專(zhuān)利名稱：X射線暗場(chǎng)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(duì)物體進(jìn)行暗場(chǎng)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(duì)物體進(jìn)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(duì)X射線的衰減特性來(lái)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(chǎng)成像的技術(shù)。在光學(xué)成像領(lǐng)域，暗場(chǎng)(Dark field)成像顯著區(qū)別于明場(chǎng)(Brightfield)成像。 暗場(chǎng)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(duì)物質(zhì)進(jìn)行成像的技 術(shù)。其中，可見(jiàn)光和電子的暗場(chǎng)成像技術(shù)的研究較早，其在科學(xué)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(duì)物體進(jìn)行成像，即采用的是明場(chǎng)成像技術(shù)。對(duì)于暗場(chǎng)成像，由于硬X射線獨(dú)特的光學(xué)性 質(zhì)，所需的光學(xué)元件制作非常困難，所以硬X射線的暗場(chǎng)成像一直難以較佳地實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì) 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(xué)元件制作水平的提高，硬X 射線暗場(chǎng)成像技術(shù)的研究得到了一定的發(fā)展，但與同時(shí)期發(fā)展起來(lái)的硬X射線相襯成像技 術(shù)相比，硬X射線暗場(chǎng)成像由于信號(hào)量少、探測(cè)比較困難、成像時(shí)間長(zhǎng)，一直得不到足夠的 重視。然而，硬X射線的暗場(chǎng)成像技術(shù)在對(duì)物質(zhì)內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)分辨和探測(cè)能力上相對(duì)于 明場(chǎng)成像和相襯成像具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。硬X射線暗場(chǎng)成像技術(shù)通過(guò)物質(zhì)對(duì)X射線散射能力 的差異來(lái)對(duì)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。由于硬X射線的散射在微米量級(jí)或甚至納米量級(jí)尺 度，因而硬X射線暗場(chǎng)成像技術(shù)能夠看到硬X射線明場(chǎng)成像和相襯成像都無(wú)法分辨到的物 質(zhì)內(nèi)部超微細(xì)結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，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(chǎng)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(chǎng)成像的圖像效 果。但是，由于同步輻射裝置體積龐大、造價(jià)昂貴、視場(chǎng)小，極大限制了硬X射線暗場(chǎng)成像技 術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床和工業(yè)檢測(cè)上的廣泛應(yīng)用。2008年，開(kāi)發(fā)出了光柵成像技術(shù)，使得硬X射線暗場(chǎng)成像擺脫了同步輻射光源的 束縛和依賴。在通用X光機(jī)的條件下，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)的硬X射線暗場(chǎng)成像，這極大降低了硬 X射線暗場(chǎng)成像技術(shù)的應(yīng)用門(mén)檻。2008年初，瑞士的Pfeiffer等人在通用X光機(jī)上使用光 柵基于Talbot-Lau干涉法實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)(例如，64mmX64mm)的硬X射線暗場(chǎng)成像。這種 光柵式的硬X射線暗場(chǎng)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(xì)的結(jié)構(gòu)。從2006年開(kāi)始，清華大學(xué)的黃志峰等人進(jìn)行了基于通用 X光機(jī)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(qǐng)?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(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)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(jī)的光柵相襯成像 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此通過(guò)參照引入到本申請(qǐng)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(chǎng)成像系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)光柵系統(tǒng)中位移曲線的對(duì)比度降低來(lái)反映物體的散射信息，并 且本發(fā)明導(dǎo)出了穿過(guò)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(duì)比度 降低之間的定量關(guān)系，通過(guò)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(gè)方面，提出了一種X射線成像系統(tǒng)，用于對(duì)物體進(jìn)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(cè)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(jìn)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(cè)器、以 及處理器單元的操作，以實(shí)現(xiàn)下述過(guò)程X射線源向被測(cè)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(gè)周 期范圍內(nèi)進(jìn)行相位步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；在每個(gè)相位步進(jìn)步驟，所述探測(cè)器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信 號(hào)；其中，經(jīng)過(guò)至少一個(gè)周期的相位步進(jìn)，探測(cè)器上每個(gè)像素點(diǎn)處的X射線光強(qiáng)表示為一個(gè) 光強(qiáng)曲線；將探測(cè)器上每個(gè)像素點(diǎn)處的光強(qiáng)曲線與不存在被檢測(cè)物體情況下的光強(qiáng)曲線相 比較，得到光強(qiáng)曲線的對(duì)比度變化；由所述光強(qiáng)曲線的變化計(jì)算得出探測(cè)器上每個(gè)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(cè)物體的圖像的像素值， 由此重建被檢測(cè)物體的圖像。另外，所述系統(tǒng)優(yōu)選地還包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置，用于在所述控制器的控制下，使得被 檢測(cè)物體相對(duì)地旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。其中，在每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度下，重復(fù)以上所述各步驟，從而得出 多個(gè)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(cè)物體的圖像。具體地，所述光強(qiáng)曲線的對(duì)比度表示為
權(quán)利要求
一種X射線成像系統(tǒng)，用于對(duì)物體進(jìn)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(cè)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(jìn)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(cè)器、以及處理器單元的操作，以實(shí)現(xiàn)下述過(guò)程X射線源向被測(cè)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(gè)周期范圍內(nèi)進(jìn)行相位步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；在每個(gè)相位步進(jìn)步驟，所述探測(cè)器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；其中，經(jīng)過(guò)至少一個(gè)周期的相位步進(jìn)，探測(cè)器上每個(gè)像素點(diǎn)處的X射線光強(qiáng)表示為一個(gè)光強(qiáng)曲線；將探測(cè)器上每個(gè)像素點(diǎn)處的光強(qiáng)曲線與不存在被檢測(cè)物體情況下的光強(qiáng)曲線相比較，得到光強(qiáng)曲線的對(duì)比度變化；由所述光強(qiáng)曲線的變化計(jì)算得出探測(cè)器上每個(gè)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(cè)物體的圖像的像素值，由此重建被檢測(cè)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(diǎn)源；或者，在其為大焦點(diǎn)光源 的情況下，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)源光柵，用于將所述X射線光機(jī)發(fā)射的X射線分成一系 列小焦點(diǎn)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(cè)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(gè)旋轉(zhuǎn)裝置，在所述控制器的控制 下，用于使得被檢測(cè)物體相對(duì)地旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，在每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度下，重復(fù)所述各步驟，從而得出多個(gè) 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(lái)重建被檢測(cè)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(cè)器上某像素點(diǎn)在有被檢測(cè)物體時(shí)的光強(qiáng)曲線 和無(wú)被檢測(cè)物體時(shí)的光強(qiáng)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(jìn)長(zhǎng)度，兩個(gè)光強(qiáng)曲線間相位差為Δφ = (cj5s-cK)，k表示第k步進(jìn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，所述光強(qiáng)曲線的對(duì)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(qiáng)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(qiáng)曲線的對(duì)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(cè)器上某點(diǎn)在有被檢測(cè)物體時(shí)的光強(qiáng)曲線和無(wú)被檢測(cè)物 體時(shí)的光強(qiáng)曲線的對(duì)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(cè)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?lái)實(shí)現(xiàn)。
12.—種X射線成像方法，利用X射線光柵成像系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)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(cè)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(cè)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(gè)周期范圍內(nèi)進(jìn)行相位步進(jìn)運(yùn)動(dòng)； 在每個(gè)相位步進(jìn)步驟，探測(cè)器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；其中，經(jīng)過(guò)至少一個(gè)周期 的相位步進(jìn)，探測(cè)器上每個(gè)像素點(diǎn)處的X射線光強(qiáng)表示為一個(gè)光強(qiáng)曲線；將探測(cè)器上每個(gè)像素點(diǎn)處的光強(qiáng)曲線與不存在被檢測(cè)物體情況下的光強(qiáng)曲線相比較， 得到光強(qiáng)曲線的對(duì)比度變化；由所述光強(qiáng)曲線的變化計(jì)算得出探測(cè)器上每個(gè)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(cè)物體的圖像的像素值，由此重建被檢測(cè)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(cè)物體，在每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度下，重復(fù)所述各步驟，得出多個(gè)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(lái)重建被檢測(cè)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(cè)器、控制器和數(shù)據(jù)處理單元的成像系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行X射線暗場(chǎng)CT成像，包括向被測(cè)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(gè)周期范圍內(nèi)進(jìn)行相位步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；在每個(gè)相位步進(jìn)步驟，探測(cè)器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；其中，經(jīng)過(guò)至少一個(gè)周期的相位步進(jìn)，探測(cè)器上每個(gè)像素點(diǎn)處的X射線光強(qiáng)表示為一個(gè)光強(qiáng)曲線；根據(jù)探測(cè)器上每個(gè)像素點(diǎn)處的光強(qiáng)曲線與不存在被檢測(cè)物體情況下的光強(qiáng)曲線的對(duì)比度，計(jì)算得到每個(gè)像素的散射角分布的二階矩；在多個(gè)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(hào)G03B42/02GK101943668SQ20091008866
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)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(qiáng), 黃志峰 申請(qǐng)人:清華大學(xué);同方威視技術(shù)股份有限公司