X射線相襯成像系統(tǒng)與成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及X射線光柵成像技術(shù)，特別涉及基于分布式X射線源的X射線相襯成 像系統(tǒng)與成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)有技術(shù)例如CT掃描設(shè)備中，利用X射線對物體進(jìn)行掃描成像得到了廣泛應(yīng) 用。傳統(tǒng)的X射線掃描成像一般利用被測材料對X射線的衰減特性來以非破壞性方式檢查 物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。若物體內(nèi)部的各部分結(jié)構(gòu)組成的密度差異明顯，則傳統(tǒng)的X射線成像技 術(shù)的效果尤為顯著。但是，對于輕元素構(gòu)成的物質(zhì)，它們對X射線來說是弱吸收物質(zhì)，所以， 用傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)幾乎看不到它們內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)。即使用其它輔助的手段，例如， 給生物組織打上造影劑也很難得到清晰的圖像，這造成了很多的缺憾。在上世紀(jì)九十年代， 出現(xiàn)了 X射線相襯成像技術(shù)。相襯成像是通過捕捉X射線的相移信息來觀察物體內(nèi)部的電 子密度變化，從而揭示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。開始時(shí)，出現(xiàn)的相襯成像方法一般通過利用相干或 者部分相干的X射線的干涉或衍射現(xiàn)象來增強(qiáng)輻射圖像的低對比度分辨率。在此基礎(chǔ)上， 在公開號為"CN101532969A"、名稱為"X射線光柵相襯成像系統(tǒng)及方法"（專利文獻(xiàn)1)以及[0003] 另外，在X射線成像的技術(shù)發(fā)展過程中，也出現(xiàn)了暗場成像的技術(shù)。暗場成像是利 用非直射光例如散射光、衍射光、折射光和熒光等對物質(zhì)材料進(jìn)行成像的技術(shù)，通過物質(zhì)對 X射線散射能力的差異來對物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。對于暗場成像，由于硬X射線獨(dú)特的光 學(xué)性質(zhì)，所需的光學(xué)元件制作非常困難，所以，硬X射線的暗場成像一直難以較好地實(shí)現(xiàn)。 然而，硬X射線的暗場成像技術(shù)在對物質(zhì)內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)分辨和探測能力上相對于明場成像 和相襯成像具有獨(dú)到的優(yōu)勢。由于硬X射線的散射在微米量級或甚至納米量級尺度，因而 硬X射線暗場成像技術(shù)能夠看到硬X射線明場成像和相襯成像都無法分辨到的物質(zhì)內(nèi)部超 微細(xì)結(jié)構(gòu)。其中，于2009年，在公開號為"CN101943668A"、發(fā)明名稱為"X射線暗場成像系 統(tǒng)和方法"（專利文獻(xiàn)3)的專利申請中，其中該專利申請的全部內(nèi)容在此通過參照引入到 本申請，黃志峰等人提出了利用X射線對物體進(jìn)行暗場成像的技術(shù)方案，這包括：向被測物 體發(fā)射X射線；使得兩塊吸收光柵之一在至少一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行步進(jìn)；在每個(gè)步進(jìn)步驟，探測 器接收X射線，并轉(zhuǎn)化為電信號；經(jīng)過至少一個(gè)周期的步進(jìn)，探測器上每個(gè)像素點(diǎn)處的X射 線光強(qiáng)表示為一個(gè)光強(qiáng)曲線；根據(jù)探測器上每個(gè)像素點(diǎn)處的光強(qiáng)曲線與不存在被檢測物體 情況下的光強(qiáng)曲線的對比度，計(jì)算得到每個(gè)像素的散射角分布的二階矩；在多個(gè)角度拍攝 物體的圖像，然后根據(jù)CT重建算法可以得物體的散射信息圖像。
[0004] 在前述的光柵成像技術(shù)中，都需要采用步進(jìn)技術(shù)測量出探測器上每個(gè)探測單元 (像素點(diǎn)）的光強(qiáng)曲線。其中，所利用的步進(jìn)技術(shù)的基本原理為：源光柵緊鄰X光機(jī)源固定 不動后，在基于Talbot-Lau干涉法的技術(shù)中，位相光柵或者解析光柵在一個(gè)光柵周期范圍 內(nèi)相對平行移動若干步；而在基于經(jīng)典光學(xué)方法的技術(shù)中，兩塊吸收光柵在一個(gè)光柵周期 范圍內(nèi)相對平行移動若干步。每一步探測器采集一張圖像。完成一個(gè)光柵周期內(nèi)的采集過 程后，通過比較每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的樣品光強(qiáng)曲線與背景光強(qiáng)曲線的差異可計(jì)算出折射圖像 信息、衰減圖像信息和暗場圖像信息。傳統(tǒng)的步進(jìn)技術(shù)一般是平移位相光柵或者解析光柵 或吸收光柵，于2010年，在公開號為"CN102221565A"、發(fā)明名稱為"X射線源光柵步進(jìn)成像 系統(tǒng)與成像方法"（專利文獻(xiàn)4)的專利申請中，其中該專利申請的全部內(nèi)容在此通過參照 引入到本申請，黃志峰等人提出了 X射線源光柵步進(jìn)的方法，由于源光柵的周期在幾十微 米級，相對于傳統(tǒng)的步進(jìn)方法大大降低了步進(jìn)精度要求。
[0005] 但即便如此，步進(jìn)技術(shù)的存在仍然對光柵成像技術(shù)的推廣造成極大障礙，機(jī)械系 統(tǒng)的步進(jìn)非常耗時(shí)，大大增加掃描時(shí)間，同時(shí)即使是幾十微米級的平移仍然對機(jī)械設(shè)備的 精度、整體設(shè)備防震、環(huán)境溫度等有較高的要求，這兩方面大大限制了這種新的光柵成像技 術(shù)的應(yīng)用推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，在已經(jīng)提出的X射線光柵相襯成像、暗場成像以及X 射線源光柵步進(jìn)成像系統(tǒng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，同樣地基于X射線光柵成像技術(shù)，提出一種非 相干方法實(shí)現(xiàn)的基于分布式X射線源的X射線相襯成像系統(tǒng)與成像方法，以分布式非相干 X射線源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的X射線光源，以多個(gè)光源依次曝光代替步進(jìn)技術(shù)，從而大大減少了成像 時(shí)間，降低了對成像系統(tǒng)機(jī)械精度等的要求。
[0007] 本發(fā)明提供一種用于對物體進(jìn)行X射線成像的X射線成像系統(tǒng)，其特征在于， 具有依次位于X射線的傳播方向上的分布式X射線源、固定光柵模塊以及X射線探測 器，在進(jìn)行X射線成像的情況下，被檢測物體位于所述分布式X射線源與所述固定光柵模塊 之間， 所述固定光柵模塊由第一光柵和第二光柵構(gòu)成，所述第一光柵和所述第二光柵的相對 位置固定不變并且彼此平行地依次位于X射線的傳播方向上， 所述分布式X射線源的各光源沿著垂直于X射線的傳播方向且垂直于光柵條紋的方向 分布， 所述X射線成像系統(tǒng)還具備計(jì)算機(jī)工作站，所述計(jì)算機(jī)工作站對所述分布式X射線源 以及所述X射線探測器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)如下過程： 所述分布式X射線源的各光源依次曝光，向所述被檢測物體發(fā)射X射線； 在每次曝光時(shí)，所述X射線探測器對X射線進(jìn)行接收，并且，經(jīng)過所述分布式X射線源 的一次步進(jìn)曝光過程和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，所述X射線探測器上每個(gè)像素點(diǎn)處的X射線的光 強(qiáng)表不為一個(gè)光強(qiáng)曲線； 將所述X射線探測器上每個(gè)像素點(diǎn)處的光強(qiáng)曲線與不存在所述被檢測物體的情況下 的光強(qiáng)曲線進(jìn)行比較，由所述光強(qiáng)曲線的變化得到每個(gè)像素點(diǎn)的像素值； 根據(jù)所得到的像素值重建所述被檢測物體的圖像。
[0008] 此外，在本發(fā)明的X射線成像系統(tǒng)中，還具備： 致動裝置，在所述計(jì)算機(jī)工作站的控制下，使所述被檢測物體相對于所述X射線成像 系統(tǒng)的其他部分相對地旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。
[0009] 此外，在本發(fā)明的X射線成像系統(tǒng)中， 在每個(gè)所述旋轉(zhuǎn)角度下，重復(fù)所述步進(jìn)曝光過程，然后根據(jù)預(yù)定CT圖像重建算法來重 建所述被檢測物體的圖像。
[0010] 此外，在本發(fā)明的X射線成像系統(tǒng)中， 所述計(jì)算機(jī)工作站具備：數(shù)據(jù)處理模塊，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理，并從中計(jì)算得出所 述被檢測物體上各點(diǎn)的像素值；圖像重建模塊，用于根據(jù)計(jì)算得出的像素值重建所述被檢 測物體的圖像；控制模塊，用于控制所述分布式X射線源以及所述X射線探測器。
[0011] 此外，在本發(fā)明的X射線成像系統(tǒng)中， 所述計(jì)算機(jī)工作站具備：顯示單元，用于顯示所述被檢測物體的圖像。
[0012] 此外，在本發(fā)明的X射線成像系統(tǒng)中， 所述計(jì)算機(jī)工作站能夠從存在所述被檢測物體的光強(qiáng)曲線和不存在所述被檢測物體 的背景光強(qiáng)曲線的對比中計(jì)算出X射線在所述被檢測物體上預(yù)定點(diǎn)的折射信息，并由此計(jì) 算出相應(yīng)的像素值。
[0013] 此外，在本發(fā)明的X射線成像系統(tǒng)中， 所述計(jì)算機(jī)工作站能夠從存在所述被檢測物體的光強(qiáng)曲線和不存在所述被檢測物體 的背景光強(qiáng)曲線的對比中計(jì)算出X射線在所述被檢測物體上預(yù)定點(diǎn)的散射信息，并由此計(jì) 算出相應(yīng)的像素值。
[0014] 此外，在本發(fā)明的X射線成像系