基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法及装置。该方法包括：以本发明专利技术提出的新型横向错位吸收光栅布置Talbot‑Lau成像结构；以上述结构获取X射线穿过物体后的二维强度图像；以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像。相较于传统方法，本发明专利技术实施例不需要移动光栅，一次曝光即可获得三种衬度图像，大幅减小了成像时间，降低了成像剂量，提高了系统成像效率和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法及装置
本专利技术涉及X射线成像
，尤其涉及一种基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法及装置。
技术介绍
在X射线成像系统中，X射线源发出X射线，透照被检测物体的某一区域，放置于射线源对面的探测器将被物体衰减后的射线信号转换为数字信号送到计算机，从而形成物体的透照强度图像，可以无损表征物体在该区域内的介质密度、成分和结构形态等特征。传统X射线成像仅能获得物体的吸收衬度成像，对低原子序数材料结构样品难以获得高对比度图像。近年，相位衬度成像技术被提出来提高这些低衰减样品的成像衬度。如，袁清习等，同步辐射硬X射线衍射增强峰位成像CT研究，ChinesePhysicsC,vol.29.No.10,pp:1023-1026,2005,实现了一种衍射增强相衬成像方法；PfeifferF等，Phaseretrievaldifferentialphase-contrastimagingwithlow-brilliancex-raysources,NaturePhysics,vol.2,no.4,pp.258-261,2006,提出了一种基于光栅的差分相衬方法；ZanetteI等,Speckle-basedx-rayphase-contrastimagingusingagratinginterferometer,Physicalreviewletter,vol.112,no.25,2014,提出了一种散斑相衬成像技术。这其中，基于光栅的差分相衬方法能采用普通X光管实现，具有重大工程应用前景，得到了广泛研究。但现有基于光栅的差分相衬方法大都是基于吸收光栅平移步进的传统方法，成像时间长，剂量大，稳定性低，效率不高，制约了其进一步工程应用。目前，尚未发现基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法及装置。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法及装置，以减少成像时间、降低辐射剂量、提高成像效率。本专利技术实施例的一个方面是提供一种基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法，包括：步骤1、利用横向错位吸收光栅布置Talbot-Lau成像结构获取X射线穿过物体后的二维强度图像；步骤2、以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像。进一步地，所述的横向错位吸收光栅布置Talbot-Lau成像结构，包括：所述Talbot-Lau成像结构光路一共包括六个部分：X射线源、源光栅G0、测试物体、相位光栅G1、吸收光栅G2、探测器；所述Talbot-Lau成像结构光路参数应满足如下公式(1)-(4)：kg1＝2g2，(2)g0＝g2·L/2d，(3)s＜g2·L/2d，(4)其中，d表示相位光栅G1和吸收光栅G2之间的距离；k＝(L+d)/L为放大比，L为源光栅G0与相位光栅G1直接的距离；m表示第m阶分数Talbot距离；g1为相位光栅G1的周期，λ为所用X射线的波长，g2为吸收光栅G2的周期，g0为源光栅G0的周期，s为源光栅中在每个周期下允许X射线透过的宽度；所述横向错位吸收光栅，指的是所述Talbot-Lau成像结构光路中吸收光栅G2，其与探测器探元的相对位置出现横向周期性错位，使得横向多个相邻探测器探元获得的强度信号，能够等效于传统成像方法中一个探测器探元在多个不同位置时获得的强度信号；对于4个横向相邻探测器探元，4个横向相邻探测器探元分别标记为p1、p2、p3、p4，每个探元px(x＝1，2，3，4)宽度为W，在横向错位吸收光栅中，对应一段长为W的光栅gpx，每一段光栅gpx的光栅周期为g2，相邻探测器探元对应的光栅存在着距离为f的位置差，如相邻探测器探元p1和p2对应的光栅段gp1与gp2存在着f的位置差，其中f＝g2/4，gpx光栅的位置相当于吸收光栅在移动到x时的位置，相邻4个探测器探元对应的各段吸收光栅的位置各不同，相互错开距离f，称之为横向错位光栅，探测器探元px获得的X射线强度信号值是其在传统方法下吸收光栅G2移动到位置x时采集到的强度值。进一步地，以上述结构获取X射线穿过物体后的二维强度图像，包括：在所述Talbot-Lau成像结构中，探测器采集未放置测试物体时的二维投影图像；将测试物体放置于所述Talbot-Lau成像结构中，保证物体被测试区被X射线光束全部覆盖；在所述Talbot-Lau成像结构中，探测器采集透过测试物体后的X射线强度二维图像。进一步地，以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像，包括：依据公式(5)-(14)对所述的二维强度图像进行图像解析：I1(x，z)＝I(x-1，z),(5)I2(x，z)＝I(x，z),(6)I3(x，z)＝I(x+1，z),(7)I4(x，z)＝I(x+2，z),(8)phase(x，z)＝φs(x，z)-φr(x，z)，(13)其中，x为二维投影图点的横坐标；Z为二维投影图点的纵坐标；I(x，z)为二维投影图中点(x，z)的强度值；I1(x，z)、I2(x，z)、I3(x，z)、I4(x，z)分别表示点(x，z)的4个不同的强度值，模拟传统光栅差分相位衬度图像中点(x，z)当吸收光栅在4个不同的步进位置时的强度值；M表示一个点(x，z)中不同的强度值的个数，M＝4；a0(x，z)为点(x，z)的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的均值；a1(x，z)为点(x，z)的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的振幅大小；φ(x，z)为点(x，z)的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的相位值；表示不放测试物体时的a0(x，z)值，表示放置测试物体时的a0(x，z)值；表示不放测试物体时的a1(x，z)值，表示放置测试物体时的a1(x，z)值；φr(x，z)表示不放测试物体时的φ(x，z)值，φs(x，z)表示放置测试物体时的φ(x，z)值；abs(x，z)为点(x，z)吸收衬度的值；phase(x，z)为点(x，z)差分相位衬度的值；dark(x，z)为点(x，z)散射衬度成像的值。本专利技术实施例的另一个方面是提供一种基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像装置，包括：获取模块，以本专利技术提出的新型横向错位吸收光栅布置Talbot-Lau成像结构，以上述结构获取X射线穿过物体后的二维强度图像。计算模块，以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像。进一步地，横向错位吸收光栅布置Talbot-Lau成像结构，包括：所述Talbot-Lau成像结构光路一共包括六个部分：X射线源、源光栅G0、测试物体、相位光栅G1、吸收光栅G2、探测器；所述Talbot-Lau成像结构光路参数应满足如下公式(1)-(4)：kg1＝2g2，(2)g0＝g2·L/2d，(3)s＜g2·L/2d，(4)其中，d表示相位光栅G1和吸收光栅G2之间的距离；k＝(L+d)/L为放大比，L为源光栅G0与相位光栅G1直接的距离；m表示第m阶分数Talbot距离；g1为相位光栅G1的周期，λ为所用X射线的波长，g2为吸收光栅G2的周期，g0为源光栅G本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、利用横向错位吸收光栅布置Talbot‑Lau成像结构获取X射线穿过物体后的二维强度图像；步骤2、以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、利用横向错位吸收光栅布置Talbot-Lau成像结构获取X射线穿过物体后的二维强度图像；步骤2、以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像。2.根据权利要求1所述的基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法，其特征在于，所述的横向错位吸收光栅布置Talbot-Lau成像结构，包括：所述Talbot-Lau成像结构光路一共包括六个部分：X射线源、源光栅G0、测试物体、相位光栅G1、吸收光栅G2、探测器；所述Talbot-Lau成像结构光路参数应满足如下公式(1)-(4)：kg1＝2g2，(2)g0＝g2·L/d，(3)s＜g2·L/2d，(4)其中，d表示相位光栅G1和吸收光栅G2之间的距离；k＝(L+d)/L为放大比，L为源光栅G0与相位光栅G1直接的距离；m表示第m阶分数Talbot距离；g1为相位光栅G1的周期，λ为所用X射线的波长，g2为吸收光栅G2的周期，g0为源光栅G0的周期，s为源光栅中在每个周期下允许X射线透过的宽度；所述横向错位吸收光栅，指的是所述Talbot-Lau成像结构光路中吸收光栅G2，其与探测器探元的相对位置出现横向周期性错位，使得横向多个相邻探测器探元获得的强度信号，能够等效于传统成像方法中一个探测器探元在多个不同位置时获得的强度信号；对于4个横向相邻探测器探元，分别标记为p1、p2、p3、p4，每个探元px(x＝1，2，3，4)宽度为W，在横向错位吸收光栅中，对应一段长为W的光栅gpx，每一段光栅gpx的光栅周期为g2，相邻探测器探元对应的光栅存在着距离为f的位置差，如相邻探测器探元p1和p2对应的光栅段gp1与gp2存在着f的位置差，其中f＝g2/4，gpx光栅的位置相当于吸收光栅在移动到x时的位置，相邻4个探测器探元对应的各段吸收光栅的位置各不同，相互错开距离f，称之为横向错位光栅，探测器探元px获得的X射线强度信号值是吸收光栅G2移动到位置x时采集到的强度值。3.根据权利要求2所述的基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法，其特征在于，以上述结构获取X射线穿过物体后的二维强度图像，包括：在所述Talbot-Lau成像结构中，探测器采集未放置测试物体时的二维投影图像；将测试物体放置于所述Talbot-Lau成像结构中，保证物体被测试区被X射线光束全部覆盖；在所述Talbot-Lau成像结构中，探测器采集透过测试物体后的X射线强度二维图像。4.根据权利要求1所述的基于横向错位吸收光栅的X射线光栅差分相位衬度成像方法，其特征在于，以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像，包括：依据公式(5)-(14)对所述的二维强度图像进行图像解析：I1(x，z)＝I(x-1，z),(5)I2(x，z)＝I(x，z),(6)I3(x，z)＝I(x+1，z),(7)I4(x，z)＝I(x+2，z),(8)phase(x，z)＝φ5(x，z)-φr(x，z)，(13)其中，x为二维投影图点的横坐标；Z为二维投影图点的纵坐标；I(x，z)为二维投影图中点(x，z)的强度值；I1(x，z)、I2(x，z)、I3(x，z)、I4(x，z)分别表示点(x，z)的4个不同的强度值，模拟传统光栅差分相位衬度图像中点(x，z)当吸收光栅在4个不同的步进位置时的强度值；M表示一个点(x，z)中不同的强度值的个数，M＝4；a0(x，z)为点(x，z)的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的均值；a1(x，z)为点(x，z)的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的振幅大小；φ(x，z)为点(x，z)的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的相位值；表示不放测试物体时的a0(x，z)值，表示放置测试物体时的a0(x，z)值；表示不放测试物体时的a1(x，z)值，表示放置测试物体时的a1(x，z)值；φr(x，z)表示不放测试物体时的φ(x，z)值，φs(x，z)表示放置测试物体时的φ(x，z)值；abs(x，z)为点(x，z)吸收衬度的值；phase(x，z)为点(x，z)差分相位衬度的值；dark(x，z)为点(x，z)散射衬度...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅健，王景正，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11