一種快速扇束幾何相位襯度ct成像裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及X光成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種快速扇束幾何相位襯度CT成像裝置 和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自倫琴發(fā)現(xiàn)X光以來，X光廣泛應用于醫(yī)學影像、工業(yè)無損檢測等領(lǐng)域，然而，傳統(tǒng)X 光吸收成像對原子系數(shù)低的軟組織成像效果不理想。在X光照射下，物體的折射率可用復數(shù) 表示為η = 1-δ-?β，其中δ為折射率實部減小量、β為折射率虛部。隨著原子系數(shù)減小，δ和β隨 之減小，然在硬X光波段，低原子系數(shù)軟組織的折射率實部減小量S是折射率虛部邱勺1000倍 左右。因此，利用物體的相位信息理論上可以獲得比吸收圖像襯度高的圖像。
[0003] 目前，X光相位襯度成像已發(fā)展了五種成像方法：同軸相襯成像方法、晶體干涉儀 成像方法、分析晶體成像方法、光柵相襯成像方法以及邊緣照明成像方法。光柵相襯成像方 法由于對光源相干性要求較低以及成像視場較大等特點，近年來被廣泛研究。傳統(tǒng)的光柵 相襯成像方法利用相位步進方法完成信息分離和提取，但是相位步進方法需要橫向移動光 柵、與CT掃描方式不兼容，導致相襯CT成像時間長、劑量高等弊端，不能對心臟等動態(tài)組織 成像。2010年，朱佩平研究員等在美國國家科學院院刊發(fā)表了一種快速光柵相襯成像方法 (PNAS 107，13576-13581，2010)即正反投影方法，同時該方法成功申請專利CN102325498B， 然該方法只能應用于平行束照明幾何，通常為同步輻射X光源，很大程度限制了其實際應 用。如果能把正反投影思想應用于扇束幾何照明，將大大促進相襯CT的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種快速扇束幾何相位襯度CT成像裝置和方法，尤其適用 于醫(yī)療成像和食品檢測。在傳統(tǒng)CT掃描方式下能夠獲得相位襯度信息，進而實現(xiàn)快速相襯 CT〇
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種快速扇束幾何相位襯度CT成像裝置，用于對物體進行三維相襯成像，該裝置 沿光路依次包括X光源、樣品平臺、相位光柵、分析光柵以及探測器，其中：
[0007] X光源，用于向被檢測物體發(fā)射X光；
[0008] 樣品平臺，用于固定物體；
[0009] 相位光柵，為π相移光柵或V2相移光柵，用于調(diào)制入射X光的波前相位；
[0010] 分析光柵，為吸收光柵，與相位光柵自成像圖像產(chǎn)生大周期莫爾條紋，便于低分辨 率探測器探測物體信息；
[0011] 探測器，用于記錄通過物體和光學系統(tǒng)的X光強度。
[0012] 優(yōu)選的，所述X光源為硬X光發(fā)射裝置。
[0013] 優(yōu)選的，所述相位光柵、分析光柵周期小于10M1。
[0014] 所述探測器像素單元尺寸范圍為20μπι~1 ΟΟμπι。
[0015] 優(yōu)選的，相位光柵、分析光柵的占空比均為0.5。
[0016] 相位光柵、分析光柵以及探測器均為柱面光學元件。
[0017]相位光柵的曲率半徑為辦，位于以X光源為原點、辦為半徑的圓弧上，分析光柵的曲 率半徑為R2,且位于以X光源為原點、R2為半徑的圓弧上。
[0018] 進一步的，相位光柵和分析光柵周期滿』-關(guān)系，其中cb為相位光柵 11 * ?
"1 , "2 周期，d2為分析光柵周期，RjPR2分別為X光源到相位光柵以及相位光柵到分析光柵間的距 離。相位光柵和分析光柵間距R2滿足Talbot距淳
[0019] 當相位光柵產(chǎn)生31/2相移時，n=l;當相位光柵產(chǎn)生π相移時，11 = 2』為Talbot自成 像級次，cU為相位光柵周期，d2為分析光柵周期，λ為X光波長。
[0020] -種快速扇束幾何相位襯度CT成像方法，包括如下步驟：
[0021] a)不放物體情況下，沿所在圓弧一個周期長度等間距移動相位光柵(G〇或τι個周 期長度等間距移動分析光柵(G2)，獲得位移與強度圖像，用
表示，其中&為相位光 柵與分析光柵間的相對位移；
[0022] b)找到位移曲線的中值點，并把相位光柵和分析光柵相對位置調(diào)到中值點對應的 橫坐標位置X0;
[0023] c)把物體固定在樣品平臺上，旋轉(zhuǎn)平臺或者平臺以外的整個成像裝置一周，每間 隔1度，探測器記錄下物體圖像；
[0024] d)裝置和物體相對旋轉(zhuǎn)一周后，可計算各投影視角，投影視角范圍大于3i+2amaxgp 可實現(xiàn)精確重構(gòu)，物體的吸收圖像A和折射圖像9r
[0025]
[0026] 其中，μ為物體的線性吸收系數(shù)，δ為物體折射率實部減小量，α和cig為扇角，amax為最 大扇角，Φ為旋轉(zhuǎn)視角，1〇為光源(S)和探測器(D)中間沒有任何光學元件和物體時探測器
(D)直接記錄的強度，I為物體成像時探測器(D)記錄的強度 0: 是一個常數(shù)；
[0027] e)使用濾波反投影方法或其它三維重構(gòu)方法重建吸收圖像和折射圖像。
[0028]優(yōu)選的，步驟(a)中等間距移動步數(shù)大于三。
[0029] 有益效果：
[0030]本發(fā)明利用與扇束幾何匹配的柱面光學元件，避免了大入射角射線受阻擋的問 題，大大提高了成像視場。同時結(jié)合正方投影思想，在傳統(tǒng)CT掃描模式下，成功提取物體的 相位信息，進而完成快速相襯CT成像。
【附圖說明】
[0031 ]圖1快速扇束幾何相位襯度CT成像裝置示意圖；
[0032]圖2為快速扇束幾何相位襯度CT成像方法流程圖；
[0033]圖3為本發(fā)明共輒射線計算原理圖；
[0034]圖4物體模型組成成分圖；
[0035]圖5三維重建模擬結(jié)果圖；
[0036]圖6為折射角投影正弦圖5(c)中虛線位置理論值與提取值對比圖；
[0037]圖7為吸收投影正弦圖5(d)中虛線位置理論值與提取值對比圖；
[0038]圖8為折射率實部減小量重構(gòu)結(jié)果5(e)中虛線位置理論值與重構(gòu)值對比圖；
[0039]圖9為折射率虛部重構(gòu)結(jié)果5(f)中虛線位置理論值與重構(gòu)值對比圖。
【具體實施方式】
[0040] 在光柵相襯成像硬X光照明時，成像系統(tǒng)中的吸收光柵需要較大的厚度，導致高寬 比很大。扇束幾何照明時，大高寬比平面光柵將阻擋大入射角射線，嚴重制約成像視場。
[0041] 如圖1所示，本發(fā)明的快速扇束幾何相位襯度成像裝置包括X光源S、相位光柵Gi、 樣品平臺P、分析光柵62以及探測器D。相位光柵6 1、分析光柵62和探測器D均為柱面