一种快速扇束几何相位衬度ct成像装置和方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及X光成像技术领域，特别涉及一种快速扇束几何相位衬度CT成像装置 和方法。
【背景技术】
[0002] 自伦琴发现X光以来，X光广泛应用于医学影像、工业无损检测等领域，然而，传统X 光吸收成像对原子系数低的软组织成像效果不理想。在X光照射下，物体的折射率可用复数 表示为η = 1-δ-?β，其中δ为折射率实部减小量、β为折射率虚部。随着原子系数减小，δ和β随 之减小，然在硬X光波段，低原子系数软组织的折射率实部减小量S是折射率虚部邱勺1000倍 左右。因此，利用物体的相位信息理论上可以获得比吸收图像衬度高的图像。
[0003] 目前，X光相位衬度成像已发展了五种成像方法：同轴相衬成像方法、晶体干涉仪 成像方法、分析晶体成像方法、光栅相衬成像方法以及边缘照明成像方法。光栅相衬成像方 法由于对光源相干性要求较低以及成像视场较大等特点，近年来被广泛研究。传统的光栅 相衬成像方法利用相位步进方法完成信息分离和提取，但是相位步进方法需要横向移动光 栅、与CT扫描方式不兼容，导致相衬CT成像时间长、剂量高等弊端，不能对心脏等动态组织 成像。2010年，朱佩平研究员等在美国国家科学院院刊发表了一种快速光栅相衬成像方法 (PNAS 107，13576-13581，2010)即正反投影方法，同时该方法成功申请专利CN102325498B， 然该方法只能应用于平行束照明几何，通常为同步辐射X光源，很大程度限制了其实际应 用。如果能把正反投影思想应用于扇束几何照明，将大大促进相衬CT的应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种快速扇束几何相位衬度CT成像装置和方法，尤其适用 于医疗成像和食品检测。在传统CT扫描方式下能够获得相位衬度信息，进而实现快速相衬 CT〇
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] -种快速扇束几何相位衬度CT成像装置，用于对物体进行三维相衬成像，该装置 沿光路依次包括X光源、样品平台、相位光栅、分析光栅以及探测器，其中：
[0007] X光源，用于向被检测物体发射X光；
[0008] 样品平台，用于固定物体；
[0009] 相位光栅，为π相移光栅或V2相移光栅，用于调制入射X光的波前相位；
[0010] 分析光栅，为吸收光栅，与相位光栅自成像图像产生大周期莫尔条纹，便于低分辨 率探测器探测物体信息；
[0011] 探测器，用于记录通过物体和光学系统的X光强度。
[0012] 优选的，所述X光源为硬X光发射装置。
[0013] 优选的，所述相位光栅、分析光栅周期小于10M1。
[0014] 所述探测器像素单元尺寸范围为20μπι~1 ΟΟμπι。
[0015] 优选的，相位光栅、分析光栅的占空比均为0.5。
[0016] 相位光栅、分析光栅以及探测器均为柱面光学元件。
[0017]相位光栅的曲率半径为办，位于以X光源为原点、办为半径的圆弧上，分析光栅的曲 率半径为R2,且位于以X光源为原点、R2为半径的圆弧上。
[0018] 进一步的，相位光栅和分析光栅周期满』-关系，其中cb为相位光栅 11 * ?
"1 , "2 周期，d2为分析光栅周期，RjPR2分别为X光源到相位光栅以及相位光栅到分析光栅间的距 离。相位光栅和分析光栅间距R2满足Talbot距淳
[0019] 当相位光栅产生31/2相移时，n=l;当相位光栅产生π相移时，11 = 2』为Talbot自成 像级次，cU为相位光栅周期，d2为分析光栅周期，λ为X光波长。
[0020] -种快速扇束几何相位衬度CT成像方法，包括如下步骤：
[0021] a)不放物体情况下，沿所在圆弧一个周期长度等间距移动相位光栅(G〇或τι个周 期长度等间距移动分析光栅(G2)，获得位移与强度图像，用
表示，其中&为相位光 栅与分析光栅间的相对位移；
[0022] b)找到位移曲线的中值点，并把相位光栅和分析光栅相对位置调到中值点对应的 横坐标位置X0;
[0023] c)把物体固定在样品平台上，旋转平台或者平台以外的整个成像装置一周，每间 隔1度，探测器记录下物体图像；
[0024] d)装置和物体相对旋转一周后，可计算各投影视角，投影视角范围大于3i+2amaxgp 可实现精确重构，物体的吸收图像A和折射图像9r
[0025]
[0026] 其中，μ为物体的线性吸收系数，δ为物体折射率实部减小量，α和cig为扇角，amax为最 大扇角，Φ为旋转视角，1〇为光源(S)和探测器(D)中间没有任何光学元件和物体时探测器
(D)直接记录的强度，I为物体成像时探测器(D)记录的强度 0: 是一个常数；
[0027] e)使用滤波反投影方法或其它三维重构方法重建吸收图像和折射图像。
[0028]优选的，步骤(a)中等间距移动步数大于三。
[0029] 有益效果：
[0030]本发明利用与扇束几何匹配的柱面光学元件，避免了大入射角射线受阻挡的问 题，大大提高了成像视场。同时结合正方投影思想，在传统CT扫描模式下，成功提取物体的 相位信息，进而完成快速相衬CT成像。
【附图说明】
[0031 ]图1快速扇束几何相位衬度CT成像装置示意图；
[0032]图2为快速扇束几何相位衬度CT成像方法流程图；
[0033]图3为本发明共辄射线计算原理图；
[0034]图4物体模型组成成分图；
[0035]图5三维重建模拟结果图；
[0036]图6为折射角投影正弦图5(c)中虚线位置理论值与提取值对比图；
[0037]图7为吸收投影正弦图5(d)中虚线位置理论值与提取值对比图；
[0038]图8为折射率实部减小量重构结果5(e)中虚线位置理论值与重构值对比图；
[0039]图9为折射率虚部重构结果5(f)中虚线位置理论值与重构值对比图。
【具体实施方式】
[0040] 在光栅相衬成像硬X光照明时，成像系统中的吸收光栅需要较大的厚度，导致高宽 比很大。扇束几何照明时，大高宽比平面光栅将阻挡大入射角射线，严重制约成像视场。
[0041] 如图1所示，本发明的快速扇束几何相位衬度成像装置包括X光源S、相位光栅Gi、 样品平台P、分析光栅62以及探测器D。相位光栅6 1、分析光栅62和探测器D均为柱面