一种X射线相位衬度成像方法技术

本公开提供了一种X射线相位衬度成像方法，包括：步骤1，采集背景图像并形成背景位移曲线；步骤2，计算步骤1中所述背景位移曲线的特征物理量；步骤3，根据步骤2所计算的背景位移曲线的特征物理量选取优化步进位，基于所述优化步进位采集物体的正向图像和反向图像；以及步骤4，根据步骤3中所述正向图像和反向图像、优化步进位以及所述特征物理量完成X射线相位衬度成像。

A X-ray phase contrast imaging method

【技术实现步骤摘要】
一种X射线相位衬度成像方法
本公开涉及临床医学成像、无损检测、X射线CT成像
，尤其涉及一种X射线相位衬度成像方法，用于大视场快速成像。
技术介绍
传统X射线吸收成像在无损检测、医学影像以及材料科学等领域得到广泛应用并发挥重要作用，然而对低原子系数物质成像图像衬度较低。X射线相衬成像方法，通过检测物体对X射线波前的相位调制，可以获得低原子序数物质较高衬度图像。这是因为物体对X射线的作用可用复数折射率n＝1-δ+iβ描述，实部减小量δ对应相位调制，虚部β对应吸收，随着原子序数的减小或成像能量的增加，β下降速度远大于δ的下降速度。在众多的相衬成像方法中，X射线光栅相衬成像，由于其较大的成像视场以及与常规光源较好的兼容性，被认为是一种很有可能应用于临床医学影像的相衬成像方法。X射线光栅相衬成像经历了两次重要发展，2002到2003年X射线Talbot干涉仪的提出【1-2】，光栅相衬成像从可见光波段推广到X射线波段，然而仍局限于同步辐射光源或者微焦点光源。2006年，Talbot-Lau干涉仪的提出【3】，大幅降低了对光源相干性要求，使得相衬成像适用于常规X射线源，为相衬成像的实际应用提供了基本条件。尽管光栅相衬成像的应用前景被普遍看好，但是该方法仍然存在多方面的局限性，阻碍了其广泛应用。光栅相衬成像获得的投影像包含物体的吸收、折射以及散射。目前实验室阶段最常用的信息分离方法为相位步进方法【4】，该方法至少需要三幅背景图像和三幅物体图像才能完成信息分离，通过等间距移动其中一块光栅获得多个位置处的背景和物体图像，再利用傅里叶分析方法获得物体的折射信息。相位步进方法可以获得高质量图像，但是需要较长的数据采集时间和较多的投影图像。相比传统吸收成像，不仅增加了数据采集复杂度，更大的弊端是延长了曝光时间，物体受辐照剂量高。针对该问题，中科院高能物理研究所朱佩平研究员提出了一种快速低剂量的相衬成像方法【5】。该方法利用正反投影共轭的特性，成功避免了传统信息恢复方法中光栅的复杂步进运动，大大提高了成像速度、降低了辐射剂量，实现了与传统CT扫描模式兼容的相衬CT成像。然而，该方法基于位移曲线腰位线性近似的假设，因此要求视场内所有像素相位步进曲线同步，增加了光栅均匀性要求；利用现有光栅工艺只能制作满足正反投影方法的小面积光栅，因此正反投影方法只能对小物体成像。[1].DavidCetal.Differentialx-rayphasecontrastimagingusingashearinginterferometer，Appl.Phys.Lett.81：3287-3289(2002).[2].MomoseAetal.Demonstrationofx-raytalbotinterferometry，Jpn.J.Appl.Phys.42：L866-L868(2003).[3].PfeifferFetal.Phaseretrievalanddifferentialphase-contrastimagingwithlow-brilliancex-raysources，Nat.Phys.2：258-261(2006).[4].WeitkampT，etal.X-rayphaseimagingwithagratinginterferometer，Opt.Express13：6296-6304(2005).[5]ZhuPP，etal.Low-dose，simple，andfastgrating-basedX-rayphase-contrastimaging，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.107，13576-13581(2010).公开内容(一)要解决的技术问题基于上述问题，本公开提供了一种X射线相位衬度成像方法，以缓解现有技术要求成像视场内所有像素位移曲线相位同步且采集物体图像时处于其腰位，对光栅均匀性以及机械精度要求极高，只适用于小视场成像，无法应用于医学影像等技术问题。(二)技术方案本公开提供一种X射线相位衬度成像方法，其中，包括：步骤1，采集背景图像并形成背景位移曲线；步骤2，计算步骤1中所述背景位移曲线的特征物理量；步骤3，根据步骤2所计算的背景位移曲线的特征物理量选取优化步进位，基于所述优化步进位采集物体的正向图像和反向图像；以及步骤4，根据步骤3中所述正向图像和反向图像、优化步进位以及所述特征物理量完成X射线相位衬度成像。在本公开实施例中，所述采集背景图像包括：在不放物体的情况下，控制光栅在垂直于光栅栅线方向等间距步进，所述光栅每步进一步，采集一幅背景图像；所述光栅的步进数大于等于3步。在本公开实施例中，所述特征物理量包括：平均光强、可见度以及初始相位。在本公开实施例中，利用傅里叶分析方法计算所述背景位移曲线的特征物理量。在本公开实施例中，所述背景图像表示为：其中Lb(x，y)为探测器采集图像灰度值，a(x，y)为背景位移曲线的平均光强，V0(x，y)为背景位移曲线的可见度，xg为光栅相对位移，p2为分析光栅的周期，为背景位移曲线的初始相位。在本公开实施例中，所述平均光强为：其中Ibn(x，y)为第n步采集的背景图像，1≤n≤N，N≥3，N为步进总数。在本公开实施例中，所述可见度为：在本公开实施例中，所述初始相位为：其中，函数arg为取辐角。在本公开实施例中，所述物体的正向图像和反向图像为：其中Is(x，y，φ)为物体正向图像，Is(-x，y，φ+π)为物体反向图像，M(x，y，φ)、θ(x，y，φ)分别为物体的吸收信号和折射信号，为优化的步进位光栅相对位移，d为分束光栅与分析光栅间的间距。在本公开实施例中，所示正向图像与所述反向图像的投影之比为F，即以及其中A(x，y)和B(x，y)分别定义为物体成像步进位振幅余弦量和正弦量。在本公开实施例中，当A(x，y)-FA(-x，y)＝0且B(x，y)+FB(-x，y)≠0时其中：其中，C(x，y)为物体成像步进位加入物体折射信号的正投影光强，D(x，y)为物体成像步进位加入物体折射信号的反投影光强；当A(x，y)-FA(-x，y)≠0时，其中角度γ0和β0为：(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提出的一种X射线相位衬度成像方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)背景数据采集、计算及信息提取过程简单；(2)对光栅均匀性的要求降低，因而能够实现大成像视场；(3)同时具备快速和大视场成像的特征，有利于促进相衬成像的实际应用。附图说明图1为本公开实施例X射线相位衬度成像方法的流程图。图2为本公开实施例X射线相位衬度成像方法步骤1中所完成的9步相位步进中的9幅背景图；其中图2A-图2I分别对应第1-第9步背景图。图3为本公开实施例视场内各像素点位移曲线平均光强、可见度以及初始相位示意图；其中图3A为平均光强示意图；图3B为可见度示意图，图3C为初始相位示意图。图4A为物体的正向图像；图4B为物体的反向图像；图4C为相位步进方法获得物体的折射图像；图4D为本公开实施例X射线相位衬度成像方法获得物体的折射图像；图4E为图4A所示白色虚线处折射角轮廓对比图。具体实施方式在本公开实施例提供一种X射线相位衬度成像方法，用于大视场快速成像。该方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种X射线相位衬度成像方法，其中，包括：步骤1，采集背景图像并形成背景位移曲线；步骤2，计算步骤1中所述背景位移曲线的特征物理量；步骤3，根据步骤2所计算的背景位移曲线的特征物理量选取优化步进位，基于所述优化步进位采集物体的正向图像和反向图像；以及步骤4，根据步骤3中所述正向图像和反向图像、优化步进位以及所述特征物理量完成X射线相位衬度成像。

【技术特征摘要】
1.一种X射线相位衬度成像方法，其中，包括：步骤1，采集背景图像并形成背景位移曲线；步骤2，计算步骤1中所述背景位移曲线的特征物理量；步骤3，根据步骤2所计算的背景位移曲线的特征物理量选取优化步进位，基于所述优化步进位采集物体的正向图像和反向图像；以及步骤4，根据步骤3中所述正向图像和反向图像、优化步进位以及所述特征物理量完成X射线相位衬度成像。2.根据权利要求1所述的X射线相位衬度成像方法，其中，所述采集背景图像包括：在不放物体的情况下，控制光栅在垂直于光栅栅线方向等间距步进，所述光栅每步进一步，采集一幅背景图像；所述光栅的步进数大于等于3步。3.根据权利要求1所述的X射线相位衬度成像方法，所述特征物理量包括：平均光强、可见度以及初始相位。4.根据权利要求1所述的X射线相位衬度成像方法，其中，利用傅里叶分析方法计算所述背景位移曲线的特征物理量。5.根据权利要求1所述的X射线相位衬度成像方法，所述背景图像表示为：其中Lb(x，y)为探测器采集图像灰度值，a(x，y)为背景位移曲线的平均光强，V0(x，y)为背景位移曲线的可见度，xg为光栅相对位移，p2为分析光栅的周期，为背景位移曲线的初始相位。6.根据权利要求5所述的X射线相位衬度成像方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴朝，魏文彬，高昆，王秋平，田扬超，陆亚林，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34