一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法，该系统沿光路依次包括双能阵列X射线源、样品、相位光栅、双能分析光栅、X射线探测器。其中：双能阵列X射线源调节管电压发出不同能量的X射线，同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹提取相位信息；X射线探测器记录莫尔条纹图像。本发明专利技术提供的双能X射线相衬成像系统通过调节X射线的能量，利用双能分析光栅对不同能量X射线的转化，在成像中不需要移动光栅，减少了成像的步骤，降低了对机械精度的要求。

A dual energy X ray phase contrast imaging system with no step device and its implementation

The invention discloses a dual energy X ray phase contrast imaging system without stepping device and its implementation method. The system consists of dual energy X ray source, sample, phase grating, dual energy analysis grating and X ray detector along the optical path. The dual energy X-ray source array X X - ray tube voltage regulation from different energy, at the same time, X ray into a column alone but coherent incoherent light with each other; the phase grating separates the incident light into different diffraction orders, in the dual energy analysis of grating formed at periodic interference fringes, and dual energy analysis the formation of grating moire fringe phase information extraction; X ray detector recording moire fringe image. The dual energy X ray phase contrast imaging system provided by the invention can transform the different energy X ray by using the dual energy analysis grating by adjusting the energy of the X ray. It does not need to move the grating in the imaging, reduces the imaging steps, and reduces the requirement for the mechanical accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法
本专利技术专利涉及X射线成像领域，尤其是一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法。
技术介绍
X射线与物质的相互作用可以用复折射率来表示，即n＝1-α+iβ，其中β为吸收因子，α为相位因子，它们分别表征了X射线透过物体之后的振幅和相位变化。传统X射线成像利用物质对X射线的吸收特性来对物体进行成像，常用于检测金属等重金属村料构成的物质。但是对于由C、H、O、N等轻元素组成的人体的关节软骨、乳腺以及聚乙烯材料等弱吸收物质，传统的X射线成像几乎无法看到它们的内部结构。X射线透过由轻元素组成的物质后，相位的变化量是吸收变化量的一千到十万倍。因此利用X射线相位变化提取物体信息的X射线相位衬度成像技术被广泛关注和研究。研究人员已经提出了多种X射线相位衬度成像的实现方法，如晶体干涉仪成像法、衍射增强成像法、相位传播成像法、光栅相衬成像法等。前三种方法均需要使用同步辐射源作为X射线源，成像装置庞大，成像要求条件高，所以前三种成像方法难以推广应用。而基于Talbot-Lau效应的光栅相衬成像法能利用非相干X射线进行成像，对X射线光束的相干性要求不高，可以使用普通的X射线源。因此基于光栅Talbot-Lau效应的X射线相衬成像方法具有推广到医学临床、工业和安全检查的广阔发展前景。但是，现在国际上通用的基于“phase-stepping”的相位信息提取方法过于复杂，必须通过步进装置移动分析光栅或是相位光栅，用来获得背景位移曲线和样品位移曲线，这就要求步进装置的移动在微米量级，增加了机械控制的难度。2008年陈博提出两步相移法，2013年刘鑫提出了任意两步位移法，尽管光栅位移的步数越来越少，但是成像系统依然需要精密步进平台，多次步进和曝光使得成像效率低，并增大了样本的受辐射量。2010年朱佩平等提出的正反投影法不需要光栅步进，该方法使相衬CT成像取得突破进展，但是在成像系统中需要将物体或者探测器精密旋转，实现也非常困难。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术专利提供了一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法，以用来构建一套灵活的双能X射线相衬成像系统，其中所选取的双能阵列X射线源的能量可以根据实际情况随意调节，并且成像装置不包含步进装置。本专利技术专利提供的系统光路依次包括双能阵列X射线源(1)、样品(2)、相位光栅(3)、双能分析光栅(4)、X射线探测器(5)，其中：双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出不同能量的X射线；同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅(3)的作用是把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅(4)处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹可以提取相位信息；X射线探测器(5)获取并记录莫尔条纹图像。本专利技术专利还提供了实现无步进装置的双能X射线相衬成像的方法，该方法包括：对准双能阵列X射线源的出光点和X射线探测器接收平面的中心点；精确对准双能阵列X射线源、相位光栅和双能分析光栅，使得这三个装置的刻线相互平行，三个装置提供所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三个装置的中心点和X射线探测器中心点处于同一条直线；调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集背景图像并记录没有物体时的干涉条纹，在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像。调节双能阵列X射线源的管电压到高能VH处采集背景图像并记录没有物体时的干涉条纹，在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像。附图说明图1为本专利技术专利的无步进装置的双能X射线相衬成像系统光路示意图；图2为本专利技术专利的实现无步进装置的双能X射线相衬成像的方法流程图；图3为本专利技术专利的无步进装置的双能X射线相衬成像系统在20Kev管电压和60Kev管电压下，利用任意两步位移法提取的相位信息示意图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术专利做进一步详细描述，请参阅图1至图3。本专利技术专利的技术思路是：利用双能X射线源和双能分析光栅来构建无步进装置的双能X射线相衬成像系统，调整双能阵列X射线源的管电压控制X射线的能量，通过双能分析光栅填充的不同闪烁体材料对高低能X射线的转化使莫尔条纹发生移动，从而实现无步进的相衬成像。本专利技术专利的无步进装置的双能X射线相衬成像系统如图1所示，本专利技术专利提供的光路依次包括双能阵列X射线源(1)、样品(2)、相位光栅(3)、双能分析光栅(4)、X射线探测器(5)，其中：双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出不同能量的X射线，同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅(3)把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅(4)处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹可以提取相位信息；X射线探测器(5)获取并记录莫尔条纹图像。其中，所述的双能阵列X射线源(1)和所述的双能分析光栅(4)的周期满足条件其中P0为双能阵列X射线源1的周期，P2是双能分析光栅(4)的周期，l是双能阵列X射线源(1)与相位光栅(3)之间的距离，d为相位光栅(3)与双能分析光栅(4)之间的距离，这个条件可以使所述双能阵列X射线源(1)在每个小焦点光源下产生的投影像互相错开完整的周期并叠加在一起，从而使得条纹对比度得到增强。同时为了不受Talbot部分相干X射线的要求和限制，并使所述相位光栅(3)投影的周期和所述双能分析光栅(4)周期相等，所述相位光栅(3)与所述双能分析光栅(4)的周期满足其中P1为相位光栅(3)的周期，P2是双能分析光栅(4)的周期，l是双能阵列X射线源(1)与相位光栅(3)之间的距离，d为相位光栅(3)与双能分析光栅(4)之间的距离。基于图1所示的无步进装置的双能X射线相衬成像系统光路示意图，图2显示了本专利技术专利提供的实现双能X射线相衬成像的方法流程图，该方法包括以下步骤：步骤1：对准双能阵列X射线源的出光点和X射探测器接收平面的中心点；步骤2：精确对准双能阵列X射线源、相位光栅和双能分析光栅，使得这三个装置的刻线相互平行，三个装置提供所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三个装置的中心点和X射线探测器中心点处于同一条直线；步骤3：调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集背景图像并记录探测器的相对位置χ0和Imax1；步骤4：保持双能阵列X射线源的管电压在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像；步骤5：调节双能阵列X射线源的的管电压到高能VH处，采集背景图像并记录Imax2；步骤6：保持的管电压到高能VH处，在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像；步骤7：由上述步骤采集到的4幅图像，解出物体的吸收强度和相位的一阶导数分布。在本实施例中，双能阵列X射线源管电压可调范围为10-120KV。双能阵列X射线源的周期为42μm，倾斜角度为6°，占空比为1∶1。相位光栅周期为5.6μm，占空比为1∶1，双能阵列X射线源和相位光栅的距离为1.47m。双能分析光栅周期为3μm，占空比为1∶1。双能分析光栅和相位光栅的距离为10.5cm。X射线探测器采用X射线CCD探测器，紧贴着双能分析光栅放置，X射线探测器的分辨率为2048*2048，像素尺寸为27μm×27μm。基于该无步进装置的双能X射线相衬成像，其实现双能X射线相衬成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于，所述的成像系统沿X射线传播方向依次包括双能阵列X射线源(1)、样品(2)、相位光栅(3)、双能分析光栅(4)、X射线探测器(5)，其中：双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出不同能量的X射线；同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅(3)的作用是把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅(4)处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹可以提取相位信息；X射线探测器(1)获取并记录莫尔条纹图像。

【技术特征摘要】
1.一种无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于，所述的成像系统沿X射线传播方向依次包括双能阵列X射线源(1)、样品(2)、相位光栅(3)、双能分析光栅(4)、X射线探测器(5)，其中：双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出不同能量的X射线；同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅(3)的作用是把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅(4)处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹可以提取相位信息；X射线探测器(1)获取并记录莫尔条纹图像。2.如权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于：所述的双能X射线相衬成像系统所使用的双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出两种不同能量的X射线，一种X射线能量大于50Kev，一种小于50Kev。3.如权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统：其特征在于，所述的双能分析光栅(5)通过填充两种不同的闪烁体材料转化不同能量的X射线为可见光，其中填充高能闪烁体材料Gd2O2S的栅条只能转化能量大于50Kev的X射线，填充低能闪烁体材料Y2O2S的栅条只能转化能量小于50Kev的X射线。4.如权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于：使用的双能阵列X射线源(1)和所述的双能分析光栅(4)的周期满足条件其中P0为双能阵列X射线源(1)的周期，P1是相位光栅(3)的周期，l是双能阵列X射线源(1)与相位光栅(3)之间的距离，d为相位光栅(3)与双能分析光栅(4)之间的距离。5.如权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于：使用的相位光栅(3)和所述的双能分析光栅(4)的周期满足条件其中P1为相位光栅(3)的周期，P2是双能分析光栅(4)的周期，l是双能阵列X射线源(1)与相位光栅(3)之间的距离，d为相位光栅(3)与双能分析光栅(4)之间的距离。6.根据权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于，所述X射线探测器(5)为X射线CCD探测器。7.一种实现无步进装置的双能X射线相衬成像的方法，应用于权利要求1至6所述的双能X射线相衬成像系统，其特征在于，该方法包括：对准双...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣锋，谢艳娜，邰雪凤，刘晓勇，李德冲，董攀浩，杨明珠，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12