一种双能x射线相位衬度成像装置及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法，该双能X射线相位衬度成像装置沿光路依次包括X光机、源光栅、分束光栅、样品室、分析光栅和X射线探测器，其中：X光机用于发出X射线；源光栅用于将大焦点的X光源分成为若干个不相干的小焦点光源；分束光栅用于将小焦点光源分成若干束，照射到样品室中的样品上，并在在分析光栅上形成几何投影；样品室用于放置并固定样品，同时带动样品进行旋转；分析光栅用于与分束光栅一起在X射线探测器上形成莫尔条纹；X射线探测器用于获取并记录该莫尔条纹。利用本发明进行双能X射线相位衬度成像时，选取的两个能量值V高和V低可以根据实际情况随意调整，从而扩大双能X射线相位衬度成像的使用范围。
【专利说明】一种双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及X射线成像【技术领域】，尤其是一种双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法。
【背景技术】
[0002]基于传统吸收衬度的双能X射线成像技术，在临床医学中获得了广泛的应用。双能X射线骨密度测量仪，是目前骨质疏松诊断最准确和最有价值的方法[1’2]。双能X射线CT成像技术，能够把骨组织或软组织从X射线图像中除去，得到仅含软组织或骨组织的图像，从而可以便捷医学诊断。双能减影X射线血管造影技术(利用碘造影剂)可以去除骨骼、肌肉和其他组织，只留下单纯血管的清晰图像，因而可以提供更加准确的诊断信息，同时可以保证更为安全的介入手术[3’4]。但是对于由C、H、N、O等轻元素组成的弱吸收物质，由于他们在不同能量下，吸收系数的差异性很小，所以基于传统吸收衬度的双能X射线成像技术，在弱吸收生物组织间的分辨和识别方面，发挥作用有限[5]。
[0003]与传统吸收衬度成像相比，对于弱吸收物体，硬X射线相位衬度成像技术能够提供大大增强的图像衬度和明显改善的成像质量[6_9]，这是因为在硬X射线波段，弱吸收物质的相移因子是吸收因子的1000多倍_。同时，弱吸收物质的相移因子在不同能量下的差异性明显高于吸收因子。因此双能X射线相位衬度成像技术在弱吸收物质间的分辨识别方面有着巨大的应用价值[5]。
[0004]在目前众多的X射线相位衬度成像技术中[11_16]，基于三块光栅的成像技术[16]，是唯一可以利用普通X光源进行成像试验的，因此该技术最有可能在临床医学、社会安全检查和工业无损检测等领域获得推广应用。
[0005]目前的双能X射线相位衬度成像装置和试验方法，正是基于三块光栅的相位衬度成像技术[5]。在该双能成像技术中，相位信息提取是基于衍射光栅的Talbot效应，选取的两个X光机管电压^和￥<0^必须满足以下两个条件:(I)X光机在高电压^下发出射线的等效能量E?通过相位光栅时产生的相移为= (2)Χ光机在低电压VffiT发出射线的等效能量Eis通过相位光栅时产生的相移为= j。由于入射射线通过相位光栅时产生的相移Λ φ和射线能量E的一一对应性[5]，因此，对于一套构建完毕的成像系统，
L.进行双能成像时选取的两个管电压就固定不可改变，在目前的机器配置中，选用的两个管电压必须为Vs= 7OKV和Vffi= 40KV，对应射线的平均能量为Ek= 40KeV和Effi= 20KeV,不能选取其他的管电压进行双能X射线相位衬度成像[5]。
[0006]然而，在实际的双能X射线相位衬度成像中，由于试验对象各种各样，为了得到比较理想的成像效果，需要根据实际情况，选用合理的X射线能量[17’18]。因此，目前双能X射线相位衬度成像技术的使用范围受到了限制。
[0007]参考文献:
[0008][I]R.B.Mazess, H.S.Barden, J.P.Bisek，and J.Hanson， " Dual-energyχ-ray absorpt1metry for total-body and reg1nal bone—mineral and soft—tissuecomposit1n，" The American journal of clinical nutrit1n,vol.51,pp.1106-1112,1990.
[0009][2]H.Kroger, A.Kotaniemi，P.Vain1，and E.Alhava，" Bone densitometryof the spine and femur in children by dual-energy χ-ray absorpt1metry,〃 Boneand mineral，vol.17，pp.75—85，1992.
[0010][3] G.Di Chiro, R.A.Brooks, R.M.Kessler, G.S.Johnston，A.E.Jones，J.R.Herdt, et al.， " Tissue Signatures with Dual-Energy Computed Tomography1，" Rad1logy，vol.131，pp.521-523，1979.
[0011][4]T.R.Johnson，B.Krauss, M.Sedlmair, M.Grasruck, H.Bruder, D.Morhard, etal.，" Material differentiat1n by dual energy CT:initial experience, " Europeanrad1logy, vol.17，pp.1510-1517，2007.
[0012][5]C.Kottler, V.Revol, R.Kaufmann, and C.Urban, " Dual energy phasecontrast χ-ray imaging with Talbot-Lau interferometer, " Journal of AppliedPhysics, vol.108，p.114906,2010.
[0013][6]G.Schulz, T.Weitkamp, 1.Zanette，F.Pfeiffer, F.Beckmann，C.David, etal.，" High-resolut1n tomographic imaging of a human cerebellum !comparisonof absorpt1n and grating-based phase contrast，" Journal of The Royal SocietyInterface, vol.7，pp.1665-1676，2010.
[0014][7]M.Bech，A.Tapfer, A.Velroyen, A.Yaroshenko, B.Pauwels，J.Hostens，etal.，" In-Vivo dark-field and phase-contrast χ-ray imaging，" Scientific reports，vol.3，2013.
[0015][8] A.Momose，W.Yashiro, K.Kido，J.Kiyohara, C.Makifuchi, T.1 to, etal.， " X-ray phase imaging:from synchrotron to hospital， " PhilosophicalTransact1ns of the Royal SocietyA !Mathematical，Physical and EngineeringSciences，vol.372，p.20130023,2014.
[0016][9] A.Tapfer, M.Bech，1.Zabette，P.Symvoulidis, S.Stangl, G.Multhoff, etal.，" Three-dimens1nal imaging of whole mouse models !comparing nondestructiveX-ray phase-contrast micro—CT with cryotome-based planar epi_iIluminat1nimaging，" Journalofm icroscopy, vol.253,pp.24-30,2014.
[0017][10]A.Momose, " Recent advances in X-ray phase imaging， " JapaneseJournal of Applied Physics Part 1-ReguIar Papers Brief Communicat1ns&ReviewPapers, vol.44，pp.6355-6367，Sep 2005.
[0018][11]A.Momose, T.Takeda, Y.1tai, and K.Hirano, " Phase-contrast X-raycomputed tomography for observing b1logical soft tissues， " Nature medicine，vol.2，pp.473-475，1996.
[0019][12] S.Wilkins, T.Gureyev, D.G a o , A.Pogany，andA.Stevenson, " Phase-contrast imaging using polychromatic hard X-rays," Nature，vol.384，pp.335-338，1996.
[0020][13]T.Davis, D.G a ο , T.Gureyev, A.Stevenson, andS.Wilkins, " Phase-contrast imaging of weakly absorbing materials using hardX-rays, " Nature, vol.373，pp.595-598，1995.
[0021][14]C.David, B.Nohammer, Η.H.Solak，and E.Ziegler, " Differentialχ-ray phase contrast imaging using a shearing interferometer," Applied physicsletters, vol.81，pp.3287-3289，2002.
[0022][ I 5] A.Momose , S.Kawamoto , 1.Koyama, Y.Hamai sh i , K.Takai , andY.Suzuki, " Demonstrat1n of X-ray Talbot interferometry, " Japanese journalofapplied physics, vol.42，p.L866,2003.
[0023][16]F.Pfeiffer, T.Weitkamp, 0.Bunk，and C.David, " Phase retrieval anddifferential phase-contrast imaging with low-briIliance X-ray sources， " NaturePhysics, vol.2，pp.258-261，Apr 2006.
[0024][17]L Grodzins，" Optimum energies for χ-ray transmiss1n tomography ofsmall samples !Applicat1ns of synchrotron radiat1n to computerized tomographyI，" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，vol.206, pp.541-545，1983.
[0025][18]L.Grodzins, " Critical absorpt1n tomography of small samples:proposed applicat1ns of synchrotron radiat1n to computerized tomographyII，" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，vol.206，pp.547-552，1983.
【发明内容】
[0026](一 )要解决的技术问题
[0027]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法，以构建一套灵活的双能X射线相位衬度成像装置，在利用该装置进行双能X射线相位衬度成像时，选取的两个能量值￥^和Vffi可以根据实际情况随意调整，从而扩大双能X射线相位衬度成像的使用范围。
[0028]( 二 )技术方案
[0029]为达到上述目的，本发明提供了一种双能X射线相位衬度成像装置，该装置沿光路依次包括X光机1、源光栅2、分束光栅3、样品室4、分析光栅5和X射线探测器6，其中:X光机1，用于发出X射线；源光栅2，用于将大焦点的X光源分成为若干个不相干的小焦点光源；分束光栅3，用于将小焦点光源分成若干束，照射到样品室4中的样品上，并在在分析光栅5上形成几何投影；样品室4，用于放置并固定样品，同时带动样品进行旋转；分析光栅5，用于与分束光栅3 —起在X射线探测器上形成莫尔条纹；X射线探测器6，用于获取并记录该莫尔条纹。
[0030]为达到上述目的，本发明还提供了一种实现双能X射线相位衬度成像的方法，该方法包括:
[0031]对准X光机的出光点和X射探测器接收平面的中心点；
[0032]对X射线探测器进行Offset矫正和Gain矫正；
[0033]精确对准源光栅、分束光栅与分析光栅，使这三块光栅的刻线相互平行、三块光栅所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三块光栅的中心点、X光机的出光点和X射线探测器中心点在一条直线上；
[0034]调节X光机的管电压到高能^处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出高能￥^处样品的三维相位信息；
[0035]调节X光机的管电压到低能，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出低能Vffi处样品的三维相位信息。
[0036](三)有益效果
[0037]从上述技术方案可以看出，利用本发明提供的双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法，进行双能X射线相位衬度成像时，主要具有以下几个优点:
[0038](I)由于该双能X射线相位衬度成像装置的信息提取是利用光栅几何投影产生的莫尔条纹，因此在进行双能X射线相位衬度成像时，选取的两个能量^^和Vffi可以根据实际情况随意调整。与目前的技术相比(选用的两个能量可调节)，大大拓展了双能X射线相位衬度成像的应用范围。
[0039](2)由于该双能X射线相位衬度成像装置采用的三块光栅均为几十微米(40至100微米)的大周期吸收光栅，与目前的技术相比(采用的光栅周期为2微米左右)，本成像系统光栅的研制加工更加容易、成本更低，并且更有可能研制出大周期(40X40厘米2)、高吸收厚度(300微米)和高性能的光栅，从而可以使双能X射线相位衬度成像技术应用在临床医学成像领域。
[0040](3)该双能X射线相位衬度成像装置采用的三块光栅均为几十微米的大周期光栅，与目前采用2微米左右小周期的双能X射线相位衬度成像技术相比，根据本发明构建的双能X射线相位衬度成像装置对机械稳定性要求大大降低，机架重力、机械制造误差、机械装配误差、机械振动和热膨胀等外界因素对系统的成像性能影响会大大降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是本发明提供的双能X射线相位衬度成像装置的光路示意图。
[0042]图2是本发明提供的实现双能X射线相位衬度成像的方法流程图。
[0043]图3是依照本发明实施例的双能X射线相位衬度成像装置的结构示意图。
[0044]图4是依照本发明实施例的采用四根有机玻璃圆柱棒的双能X射线相位衬度成像实验结果的示意图。
[0045]图5是依照本发明实施例的X光机在40KV管电压下成像结果的定量分析的示意图。
[0046]图6是依照本发明实施例的X光机在50KV管电压下成像结果的定量分析的示意图。
[0047]图7是依照本发明实施例的X光机在40KV和50KV管电压下的出射能谱的示意图。
[0048]图8是依照本发明实施例的X光机在40KV管电压和50KV管电压下的试验结果对比的示意图。
【具体实施方式】
[0049]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。
[0050]本发明采用的技术思路是:利用40至100微米的大周期光栅构建双能X射线相位衬度成像装置，借助光栅几何投影产生的莫尔条纹提取样品的相位衬度图像，进而实施双能X射线相位衬度成像。
[0051]图1是本发明提供的双能X射线相位衬度成像装置的光路示意图，该装置沿光路依次包括X光机1、源光栅2、分束光栅3、样品室4、分析光栅5和X射线探测器6。其中，X光机I用于发出X射线；源光栅2用于将大焦点的X光源分成为若干个不相干的小焦点光源；分束光栅3用于将小焦点光源分成若干束，照射到样品室4中的样品上，并在在分析光栅5上形成几何投影；样品室4用于放置并固定样品，同时带动样品进行旋转；分析光栅5用于与分束光栅3 —起在X射线探测器上形成莫尔条纹；X射线探测器6用于获取并记录该莫尔条纹。
[0052]其中，所述源光栅2与所述分析光栅5的周期满足= I，其中Ptl为源光栅2的周期，P2是分析光栅5的周期，I是源光栅2与分束光栅3之间的距离，d为分束光栅3与分析光栅5之间的距离，以使所述分束光栅3在每个小焦点光源下产生的投影像互相错开一个周期并叠加在一起，从而使得条纹对比度得到增强。
[0053]同时，所述分束光栅3与所述分析光栅5的周期满足f = 其中P1为分束光栅3的周期，p2是分析光栅5的周期，I是源光栅2与分束光栅3之间的距离，d为分束光栅3与分析光栅5之间的距离，以使所述分束光栅3投影的周期和所述分析光栅5周期相等，从而能够通过相位步进技术完成信息提取。
[0054]另外，所述源光栅2、分束光栅3与分析光栅5均为周期为40微米至100微米的大周期吸收光栅，X射线探测器6为X射线平板探测器。
[0055]基于图1所示的双能X射线相位衬度成像装置的光路示意图，图2示出了本发明提供的实现双能X射线相位衬度成像的方法流程图，该方法包括以下步骤:
[0056]步骤1:对准X光机的出光点和X射探测器接收平面的中心点；
[0057]步骤2:对X射线探测器进行Offset矫正和Gain矫正；
[0058]步骤3:精确对准源光栅、分束光栅与分析光栅，使这三块光栅的刻线相互平行、三块光栅所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三块光栅的中心点、X光机的出光点和X射线探测器中心点在一条直线上；
[0059]步骤4:调节X光机的管电压到高能，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出高能￥^处样品的三维相位信息；
[0060]步骤5:调节X光机的管电压到低能，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出低能Vffi处样品的三维相位信息。
[0061]基于图1所示的双能X射线相位衬度成像装置和图2所示的实现双能X射线相位衬度成像的方法，图3示出了依照本发明实施例的双能X射线相位衬度成像装置的结构示意图，其中，X光机、源光栅2、分束光栅3、样品室和分析光栅5均通过组装的三维光学精密位移台固定在光学平台上，在分析光栅5横向运动方向，配置有超精密的压电陶瓷电机，定位精度可达到10纳米，用于高精密的相位步进扫描，X射线平板探测器通过机械部件固定在桌子上。
[0062]在本实施例中，整个双能X射线相位衬度成像装置的电机控制、图像采集、图像处理和装置维护等工作可以由工业计算机上的LabVIEW程序完成。
[0063]在本实施例中，X光机的焦点大小为I毫米，管电压可调范围为30-160KV。源光栅周期为100微米，金厚度为200微米，占空比为1: 1，面积为1X1厘米2。分束光栅周期为50微米，金厚度为200微米，占空比为1: 1，面积为1X 10厘米2。分析光栅周期为100微米，金厚度为200微米，占空比为1: 1，面积为10X10厘米2。X射线探测器的像素尺寸为0.2X0.2厘米2，X射线探测器的活动区域面积为20.48X20.48厘米2。源光栅距离X光机出光点的距离为I厘米，源光栅和分束光栅的距离为60厘米，样品室紧贴着分束光栅，分析光栅和分束光栅的距离为60厘米，X射线探测器采用X射线平板探测器，其紧贴着分析光栅放置。
[0064]基于该双能X射线相位衬度成像装置，其实现双能X射线相位衬度成像的步骤如下:
[0065](I)利用激光器分别在水平方向和竖直方向，对准X光机出射点和X射线探测器活动区域的中心，使X光机的出光点与X射线探测器接收平面的中心点对准。
[0066](2)根据实验对象，选用合适的高能Vs和低能Vis进行双能X射线相位衬度成像。如实验对象为小白鼠，高能般选为60KV，低能般选为40KV。
[0067](3)把源光栅2、分束光栅3和分析光栅5移出成像视场，在X光机关闭时利用X射线探测器采集50张图像，平均后保存为一张Offset图像(Itjffset);打开X光机，把X光机的管电压调到低能^处，稳定10分钟后，利用X射线探测器采集50张图像，平均后保存为一张低能Gain图像();把X光机的管电压调到高能，稳定10分钟后，利用X射线探测器采集50张图像，平均后保存为一张高能Gain图像()。
[0068](4)把X光机的管电压维持在高能Vs处，调用Itjffsrt和1?::，利用公式
τη-^λ-?,η-Ν
X [l''；!；；(m,n)-10,lVi(m,n)] _
Ι^η) = [Ι^^η)-Ι0,τ,?(?η;η)]χ …(丨.“:——对米集到的 0ffset 图像
'■ MxNx [I^ (m,n)-1offset (m，n)]
(1ffset)和高能Gain图像()进行offset校正和gain校正。其中I(m,n)是校正完毕后图像中像素(m，n)的灰度值，Ia_M(m，n)是探测器采集的图像中像素(m，η)的灰度值，!offset (m? η)是Offset图像中像素(m, η)的灰度值，f ,',加別是Gain图像中像素(m, η)的灰度值。M是探测器水平方向的像素数量，N是探测器垂直方向的像素数量。
[0069](5)把源光栅2移动至视场的正中央，在Z方向轻微旋转源光栅2，观测X射线探测器采集到的图像，使源光栅2的刻线处于竖直方向。
[0070](6)把分束光栅3和分析光栅5移动进入成像视场内，此时在探测器上会看到倾斜的大周期莫尔条纹。
[0071](7)在Z方向轻微旋转分束光栅3，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使莫尔条纹处于垂直方向。
[0072](8)在Y方向轻微旋转分束光栅3，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使视场中的旲尔条纹的周期左右相等。
[0073](9)在X方向轻微旋转分析光栅5，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使视场中的莫尔条纹的周期上下相等。
[0074](10)在Z方向移动分束光栅3，每次移动0.1毫米，使莫尔条纹的周期逐渐增大，反复调整，直到在整个视场区域，光强保持均匀，没有明显的明暗之分。
[0075](11)在X方向高精度移动分析光栅5，每次移动10微米，在移动过程中，观测探测器采集到图像的明暗变化是否均匀。若不均匀，重新在X方向轻微移动分束光栅3，直到在一个周期内连续移动分析光栅5的过程中，成像视场内各个位置的光强从亮到暗的变化是步调一致的。
[0076](12)把X光机的管电压维持在高能，把样品室移动到成像视场中。
[0077](13)在X方向高精度移动分析光栅5，进行相位步进扫描，同时利用X射线探测器采集并保存图像，整个过程由LabVIEW程序自动完成。相位步进扫描完成后，利用公式
(w,?)?sin[2;r
0卜，=^Varctan jTf-7~TT计算样品在高能乂胃处的折射信息。公式
2π? Σ/和中Θ (m,n)是像素(m，n)处的折射角，P2是分析光栅5的周期，d是样品室和分析光栅5之间的距离，Ik(m，η)是第k步采集到的图像中像素(m，n)的灰度值，k是累加求和过程中的变量，N是相位步进的步数。
[0078](14)在Y方向把样品室旋转1°，重复步骤13。
[0079](15)重复步骤14，直到样品室完成360°的旋转为止。
[0080](16)把样品室移出视场，在X方向高精度移动分析光栅5，进行相位步进扫描，同时利用探测器采集并保存图像，整个过程由LabVIEW程序自动完成。相位步进扫描完成后，
~ (
^tIk (m^)^sin 2π—
利用公式-.^yarctan ψ-f~计算出高能V高处成像系统背景
?π? 吝/“—卜卜备)
的折射信息。公式中Θ (m, η)是像素(m，η)处的折射角，P2是分析光栅5的周期，d是分束光栅3和分析光栅5之间的距离，N是相位步进的步数，Ik(m, η)是第k步采集到的图像中像素(m，n)的灰度值，k是累加求和过程中的变量。
[0081](17)利用公式叫所，")=外吼扣除系统背景，计算出样品室旋转过程中，每个投影方向纯样品的折射信息。
[0082]( I 8 )利用优化的 滤波反投影算法X \ V，Z )尚能=-j" ?φ\ [θ{ xr，φ, Z ) * F Λ (丨刈)]?J(xcos φ + ysin φ — χ )dx 重建出试验样品
Ju2π jp
在高能Vs处的三维相位信息。其中δ (x，y，z) 为样品位置(x，y，z)处体积单元在高能Vs下折射率的实部，Φ是样品围绕旋转轴转动的角度变量，&是随样品转动的坐标变量，χ和I是垂直于光轴平面内的两个坐标变量，z是在垂直于xy平面方向的坐标变量，ΘΦ,ζ)是样品在Φ角度位置处投影图像中像素(Xr，Z)处的折射角，Γ1代表傅里叶反变换，
P是频域区间的坐标变量，j是复数_/=λ/^?，δ (χοοβφ+ysin Φ-Xr)是狄拉克δ函数。
[0083](19)把X光机的管电压调到低能V低处，调用Itjffset和，利用公式
In=Hn=N
I(m,n) = [Iatquire(m,n)-1offlet(m,n)]χ__ -对米集到的图像进仃 offset
MxNx[ Ig上(m,n)-1offset (m，n)]
校正和gain校正。其中I(m,n)是校正完毕后图像中像素(m,n)的灰度值,Ia_ra (m, η)是探测器采集的图像中像素(m, η)的灰度值，1ffset (m? η)是Offset图像中像素(m, η)的灰度值，是Gain图像中像素(m，η)的灰度值。M是探测器水平方向的像素数量，N
是探测器垂直方向的像素数量。
[0084](20)在X方向高精度移动分析光栅5，进行相位步进扫描，同时利用探测器采集并保存图像，整个过程由LabVIEW程序自动完成。相位步进扫描完成后，利用公式
=^rarctan iT-计算低能处样品的折射信息。公式中
Θ (m，n)是像素(m，n)处的折射角，N是相位步进的步数，k是累加求和过程中的变量，Ik(m，η)是第k步采集到的图像中像素(m，η)的灰度值，P2是分析光栅5的周期，d是样品室和分析光栅5之间的距离。
[0085](21)在Y方向把样品室旋转1°，重复步骤20。
[0086](22)重复步骤21，直到样品室完成360°的转动为止。
[0087](23)把样品室移出视场，在X方向高精度移动分析光栅5，进行相位步进扫描，同时利用探测器采集并保存图像，整个过程由LabVIEW程序自动完成。相位步进扫描完成后，
利用公式外吼《)==^7*arctan -ψ-计算出高能Vffi处成像系统背景的折射信息。公式中Θ (m,n)是像素(m，n)处的折射角，N是相位步进的步数，k是累加求和过程中的变量，Ik(m, η)是第k步采集到的图像中像素(m，η)的灰度值，P2是分析光栅5的周期，d是分束光栅3和分析光栅5之间的距离。
[0088](24)利用公式扣除系统背景，计算出样品室旋转过程中，每个投影方向纯样品的折射信息。
[0089]( 2 5 )利用优化的 滤波反投影算法
^ ' y，z).=-厂却f [4(xr，表 z)*F-'-J^Lo1.MxcosizJ + ysin--x; K、重建出试验样品
Ju2π jp
在低能Vffi的三维相位信息。其中δ (X，y，ζ) 为样品位置(x，y，z)处体积单元在高能V胃下折射率的实部，Φ是样品围绕旋转轴转动的角度变量，&是随样品转动的坐标变量，χ和I是垂直于光轴平面内的两个坐标变量，z是在垂直于xy平面方向的坐标变量，ΘΦ,ζ)是样品在Φ角度位置处投影图像中像素(Xr，Z)处的折射角，Γ1代表傅里叶反变换，
P是频域区间的坐标变量，j是复数_/=./^Ι，δ (χοοβφ+ysin Φ-Xr)是狄拉克δ函数。
[0090]实验结果
[0091]图4是依照本发明实施例的采用四根有机玻璃圆柱棒的双能X射线相位衬度成像实验结果的示意图，四根有机玻璃圆柱棒从左到右依次是:直径为1mm的ΡΜΜΑ，直径为5mm的Ρ0Μ，直径为5mm的PMMA和直径为1mm的POM ；X光机在50KV管电压下的成像结果为:(A)吸收图像，⑶折射图像和(C)散射图像；X光机在40KV管电压下的成像结果为:(D)吸收图像，(E)折射图像和(F)散射图像。
[0092]图5是依照本发明实施例的X光机在40KV管电压下成像结果的定量分析的示意图，其中，空心正方形符号表示的曲线是实验值，黑色实线为拟合值，㈧是直径为1mmPMMA圆柱棒吸收图像的Profile曲线及拟合曲线，⑶是直径为10mm POM圆柱棒吸收图像的Profile曲线及拟合曲线，(C)是直径为10mm PMMA圆柱棒折射图像的Profile曲线及拟合曲线，(D)是直径为10mm POM圆柱棒折射图像的Profile曲线及拟合曲线。
[0093]图6是依照本发明实施例的X光机在50KV管电压下成像结果的定量分析的示意图，其中，空心正方形符号表示的曲线是实验值，黑色实线为拟合值，㈧是直径为1mmPMMA圆柱棒吸收图像的Profile曲线及拟合曲线，⑶是直径为10mm POM圆柱棒吸收图像的Profile曲线及拟合曲线，(C)是直径为10mm PMMA圆柱棒折射图像的Profile曲线及拟合曲线，(D)是直径为10mm POM圆柱棒折射图像的Profile曲线及拟合曲线。
[0094]图7是依照本发明实施例的X光机在40KV(实心圆圈符号和黑色线条表示的曲线)和50KV(实心正方形符号和黑色线条表示的曲线)管电压下的出射能谱的示意图。
[0095]图8是依照本发明实施例的X光机在40KV管电压(黑色实线表示的曲线)和50KV管电压(黑色虚线表示的曲线)下的试验结果对比的示意图，其中，(A)是直径为10mm PMMA圆柱棒的吸收曲线，⑶是直径为10mm POM圆柱棒的吸收曲线，(C)是直径为10mm PMMA圆柱棒的折射曲线，⑶是直径为10mm POM圆柱棒的折射曲线。
[0096]表I是PMMA和POM圆柱棒折射率实部和虚部的实验拟合值和理论计算值。
[0097]表I
[0098]
PMMA臟PMMA计龍POM理髓POM輸
管电压 40KVp 折射<5 (ItT7) 3.945.40 4,55 5.70
(平均能 iifc26keV)吸收/?(10-U1) 1.391.021.83 1.25
管电压 5OKVp 折射δ (ΚΓ7) 2.963.50 3.42 3.50
(Τ:均能m 30 KeV)吸收/?(l(T10) 1.020.871.28 1.05
[0099] 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。
【权利要求】
1.一种双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，该装置沿光路依次包括X光机(1)、源光栅(2)、分束光栅(3)、样品室(4)、分析光栅(5)和X射线探测器(6)，其中: X光机(I)，用于发出X射线； 源光栅(2)，用于将大焦点的X光源分成为若干个不相干的小焦点光源； 分束光栅(3)，用于将小焦点光源分成若干束，照射到样品室(4)中的样品上，并在在分析光栅(5)上形成几何投影； 样品室(4)，用于放置并固定样品，同时带动样品进行旋转； 分析光栅(5)，用于与分束光栅一起在X射线探测器上形成莫尔条纹； X射线探测器(6)，用于获取并记录该莫尔条纹。
2.根据权利要求1所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，所述源光栅(2)与所述分析光栅(5)的周期满足| = 其中Ptl为源光栅(2)的周期，P2是分析光栅(5)的周期，I是源光栅(2)与分束光栅(3)之间的距离，d为分束光栅(3)与分析光栅(5)之间的距离，以使所述分束光栅(3)在每个小焦点光源下产生的投影像互相错开一个周期并叠加在一起，从而使得条纹对比度得到增强。
3.根据权利要求1所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，所述分束光栅(3)与所述分析光栅(5)的周期满足$_____其中P1为分束光栅⑶的周期，P2是分析光栅(5)的周期，I是源光栅(2)与分束光栅(3)之间的距离，d为分束光栅(3)与分析光栅(5)之间的距离，以使所述分束光栅(3)投影的周期和所述分析光栅(5)周期相等，从而能够通过相位步进技术完成信息提取。
4.根据权利要求1所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，所述源光栅(2)、分束光栅(3)与分析光栅(5)均为周期为40微米至100微米的大周期吸收光栅。
5.根据权利要求1所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，所述X射线探测器(6)为X射线平板探测器。
6.一种实现双能X射线相位衬度成像的方法，应用于权利要求1至5中任一项所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，该方法包括: 对准X光机的出光点和X射探测器接收平面的中心点； 对X射线探测器进行Offset矫正和Gain矫正； 精确对准源光栅、分束光栅与分析光栅，使这三块光栅的刻线相互平行、三块光栅所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三块光栅的中心点、X光机的出光点和X射线探测器中心点在一条直线上； 调节X光机的管电压到高能^处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出高能V^处样品的三维相位信息； 调节X光机的管电压到低能^处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出低能Vffi处样品的三维相位信息。
7.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述对准X光机的出光点和X射探测器接收平面的中心点，是利用激光器分别在水平方向和竖直方向，对准X光机出射点和X射线探测器活动区域的中心，使X光机的出光点与X射线探测器接收平面的中心点对准。
8.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述对X射线探测器进行Offset矫正和Gain矫正,包括: 将源光栅、分束光栅和分析光栅移出成像视场，在X光机关闭时利用X射线探测器采集50张图像，平均后保存为一张Offset图像(1ffset);打开X光机，把X光机的管电压调到低能，稳定10分钟后，利用X射线探测器采集50张图像，平均后保存为一张低能Gain图像(Ijf );把X光机的管电压调到高能V高处，稳定10分钟后，利用X射线探测器采集50张图像，平均后保存为一张高能Gain图像()； 将X光机的管电压维持在高能V s处，调用Offset图像(Itjffset)和高能Gain图像( Ijf ) ，利用公式
Hi=JVln=N
V [I1；.;1' (mji)-1 ,, i(rn，n)lI(m,n) = [IΓ,(π,η)-1?..(π,η)]χ.......^—:^^-对采集到的 0ffset 图像
qMxNx[Ig^(m,n)-1oftset(m,n)](1ffset)和高能Gain图像(I『士 )进行offset校正和gain校正；其中I (m, η)是校正完毕后图像中像素(m，n)的灰度值，Iacquire(m, η)是探测器采集的图像中像素(m，η)的灰度值，!offset (m?n)是Offset图像中像素(m,n)的灰度值，I丨丄(πι,η)是Gain图像中像素(m,n)的灰度值;M是探测器水平方向的像素数量，N是探测器垂直方向的像素数量。
9.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述精确对准源光栅、分束光栅与分析光栅，使这三块光栅的刻线相互平行、三块光栅所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三块光栅的中心点、X光机的出光点和X射线探测器中心点在一条直线上，包括: 把源光栅移动至视场的正中央，在Z方向轻微旋转源光栅，观测X射线探测器采集到的图像，使源光栅的刻线处于竖直方向； 把分束光栅和分析光栅移动进入成像视场内，此时在探测器上会看到倾斜的大周期莫尔条纹； 在Z方向轻微旋转分束光栅，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使莫尔条纹处于垂直方向； 在Y方向轻微旋转分束光栅，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使视场中的旲尔条纹的周期左右相等； 在X方向轻微旋转分析光栅，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使视场中的莫尔条纹的周期上下相等； 在Z方向移动分束光栅，每次移动0.1毫米，使莫尔条纹的周期逐渐增大，反复调整，直到在整个视场区域，光强保持均匀，没有明显的明暗之分； 在X方向高精度移动分析光栅，每次移动10微米，在移动过程中，观测探测器采集到图像的明暗变化是否均匀；若不均匀，重新在X方向轻微移动分束光栅，直到在一个周期内连续移动分析光栅的过程中，成像视场内各个位置的光强从亮到暗的变化是步调一致的。
10.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述调节X光机的管电压到高能^处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出高能V冑处样品的三维相位信息，包括: 步骤12:把X光机的管电压维持在高能，把样品室移动到成像视场中； 步骤13:在X方向高精度移动分析光栅，进行相位步进扫描，同时利用X射线探测器采集并保存图像，相位步进扫描完成后，利用公式
N( 仏
Y/Jm^ysin In.-f'y- /-K" ',AT0(m = T^*arctan.Ψ-计算样品在高能Ve处的折射信息；公式
2π? Σ,和卜卜备._ k=iV 丄 N J —中Θ (m, η)是像素(m，η)处的折射角，P2是分析光栅的周期，d是样品室和分析光栅之间的距离，Ik(m，η)是第k步采集到的图像中像素(m，n)的灰度值，k是累加求和过程中的变量，N是相位步进的步数； 步骤14:在Y方向把样品室旋转1°，重复步骤13; 步骤15:重复步骤14，直到样品室完成360°的旋转为止； 步骤16:把样品室移出视场，在X方向高精度移动分析光栅，进行相位步进扫描，同时利用探测器采集并保存图像，相位步进扫描完成后，利用公式? P?Χ——Θ{m,n)^ = -^--arctan -f-4-计算出高能V s处成像系统背景的折射信 ^ 2π? 10"卜卜|)息；公式中θ (rn,n)是像素(m，n)处的折射角，P2是分析光栅的周期，d是分束光栅与分析光栅之间的距离，N是相位步进的步数，Ik(m, η)是第k步采集到的图像中像素(m，η)的灰度值，k是累加求和过程中的变量； 步骤17:利用公式叫m，外::扣除系统背景，计算出样品室旋转过程中，每个投影方向纯样品的折射信息； 步骤I 8:利用优化的滤波反投影算法δ(χ, j, z)Kte=-[ ?φ\ [0r(xr, φ, z) * F—1 (-...Μ—)].J(xcos- + ysin φ - xr)dxr 重建出试验样品
JO J—WJdJC j p在高能Ve处的三维相位信息；其中δ (X，y, z) M为样品位置(X，y，z)处体积单元在高能Vs下折射率的实部，Φ是样品围绕旋转轴转动的角度变量，&是随样品转动的坐标变量，X和I是垂直于光轴平面内的两个坐标变量，z是在垂直于xy平面方向的坐标变量，ΘΦ,ζ)是样品在Φ角度位置处投影图像中像素(Xr，Z)处的折射角，Γ1代表傅里叶反变换，P是频域区间的坐标变量，j是复数，5 (XCOS(J)+ysin Φ-X1^是狄拉克δ函数。
11.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述调节X光机的管电压到低能^处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出低能Vis处样品的三维相位信息，包括:步骤19:把X光机的管电压调到低能Vffi处，调用Itjffsrt和I^e，利用公式
In=Hn=N
Σ [丨(m.,丨.1)]^I(_) = [Ι,^(?,η)-Ι^(η,η)]> ； ]K 、丨…的图像进灯offsetMxNx [I?u(m,n)-1offset (m,n)]校正和gain校正；其中I(m, η)是校正完毕后图像中像素(m, η)的灰度值，Iacquire(m? n)是探测器采集的图像中像素(m, η)的灰度值，1ffset (m? η)是Offset图像中像素(m, η)的灰度值，是Gain图像中像素(m，n)的灰度值;M是探测器水平方向的像素数量，N是探测器垂直方向的像素数量；步骤20:在X方向高精度移动分析光栅，进行相位步进扫描，同时利用探测器采集并保
"■ a；f
^ ? Z^(^w)*sin存图像，相位步进扫描完成后，利用公式叫巩")!:1:,, -^-.arctan -7——Λ
2π? 吝计算低能Vffi处样品的折射信息；公式中Θ (m，n)是像素(m，n)处的折射角，N是相位步进的步数，k是累加求和过程中的变量，Ik(m, η)是第k步采集到的图像中像素(m，η)的灰度值，P2是分析光栅的周期，d是样品室和分析光栅之间的距离； 步骤21:在Y方向把样品室旋转1°，重复步骤20; 步骤22:重复步骤21，直到样品室完成360°的转动为止；步骤23:把样品室移出视场，在X方向高精度移动分析光栅，进行相位步进扫描，同时利用探测器采集并保存图像，相位步进扫描完成后，利用公式
—.左/A(w,?).sin[2;r.去)^K?)S=^*arctan专-Γ^\计算出高能处成像系统背景的折射信
[ 艺 4(/w，《).cos 2π—
_ k=lK N J —息；公式中Θ (m, η)是像素(m，η)处的折射角，N是相位步进的步数，k是累加求和过程中的变量，Ik(m, η)是第k步采集到的图像中像素(m，η)的灰度值，P2是分析光栅的周期，d是分束光栅与分析光栅之间的距离；步骤24:利用公式外外"VO=扣除系统背景，计算出样品室旋转过程中，每个投影方向纯样品的折射信息；步骤2 5:利用优化的滤波反投影算法M' y, ζ)?*=-? ?φ\ [没,.(Xr，卢，'-J^L^i^xcosi^ + ysiru/1-A.X 重建出试验样品
jo j-CoInjp在低能V低的三维相位信息；其中δ (X，y，z)K|g为样品位置(x，y，z)处体积单元在高能V高下折射率的实部，Φ是样品围绕旋转轴转动的角度变量，&是随样品转动的坐标变量，X和y是垂直于光轴平面内的两个坐标变量，z是在垂直于xy平面方向的坐标变量，(Xy φ ,z)是样品在Φ角度位置处投影图像中像素(Xr，z)处的折射角，Γ1代表傅里叶反变换，P是频域区间的坐标变量，j是复数_/=λ/=^?，δ (χοοβφ+ysin Φ-Xr)是狄拉克δ函数。
【文档编号】G01N23/087GK104132953SQ201410384492
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】吴自玉, 王圣浩, 胡仁芳, 韩华杰, 张灿, 王志立, 高昆 申请人:中国科学技术大学