Ｘ射线暗场成像系统和方法技术方案

一种Ｘ射线成像技术，利用包括：Ｘ射线源、两吸收光栅Ｇ１和Ｇ２、Ｘ射线探测器、控制器和数据处理单元的成像系统对被测物体进行Ｘ射线暗场ＣＴ成像，包括：向被测物体发射Ｘ射线；使得所述两块吸收光栅Ｇ１和Ｇ２之一在其至少一个周期范围内进行相位步进运动；在每个相位步进步骤，探测器接收Ｘ射线，并转化为电信号；其中，经过至少一个周期的相位步进，探测器上每个像素点处的Ｘ射线光强表示为一个光强曲线；根据探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线的对比度，计算得到每个像素的散射角分布的二阶矩；在多个角度拍摄物体的图像，然后根据ＣＴ重建算法可以得物体的散射信息图像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及X射线成像领域，具体地涉及利用X射线对物体进行暗场成像的技术。
技术介绍
在现有技术例如CT的设备中，利用X射线对物体进行扫描成像得到了广泛地应 用。但是，传统的X射线成像利用材料对X射线的衰减特性来非破坏性地检查物体的内部 结构，这属于X射线的明场成像的技术。在光学成像领域，暗场(Dark field)成像显著区别于明场(Brightfield)成像。 暗场成像是利用非直射光(例如散射光、衍射光、折射光和荧光等)对物质进行成像的技 术。其中，可见光和电子的暗场成像技术的研究较早，其在科学研究、工业领域、医疗领域和 生物领域等中得到广泛地应用。在硬X射线成像领域，传统硬X射线成像技术使用直射X射 线对物体进行成像，即采用的是明场成像技术。对于暗场成像，由于硬X射线独特的光学性 质，所需的光学元件制作非常困难，所以硬X射线的暗场成像一直难以较佳地实现。20世纪 九十年代，随着第三代同步辐射源的发展和精密的硬X射线光学元件制作水平的提高，硬X 射线暗场成像技术的研究得到了一定的发展，但与同时期发展起来的硬X射线相衬成像技 术相比，硬X射线暗场成像由于信号量少、探测比较困难、成像时间长，一直得不到足够的 重视。然而，硬X射线的暗场成像技术在对物质内部微细结构分辨和探测能力上相对于 明场成像和相衬成像具有独到的优势。硬X射线暗场成像技术通过物质对X射线散射能力 的差异来对物质内部结构进行成像。由于硬X射线的散射在微米量级或甚至纳米量级尺 度，因而硬X射线暗场成像技术能够看到硬X射线明场成像和相衬成像都无法分辨到的物 质内部超微细结构。近年来，有研究者提出将基于同步辐射光源的使用晶体的硬X射线暗场成像技术 应用到软骨组织诊断、早期乳腺癌诊断成像上，并取得了优于硬X射线明场成像的图像效 果。但是，由于同步辐射装置体积庞大、造价昂贵、视场小，极大限制了硬X射线暗场成像技 术在医学临床和工业检测上的广泛应用。2008年，开发出了光栅成像技术，使得硬X射线暗场成像摆脱了同步辐射光源的 束缚和依赖。在通用X光机的条件下，实现了大视场的硬X射线暗场成像，这极大降低了硬 X射线暗场成像技术的应用门槛。2008年初，瑞士的Pfeiffer等人在通用X光机上使用光 栅基于Talbot-Lau干涉法实现了大视场(例如，64mmX64mm)的硬X射线暗场成像。这种 光栅式的硬X射线暗场成像技术能够很好地区分塑料和橡胶两种材料，还能观察到鸡翅的 骨头和肌肉组织中超微细的结构。从2006年开始，清华大学的黄志峰等人进行了基于通用 X光机的光栅式的硬X射线相衬成像技术的相关研究工作，并且在2008年提出的申请号为 200810166472. 9、名称为“X射线光栅相衬成像系统及方法”的中国专利申请中提出了在非 相干条件下的基于投影方法的光栅相衬成像方法，搭建了基于通用X光机的光栅相衬成像 实验平台。该专利申请的全部内容在此通过参照引入到本申请中。
技术实现思路
在已经提出的非相干X射线光栅相衬成像方法的基础上，基于非相干X射线光栅 成像技术，本专利技术提出了非相干。根据本专利技术，通过光栅系统中位移曲线的对比度降低来反映物体的散射信息，并 且本专利技术导出了穿过物质后的散射射线分布的二阶矩与光栅成像系统中位移曲线对比度 降低之间的定量关系，通过传统的线性CT重建算法可以定量重建物体的散射信息。根据本专利技术的一个方面，提出了一种X射线成像系统，用于对物体进行X射线散射 成像，其包括x射线源、第一和第二吸收光栅Gl和G2、X射线探测器，其依次位于X射线的 传播方向上；其中，该系统还包括数据处理器单元，用于进行数据信息的处理；以及控制器，用于控制所述X射线源、第一和第二吸收光栅Gl和G2、X射线探测器、以 及处理器单元的操作，以实现下述过程X射线源向被测物体发射X射线；所述两块吸收光栅Gl和G2之一在其至少一个周 期范围内进行相位步进运动；在每个相位步进步骤，所述探测器接收X射线，并转化为电信 号；其中，经过至少一个周期的相位步进，探测器上每个像素点处的X射线光强表示为一个 光强曲线；将探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线相 比较，得到光强曲线的对比度变化；由所述光强曲线的变化计算得出探测器上每个像素的 散射角分布的二阶矩；以及由所述散射角分布的二阶矩得出被检测物体的图像的像素值， 由此重建被检测物体的图像。另外，所述系统优选地还包括一个旋转装置，用于在所述控制器的控制下，使得被 检测物体相对地旋转一个角度。其中，在每个旋转角度下，重复以上所述各步骤，从而得出 多个角度下的X射线散射图像。根据传统的线性CT图像重建算法，例如滤波反投影算法， 即可以重建被检测物体的图像。具体地，所述光强曲线的对比度表示为权利要求一种X射线成像系统，用于对物体进行X射线散射成像，其包括X射线源、第一和第二吸收光栅G1和G2、X射线探测器，其依次位于X射线的传播方向上；其中，该系统还包括数据处理器单元，用于进行数据信息的处理；以及控制器，用于控制所述X射线源、第一和第二吸收光栅G1和G2、X射线探测器、以及处理器单元的操作，以实现下述过程X射线源向被测物体发射X射线；所述两块吸收光栅G1和G2之一在其至少一个周期范围内进行相位步进运动；在每个相位步进步骤，所述探测器接收X射线，并转化为电信号；其中，经过至少一个周期的相位步进，探测器上每个像素点处的X射线光强表示为一个光强曲线；将探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线相比较，得到光强曲线的对比度变化；由所述光强曲线的变化计算得出探测器上每个像素的散射角分布的二阶矩；以及由所述散射角分布的二阶矩得出被检测物体的图像的像素值，由此重建被检测物体的图像。2.根据权利要求1的系统，其中，所述X射线源为小焦点源；或者，在其为大焦点光源 的情况下，所述系统进一步包括一个源光栅，用于将所述X射线光机发射的X射线分成一系 列小焦点的X射线束。3.根据权利要求1的系统，其中所述X射线源、第一和第二吸收光栅Gl和G2、X射线 探测器相互之间具有下述的关系Pi 二 L P2 L + D其中，P1和P2分别为第一和第二吸收光栅Gl、G2的周期，L为X射线源与第一光栅Gl 之间的距离，D为第一和第二光栅之间的距离。4.根据权利要求1的系统，其中所述系统还包括一个旋转装置，在所述控制器的控制 下，用于使得被检测物体相对地旋转一个角度。5.根据权利要求4的系统，其中，在每个旋转角度下，重复所述各步骤，从而得出多个 角度下的X射线散射分布的二阶矩，然后根据CT图像重建算法来重建被检测物体的图像，其中所述重建算法利用了下述的公式σ 2 = J fs{l)dlL __ _其中fs为广义散射参数。6.根据权利要求1的系统，其中所述探测器上某像素点在有被检测物体时的光强曲线 和无被检测物体时的光强曲线分别表示为Is (k) ^ as+bscos(kAx+(J)s)及 Ib (k) ^ ab+bbcos(kAx+(]5b)其中，Δχ是步进长度，两个光强曲线间相位差为Δφ = (cj5s-cK)，k表示第k步进。7.根据权利要求6的系统，其中，所述光强曲线的对比度表示为~y _ m ax_m i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｘ射线成像系统，用于对物体进行Ｘ射线散射成像，其包括：Ｘ射线源、第一和第二吸收光栅Ｇ１和Ｇ２、Ｘ射线探测器，其依次位于Ｘ射线的传播方向上；其中，该系统还包括：数据处理器单元，用于进行数据信息的处理；以及控制器，用于控制所述Ｘ射线源、第一和第二吸收光栅Ｇ１和Ｇ２、Ｘ射线探测器、以及处理器单元的操作，以实现下述过程：Ｘ射线源向被测物体发射Ｘ射线；所述两块吸收光栅Ｇ１和Ｇ２之一在其至少一个周期范围内进行相位步进运动；在每个相位步进步骤，所述探测器接收Ｘ射线，并转化为电信号；其中，经过至少一个周期的相位步进，探测器上每个像素点处的Ｘ射线光强表示为一个光强曲线；将探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线相比较，得到光强曲线的对比度变化；由所述光强曲线的变化计算得出探测器上每个像素的散射角分布的二阶矩；以及由所述散射角分布的二阶矩得出被检测物体的图像的像素值，由此重建被检测物体的图像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志峰，陈志强，张丽，王振天，邢宇翔，赵自然，肖永顺，
申请(专利权)人：清华大学，同方威视技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]