光栅成像系统及其扫描方法与流程

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光栅成像系统及其扫描方法。

背景技术：

x射线光栅相衬成像技术，能够实现微米或亚微米级上的局部结构分辨，是对传统x射线成像技术的很好补充。该技术能够同时提取吸收、相衬和暗场像三种信息，适用于低原子序数、低密度物质间的区分，特别是针对包括乳腺在内的生物软组织结构。为了获得更好的图像质量，光栅成像技术通常通过相位步进的方式来获取数据。该方式指的是将其中一块光栅沿着垂直于光栅栅格线的方向在一个或多个周期内进行等距位移，从而获得放置物体前后的位移曲线。

光栅成像系统通常主要用于小型样本或小动物的成像研究，成像视野尺寸约为几个厘米，x射线束能量较低(15-60kvp)，对应的光栅组尺寸较小，光栅的深宽比(光栅镀金厚度与光栅缝宽的比值)要求较低，目前的光栅制作工艺足以胜任。然而，为了推进光栅成像技术走向临床实际应用，需要更大的成像视野(高达20-50cm)和更高的x射束能量(高达60-120kvp)。更大的成像视野也意味着尺寸更大的光栅组，目前的光栅制作工艺无法一次性加工完成。同样，针对传统光栅成像方式一般采用被测物相对光栅进行移动的方式进行扫描，扫描过程比较复杂；另外传统的相位步进扫描比较耗时，而且辐射剂量较高，对被测物有危害。因此，为了降低总扫描时间和降低辐射剂量，同时需要保证成像质量，需要对成像系统及扫描方式进行优化和提升。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种新型的大视野光栅成像系统及其扫描方法，包括系统结构和扫描成像方式，从而实现符合临床所需的大视野成像，快捷有效地实现扫描成像，避免了传统光栅成像过程中冗余的成像时间和辐射剂量，同时还保证了足够好的图像质量。

(二)技术方案

本发明的一个方面提出了一种光栅成像系统，其中，系统包括沿光路依次设置的源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2，其中：源光栅g0g0，用于将光源出射的非相干光转换为相干光；多个第一光栅单元拼接构成的第一光栅g1，用于在相干光通过第一光栅g1后获取第一成像；以及多个第二光栅单元拼接构成的第二光栅g2，用于对第一成像进行操作获取第二成像；其中，第一光栅g1和第二光栅g2之间设置成像照射位。

可选地，当多个第一光栅单元和多个第二光栅单元分别沿一维方向进行拼接时，第一光栅g1与第二光栅g2满足如下公式：

其中，w1是第一光栅g1的宽度，h1第一光栅g1的高度；w2是第二光栅g2的宽度，h2是第二光栅g2的高度；l是源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距，d为第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距。

可选地，第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距d，满足如下公式：

其中，l为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距；p0、p1、p2分别为源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的周期；λ为x射线波长；n为一常量第一光栅g1为相位光栅时n为奇数，第一光栅g1为吸收光栅时n为偶数；η为与光栅类型有关的另一常量，第一光栅g1为π/2相位光栅或吸收光栅时η为1，第一光栅g1为π相位光栅时第一光栅g1为2。

可选地，当第一光栅为吸收光栅时，第一光栅和第二光栅之间的第二间距d，满足如下公式：

其中，l为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距；p0、p1、p2分别为源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的周期。

可选地，第一光栅单元栅格方向水平时，多个第一光栅单元沿水平方向拼接构成第一光栅g1，多个第二光栅单元沿水平方向拼接构成第二光栅g2；或第一光栅单元栅格方向垂直时，多个第一光栅单元沿垂直方向拼接构成第一光栅g1，多个第二光栅单元沿垂直方向拼接构成第二光栅g2。

可选地，第一光栅单元栅格方向水平时，多个第一光栅单元沿垂直方向拼接构成第一光栅g1，多个第二光栅单元沿垂直方向拼接构成第二光栅g2；或第一光栅单元栅格方向垂直时，多个第一光栅单元沿水平方向拼接构成第一光栅g1，多个第二光栅单元沿水平方向拼接构成第二光栅g2。

可选地，系统还包括探测器，探测器像素尺寸大于第一光栅g1的周期，用于观察第二光栅g2的第二成像。

可选地，第一光栅g1表面上设置有镀金属层，所述金属层的材料选择为重元素金属，包括：金、银、钨或铅。

可选地，多个第一光栅单元和多个第二光栅单元分别以叠层方式沿一维方向进行拼接构成第一光栅g1和第二光栅g2，第一光栅g1和第二光栅g2为二维平面光栅。

可选地，当叠层为双叠层时，二维平面第一光栅g1的栅格形状由第一光栅单元的第一叠层光栅单元和第二叠层光栅单元的光栅周期p11、p12及其栅格方向决定；以及二维平面第二光栅g2的栅格形状由第二光栅单元的第三叠层光栅单元和第四叠层光栅单元的光栅周期p21、p22及其栅格方向决定。

本发明的另一方面提出了一种应用于上述光栅成像系统的光栅成像扫描方法，其中，方法包括：控制系统沿垂直方向运动对第一光栅g1和第二光栅g2之间的成像照射位进行扫描；在特定扫描高度对成像照射位进行曝光；对曝光的数据信息进行提取获取成像。

可选地，在特定扫描高度对成像照射位进行曝光，包括：当系统达到特定扫描高度之后，控制第二光栅g2在水平方向进行相位步进扫描达到特定扫描步长时，对成像照射位进行曝光。

可选地，在特定扫描高度对成像照射位进行曝光，包括：当系统达到特定扫描高度之前，控制第二光栅g2在水平方向进行相位步进扫描达到特定扫描步长；以及当系统达到特定扫描高度之后，对成像照射位进行曝光。

可选地，在特定扫描高度对成像照射位进行曝光，包括：在第一特定扫描高度完成第一曝光，在第二特定扫描高度完成第二曝光；其中，第一光栅g1的第n个和第n+1个第一光栅单元的高度差hn,n+1满足如下公式：

hn,n+1＝m·δh

其中，m为正整数，δh为第一特定扫描高度和第二特定扫描高度之间的第三距离；第二光栅g2的第n个和第n+1个第二光栅单元的高度差hn,n+1满足如下公式：

其中，m为正整数，l为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距，p2为第二光栅g2的周期，n为第二光栅g2的相位步进数。

(三)有益效果

本发明的一个方面提出了一种新型大视野的光栅成像系统。本系统通过拼接方式制作符合大视野成像等需求的大面积光栅，能够实现与临床医学所匹配的大面积成像视野，实现对较大体型样本乃至人体的扫描成像；另外，提高了光栅深宽比来适用于较高能量的x射线，并将成像照射位放置于第一光栅g1和第二光栅g2之间来降低物体的辐射剂量，减少无效x射线的产生；实际实验数据显示，本系统在保持良好的图像质量的同时，整体扫描时间降到了与临床x光胸片相接近的水平，同时辐射剂量得到很好的控制；综合来说，该大视野光栅成像系统具有成像视野大、扫描速度快、辐射剂量低等优势和特点。

本发明的另一方面提出了一种光栅成像扫描方法，该方法适用于多种扫描方式，且可以实现快速扫描方式来提高扫描效率，结合触发式的曝光—采集控制，避免了无效x射线的产生，尽可能降低了系统的辐射剂量；另外，将成像照射位放置于第一光栅g1和第二光栅g2之间来降低物体的辐射剂量，减少无效x射线的产生，同时通过控制系统运动扫描替代成像照射位移动扫描的方式，进一步缩短扫描成像时间，提高成像视野，也可以适用于体型更大、厚度更高的被检测物体的扫描成像，同时降低了辐射剂量，提高了扫描总体效率，从而推进了光栅成像技术走向临床应用的步伐。

附图说明

图1是本发明一实施例中光栅成像系统的组成示意图；

图2a是本发明一实施例中第一光栅单元的示意图；

图2b是本发明一实施例中第二光栅单元的示意图；

图3a是本发明一实施例中光栅成像系统的一拼接示意图；

图3b是本发明一实施例中光栅成像系统的另一拼接示意图；

图4是本发明一实施例中光栅成像系统的二维平面光栅拼接示意图；

图5是本发明一实施例中光栅成像扫描方法的流程示意图；

图6a是本发明一实施例中光栅成像系统组成俯视图；

图6b是本发明一实施例中光栅成像系统组成侧视图；

图7是本发明一实施例中应用快速扫描方法的光栅成像系统组成示意图；

图8是本发明一实施例中光栅成像系统的组成示意图；

图9是本发明一实施例中第一光栅g1的拼接示意图；

图10是本发明一实施例中光栅成像系统的组成示意图；

图11是本发明一实施例中错位拼接的大面积光栅的示意图；

图12是本发明一实施例中光栅成像扫描方法的流程示意图；

图13是本发明一实施例中光栅成像实验结果中的吸收、相衬以及暗场图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

本发明的一个方面提出了一种光栅成像系统，如图1所示，其中，系统包括沿光路依次设置的源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2，其中：源光栅g0，用于将光源出射的非相干光转换为相干光，多个第一光栅单元拼接构成的第一光栅g1，用于在相干光通过第一光栅g1后获取第一成像；以及多个第二光栅单元拼接构成的第二光栅g2，用于对第一成像进行操作获取第二成像；其中，第一光栅g1和第二光栅g2之间设置成像照射位。换言之，源光栅g0、第一光栅g1以及第二光栅g2形成一光通路，构成系统。

具体地，作为本发明一实施例，光源为x射线光源，光源发出的x射线束通过源光栅g0生成一系列部分相干的线性光源，作为源光栅，源光栅g0使得本系统可以适用相干光源或非相干光源；第一光栅g1为相位光栅或吸收光栅，第二光栅g2为分析光栅，x射线通过第一光栅g1后在一定距离上产生该第一光栅g1的自成像，即第一成像；采用第二光栅g2对第一光栅g1的自成像进行放大可以获得第二成像，当第一光栅g1和第二光栅g2之间设置的成像照射位上具有待照射物体时，其第二成像即为x摄像通过第一光栅g1照射到物体上之后通过第二光栅g2的成像，其在探测器上得以观察。

其中，光栅制作工艺无法直接一次性将第一光栅g1和第二光栅g2制作出来，需要先制作光栅子块，即光栅单元。源光栅g0非常接近x光源因而其尺寸要求较低，可以一次性加工完成；第一光栅g1和第二光栅g2的尺寸较大，需要通过2块甚至更多块光栅子块拼接而来，即多个第一光栅单元拼接构成的第一光栅g1，多个第二光栅单元拼接构成的第二光栅g2，通过拼接的方式获得符合要求的大面积光栅，其中第一光栅单元和第二光栅单元的尺寸大小、光栅周期、栅格方向等可以分别不一致。另外，关于拼接的方式，彼此相邻的光栅单元之间可以具有一定间隙，以满足各种成像需求。

在本领域中的光栅成像系统中，为使得成像放大比较小，获得更加清晰的成像效果，成像照射位一般设置于源光栅g0和第一光栅g1之间。但是此种设计，会导致探测器上接收到的x射线总量约为穿透成像照射位上物体的x射线总量的1/4，在相同图像质量水平下，被检测物体的吸收剂量将约为传统x射线衰减成像(例如x光胸片成像等)的4倍，很难以达到临床辐射剂量标准。为了降低系统的辐射剂量，作为本发明一实施例，将成像照射位放置于第一光栅g1和第二光栅g2之间，降低了物体的辐射剂量，减少无效x射线的产生，如图1所示。相比于物体放置于源光栅g0和第一光栅g1之间的系统结构设计，其辐射剂量将下降一半左右，也更容易通过系统设计优化达到临床标准。

相应地，成像系统的成像照射位放置被检测物体后，探测器上对应的光栅条纹将会产生局部扭曲，通过将被检查物体沿着垂直于光栅栅格方向上进行相位步进扫描(可选移动第二光栅g2来实现，总扫描步长通常为一个光栅周期，可选每次步进长度一致)，从而获得成像照射位的扫描检测背景位移曲线(不放置物体)和物体位移曲线(放置物体)，然后再利用cma、saxs等信息提取算法同时获得吸收、相衬和暗场三种图像信息。

作为本发明一实施例，当多个第一光栅单元和多个第二光栅单元分别沿一维方向进行拼接时，第一光栅g1与第二光栅g2满足如下公式(1)：

其中，w1是第一光栅g1的宽度，h1第一光栅g1的高度；w2是第二光栅g2的宽度，h2是第二光栅g2的高度；l是源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距，d为第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距。

具体地，作为本发明一实施例，如图2a和图2b所示，考虑到实际中光栅拼接的难度较高，目前可考虑沿一维方向进行拼接，即在保持第二光栅g2能够有效获取第一光栅g1的成像情况下，多个第一光栅单元的拼接方向和第二光栅单元的拼接方向一致，例如当多个第一光栅单元的拼接方向为x轴正方向时，多个第二光栅单元的拼接方向也可选为x轴正方向或x轴负方向。源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的中心连线可以构成本系统的光栅成像光通路。另外，图2a和2b所示第一光栅g1和第二光栅g2，亦可以作为第一光栅单元和第二光栅单元，即当第一光栅g1和第二光栅g2分别只有1个第一光栅单元和第二光栅单元组成时，其亦满足上述公式(1)。

作为本发明一实施例，第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距d，满足如下公式(2)：

公式(3)：

以及公式(4)：

其中，l为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距；p0、p1、p2分别为源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的周期；λ为x射线波长；n为一常量第一光栅g1为相位光栅时n为奇数，第一光栅g1为吸收光栅时n为偶数；η为与光栅类型有关的另一常量，第一光栅g1为π/2相位光栅或吸收光栅时η为1，第一光栅g1为π相位光栅时第一光栅g1为2。

具体地，作为本发明一实施例，光栅成像系统的x光源可以为相干光源或部分相干光源。为了适用于大焦点常规x光源，通过lau效应引入一片源源光栅g0，可以完成对非相干光到相干光的转换。另外，此时的光栅那g1可选为相位光栅或吸收光栅，第二光栅g2则可选为分析光栅，同时第二光栅g2放置于第一光栅g1后的特定距离上，该特定距离满足如上公式(2)、(3)、(4)与各组成光栅的周期、入射x射线的光波长以及光栅本身的特性相关，例如对于n或η的取值，与光栅类型相关。

作为本发明一实施例，为了将光栅成像技术更加适用于非相干x光源，可选通过第一光栅g1的投影与第二光栅g2叠加产生的摩尔条纹来实现成像，这种系统称之为“几何投影系统”。该系统中，第一光栅g1在选择吸收光栅时，即n为偶数，η为1，因此上述公式(3)、(4)可相应地进行变换，即此时其系统参数需要，即第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距d还可以满足公式(5)：

公式(6)：

其中，l为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距；p0、p1、p2分别为源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的周期。

比较上述公式(2)、(3)或(4)系统和该几何投影系统可知，前者第一光栅g1通常采用相位光栅，需要设计特定的系统x射线能量与之对应从而实现调制，且第二光栅g2必须放置于第一光栅g1后的特定距离上；而后者则放宽了系统参数要求，系统x射线能量和第二光栅g2的位置均不受限制，即第一光栅g1与g2的间距无需固定，更适合实际应用，例如在第一光栅g1和第二光栅g2之间的成像照射位设置更大的待检测物体。作为本发明一实施例，该大视野光栅成像系统优选采用了上述几何投影系统的设计。

作为本发明一实施例，第一光栅单元栅格方向水平时，多个第一光栅单元沿水平方向拼接构成第一光栅g1，多个第二光栅单元沿水平方向拼接构成第二光栅g2；或第一光栅单元栅格方向垂直时，多个第一光栅单元沿垂直方向拼接构成第一光栅g1，多个第二光栅单元沿垂直方向拼接构成第二光栅g2。

作为本发明一实施例，第一光栅单元栅格方向水平时，多个第一光栅单元沿垂直方向拼接构成第一光栅g1，多个第二光栅单元沿垂直方向拼接构成第二光栅g2；或第一光栅单元栅格方向垂直时，多个第一光栅单元沿水平方向拼接构成第一光栅g1，多个第二光栅单元沿水平方向拼接构成第二光栅g2。

具体地，在第二光栅g2和第一光栅g1的中心连线与光路一致的情况下，可选第二光栅单元的拼接方向与第一光栅单元的拼接方向保持一致。例如当多个第一光栅单元的拼接方向为x轴正方向时，多个第二光栅单元的拼接方向也可选为x轴正方向或x轴负方向，如图3a或图3b所示。其中，第一光栅单元的栅格方向和第二光栅单元的栅格方向、拼接方向可以无关，同时可选第一光栅g1的所有拼接的第一光栅单元的栅格方向保持一致，同理，可选第二光栅g2的所有拼接的第二光栅单元的栅格方向保持一致。具体地，如图3a或图3b所示，第一光栅g1的第一光栅单元栅格方向水平(或是第一光栅单元栅格方向垂直)，2个或2个以上第一光栅单元沿x轴方向进行拼接，其相应的第二光栅g2的第二光栅单元的栅格方向与之无关，拼接方向在保证轴心相对时，具体沿x轴正向拼接或是x轴负向拼接均可。相应地，作为本发明的一种优选，可选源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的栅格方向保持一致，即第一光栅单元和第二光栅单元的栅格方向一致，例如，当第一光栅单元栅格方向水平时，第二光栅单元的栅格方向也保持水平。

作为本发明一实施例，系统还包括探测器，探测器像素尺寸大于第一光栅g1的周期，用于观察第二光栅g2的第二成像。具体地，如图1所示，x射线通过第一光栅g1后在一定距离上产生该光栅的自成像，即第一成像；在探测器t像素尺寸远大于第一光栅g1的周期p1时，采用第二光栅g2可实现对第一光栅g1的自成像进行放大获得第二成像，第二成像通过探测器t得以观察。

可选地，第一光栅g1朝向源光栅g0的一侧的表面上设置有镀金属层，金属层的材料选择为重元素金属，包括：金、银、钨或铅等。考虑到大视野光栅成像系统适用于较高能量的x射线，考虑对源光栅g0朝向光源的一侧表面、以及第一光栅g1朝向源光栅g0的一侧表面上可选镀金形成镀金层作为镀金属层，以一定厚度的镀金层挡住部分x射线，从而降低x射线的辐射剂量。具体地，作为本发明一实施例，x射线能量可选为100kvp，镀金层厚度可选为150μm，此时x射线束平均透射率为1.6％；镀金层厚度为250μm时x射线束平均透射率为0.1％。另一方面，对源光栅g0、第一光栅g1镀金，还使得实际光栅更加接近理想光栅，提高成像系统的对比度。

作为本发明一实施例，多个第一光栅单元和多个第二光栅单元分别以叠层方式沿一维方向进行拼接构成第一光栅g1和第二光栅g2，第一光栅g1和第二光栅g2为二维平面光栅。

具体地，所谓“叠层方式”即第一光栅单元包括上下多个叠层光栅单元叠加组合。具体地，该叠层方式可以是多个的叠加层光栅单元形成的，既可以包括双叠层，也可以是三叠层甚至更多叠层光栅单元的叠加组合。例如，如图4所示，当该多层光栅单元为两个叠层光栅单元时(即叠层为双叠层)时，第一光栅单元g为第一叠层光栅单元g＇和第二叠层光栅单元g″直接以叠层的形式组合而成的，或第二光栅单元g为第三叠层光栅单元g＇和第四叠层光栅单元g″直接以叠层的形式组合而成的，此时第一光栅单元和第二光栅单元即为叠层方式的二维平面光栅单元。当第一光栅单元沿一维方向，例如x轴的正方向进行拼接时，拼接成的第一光栅g1为二维平面光栅。当第二光栅单元沿一维方向，例如x轴的正方向或负方向拼接时，拼接成的第二光栅g2亦为二维平面光栅。当该叠层为多叠层时，对应的第一光栅g1和第二光栅g2整体而言仍然满足二维平面光栅的需要和特征。二维平面光栅使得本系统的应用范围更加广泛，相应地扫描检测方式更加多样化。作为本发明一优选实施例，当叠层为双叠层时，二维平面第一光栅g1的栅格形状由第一光栅单元的第一叠层光栅单元和第二叠层光栅单元的光栅周期p11、p12及其栅格方向决定；以及二维平面第二光栅g2的栅格形状由第二光栅单元的第三叠层光栅单元和第四叠层光栅单元的光栅周期p21、p22及其栅格方向决定。

具体地，举例而言，二维平面第一光栅g1/第二光栅g2由于是上下两层叠层光栅单元的叠层组合，相应地，该第一光栅g1/第二光栅g2的栅格的方向或形状都会因上下叠层的光栅单元的栅格方向发生改变，如图4所示，作为本发明一实施例，当第一叠层光栅单元g＇的光栅栅格方向为水平方向，与之进行叠层的第二叠层光栅单元g″的光栅栅格方向为垂直方向，二者叠层形成的第一光栅g1的第一光栅单元或第二光栅g2的第二光栅单元的光栅栅格形状为矩形，即当两叠层光栅单元各自的光栅栅格方向相互垂直，则其叠层的光栅栅格形状为矩形，当其各自周期一致，该矩形为正方形。同理，作为本发明另一实施例，即当两叠层光栅单元各自的光栅栅格方向相互呈一非直角的角度，则其叠层的光栅栅格形状为平行四边形，当其各自周期一致，则该平行四边形为菱形。通过对一维光栅进行叠层，可以得到各种栅格形状的二维光栅。

本发明的一个方面提出了一种新型大视野的光栅成像系统。本系统通过拼接方式制作符合大视野成像等需求的大面积光栅，能够实现与临床医学所匹配的大面积成像视野，实现对较大体型样本乃至人体的扫描成像；另外，提高了光栅深宽比来适用于较高能量的x射线，并将成像照射位放置于第一光栅g1和第二光栅g2之间来降低物体的辐射剂量，减少无效x射线的产生；实际实验数据显示，本系统在保持良好的图像质量的同时，整体扫描时间降到了与临床x光胸片相接近的水平，同时辐射剂量得到很好的控制；综合来说，该大视野光栅成像系统具有成像视野大、扫描速度快、辐射剂量低等优势和特点。

本发明的另一方面提出了一种应用于上述光栅成像系统的成像扫描方法，如图5所示，该方法包括：

s510、控制系统沿垂直方向运动对第一光栅g1和第二光栅g2之间的成像照射位进行扫描；

s520、在特定扫描高度对成像照射位进行曝光；

s530、对曝光的数据信息进行提取获取成像。

上述光栅成像系统包括：源光栅g0，用于将光源出射的非相干光转换为相干光，多个第一光栅单元拼接构成的第一光栅g1，用于在相干光通过第一光栅g1后获取第一成像；以及多个第二光栅单元拼接构成的第二光栅g2，用于对第一成像进行操作获取第二成像；其中，第一光栅g1和第二光栅g2之间设置成像照射位，源光栅g0、第一光栅g1以及g2形成一光通路，构成系统。因此，本发明可以实现成像照射位保持不动，通过移动光栅成像系统的源光栅g0\g1\g2来实现对成像照射位上待检测物体的扫描成像。换言之，与传统的待检测物体位置移动，光栅保持不动相比，该种方式的适用性更强，例如传统的光栅成像方式只能是躺拍，通过本发明则可以实现躺拍或站拍等各种形式。

另外，作为本发明的一种优选，本发明采用了触发式曝光—采集的方式，只有接收到外来的触发信号，x光源才会开始曝光，且曝光结束后同时触发探测器停止积分采集。因此，所有x射线均得到充分利用，探测器只有在积分采集时才有x射线的产生；另外，可选提高了x光机的管电流，使得单次曝光时间可以设置为很短(几十毫秒)，扫描过程更为紧凑，扫描效率更高。相应地，本发明还可以采用非触发式曝光-采集方式，例如连续式曝光方式。

最后，本发明的扫描方法需要系统基于一定的实体设备来完成，如图6a和6b所示，x光源、光栅组(源光栅g0/第一光栅g1/第二光栅g2)和探测器均固定在机械臂上，机械臂的移动方向可以不同，例如固定光栅组的机械臂可以沿z轴方向上的机械臂上下移动，固定源光栅g0和第一光栅g1的机械臂可以相对第二光栅g2作x轴方向上的靠近或远离，而第二光栅g2的机械臂(即纳米移动台)可以相对源光栅g0或g1在y轴方向上作步进位移，所有机械臂均可以通过伺服电机进行控制，从而实现系统垂直方向上的移动来实现扫描。

作为本发明一实施例，在特定扫描高度对成像照射位进行曝光，包括：当系统达到特定扫描高度之后，控制第二光栅g2在水平方向进行相位步进扫描达到特定扫描步长时，对成像照射位进行曝光。

具体地，如图6a和6b所示，当系统从下到上对成像照射位进行扫描时，伺服电机带动系统移动在z轴方向上使得光轴(源光栅g0/第一光栅g1/第二光栅g2中心形成的连线)达到第一扫描高度时，伺服电机停止，纳米移动台带动第二光栅g2进行在y轴方向上进行相位步进扫描，步进扫描结束后伺服电机继续工作，带动系统移动到第二扫描高度，并且重复以上操作，在没达到一次扫描高度时，对成像照射位进行曝光，获取一次成像。将至少两次扫描的有效成像进行叠加既可以获得本发明所需的扫描成像结果，即非连续相位步进扫描。

作为本发明一实施例，在特定扫描高度对成像照射位进行曝光，包括：当系统达到特定扫描高度之前，控制第二光栅g2在水平方向进行相位步进扫描达到特定扫描步长；以及当系统达到特定扫描高度之后，对成像照射位进行曝光。

具体地，如图6a和6b所示，第二光栅g2在纳米移动台带动下在y轴方向上移动一次步长(可选将一次相位步进总长设为g2的一个周期，则若将这个周期等分，其最小步数(相位步进数，即步长)可以为3。)，伺服电机带动系统光栅组在z轴方向上由下到上(或由上到下)稳定匀速运动，每当系统扫描高度增加固定距离到达特定高度时，x光机曝光一次，探测器采集一次，当系统扫描高度到达最大(或最小)时，再次移动第二光栅g2的一次步长，反向重复以上操作。将至少两次扫描的有效成像进行叠加既可以获得本发明所需的扫描成像结果，即连续相位步进扫描。相比于非连续相位步进扫描，连续扫描所耗时会更短，总扫描速度将得到较大提高。需要注意的是，此时光栅栅格方向不管是水平还是竖直，这两种扫描方式均适用。

大面积光栅成像系统可以采用上述的非连续相位步进扫描方式，还可以通过连续相位步进扫描降低整体扫描时间。有鉴于上述扫描方式提升的扫描效率是有限的，在此本发明提出了一种快速扫描方式，作为本发明另一实施例进行描述。

作为本发明一实施例，在特定扫描高度对成像照射位进行曝光，包括：在第一特定扫描高度完成第一曝光，在第二特定扫描高度完成第二曝光；其中，第一光栅g1的第n个和第n+1个第一光栅单元的高度差hn,n+1满足如下公式(7)：

hn,n+1＝m·δh

其中，m为正整数，δh为第一特定扫描高度和第二特定扫描高度之间的第三距离；第二光栅g2的第n个和第n+1个第二光栅单元的高度差hn,n+1满足如下公式(8)：

其中，m为正整数，l为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距，p2为第二光栅g2的周期，n为第二光栅g2的相位步进数。

为了实现快速扫描，作为本发明一实施例，可以将n块栅格方向、周期等性质一致的第一光栅单元在竖直方向(z轴方向)上依次排布组成第一光栅g1，其中可以分开排列使得相邻光栅单元之间保持一定间隙，也可以直接拼接成一块完整光栅。具体地，分开排列的工艺需要在机械安装的时候空间上保持一定的距离。此时第一光栅g1的相邻第一光栅单元之间的高度差分别为h1,2,、h2,3、……hn,n+1。如图7所示，当n为3时，三个周期一致、栅格方向水平的独立第一光栅单元构成第一光栅g1，则在该系统在z轴方向运动时，每隔δh距离曝光—采集一次，其中，m和l均为正整数，p2为第二光栅g2的周期，n为相位步进数。每个第一光栅单元都分别各自实现对成像照射位的待测物体的扫描，其彼此之间的高度差正好符合相位步进。对于物体的同一高度区域，每个第一光栅单元到这个高度扫描的时候，它们的光栅栅格正好错位相位步进的一个步长，因此间接实现了在此扫描高度上的相位步进过程。此时系统只需要竖直方向上扫描一次即可，每个扫描高度上均有多个光栅单元分布扫描，其汇总的成像结果可以组成同一位移曲线，从而进行信息提取获得最终成像图像。

本发明的另一方面提出了一种光栅成像扫描方法，该方法适用于多种扫描方式，且可以实现快速扫描方式来提高扫描效率，结合触发式的曝光—采集控制，避免了无效x射线的产生，尽可能降低了系统的辐射剂量；另外，将成像照射位放置于第一光栅g1和第二光栅g2之间来降低物体的辐射剂量，减少无效x射线的产生，同时通过控制系统运动扫描替代成像照射位移动扫描的方式，进一步缩短扫描成像时间，提高成像视野，也可以适用于体型更大、厚度更高的被检测物体的扫描成像，同时降低了辐射剂量，提高了扫描总体效率，从而推进了光栅成像技术走向临床应用的步伐。

实施例2：

本发明的另一个方面提出了一种光栅成像系统，系统包括沿光路依次设置的源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2，其中：源光栅g0、第一光栅g1以及第二光栅g2中至少之一为曲面光栅，第一光栅g1和第二光栅g2之间设置成像照射位。

作为本发明一实施例，如图8所示，其中，系统包括沿光路依次设置的源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2构成本系统的光栅组，其中：源光栅g0，用于将光源出射的非相干光转换为相干光；第一光栅g1，用于在相干光通过第一光栅g1后获取第一成像；以及第二光栅g2，用于对第一成像进行操作获取第二成像。

具体地，作为本发明一实施例，如图8所示，光源为x射线光源，光源发出的x射线束通过源光栅g0生成一系列部分相干的线性光源，源光栅g0使得本系统可以适用相干光源或非相干光源，此时源光栅g0可以是平面光栅；第一光栅g1为相位光栅或吸收光栅，第二光栅g2为分析光栅，此时，第一光栅g1和第二光栅g2为曲面光栅。x射线通过第一光栅g1后在一定距离上产生该第一光栅g1的自成像，即第一成像；采用第二光栅g2对第一光栅g1的自成像进行放大可以获得第二成像，当第一光栅g1和第二光栅g2之间设置的成像照射位上具有待照射物体时，其第二成像即为x摄像通过第一光栅g1照射到物体上之后通过第二光栅g2的成像，其在探测器上得以观察。

作为本发明的另一实施例，源光栅g0、第一光栅g1以及第二光栅g2中至少之一为曲面光栅。由于光源发出的光在系统中可以理解为锥状光束，锥状光束在通过源光栅g0、第一光栅g1进而照射到成像照射位时，会发生光损失，例如前述源光栅g0、第一光栅g1上的反射和吸收、衍射等都对光束造成影响，若采用大剂量的x射线进行照射，容易有过剂量的风向。另一方面，平面光栅对锥状光束由于光束方向与光栅的栅格方向不能相互垂直，使得小剂量x射线束在通过平面光栅时损失过大，容易造成剂量过小，成像效果差。而曲面光栅可以充分地实现对锥状光束的利用，可以精确控制光束的剂量，减少光束通过源光栅g0、第一光栅g1时造成的损失。最后，由于采用曲面光栅的情况下，源光栅g0、第一光栅g1造成的光损失较小，因此在控制辐射剂量时可以忽略其影响，只关注x光源的剂量，更容易实现辐射剂量可控。因此，曲面光栅的设计使得x射线得到更加充分的利用，减小x射线在光路中的损失，实现了小剂量x射线的应用，进一步减小辐射剂量，更容易实现辐射剂量可控。最后，曲面光栅有利于探测器接受到的第二成像数据更加清楚，使得成像效果更好。相应地，源光栅g0、第一光栅g1、第二光栅g2中至少一个可选为曲面光栅。其中，源光栅g0由于紧贴光源设计，其与光源的间距最大可能只有几个厘米，另一方面，源光栅g0的尺寸较小，因此，源光栅g0可以是平面光栅。

作为本发明一实施例，第一光栅g1由多个第一光栅g1单元沿一定曲线方向拼接构成，第一光栅g1的第一弧度为α；第二光栅g2由多个第二光栅g2单元沿上述曲线方向拼接构成，第二光栅g2的第二弧度为β。

其中，光栅制作工艺无法直接一次性将第一光栅g1和第二光栅g2制作出来，需要先制作光栅子块，即光栅单元。源光栅g0非常接近x光源因而其尺寸要求较低，可以一次性加工完成；第一光栅g1和第二光栅g2的尺寸较大，需要通过2块甚至更多块光栅子块拼接而来，即多个第一光栅g1单元拼接构成的第一光栅g1，多个第二光栅g2单元拼接构成的第二光栅g2，通过拼接的方式获得符合要求的大面积光栅，其中第一光栅g1单元和第二光栅g2单元的尺寸大小、光栅周期、栅格方向等可以分别不一致。另外，关于拼接的方式，彼此相邻的光栅单元之间可以具有一定间隙，以满足各种成像需求。另外，由于第一光栅g1或第二光栅g2为曲面光栅，则第一光栅g1单元或第二光栅g2单元的拼接方向为曲线方向，直线的拼接方式在保证第一光栅g1或第二光栅g2为曲面光栅的情况下，亦不予以限制。

作为本发明一实施例，第一光栅g1单元或第二光栅g2单元为第一平面光栅单元或第二平面光栅单元，第一平面光栅单元或第二平面光栅单元沿特定曲线方向拼接构成第一光栅g1或第二光栅g2；或第一光栅g1单元或第二光栅g2单元为第一曲面光栅单元或第二曲面光栅单元，第一曲面光栅单元或第二曲面光栅单元沿特定曲线方向拼接构成第一光栅g1或第二光栅g2。

具体地，如图9所示，第一光栅g1由多个第一光栅g1单元g10沿曲线s1的方向进行拼接形成，第一光栅g1单元g10的弧长对应于s0，n个第一光栅g1单元g10沿曲线s1方向拼接，则其弧长s1＝n×s0。其中在曲线的拼接方式下，对应的第一弧度的值与其对应的圆心o相关，该第一弧度的值为数学意义上的弧度值，可以为α，当r＝r1时，即第一光栅g1的弧长可以为s1＝r1×α；相应地，第二光栅g2的第二弧度可以为β，当r＝r2时，即第二光栅g2的弧长可以为s2＝r2×β。

具体地，各光栅单元沿曲线方向拼接包括平面光栅单元和曲面光栅单元两种组合形式，第一光栅g1单元或第二光栅g2单元为第一平面光栅单元或第二平面光栅单元，第一平面光栅单元或第二平面光栅单元沿特定曲线方向拼接构成第一光栅g1或第二光栅g2，此时第一光栅g1或第二光栅g2为曲面光栅，如图9所示，第一光栅g1的第一光栅g1单元g10为平面光栅，多个第一光栅g1单元g10沿曲线s1的方向进行拼接形成第一光栅g1，第一光栅g1为曲面光栅。相应地，第一光栅g1单元或第二光栅g2单元为第一曲面光栅单元或第二曲面光栅单元，第一曲面光栅单元或第二曲面光栅单元沿特定曲线方向拼接构成第一光栅g1或第二光栅g2，此时第一光栅g1或第二光栅g2也为曲面光栅。

其中，各光栅单元沿直线方向拼接包括平面光栅单元和曲面光栅单元两种组合形式，当平面光栅单元沿直线方向进行拼接之后，得到的组合光栅为平面光栅；当曲面光栅单元沿直线方向进行拼接之后，得到的组合光栅为多个曲面光栅沿直线分布的组合光栅，其在与该直线方向相垂直的平面上的投影为平面光栅。另外，需要说明的是，多个第一平面光栅单元或第二平面光栅单元的通过沿直线方向拼接构成第一光栅g1或第二光栅g2，该第一光栅g1和第二光栅g2直接进行机械弯折亦可以得到曲面的第一光栅g1或第二光栅g2。

作为本发明一实施例，多个第一平面光栅单元或多个第二平面光栅单元分别以双层方式沿特定曲线方向进行拼接构成第一光栅g1或第二光栅g2；或多个第一曲面光栅单元或多个第二曲面光栅单元分别以双层方式沿特定曲线方向进行拼接构成第一光栅g1或第二光栅g2；第一光栅g1或第二光栅g2为二维曲面光栅。

具体地，所谓“双层方式”可以是第一平面光栅单元或第二平面光栅单元包括上下两层平面光栅单元叠加组合。此时第一平面光栅单元或第二平面光栅单元即为二维平面光栅单元。当该第一平面光栅单元或第二平面光栅单元沿特定的曲线方向拼接，拼接成的第一光栅g1或第二光栅g2为二维曲面光栅。相应地，所谓“双层方式”还可以是第一曲面光栅单元或第二曲面光栅单元包括上下两层曲面光栅单元叠加组合。此时第一曲面光栅单元或第二曲面光栅单元即为二维曲面光栅单元。当该第一曲面光栅单元或第二曲面光栅单元沿特定曲线方向拼接，拼接成的第一光栅g1或第二光栅g2为二维曲面光栅。二维平面光栅使得本系统的应用范围更加广泛，相应地扫描检测方式更加多样化。

具体地，所谓“曲线方向”可以是呈任一弧度的曲线延伸方向，该延伸方向可以改变，即其曲线不限于单一弧度的曲线，可以是包括多个弧度的曲线。从而使得曲面光栅能够根据需要进行任意角度的拼接。

作为本发明一实施例，第一光栅g1的栅格形状由第一光栅g1单元的第一叠层光栅单元和第二叠层光栅单元的光栅周期p11、p12及其栅格方向决定；以及第二光栅g2的栅格形状由第二光栅g2单元的第三叠层光栅单元和第四叠层光栅单元的光栅周期p21、p22及其栅格方向决定。

具体地，举例而言，二维曲面第一光栅g1/第二光栅g2由于是上下两层叠层光栅单元的叠层组合，相应地，该第一光栅g1/第二光栅g2的栅格的方向或形状都会因上下叠层的光栅单元的栅格方向发生改变，作为本发明一实施例，当第一曲面叠层光栅单元的光栅栅格方向为水平方向，与之进行叠层的第二曲面叠层光栅单元的光栅栅格方向为垂直方向，二者叠层形成的第一光栅g1的第一光栅g1单元或第二光栅g2的第二光栅g2单元的光栅栅格形状为矩形，即当两曲面叠层光栅单元各自的光栅栅格方向相互垂直，则其叠层的曲面光栅栅格形状为矩形，当其各自周期一致，该矩形为正方形。同理，作为本发明另一实施例，即当两曲面叠层光栅单元各自的光栅栅格方向相互呈一非直角的角度，则其叠层的曲面光栅栅格形状为平行四边形，当其各自周期一致，则该平行四边形为菱形。通过对一维曲面光栅在特定曲线方向上进行叠层，可以得到各种栅格形状的二维曲面光栅。相应地，当对一维平面光栅在特定曲线方向上进行叠层，可以得到各种栅格形状的二维曲面光栅。

作为本发明一实施例，第一光栅g1与第二光栅g2均为曲面光栅，满足如下公式：

其中，s1是第一光栅g1的弧长，h1为第一光栅g1的高度；s2是第二光栅g2的弧长，h2是第二光栅g2的高度；r1是源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距，r2为第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距。

具体地，具体地，作为本发明一实施例，如图8所示，考虑到实际中光栅拼接的难度较高，目前可考虑沿特定曲线方向进行拼接，即在保持第二光栅g2能够有效获取第一光栅g1的成像情况下，多个第一平面光栅单元的拼接方向或多个第二平面光栅单元的拼接方向一致，保证光栅组沿源光栅g0中心g01、第一光栅g1那中心g11、第二光栅g2中心g21构成的基准光路(即光路中心线)分布即可。另外如图8所示，此时所示第一光栅g1和第二光栅g2均为曲面光栅。其中，s1是第一光栅g1的弧长，h1为第一光栅g1的高度；s2是第二光栅g2的弧长，h2是第二光栅g2的高度；光栅的弧长可以理解为，例如当一光栅在平面上的正投影为一矩形光栅影时，其对应的宽度对应的光栅边缘长度即为光栅弧长，其对应的高度对应的光栅边缘长度即为光栅的高度。作为本发明一实施例，当源光栅g0和第二光栅g2之间的第三间距为l时，某一弧形边r1＝l－r2或是r2＝l－r1，在本发明实施例中，r1为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距，r2为第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距。此时第一光栅g1或第二光栅g2相对光源(可以看作为质点)所成的夹角，可以与第一光栅g1或第二光栅g2相应弧长数学计算公式得到的弧线所对应的夹角是不一致的。

作为本发明一实施例，第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距r2，满足如下公式：

其中，r1为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距；p0、p1、p2分别为源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的周期；λ为x射线波长；n为一常量，第一光栅g1为相位光栅时n为奇数，第一光栅g1为吸收光栅时n为偶数；η为与光栅类型有关的另一常量，第一光栅g1为π/2相位光栅或吸收光栅时η为1，第一光栅g1为π相位光栅时第一光栅g1为2。

具体地，作为本发明一实施例，光栅成像系统的x光源可以为相干光源或部分相干光源。为了适用于大焦点常规x光源，通过lau效应引入一片源光栅g0，可以完成对非相干光到相干光的转换。另外，此时的第一光栅g1可选为曲面相位光栅或曲面吸收光栅，第二光栅g2则可选为曲面分析光栅，同时第二光栅g2放置于第一光栅g1后的特定距离上，该特定距离满足如上述三式中与各组成光栅的周期、入射x射线的光波长以及光栅本身的特性相关，例如对于n或η的取值，与光栅类型相关。

作为本发明一实施例，为了将光栅成像技术更加适用于非相干x光源，可选通过第一光栅g1的投影与第二光栅g2叠加产生的摩尔条纹来实现成像，这种系统称之为“几何投影系统”。该系统中，第一光栅g1在选择为吸收光栅时，即n为偶数，η为1，因此上述公式可相应地进行变换，即此时其系统参数，即所述第一光栅(g1)和第二光栅(g2)之间的第二间距r2，需要满足公式：

其中，r1为源光栅(g0)和第一光栅(g1)之间的第一间距；p0、p1、p2分别为源光栅(g0)、第一光栅(g1)和第二光栅(g2)的周期。

比较上述公式系统和该几何投影系统可知，前者曲面第一光栅g1通常采用相位光栅，需要设计特定的系统x射线能量与之对应从而实现调制，且第二光栅g2必须放置于第一光栅g1后的特定距离上；而后者则放宽了系统参数要求，系统x射线能量和第二光栅g2的位置均不受限制，即第一光栅g1与g2的间距无需固定，更适合实际应用，例如在第一光栅g1和第二光栅g2之间的成像照射位设置更大的待检测物体，在本发明实施例中，第一光栅g1和第二光栅g2为曲面光栅。作为本发明一实施例，该大视野光栅成像系统优选采用了上述几何投影系统的设计。

作为本发明一实施例，系统还包括探测器，探测器像素尺寸大于第一光栅g1的周期，探测器的形状为曲面状。具体地，如图8所示，x射线通过第一光栅g1后在一定距离上产生该光栅的自成像，即第一成像；在探测器t像素尺寸远大于第一光栅g1的周期p1时，采用第二光栅g2可实现对第一光栅g1的自成像进行放大获得第二成像，第二成像通过探测器t得以观察。在本发明实施例中，可选第一光栅g1或第二光栅g2为曲面光栅，其中至少与第二光栅g2相对的设置的探测器为相应曲面的外形结构设计。

作为本发明一实施例，曲面光栅为s型曲面。作为本发明一实施例，当多个第一光栅g1单元或多个第二光栅g2单元沿s型曲线方向进行拼接，则其拼接而成的第一光栅g1或第二光栅g2为曲面光栅，其曲面为s型。对于s型曲面的第一光栅g1或第二光栅g2其可以形成至少2个照射成像位，可以实现在有限的空间内获得更多的成像照射位，从而同时可以实现对多个成像照射位进行扫描，进一步提高了扫描效率。

作为本发明一实施例，曲面光栅的栅格朝向与光路方向一致。作为本发明一实施例，曲面光栅的栅格朝向可以与光路延伸方向保持一致，使得小剂量x射线束沿光路可直接通过光栅栅格，无需在进入栅格时被栅格内壁反射。此时被栅格其他位置遮挡的x射线束也不容易进入栅格，可以直接被反射或吸收。因此，该种方式损失很小，在光源发出的小剂量x射线时，不易造成剂量过小，导致成像效果差，避免了大角度入射问题。曲面光栅可以充分地实现对锥状光束的利用，可以精确控制光束的剂量，减少光束通过源光栅g0、第一光栅g1时造成的损失。

本发明的另一个方面提出了一种新型大视野的光栅成像系统。本系统通过拼接方式制作符合大视野成像等需求的大面积曲面光栅，能够实现与临床医学所匹配的大面积成像视野，实现对较大体型样本乃至人体的扫描成像；另外，提高了光栅深宽比来适用于较高能量的x射线，并将成像照射位放置于第一光栅g1和第二光栅g2之间来降低物体的辐射剂量，减少无效x射线的产生；而且曲面光栅的设计使得x射线得到更加充分的利用，减小x射线在光路中的损失，实现了小剂量x射线的应用，进一步减小辐射剂量，更容易实现辐射剂量可控。实际实验数据显示，本系统在保持良好的图像质量的同时，整体扫描时间降到了与临床x光胸片相接近的水平，同时辐射剂量得到很好的控制；综合来说，该大视野光栅成像系统具有成像视野大、扫描速度快、辐射剂量低等优势和特点。本发明的另一个方面提出了一种应用于上述的光栅成像系统的光栅成像扫描方法。

本发明可以实现成像照射位位于第一光栅g1和第二光栅g2之间并保持不动，通过移动光栅成像系统的源光栅g0\第一光栅g1\第二光栅g2来实现对成像照射位上待检测物体的扫描成像。换言之，与传统的待检测物体位置移动，光栅保持不动相比，该种方式的适用性更强，例如传统的光栅成像方式只能是躺拍，通过本发明则可以实现躺拍或站拍等各种形式。扫描速度更快，扫描效率更高。

另外，本发明采用了触发式曝光—采集的方式，只有接收到外来的触发信号，x光源才会开始曝光，且曝光结束后同时触发探测器停止积分采集。因此，所有x射线均得到充分利用，探测器只有在积分采集时才有x射线的产生；另外，可选提高了x光机的管电流，使得单次曝光时间可以设置为很短(几十毫秒)，扫描过程更为紧凑，扫描效率更高。

最后，本发明的扫描方法需要系统基于一定的实体设备来完成，如图6a和6b所示，x光源、光栅组(源光栅g0/第一光栅g1/第二光栅g2)和探测器均固定在机械臂上，机械臂的移动方向可以不同，例如固定光栅组的机械臂可以沿z轴方向上的机械臂上下移动，固定源光栅g0和第一光栅g1的机械臂可以相对第二光栅g2作x轴方向上的靠近或远离，而第二光栅g2的机械臂(即纳米移动台)可以相对源光栅g0或第一光栅g1在y轴方向上作步进位移，所有机械臂均可以通过伺服电机进行控制，从而实现系统垂直方向上的移动来实现扫描。

作为本发明一实施例，基于上述光栅成像系统，可以对应设计一光栅成像扫描方法，该扫描方法可以实现快速扫描，该扫描方法可以包括：

控制系统沿垂直方向运动对第一光栅g1和第二光栅g2之间的成像照射位进行扫描；在特定扫描高度对成像照射位进行曝光；对曝光的数据信息进行提取获取成像；其中，曝光为触发式曝光。

具体地，如图9所示，在本发明一实施例中，当第一光栅g1栅格方向沿竖直方向时，为了减少水平方向上x射线大角度入射的影响，第一光栅g1沿着水平方向进行弯折设计，即可以沿某一曲线方向进行拼接。可以获得以x光源为原点o点的同心圆的曲面光栅第一光栅g1。

进行快速扫描，可选将相邻扫描高度的扫描结果降采样来获得等效近似的相位步进位移曲线，此时可以有单向和双向相位步进两种扫描方式，具体如下：

1)单向相位步进快速扫描：以系统从下到上扫描为例，伺服电机带动光栅组的源光栅g0、第一光栅g1沿垂直方向上下稳定匀速运动，纳米移动台带动光栅组的第二光栅g2及探测器也随之同时移动，可以设定当伺服电机移动固定距离到达特定高度时，纳米移动台正好移动一个步长，此时直接对成像照射位进行曝光。最后，当纳米移动台移动一个完整周期时，回到原点重复移动并曝光，此时即完成了单向相位步进快速扫描的扫描过程。

2)双向相位步进快速扫描。以系统从下到上扫描为例，伺服电机带动光栅组的源光栅g0、第一光栅g1沿垂直方向上下稳定匀速运动，纳米移动台带动光栅组的第二光栅g2及探测器也随之同时移动，可以设定当伺服电机移动固定距离到达特定高度时，纳米移动台正好移动一个步长，此时直接对成像照射位进行曝光。最后，当纳米移动台移动一个完整周期时，开始反向移动并曝光，此时即完成了双向相位步进快速扫描的扫描过程。

进行快速扫描，还可选将水平方向上的扫描结果降采样来获得等效近似的位移曲线。例如，可以将多块光栅子块沿竖直方向上排布，可以分开排列，也可以拼接成一块完整光栅。其中源光栅g0和第一光栅g1中各第一光栅g1单元竖直方向上可以完全平行且栅格相互对齐，它们彼此之间的高度差若为h，满足如下公式：

h＝m·δh

其中m为正整数，δh为竖直方向上扫描高度间隔。相应地，第二光栅g2的第二光栅g2单元彼此之间的高度差同样为h。

本发明的另一方面提出了一种光栅成像扫描方法，该方法适用于多种扫描方式，且可以实现快速扫描方式来提高扫描效率，结合触发式的曝光—采集控制，避免了无效x射线的产生，尽可能降低了系统的辐射剂量；另外，将成像照射位放置于第一光栅g1和第二光栅g2之间来降低物体的辐射剂量，减少无效x射线的产生，同时通过控制系统运动扫描替代成像照射位移动扫描的方式，进一步缩短扫描成像时间，提高成像视野，也可以适用于体型更大、厚度更高的被检测物体的扫描成像，同时降低了辐射剂量，提高了扫描总体效率，从而推进了光栅成像技术走向临床应用的步伐。

实施例3：

本发明的又一个方面提出了一种光栅成像系统，其特征在于，所述系统包括沿光路依次设置的源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2，其中：

所述第一光栅g1包括多个相互错位拼接的第一光栅单元；和/或所述第二光栅g2包括多个相互错位拼接的第二光栅单元，

其中，多个第一光栅单元或多个第二光栅单元沿相应地第一光栅单元或第二光栅单元的栅格方向进行错位。

具体地，作为本发明一实施例，如图10所示，光源为x射线光源，光源发出的x射线束通过源光栅g0生成一系列部分相干的线性光。另外，本发明x光源可选非相干常规x光源，比如一般的x光机和医疗用的x射线管，以为了更好地适用于实际使用，因为一般此种x光源是性能最差的。当然也可以选择其他相干性、单色性更好的光源，比如同步辐射或者微焦点光源，此时源光栅g0也可以不使用。

为了实现快速扫描，缩短扫描时间，这样也能降低剂量。源光栅g0使得本系统可以适用相干光源或非相干光源；源光栅g0的位置需要尽可能靠近光源。源光栅g0的周期满足与第一光栅g1或第二光栅g2的周期类似或相近，其光栅面积需要覆盖光源，另外源光栅g0的厚度和第一光栅g1的厚度类似。

作为本发明一实施例，第一光栅g1为相位光栅或吸收光栅，第二光栅g2为分析光栅，x射线通过第一光栅g1后在一定距离上产生该第一光栅g1的自成像，即第一成像；采用第二光栅g2对第一光栅g1的自成像进行放大可以获得第二成像，当第一光栅g1和第二光栅g2之间设置的成像照射位上具有待照射物体时，其第二成像即为x摄像通过第一光栅g1照射到物体上之后通过第二光栅g2的成像，其在探测器上得以观察。

其中，光栅制作工艺无法直接一次性将第一光栅g1和第二光栅g2制作出来，需要先制作光栅子块，即光栅单元。源光栅g0非常接近x光源因而其尺寸要求较低，可以一次性加工完成；第一光栅g1和第二光栅g2的尺寸较大，需要通过2块甚至更多块光栅子块拼接而来。在本发明的实施例中，如图10所示，即多个第一光栅单元沿垂直方向拼接构成的第一光栅g1，多个第二光栅单元在垂直方向上相互错位拼接构成的第二光栅g2，通过拼接的方式获得符合要求的大面积光栅，其中第一光栅单元和第二光栅单元的尺寸大小、光栅周期、栅格方向等可以分别不一致。如图10所示，4个第一光栅单元g11、g12、g13、g14沿垂直方向拼接构成第一光栅g1，7个第二光栅单元g21、g22、g23、g24、g25、g26、g27在垂直方向错位拼接构成第二光栅g2，与源光栅g0构成一光栅组，光栅组与光源、成像照射位、探测器形成成像光路。相互错位拼接，可以是第一光栅g1或第二光栅g2的彼此相邻的两个光栅单元相互错位拼接，也可以是彼此不相邻的两个或多个光栅单元相互错位拼接。其中，错位可以是逐个递进错位也可以是交错错位。如图10所示，第二光栅g2可以是多个第二光栅单元分别沿垂直方向(z轴)自上而下逐个递进错位拼接形成，第一光栅单元或第二光栅单元的栅格方向可以是水平方向。相应地，第一光栅g1和第二光栅g2还可以分别是多个第一光栅单元或第二光栅单元分别沿垂直方向(z轴)自上而下逐个递进错位拼接形成，即第一光栅g1和第二光栅g2中对应多个第一光栅单元和多个第二光栅单元的拼接方式按照各自的扫描需要进行拼接。本领域技术人员应当理解，图10所示的拼接方式仅是本发明一优选实施例，并非是对本发明保护范围的限制。关于拼接的方式，彼此相邻的光栅单元之间可以具有一定间隙(相当于在一光栅背景上分开排列，光栅背景可以是用来作为光栅单元固定拼接的部分，可以作为本系统中的大面积光栅的一部分)，以满足各种成像需求。

其中，多个第一光栅单元或多个第二光栅单元沿相应地第一光栅单元或第二光栅单元的栅格方向进行错位。如图10所示，7个第二光栅单元g21、g22、g23、g24、g25、g26、g27在垂直方向错位拼接构成第二光栅g2，则该7个第二光栅单元的光栅栅格方向均可以是水平方向，该水平方向在图10中相当于第二光栅背景所在平面与z轴(纵向)相互垂直的横向，即7个第二光栅单元均是在此横向方向上彼此相互错位。

通过错位拼接的设计，可以实现当整体上对大面积光栅进行一次扫描时，可以相当于其中的每一个光栅单元分别各自实现扫描，各相邻光栅单元的错位差可以与大面积光栅的扫描相位步进数n保持一定的联系，例如错位差＝nn，n为正整数。对于待检测物体的同一高度区域，在成像扫描过程中，每个光栅单元达到该扫描高度时，光栅单元的光栅栅格正好错位相位步进数的一个或多个步长，间接实现了在该扫描高度上的相位步进过程。即完成了整个大面积光栅的扫描成像过程。

作为本发明一实施例，当多个所述第一光栅单元和多个所述第二光栅单元分别沿一维方向进行错位拼接时，所述第一光栅g1与所述第二光栅g2满足如下公式：

其中，x1是第一光栅g1的宽度，h1为第一光栅g1的高度；x2是所述第二光栅g2的宽度，h2是所述第二光栅g2的高度；l是源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距，d为第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距，如图10所示。具体地，第一光栅g1或第二光栅g2的宽度或高度在不同的光栅单元摆放方式中可以互换，例如在水平面放置时，第一摆放方式中，x1是第一光栅g1的宽度，h1为第一光栅g1的高度，旋转90°成为第二摆放方式后，x1是第一光栅g1的高度，h1为第一光栅g1的宽度。另外，由于相互错位拼接的光栅单元的错位差非常微小，通常与相位步进数相关(错位差＝nn)。如图10所示，第二光栅g2由7个第二光栅单元g21、g22、g23、g24、g25、g26、g27错位拼接构成，其中第二光栅单元g21和第二光栅单元g27之间的错位差δx＝nn，n为正整数，n为第二光散的相位步进数，n一般为微米级，即错位差δx通常会处于微米级，与厘米级的第一间距l和第二间距d、第二光栅g2的宽度x2，第二光栅g2的高度h2相比，几乎可以忽略不计。因此，其仍然满足上述公式。另外，基于上述公式，第一光栅g1和第二光栅g2之间还具有面积比例关系，第一光栅g1面积s1和第二光栅g2面积s2满足如下公式：

需要说明的是，当第一光栅g1和第二光栅g2分别是第一光栅单元和第二光栅单元时，此时为普通的光栅成像系统，但其相互之间的关系仍然满足以上公式。

作为本发明一实施例，第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距d，满足如下公式：

其中，l为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距；p0、p1、p2分别为源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的周期；λ为x射线波长；n为一常量，第一光栅g1为相位光栅时n为奇数，第一光栅g1为吸收光栅时n为偶数；η为与光栅类型有关的另一常量，第一光栅g1为π/2相位光栅或吸收光栅时η为1，第一光栅g1为π相位光栅时第一光栅g1为2。

具体地，作为本发明一实施例，光栅成像系统的x光源可以为相干光源或部分相干光源。为了适用于大焦点常规x光源，通过lau效应引入一片源源光栅g0，可以完成对非相干光到相干光的转换。另外，此时的光栅那g1可选为相位光栅或吸收光栅，第二光栅g2则可选为分析光栅，同时第二光栅g2放置于第一光栅g1后的特定距离上，该特定距离满足如上公式与各组成光栅的周期、入射x射线的光波长以及光栅本身的特性相关，例如对于n或η的取值，与光栅类型相关。

作为本发明一实施例，为了将光栅成像技术更加适用于非相干x光源，可选通过第一光栅g1的投影与第二光栅g2叠加产生的摩尔条纹来实现成像，这种系统称之为“几何投影系统”。该系统中，第一光栅g1在选择为吸收光栅时，即n为偶数，η为1，因此上述公式可相应地进行变换，即此时其系统参数，第一光栅g1和第二光栅g2之间的第二间距d，满足如下公式需要满足公式：

其中，l为源光栅g0和第一光栅g1之间的第一间距；p0、p1、p2分别为源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的周期。

比较前述公式的系统和该几何投影系统可知，前者第一光栅g1通常采用相位光栅，需要设计特定的系统x射线能量与之对应从而实现调制，且第二光栅g2必须放置于第一光栅g1后的特定距离上；而后者则放宽了系统参数要求，系统x射线能量和第二光栅g2的位置均不受限制，即第一光栅g1与g2的间距无需固定，更适合实际应用，例如在第一光栅g1和第二光栅g2之间的成像照射位设置更大的待检测物体。作为本发明一实施例，该大视野光栅成像系统优选采用了该几何投影系统的设计。

另外，作为本发明的优选，第二光栅g2的周期不能过大，以防止分辨率降低，造成成像图像清晰度差的问题。同时，第二间距d不能过小，以免无法实现大体积物体的检测，且应于第一间距l接近。因此，作为本发明实施例的优选设计，可以设计成l/d＝5:4。且在l/d＝1:1会比较好。l：d的比例确定之后，根据上述公式确定光栅周期。其中，第一光栅g1的投影(或自成像)的周期比探测器周期要小，成像几乎是看不到的；当在第一光栅g1和探测器之间增加一第二光栅g2后，形成了摩尔条纹，第一光栅g1在通过第二光栅g2时的投影(或自成像，即第一成像)的周期放大，探测器上就可以观察到放大后的第二成像。

作为本发明一实施例，相邻所述第一光栅单元或相邻所述第二光栅单元之间的交错距离为δx(即上述错位差)，满足如下公式：

其中，a为一正整数，作为上述公式的一常量；p为第一光栅g1或第二光栅g2的周期，n为第一光栅g1或第二光栅g2的在成像扫描过程中的相位步进数。具体地，如图11所示，第二光栅g2由三个第二光栅单元g21、g22、g23在垂直方向上相互递进错位拼接组成，其中，第二光栅单元g21、g22、g23的宽度分别对应为x21、x22(未示出)、x23。此时，第二光栅单元g21、g22之间的错位差δx1，以及第二光栅单元g22、g23之间的错位差δx2，满足如下公式：

同理，上述公式对第一光栅g1而言同样适用。

作为本发明一实施例，在所述第一光栅g1和第二光栅g2之间设置成像照射位。在本领域中的光栅成像系统中，为使得成像放大比较小，获得更加清晰的成像效果，成像照射位一般设置于源光栅g0和第一光栅g1之间。但是此种设计，会导致探测器上接收到的x射线总量约为穿透成像照射位上物体的x射线总量的1/4，在相同图像质量水平下，被检测物体的吸收剂量将约为传统x射线衰减成像(例如x光胸片成像等)的4倍，很难以达到临床辐射剂量标准。为了降低系统的辐射剂量，作为本发明一实施例，如图10所示第一光栅g1和第二光栅g2之间的椭圆位置，将成像照射位放置于第一光栅g1和第二光栅g2之间，降低了物体的辐射剂量，减少无效x射线的产生，如图1所示。相比于物体放置于源光栅g0和第一光栅g1之间的系统结构设计，其辐射剂量将下降一半左右，也更容易通过系统设计优化达到临床标准。

相应地，成像系统的成像照射位放置被检测物体后，探测器上对应的光栅条纹将会产生局部扭曲，通过将被检查物体沿着垂直于光栅栅格方向上进行相位步进扫描(可选移动第二光栅g2来实现，总扫描步长通常为一个光栅周期，可选每次步进长度一致)，从而获得成像照射位的扫描检测背景位移曲线(不放置物体)和物体位移曲线(放置物体)，然后再利用cma、saxs等信息提取算法同时获得吸收、相衬和暗场三种图像信息。

作为本发明一实施例，所述第一光栅g1或所述第二光栅g2为曲面光栅或二维光栅。具体地，作为本发明一实施例，第一光栅g1或第二光栅g2可以是曲面光栅，第一光栅g1可以由多个第一光栅单元沿一定曲线方向相互错位拼接构成；第二光栅g2由多个第二光栅单元沿上述曲线方向相互错位拼接构成，第一光栅g1或第二光栅g2均具备一定弧度。另外，多个第一光栅单元和多个第二光栅单元分别以双层方式沿特定方向进行拼接构成第一光栅g1和第二光栅g2，所谓“双层方式”即第一光栅单元包括上下两层光栅单元叠加组合，第一光栅g1和第二光栅g2为二维平面光栅。

作为本发明一实施例，所述第一光栅单元栅格方向水平时，多个所述第一光栅单元沿水平方向相互错位拼接构成第一光栅g1，多个所述第二光栅单元沿水平方向相互错位拼接构成第二光栅g2；或所述第一光栅单元栅格方向垂直时，多个所述第一光栅单元沿垂直方向相互错位拼接构成第一光栅g1，多个所述第二光栅单元沿垂直方向相互错位拼接构成第二光栅g2。

作为本发明一实施例，所述第一光栅单元栅格方向水平时，多个所述第一光栅单元沿垂直方向相互错位拼接构成第一光栅g1，多个所述第二光栅单元沿垂直方向相互错位拼接构成第二光栅g2；或所述第一光栅单元栅格方向垂直时，多个所述第一光栅单元沿水平方向相互错位拼接构成第一光栅g1，多个所述第二光栅单元沿水平方向相互错位拼接构成第二光栅g2。

具体地，如图10所示，4个第一光栅单元g11、g12、g13、g14栅格方向水平，其在垂直方向(z轴)上错位拼接构成第一光栅g1，其相应的第二光栅g2的第二光栅单元的栅格方向与之无关，拼接方向在保证轴心相对的时，具体沿x轴正向拼接或是x轴负向拼接均可，作为优选，7个第二光栅单元g21、g22、g23、g24、g25、g26、g27栅格方向水平，其在垂直方向(z轴)上错位拼接构成第二光栅g2，即在第二光栅g2和第一光栅g1的中心连线与光路一致的情况下，可选第二光栅单元的拼接方向与第一光栅单元的拼接方向保持一致。

本发明的又一个方面提出了一种应用于上述的光栅成像系统的光栅成像扫描方法，如图12所示，所述方法包括：

s1210、控制所述系统沿垂直方向运动对第一光栅g1和第二光栅g2之间的成像照射位进行扫描；

s1220、在特定扫描高度对所述成像照射位进行曝光；

s1230、对所述曝光的数据信息进行提取获取成像；其中，第一光栅g1包括多个相互错位拼接的第一光栅单元和/或第二光栅g2包括多个相互错位拼接的第二光栅单元。

通过错位拼接的设计，可以实现当整体上对大面积光栅进行一次扫描时，可以相当于其中的每一个光栅单元分别各自实现扫描，各相邻光栅单元的错位差可以与大面积光栅的扫描相位步进数n保持一定的联系，例如错位差＝nn，n为正整数。对于待检测物体的同一高度区域，在成像扫描过程中，每个光栅单元达到该扫描高度时，光栅单元的光栅栅格正好错位相位步进数的一个或多个步长，间接实现了在该扫描高度上的相位步进过程。即完成了整个大面积光栅的扫描成像过程。

具体地，作为本发明一实施例，一般采用移动第一光栅g1、光源和源光栅g0来进行上下扫描，移动第二光栅g2来同时进行相位步进扫描，此时第二光栅g2的相位步进扫描与第二光栅g2或第一光栅g1的栅格方向无关，以区别于一般第二光栅g2的相位步进方向会随着栅格方向发生变化(例如，同一竖直平面内相位步进方向和光栅栅格方向相互垂直)的情况。

作为本发明一实施例，在特定扫描高度对所述成像照射位进行曝光，包括：其中，第一光栅g1或第二光栅单元g2的第n个和第n+1个相应第一光栅单元或第二光栅单元的高度差hn,n+1满足如下公式：

hn,n+1＝m·δh

其中，m为正整数，δh为第一特定扫描高度和第二特定扫描高度之间的第三距离；当系统在移动第一光栅g1、光源和源光栅g0来进行上下扫描时，可以设定一扫描高度差作为上述第三距离，在每隔第三距离时分别对成像照射位进行曝光，获取曝光图像，即完成了扫描成像的过程。

具体地，作为本发明一实施例，由于光栅的拼接过程中可以具有间隙，此时高度差可以理解为该间隙。第一光栅g1的相邻两个第一光栅单元之间的高度差和第二光栅g2的相邻两个第二光栅单元之间的高度差均可以应用于上述公式。具体地，作为本发明一实施例，如图11所示，第二光栅g2由多个第二光栅单元构成，每个第二光栅单元所在第二光栅g2背景中的栅格方向均垂直于z轴方向，即第二光栅单元栅格方向水平，其中第21、22、23个第二光栅单元g21、g22、g23在垂直方向上相互递进错位拼接组成，则其高度分别对应为h21、h22、h23，此时n＝21，n+1＝22，则第二光栅g2的第21个和第22个第二光栅单元的高度差h21,22满足如下公式：

h21,22＝m·δh

其中，m为正整数，δh为第一特定扫描高度和第二特定扫描高度之间的第三距离。

上述公式体现了，与第二光栅单元中相邻两个第二光栅单元之间的高度差。

基于本发明的多个光栅单元拼接构成的大面积成像光栅，如图13所示其实际的样本实验结果，其中，该实验样本为猪大棒骨，图13中分别示出该样本的吸收信息图像(a)、相衬信息图像(b)和暗场信息图像(c)：上述图像的比例尺30mm，相位步进数为9，源光栅g0到第一光栅g1的间距为1657mm，源光栅g0、第一光栅g1和第二光栅g2的周期分别为15.75μm、7.00μm和12.60μm，其占空比分别为0.7、0.5和0.5，其面积分别为50×25mm²、240×50mm²和400×80mm²，其第一光栅g1的镀金厚度分别为150μm、150μm和250μm，光源的x光机管电压75kv、管电流320ma，单次曝光时间为80ms，探测器像素尺寸为150μm。可见，本发明提出的大面积光栅成像系统不仅能够大幅度提高成像视野，还能够有效降低辐射剂量，提高扫描效率，获得较好图像质量的吸收、相衬和暗场三种图像信息。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。