X射线相位定量成像技术与测量方法技术

本申请公开了一种X射线相位定量成像技术与测量方法、装置、设备及其存储介质，本申请提供的方案，从系统的成像机制与信号探测上避免了正反相位像发生重叠的现象，无需后续复杂的正反相位像分离运算即可直接提取样品的相位图像，简化了数据处理的流程，提高了样品相位信息采集的效率；该成像技术构建了成像系统参数与正反相位像分离程度之间的关联，并定量设计了系统中各个光学器件需要满足的成像条件，提出了一种测量绝对相位信号的实验方法，所提出的探测器装配方案能够对不同分离方向和程度的相位图像进行精确测量。度的相位图像进行精确测量。度的相位图像进行精确测量。

【技术实现步骤摘要】
X射线相位定量成像技术与测量方法


[0001]本专利技术涉及X射线显微成像方法
，具体涉及一种X射线相位定量成像技术与测量方法、装置、设备及其存储介质。

技术介绍

[0002]X射线相位衬度成像，作为一项十分重要的X射线成像技术，能够有效提升弱吸收样品(例如软组织、碳材料)的图像对比度，被广泛应用于多个领域不同分辨的X射线成像任务中。例如在生物方向能够对聚合物支架中的细胞实现高质量的形态表征；在材料领域可用以观测不同充电状态下锂氧电池中的过氧化锂形貌及其孔径分布；在考古研究中用于表征自中新世以来物种的寄生协同进化等。相比X射线吸收成像，X射线相位成像主要有以下特点和优势：首先，对于轻质弱吸收样品，相位衬度具有更高的灵敏度，可以提升图像的信噪比，从而更好的反映物体内部的结构信息；其次，相位衬度具有不同于吸收衬度的X射线能量依赖性，其实际应用可以部分缓解在高能X射线条件下图像吸收衬度弱的困难，有望实现低剂量的高质量成像；最后，相位衬度能够增强观测对象的其他目标特性而非吸收对比度，是对X射线吸收成像很好的补充。正因如此，X射线相位成像方法受到众多科研工作人员的广泛关注和重视。
[0003]在迄今为止提出的各种X射线相位成像方法中，基于光栅干涉仪的X射线Talbot(－Lau)成像系统因其与实验室光源的兼容性而成为研究的热点。除了同时测量吸收和小角散射信号外，该系统还可以通过分析实验得到的摩尔条纹进而提取出样品的微分相位衬度(Differential phase imaging，DPI)图像。而为了将这类系统在定量相位成像方面的优势扩展到微米级乃至纳米级空间分辨率的X射线显微成像领域，国际上已有许多课题组在整合光栅干涉仪与全场透射X射线显微镜这一方向上做出了探索。其中比较具有代表性的工作是由日本东北大学的Momose教授所领导的课题组在2017年基于ZEISS公司商业化的X射线纳米显微系统实现的高灵敏度相位差成像(Phasedifferenceimaging，PDI)。然而由于获得的图像存在正反相位像交叠的情况阻碍了该显微成像技术进一步的推广使用。
[0004]为了克服上述图像伪影的问题，目前主要的解决方案是基于各式图像后处理技术从存在重叠伪影的实验数据中分离出单个较为干净的样品相位图像。例如Takano等人提出的迭代反卷积方法和Wolf等人提出的极大似然重建方案。已有的结果证明类似的图像分析方法对形貌较为简单的样品有很好的信息提取效果。但是类似的方法并没有从根本上消除正反相位像彼此叠加的影响，当在处理具有复杂结构的样品时会不可避免地引入与算法相关联的不确定性甚至误差，进而对后续的CT图像重建和分析造成不可逆的影响。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术中存在的缺陷或不足，期望提供一种X射线相位定量成像技术与测量方法、装置、设备及其存储介质。
[0006]第一方面，本申请实施例提供了一种X射线相位定量成像技术与测量方法，该方法
包括：通过光栅干涉仪的X射线相位显微系统，实现待测样品的正反相位像的完全分离；依据正反相位像的分离程度，给出具备多个空间自由度的探测器装配和调整方案；通过探测器装配和调整方案对分离后的正反相位像进行探测。
[0007]在其中一个实施例中，所述实现待测样品的正反相位像的完全分离，包括：在保证对样品清晰成像的前提下，判断正反相位像之间的分离距离是否大于样品沿光栅步进方向的最大尺寸，即其中，λ为X射线波长，p为相位光栅沿步进方向的等效周期，d4为相位光栅到探测器的距离，M为样品经由波带片放大成像的倍数，Δ为样品沿光栅步进方向的最大尺寸；若正反相位像之间的分离距离大于样品沿光栅步进方向的最大尺寸，则正反相位像之间完全分离；若未完全分离，则可以依据表达式调节相应的系统参数进而增加正反相位像分离的程度。
[0008]在其中一个实施例中，所述在探测端实现正反相位像的完全分离之后，该方法还包括：根据已获得的正反相位像的定量分离信息，利用具备多个空间自由度的探测器装置以实现准确的信号提取。
[0009]在其中一个实施例中，所述利用具备多个空间自由度的探测器装置以实现准确的信号提取，包括：通过组合两个探测器形成探测阵列来同时记录样品的正反相位图像，其中，两个探测器接收面的间距取决于正反相位像的分离程度。
[0010]在其中一个实施例中，所述利用具备多个空间自由度的探测器装置以实现准确的信号提取，包括：采用单个X射线探测器，配合上三个方向的运动轴及连接组件和滑动机构，通过探测器与轴间的相互运动来实现探测区域在一定范围的二维平面内的移动，从而获得样品的单个相位图像。
[0011]第二方面，本申请实施例还提供了一种X射线相位定量成像技术与测量装置，该装置包括：系统设定单元，用于通过光栅干涉仪的X射线相位显微系统，实现待测样品的正反相位像的完全分离；探测器设置单元，用于依据正反相位像的分离程度，给出具备多个空间自由度的探测器装配和调整方案；通过探测器装配和调整方案对分离后的正反相位像进行探测。
[0012]第三方面，本申请实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请实施例描述中任一所述的方法。
[0013]第四方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于：所述计算机程序被处理器执行时实现如本申请实施例描述中任一所述的方法。
[0014]本专利技术的有益效果：
[0015]本专利技术提供的X射线相位定量成像技术与测量方法，从系统的成像机制上避免正反相位像发生重叠的现象，无需后续复杂的正反相位像分离运算即可直接提取样品的相位图像，简化了数据处理的流程，提高了样品信息采集的效率；该成像技术定量描绘了理想情况下系统中各个光学器件对最终探测得到的光强的影响，同时通过简单的解析表达式构建起系统参数与正反相位像分离程度之间的关联，用以指导具体的系统设计；所提出的探测
器装配方案能够对不同分离方向和程度的相位图像进行精确测量。
附图说明
[0016]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0017]图1示出了本申请实施例提供的X射线相位定量成像技术与测量方法的流程示意图；
[0018]图2示出了根据本申请一个实施例的X射线相位定量成像技术与测量装置200的示例性结构框图；
[0019]图3示出了适于用来实现本申请实施例的终端设备的计算机系统的结构示意图；
[0020]图4示出了本申请实施例提供的X射线相位显微成像系统的简化示意图；
[0021]图5示出了本申请实施例提供的探测器安装示意图。
具体实施方式
[0022]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是本专利技术能够以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种X射线相位定量成像技术与测量方法，其特征在于，该方法包括：通过光栅干涉仪的X射线相位显微系统，实现待测样品的正反相位像的完全分离；依据正反相位像的分离程度，给出具备多个空间自由度的探测器装配和调整方案；通过探测器装配和调整方案对分离后的正反相位像进行探测。2.根据权利要求1所述的X射线相位定量成像技术与测量方法，其特征在于，所述实现待测样品的正反相位像的完全分离，包括：在保证对样品清晰成像的前提下，判断正反相位像之间的分离距离是否大于样品沿光栅步进方向的最大尺寸，即其中，λ为X射线波长，p为相位光栅沿步进方向的等效周期，d4为相位光栅到探测器的距离，M为样品经由波带片放大成像的倍数，Δ为样品沿光栅步进方向的最大尺寸；若正反相位像之间的分离距离大于样品沿光栅步进方向的最大尺寸，则正反相位像之间完全分离；若未完全分离，则可以依据表达式调节相应的系统参数进而增加正反相位像分离的程度。3.根据权利要求1所述的X射线相位定量成像技术与测量方法，其特征在于，所述在探测端实现正反相位像的完全分离之后，该方法还包括：根据已获得的正反相位像的定量分离信息，利用具备多个空间自由度的探测器装置以实现准确的信号提取。4.根据权利要求3所述的X射线相位定量成像技术与测量方法，其特征在于，所述利用具备多个空间自由度的探测器装置以实现准确的信号提取，包括：通过组合两个探测器形成探测阵列来同时记录样品的正反相位图像，其中，两个探测器接收面的间距取决于正反相位像的分离程度。5.根据权利要求3所述的X射线相位定量成像技术与测量方法，其特征在于，所述利用具备多个空间自由度的探测器装置以实现准确的信号提取，包括：采用单个X射线探测器，配合上三个方向的运动轴及连接组件和滑动机构，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛永帅，杨杰成，梁栋，刘新，郑海荣，苏婷，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：