一种x射线光栅相位衬度成像装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医学成像、无损检测、公共安全检查等技术领域，具体涉及一种X射线 光栅相位衬度成像装置和方法，特别是一种大视场、高衬度、低剂量的硬X射线光栅相位衬 度成像装置和方法。
【背景技术】
[0002] 在现有的X射线成像技术中，图像衬度来源于物体对X射线吸收性质的差异。因 此，该种技术在对金属、骨骼等重元素组成的物体进行成像时，能够获得很高的图像衬度。 但是，在对主要由碳、氨、氧等轻元素组成的物体（如人体组织、有机聚合物材料等）进行成 像时，图像衬度太低，得不到有用的物体信息。
[0003] 相对于传统的吸收衬度成像，X射线相位衬度成像技术在对主要由碳、氨、氧等轻 元素组成的物体进行成像时，能够获得很高的图像衬度。在硬X射线波段（10 - l(K)keV)， 对碳、氨、氧等元素，其折射率相位项是其吸收项的1000多倍（参见Momose A,化kuda J 白勺"Phase contrast radiographs of nonstained rat cerebellar specimen，，，Med. Phys. 22, 375 (1995))。因此，对软组织等弱吸收物质来说，测量X射线穿过物体时的相移信 息要比检测振幅衰减信息有效得多。X射线相位衬度成像技术正是通过记录X射线穿过物 体后相位的改变量（即相移）而形成图像衬度的成像技术，相比于传统的吸收衬度成像，相 位衬度成像能够获得更高的图像衬度、更低的嬌射剂量。自20世纪90年代中期W来，随着 理论和实验方法的发展，X射线相位衬度成像技术已被广泛应用于医学、生物学、材料学等 多个领域的探索研究中。
[0004] 目前，硬X射线相位衬度成像方法主要有四种：晶体干涉化成像（参见Bonse U，Hart M 的"An X-ray inte:rferometer，，，Appl.Phys.Lett.6，155(1965)和 Momose A, Takeda T, Itai Y 白勺"Phase-contrast X-ray computed tomography for observing biological soft tissues", Nat. Med. 2, 473 (1996))、光栅相位衬度成像（参见 Momose A, Kawamoto S, Koyama I，Hamaishi Y，Takai K,Suzuki Y 的"Demonstration of X-ray Ta化ot inte:rferomet:ry"，Jpn. J. Appl. Phys. 42 (7B)，L866 (2003)和 Pfeiffer F, Weitkamp T，Bunk 0 等人白勺"Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with Iwo-brilliance X-ray sources", Nat. Phys. 2, 258 口006))、衍射增强成像（参见 Davis T J, Gao D, Gureyev T E等人白勺"Phase-contrast imaging of weakly absorbing materials using hard X-rays"，Nature373,595 (1995)矛口 Chapman D, Thomlinson W，Johnston RE 等人的"Diffraction enhanced x-ray imaging", Phys. Med. Biol. 42, 2015 (1997))、相 位传嬌成像（参见 Snigirev A，Snigireva I，Kohn V，Kuznetsov S，Schelokov I 的"On the possibilities of x-ray phase contrast microimaging by coherent high-energy synchrotron radiation"，民ev. Sci. Instrum. 66,5486 (1995)矛口 Wilkins S W，Gureyev TE，Gao D 等人白勺"Phase-contrast imaging using polychromatic hard X-rays"， Na化re384, 335(1996))。其中，晶体干涉化成像方法要求使用同步嬌射光源，成像视场只有 几个厘米，对成像装置的稳定性要求很高（入射X射线波长量级），因而不可能真正应用到 临床医学成像；衍射增强成像方法对照明X射线的单色性和准直性要求很高，目前主要集 中在同步福射光源上进行，成像视场受限于晶体的尺寸，只能到几个厘米，不能满足临床医 学诊断等领域的要求；相位传播成像方法对照明X射线的空间相干性要求很高，不能有效 利用常规X光源，同时成像视场也只有几个厘米，无法推广到临床医学成像等领域。
[0005] 2006年，化化ot-Lau干涉仪的提出，使得硬X射线相位衬度成像的临床应用出现 了一丝曙光。化化ot-Lau干涉仪的成像原理是基于X射线相位光栅的分束化化ot自成像 效应。如附图1所示，空间部分相干X射线照射下，相位光栅G1后某些特定距离处，其衍射 强度分布在横向出现周期性变化，该一现象称之为分数化化ot自成像，相应的距离称之为 分数化化ot距离。其中，空间部分相干照明要求相位光栅G1的周期不大于照明X射线的 空间相干长度。
[0006] 如附图2所示化化ot-Lau干涉仪由X光源21、源光栅GO、相位光栅G1、吸收光栅 G2和探测器22构成。相位光栅G1的相移等于n，周期pi要求小于照明X射线的空间相 干长度Ls
[0007] Ls =入 L/s
[0008] 其中，A是照明X射线的波长，A《0.1纳米，s是照明X光源的尺寸。在 化化ot-Lau干涉仪中，空间相干长度Ls只有几个微米，因此相位光栅G1的周期pi只能是 几个微米；吸收光栅G2的周期p2等于相位光栅G1自成像的周期，也只有几个微米；G1与 G2的间距，等于相位光栅G1的某一阶次分数化化ot距离化，
[0009]
【主权项】
1. 一种X射线光栅相位衬度成像装置，包括源发射器（31)、源光栅（GO)、分束光栅 (Gl)、分析光栅（G2)和探测器（32)，该源光栅（GO)、分束光栅（Gl)、分析光栅（G2)和探 测器（32)依次设置在源发射器（31)的传播路径上，其特征在于：分束光栅（Gl)的周期为 30~50 μ m、高宽比不大于20。
2. 如权利要求1所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述源发射器 (31)为硬X光源。
3. 如权利要求2所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述硬X光源的 能量大于60keV。
4. 如权利要求1所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述源光栅（GO)、 分束光栅（Gl)和分析光栅（G2)均为吸收光栅。
5. 如权利要求1所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)的空占比小于0.5。
6. 如权利要求1所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)的尺寸大于 10Omm X 10Omnin
7. 如权利要求1所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)到所述分析光栅（G2)的距离为1~2米。
8. 如权利要求1所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述光栅（G0、G1、 G3)均为曲面光栅，在成像视场范围内始终满足正入射条件。
9. 如权利要求1所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)、分析光栅（G2)均是二维光栅。
10. 如权利要求1所述的硬X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述源发射器 (31)是中子发射器。
11. 一种X射线光栅相位衬度成像方法，包括如下步骤： 将源光栅（G0)、分束光栅（Gl)、分析光栅（G2)和探测器（32)依次设置在源发射器 (31)的传播路径上； 将物体（33)紧贴分束光栅（Gl)并朝向分析光栅（G2)放置； 源光栅（GO)将来自源发射器（31)的束源分为多个独立束源，分束光栅（Gl)在分析光 栅（G2)平面产生光强阵列，物体（33)对束源的折射导致强度阵列的横向移动，被分析光栅 (G2)探测到，并转化为能被探测器（32)记录的强度变化； 其特征在于，其中分束光栅（Gl)的周期为30~50 μ m、高宽比不大于20。
12. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像方法，其特征在于：所述源发射器 (31)为硬X光源。
13. 如权利要求12所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述硬X光源 的能量大于60keV。
14. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像方法，其特征在于：所述源光栅 (G0)、分束光栅（Gl)和分析光栅（G2)均为吸收光栅。
15. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)的空占比小于0. 5。
16. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像装置，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)的空占比为0.2~0.4。
17. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像方法，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)的尺寸大于 10OmmX 10Omnin
18. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像方法，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)到所述分析光栅（G2)的距离为1~2米。
19. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像方法，其特征在于：所述光栅（G0、 Gl、G3)均为曲面光栅，在成像视场范围内始终满足正入射条件。
20. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像方法，其特征在于：所述分束光栅 (Gl)、分析光栅（G2)均是二维光栅。
21. 如权利要求11所述的X射线光栅相位衬度成像方法，其特征在于：所述源发射器 (31)是中子发射器。
【专利摘要】本发明公开了一种大视场、高衬度、低剂量的硬X射线光栅相位衬度成像装置和方法，所述装置包括源发射器(31)、源光栅(G0)、分束光栅(G1)、分析光栅(G2)和探测器(32)，该源光栅(G0)、分束光栅(G1)、分析光栅(G2)和探测器(32)依次设置在源发射器(31)的传播路径上，分束光栅(G1)的周期为30～50μm、高宽比不大于20。本发明通过增大光栅周期，提高分束光栅的空占比，同时增加物体到分析光栅的距离，提供了一种高图像衬度、低辐射剂量、大视场相位衬度成像的装置与方法，并且本发明能够利用常规多色X光源和现有的光栅制作工艺，适于实际临床应用。
【IPC分类】A61B6-02, G01N23-04
【公开号】CN104622492
【申请号】CN201310557196
【发明人】吴自玉, 王志立, 高昆, 刘刚, 潘志云
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月11日
【公告号】WO2015066977A1