣品室4中的樣品上，并在在分析光柵5上形成幾何投影；樣品室4，用于放置并固定樣品，同時帶動樣品進行旋轉；分析光柵5，用于與分束光柵3 —起在X射線探測器上形成莫爾條紋；X射線探測器6，用于獲取并記錄該莫爾條紋。
[0030]為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法，該方法包括:
[0031]對準X光機的出光點和X射探測器接收平面的中心點；
[0032]對X射線探測器進行Offset矯正和Gain矯正；
[0033]精確對準源光柵、分束光柵與分析光柵，使這三塊光柵的刻線相互平行、三塊光柵所在的平面和X射線探測器的平面相互平行，同時使三塊光柵的中心點、X光機的出光點和X射線探測器中心點在一條直線上；
[0034]調(diào)節(jié)X光機的管電壓到高能^處，進行相位步進掃描，同時旋轉樣品室，采集圖像并重建出高能￥^處樣品的三維相位信息；
[0035]調(diào)節(jié)X光機的管電壓到低能，進行相位步進掃描，同時旋轉樣品室，采集圖像并重建出低能Vffi處樣品的三維相位信息。
[0036](三)有益效果
[0037]從上述技術方案可以看出，利用本發(fā)明提供的雙能X射線相位襯度成像裝置及其實現(xiàn)方法，進行雙能X射線相位襯度成像時，主要具有以下幾個優(yōu)點:
[0038](I)由于該雙能X射線相位襯度成像裝置的信息提取是利用光柵幾何投影產(chǎn)生的莫爾條紋，因此在進行雙能X射線相位襯度成像時，選取的兩個能量^^和Vffi可以根據(jù)實際情況隨意調(diào)整。與目前的技術相比(選用的兩個能量可調(diào)節(jié))，大大拓展了雙能X射線相位襯度成像的應用范圍。
[0039](2)由于該雙能X射線相位襯度成像裝置采用的三塊光柵均為幾十微米(40至100微米)的大周期吸收光柵，與目前的技術相比(采用的光柵周期為2微米左右)，本成像系統(tǒng)光柵的研制加工更加容易、成本更低，并且更有可能研制出大周期(40X40厘米2)、高吸收厚度(300微米)和高性能的光柵，從而可以使雙能X射線相位襯度成像技術應用在臨床醫(yī)學成像領域。
[0040](3)該雙能X射線相位襯度成像裝置采用的三塊光柵均為幾十微米的大周期光柵，與目前采用2微米左右小周期的雙能X射線相位襯度成像技術相比，根據(jù)本發(fā)明構建的雙能X射線相位襯度成像裝置對機械穩(wěn)定性要求大大降低，機架重力、機械制造誤差、機械裝配誤差、機械振動和熱膨脹等外界因素對系統(tǒng)的成像性能影響會大大降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明提供的雙能X射線相位襯度成像裝置的光路示意圖。
[0042]圖2是本發(fā)明提供的實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法流程圖。
[0043]圖3是依照本發(fā)明實施例的雙能X射線相位襯度成像裝置的結構示意圖。
[0044]圖4是依照本發(fā)明實施例的采用四根有機玻璃圓柱棒的雙能X射線相位襯度成像實驗結果的示意圖。
[0045]圖5是依照本發(fā)明實施例的X光機在40KV管電壓下成像結果的定量分析的示意圖。
[0046]圖6是依照本發(fā)明實施例的X光機在50KV管電壓下成像結果的定量分析的示意圖。
[0047]圖7是依照本發(fā)明實施例的X光機在40KV和50KV管電壓下的出射能譜的示意圖。
[0048]圖8是依照本發(fā)明實施例的X光機在40KV管電壓和50KV管電壓下的試驗結果對比的示意圖。

【具體實施方式】
[0049]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0050]本發(fā)明采用的技術思路是:利用40至100微米的大周期光柵構建雙能X射線相位襯度成像裝置，借助光柵幾何投影產(chǎn)生的莫爾條紋提取樣品的相位襯度圖像，進而實施雙能X射線相位襯度成像。
[0051]圖1是本發(fā)明提供的雙能X射線相位襯度成像裝置的光路示意圖，該裝置沿光路依次包括X光機1、源光柵2、分束光柵3、樣品室4、分析光柵5和X射線探測器6。其中，X光機I用于發(fā)出X射線；源光柵2用于將大焦點的X光源分成為若干個不相干的小焦點光源；分束光柵3用于將小焦點光源分成若干束，照射到樣品室4中的樣品上，并在在分析光柵5上形成幾何投影；樣品室4用于放置并固定樣品，同時帶動樣品進行旋轉；分析光柵5用于與分束光柵3 —起在X射線探測器上形成莫爾條紋；X射線探測器6用于獲取并記錄該莫爾條紋。
[0052]其中，所述源光柵2與所述分析光柵5的周期滿足= I，其中Ptl為源光柵2的周期，P2是分析光柵5的周期，I是源光柵2與分束光柵3之間的距離，d為分束光柵3與分析光柵5之間的距離，以使所述分束光柵3在每個小焦點光源下產(chǎn)生的投影像互相錯開一個周期并疊加在一起，從而使得條紋對比度得到增強。
[0053]同時，所述分束光柵3與所述分析光柵5的周期滿足f = 其中P1為分束光柵3的周期，p2是分析光柵5的周期，I是源光柵2與分束光柵3之間的距離，d為分束光柵3與分析光柵5之間的距離，以使所述分束光柵3投影的周期和所述分析光柵5周期相等，從而能夠通過相位步進技術完成信息提取。
[0054]另外，所述源光柵2、分束光柵3與分析光柵5均為周期為40微米至100微米的大周期吸收光柵，X射線探測器6為X射線平板探測器。
[0055]基于圖1所示的雙能X射線相位襯度成像裝置的光路示意圖，圖2示出了本發(fā)明提供的實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0056]步驟1:對準X光機的出光點和X射探測器接收平面的中心點；
[0057]步驟2:對X射線探測器進行Offset矯正和Gain矯正；
[0058]步驟3:精確對準源光柵、分束光柵與分析光柵，使這三塊光柵的刻線相互平行、三塊光柵所在的平面和X射線探測器的平面相互平行，同時使三塊光柵的中心點、X光機的出光點和X射線探測器中心點在一條直線上；
[0059]步驟4:調(diào)節(jié)X光機的管電壓到高能，進行相位步進掃描，同時旋轉樣品室，采集圖像并重建出高能￥^處樣品的三維相位信息；
[0060]步驟5:調(diào)節(jié)X光機的管電壓到低能，進行相位步進掃描，同時旋轉樣品室，采集圖像并重建出低能Vffi處樣品的三維相位信息。
[0061]基于圖1所示的雙能X射線相位襯度成像裝置和圖2所示的實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法，圖3示出了依照本發(fā)明實施例的雙能X射線相位襯度成像裝置的結構示意圖，其中，X光機、源光柵2、分束光柵3、樣品室和分析光柵5均通過組裝的三維光學精密位移臺固定在光學平臺上，在分析光柵5橫向運動方向，配置有超精密的壓電陶瓷電機，定位精度可達到10納米，用于高精密的相位步進掃描，X射線平板探測器通過機械部件固定在桌子上。
[0062]在本實施例中，整個雙能X射線相位襯度成像裝置的電機控制、圖像采集、圖像處理和裝置維護等工作可以由工業(yè)計算機上的LabVIEW程序完成。
[0063]在本實施例中，X光機的焦點大小為I毫米，管電壓可調(diào)范圍為30-160KV。源光柵周期為100微米，金厚度為200微米，占空比為1: 1，面積為1X1厘米2。分束光柵周期為50微米，金厚度為200微米，占空比為1: 1，面積為1X 10厘米2。分析光柵周期為100微米，金厚度為200微米，占空比為1: 1，面積為10X10厘米2。X射線探測器的像素尺寸為0.2X0.2厘米2，X射線探測器的活動區(qū)域面積為20.48X20.48厘米2。源光柵距離X光機出光點的距離為I厘米，源光柵和分束光柵的距離為60厘米，樣品室緊貼著分束光柵，分析光柵和分束光柵的距離為60厘米，X射線探測器采用X射線平板探測器，其緊貼著分析光柵放置。
[0064]基于該雙能X射線相位襯度成像裝置，其實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的步驟如下:
[0065](I)利用激光器分別在水平方向和豎直方向，對準X光機出射點和X射線探測器活動區(qū)域的中心，使X光機的出光點與X射線探測器接收平面的中心點對準。
[0066](2)根據(jù)實驗對象，選用合適的高能Vs和低能Vis進行雙能X射線相位襯度成像。如實驗對象為小白鼠，高能般選為60KV，低能般選為40KV。
[0067](3)把源光柵2、分束光柵3和分析光柵5移出成像視場，在X光機關閉時利用X射線探測器采集50張圖像，平均后保存為一張Offset圖像(Itjffset);打開X光機，把X光機的管電壓調(diào)到低能^處，穩(wěn)定10分鐘后，利用X射線探測器采集50張圖像，平均后保存為一張低能Gain圖像();把X光機的管電壓調(diào)到高能，穩(wěn)定10分鐘后，利用X射線探測器采集50張圖像，平均后保存為一張高能Gain圖像()。
[0068](4)把X光機的管電壓維持在高能Vs處，調(diào)用Itjffsrt和1?::，利用公式



τη-^λ-?,η-Ν


X [l''；!；；(m,n)-10,lVi(m,n)] _
Ι^η) = [Ι^^η)-Ι0,τ,?(?η;η)]χ …(丨.“:——對米集到的 0ffset 圖像

'■ MxNx [I^ (m,n)-1offset (m，n)]
(1ffset)和高能Gain圖像()進行offset校正和gain校正。其中I(m,n)是校正完畢后圖像中像素(m，n)的灰度值，Ia_M(m，n)是探測器采集的圖像中像素(m，η)的灰度值，!offset (m? η)是Offset圖像中像素(m, η)的灰度值，f ,',加別是Gain圖像中像素(m, η)的灰度值。M是探測器水平方向的像素數(shù)量，N是探測器垂直方向的像素數(shù)量。
[0069](5)把源光柵2移動至視場的正中央，在Z方向輕微旋轉源光柵2，觀測X射線探測器采集到的圖像，使源光柵2的刻線處于豎直方向。
[0070](6)把分束光柵3和分析光柵5移動進入成像視場內(nèi)，此時在探測器上會看到傾斜的大周期莫爾條紋。
[0071](7)在Z方向輕微旋轉分束光柵3，每次旋轉0.1°，同時觀察探測器接收到的圖像，反復調(diào)整，使莫爾條紋處于垂直方向。
[0072](8)在Y方向輕微旋轉分束光柵3，每次旋轉0.1°，同時觀察探測器接收到的圖像，反復調(diào)整，使視場中的旲爾條紋的周期左右相等。
[0073](9)在X方向輕微旋轉分析光柵5，每次旋轉0.1°，同時觀察探測器接收到的圖像，反復調(diào)整，使視場中的莫爾條紋的周期上下相等。
[0074](10)在Z方向移動分束光柵3，每次移動0.1毫米，使莫爾條紋的周期逐漸增大，反復調(diào)整，直到在整個視場區(qū)域，光強保持均勻，沒有明顯的明暗之分。
[0075](11)在X方向高精度移動分析光柵5，每次移動10微米，在移動過程中，觀測探測器采集到圖像的明暗變化是否均勻。若不均勻，重新在X方向輕微移動分束光柵3，直到在一個周期內(nèi)連續(xù)移動分析光柵5的過程中，成像視場內(nèi)各個位置的光強從亮到暗的變化是步調(diào)一致的。
[0076](12)把X光機的管電壓維持在高能，把樣品室移動到成像視場中。
[0077](13)在X方向高精度移動分析光柵5，進行相位步進掃描，同時利用X射線探測器采集并保存圖像，整個過程由LabVIEW程序自動完成。相位步進掃描完成后，利用公式


(w,?)?sin[2;r
0卜，=^Varctan jTf-7~TT計算樣品在高能乂胃處的折射信息。公式
2π? Σ/和中Θ (m,n)是像素(m，n)處的折射角，P2是分析光柵5的周期，d是樣品室和分析光柵5之間的距離，Ik(m，η)是第k步采集到的圖像中像素(m，n)的灰度值，k是累加求和過程中的變量，N是相位步進的步數(shù)。
[0078](14)在Y方向把樣品室旋轉1°，重復步驟13。
[0079](15)重復步驟14，直到樣品室完成360°的旋轉為止。
[0080](16)把樣品室移出視場，在X方向高精度移動分析光柵5，進行相位步進掃描，同時利用探測器采集并保存圖像，整個過程由LabVIEW程序自動完成。相位步進掃描完成后，
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^tIk (m^)^sin 2π—
利用公式-.^yarctan ψ-f~計算出高能V高處成像系統(tǒng)背景
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的折射信息。公式中Θ (m, η)是像素(m，η)處的折射角，P2是分析光柵5的周期，d是分束光柵3和分析光柵5之間的距離，N是相位步進的步數(shù)，Ik(m, η)是第k步采集到的圖像中像素(m，n)的灰度值，k是累加求和過程中的變量。
[0081](17)利用公式叫所，")=外吼扣除系統(tǒng)背景，計算出樣品室旋轉過程中，每個投影方向純樣品的折射信息。
[0082]( I 8 )利用優(yōu)化的 濾波反投影算法X \ V，Z )尚能=-j" ?φ\ [θ{ xr，φ, Z ) * F Λ (丨刈)]?J(xcos φ + ysin φ — χ )dx 重建出試驗樣品
Ju2π jp
在高能Vs處的三維相位信息。其中δ (x，y，z) 為樣品位置(x，y，z)處體積單元在高能Vs下折射率的實部，Φ是樣品圍繞旋轉軸轉動的角度變量，&是隨樣品轉動的坐標變量，χ和I是垂直于光軸平面內(nèi)的兩個坐標變量，z是在垂直于xy平面方向的坐標變量，ΘΦ,ζ)是樣品在Φ角度位置處投影圖像中像素(Xr，Z)處的折射角，Γ1代表傅里葉反變換，
P是頻域區(qū)間的坐標變量，j是復數(shù)_/=λ/^?，δ (χοοβφ+ysin Φ-Xr)是狄拉克δ函數(shù)。
[0083](19)把X光機的管電壓調(diào)到低能V低處，調(diào)用Itjffset和，利用公式


In=Hn=N
I(m,n) = [Iatquire(m,n)-1offlet(m,n)]χ__ -對米集到的圖像進仃 offset


MxNx[ Ig上(m,n)-1offset (m，n)]
校正和gain校正。其中I(m,n)是校正完畢后圖像中像素(m,n)的灰度值,Ia_ra (m, η)是探測器采集的圖像中像素(m, η)的灰度值，1ffset (m? η)是Offset圖像中像素(m, η)的灰度值，是Gain圖像中像素(m，η)的灰度值。M是探測器水平方向的像素數(shù)量，N
是探測器垂直方向的像素數(shù)量。
[0084](20)在X方向高精度移動分析光柵5，進行相位步進掃描，同時利用探測器采集并保存圖像，整個過程由LabVIEW程序自動完成。相位步進掃描完成后，利用公式
=^rarctan iT-計算低能處樣品的折射信息。公式中
Θ (m，n)是像素(m，n)處的折射角，N是相位步進的步數(shù)，k是累加求和過程中的變量，Ik(m，η)是第k步采集到的圖像中像素(m，η)的灰度值，P2是分析光柵5的周期，d是樣品室和分析光柵5之間的距離。
[0085](21)在Y方向把樣品室旋轉1°，重復步驟20。
[0086](22)重復步驟21，直到樣品室完成360°的轉動為止。
[0087](23)把樣品室移出視場，在X方向高精度移動分析光柵5，進行相位步進掃描，同時利用探測器采集并保存圖像，整個過程由LabVIEW程序自動完成。相位步進掃描完成后，
利用公式外吼《)==^7*arctan -ψ-計算出高能Vffi處成像系統(tǒng)背景的折射信息。公式中Θ (m,n)是像素(m，n)處的折射角，N是相位步進的步數(shù)，k是累加求和過程中的變量，Ik(m, η)是第k步采集到的圖像中像素(m，η)的灰度值，P2是分析光柵5的周期，d是分束光柵3和分析光柵5之間的距離。
[0088](24)利用公式扣除系統(tǒng)背景，計算出樣品室旋轉過程中，每個投影方向純樣品的折射信息。
[0089]( 2 5 )利用優(yōu)化的 濾波反投影算法
^ ' y，z).=-廠卻f [4(xr，表 z)*F-'-J^Lo1.MxcosizJ + ysin--x; K、重建出試驗樣品
Ju2π jp
在低能Vffi的三維相位信息。其中δ (X，y，ζ) 為樣品位置(x，y，z)處體積單元在高能V胃下折射率的實部，Φ是樣品圍繞旋轉軸轉動的角度變量，&是隨樣品轉動的坐標變量，χ和I是垂直于光軸平面內(nèi)的兩個坐標變量，z是在垂直于xy平面方向的坐標變量，ΘΦ,ζ)是樣品在Φ角度位置處投影圖像中像素(Xr，Z)處的折射角，Γ1代表傅里葉反變換，
P是頻域區(qū)間的坐標變量，j是復數(shù)_/=./^Ι，δ (χοοβφ+ysin Φ-Xr)是狄拉克δ函數(shù)。
[0090]實驗結果
[0091]圖4是依照本發(fā)明實施例的采用四根有機玻璃圓柱棒的雙能X射線相位襯度成像實驗結果的示意圖，四根有機玻璃圓柱棒從左到右依次是:直徑為1mm的ΡΜΜΑ，直徑為5mm的Ρ0Μ，直徑為5mm的PMMA和直徑為1mm的POM ；X光機在50KV管電壓下的成像結果為:(A)吸收圖像，⑶折射圖像和(C)散射圖像；X光機在40KV管電壓下的成像結果為:(D)吸收圖像，(E)折射圖像和(F)散射圖像。
[0092]圖5是依照本發(fā)明實施例的X光機在40KV管電壓下成像結果的定量分析的示意圖，其中，空心正方形符號表示的曲線是實驗值，黑色實線為擬合值，㈧是直徑為1mmPMMA圓柱棒吸收圖像的Profile曲線及擬合曲線，⑶是直徑為10mm POM圓柱棒吸收圖像的Profile曲線及擬合曲線，(C)是直徑為10mm PMMA圓柱棒折射圖像的Profile曲線及擬合曲線，(D)是直徑為10mm POM圓柱棒折射圖像的Profile曲線及擬合曲線。
[0093]圖6是依照本發(fā)明實施例的X光機在50KV管電壓下成像結果的定量分析的示意圖，其中，空心正方形符號表示的曲線是實驗值，黑色實線為擬合值，㈧是直徑為1mmPMMA圓柱棒吸收圖像的Profile曲線及擬合曲線，⑶是直徑為10mm POM圓柱棒吸收圖像的Profile曲線及擬合曲線，(C)是直徑為10mm PMMA圓柱棒折射圖像的Profile曲線及擬合曲線，(D)是直徑為10mm POM圓柱棒折射圖像的Profile曲線及擬合曲線。
[0094]圖7是依照本發(fā)明實施例的X光機在40KV(實心圓圈符號和黑色線條表示的曲線)和50KV(實心正方形符號和黑色線條表示的曲線)管電壓下的出射能譜的示意圖。
[0095]圖8是依照本發(fā)明實施例的X光機在40KV管電壓(黑色實線表示的曲線)和50KV管電壓(黑色虛線表示的曲線)下的試驗結果對比的示意圖，其中，(A)是直徑為10mm PMMA圓柱棒的吸收曲線，⑶是直徑為10mm POM圓柱棒的吸收曲線，(C)是直徑為10mm PMMA圓柱棒的折射曲線，⑶是直徑為10mm POM圓柱棒的折射曲線。
[0096]表I是PMMA和POM圓柱棒折射率實部和虛部的實驗擬合值和理論計算值。
[0097]表I
[0098]
PMMA臟PMMA計龍POM理髓POM輸
管電壓 40KVp 折射<5 (ItT7) 3.945.40 4,55 5.70
(平均能 iifc26keV)吸收/?(10-U1) 1.391.021.83 1.25
管電壓 5OKVp 折射δ (ΚΓ7) 2.963.50 3.42 3.50
(Τ:均能m 30 KeV)吸收/?(l(T10) 1.020.871.28 1.05
[0099] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種雙能X射線相位襯度成像裝置，其特征在于，該裝置沿光路依次包括X光機(1)、源光柵(2)、分束光柵(3)、樣品室(4)、分析光柵(5)和X射線探測器(6)，其中: X光機(I)，用于發(fā)出X射線； 源光柵(2)，用于將大焦點的X光源分成為若干個不相干的小焦點光源； 分束光柵(3)，用于將小焦點光源分成若干束，照射到樣品室(4)中的樣品上，并在在分析光柵(5)上形成幾何投影； 樣品室(4)，用于放置并固定樣品，同時帶動樣品進行旋轉； 分析光柵(5)，用于與分束光柵一起在X射線探測器上形成莫爾條紋； X射線探測器(6)，用于獲取并記錄該莫爾條紋。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙能X射線相位襯度成像裝置，其特征在于，所述源光柵(2)與所述分析光柵(5)的周期滿足| = 其中Ptl為源光柵(2)的周期，P2是分析光柵(5)的周期，I是源光柵(2)與分束光柵(3)之間的距離，d為分束光柵(3)與分析光柵(5)之間的距離，以使所述分束光柵(3)在每個小焦點光源下產(chǎn)生的投影像互相錯開一個周期并疊加在一起，從而使得條紋對比度得到增強。
3.根據(jù)權利要求1所述的雙能X射線相位襯度成像裝置，其特征在于，所述分束光柵(3)與所述分析光柵(5)的周期滿足$_____其中P1為分束光柵⑶的周期，P2是分析光柵(5)的周期，I是源光柵(2)與分束光柵(3)之間的距離，d為分束光柵(3)與分析光柵(5)之間的距離，以使所述分束光柵(3)投影的周期和所述分析光柵(5)周期相等，從而能夠通過相位步進技術完成信息提取。
4.根據(jù)權利要求1所述的雙能X射線相位襯度成像裝置，其特征在于，所述源光柵(2)、分束光柵(3)與分析光柵(5)均為周期為40微米至100微米的大周期吸收光柵。
5.根據(jù)權利要求1所述的雙能X射線相位襯度成像裝置，其特征在于，所述X射線探測器(6)為X射線平板探測器。
6.一種實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法，應用于權利要求1至5中任一項所述的雙能X射線相位襯度成像裝置，其特征在于，該方法包括: 對準X光機的出光點和X射探測器接收平面的中心點； 對X射線探測器進行Offset矯正和Gain矯正； 精確對準源光柵、分束光柵與分析光柵，使這三塊光柵的刻線相互平行、三塊光柵所在的平面和X射線探測器的平面相互平行，同時使三塊光柵的中心點、X光機的出光點和X射線探測器中心點在一條直線上； 調(diào)節(jié)X光機的管電壓到高能^處，進行相位步進掃描，同時旋轉樣品室，采集圖像并重建出高能V^處樣品的三維相位信息； 調(diào)節(jié)X光機的管電壓到低能^處，進行相位步進掃描，同時旋轉樣品室，采集圖像并重建出低能Vffi處樣品的三維相位信息。
7.根據(jù)權利要求6所述的實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法，其特征在于，所述對準X光機的出光點和X射探測器接收平面的中心點，是利用激光器分別在水平方向和豎直方向，對準X光機出射點和X射線探測器活動區(qū)域的中心，使X光機的出光點與X射線探測器接收平面的中心點對準。
8.根據(jù)權利要求6所述的實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法，其特征在于，所述對X射線探測器進行Offset矯正和Gain矯正,包括: 將源光柵、分束光柵和分析光柵移出成像視場，在X光機關閉時利用X射線探測器采集50張圖像，平均后保存為一張Offset圖像(1ffset);打開X光機，把X光機的管電壓調(diào)到低能，穩(wěn)定10分鐘后，利用X射線探測器采集50張圖像，平均后保存為一張低能Gain圖像(Ijf );把X光機的管電壓調(diào)到高能V高處，穩(wěn)定10分鐘后，利用X射線探測器采集50張圖像，平均后保存為一張高能Gain圖像()； 將X光機的管電壓維持在高能V s處，調(diào)用Offset圖像(Itjffset)和高能Gain圖像( Ijf ) ，利用公式



Hi=JVln=N


V [I1；.;1' (mji)-1 ,, i(rn，n)lI(m,n) = [IΓ,(π,η)-1?..(π,η)]χ.......^—:^^-對采集到的 0ffset 圖像
qMxNx[Ig^(m,n)-1oftset(m,n)](1ffset)和高能Gain圖像(I『士 )進行offset校正和gain校正；其中I (m, η)是校正完畢后圖像中像素(m，n)的灰度值，Iacquire(m, η)是探測器采集的圖像中像素(m，η)的灰度值，!offset (m?n)是Offset圖像中像素(m,n)的灰度值，I丨丄(πι,η)是Gain圖像中像素(m,n)的灰度值;M是探測器水平方向的像素數(shù)量，N是探測器垂直方向的像素數(shù)量。
9.根據(jù)權利要求6所述的實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法，其特征在于，所述精確對準源光柵、分束光柵與分析光柵，使這三塊光柵的刻線相互平行、三塊光柵所在的平面和X射線探測器的平面相互平行，同時使三塊光柵的中心點、X光機的出光點和X射線探測器中心點在一條直線上，包括: 把源光柵移動至視場的正中央，在Z方向輕微旋轉源光柵，觀測X射線探測器采集到的圖像，使源光柵的刻線處于豎直方向； 把分束光柵和分析光柵移動進入成像視場內(nèi)，此時在探測器上會看到傾斜的大周期莫爾條紋； 在Z方向輕微旋轉分束光柵，每次旋轉0.1°，同時觀察探測器接收到的圖像，反復調(diào)整，使莫爾條紋處于垂直方向； 在Y方向輕微旋轉分束光柵，每次旋轉0.1°，同時觀察探測器接收到的圖像，反復調(diào)整，使視場中的旲爾條紋的周期左右相等； 在X方向輕微旋轉分析光柵，每次旋轉0.1°，同時觀察探測器接收到的圖像，反復調(diào)整，使視場中的莫爾條紋的周期上下相等； 在Z方向移動分束光柵，每次移動0.1毫米，使莫爾條紋的周期逐漸增大，反復調(diào)整，直到在整個視場區(qū)域，光強保持均勻，沒有明顯的明暗之分； 在X方向高精度移動分析光柵，每次移動10微米，在移動過程中，觀測探測器采集到圖像的明暗變化是否均勻；若不均勻，重新在X方向輕微移動分束光柵，直到在一個周期內(nèi)連續(xù)移動分析光柵的過程中，成像視場內(nèi)各個位置的光強從亮到暗的變化是步調(diào)一致的。
10.根據(jù)權利要求6所述的實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)X光機的管電壓到高能^處，進行相位步進掃描，同時旋轉樣品室，采集圖像并重建出高能V冑處樣品的三維相位信息，包括: 步驟12:把X光機的管電壓維持在高能，把樣品室移動到成像視場中； 步驟13:在X方向高精度移動分析光柵，進行相位步進掃描，同時利用X射線探測器采集并保存圖像，相位步進掃描完成后，利用公式
N( 仏
Y/Jm^ysin In.-f'y- /-K" ',AT0(m = T^*arctan.Ψ-計算樣品在高能Ve處的折射信息；公式
2π? Σ,和卜卜備._ k=iV 丄 N J —中Θ (m, η)是像素(m，η)處的折射角，P2是分析光柵的周期，d是樣品室和分析光柵之間的距離，Ik(m，η)是第k步采集到的圖像中像素(m，n)的灰度值，k是累加求和過程中的變量，N是相位步進的步數(shù)； 步驟14:在Y方向把樣品室旋轉1°，重復步驟13; 步驟15:重復步驟14，直到樣品室完成360°的旋轉為止； 步驟16:把樣品室移出視場，在X方向高精度移動分析光柵，進行相位步進掃描，同時利用探測器采集并保存圖像，相位步進掃描完成后，利用公式? P?Χ——Θ{m,n)^ = -^--arctan -f-4-計算出高能V s處成像系統(tǒng)背景的折射信 ^ 2π? 10"卜卜|)息；公式中θ (rn,n)是像素(m，n)處的折射角，P2是分析光柵的周期，d是分束光柵與分析光柵之間的距離，N是相位步進的步數(shù)，Ik(m, η)是第k步采集到的圖像中像素(m，η)的灰度值，k是累加求和過程中的變量； 步驟17:利用公式叫m，外::扣除系統(tǒng)背景，計算出樣品室旋轉過程中，每個投影方向純樣品的折射信息； 步驟I 8:利用優(yōu)化的濾波反投影算法δ(χ, j, z)Kte=-[ ?φ\ [0r(xr, φ, z) * F—1 (-...Μ—)].J(xcos- + ysin φ - xr)dxr 重建出試驗樣品
JO J—WJdJC j p在高能Ve處的三維相位信息；其中δ (X，y, z) M為樣品位置(X，y，z)處體積單元在高能Vs下折射率的實部，Φ是樣品圍繞旋轉軸轉動的角度變量，&是隨樣品轉動的坐標變量，X和I是垂直于光軸平面內(nèi)的兩個坐標變量，z是在垂直于xy平面方向的坐標變量，ΘΦ,ζ)是樣品在Φ角度位置處投影圖像中像素(Xr，Z)處的折射角，Γ1代表傅里葉反變換，P是頻域區(qū)間的坐標變量，j是復數(shù)，5 (XCOS(J)+ysin Φ-X1^是狄拉克δ函數(shù)。
11.根據(jù)權利要求6所述的實現(xiàn)雙能X射線相位襯度成像的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)X光機的管電壓到低能^處，進行相位步進掃描，同時旋轉樣品室，采集圖像并重建出低能Vis處樣品的三維相位信息，包括:步驟19:把X光機的管電壓調(diào)到低能Vffi處，調(diào)用Itjffsrt和I^e，利用公式


In=Hn=N
Σ [丨(m.,丨.1)]^I(_) = [Ι,^(?,η)-Ι^(η,η)]> ； ]K 、丨…的圖像進燈offsetMxNx [I?u(m,n)-1offset (m,n)]校正和gain校正；其中I(m, η)是校正完畢后圖像中像素(m, η)的灰度值，Iacquire(m? n)是探測器采集的圖像中像素(m, η)的灰度值，1ffset (m? η)是Offset圖像中像素(m, η)的灰度值，是Gain圖像中像素(m，n)的灰度值;M是探測器水平方向的像素數(shù)量，N是探測器垂直方向的像素數(shù)量；步驟20:在X方向高精度移動分析光柵，進行相位步進掃描，同時利用探測器采集并保

"■ a；f

^ ? Z^(^w)*sin存圖像，相位步進掃描完成后，利用公式叫鞏")!:1:,, -^-.arctan -7——Λ
2π? 吝計算低能Vffi處樣品的折射信息；公式中Θ (m，n)是像素(m，n)處的折射角，N是相位步進的步數(shù)，k是累加求和過程中的變量，Ik(m, η)是第k步采集到的圖像中像素(m，η)的灰度值，P2是分析光柵的周期，d是樣品室和分析光柵之間的距離； 步驟21:在Y方向把樣品室旋轉1°，重復步驟20; 步驟22:重復步驟21，直到樣品室完成360°的轉動為止；步驟23:把樣品室移出視場，在X方向高精度移動分析光柵，進行相位步進掃描，同時利用探測器采集并保存圖像，相位步進掃描完成后，利用公式
—.左/A(w,?).sin[2;r.去)^K?)S=^*arctan專-Γ^\計算出高能處成像系統(tǒng)背景的折射信
[ 藝 4(/w，《).cos 2π—
_ k=lK N J —息；公式中Θ (m, η)是像素(m，η)處的折射角，N是相位步進的步數(shù)，k是累加求和過程中的變量，Ik(m, η)是第k步采集到的圖像中像素(m，η)的灰度值，P2是分析光柵的周期，d是分束光柵與分析光柵之間的距離；步驟24:利用公式外外"VO=扣除系統(tǒng)背景，計算出樣品室旋轉過程中，每個投影方向純樣品的折射信息；步驟2 5:利用優(yōu)化的濾波反投影算法M' y, ζ)?*=-? ?φ\ [沒,.(Xr，盧，'-J^L^i^xcosi^ + ysiru/1-A.X 重建出試驗樣品
jo j-CoInjp在低能V低的三維相位信息；其中δ (X，y，z)K|g為樣品位置(x，y，z)處體積單元在高能V高下折射率的實部，Φ是樣品圍繞旋轉軸轉動的角度變量，&是隨樣品轉動的坐標變量，X和y是垂直于光軸平面內(nèi)的兩個坐標變量，z是在垂直于xy平面方向的坐標變量，(Xy φ ,z)是樣品在Φ角度位置處投影圖像中像素(Xr，z)處的折射角，Γ1代表傅里葉反變換，P是頻域區(qū)間的坐標變量，j是復數(shù)_/=λ/=^?，δ (χοοβφ+ysin Φ-Xr)是狄拉克δ函數(shù)。
【文檔編號】G01N23/087GK104132953SQ201410384492
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權日:2014年8月1日
【發(fā)明者】吳自玉, 王圣浩, 胡仁芳, 韓華杰, 張燦, 王志立, 高昆 申請人:中國科學技術大學