CN101576515A - X射线光栅相衬成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种X射线光栅相衬成像系统及方法，包括：X射线发射装置，向被检测物体发射X射线束；第一和第二吸收光栅，位于X射线束发射方向上，被检测物体折射的X射线经由该第一和/或第二吸收光栅形成强度变化的X射线信号；检测单元，用于接收强度变化的X射线，并转换为电信号；以及数据处理单元，处理并提取该电信号中折射角信息，并利用折射角信息计算出像素信息；成像单元，用于构建物体的图像。另外，还可利用一旋转结构，旋转物体实现CT成像模式，获得多个投影方向的折射角及相应图像，并使用CT重建算法计算出该被检测物体的折射率断层图像。本发明使用通常的X光机，以及十微米量级以上周期的光栅实现近分米量级视场的相衬成像。

Description

X射线光栅相衬成像系统及方法

技术领域

本发明涉及透视成像领域，具体涉及用X射线对物体进行照相成像以及CT成像。

背景技术

传统的X射线成像技术是利用物质材料对X射线的衰减特性来非破坏性地检查物体的内部结构。如果物体内部的各部分结构组成的密度差异明显，则传统的X射线成像技术的效果尤为显著。但是，以轻元素(例如氢、炭、氮和氧)构成的物质，它们对X射线来说是弱吸收物质，所以用传统的X射线成像技术几乎看不到它们内部的具体结构。即使是用其它辅助的手段，例如给生物组织打上造影剂也很难得到清晰的图像。

二十世纪九十年代中期，由于第三代同步辐射装置的发展，硬X射线位相衬度成像(phase-contrast imaging，简称相衬成像)技术应运而生。相衬成像技术，就是通过捕捉X射线的相移信息来观察物体内部的电子密度变化，从而揭示物体的内部结构。相衬成像技术使X射线成像的空间分辨率由毫米量级推进到微米量级甚至纳米量级，并将X射线成像可检测的物质范围由对X射线高吸收的重元素物质扩展到弱吸收的轻元素物质。

至今，借助同步辐射射线源的高亮度和良好的相干性，相衬成像技术已经发展了至少4种的成像方法：干涉法、类同轴成像、衍射增强成像和光栅相衬成像等。这些技术与传统X射线成像技术、MRI技术、超声技术等各种现有成像技术相比具有独特的优势，因此，相衬成像技术已经成为X射线成像领域里最前沿的技术之一。然而，相衬成像技术对X射线源的苛刻要求和自身的成像特点，极大限制了它在医学上的临床应用。

首先，从X射线源方面来说，同步辐射装置的造价昂贵、体积庞大，视场小(十毫米量级)，限制了它的应用范围。另外一个选择是微焦点X射线源，它发出的X射线具有部分相干性，可以实现相衬成像。但是，微焦点X射线源亮度非常低，因此探测器需要曝光时间相当长(几十秒甚至几分钟)，这也是临床应用所不能容忍的。如果能在通用X射线机上实现相衬成像，那么将是非常有实际价值和意义的事情。

其次，从相衬成像方法的自身特点而言，干涉法、类同轴在实际使用中受到一定的限制。由于干涉法、类同轴成像通过观察相干X射线的干涉现象或Fresnel衍射现象来获取位相信息，都需要具有很高空间相干性的X射线源和分辨率达微米量级的探测器。但是这两种装置都很昂贵，而且微米分辨率的探测器的面积一般都很小(几平方厘米左右)，这就决定了整个成像系统的视场也比较小，从而做不了大样品的成像检查。衍射增强成像方法虽然可以使用通用X射线机和分辨率不那么高的探测器来实现高对比度(密度分辨率)的物体边缘增强的成像，但是光路中单色晶体的单色作用使得视场扁小，单色光亮度降低。因此，这些相衬成像方法在医学临床应用中具有一定的局限性。

在2002年，瑞士PSI(Paul Scherrer学院)的David C等人年在ESRF(European Synchrotron Radiation Facility，欧洲同步辐射装置)上用2个相位光栅和1个分析晶体形成的光路上首次实现了基于光栅衍射Tabot效应的硬X射线光栅相衬成像方法。2003年，日本的Momose A等人在Spring-8上也展开了基于位相光栅和吸收光栅的光栅相衬成像方法的研究，提出用两个光栅提取一阶位相信息的技术。在2003年，瑞士PSI的Weitkamp T和Pfeiffer F等人在David C工作的基础上在SLS(Swiss Light Source，瑞士光源)和ESRF上同样实现了基于2个光栅的相衬成像技术。然而，上述方法都是基于同步辐射射线源上进行的，视场都很小，极大限制了相衬成像的应用。

在2006年，Pfeiffer F等人于2006年取得了重要的突破，他们使用三块功能不同的光栅实现了基于通用X射线机的光栅相衬成像方法，克服了衍射增强成像方法视场小的缺点，得到了接近64mm×64mm大小视场，从此为相衬成像技术的实际应用开拓了切实可行的道路。但是，他们所建的光栅相衬成像系统的成像时间比较长(曝光时间为40秒)，无法进行活体实验。这种方法使用了源光栅(sourcegrating)将X射线机射线源分成一系列宽度在25微米到50微米之间的、互不相干的线射线源。单个线射线源的发出的X射线是部分相干的，与相位光栅作用产生Talbot效应。在本质上，这种成像方法利用源光栅使通用X射线机发出的非相干光产生部分相干性，再利用光栅衍射的Talbot效应来实现相衬成像。

因此，现已有的所有的相衬成像方法(包括光栅相衬成像方法)的本质是利用相干或者部分相干的X射线的干涉或衍射现象来增强辐射图像的低对比度分辨率(也就是密度分辨率)。因为通用X射线机发出的X射线是多色、非空间相干的，根据Talbot效应原理，对于现有的光栅相衬成像技术来说，必须使用3个不同功能的光栅来实现，而且，相位光栅和吸收光栅之间的距离(被称为Talbot距离)必须选取恰当，才能满足多色条件下Talbot效应的成像要求。为了实现在硬X射线的光栅衍射，对光栅的制作提出了很高的要求：微米量级周期的精度、大深宽比。这些不利因素将极大限制光栅相衬成像技术在医学和工业上的实际应用。

发明内容

本发明提出一种采用非相干方法实现的相衬成像系统，其使用两个吸收光栅在多色、非空间相干的射线源(通用X射线机)下获得X光穿过物体后的一阶微分相移信息，从而由此重建物体的图像。

根据本发明的一个方面，提供一种X射线光栅相衬成像系统，用于对物体进行成像检测，该系统包括：X射线发射装置，用于向被检测物体发射X射线束；第一和第二吸收光栅，二者依次位于X射线方向上，经被检测物体折射的X射线经由该第一和第二吸收光栅形成强度变化的X射线信号；检测单元，接收所述强度变化的X射线，将X射线信号转换为电信号；以及数据处理单元，处理所述电信号，提取电信号中的X射线折射角信息，并利用所述折射角信息取得物体的像素信息；成像单元，利用所述像素信息重建物体的X射线投影图像。

根据本发明的第二方面，提供一种利用X射线对物体进行成像检测的方法，该方法包括：向被检测物体发射X射线束；使经物体折射的X射线经由第一和第二吸收光栅形成强度变化的X射线信号；接收所述强度变化的X射线，并将接收到的X射线信号转换为电信号；以及从所述接收的电信号中，提取X射线束经过物体的折射角信息，以及利用预定的算法得出物体的像素信息。

根据本发明的第三方面，提供一种X射线光栅相衬CT成像系统，其除了包括第一方面所述的系统组成外，还包括一个旋转结构，用于使得被检测的物体相对于X射线源和光栅、检测单元等进行旋转。所述CT成像系统在CT模式下，可以通过旋转被检测的物体，获得各个投影角度下的折射角信息及相应的平面像素信息，进而利用预定算法来重构物体内部的折射率分布的断层图像。

本发明最大的优点是完全摆脱了对射线源相干性的依赖，没有Tablot距离的限制，而且能使用十微米量级以上的周期的光栅实现近分米量级视场的相衬成像。与传统X射线成像相比，本系统能够对弱吸收物质(例如乳腺、血管和肌肉等软组织、纤维材料、昆虫等)进行高对比度的成像。与现有相衬成像相比，无需考虑光源的相干性条件，同时也降低了微米量级周期、大深宽比光栅的制作难度要求，并可很容易地推广到使用高能量(＞40keV)X光进行相衬成像。而且，本发明的相衬成像系统与传统X射线成像系统天然兼容，只需要在传统X射线成像上架设两光栅平动旋转系统即可实现。本发明将进一步降低相衬成像实际应用的门槛，为相衬成像走向医学、生物学、工业材料等领域应用开拓崭新的思路和途径，具有重大的实际意义和应用价值。

附图说明

图1示出本发明的光栅相衬成像系统的示意图；

图2示出在不同焦点尺寸的射线源照射条件下，两个光栅使用相位步进技术时所对应的模拟光强变化曲线；

图3示出X光与物体相互作用后的波阵面变化情况；

图4示出X射线被物体折射的示意图；

图5示出两个吸收光栅的对X射线的“光闸”作用；

图6a和图6b分别示出根据本发明的CT模式的两种方式；

图7示出在利用光栅相位步进技术时检测面上某点在经被测物体折射后与未经折射情况下所检测的X射线的光强变化曲线的比较；

图8a-8d分别示出使用折射角重建图像的三个示例；

图9示出本发明中使用莫尔干涉法所测条纹的示意图；

图10示出根据本发明一个实施例的示意图，其中在射线源前面加一个多缝准直器；以及

图11示出根据本发明另一实施例的示意图，其中被测物体放置在两吸收光栅之间。

具体实施方式

根据本发明构思设计的一种X射线光栅相衬成像系统，参见附图1所示，其主要包括以下部分：

X射线发射装置(图1中用射线源表示)，其用于向被检测物体(图中用物体表示)发射X射线束；第一和第二吸收光栅(在图中分别表示为光栅A和光栅B，其周期分别为p₁、p₂)，其平行地依次位于X射线束的发射方向上；检测单元，图中用探测器表示，用于接收所述X射线，通过信号转换技术(例如，数字化摄影技术(DR))将X射线信号转换为电信号；以及数据处理单元(图中并未示出)，用于从所述电信号计算得出X射线经过被检测物体后的光强变化信息，并利用所述光强变化值计算得出X射线的折射角信息，以及利用折射角信息计算出所述被检测物体的像素信息；成像单元(图中未示出)，根据所述的折射角信息(像素信息)重建物体的图像并显示出。

如后文所述，在X射线光栅相衬成像系统的CT使用模式中，可以获得多个投影面的折射角信息，病根据所述折射角信息利用预定CT构图算法来重构物体内部的折射率分布的断层图像。

现就各组成部分及具体操作作进一步说明。

X射线发射装置

不同于前面背景技术中提到的3光栅相衬成像技术，本发明的相衬成像可以使用非相干的射线源直接照射。也就是说，本发明的相衬成像技术不依靠射线源的相干性(包括时间相干性和空间相干性)，也不需要考虑光栅衍射或者Talbot效应，也能得到相衬图像。当不需要考虑X射线的相干性时，成像系统可用几何光学近似理论来描述。根据光衍射原理，X射线与光栅A不产生衍射的条件是：

$p_0>>\frac{l}{p_1}\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

可以看出，当光栅A的周期即p₁越大，则方程式右侧的值越小，因此本发明采用较大周期的光栅也能够得到满足要求的相衬图像。假设光栅A的周期为20微米，射线源到光栅距离2米，则

而通用X射线机的焦点尺寸至少几十微米或几百微米以上，所以通用X射线机满足本发明系统的要求。20微米周期的光栅与现有光栅相衬成像技术要求2或4微米周期的光栅相比，制作难度将大大降低。

然而，也并非射线源焦点尺寸越大就越好，它受制于两个吸收光栅的相位步进技术的精度要求。图2所示，是在例如两吸收光栅的周期分别为20微米和22微米，源到光栅A距离2米，两光栅之间距离0.2米时，在不同焦点尺寸的射线源照射条件下，两光栅使用相位步进技术时某点所对应的模拟光强变化曲线。其中横坐标为步进大小(0.5微米/步)，纵坐标为光强值。要注意的是，根据式(2)估算的结果，焦点尺寸为1微米的射线源发出的X射线是相干的，但为了方便和较大焦点的射线源进行比较，也同样在几何光学近似下的获得的。从图2发现，焦点尺寸越大，光强变化曲线就越平滑，直至焦点尺寸等于220微米时成为一条直线。也就是说相位步进技术不再起作用。当焦点尺寸大于220微米时，光强变化曲线呈现其它变化趋势。可以推算出射线源焦点尺寸的临界值为p_0，critical：

$p_{0,\mathrm{critical}}=\frac{l}{d}{p}_2---\left(3\right)$

根据图2所示，因为当焦点尺寸大于这个临界值时仍有光强变化，仍可根据这一点获得相衬效果的图像，但衬度效果没有当焦点尺寸小于p_0，critical的情况要好。根据上述结果，可以得出，在p_0，critical范围内，焦点尺寸越小，光强变化曲线越陡，那么提取出来的相衬图像的衬度也越高。优选情况下，射线源焦点尺寸大小p₀要求不超过p_0，critical的一半。当然，如果射线源焦点尺寸p₀大于该临界值的话，也可以采用其他方式来解决此问题。其中一种方法是在焦点尺寸大于p₀的射线源之前放置多缝准直器(例如，图10所示)，这样将大射线源细分为一系列等效的小焦点线射线源，为了提高图像衬度，每个小焦点线射线源的焦点尺寸大小p_0，i也要求不超过p_0，critical的一半。当然，射线源焦点大小也可以大于p_0，critical，这样相衬图像的衬度由当时的光强变化曲线来决定。自然，本领域技术人员可以理解，在采用多缝准直器的情况下，所述距离l实际上是光栅A与该多缝准直器之间的距离，而不是与实际射线源之间的距离。在射线源之前放置多缝准直器来形成具有期望焦点大小的光源的方法为本领域技术人员所公知，因此这里将不再详述。

由于射线源可以是焦点尺寸较大的X射线源，因此通常的商用X射线机即可满足要求。区别于传统X射线成像，本发明的相衬成像技术要求射线装置的工作电压最好设置在5-40kVp条件下(具体数值由吸收光栅的金高度决定，也就是说金的高度越高，允许使用的工作电压则越高)。

优选地，本系统适合使用小焦点源，它的焦点尺寸优选在50-1000微米之间。但如果使用微焦点设备(焦点小于50微米)，则由于射线源的空间相干性增加，吸收光栅将产生Talbot效应。这种情况和PfeifferF的光栅相衬方法的原理一致。这样，另外一块吸收光栅只有放置在Talbot距离的位置点上才能有比较好的成像效果。如果使用焦点大于1000微米的射线装置，那么图像边缘模糊会增加，从而不利于图像衬度的增强。对于这种情况，可以在射线源前面放置多缝准直器(每条缝的宽度大小在50-200微米之间)，如图10所示，这样将大射线源细分为一系列等效的小焦点尺寸线射线源，虽然图像的空间分辨率仍由射线源焦点尺寸决定，但各线射线源产生的衬度高的图像叠加在一起，仍能得到一个衬度相当高的相衬图像。

光栅部分

通用X射线机发射的X射线束可以是扇束、锥束或平行束。本发明中优选地是锥束，因此本发明相衬成像系统所采用的两个吸收光栅的周期也优选地要求成几何比例关系，即：

$\frac{p_1}{p_2}=\frac{l}{l+d}---\left(4\right)$

其中，l为射线源到第一个光栅A的距离，d为两个吸收光栅A和B之间的距离。

因此，与原有光栅相衬成像技术相比，本发明的相衬成像照相及其CT系统中两光栅之间的距离d，与所发射的X射线的波长λ无关，因此与Talbot距离无关，可根据实际情况需求由式(3)和(4)而定。

又如图1所示，光栅部分包括两个吸收光栅，光栅A和光栅B，其结合使用用于提取穿过物体的X射线的一阶相位变化信息。具体地，对于吸收光栅，一般利用MEMS技术在硅片衬底上电镀上重金属材料(例如Au)线条作为光栅不透光部分；另外也可使用在重金属材料上刻划出光栅。光栅A和光栅B平面都平行于探测器平面(XY方向)。光栅的面积大小决定了整个相衬成像系统的视场大小。举例说明，若光栅的衬底为4英时硅片，则系统的视场在直径10cm的范围内。

优选地，两个吸收光栅的周期在2-30微米之间。所述光栅使用重金属作为吸收材料，以金(Au)为例，金的高度由使用的X射线的能量决定，在10-100微米之间。例如，对20keV的X射线来说，金的高度大于16微米能阻挡90％的X射线，这样能获得衬度比较好的相衬图像。其中，光栅A的周期为p₁，光栅B的周期为p₂，占空比(duty cycle)一般为1。如图1所示，两个光栅之间的距离为d。

检测单元

检测单元包括探测器，故图1中用探测器表示所述检测单元，用于检测和记录X射线的波阵面上的强度变化。优选地，所述探测器可以是矩阵探测器，其中的每个探测元可以检测射到该单元上的X射线的强度变化。本系统中的(x射线)探测器，与其它相衬成像方法相比，对探测器的空间分辨率(象素大小)的要求不高：不必要求十几微米、甚至几微米的高分辨率，而是可只使用几十微米或几百微米量级的分辨率。当然，如果探测器的空间分辨率越高，则最终相衬图像的信息越清晰。由于相衬成像的优点是能提高图像的密度分辨率(对比度分辨率)，所以数字化摄影技术DR对探测器的动态范围有比较高的要求(＞12bits)。每个探测元可以探测到射到其上的X射线的光强变化(如图6所示)。其中，光强可以转变为电信号。

提取X射线束经过物体的折射角信息

现以举例方式，说明利用例如数字化摄影技术(DR)从接收到的信号中提取X射线的一阶相位信息，以及进而得到折射角信息。

众所周知，X射线具有“波粒二象性”。以波动性来看，X射线具备透射、反射、折射、偏振、相干和不相干散射、衍射等波动性质。当X射线穿过某一物体的时候，X射线的振幅因为物体对它的吸收而减弱；同时，X射线与物质原子相干散射使X射线产生了相移(phase shift)，宏观上表现为X射线的波阵面产生变形。也就是说，X射线在穿过物体时发生了折射现象，如图3所示。在宏观上，X射线与物质之间的相互作用可以用物质对X射线的复折射率n来描述：

n＝1-δ-iβ(5)

其中δ与物质的相移截面p相关，β与物质的线性吸收系数μ相关，它们之间的关系如下表示

$p=\frac{2\mathrm{\π\δ}}{\mathrm{\λ}},$ $\mathrm{\μ}=\frac{4\mathrm{\π\β}}{\mathrm{\λ}}---\left(6\right)$

其中λ为X射线的波长，δ被称为位相因子，β被称为吸收因子。对X射线来说，δ一般为10^-5左右，所以n小于1，因而X射线在物质分界面上只发生微小的折射，可用折射角Δθ表示(约为微弧度量级)。假设在二维XY平面上，X射线沿笛卡儿坐标系X轴方向传播，如图4所示，被物体折射的X射线的传播偏离原来方向的折射角近似为

$\mathrm{\Δ\θ}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(y\right)}{\∂y}---\left(7\right)$

其中Φ(y)表示X射线沿传播路径M上的总相移。经过物体内部某几何点的X射线的相移为p(x，y)dx，则沿传播路径积分可求得总相移为

$\mathrm{\Φ}\left(y\right)=\underset{M}{\∫}p(x,y)\mathrm{dx}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\underset{M}{\∫}\mathrm{\δ}(x,y)\mathrm{dx}---\left(8\right)$

结合式(7)和(8)，得出

$\mathrm{\Δ\θ}=\underset{M}{\∫}\frac{\∂\mathrm{\δ}(x,y)}{\∂y}\mathrm{dx}=-\underset{M}{\∫}\frac{\∂n(x,y)}{\∂y}\mathrm{dx}---\left(9\right)$

式(9)表明，折射角Δθ是物体内部折射率一阶微分的沿传播路径的积分。只要我们能够测量出折射X射线的折射角Δθ，就可根据式(9)并结合相衬CT重建方法求解出物体内部折射率n的分布。

因此，如何测量折射角Δθ是本发明的两光栅相衬成像技术的核心。根据几何光学近似理论，两吸收光栅的作用相当“光闸”一样。当两吸收光栅相对运动的时候，光栅对X射线来说就像闸门一样时开时闭，从而引起检测单元的探测元上的光强变化。例如参见图5所示，从两光栅相衬成像系统的二维平面图观察。举例说明，在没有物体的情况下，X射线1被光栅A遮挡即被Au吸收，X射线2不被两光栅遮挡而顺利到达探测元。当在光路上放上物体后，X射线1被物体折射后的折射角为Δθ₁，X射线2被物体折射后的折射角为Δθ₂。这时情况发生变化，X射线1因折射而顺利避开两光栅的遮挡到达探测器，X射线2则被光栅B遮挡从而被Au吸收。这样一来，探测器所探测到的光强变化反映了X射线被物体折射的情况。

具体地，例如利用数字化摄影技术(DR)通过相位步进技术或莫尔干涉测量法可得出折射角信息。

需要注意的是，本发明涉及的光栅相衬成像使用的射线源是多色射线源，因此本系统所获得的信息都是平均能量(λ)意义下的折射角信息(Δθ_λ)、一阶相位信息

和折射率信息(n_λ)。

为帮助更好地理解本发明，下面分别讨论上述的相位步进(Phasestepping)技术和莫尔干涉测量法(Moire interferometry)。

相位步进技术

对于图5所示的系统，两光栅(A、B)相对运动：例如，光栅A固定不动，光栅B沿X方向在光栅周期p₂距离范围内平移N(N＞1)步(也可以光栅B固定不动，光栅A沿X方向步进)。光栅B每平移一步，系统采集一次图像；在平移距离范围内采集N张图像后，可获得每个象素(探测器的探测面上的每个点)在一个光栅周期内光强变化曲线的分布情况。该光强变化函数的形状类似于正弦函数：

其中A表示振幅，B与光栅周期相关，表示相位。举例说明，取塑料模型(见附图8a)内部的某个象素与背景部分的某个象素的光强变化曲线进行比较，见图7(为更好地表现差异，两光栅相对平移了一个半周期)。从图7可发现，当X射线被物体折射后，其光强变化曲线相对于背景的光强变化曲线发生了移动。光强变化曲线可用正弦函数来描述，那么光强变化曲线的移动Δf对应着正弦函数的相位变化

显然，当两光栅相对运动一个周期p₂，则正弦函数相位

变化2π，所以有

而Δf是由于X射线被折射引起的，它与折射角的关系是：

Δf＝dΔθ  (12)

联合式(11)和(12)，有

由此，得到折射角和X射线的相位变化之间的关系，而

也可以通过比较和计算得出。

举例说明在下述实验条件：X射线源的焦点尺寸为400微米，光栅A和光栅B周期分别为20和22微米，源与光栅A距离l为1916.4mm，两光栅距离d为191.6mm，探测器分辨率127微米。X射线发射装置设置为高压27kVp，电流9.6mA。两光栅相对运动的步长1微米，共步进22步，每步各采集一张投影数据。被测物体是直径1厘米的塑料模型(如图8a所示)。为尽量消除噪声的影响，每张投影图像共采集400张图像进行叠加。最后根据式(13)计算的折射角图像如图8b所示。从图8b发现，塑料模型内部的三个孔地结构的边缘清晰地表现出来了。图8c和8d显示了在同样系统条件下测量出来的小老鼠的后爪和尾巴的折射角图像。

莫尔干涉测量法

使得光栅A和光栅B基本上平行，但两者相对地旋转一微小角度ε。根据莫尔干涉的原理，当X射线照射到这两块光栅后，在探测器上会观测到莫尔条纹，条纹周期为

$w=\frac{p_2}{\mathrm{\ϵ}}---\left(14\right)$

如图9所示。可见，ε越小，w越大。当X射线经物体折射后，其对应的莫尔条纹也将产生相应的形变，设其偏移量为Δf，则折射角可通过式(15)求出：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\ϵ\λ\Δf}}{2\mathrm{\πd}}---\left(15\right)$

由此也可以计算得出折射角信息。

综合上述，可以通过两种信息提取技术得到所需的折射角信息。

图像显示

利用前述方法获得的X射线折射角(Δθ)信息，可通过一定的算法，例如线性映射法、查表算法，等得出这个点上的像素信息。例如，可以利用线性映射法计算像素值的公式来实现：

$z=\frac{{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_i-{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_{\min }}{{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_{\max }-{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_{\min }}\×255---\left(16\right)$

其中，z为0-255范围内的像素数值。这样，X射线经过物体上的每一点所发生的折射角Δθ就可以转化为这一点的像素信息。利用得到的关于物体每一点的像素信息，可以得出物体的图像象素值并在显示器上显示。

CT图像重建

源□光栅□探测器三者不动，旋转物体；或者物体不动，源□光栅□探测器三者同时绕物体旋转，均可实现对物体的相衬CT成像。

对每一个投影角度φ，均采用相位步进技术或莫尔干涉测量法计算当前投影角度的折射角信息Δθ_φ：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\φ}}=\underset{M}{\∫}\▿\mathrm{\δ}(x,y,z)\mathrm{dl}---\left(17\right)$

其中l表示X射线传播路径。

而传统CT技术的基于线性衰减系数的投影数据表达公式为

$U=\underset{M}{\∫}\mathrm{\μ}(x,y,z)\mathrm{dl}---\left(18\right)$

其中U表示

I和I₀分别为出射光强和入射光强。我们发现，式(17)与式(18)非常类似。因此可以借鉴传统CT重建算法来重建物体的折射率n(或相位因子δ)分布。

如图6所示，本发明的两光栅相衬CT成像系统，根据物体旋转中心轴与光栅平行方向(图1中Z方向)相互关系，可将CT模式分为2种方式：物体旋转中心轴与光栅平行方向互相平行的方式(平行方式，如图6a所示)；物体旋转中心轴与光栅平行方向互相垂直的方式(垂直方式，如图6b所示)。这两种方式的相衬CT重建公式是不一样的。

1)平行方式

在平行模式里，折射角信息Δθ_ψ可看作一个在XOY平面里的矢量，其矢量方向始终垂直于投影方向。因此，Δθ_φ的矢量方向会随着投影方向的改变而改变，因此就不能直接使用传统衰减CT的重建算法(μ不随投影方向改变而改变)来计算物体的折射率n(或相位因子δ)断层图像。而因采用针对一阶微分投影数据的CT重建算法，需要使用希耳伯特(Hilbert)滤波器对一阶微分投影数据进行滤波，然后再反投影，重建出折射率n(或相位因子δ)断层图像。

若射线源和物体之间的距离比较远，且射线源张角较小的情况下，可使用一阶微分投影数据的平行束CT重建公式来近似重建折射率n(或相位因子δ)断层图像：

$\mathrm{\δ}(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\mathrm{d\φ}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\{{\mathrm{\Θ}}_{l^{\′}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})\·[\mathrm{jsign}\left(\mathrm{\ρ}\right)\left]\right\}{e}^{j2\mathrm{\π\ρ}(x\cos \mathrm{\φ}+y\sin \mathrm{\φ})}\mathrm{d\ρ}---\left(19\right)$

其中 $\mathrm{sign}\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{\&rho;}>0\\ -1,& \mathrm{\&rho;}<0\end{array}\right..$ 式(19)是在频域极坐标系描述。-jsign(ρ)即是希尔伯特(Hilbert)滤波函数。Θ′_l′(ρ，β)是折射角Δθ_φ在频域极坐标上的表示形式。

当然也可直接采用一阶微分投影数据的扇束CT重建公式重建折射率n(或相位因子δ)断层图像，其重建公式在实数域极坐标描述为

其中，Θ(φ，s)是折射角Δθ_φ在实数域极坐标表示。R是源和物体的距离，D是源和探测器的距离，s是探测器上的像素点距离探测器中心的距离，U为反投影权重因子：

实际上射线源发射出来的是锥束X射线，因此可以直接采用一阶微分投影数据的锥束CT重建公式折射率n(或相位因子δ)断层图像，其重建公式用FDK型表述：

其中，

$Y^{\&prime;}=-\frac{D\stackrel{\&RightArrow;}{r}\&CenterDot;{\hat{y}}^{\&prime;}}{R+\stackrel{\&RightArrow;}{r}\&CenterDot;{\hat{x}}^{\&prime;}}$

$Z^{\&prime;}=-\frac{D\stackrel{\&RightArrow;}{r}\&CenterDot;{\hat{z}}^{\&prime;}}{R+\stackrel{\&RightArrow;}{r}\&CenterDot;{\hat{x}}^{\&prime;}}$

${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Theta;}}}_{\mathrm{\&phi;}}(Y^{\&prime;},Z)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\mathrm{dY}\frac{1}{Y^{\&prime;}-Y}\&times;{\mathrm{\&Theta;}}_{\mathrm{\&phi;}}(Y,Z)\frac{D^2\sqrt{R^2+Z^2}}{D^2(1+Z^2/R^2)+Y^2}$

Θ_φ(Y，Z)表示折射角，

是空间向量所指定的点，是X射线传播方向在x-y平面的投影，

是x-y平面中和

垂直的方向，R是射线源和物体间距离，D是射线源和探测器间的距离，Y表示探测器单元的横坐标，Z表示探测器单元的纵坐标。

2)垂直方式

在平行模式里，折射角信息Δθ_ψ可看作一个垂直于在XOY平面的矢量(Z方向)，它不随着投影方向改变而改变，因此可以直接采用传统CT里面的平行束，扇束或锥束等重建公式，重建出

(或相位因子)断层图像。

需要说明的是，本发明的两光栅相衬成像照相及其CT系统中，被检测物体也可以放置在两个吸收光栅之间，如图11所示，原理如上所述，同样也能获得相衬图像。

根据本发明，CT扫描方式可以分为两种，即源和探测器不动，物体自身旋转；或者物体不动，源和探测器绕物体旋转。为实现自动检测的功能，本发明的X射线光栅相衬成像系统进一步包括机械致动系统，受本发明成像系统的控制单元的控制，该机械致动系统包括：旋转装置，用于仅使被检测物体发生相对地旋转。此时，或者仅有被检测的物体发生旋转，而X射线发射装置-光栅-检测单元保持不动；或者，X射线发射装置-光栅-检测单元旋转装置，而物体保持不动。在被检测物体不方便旋转，例如被检测物体过分庞大时，这是尤其方便的。当然，所述物台旋转装置和X射线发射装置-光栅-检测单元旋转装置可以同时存在于该机械控制系统中，或者可以仅采用其中一种装置。

现有技术中已经有多种关于像素处理的具体方法，例如拉伸和突出某部分的像素等，本发明在此处可以借鉴使用。上述处理过程可以通过计算机来实现，其中可以对获得的投影数据进行处理，包括原始数据处理和显示、折射角信息提取、对折射角投影数据重建出物体图像以及绘制三维立体图像等等，并通过显示器显示出来。也就是，本申请所涉及的数据处理单元和显示单元可以由计算机实现。计算机可以是高性能的单个PC，也可以是工作站或机群。显示器可以是CRT传统显示器也可以是液晶显示器。另外，检测单元和数据处理及显示单元可以集成在一个设备上。

综上所述，利用本发明提供的X射线相衬成像系统，可以实现两种成像模式，即照相成像模式和CT成像模式，其对于被检测的物体可以分别实现平面成像和立体成像。

实施例1

在照相成像模式下，被检测的物体相对地固定，然后采用相位步进技术或莫尔干涉测量法，采集X射线经过物体后的折射角信息，并利用各点的折射角信息对物体进行X射线透视成像，从而获得该物体的平面图像。

其中如果使用的探测器是X光胶片或者PI板或者DR探测器设备，可获得两光栅特定相对位置时的物体的透视图像。单个透视图像显示了物体内部各个结构的边界的类似一阶微分的增强效果。如果是DR探测器设备，可使用采用相位步进技术或莫尔干涉测量法计算得到物体的折射角图像(相衬图像)。

实施例2

在CT成像模式下，被检测物体应能够相对于系统的其他部分如光栅、射线源转动。所以，为被检测物体设置一种转动装置，用来旋转被检测的物体，或者是设置一种转动结构使得被检测的物体不动而射线源、光栅等相对地旋转。所述的转动装置或转动结构并未在图中示出，其根据已有公知常识可以具有多种实现方式。并且，这样的转动装置或结构与成像系统的控制部分连接，使得转动与系统(步进和其他)动作相适应。根据相衬CT成像原理，该利用本发明的系统进行物体的CT成像可以获得对物体的各个投影方向进行X射线平面成像，然后将获得的各方向平面投影数据进行相关的CT重建处理，从而获得被检测物体的折射率的断层图像，或立体图像。

尽管已经详细描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，对于目前所给出的公开内容，在不脱离这里所描述的本发明概念的精神范围内可以做出变形。因此，并不意味着本发明的范围局限于所示出的和所描述的特定实施例。

Claims (45)

1.一种X射线光栅相衬成像系统，用于对物体进行透视成像，该系统包括：

X射线发射装置，用于向被检测物体发射X射线束；

第一和第二吸收光栅，位于X射线束的发射方向上，用于取得X射线束经过物体的折射角信息；

检测单元，位于被检测物体和所述第一、第二吸收光栅的后面，用于接收经所述经被检测物体折射的X射线，并将其转换为可识别的电信号；以及

数据处理单元，用于处理所述电信号并从其中计算出X射线束在所述物体的各平面位置处的折射角信息；

成像单元，用于重建物体的图像。

2.如权利要求1的系统，其中，所述X射线装置发射非相干的X射线束，其能量范围在几KeV到几百KeV之间。

3.如权利要求2的系统，其中，该X射线装置包括X射线源，该X射线源的焦点尺寸p₀满足：

$p_0>>\frac{l}{p_1}\mathrm{\&lambda;}$

其中λ为X射线的波长，p₀为X射线发射装置的焦点尺寸，p₁为所述第一吸收光栅(A)的周期，l为所述第一吸收光栅与所述X射线发射装置的射线源之间的距离。

4.如权利要求3的系统，其中，所述X射线源的焦点尺寸不大于所述X射线发射装置的临界焦点尺寸的一半，其中所述X射线发射装置的临界焦点尺寸p_0，critical为 $p_{0,\mathrm{critical}}=\frac{l}{d}{p}_2,$ 其中p₂为所述第二吸收光栅的周期，d为所述第一吸收光栅与所述第二吸收光栅之间的距离。

5.如权利要求1的系统，其中，所述X射线发射装置发射锥形的X射线束。

6.如权利要求1的系统，其中所述第一和第二吸收光栅(A，B)之间的距离满足方程式 $\frac{p_1}{p_2}=\frac{l}{l+d},$ 其中p1、p2分别为第一、第二光栅的周期，l为所述X射线发射装置与第一吸收光栅之间的距离，d为第一和第二吸收光栅之间的距离。

7.如权利要求4的系统，其中X射线源的焦点尺寸大小为50-1000微米。

8.如权利要求6的系统，其中所述第一吸收光栅和第二吸收光栅的周期p₁、p₂在2微米-30微米之间。

9.如权利要求4的系统，其中

所述X射线发射装置包括多缝准直器，其中所述X射线源的焦点尺寸大于所述X射线发射装置的临界焦点尺寸的一半，所述X射线发射装置的临界焦点尺寸为 $p_{0,\mathrm{critical}}=\frac{l}{d}{p}_2,$

所述多缝准直器放置在所述X射线发射装置与所述第一吸收光栅之间，并且优选地，所述多缝准直器每条缝的宽度不大于所述X射线发射装置的临界焦点尺寸的一半。

10.如权利要求1或8的系统，其中所述第一和第二吸收光栅采用重金属作为吸收材料，所述吸收材料的厚度为10微米-100微米。

11.如权利要求1的系统，其中所述检测单元包括矩阵结构的探测元，每个探测元用于检测X射线的强度变化并转化为可识别的电信号。

12.如权利要求1的系统，所述数据处理单元通过对所述电信号进行计算得出X射线的光强变化，并利用所述光强变化的值计算得出X射线经过被检测物体的折射角。

13.如权利要求12的系统，其中所述数据处理单元通过所述折射角信息，计算得出对于所述被检测物体成像的像素信息。

14.如权利要求1的系统，其中所述被检测物体位于所述X射线发射装置与所述第一和第二吸收光栅之间。

15.如权利要求1的系统，其中所述第一吸收光栅和第二吸收光栅分别位于被检测物体的两侧。

16.如权利要求1的系统，其中所述的第一吸收光栅和第二吸收光栅之间具有一个微小角度ε，使得在测量单元的检测面上产生莫尔条纹；由此可以得到在设置被检测物体和未设置被检测物体时在检测面上测量的莫尔条纹变化量；该变化量根据预定的关于所述莫尔条纹变化与折射角之间的关系式，得出X射线经过被检测物体时的折射角信息。

17.如权利要求14或15的系统，其中所述第一吸收光栅和第二吸收光栅与一个步进移动装置相连接，使得第一、第二吸收光栅之一不动，而另一吸收光栅在平行于光栅平面的方向上步进动作。

18.一种利用X射线对物体进行相衬成像的方法，该方法包括下述步骤：

向被检测物体发射X射线束；

使经折射的X射线束穿过第一和第二吸收光栅(A，B)，从而在检测面上形成强度变化的X射线信号；

接收所述强度变化的X射线，将X射线信号转换为可识别的电信号；以及

从所述可识别的电信号，计算X射线的光强变化，以及利用所述光强变化值计算出X射线的折射角信息；

利用获得的折射角信息，计算得出被折射物体的图像。

19.如权利要求18的方法，其中所述X射线为非相干的X射线，其能量范围在几KeV到几百KeV之间。

20.如权利要求18或19的方法，其中，所述第一和第二吸收光栅之间的距离满足方程式：

$\frac{p_1}{p_2}=\frac{l}{l+d}$

其中p₁为所述第一吸收光栅的周期，p₂为所述第二吸收光栅的周期，d为所述第一吸收光栅与所述第二吸收光栅之间的距离，l为所述第一吸收光栅与X射线发射装置之间的距离。

21.如权利要求18的方法，其中所述第一吸收光栅和第二吸收光栅的周期在2微米-30微米之间。

22.如权利要求18的方法，其中还包括利用所述折射角信息，计算得出被检测物体的像素信息。

23.如权利要求18的方法，其中使所述被检测物体位于所述X射线发射装置与所述第一和第二吸收光栅之间。

24如权利要求18的方法，其中使所述第一吸收光栅和第二吸收光栅分别位于被检测物体的两侧。

25.如权利要求18的方法，其中所述第一和第二吸收光栅在成像过程中提取所述X射线经过被检测物体后的折射角信息，其使用了相位步进法或者莫尔干涉法。

26.如权利要求25的方法，其中所述相位步进法包括，第一、第二吸收光栅之一不动，而另一吸收光栅在垂直于光栅缝隙和X射线束的方向上步进动作。

27.如权利要求26的方法，其中在所述的步进动作过程中，测量X射线在检测面上的光强变化曲线，并且将所取得的光强变化曲线与未放置物体时的背景X射线的光强变化曲线相比较，从而得到光强曲线的移动量，根据预定的关于光强曲线移动量和折射角之间的关系式得出折射角信息。

28.如权利要求25的方法，其中所述莫尔干涉法包括：

所述的第一吸收光栅和第二吸收光栅之间具有一个微小角度ε；测量在设置被检测物体和未设置被检测物体时在检测面上测量的莫尔条纹变化量；根据预定的关于所述莫尔条纹变化与折射角之间的关系式，得出X射线经过被检测物体时的折射角信息。

29.一种X射线光栅相衬CT成像系统，用于对物体进行CT成像，该系统包括：

X射线发射装置，用于向被检测物体发射X射线束；

第一和第二吸收光栅，位于X射线束的发射方向上，操作用于取得X射线束经过物体的折射角信息；

检测单元，位于被检测物体和所述第一、第二吸收光栅的后面，用于接收经所述经被检测物体折射的X射线，并将其转换为可识别的电信号；以及

数据处理单元，用于处理所述电信号并从其中计算出X射线在所述物体的各平面位置处的折射角信息；

转动装置，其操作用于使得被检测的物体相对于系统的其他部分转动；

成像单元，通过利用折射角信息重建物体的CT图像。

30.如权利要求29的系统，其中所述X射线发射装置发射非相干的X射线，其能量范围在几KeV到几百KeV之间。

31.如权利要求29的系统，包括一个控制单元，该控制单元与所述转动装置相连接，用于控制所述被检测物体相对地转动。

32.如权利要求29-31中之一所述的系统，其中

所述的第一吸收光栅和第二吸收光栅之间具有一个微小角度ε，使得在所述测量单元的检测面上产生莫尔条纹；

其中通过比较在设置被检测物体和未设置被检测物体时在检测面上测量的莫尔条纹，得到莫尔条纹的变化量；

由该莫尔条纹变化量，所述数据处理单元根据预定的关于所述莫尔条纹变化与折射角之间的关系式，得出X射线经过被检测物体时的折射角信息。

33.如权利要求29-31中之一所述的系统，其中所述第一吸收光栅和第二吸收光栅与一个步进移动装置相连接，该步进移动装置使得第一、第二吸收光栅之一不动，而另一吸收光栅在垂直于光栅缝隙和X射线束的方向上在被移动光栅的一个周期范围内步进动作，由此得出X射线在所述检测单元的检测面上的光强曲线；

通过比较在设置被检测物体和未设置被检测物体时的所述X射线光强曲线，可得出X射线光强曲线的移动量；

根据关于所述光强曲线移动量和X射线经过被检测物体时的折射角之间的关系式，得出所述折射角信息。

34.如权利要求33的系统，其中控制单元还控制所述步进移动装置相连接，用于控制它的步进动作。

35.如权利要求29的系统，其中所述的转动装置在控制下使得被检测的物体在完成一次X射线的扫描成像后，转动一定的角度；然后系统重复X射线束的扫描成像。

36.如权利要求29的系统，其中通过预定的CT重构算法利用获得的平面图像数据来实现重构物体内部的折射率分布的断层图像。

37.一种X射线光栅相衬CT成像方法，用于对物体进行CT成像，该系统包括：

向被检测物体发射X射线束；

使经折射的X射线束穿过第一和第二吸收光栅(A，B)，从而在检测面上形成强度变化的X射线信号；

接收所述强度变化的X射线，将X射线信号转换为可识别的电信号；

从所述可识别的电信号，计算X射线的光强变化，以及利用所述光强变化值计算出X射线的折射角信息；

利用获得的折射角信息，计算得出被折射物体的平面图像；

转动被检测物体，重复上述步骤，并对获得的多个平面图像进行处理从而获得该被检测物体的CT图像。

38.如权利要求37的方法，其中所述X射线为非相干的X射线，其能量范围在几KeV到几百KeV之间。

39.如权利要求37的方法，其中，所述第一和第二吸收光栅之间的距离满足方程式：

$\frac{p_1}{p_2}=\frac{l}{l+d}$

其中p₁为所述第一吸收光栅的周期，p₂为所述第二吸收光栅的周期，d为所述第一吸收光栅与所述第二吸收光栅之间的距离，l为所述第一吸收光栅与X射线发射装置之间的距离。

40.如权利要求37的方法，其中还包括利用所述折射角信息，根据预定的算法计算得出被检测物体的像素信息。

41.如权利要求37的方法，其中所述第一和第二吸收光栅在成像过程中提取所述X射线经过被检测物体后的折射角信息，使用了相位步进法或者莫尔干涉法。

42.如权利要求41的方法，其中所述相位步进法包括，第一、第二吸收光栅之一不动，而另一吸收光栅在垂直于光栅缝隙的方向上步进动作。

43.如权利要求41的方法，其中在所述的步进动作过程中，测量X射线在检测面上的光强变化曲线，并且将所取得的光强变化曲线与未放置物体时的背景X射线的光强变化曲线相比较，从而得到光强曲线的移动量，根据预定的关于光强曲线移动量和折射角之间的关系式得出折射角信息。

44.如权利要求41的方法，其中所述莫尔干涉法包括：

使得所述的第一吸收光栅和第二吸收光栅之间具有一个微小角度ε；测量在设置被检测物体和未设置被检测物体时在检测面上测量的莫尔条纹变化量；根据预定的关于所述莫尔条纹变化与折射角之间的关系式，得出X射线经过被检测物体时的折射角信息。

45.如权利要求37的方法，其中，所述X射线束为平行束、扇束和锥束形式之一。

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