本發(fā)明涉及硬X射線成像物理和方法領(lǐng)域，具體的說是一種一次曝光的硬X射線光柵干涉儀的成像方法。

背景技術(shù)：

近一百多年來，X射線成像方法和技術(shù)在成像物理機制、數(shù)據(jù)采集方案、斷層重建算法等方面不斷取得新的進(jìn)展，目前已經(jīng)發(fā)展成為材料科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、考古科學(xué)、公共安全等領(lǐng)域不可或缺的重要工具。特別是在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，X射線成像方法和裝置，包括X射線投影成像術(shù)(X-ray Radiography)和X射線計算機斷層成像技術(shù)(X-ray Computed Tomography)，對現(xiàn)代人類健康、社會發(fā)展做出了無可替代的重大貢獻(xiàn)。

從成像物理機制來講，現(xiàn)有X射線成像方法和技術(shù)是基于X射線穿透物體后的光強衰減差異的。對金屬、骨骼等重元素組成的物體，X射線穿透后會有明顯的光強衰減。因此，在對這些強吸收物體成像時，能夠獲得很高的圖像襯度，使得清晰地觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但是，臨床醫(yī)學(xué)成像中的人體軟組織、材料科學(xué)中的聚合物等物體，主要由碳、氫、氧等低原子序數(shù)的輕元素組成。由于這些輕元素對X射線的衰減非常弱，利用現(xiàn)有X成像技術(shù)無法有效觀察到由輕元素組成的這些物體。因此，有必要發(fā)展新的X射線成像方法和技術(shù)來克服現(xiàn)有X射線成像方法的局限性。

重溫X射線與物質(zhì)的相互作用，發(fā)現(xiàn)在硬X射線波段(10-100keV)，作為軟組織、聚合物等弱吸收物體的主要成分，碳、氫、氧等元素的折射率實部(即相移項)是折射率虛部(即吸收項)的1000多倍。因此，測量X射線穿過物體時的相移信息要比檢測光強衰減信息更加有效。X射線相位襯度成像技術(shù)正是通過記錄X射線穿過物體后的相移來形成圖像襯度的。與現(xiàn)有的吸收襯度成像技術(shù)相比，在對弱吸收物體成像時，X射線相位襯度成像技術(shù)能夠獲得更高的圖像襯度、更高的測量靈敏度、更低的輻射劑量。上世紀(jì)90年代以來，陸續(xù)提出并發(fā)展了四種硬X射線相位襯度成像方法：晶體干涉儀、相位傳播成像、衍射增強成像、光柵干涉儀。其中，硬X射線光柵干涉儀盡管是2002年以后逐漸發(fā)展起來的，但目前被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的X射線相位襯度成像方法之一。與其他成像方法相比，硬X射線光柵干涉儀是目前唯一能夠直接利用常規(guī)X射線源獲得相位襯度的方法，因而在臨床醫(yī)學(xué)診療、材料科學(xué)、公共安全檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。硬X射線光柵干涉儀具有很高的測量靈敏度，能夠從一組投影數(shù)據(jù)中同時獲得物體的吸收、相移和散射圖像。三種不同的物體圖像互為補充，從不同角度反映了物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。這些優(yōu)點使得硬X射線光柵干涉儀成為近年來X射線成像領(lǐng)域的研究熱點之一。

在硬X射線光柵干涉儀中，探測器記錄的物體投影圖像同時包含了物體的吸收、相移和散射信號，即圖像襯度來自于物體吸收信號、相移信號、散射信號的混合貢獻(xiàn)。而在實際應(yīng)用中，如定量分析和研究物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、投影圖像識別、計算機三維斷層重建等，都要求獲取獨立、純粹的物體吸收、相移和散射信號。因此，如何從物體投影圖像中快速、準(zhǔn)確提取純粹的吸收、相移和散射信號是近年來的研究熱點之一。目前，硬X射線光柵干涉儀普遍采用相位步進(jìn)法進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)采集和物體信息提取。這種方法要求復(fù)雜的橫向步進(jìn)掃描光柵，導(dǎo)致很長的數(shù)據(jù)采集時間，降低了實驗效率；要求采集多幅物體投影圖像(實驗上不少于4張)，增加了物體的輻射劑量和輻射損傷風(fēng)險。這些局限性阻礙了硬X射線光柵干涉儀在臨床醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，發(fā)展新的成像方法，克服相位步進(jìn)法光柵步進(jìn)掃描、多次物體曝光的局限性，已經(jīng)發(fā)展成為硬X射線光柵干涉儀實用化進(jìn)程中必須解決的瓶頸問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為避免現(xiàn)有成像方法的不足之處，提出一種一次曝光的硬X射線光柵干涉儀的成像方法，以期能徹底摒棄繁瑣的光柵步進(jìn)掃描，簡化硬X射線光柵干涉儀的數(shù)據(jù)采集流程，并提高成像效率，減少曝光時間，降低輻射劑量和輻射損傷風(fēng)險，從而為實現(xiàn)快速、低輻射劑量的硬X射線相位襯度成像提供新途徑。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種一次曝光的硬X射線光柵干涉儀的成像方法，所述硬X射線光柵干涉儀包括：X射線源、源光柵、相位光柵、分析光柵、探測器；在所述X射線源和相位光柵之間設(shè)置有所述源光柵和被成像物體；所述源光柵緊貼所述X射線源設(shè)置；所述被成像物體緊貼所述相位光柵的內(nèi)側(cè)設(shè)置；在所述相位光柵的外側(cè)設(shè)置有所述分析光柵；所述分析光柵與所述相位光柵之間的軸向距離為d；所述探測器緊貼在所述分析光柵的外側(cè)；其特點是，所述成像方法按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、固定所述源光柵、相位光柵和分析光柵中任意兩個光柵，并沿著移動方向?qū)⒌谌齻€光柵移動自身四分之一的光柵周期，使得所述硬X射線光柵干涉儀的工作點固定在光強曲線的左半腰或右半腰位置處；所述移動方向為同時垂直于光軸和光柵柵條的方向；

步驟2、啟動所述X射線源和探測器，設(shè)置曝光時間為t；

利用所述探測器按照所述曝光時間t獲取背景投影圖像I₀后，關(guān)閉所述X射線源；

步驟3、將所述被成像物體放置到所述相位光柵的視場中央，啟動所述X射線源，并利用所述探測器按照所述曝光時間t獲取所述被成像物體的投影圖像I_D后，關(guān)閉所述X射線源；

步驟4、對所述被成像物體的投影圖像I_D進(jìn)行背景歸一化處理，得到歸一化的投影圖像I′_D，其中I′_D＝I_D/I₀；

步驟5、對歸一化的投影圖像I′_D進(jìn)行取對數(shù)處理，得到處理結(jié)果ln(I′_D)；

步驟6、對表達(dá)式K₁-ln(I′_D)作一維傅里葉變換，得到變換結(jié)果F₁；K₁為常數(shù)，且滿足K₁＝lnS(p₂/4)或K₁＝lnS(-p₂/4)，其中p₂是所述分析光柵的周期；S(p₂/4)為所述硬X射線光柵干涉儀的光強曲線在p₂/4處的數(shù)值；

步驟7、根據(jù)變換結(jié)果F₁，利用式(1)得到所述被成像物體的相移信號的一維傅里葉變換結(jié)果F₂：

F₂＝F₁/(1/γ+iK₂λu/M) (1)

式(1)中，γ是所述被成像物體的折射率實部與虛部的比值；i表示虛數(shù)單位，i²＝-1；K₂為常數(shù)，且滿足或其中S′(p₂/4)為所述硬X射線光柵干涉儀的光強曲線的一階導(dǎo)數(shù)在p₂/4處的數(shù)值，d是所述相位光柵到所述分析光柵的軸向距離；λ是所述X射線源的有效波長；u是空間頻率；M是所述硬X射線光柵干涉儀的幾何放大率；

步驟8、利用式(2)提取所述被成像物體的吸收信號T：

式(2)中，表示一維逆傅里葉變換；

步驟9、利用式(3)提取所述被成像物體的相移信號Φ：

以所述被成像物體的吸收信號T和相移信號Φ作為所述成像方法的結(jié)果。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明利用了硬X射線波段，生物軟組織等的折射率實部與虛部近似成正比的特性，基于光強曲線在半腰位置的線性近似，提出了一次曝光成像新方法，解決了單次曝光下物體吸收、相移信息的定量提取問題，克服了現(xiàn)有相位步進(jìn)法的光柵步進(jìn)掃描、多次曝光的局限性，簡化了數(shù)據(jù)采集流程，避免了高輻射劑量，實現(xiàn)了快速、低輻射劑量的硬X射線相位襯度成像；

2、與現(xiàn)有的相位步進(jìn)法相比，本發(fā)明在獲取物體圖像時，通過將硬X射線光柵干涉儀固定在光強曲線的左半腰或右半腰位置處，摒棄了繁瑣的光柵步進(jìn)掃描，極大地簡化了數(shù)據(jù)采集流程，提高了實驗效率；

3、與現(xiàn)有的相位步進(jìn)法相比，本發(fā)明利用被成像物體的折射率實部與虛部的比值γ保持不變的特性，和光強曲線在半腰位置的線性近似，簡化了成像方程，從而只需對物體進(jìn)行一次曝光并獲取1張物體投影圖像，就能夠定量提取物體的吸收和相移信號，避免了對物體的多次曝光并獲取多張投影圖像，有效減少了輻射劑量，降低了輻射損傷風(fēng)險；同時減少了實驗時間，提高了實驗效率；

4、本發(fā)明摒棄了繁瑣的光柵步進(jìn)掃描，每個投影角度下只需要獲取1張物體投影圖像，使得能夠與計算機斷層掃描技術(shù)直接結(jié)合，實現(xiàn)物體的線性吸收系數(shù)、相移系數(shù)的快速三維斷層重建；

5、與傳統(tǒng)X射線成像方法相比，本發(fā)明通過獲取物體的相移信號，能夠更加清晰地觀察人體軟組織等的精細(xì)結(jié)構(gòu)，更加準(zhǔn)確區(qū)別正常與病變組織；

6、本發(fā)明提出的成像新方法同樣適用于二維硬X射線光柵干涉儀、中子光柵干涉儀，應(yīng)用廣泛，適用性強。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一維硬X射線光柵干涉儀示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中硬X射線光柵干涉儀的光強曲線圖；

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中有機玻璃的折射率實部與虛部比值圖；

圖4為本發(fā)明中被成像物體6吸收信號的提取結(jié)果圖；

圖5為本發(fā)明中被成像物體6相移信號的提取結(jié)果圖；

圖中標(biāo)號：1X射線源；2源光柵；3相位光柵；4分析光柵；5探測器；6被成像物體。

具體實施方式

如圖1所示，硬X射線光柵干涉儀包括：X射線源1、源光柵2、相位光柵3、分析光柵4、探測器5；在X射線源1和相位光柵3之間設(shè)置有源光柵2和被成像物體6；源光柵2緊貼X射線源1設(shè)置；被成像物體6緊貼相位光柵3的內(nèi)側(cè)設(shè)置；在相位光柵3的外側(cè)設(shè)置有分析光柵4；分析光柵4與相位光柵3之間的軸向距離為d；探測器5緊貼在分析光柵4的外側(cè)；本實施例中，一次曝光的硬X射線光柵干涉儀的成像方法是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、固定源光柵2、相位光柵3和分析光柵4中任意兩個光柵，并沿著移動方向?qū)⒌谌齻€光柵移動自身四分之一的光柵周期，使得硬X射線光柵干涉儀的工作點固定在光強曲線的左半腰或右半腰位置處(圖2中箭頭指示位置)；移動方向為同時垂直于光軸和光柵柵條的方向；

硬X射線光柵干涉儀固定在光強曲線的左半腰或右半腰位置處，不僅摒棄了繁瑣的光柵步進(jìn)掃描，而且使得被成像物體6的相移信號的測量靈敏度達(dá)到最大，從而更加準(zhǔn)確地提取被成像物體6的吸收和相移信號。

步驟2、啟動X射線源1和探測器5，設(shè)置曝光時間為t；

利用探測器5按照曝光時間t獲取背景投影圖像I₀后，用于被成像物體6的投影圖像的歸一化處理，關(guān)閉X射線源1；

步驟3、將被成像物體6放置到相位光柵3的視場中央，啟動X射線源1，并利用探測器5按照曝光時間t獲取被成像物體6的投影圖像I_D后，關(guān)閉X射線源1；

以硬X射線光柵干涉儀工作在右半腰位置p₂/4為例。探測器5獲取的被成像物體6投影圖像I_D滿足：

式(3.1)中，T是被成像物體6的吸收信號；S()是硬X射線光柵干涉儀的光強曲線(圖2所示)；p₂是分析光柵4的周期；λ是X射線源1的有效波長；d是相位光柵3到分析光柵4的軸向距離；M是硬X射線光柵干涉儀的幾何放大率；表示一階微分運算；Φ是被成像物體6的相移信號。

步驟4、對被成像物體6的投影圖像I_D進(jìn)行背景歸一化處理，得到歸一化的投影圖像I′_D，其中I′_D＝I_D/I₀；

步驟5、對歸一化的投影圖像I′_D進(jìn)行取對數(shù)處理，得到處理結(jié)果ln(I′_D)；

以硬X射線光柵干涉儀工作在右半腰位置p₂/4為例。根據(jù)式(3.1)，歸一化的投影圖像I′_D的對數(shù)處理結(jié)果ln(I′_D)滿足：

在臨床醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用領(lǐng)域，生物軟組織等對硬X射線的折射信號是非常小的，通常滿足步驟1將硬X射線光柵干涉儀工作在光強曲線的左半腰或右半腰位置處，對于小折射信號，能夠合理地對光強曲線作一階線性近似，將非線性成像方程簡化為線性成像方程，

式(5.2)代入式(5.1)可得到，

式(5.3)中K₁為常數(shù)，且滿足K₁＝lnS(p₂/4)，其中p₂是分析光柵4的周期；S(p₂/4)為硬X射線光柵干涉儀的光強曲線在p₂/4處的數(shù)值；K₂為常數(shù)，且滿足其中S′(p₂/4)為硬X射線光柵干涉儀的光強曲線的一階導(dǎo)數(shù)在p₂/4處的數(shù)值，d是相位光柵3到分析光柵4的軸向距離；λ是X射線源1的有效波長；表示一階微分運算。

T是待提取的被成像物體6的吸收信號，正比于物體折射率的虛部；Φ是待提取的被成像物體6的相移信號，正比于物體折射率的實部。對于臨床醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的軟組織等物體，其折射率實部與虛部近似成正比關(guān)系。以人體軟組織的等效替代物—有機玻璃為例，如圖3所示，在硬X射線在能量范圍27-41keV，其折射率實部與虛部的比值γ基本保持不變，比值γ的均值為2469，波動幅度不超過3％。于是被成像物體6的相移信號Φ和吸收信號T近似滿足正比關(guān)系，

式(5.4)代入式(5.3)可得到，

步驟6、對表達(dá)式K₁-ln(I′_D)作一維傅里葉變換，得到變換結(jié)果F₁；K₁為常數(shù)，且滿足K₁＝lnS(p₂/4)或K₁＝lnS(-p₂/4)，其中p₂是分析光柵4的周期；S(p₂/4)為硬X射線光柵干涉儀的光強曲線在p₂/4處的數(shù)值；

對式(5.5)作一維傅里葉變換，得到變換結(jié)果F₁：

式(6.1)中，表示一維傅里葉變換；F₂是被成像物體6的相移信號的一維傅里葉變換結(jié)果；i表示虛數(shù)單位，i²＝-1；u是空間頻率。

步驟7、根據(jù)式(6.1)所示的變換結(jié)果F₁，利用式(1)得到被成像物體6的相移信號的一維傅里葉變換結(jié)果F₂：

F₂＝F₁/(1/γ+iK₂λu/M) (1)

式(1)中，γ是被成像物體6的折射率實部與虛部的比值；i表示虛數(shù)單位，i²＝-1；K₂為常數(shù)，且滿足或其中S′(p₂/4)為硬X射線光柵干涉儀的光強曲線的一階導(dǎo)數(shù)在p₂/4處的數(shù)值，d是相位光柵3到分析光柵4的軸向距離；λ是X射線源1的有效波長；u是空間頻率；M是硬X射線光柵干涉儀的幾何放大率；

步驟8、根據(jù)式(5.4)，被成像物體6的吸收信號的一維傅里葉變換結(jié)果F_T滿足：

式(1)代入式(8.1)得到，

對式(8.2)作一維逆傅里葉變換，從而利用式(2)提取被成像物體6的吸收信號T：

式(2)中，表示一維逆傅里葉變換；

圖4為被成像物體6的吸收信號的提取結(jié)果圖。被成像物體6是直徑4毫米的有機玻璃棒；X射線源1的有效能量為35keV。根據(jù)圖4，利用式(2)提取的吸收信號與理論值吻合的很好，證實了本發(fā)明能夠定量提取被成像物體6的吸收信號。

步驟9、對式(1)作一維逆傅里葉變換，從而利用式(3)提取被成像物體6的相移信號Φ：

圖5為被成像物體6的相移信號的提取結(jié)果圖，被成像物體6是直徑4毫米的有機玻璃棒；X射線源1的有效能量為35keV。根據(jù)圖5，利用式(3)提取的相移信號很好地吻合了理論值，證實了本發(fā)明能夠定量提取被成像物體6的相移信號。

以被成像物體6的吸收信號T和相移信號Φ作為成像方法的結(jié)果。