CN113607761B - 一种基于光栅干涉仪的x射线多模式成像新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光栅干涉仪的X射线多模式成像新方法,是应用于沿Z轴向上依次设置有X射线源、相位光栅、吸收分析光栅、探测器所构成的X射线光栅干涉仪中,且在沿Y轴向上中心对齐;X射线源发射的X射线入射到相位光栅被空间调制,出射X射线穿透被成像物体、吸收分析光栅后入射到探测器。空间调制X射线的强度分布被探测器测量并记录;利用提出的信号计算公式处理探测器记录的光强分布数据,能够获取被成像物体的吸收信号、折射信号和暗场信号。本发明能够解决吸收分析光栅的步进位置不满足等间距要求时,被成像物体的吸收信号、折射信号、暗场信号的定量、准确提取问题。
Description
技术领域
本发明涉及X射线成像领域,具体的说是一种基于光栅干涉仪的X射线多模式成像方法。
背景技术
经过近二十年的基本理论发展完善和应用探索研究,基于光栅干涉仪的X射线多模式成像方法逐步发展成为现有X射线成像技术的强力补充。根据成像原理,被成像物体的吸收信号、折射信号、暗场信号对探测器直接测量的光强分布都有显著贡献。因此,利用一定的信号提取公式,能够从探测器测量的一组光强数据,同时获取被成像物体的吸收信号、折射信号和暗场信号。即X射线光栅干涉仪成像是一种多模式成像方法。被成像物体的三种不同信号互为补充,实现对被成像物体的空间结构信息的多维度表征。近年来的实验研究证实,X射线光栅干涉仪成像能够有效利用大焦点X射线源来获取被成像物体的折射信号和暗场信号,因此被广泛认为是最有希望推广到临床医学应用的X射线多模式成像方法之一。此外,X射线光栅干涉仪成像还具有高测量灵敏度、高空间分辨率、高密度分辨率等优点,在乳腺成像、肺部病变诊断、公共安全检查等领域具有广阔的应用前景。
在基于光栅干涉仪的X射线多模式成像中,相位步进法通常被用于指导光强数据的测量,和提取被成像物体的吸收信号、折射信号、暗场信号。在原理上,相位步进法利用了最小二乘法来提取被成像物体的三种信号。因此,相位步进法要求在一个光栅周期内等步长步进扫描吸收分析光栅,并在每一个被扫描的光栅步进位置由探测器测量一次光强数据。然而,当吸收分析光栅的步进位置不满足预期的等间距要求时,相位步进法就失效了,无法从测量的光强数据中准确获取被成像物体的吸收信号、折射信号、暗场信号。这就降低了基于光栅干涉仪的X射线多模式成像的实验效率,制约了这种多模式成像方法在临床医学诊疗、工业无损检测等领域的推广应用。因此,发展新的基于光栅干涉仪的X射线多模式成像方法,克服相位步进法要求等间距步进扫描光栅的局限性,就成为X射线光栅干涉仪成像在实际推广应用中需要解决的问题之一。
发明内容
本发明为避免现有相位步进法的不足之处,提出一种基于光栅干涉仪的X射线多模式成像方法,以期在吸收分析光栅的步进位置不满足等间距要求时,能够从探测器测量的光强数据中定量获取被成像物体的吸收信号、折射信号、暗场信号,从而为实现快速、准确、多模式X射线成像提供新途径。
为达到上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
本发明一种基于光栅干涉仪的X射线多模式成像方法,是应用于由X射线源、相位光栅、吸收分析光栅、探测器组成的X射线光栅干涉仪中;
以所述X射线源的位置点为坐标系原点O,以射线轴方向为Z轴向,垂直于射线轴、且平行于所述相位光栅的栅线结构方向为Y轴向,以共同垂直于射线轴和所述相位光栅的栅线结构方向为X轴向,建立直角坐标系O-XYZ;
在沿Z轴向上依次设置有所述X射线源、相位光栅、吸收分析光栅和探测器;且所述X射线源、相位光栅、吸收分析光栅和探测器在沿Y轴向上中心对齐;其特点是,所述X射线快速多模式成像方法是按如下步骤进行:
步骤1、设置各器件相关位置,且满足:0<L12<L13<L14,其中,L12为所述X射线源与所述相位光栅在沿Z轴向上的相对距离,L13为所述X射线源与所述吸收分析光栅在沿Z轴向上的相对距离,L14为所述X射线源与所述探测器在沿Z轴向上的相对距离;
步骤2、获取背景光强数据:
步骤3、获取被成像物体的光强数据:
步骤3.1、将被成像物体沿Z轴向放置在所述相位光栅和所述吸收分析光栅的中间;并将所述X射线源与所述被成像物体在沿Z轴向上的相对距离记为L15,且满足L12<L15<L13;设置所述被成像物体与所述相位光栅在沿Y轴向上中心对齐;
步骤4、利用式(1)逐像素提取所述被成像物体的吸收信号T:
式(2)和式(3)中,A1为第一权重因子,并有:
式(2)和式(3)中,A2为第二权重因子,并有:
式(2)和式(3)中,A3为第三权重因子,并有:
式(4)、式(5)和式(6)中,X为第一位移校正因子,并有:
式(4)、式(5)和式(6)中,Y为第二位移校正因子,并有:
式(7)和式(8)中,p是所述吸收分析光栅在沿X轴向上的周期;
步骤5、利用式(9)逐像素提取所述被成像物体的折射信号θ:
式(9)中,tan-1表示反正切运算;
步骤6、利用式(10)逐像素提取所述被成像物体的暗场信号D:
D=Vs/Vr (10)
式(10)中,Vs是被成像物体的光强数据的可见度,并有:
式(10)中,Vr是背景光强数据的可见度,并有:
以所述被成像物体的吸收信号T、折射信号θ、暗场信号D作为所述X射线快速多模式成像方法的结果。
与已有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明利用探测器记录的光强数据随光栅步进位置的变化规律,提出了一种基于光栅干涉仪的X射线多模式成像方法,通过引入位移校正因子、等效相移因子,克服了相位步进法要求等间距步进扫描光栅、多次曝光的局限性,实现了非等间距步进扫描光栅时,被成像物的吸收信号、折射信号、暗场信号的逐像素定量、准确获取;实现了仅测量三次光强数据,就能够定量、准确地逐像素获取被成像物体的吸收信号、折射信号、暗场信号,实现了快速X射线多模式成像;
2、与现有的相位步进法相比,本发明通过引入权重因子、位移校正因子,解决了光栅不等间距步进导致的测量光强数据的非零偏置问题,实现了被成像物体的吸收信号、折射信号、暗场信号的逐像素定量、准确获取;
3、与现有的相位步进法相比,本发明通过引入等效相移因子,校正了光栅不等间距步进引入的相移偏置,实现了仅需要测量三次光强数据就能够逐像素被成像物的吸收信号、折射信号、暗场信号,避免了被成像物体的多次曝光,实现了快速X射线多模式成像;
附图说明
图1为现有技术中X射线光栅干涉仪示意图;
图2为本申请的吸收信号的提取结果图;
图3为本申请的折射信号的提取结果图;
图4为本申请的暗场信号的提取结果图;
图中标号:1X射线源;2相位光栅;3吸收分析光栅;4探测器;5被成像物体。
具体实施方式
本实施例中,参见图1,设置由X射线源1、相位光栅2、吸收分析光栅3和探测器4构成的X射线光栅干涉仪;如图1所示,以X射线源1的位置点为坐标系原点O,以射线轴方向为Z轴向,垂直于射线轴、且平行于相位光栅2的栅线结构方向为Y轴向,以共同垂直于射线轴和相位光栅2的栅线结构方向为X轴向,建立直角坐标系O-XYZ;
在沿Z轴向上依次设置有X射线源1、相位光栅2、吸收分析光栅3、探测器4;且X射线源1、相位光栅2、吸收分析光栅3、探测器4在沿Y轴向上中心对齐;
一种X射线快速多模式成像方法是按如下步骤进行:
步骤1、设置各器件相关位置,且满足:0<L12<L13<L14,其中,L12为X射线源1与相位光栅2在沿Z轴向上的相对距离,L13为X射线源1与吸收分析光栅3在沿Z轴向上的相对距离,L14为X射线源1与探测器4在沿Z轴向上的相对距离;
步骤2、获取背景光强数据:
对光栅步进位置x1、x2、x3:满足x1≠x2≠x3;且x1、x2、x3在区间[0 p]不等间距分布,其中,p是吸收分析光栅3在沿X轴向上的周期,典型数值是1微米到10微米。
对曝光时长t1、t2、t3:当X射线源1是同步辐射X射线源时,曝光时长的典型值是1~50毫秒;当X射线源1是大焦点X射线源时,曝光时长的典型值是十几秒到几十秒;当X射线源1是微焦点X射线源时,曝光时长的典型值是几十秒到几百秒;
步骤3、获取被成像物体的光强数据:
步骤3.1、将被成像物体5沿Z轴向放置在相位光栅2和吸收分析光栅3的中间;并将X射线源1与被成像物体5在沿Z轴向上的相对距离记为L15,且满足L12<L15<L13;设置被成像物体5与相位光栅2在沿Y轴向上中心对齐;
在获取被成像物体5的光强数据时,分析吸收光栅3在沿X轴向上的步进位置、曝光时长的数值,与获取背景光强数据时的对应数值保持一致,以利于之后被成像物体5的吸收信号、暗场信号的定量、准确提取。
式(3.1)中,是X射线源1入射到相位光栅2的光强,与被成像物体5的吸收信号T相关,满足/>Vs是被成像物体5的光强数据的可见度,且与被成像物体5的暗场信号D相关,满足D=Vs/Vr;φs是被成像物体5的光强数据的相移因子,且与被成像物体5的折射信号θ相关,满足θ=(φs-φr)。
步骤4、利用式(3)逐像素提取被成像物体5的吸收信号T:
式(2)和式(3)中,A1为第一权重因子,且满足:
式(2)和式(3)中,A2为第二权重因子,且满足:
式(2)和式(3)中,A3为第三权重因子,且满足:
式(4)、式(5)和式(6)中,X为第一位移校正因子,并有:
式(4)、式(5)和式(6)中,Y为第二位移校正因子,并有:
式(7)和式(8)中,p是所述吸收分析光栅(3)在沿X轴向上的周期;
定义背景等效相移因子Φr,满足Φr=φr+(2πx2/p);
定义第一位移校正因子X,满足X=π(x1-x3)/p;
定义第二位移校正因子Y,满足Y=π(x1+x3-2x2)/p;
(1)将获取的背景光强数据作等价形式变换,得到式(4.1):
由式(4.1)可得到:
由式(4.2)可得到:
(3)利用式(1)逐像素提取被成像物体5的吸收信号T:
图2所示为被成像物体5的吸收信号的提取结果。如图2所示,以理论值作为参照标准,本申请的提取结果与理论值的相关系数达到0.986,证实了本申请提出的成像新方法的定量准确性。
步骤5、利用式(9)逐像素提取被成像物体5的折射信号θ:
式(5)中,tan-1表示反正切运算;
(1)考虑获取的背景光强数据。由式(4.1)可得到:
由式(5.1)可得到:
由式(5.2)可得到:
(3)在式(5.3)和式(5.4)的基础上,利用式(5.5)逐像素提取被成像物体5的折射信号θ:
式(5.5)中,tan-1表示反正切运算;
图3所示为被成像物体5的折射信号的提取结果。如图3所示,本申请提出的新方法的提取结果与理论值符合的很好,两者的相关系数为0.985,实现了定量、准确的折射信号提取。
步骤6、利用式(10)逐像素提取被成像物体5的暗场信号D:
D=Vs/Vr (10)
式(6)中,Vs是被成像物体5的光强数据的可见度,且满足:
式(6)中,Vr是背景光强数据的可见度,且满足:
(1)考虑获取的背景光强数据。由式(5.2)可得到:
由式(6.1)可得到:
由式(6.2)可得到:
(3)在式(6.3)和式(6.4)的基础上,利用式(10)逐像素提取被成像物体5的暗场信号D;
以被成像物体5的吸收信号T、折射信号θ、暗场信号D作为X射线快速多模式成像方法的结果。
图4所示为被成像物体5的暗场信号的提取结果。如图4所示,以理论值作为参照标准,本申请提出的新方法总是能够定量、准确提取被成像物体5的特征暗场信号。在弱暗场信号的位置,暗场信号的振荡行为来源于实验噪声的影响,不影响本申请提出的X射线快速多模式成像方法的可行性。
Claims (1)
1.一种基于光栅干涉仪的X射线多模式成像方法,是应用于由X射线源(1)、相位光栅(2)、吸收分析光栅(3)、探测器(4)组成的X射线光栅干涉仪中;
以所述X射线源(1)的位置点为坐标系原点O,以射线轴方向为Z轴向,垂直于射线轴、且平行于所述相位光栅(2)的栅线结构方向为Y轴向,以共同垂直于射线轴和所述相位光栅(2)的栅线结构方向为X轴向,建立直角坐标系O-XYZ;
在沿Z轴向上依次设置有所述X射线源(1)、相位光栅(2)、吸收分析光栅(3)和探测器(4);且所述X射线源(1)、相位光栅(2)、吸收分析光栅(3)和探测器(4)在沿Y轴向上中心对齐;其特征是,所述X射线快速多模式成像方法是按如下步骤进行:
步骤1、设置各器件相关位置,且满足:0<L12<L13<L14,其中,L12为所述X射线源(1)与所述相位光栅(2)在沿Z轴向上的相对距离,L13为所述X射线源(1)与所述吸收分析光栅(3)在沿Z轴向上的相对距离,L14为所述X射线源(1)与所述探测器(4)在沿Z轴向上的相对距离;
步骤2、获取背景光强数据:
步骤3、获取被成像物体的光强数据:
步骤3.1、将被成像物体(5)沿Z轴向放置在所述相位光栅(2)和所述吸收分析光栅(3)的中间;并将所述X射线源(1)与所述被成像物体(5)在沿Z轴向上的相对距离记为L15,且满足L12<L15<L13;设置所述被成像物体(5)与所述相位光栅(2)在沿Y轴向上中心对齐;
步骤4、利用式(1)逐像素提取所述被成像物体(5)的吸收信号T:
式(2)和式(3)中,A1为第一权重因子,并有:
式(2)和式(3)中,A2为第二权重因子,并有:
式(2)和式(3)中,A3为第三权重因子,并有:
式(4)、式(5)和式(6)中,X为第一位移校正因子,并有:
式(4)、式(5)和式(6)中,Y为第二位移校正因子,并有:
式(7)和式(8)中,p是所述吸收分析光栅(3)在沿X轴向上的周期;
步骤5、利用式(9)逐像素提取所述被成像物体(5)的折射信号θ:
式(9)中,tan-1表示反正切运算;
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D=Vs/Vr (10)
式(10)中,Vs是被成像物体(5)的光强数据的可见度,并有:
式(10)中,Vr是背景光强数据的可见度,并有:
以所述被成像物体(5)的吸收信号T、折射信号θ、暗场信号D作为所述X射线快速多模式成像方法的结果。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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