本发明专利技术公开了一种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像系统及方法。其中，X射线经光源光栅整形后，变成相干X射线，穿过样品以后的含有相位变化的相干X射线经相位光栅，形成分束的X射线，再经过分析光栅后将X射线的相位变化转化成光强的变化，然后再由光子计数探测器记录下强度不同的X射线相衬信息，通过三维重建系统得到基于相位衬度的断层影像，最终获得软组织样品的组成成份和内部精细结构信息。本发明专利技术可以用于医院病理科、放射科和科研部门对软组织样品标本的检验，有利于发现组织样品中的细小病灶等早期病变信息，大大提高检出率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种X射线成像系统，尤其涉及一种基于光栅相位衬度和光子计数技 术的X射线成像系统，同时还涉及该系统实现X射线成像的方法，属于医学影像
技术介绍
X射线的穿透能力特别强。当X射线经过碳、氢、氧等轻元素构成的样品时，就像是 可见光穿过玻璃，没有留下可观测的痕迹。这对医学诊断是极为不利的。例如针对乳腺肿瘤 的诊断，乳腺肿瘤在发展的早期仍然是由轻元素组成的病灶，吸收衬度成像对其无能为力， 直到乳腺肿瘤发展到晚期，产生钙化现象，才可见于吸收衬度成像。这样己经错过了治疗的 最佳时机，严重影响了患者康复的几率。 随着X射线成像技术的不断发展，人们发现X射线透过样品后携带的相位信息也 能用于样品内部结构的成像，而且X射线的相位漂移截面要比吸收截面高100~1000倍， 通过获取相位信息并进行复原即可以观测到样品的内部结构。对于由轻元素构成的弱吸收 物质，X射线相位的改变比光强的改变更明显。X射线相位衬度成像能够比传统吸收衬度成 像更容易探测到样品的内部结构。 经过30余年的发展，X射线相位衬度成像技术主要采用下述的四种方法： (1)晶体干涉衬度成像法：将一块完整晶体切割成三块很薄而基部仍然连接在一 起的3L形状，分别是分束器、投射晶体和分析晶体。X射线入射经过第一片晶体后衍射并分 离成两束相干光。将其中的一束光作为参照光，并在其传播路径上放置一个相位改变器以 不断改变光。该方法对实验装置的机械稳定性的要求相对比较苛刻，由于对最终衍射花样 的探测是在入射X射线穿越了 3层晶体之后，因此光子利用率较低，需要有很强的光源或者 很长的曝光时间来弥补。由于晶体尺寸有限，该方法只适用于一些小尺寸样品的情况，目前 仅在同步辐射上有应用。 (2)晶体衍射增强法：让X射线源发出的多色X射线经过一块完整晶体后，入射角 度满足布拉格衍射条件（即发生相干光干涉条件）的X射线能通过单色晶体，从而形成单色 光。在样品的后方放置一块分析晶体作为角度分析器，随后是探测器记录图像。单色光穿 过样品后由分析晶体将相位信息转化成光强信息。使用分析晶体并通过调整分析晶体的角 度，增强或减弱经过样品后透射、折射和小角散射的X射线，因此衍射增强成像有三种产生 衬度的机制，它们分别是吸收衬度、折射衬度和滤除小角散射获得的消光衬度。 (3)光栅剪切法：用单色光照射光栅，在光栅后面一定距离会出现具有周期性的 像，即"Tablot-Lau效应"，如图1所示。利用光栅自成像效应，通过对光路进行设计，使得 第一块相位光栅的像与第二块吸收光栅相匹配，进而分析样品所形成的莫尔条纹，可以定 量恢复波阵面。目前对这个方法有两种实现方案，一种是产生n/2的相移，一种是产生 的相移。该方法的优势在于不再依赖于高亮度、相干性较高的同步辐射光源，从而具有广泛 的应用前景。 方法（2)与方法（3)为基于光学分析元件的X射线相位衬度成像方法。这类光学 分析元件的作用是产生相位微分像，从而提高图像的边界对比度，需要通过一定的实验机 制和对应算法来进行定量相位恢复。 (4)基于X射线自由传播的相位衬度成像方法：该方法也称作X射线类同轴相位 衬度成像方法，根据使用的光源不同，分为单色X射线类同轴相位衬度成像和复色X射线类 同轴相位衬度成像。其中复色X射线类同轴是基于澳大利亚墨尔本大学的K. A. Nugent提 出的光强传播方程。类同轴方法在实现上较为简单，只要X射线源的焦点足够小，就能在基 于吸收衬度的设备上实现相位衬度成像，但由于类同轴方法获得的是相位的二阶导数，因 此在相位恢复上比较困难。 目前，国内外绝大多数的相位衬度成像研究都是在同步辐射X射线源上开展的。 但同步辐射X射线源属于大型科学装置，其设备和维护成本高昂，将其作为医疗临床诊断 设备，既不符合能源和资源有效利用的原则，其成像诊断费用也不是一般病人能承担得起 的。低功耗的微焦点X射线源具有足够的相干性(采用微焦点X射线源，相当于利用小孔 获得相干光)，但光束太窄、光通量太小、探测器需要曝光时间相当长，难以满足临床应用的 实际需要。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术所要解决的首要技术问题在于提供一种基于光栅相 位衬度和光子计数技术，利用微焦点X射线源成像的系统。 本专利技术所要解决的另一个技术问题在于提供上述系统实现X射线成像的方法。 为实现上述的专利技术目的，本专利技术采用下述的技术方案： 一种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像系统，包括， X射线源，用于产生X射线， 光源光栅，用于将所述X射线源发出的X射线分成多个相干光源， 样品扫描平台，用于承载待测样品， 相位光栅，用于对X射线进行分束，并使分束后的X射线发生非相干干涉， 分析光栅，用于将X射线的相位信息转变为X射线的光强信息， 三维重建系统，根据图像对所述样品的结构进行三维重建， 光子计数探测器，用于探测某时间段内到达其表面的X射线的光子以形成图像， 并传输到所述三维重建系统； 所述光源光栅设置在所述X射线源与所述样品之间，所述相位光栅设置在所述样 品另一侧与所述分析光栅之间，在所述分析光栅的另一侧设置光子计数探测器，所述光子 计数探测器与所述三维重建系统连接。 其中较优地，所述光子计数探测器是由多个像素构成的面阵探测器，其中每个所 述像素包括光电转换层、前置放大器、事件检出单元、能级鉴别比较器、脉冲整形器、计数 器、累加器以及输出总线；其中， 光电转换层，将单光子转换为电信号，传输至到前置放大器将信号放大； 事件检出单元，将放大信号中的噪声滤除，并发送至能级鉴别比较器； 能级鉴别比较器，对有效信号分级进入脉冲整形器进行脉冲整形； 计数器，对脉冲信号计数，并输入累加器和输出总线。 其中较优地，每个像素对捕获的光子进行强度测量、阈值比较，记录特定时间窗口 内通过所述像素的光子总数，获得该像素位置上的强度信息。 -种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像方法，基于上述的X射线成像系 统实现，包括如下步骤： 步骤1 :在样品扫描平台没有样品时，所述X射线成像系统采集基准图像； 步骤2 :在样品扫描平台上放入样品，所述X射线成像系统采集第一图像； 步骤3 :将所述样品扫描平台旋转一定角度，所述X射线成像系统采集第二图像； 步骤4 :所述X射线成像系统基于步骤1~步骤3中的三幅图像，进行样品结构的 三维重建。 其中较优地，所述步骤1进一步包括以下步骤： 步骤11 :X射线源向光源光栅发射X射线，所述光源光栅将X射线分成多个相干光 源； 步骤12:多个相干光源发出的X射线由相位光栅进行分束，并产生非相干干涉，形 成干涉条纹； 步骤13:分析光栅将步骤12中分束的X射线的相位信息转变成X射线的光强信 息，并照射到光子计数探测器的表面； 步骤14:所述光子计数探测器对到达表面的所述X射线的光子进行计数，形成基 准图像。 其中较优地，所述步骤11中所述光源光栅的相邻两缝的X射线之间不相干，并且 产生的干涉条纹错位一个周期。 其中较优地，所述步骤2或3进一步包括以下步骤： 步骤21 :X射线源向光源光栅发射X射线，光源光栅将X射线分成多个相干光源； 步骤22:多个相干光源发出的X射线穿透样品后，一部分X射线相位发生变化； 步骤23:相位光栅将相位本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像系统，包括，X射线源，用于产生X射线，光源光栅，用于将所述X射线源发出的X射线分成多个相干光源，样品扫描平台，用于承载待测样品，相位光栅，用于对X射线进行分束，并使分束后的X射线发生非相干干涉，分析光栅，用于将X射线的相位信息转变为X射线的光强信息，三维重建系统，根据图像对所述样品的结构进行三维重建，其特征在于，还包括，光子计数探测器，用于探测某时间段内到达其表面的X射线的光子以形成图像，并传输到所述三维重建系统；所述光源光栅设置在所述X射线源与所述样品之间，所述相位光栅设置在所述样品另一侧与所述分析光栅之间，在所述分析光栅的另一侧设置光子计数探测器，所述光子计数探测器与所述三维重建系统连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑海亮，李运祥，曹红光，
申请(专利权)人：曹红光，李运祥，郑海亮，
类型：发明
国别省市：北京;11
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