CN100526979C - 基于能量识别的x射线位相成像非相干散射消除装置 - Google Patents

Abstract

一种基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，包括X射线产生及调制系统，待测物固定装置，和后端X射线调制及探测系统三部分。本发明通过选择不同的滤除材料，能保证有效X射线基本没有损失，波长不变的初级辐射几乎可以全部到达X射线探测器，而消除非相干散射对成像质量的影响。本发明能滤除对人体损伤较大的长波长X射线，使得成像过程对人体或生物组织的损伤达到最小，且具有普遍适用、制作简单、低成本、小体积和稳定性好的特点。

Description

基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置

技术领域

本发明涉及X射线位相成像，是一种基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，它可以使X射线位相成像中获得的图像质量得到明显提高。本发明可应用于，但不限于，探测乳腺内微小钙化的乳腺X射线位相成像装置。

背景技术

当一束X射线以一定的方向通过物质时，从微观本质上来看，通常其强度将以三种方式受到衰减：X射线光子被吸收，X射线的相干或非相干散射以及电子偶的生成。电子偶的生成要求X射线光子能量必须达到1.022兆电子伏特，对于常规的X射线产生方式的成像装置影响不大。对于波长较长的X射线和原子序数较大的物体，散射作用和吸收作用相比，常居于无足轻重的地位，只利用X射线的吸收就能得到很好的成像效果；但对于硬X射线和轻元素的物体来说，散射作用就显著了。

一般说来，X射线通过物质的散射作用是相干散射和不相干散射的总和。在入射X射线的交变磁场作用下，电子会受迫振动而成为具有交变电矩的偶极子，成为辐射电磁波的波源，这种电子辐射出来的次级辐射，就是相干散射的X射线，它与原级X射线波长相同，只是方向改变。由于入射X射线在物质中遇到的所有紧束缚电子构成了一群可以相干的波源，散射的X射线将产生干涉现象，即相干散射，又称为弹性散射。至于不相干散射，它是能量较大的原级射线与结合能较小的电子或自由电子发生非弹性碰撞的结果，主要是康普顿散射产生的次级辐射，波长比原级射线长，且随不同的方向而改变。由于散射波长各不相同，散射波之间不能发生干涉现象。总的来说，对波长很长的入射线(如可见光)，在重元素上散射时，由于光子的能量不足以使电子从原子中挣脱出来，则全部散射都将是相干的；对波长很短的入射线(如γ射线)，在极轻的元素上散射时，由于光子的能量大于K电子的结合能，全部散射都是不相干的；介于这两种时，两种散射都可能出现，其相对强度取决于散射体的原子序数和入射线的波长。

微观上的散射作用，在宏观上对应的就是X射线波前位相变化引起的强度改变。在成像科学领域，对于硬X射线，吸收变化正比于1/E²，而位相变化正比于1/E⁴，这里E是硬X射线的能量，因此，位相成像是一种很有潜力的成像方法。对位相成像，在考虑成像光波振幅变化的同时考虑位相变化，作为仅利用振幅吸收得到成像对比度的成像方法的补充和延伸，将得到更好的成像对比度，从而可更灵敏、精确地推断物体结构等相关性质。

对于X射线成像装置，当X射线照射待测物体时，在待测物体中不但有未被吸收的初级辐射透过，而且，还有大量的散射产生，其中既有非相干散射也有相干散射，这些散射光也将大量地穿透物体，到达探测器。对于X射线位相成像装置，相干散射光提供的是有效信息，而叠加在X射线图像上的非相干散射光则降低了X射线图像的对比度和成像的信噪比，尤其是有待成像的细微处，其降低程度取决于散射光的强度。

为了降低散射辐射强度，现有的X射线装置通常采取抗散射格栅来降低散射光的影响。格栅通常由一些有序排列的吸收X射线的结构组织制成，在这些结构组织之间形成供初级射线尽可能少衰减地通过通孔或通透缝隙，这些通孔或通透缝隙对准X射线管焦点。格栅设置在待测物体和X射线探测器之间，使来自X射线管焦点的初级辐射通过，但是基本上吸收了来自待检测物体的以不同角度入射在吸收层上的散射。

格栅的吸收层通常采用具有小体积和高吸收率的铅制成，吸收体之间的通道介质是空气、纤维或者铝。菲利浦公司对此格栅进行了改进，采用非弹性高电阻泡沫材料，特别是聚甲基丙烯酰二酰亚胺作为通道介质，提高了初级辐射的通过率，加强了对散射的吸收。

按照常规方式，防散射格栅由一组金属板条构成，该防辐射格栅允许直射辐射束通过，而由金属板条吸收散射辐射束，则图像接收器的分辩率通常小于两个金属板条之间的间隙，该间隙一般为0.3mm量级。其结果是在所获得的X射线图像上可以看到金属条，这在X射线成像中是很不利的。GE公司对此格栅进行了改进，他们在曝光的过程中移动格栅，利用格栅的特殊位移方式提高图像质量。但在例如1至3毫秒的很短的曝光时间内，也可能因格栅的移动速度不够导致在图像内形成条纹，即使曝光时间较长，也可能因格栅运动方向在曝光过程中发生轻微变化，导致形成干扰性条纹。

为了获得高的图像质量，对X射线散射格栅的特性提出了很高的要求，一方面散射辐射应当尽可能好的被吸收，另一方面初级射线中的绝大部分应当尽可能不衰减的通过散射格栅，可通过格栅的通孔直径和厚度调节来降低撞击到探测器上的散射辐射，但仍有部分散射辐射会到达探测器，且部分初级射线会被吸收，导致图像干扰。此外，格栅的不均匀性，即吸收区偏离其理想位置也会造成格栅在X射线图像中的投影，导致图像干扰。为了尽可能的减少格栅造成的成像干扰，西门子公司甚至借助一种快速试制样品技术，直接在探测器的探测面上为格栅构造一个基础结构，用一种可强烈吸收X射线的材料涂覆填充该结构后，将格栅直接做在了探测器面上。

目前，基于位相变化的X射线成像方法主要是X射线全息和X射线直接位相成像，X射线直接位相成像又可分为干涉法，衍射增强法和直接衍射法三种。除了X射线直接衍射位相成像法以外，以上这些方法的一个共同问题是要求非常精巧的光学系统，需要精细调节，这在实现普遍实用化上都有一定难度。目前，所采用的X射线光源主要是同步辐射X射线源、X射线激光、等离子体光源和X光管。基于同步辐射X光源的位相成像获得了较好的结果，但价格昂贵，体积太大，而X射线激光和等离子体X光源的发展也还不够完善，都难以实用化。X光管作为X射线源，具有亮度较高、体积小、简便易用等优点，但它的时间和空间相干性较差，对于高质量的成像难以直接满足要求。经过改进的微焦点X光管弥补了常规X光管相干性方面的不足，是一种较为合适的实用化X光位相成像光源。

相对于传统的基于吸收的X射线成像装置来说，基于位相变化的X射线成像装置在防散射问题上的要求要更高一些。因为采用X射线直接衍射位相成像方法的X射线成像装置中，探测器并不像传统的基于吸收的成像装置中那样紧贴在待测物体后面，而是向后拉得较远，这就进一步扩大了散射造成的影响。综上所述，较好的消除非相干散射对成像质量的影响，对于X光位相成像装置是至关重要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，尽可能的消除非相干散射对成像质量造成的影响，并且最大限度的透过初级辐射，此外它应具有普遍适用、制作简单、低成本、小体积和稳定性好的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，包括X射线产生及调制系统，待测物固定装置和后端X射线调制及探测系统三部分，其特征在于：

<1>所述的X射线产生及调制系统由位于防辐射外壳中的X射线发生装置、X射线源调制器和位于防辐射外壳上的X射线出射窗构成；所述的后端X射线调制及探测系统由后端X射线调制器和X射线探测器构成；所述的待测物固定装置置于X射线产生及调制系统与后端X射线调制及探测系统之间；

<2>所述的位于防辐射外壳中的X射线发生装置产生X线束的焦点，X射线源调制器和位于防辐射外壳上的X射线出射窗，待测物固定装置，以及后端X射线调制器和X射线探测器同轴；

所述的X射线探测器是X射线CCD、成像板、底片、扫描探测器。

所述的X射线发生装置可以是，但不仅限于，微焦点X光管或同步辐射X射线源，也可以是其他X射线源，如X射线激光和等离子体X射线源等，以及这些X射线源的改进型；

所述的X射线探测器可以是，但不仅限于，X射线CCD，成像板或底片等X射线探测器，也可以是其他X射线探测器，如线扫描探测器等；

所述的X射线源调制器放置于X射线发生装置和待测物固定装置之间，由一种或多种薄层材料平行叠放构成，薄层材料与光轴方向垂直，各薄层的材料和厚度可自由调节，其选取由成像所需波长来决定，选取原理和方法如下：

不同X射线源的光谱范围不同，要获得成像所需波长，首先要选取具有合适光谱范围的X射线源，即光谱范围包含成像所需波长。不同材料在不同波长有不同的透过率，尤其在其共振吸收处，变化极为强烈，通过选择不同的薄层材料，可以滤除较长或较短波长的X射线，获得成像所需近单色X射线，即通过能量识别的方法获取近单色X射线，同时，通过选择材料的不同厚度，可以选择滤除的比例；

所述的后端X射线调制器放置于待测物固定装置和X射线探测器之间，由一种或多种薄层材料平行叠放构成，薄层材料与光轴方向垂直，各薄层的材料和厚度可自由调节，其选取由成像所用波长来决定，用于滤除非相干散射光，选取原理和方法如下：

辐照到待测物的近单色X射线，与待测物发生相互作用后，除了直接透射和被吸收的X射线，还产生大量散射X射线，其中的相干散射X射线波长不变，而非相干散射X射线则会波长变长，即能量变低。通过选择不同厚度的不同薄层材料，利用其在不同波长处的不同透过率，尤其是其共振吸收处的强烈变化，可以滤除这些波长较长，能量较低的X射线，即通过能量识别的方法消除X射线成像过程中非相干散射的影响。

本发明具有普遍适用、制作简单、低成本、小体积和稳定性好的优点。本发明具有普遍适用性，适用于长脉冲或短脉冲和各种常规X光波长的成像装置。现有技术中散射滤除装置的制备都比较复杂，而本发明所用的所有部件都很容易加工和购买，体积也较小。本发明的主要部件都可以实现集成，各元件间不会产生相对位移，可保证X射线源的稳定输出和低故障率，即使有轻微位移，对成像亦无影响，这些对较长的曝光时间和高分辨率的成像是非常重要的。

此外，本发明的滤光装置对成像后的有效X射线基本没有损失，波长不变的初级辐射几乎可以全部到达X射线探测器，而滤除了对人体损伤较大的长波长X射线，使得成像过程对人体或生物组织的损伤达到最小。

附图说明

图1是本发明基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置的一个具体实施例结构位置示意图。

图2是本发明基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置的一个具体实施例X射线源调制器和后端X射线调制器的材料和厚度选择示意图。

具体实施方式

本发明是一种基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，包括：位于防辐射外壳1中的X射线发生装置2，X射线源调制器3和位于防辐射外壳1上的X射线出射窗4，待测物固定装置5以及后端X射线调制器6和X射线探测器7。从功能上可以划分为三大部分。第一部分为由位于防辐射外壳1中的X射线发生装置2，X射线源调制器3和位于防辐射外壳1上的X射线出射窗4构成的X射线产生及调制系统。这一部分用于提供成像所需波长的近单色X射线。第二部分为由后端X射线调制器6和X射线探测器7构成的后端X射线调制及探测系统。这一部分中用于消除成像过程中的非相干散射的影响，获得高质量的X射线成像影像。第三部分为置于X射线产生及调制系统与后端X射线调制及探测系统之间的待测物固定装置5，用来固定待测物，保持待测物与前两部分同轴，并且在成像过程中尽可能的不发生位移。

一种可能的具体实施例：采用了25KeV的钼(Mo)靶X射线发生装置2，其焦点为201，X射线源调制器3由具有不同厚度的薄层材料301和302平行层叠构成，后端X射线调制器6由薄层材料601构成。

其具体工作过程为：

由此Mo靶X射线发生装置2焦点201发出的X射线，经过X射线源调制器3调制后，获得成像所需的近单色X射线，经X射线出射窗4出射。当出射的X射线辐照到待测物固定装置5上的待测物后，在待测物后向产生透射X射线，这其中既有未被吸收或散射的直接透射的初级X射线，也有散射产生的X射线，这些X射线将到达后端X射线调制器6，经过后端X射线调制器6调制后，消除其中的非相干散射，再被X射线探测器7接收，存储为X射线影像。

其特点是：

1、防辐射外壳1中的X射线发生装置2焦点201发出的X射线，经过X射线源调制器3调制后，获得成像所需的近单色X射线，经防辐射外壳1上的X射线出射窗4出射；

2、当出射的X射线辐照到待测物固定装置5上的待测物后，在待测物后向产生透射X射线，这其中既有未被吸收或散射的直接透射的初级X射线，也有散射产生的X射线；

3、待测物后向产生的这些X射线将到达后端X射线调制器6，经过后端X射线调制器6调制后，消除其中的非相干散射，再被X射线探测器7接收，存储为X射线影像；

4、位于防辐射外壳1中的X射线发生装置2产生X线束的焦点201，X射线源调制器3和位于防辐射外壳1上的X射线出射窗4，待测物固定装置5，以及后端X射线调制器6和X射线探测器7同轴；

5、X射线源调制器3放置于X射线发生装置2和待测物固定装置5之间，由两种薄层材料301和302平行叠放构成，薄层材料与光轴方向垂直，各薄层的材料和厚度可自由调节，其选取由成像所需波长来决定，选取原理和方法如下：

不同X射线源的光谱范围不同，要获得成像所需波长，首先要选取具有合适光谱范围的X射线源，即光谱范围包含成像所需波长。在此具体实施例中，成像所需波长为Mo靶的Kα线谱，对应的能量为18KeV，因此，可采用Mo靶微焦点X光管作为X射线源。在25KV的管电压时，在X射线源焦点201发出的X射线光谱如图2(a)所示，可见其中除了18KeV的线谱外，还有大量的能量较低或较高，即波长较长或较短的X射线，此时就要选取能滤除这些较长和较短波长X射线的薄层材料来构成X射线源调制器3。不同材料在不同波长有不同的透过率，尤其在其共振吸收处，变化极为强烈，通过选择不同的薄层材料，可以滤除较长或较短波长的X射线，获得成像所需近单色X射线，即通过能量识别的方法获取近单色X射线。从图2中可以看到钼(Mo)薄层在所需成像波长处具有共振吸收边，能很好的滤除高能X射线，铝(Al)薄层可以很好的滤除低能X射线，而其他金属薄层在此实例能量范围内则无法起到良好的作用，如铅(Pb)。通过选择材料的不同厚度，可以选择滤除的比例，通过计算，从图2中可以看到，在此实施例中，应采用Mo薄层301和铝薄层302来构成X射线源调制器3，其中Mo薄层的厚度大于0.02mm小于0.05mm，Al薄层的厚度大于1mm小于2mm。

6、所述的后端X射线调制器6放置于待测物固定装置5和X射线探测器7之间，由一种薄层材料601构成，薄层材料与光轴方向垂直，薄层的材料和厚度可自由调节，其选取由成像所用波长来决定，用于滤除非相干散射光，选取原理和方法如下：

辐照到待测物的近单色X射线，与待测物发生相互作用后，除了直接透射和被吸收的X射线，还产生大量散射X射线，其中的相干散射X射线波长不变，而非相干散射X射线则会波长变长，即能量变低。通过选择不同厚度的不同薄层材料，利用其在不同波长处的不同透过率，尤其是其共振吸收处的强烈变化，可以滤除这些波长较长，能量较低的X射线，即通过能量识别的方法消除X射线成像过程中非相干散射的影响。如上面第5条所述，Al薄层能够很好的滤除低能X射线，在此实施例中，透过待测物后产生的所有低能X射线均来自于非相干散射，因此，采用厚度大于1mm小于2mm的Al薄层601来构成后端X射线调制器6，能够很好的消除非相干散射的影响，而保留波长不变的有效X射线，得到较高质量的X射线影像。

综上所述，本发明基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，能保证有效X射线基本没有损失，波长不变的初级辐射几乎可以全部到达X射线探测器，而消除非相干散射对成像质量的影响，滤除了对人体损伤较大的长波长X射线，使得成像过程对人体或生物组织的损伤达到最小，具有普遍适用、制作简单、低成本、小体积和稳定性好的特点。

Claims (3)

1、一种基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，包括X射线产生及调制系统，待测物固定装置和后端X射线调制及探测系统三部分，其特征在于：

<1>所述的X射线产生及调制系统由位于防辐射外壳中的X射线发生装置、X射线源调制器和位于防辐射外壳上的X射线出射窗构成；所述的后端X射线调制及探测系统由后端X射线调制器和X射线探测器构成；所述的待测物固定装置置于X射线产生及调制系统与后端X射线调制及探测系统之间；

<2>所述的位于防辐射外壳中的X射线发生装置产生X线束的焦点，X射线源调制器和位于防辐射外壳上的X射线出射窗，待测物固定装置，以及后端X射线调制器和X射线探测器同轴；

<3>所述的X射线源调制器放置于X射线发生装置和待测物固定装置之间，由一种或多种薄层材料平行叠放构成，薄层材料与光轴方向垂直，所述的X射线源调制器各薄层的材料和厚度由成像所需波长来决定；

<4>所述的后端X射线调制器放置于待测物固定装置和X射线探测器之间，由一种或多种薄层材料平行叠放构成，薄层材料与光轴方向垂直，各薄层的材料和厚度由成像所用波长来决定，用于滤除非相干散射光。

2、根据权利要求1所述的基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，其特征在于所述的X射线发生装置是微焦点X光管、或同步辐射X射线源、X射线激光或等离子体X射线源。

3、根据权利要求1所述的基于能量识别的X射线位相成像非相干散射消除装置，其特征在于所述的X射线探测器是X射线CCD、成像板、底片、扫描探测器。

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