CN101943668B - X射线暗场成像***和方法 - Google Patents

Abstract

一种X射线成像技术，利用包括：X射线源、两吸收光栅G1和G2、X射线探测器、控制器和数据处理单元的成像***对被测物体进行X射线暗场CT成像，包括：向被测物体发射X射线；使得所述两块吸收光栅G1和G2之一在其至少一个周期范围内进行相位步进运动；在每个相位步进步骤，探测器接收X射线，并转化为电信号；其中，经过至少一个周期的相位步进，探测器上每个像素点处的X射线光强表示为一个光强曲线；根据探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线的对比度，计算得到每个像素的散射角分布的二阶矩；在多个角度拍摄物体的图像，然后根据CT重建算法可以得物体的散射信息图像。

Description

X射线暗场成像***和方法

技术领域

本发明涉及X射线成像领域，具体地涉及利用X射线对物体进行暗场成像的技术。

背景技术

在现有技术例如CT的设备中，利用X射线对物体进行扫描成像得到了广泛地应用。但是，传统的X射线成像利用材料对X射线的衰减特性来非破坏性地检查物体的内部结构，这属于X射线的明场成像的技术。

在光学成像领域，暗场(Dark field)成像显著区别于明场(Brightfield)成像。暗场成像是利用非直射光(例如散射光、衍射光、折射光和荧光等)对物质进行成像的技术。其中，可见光和电子的暗场成像技术的研究较早，其在科学研究、工业领域、医疗领域和生物领域等中得到广泛地应用。在硬X射线成像领域，传统硬X射线成像技术使用直射X射线对物体进行成像，即采用的是明场成像技术。对于暗场成像，由于硬X射线独特的光学性质，所需的光学元件制作非常困难，所以硬X射线的暗场成像一直难以较佳地实现。20世纪九十年代，随着第三代同步辐射源的发展和精密的硬X射线光学元件制作水平的提高，硬X射线暗场成像技术的研究得到了一定的发展，但与同时期发展起来的硬X射线相衬成像技术相比，硬X射线暗场成像由于信号量少、探测比较困难、成像时间长，一直得不到足够的重视。

然而，硬X射线的暗场成像技术在对物质内部微细结构分辨和探测能力上相对于明场成像和相衬成像具有独到的优势。硬X射线暗场成像技术通过物质对X射线散射能力的差异来对物质内部结构进行成像。由于硬X射线的散射在微米量级或甚至纳米量级尺度，因而硬X射线暗场成像技术能够看到硬X射线明场成像和相衬成像都无法分辨到的物质内部超微细结构。

近年来，有研究者提出将基于同步辐射光源的使用晶体的硬X射线暗场成像技术应用到软骨组织诊断、早期乳腺癌诊断成像上，并取得了优于硬X射线明场成像的图像效果。但是，由于同步辐射装置体积庞大、造价昂贵、视场小，极大限制了硬X射线暗场成像技术在医学临床和工业检测上的广泛应用。

2008年，开发出了光栅成像技术，使得硬X射线暗场成像摆脱了同步辐射光源的束缚和依赖。在通用X光机的条件下，实现了大视场的硬X射线暗场成像，这极大降低了硬X射线暗场成像技术的应用门槛。2008年初，瑞士的Pfeiffer等人在通用X光机上使用光栅基于Talbot-Lau干涉法实现了大视场(例如，64mm×64mm)的硬X射线暗场成像。这种光栅式的硬X射线暗场成像技术能够很好地区分塑料和橡胶两种材料，还能观察到鸡翅的骨头和肌肉组织中超微细的结构。从2006年开始，清华大学的黄志峰等人进行了基于通用X光机的光栅式的硬X射线相衬成像技术的相关研究工作，并且在2008年提出的申请号为200810166472.9、名称为“X射线光栅相衬成像***及方法”的中国专利申请中提出了在非相干条件下的基于投影方法的光栅相衬成像方法，搭建了基于通用X光机的光栅相衬成像实验平台。该专利申请的全部内容在此通过参照引入到本申请中。

发明内容

在已经提出的非相干X射线光栅相衬成像方法的基础上，基于非相干X射线光栅成像技术，本发明提出了非相干X射线暗场成像***和方法。

根据本发明，通过光栅***中位移曲线的对比度降低来反映物体的散射信息，并且本发明导出了穿过物质后的散射射线分布的二阶矩与光栅成像***中位移曲线对比度降低之间的定量关系，通过传统的线性CT重建算法可以定量重建物体的散射信息。

根据本发明的一个方面，提出了一种X射线成像***，用于对物体进行X射线散射成像，其包括：X射线源、第一和第二吸收光栅G1和G2、X射线探测器，其依次位于X射线的传播方向上；

其中，该***还包括：

数据处理器单元，用于进行数据信息的处理；以及

控制器，用于控制所述X射线源、第一和第二吸收光栅G1和G2、X射线探测器、以及处理器单元的操作，以实现下述过程：

X射线源向被测物体发射X射线；所述两块吸收光栅G1和G2之一在其至少一个周期范围内进行相位步进运动；在每个相位步进步骤，所述探测器接收X射线，并转化为电信号；其中，经过至少一个周期的相位步进，探测器上每个像素点处的X射线光强表示为一个光强曲线；将探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线相比较，得到光强曲线的对比度变化；由所述光强曲线的变化计算得出探测器上每个像素的散射角分布的二阶矩；以及由所述散射角分布的二阶矩得出被检测物体的图像的像素值，由此重建被检测物体的图像。

另外，所述***优选地还包括一个旋转装置，用于在所述控制器的控制下，使得被检测物体相对地旋转一个角度。其中，在每个旋转角度下，重复以上所述各步骤，从而得出多个角度下的X射线散射图像。根据传统的线性CT图像重建算法，例如滤波反投影算法，即可以重建被检测物体的图像。

具体地，所述光强曲线的对比度表示为：

$V=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}$

其中I_max和I_min分别表示光强曲线的最大和最小值。

以及，散射分布的二阶矩σ²与所述光强曲线的对比度之间的定量关系为：

${\mathrm{\σ}}^2=-\frac{1}{2{\mathrm{\π}}^2}{\left(\frac{p_2}{D}\right)}^2\ln \left(\frac{V_s}{V_r}\right)$

其中，其中V_s和V_r分别表示探测器上某点在有被检测物体时的光强曲线和无被检测物体时的光强曲线的对比度，p₁为第一吸收光栅G1的周期，D为所述第一和第二吸收光栅之间的距离。

进一步地，CT图像重建算法利用了公式

${\mathrm{\σ}}^2=\underset{L}{\∫}{f}_s\left(l\right)\mathrm{dl}=\underset{L}{\∫}\frac{{\mathrm{\ρ}}_n\left(l\right){\mathrm{\σ}}_s\left(l\right)}{2{\mathrm{\α}}_p}\mathrm{dl}$

其中ρ_n是物质密度，σ_s是散射截面，α_p是单个球形散射体对射线的展宽宽度。可见广义的散射参数与物质密度ρ_n、散射截面σ_s和单个球形散射体对射线的展宽宽度α_p等几个物理量相关。

根据本发明的另一个方面，提出了一种X射线成像方法，利用X射线光栅成像***对物体进行成像，其中该X射线光栅成像***包括：X射线源、第一和第二吸收光栅G1和G2、X射线探测器、控制器和数据处理单元；其中，该方法包括下述步骤：

向被测物体发射X射线；使得所述两块吸收光栅G1和G2之一在其至少一个周期范围内进行相位步进运动；在每个相位步进步骤，探测器接收X射线，并转化为电信号；其中，经过至少一个周期的相位步进，探测器上每个像素点处的X射线光强表示为一个光强曲线；将探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线相比较，得到光强曲线的对比度变化；由所述光强曲线的变化计算得出探测器上每个像素的散射角分布的二阶矩；以及由所述散射角分布的二阶矩得出被检测物体的图像的像素值，由此重建被检测物体的图像。

基于非相干的光栅暗场成像***可以应用于材料科学，组织(例如乳腺)的医学成像等领域。另外，本发明揭示的原理同样适用于相干的光栅暗场成像方法中的重建问题。

附图说明

图1为非相干X射线光栅成像***示意图。

图2为基于光栅的暗场成像原理示意图。

图3示出非相干光栅成像***提取的多信息图像，其中图3a为吸收图像，图3b为一阶相位信息图像，图3c为暗场信息图像。

图4示出非相干光栅成像***CT重建图像，其中图4a为吸收图像，图4b为一阶相位信息图像，图4c为暗场信息图像；其中重建的断层平面在图3中分别用白线标示。

图5示出X射线经过被检测物体散射后，X射线强度和对比度变化的示意图，图中为模拟数据。

具体实施方式

参见图1所示，根据本发明的原理，X射线光栅暗场成像***包括：X射线光机S、可选的源光栅G0、两块吸收光栅(即第一和第二吸收广商G1和G2)，以及探测器组成，其依次位于X射线的传播方向上。所述X射线光机为通用的X射线光机。

优选地，两个吸收光栅的周期在0.1-30微米之间。所述光栅使用重金属作为吸收材料，以金(Au)为例，金的高度由使用的X射线的能量决定，在10-100微米之间。例如，对20keV的X射线来说，金的高度大于16微米能阻挡90％的X射线。

优选地，所述探测器可以是矩阵探测器，其中的每个探测元(像素)可以检测射到该单元上的X射线的强度变化。

具体地，X射线光机用于向被检测物体发射X射线束。在大焦点光源情况下，X射线光机的前面可以添加一个附加的源光栅(例如，多缝准直器)，来产生一组小焦点线光源以向被检测物体发射X射线束。所述两块吸收光栅G1、G2的周期分别设定为p₁、p₂，其平行地依次位于X射线束的发射方向上。所述探测器用于接收X射线，并通过光电信号转换技术(例如，数字化摄影技术)将X射线信号转换为可进行数字处理的电信号。

另外，所述X射线光栅暗场成像***还应包括数据处理单元，用于从所述电信号计算得出X射线经过被检测物体后的光强变化，通过所述光强变化计算出探测上每个探测像素点的光强对比度降低的信息，由此得出被检测物体对X射线的散射信息，以及利用所述散射信息计算出所述被检测物体的像素信息。

进一步地，***还包括控制器(未示出)，用于控制所述X射线光机、吸收光栅以及处理器单元的操作。优选地，所述控制器和所述数据处理单元可以集成为一体，且由通用或专用处理器来实现。

进一步地，***还包括有成像单元(未示出)，根据所述的散射信息(散射参数，其可体现为被检测物体的像素信息)重建物体的图像并显示出。

通用的X射线光机发射的X射线束可以是扇束、锥束或平行束。本发明中优选地为锥束。由此，在本发明中成像***所采用的两个吸收光栅的周期优选地成几何比例关系，即：

$\frac{p_1}{p_2}=\frac{L}{L+D}$

其中，L为射线源(在存在源光栅的情况下为源光栅)到第一光栅G1的距离，D为两个吸收光栅G1和G2之间的距离。

通过两个吸收光栅的相对相位步进运动，可以得到探测器上某点接收的X射线的强度变化曲线。对于如图所示的***，两个吸收光栅(G1、G2)进行相对地步进运动：例如，光栅G1固定不动，光栅G2沿X方向(其与X射线的传播方向正交)在光栅周期p₂距离范围内平移N(N＞1)步(也可以光栅G2固定不动，光栅G1沿X方向步进)。光栅G2每平移一步，所述的探测器采集一次图像；在平移距离范围内采集N张图像后，可获得探测器上每个像素(探测器的探测面上的每个点)在一个光栅周期内光强变化曲线的分布情况。如图5所示，该光强变化函数的形状类似于正弦或余弦函数。

参见图2所示，根据本发明的基于光栅的暗场成像方法，当X射线束穿过物体之后，由于物体的散射作用而发生展宽。可以用一个角分布函数来描述X射线散射束。相比于没有被检测物体即样品的情况，发生的散射造成了投影光栅条纹的对比度的下降，这个下降可以用来衡量被检测物体对X射线的散射能力的大小，也就是暗场信息。

通过第一或第二光栅G1、G2的相对相位步进运动，可以得到存在和不存在被检测物体情况下探测器上某点的X射线光强曲线，如图所示。其中，不存在被检测样品的情况下每个点的光强曲线作为背景信息可以预知的，该信息可以预存在***的存储中，或者临时可以设备启动时自动获取。可以看到，X射线在经过被检测物体的散射后，探测器上某点的光强曲线的对比度存在一定程度的下降。由此，通过测量X射线光强曲线的对比度的降低即可以间接地测量被检测物体的散射信息。

进一步地，通过相位步进方法，测量出的探测器上某个像素的样品光强曲线和背景光强曲线可用余弦曲线函数来近似地表示，即：

I_s(k)≈a_s+b_s cos(kΔx+φ_s)    (1)

I_b(k)≈a_b+b_b cos(kΔx+φ_b)    (2)

其中，I_s(k)和I_b(k)分别表示相位步进方法中第k步某像素点所对应的有被检测样品时的光强值和无样品时的光强值，Δx是步进长度，位移曲线间相位差为Δφ＝(φ_s-φ_b)。

这样，探测器上某像素点的X射线强度曲线的对比度可以表示为

$V=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}---\left(3\right)$

其中I_max和I_min分别表示光强曲线的最大和最小值。

在现有的成像***中，探测器像素的尺寸要远大于光栅条纹的周期，在一个探测器范围内包含了多个条纹周期。由于小于一个探测器像素尺寸内散射角分布不能被分辨，我们假设每个探测器***线的散射角分布是一样的，均可以通过一个高斯函数来表示，而高斯函数的二阶矩反映了X射线束展宽的强度。

本申请的发明人推导了基于投影的光栅暗场成像技术条件下，散射角分布二阶距σ²(the second moment of the scattering angledistribution)与两条光强曲线的对比度之间的定量关系如下：

${\mathrm{\σ}}^2=-\frac{1}{2{\mathrm{\π}}^2}{\left(\frac{p_2}{D}\right)}^2\ln \left(\frac{V_s}{V_r}\right)---\left(4\right)$

其中V_s和V_r分别表示探测器某像素点在有样品时的光强曲线和无样品时的光强曲线的对比度，p₁为G1的周期，D为两块光栅之间的距离。

在本发明中，利用上述公式(4)得到的散射角分布二阶矩σ²可以用来重建物体的图像。具体地，被测物体的X射线散射CT成像过程包括：

被测对象例如人体，相对于成像***可以旋转，例如360度。这样，需要一个能够使得被检测物体相对于整个***旋转地装置，其一般为机电转动结构，且由控制器来控制。在每个角度下，X射线源向物体发射X射线。同时，***的两个吸收光栅完成一次至少一个周期的步进运动。在这个过程中，通过比较探测器每个像素点处的光强曲线的对比度的变化，得到探测器上每个像素处的散射角分布的二阶矩σ²。然后物体相对地旋转一个角度，重复上述的光栅步进运动，得到该另一个角度下的每个像素点处散射角分布的二阶矩σ²。重复上述过程，得到多个角度下的散射角分布二阶矩σ²，并利用CT重建算法将所述散射角分布的二阶矩σ²构建为被测物体的CT图像。

以上所描述的是被检测物体在X射线照射下基于散射模拟所建立的图像。如图3所示，其中图3a为吸收图像，图3b为一阶相位信息图像，图3c为暗场信息图像。如图4所示，其中图4a为吸收图像，图4b为一阶相位信息图像，图4c为暗场信息图像。其中，图4中的各图为图3中所示被测对象沿所示白线的截面图。

这里，使用广义散射参数f_s来描述样品物质对X射线小角散射的特性，其类似于使用线性衰减系数来描述物质对X射线衰减(包括吸收和散射作用)的特性。这样，通过比较探测器某像素点处光强曲线对比度的降低，可以间接地得出被检测物体上某对应点的散射信息。其中，已知散射角分布二阶距σ²与广义散射参数f_s的关系：

${\mathrm{\σ}}^2=\underset{L}{\∫}{f}_s\left(l\right)\mathrm{dl}=\underset{L}{\∫}\frac{{\mathrm{\ρ}}_n\left(l\right){\mathrm{\σ}}_s\left(l\right)}{2{\mathrm{\α}}_p}\mathrm{dl}---\left(5\right)$

其中ρ_n是物质密度，σ_s是散射截面，α_p是单个球形散射体对射线的展宽宽度。可见广义的散射参数与物质密度ρ_n、散射截面σ_s和单个球形散射体对射线的展宽宽度α_p等几个物理量相关。

由此，通过散射角分布的二阶矩σ²所重建的图像反映出了广义散射参数f_s的分布情况。这对于检测物体来说是非常有效的。例如图3和图4所示，可以更加清晰地对比橡胶管和塑料管图像的不同之处。

尽管本发明基于非相关X射线源进行的描述，但实际上，以上发明构思和发明原理也同样适用于使用相干X射线源的光栅暗场成像问题。

本发明的X射线暗场成像方法的提出进一步完善了非相干光栅成像方法，使之可以在同一套***上进行吸收，相衬和暗场三种成像方式。这大大丰富了成像技术的选择范围。

基于非相干X射线源的光栅暗场成像可以应用于材料科学，组织(例如乳腺)的医学成像等领域。

Claims (15)

1.一种X射线成像***，用于对物体进行X射线散射成像，其包括：

X射线源、第一吸收光栅G1和第二吸收光栅G2、X射线探测器，其依次位于X射线的传播方向上；

其中，该***还包括：

数据处理器单元，用于进行数据信息的处理；以及

控制器，用于控制所述X射线源、第一吸收光栅G1和第二吸收光栅G2、X射线探测器、以及数据处理器单元的操作，以实现下述过程：

X射线源向被检测物体发射X射线；

所述第一吸收光栅G1和第二吸收光栅G2之一在其至少一个周期范围内进行相位步进运动；

在每个相位步进步骤，所述X射线探测器接收X射线，并转化为电信号；其中，经过至少一个周期的相位步进，X射线探测器上每个像素点处的X射线光强表示为一个光强曲线；

将X射线探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线相比较，得到光强曲线的对比度变化；

由所述光强曲线的变化计算得出X射线探测器上每个像素的散射角分布的二阶矩；以及

由所述散射角分布的二阶矩得出被检测物体的图像的像素值，由此重建被检测物体的图像。

2.根据权利要求1的***，其中，所述X射线源为小焦点源；或者，在其为大焦点光源的情况下，所述***进一步包括一个源光栅，用于将X射线光机发射的X射线分成一系列小焦点的X射线束。

3.根据权利要求1的***，其中所述X射线源、第一吸收光栅G1和第二吸收光栅G2、X射线探测器相互之间具有下述的关系：

$\frac{p_1}{p_2}=\frac{L}{L+D}$

其中，p₁和p₂分别为第一吸收光栅G1和第二吸收光栅G2的周期，L为X射线源与第一吸收光栅G1之间的距离，D为所述第一吸收光栅G1和第二吸收光栅G2之间的距离。

4.根据权利要求1的***，其中所述***还包括一个旋转装置，在所述控制器的控制下，用于使得被检测物体相对于所述***旋转一个角度。

5.根据权利要求4的***，其中，在每个旋转角度下，重复前述各步骤，从而得出多个角度下的X射线散射角分布的二阶矩，然后根据CT图像重建算法来重建被检测物体的图像，

其中所述重建算法利用了下述的公式：

6.根据权利要求1的***，其中所述X射线探测器上某像素点在有被检测物体时的光强曲线和无被检测物体时的光强曲线分别表示为：

I_s(k)≈a_s+b_s cos(kΔx+φ_s)及

I_b(k)≈a_b+b_b cos(kΔx+φ_b)

其中，Δx是步进长度，两个光强曲线间相位差为Δφ＝(φ_s-φ_b)，k表示第k步进，

其中，I_s(k)和I_b(k)分别表示相位步进方法中第k步某像素点所对应的有被检测物体时的光强值和无被检测物体时的光强值。

7.根据权利要求6的***，其中，光强曲线的对比度表示为：

$V=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}$

其中I_max和I_min分别表示光强曲线的最大和最小值。

8.根据权利要求7的***，其中，散射角分布的二阶矩和所述光强曲线的对比度之间的定量数量关系为：

${\mathrm{\σ}}^2=-\frac{1}{2{\mathrm{\π}}^2}{\left(\frac{p_2}{D}\right)}^2\ln \left(\frac{V_s}{V_r}\right)$

其中，σ²为散射角分布二阶矩，p₂为第二吸收光栅G2的周期，

其中，V_s和V_r分别表示X射线探测器上某点在有被检测物体时的光强曲线和无被检测物体时的光强曲线的对比度，D为所述第一吸收光栅G1和第二吸收光栅G2之间的距离。

9.根据权利要求1的***，其中，所述***还包括成像单元，用于显示被检测物体的图像。

10.根据权利要求1的***，其中所述X射线为非相干的X射线。

11.根据权利要求1的***，其中所述数据处理器单元和所述控制器集成在一起，由通用或专用处理器来实现。

12.一种X射线成像方法，利用X射线光栅成像***对物体进行成像，其中该X射线光栅成像***包括：X射线源、第一吸收光栅G1和第二吸收光栅G2、X射线探测器、控制器和数据处理器单元；

其中，该方法包括下述步骤：

向被检测物体发射X射线；

使得所述两块吸收光栅G1和G2之一在其至少一个周期范围内进行相位步进运动；

在每个相位步进步骤，探测器接收X射线，并转化为电信号；其中，经过至少一个周期的相位步进，X射线探测器上每个像素点处的X射线光强表示为一个光强曲线；

将X射线探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线相比较，得到光强曲线的对比度变化；

由所述光强曲线的变化计算得出X射线探测器上每个像素的散射角分布的二阶矩；以及

由所述散射角分布的二阶矩得出被检测物体的图像的像素值，由此重建被检测物体的图像。

13.根据权利要求12的方法，包括

旋转被检测物体，在每个旋转角度下，重复所述各步骤，得出多个角度下的X射线散射角分布的二阶矩，然后根据CT图像重建算法来重建被检测物体的图像，

其中重建算法利用了下述的公式：

14.根据权利要求12的方法，其中，散射角分布的二阶矩和所述光强曲线的对比度之间的定量数量关系为：

${\mathrm{\σ}}^2=-\frac{1}{2{\mathrm{\π}}^2}{\left(\frac{p_2}{D}\right)}^2\ln \left(\frac{V_s}{V_r}\right)$

其中，σ²为散射角分布二阶矩，p₂为第二吸收光栅G2的周期，其中，V_s和V_r分别表示X射线探测器上某点在有被检测物体时的光强曲线和无被检测物体时的光强曲线的对比度，D为所述第一吸收光栅和第二吸收光栅之间的距离。

15.根据权利要求12的方法，其中所述X射线为非相干的X射线。

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