CN103365067A - 可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置和方法，装置包括：样品台；光源阵列和光源光栅阵列，均排列在以样品台为圆心的半个第一圆周上、且光源阵列贴近光源光栅阵列设置；探测器阵列和分析光栅阵列，均排列在以样品台为圆心的另外半个第一圆周上、且探测器阵列贴近分析光栅阵列设置；分束光栅阵列排列在以样品台为圆心靠近光源光栅阵列或靠近分析光栅阵列的半个第二圆周上，第一圆周的半径大于第二圆周；在每条连接一光源和一探测器的直线上依次设置的各部件均构成一套成像子系统。本发明提高了图像采集速度，降低样品辐射剂量，有利于对样品内部结构的局部区域实现三维动态观测，可满足医学成像检测等应用需求。

Description

可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置和方法

技术领域

本发明涉及成像技术领域，特别是涉及一种可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置和方法。

背景技术

传统的X射线投影成像术（Radiography）和由此发展起来的计算机断层成像术（Computed Tomography，简称CT）是现代科学技术对人类健康的巨大贡献。一百年以来，该项技术在投影数据采集和重建理论等方面不断地取得新的进展，成为医学、生物、考古、材料科学、安全检查和工业无损检测等领域不可或缺的重要工具。

传统的X射线投影成像术的物理基础是物质对X射线吸收的差别，基于吸收机制的X射线投影成像技术仅对人体骨骼观察的比较清楚，而对人体软组织成像模糊，特别是难以观察到人体内部毫米量级的早期恶性肿瘤（如癌症等）。这其中的原因在于人体软组织主要是由轻元素组成的，轻元素对于硬X射线几乎没有吸收，就象可见光透过水中的一个小玻璃球，几乎没有留下可以察觉的痕迹。因而需要发展一种新方法，能清楚地分辨癌组织和正常组织，这就好象要想办法看清楚水中的一个小玻璃球。科学家发现，X射线经过轻元素物质时，相位变化是吸收变化的一千倍到十万倍，因此X射线相位衬度成像可以提供比吸收衬度成像敏感得多的信号，特别适合观察轻元素构成的物体。

近二十年来，基于X射线相位衬度，发展了四种投影成像方法，分别是晶体干涉仪成像方法、相位传播成像方法、衍射增强成像方法和光栅剪切成像方法。其中，光栅剪切成像方法虽然是本世纪才发展起来，却最有发展前途。它不但能获得样品的折射角图像，重建出样品折射率实部衰减率和折射率实部衰减率导数的三维分布，而且具有和常规X射线光源结合、向医学临床应用发展的前景。除此之外，光栅剪切成像方法中还能利用样品中的散射信号，对样品中的粉末、泡沫、多孔或多晶结构进行成像，并重建出这些结构线性消光系数的三维分布。

目前利用光栅扫描提取相位信息和散射信息是国际上发展的主流，然而，光栅扫描的方法不符合医学成像简便快速的要求。

发明内容

本发明提供一种可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置和方法。

一方面，本发明提供了一种可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置，包括：

样品台、包括多个光源的光源阵列、包括多个光源光栅的光源光栅阵列、包括多个分束光栅的分束光栅阵列、包括多个分析光栅的分析光栅阵列以及包括多个探测器的探测器阵列；

所述光源阵列和所述光源光栅阵列均排列在以所述样品台为圆心的半个第一圆周上、且所述光源阵列贴近所述光源光栅阵列设置；所述探测器阵列和所述分析光栅阵列均排列在以所述样品台为圆心的另外半个第一圆周上、且所述探测器阵列贴近所述分析光栅阵列设置；所述分束光栅阵列排列在以所述样品台为圆心靠近所述光源光栅阵列的半个第二圆周上，或所述分束光栅阵列排列在以所述样品台为圆心靠近所述分析光栅阵列的半个第二圆周上，所述第一圆周的半径大于所述第二圆周；

在每条连接一光源和一探测器的直线上依次设置的光源、光源光栅、分束光栅、分析光栅和探测器，均构成一套成像子系统。

另一方面，本发明还提供了一种基于上述可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置的光栅剪切成像方法，在各组成像子系统中分别执行以下步骤：

调整光源，使光源发射出的光束对准沿连接该光源到与其对称设置的探测器的直线上设置的光源光栅、分束光栅、样品台、分析光栅和探测器，并沿第一圆周或第二圆周的径向垂直方向和径向平行方向分别调整光源光栅、分束光栅和分析光栅位置，使分束光栅的一维多缝产生一维光束阵列，使分析光栅的一维多缝对准所述一维光束阵列；

测量位移曲线，沿第一圆周或第二圆周的径向垂直方向和径向平行方向分别调整光源光栅、分束光栅和分析光栅位置，以调整所述分析光栅和所述一维光束阵列之间发生的剪切位移，通过探测器的各探测单元均采集光强随剪切位移变化的位移曲线，并用三角函数曲线拟合光强随剪切位移变化的位移曲线；

通过探测器探测光强背景和空间位置变化，沿第一圆周或第二圆周的切向调整光源光栅、分束光栅或分析光栅位置，直至把分析光栅和相应的所述一维光束阵列之间的剪切位移调整在光强背景满足成像要求的采集位置；

通过所述探测器采集固定在样品台上的样品对应所述光强背景下的投影像，并将探测器阵列同时采集的多个角度的投影像构成一套投影数据。

本发明提供的技术方案，无须转动样品，即可同时对样品各个视角进行成像，图像采集的速度快，基于光栅剪切原理实现相位衬度成像，基于计算机断层成像原理实现三维成像，可以对样品的内部结构实现三维动态观测，可满足医学检测等方面的应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1（a）和图1（b）为本发明提供的可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置的可选结构示意图；在图1（a）中的光栅剪切成像装置中，分束光栅阵列排列在样品台和光源光栅阵列之间的半个第二圆周上，在图1（b）中的光栅剪切成像装置中，分束光栅阵列排列在样品台和分析光栅阵列之间的半个第二圆周上；

图2为本发明一实施例中样品对X射线光束吸收衰减作用的示意图，其中I₀为入射光，I为出射光；

图3为本发明一实施例中样品对X射线光束产生折射作用的示意图；

图4为本发明一实施例中样品对X射线光束产生散射作用的示意图；

图5为本发明一实施例中光强随分析光栅（四条黑色）相对分束光栅产生的一维光束阵列（条纹填充）沿X轴剪切位移变化的位移曲线，（从左到右）分析光栅（四条黑色）和分束光栅一维光束阵列（条纹填充）之间剪切位移分别固定在暗场位置、左半亮场位置、亮场位置、右半亮场位置、暗场位置；其中

为通光面积一半时的剪切位移；

图中标记示意为：1-光源；2-分束光栅；3-样品；4-分析光栅；5-探测器；6-光源光栅。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1（a）和图1（b）为本发明提供的可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置的可选结构示意图；在图1（a）中的光栅剪切成像装置中，分束光栅阵列排列在样品台和光源光栅阵列之间的半个第二圆周上，在图1（b）中的光栅剪切成像装置中，分束光栅阵列排列在样品台和分析光栅阵列之间的半个第二圆周上。如图所示，本发明实施例提供的可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置包括：用于为样品3提供承载的样品台、包括多个光源1的光源阵列、包括多个光源光栅6的光源光栅阵列、包括多个分束光栅2的分束光栅阵列、包括多个分析光栅4的分析光栅阵列以及包括多个探测器5的探测器阵列。

所述光源阵列和所述光源光栅阵列均排列在以所述样品台为圆心的半个第一圆周上、且所述光源阵列贴近所述光源光栅阵列设置；所述探测器阵列和所述分析光栅阵列均排列在以所述样品台为圆心的另外半个第一圆周上、且所述探测器阵列贴近所述分析光栅阵列设置；所述分束光栅阵列排列在以所述样品台为圆心靠近所述光源光栅阵列的半个第二圆周上，或所述分束光栅阵列排列在以所述样品台为圆心靠近所述分析光栅阵列的半个第二圆周上，所述第一圆周的半径大于所述第二圆周。在每条连接一光源和一探测器的直线上依次设置的光源、光源光栅、分束光栅、分析光栅和探测器，均构成一套成像子系统。

样品可通过样品台装载、调整和固定。光源阵列用于产生多视角同时照明样品的光束阵列。所述光源阵列中每一个光源均能发射一光束，在每一光束上，都有自己的光源光栅、分束光栅、分析光栅和探测器，形成在独立视角获取样品信息的成像子系统；所述光源光栅用于产生多缝光源，其中每一缝光源通过分束光栅均能产生和分析光栅高度对准的一维光束阵列，相邻两缝光源通过分束光栅产生的两套一维光束阵列，以错位一个周期的方式在分析光栅处重合；所述光源数目、光源光栅数目、分束光栅数目、分析光栅数目和探测器数目均相等，且与独立获取样品信息的成像子系统数目相等。

上述光栅剪切成像装置无须转动样品，即可同时对样品各个视角进行成像，图像采集的速度快，基于光栅剪切原理实现相位衬度成像，基于计算机断层成像原理实现三维成像，可以对样品的内部结构实现三维动态观测，可满足医学检测等方面的应用需求。

光栅剪切成像装置中，每套成像子系统相对独立。可选的，在每套成像子系统中：

所述光源为碳纳米管X射线光源，用于在一个视角产生照明样品的X射线光束。

所述光源光栅为一维周期结构的多缝吸收光栅，用于在所述光源产生的光束的照射下产生一维多缝光源；其中每一缝光源通过分束光栅均能产生和分析光栅高度对准的一维光束阵列。

所述分束光栅为一维周期结构的多缝吸收光栅或相位光栅，用于在所述一维多缝光源的照射下，将所述一维多缝光源中来自每一条缝光源的光束分束为一维光束阵列，相邻两缝光源各自产生的一维光束阵列之间错位一个周期。

所述分析光栅为一维周期结构的多缝吸收光栅，用于对所述一维光束阵列进行滤波，产生满足成像要求的光强背景；分析光栅既可以是折射角信号加强或者抑制的调制器，又可以是散射角信号加强或者抑制的调制器。

所述探测器包括多个探测单元构成的一维线阵或二维面阵，用于探测所述光源发出的、经所述光源光栅、分束光栅、样品台承载的样品和所述分析光栅的光束的光强分布。

该方案用于动态观测样品内部的三维结构。

光源光栅、分束光栅和分析光栅是提取样品折射角和散射角信息的关键部件。可选的，所述光源光栅、所述分束光栅和所述分析光栅均为吸收光栅，或所述分束光栅为相位光栅，所述光源光栅和所述分析光栅为吸收光栅。各光栅的厚度可根据实际吸光程度要求设计。一种可选的实施方式例如，所述光源光栅、所述分束光栅或所述分析光栅为吸收光栅时，其栅条厚度为至少使透过光强衰减到入射光强的10%所需的厚度;吸收光栅可采用金或其他重金属制成，以提高其吸光性能；或所述分束光栅为相位光栅时，其栅条厚度需能够使透过光束获得π或π/2的相移。

可选的，所述光源光栅、分束光栅和分析光栅的光栅栅条均竖直设置。

为了提高探测器的角探测灵敏度，所述分束光栅和分析光栅之间的距离为0.1～5米。可选的，第一圆周的半径为1-5米；和/或，所述第二圆周的半径为0.1-4.5米。

可选的，任意两个相邻的光源之间的圆心角均为π/10-π/100。

可选的，所述光源光栅的栅条宽和缝宽的比值为1:1-3:1。

可选的，所述光源光栅的周期与所述分析光栅的周期形成针孔成像关系，针孔是分束光栅上的任意一条缝。

可选的，所述分束光栅的周期为1～100微米。

可选的，所述分束光栅和/或分析光栅的栅条宽和缝宽的比值为1：1的一维多缝光栅，即所述分束光栅的栅条宽和缝宽相等，和/或，所述分析光栅的栅条宽和缝宽相等。所述分析光栅周期由分束光栅周期决定，例如，所述分析光栅的周期等于所述光源中心光线对所述分束光栅周期的几何投影或几何投影的二分之一。

本发明基于光栅剪切成像装置的成像方法中，各组成像子系统中分别执行以下步骤：

步骤1：调整光源，使光源发射出的光束对准沿连接该光源到与其对称设置的探测器的直线上设置的光源光栅、分束光栅、样品台、分析光栅和探测器，并沿第一圆周或第二圆周的径向垂直方向和径向平行方向分别调整光源光栅、分束光栅和分析光栅位置，使分束光栅的一维多缝产生一维光束阵列，使分析光栅的一维多缝对准所述一维光束阵列。

步骤2：测量位移曲线，沿第一圆周或第二圆周的径向垂直方向和径向平行方向分别调整光源光栅、分束光栅和分析光栅位置，以调整所述分析光栅和所述一维光束阵列之间发生的剪切位移，通过探测器的各探测单元均采集光强随剪切位移变化的位移曲线，并用三角函数曲线拟合光强随剪切位移变化的位移曲线；

步骤3：通过探测器探测光强背景和空间位置变化，沿第一圆周或第二圆周的切向调整光源光栅、分束光栅或分析光栅位置，直至把分析光栅和相应的所述一维光束阵列之间的剪切位移调整在光强背景满足成像要求的采集位置。

步骤4：通过所述探测器采集固定在样品台上的样品对应所述光强背景下的投影像，并将探测器阵列同时采集的多个角度的投影像构成一套投影数据。

基于上述光栅剪切成像装置在成像过程中，无须转动样品，即可同时对样品各个视角进行成像，图像采集的速度快，基于光栅剪切原理实现相位衬度成像，基于计算机断层成像原理实现三维成像，可以对样品的内部结构实现三维动态观测，可满足医学检测等方面的应用需求。

为了实现对样品内部局部区域的实时动态观测，可选的，所述光栅剪切三维成像方法还可包括：

步骤5：根据物函数和位移曲线的卷积运算，建立光栅剪切成像方程，根据所述光栅剪切成像方程求出探测器采集的投影数据的数学表达式，根据得到的数学表达式确定至少一种预定的物理参量投影数据的半定量表达式和/或定量表达式。

步骤6：利用CT三维成像原理，根据所述至少一种物理参量投影数据的半定量表达式重建样品的相应物理参量的三维分布，并选择一种物理参量重建后的三维分布对样品内部局部区域进行三维动态观测；或者，利用CT三维成像原理，根据所述至少一种物理参量投影数据的定量表达式重建样品的相应物理参量的三维分布，并选择一种物理参量重建后的三维分布对样品内部局部区域进行三维动态观测。

可选的，所述光强背景包括：亮场背景、左半亮场背景、右半亮场背景和/或暗场背景；所述投影像包括：所述样品在所述亮场背景下的亮场投影数据、在所述左半亮场背景下的左半亮场投影数据、在所述右半亮场背景下的右半亮场投影数据、和/或在所述暗场背景下的暗场投影数据；所述至少一种物理参量投影数据包括：线性吸收系数投影数据、线性散射系数投影数据或线性消光系数投影数据、折射率实部衰减率导数投影数据；所述的根据上述投影数据重建的物理参量包括：线性吸收系数、线性散射系数或线性消光系数、折射率实部衰减率和折射率实部衰减率导数。

换而言之，上述方案基于光栅剪切成像装置成像方法可分为两个层次，第一层次是三维动态半定量成像方法，只须一次曝光，就可以获得三维动态观测的半定量投影数据；第二层次是三维快速精确成像方法，只须三次曝光，就可以获得三维快速精确重建的定量投影数据。

例如，按照光束传播顺序，每个成像子系统的光栅剪切成像依次由三个简单的物理过程组成：（1）分束光栅对入射光束进行分束，产生照射样品的一维光束阵列，（2）样品对一维光束阵列产生吸收、折射和散射作用，（3）分析光栅选择合适位置，产生满足成像要求的光强背景，并对经过样品作用的一维光束阵列进行滤波，探测器采集样品吸收、折射和散射产生的光强信号。成像过程一般可以写成物函数和成像系统脉冲响应函数的卷积。因此，上述三个简单的物理过程可以重组为无样品过程和有样品过程。无样品过程反映的是成像系统的特性，通过它可以获得描述成像系统特性的脉冲响应函数；有样品过程描述样品经过成像系统作用的成像过程，可以用物函数和成像系统脉冲响应函数的卷积来表达。要对光栅剪切成像进行数学描述，首先要建立物函数的数学模型，其次求出描述成像系统特性的脉冲响应函数，然后计算物函数和脉冲响应函数的卷积，完成对整个成像过程的数学描述。下面的推导步骤为：第一步，建立样品对X射线作用的数学模型，写出物函数的数学表达，第二步，推导分析光栅对分束光栅一维光束阵列滤波的数学表达，求出描述成像系统特性的脉冲响应函数（即位移曲线），第三步，计算物函数和脉冲响应函数（即位移曲线）的卷积，推导出光栅剪切成像方程。

第一步：在建立数学模型之前，先对样品中一点进行定义。在二维成像中，样品所在物面上一点(x,y)，不是一个二维几何点，而是一个以(x,y)为中心的物面积元ΔxΔy，Δx和Δy的大小由探测器分辨率决定；在三维成像中，样品体内一点(x,y,z)，不是一个三维几何点，而是一个以(x,y,z)为中心的物体积元ΔxΔyΔz，Δx、Δy和Δz的大小由探测器分辨率决定。在此特别说明，下面提到的物点，其含义均为物面积元或物体积元。

样品对X射线产生吸收、折射和散射三种作用。

吸收（包括非弹性散射）是一个X射线能量在样品中转化为热能的耗散过程，如图2所示，描述了样品对X射线光束吸收衰减作用图像。根据图2，样品中一点(x,y)对通过该点光线的吸收可以表达为：

上式左边表示入射光束，右边表示出射光束，其中表示光束角度矢量，

$M(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\μ}(x,y,z)\mathrm{dz},---\left(2\right)$

其中μ(x,y,z)为样品的线性吸收系数。（1）式的物理意义为，吸收引起光线强度衰减，但不改变光线方向。（1）式还可以表示为：

折射是一个能量守恒的过程，如图3所示，描述了样品对X射线光束折射作用的图像。根据图3，样品中一点(x,y)对通过该点光线的折射可以表达为：

上式左边表示入射光束，右边表示出射光束，其中

表示光束的角度矢量，

为折射角矢量，其数学表达为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}(x,y)-\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\▿\mathrm{\δ}(x,y,z)\mathrm{dz}=-\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}(\frac{\∂\mathrm{\δ}(x,y,z)}{\∂x}{\stackrel{\→}{e}}_x+\frac{\∂\mathrm{\δ}(x,y,z)}{\∂y}{\stackrel{\→}{e}}_y)\mathrm{dz}---\left(5\right)$

$={\stackrel{\→}{e}}_x{\mathrm{\θ}}_x(x,y)+{\stackrel{\→}{e}}_y{\mathrm{\θ}}_y(x,y)$

其中δ(x,y,z)为样品折射率实部衰减率。（4）式的物理意义为，折射改变光线方向，但不改变光线强度。（4）式还可以写为分量表达式：

散射由面积元内部很多小颗粒的多重折射引起，也是一个能量守恒的过程，如图4所示，描述了样品对入射X射线散射作用的图像。散射和折射的不同之处在于，折射把样品物面上一个面积元作为一个整体来研究，即把样品物面上一个面积元作为一个微小棱镜，而散射则研究这个面积元内部的不均匀性质，即相当于研究微小棱镜内部的气泡、颗粒、微孔、微晶和杂质等不均匀。因此，对于每个面积元，只有一条折射光线和一个折射角，却有多条散射光线和多个散射角。换言之，散射是一个光束分散的过程。因为样品有一定厚度，在面积元内部沿着光束传播方向，各小颗粒分布是随机的，前后两个小颗粒产生的折射是相互独立的，小颗粒每次折射使入射光线偏离入射方向的角度是随机的，所以根据中心极限定理，散射角是以入射角（或者折射角）为中心服从二维正态统计分布，可以用方差来描述散射角分布范围。根据图4，一光线射入样品时，由于散射引起分散，出射光线分为两部分，散射光线和未散射光线，未散射光线仍然沿着入射方向传播，而散射光线偏离入射方向传播。随着光线在样品中穿行，散射事件的不断发生，散射光线不断产生，散射能量逐渐增强，而未散射光线逐渐消弱，未散射能量逐渐减弱，称为消光衰减。需要特别说明的是，每条光线都可能遇到面积元内部多个小颗粒的折射，需要把第一次被小颗粒折射产生第一次偏离的散射光线和该散射光线继续被后续小颗粒折射产生进一步偏离的散射光线分别考虑，这是因为散射能量是由一次折射产生的一次散射决定的，而以后的多次折射产生的多次散射仅仅使散射能量分布范围更大，增加散射角方差，而对增加或减少散射能量几乎不起作用。简言之，小颗粒一次折射决定散射能量和未散射能量的比例，小颗粒多次折射决定散射角方差。因此，消光衰减和吸收衰减一样遵循比尔定律。设入射光线能量为1，未散射光线继续沿着入射方向传播，其所携带能量，即消光衰减为exp(-Γ(x,y))，散射光线能量为1-exp(-Γ(x,y))。在散射中心对称的条件下，样品一点(x,y)对通过该点光线的散射可以表达为：

上式左边表示入射光束，右边表示出射光束，其中

表示光束角度矢量。（7）式还可以写为分量表达式：

在（7）式或（8）式右边第一项中

$\mathrm{\Γ}(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\γ}(x,y,z)\mathrm{dz},---\left(9\right)$

其中γ(x,y,z)为样品的线性消光系数，第二项中σ²(x,y)为(x,y)点处样品整体厚度产生的散射角方差。因为样品整体厚度的散射角方差σ²(x,y)，是光线传播路径上一系列厚度为Δz_i薄片的微分散射角方差Δσ²(x,y,z)之和，所以样品整体厚度的散射角方差可以表示为

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=\underset{{\mathrm{\Δz}}_i\→0}{\lim }\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\Δ\σ}}^2(x,y,z)$

$=\underset{{\mathrm{\Δz}}_i\→0}{\lim }\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\ω}(x,y,z){\mathrm{\Δz}}_i=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{\ω}(x,y,z){\mathrm{dz}}^{\′---\left(10\right)}$

其中ω(x,y,z)为线性散射系数。为了建立线性散射系数和线性消光系数之间的关系，把（10）式与（9）式进行比较，可得：

ω(x,y,z)=ε(x,y,z)γ(x,y,z)，               (11)

其中ε(x,y,z)为扩散因子。若样品是由散射性质相同的材料构成时，扩散因子ε(x,y,z)就是常量，则下式成立：

σ(x,y)=ε·Γ(x,y)。                  (12)

此时就可以从一种信号获得另一种信号。换言之，若样品是由散射性质相同的材料构成时，则两个几何意义不同的散射信号可以归结为一个信号。

综合考虑上述三种作用，在样品散射中心对称的条件下，样品中一点(x,y)对通过该点光束的作用可以用物函数

表达，

其分量表达式为：

根据（14）式，可知仅在x方向起作用的物函数为：

仅在y方向起作用的物函数为：

根据（13）式或（14）式，可知出射X射线携带了以下四种样品信号：

（一）吸收衰减exp(-Μ(x,y))，其中Μ(x,y)为线性吸收系数μ(x,y,z)的投影路径积分 $M(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\μ}(x,y,z)\mathrm{dz};$

（二）折射角 $\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}(x,y)={\stackrel{\→}{e}}_x{\mathrm{\θ}}_x(x,y)+{\stackrel{\→}{e}}_y{\mathrm{\θ}}_y(x,y)$ ，其中

为X方向的单位矢量，

为Y方向的单位矢量，θ_x(x,y)为样品折射率实部衰减率δ(x,y,z)X方向的偏导数的投影路径积分

θ_y(x,y)为样品折射率实部衰减率δ(x,y,z)Y方向的偏导数的投影路径积分

（三）消光衰减exp(-Γ(x,y))，其中Γ(x,y)为线性消光系数γ(x,y,z)的投影路径积分 $\mathrm{\Γ}(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\γ}(x,y,z)\mathrm{dz};$

（四）散射角方差σ²(x,y)，是线性散射系数的投影路径积分：

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{\ω}(x,y,z)\mathrm{dz},$

线性散射系数和线性消光系数之间的关系为：

ω(x,y,z)=ε(x,y,z)γ(x,y,z)，

其中ε(x,y,z)为扩散因子。若样品是由散射性质相同的材料构成，扩散因子ε就为常数，则线性散射系数和线性消光系数之间的关系为：

ω(x,y,z)=ε·γ(x,y,z)，

消光衰减和散射角方差之间的关系为：

σ²(x,y)=ε·Γ(x,y)。

第二步：推导分析光栅对分束光栅一维光束阵列滤波作用的数学表达。因为分析光栅和分束光栅一维光束阵列都是一维周期函数，具有几乎相同的函数分布，分析光栅相对分束光栅一维光束阵列的剪切位移可以调整两者之间的相关性，所以分析光栅对分束光栅一维光束阵列的滤波作用在数学上是互相关运算。当沿x轴方向移动光源光栅或者分束光栅或者分析光栅时，都会引起一维光束阵列和分析光栅之间发生剪切位移，探测器每个像素都可以测到光强随剪切位移而变化的位移曲线，图5为一维光束阵列和分析光栅之间沿x轴方向进行剪切位移时的位移曲线；因为位移曲线形状类似余弦曲线，为了简化提取折射和散射信息的数学表达，所以用余弦曲线拟合位移曲线，其表达式为：

$S\left({\mathrm{\θ}}_g\right)\≈\stackrel{\‾}{S}[1+V_0\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_g\right)],---\left(17\right)$

其中

为分析光栅相对分束光栅产生的一维光束阵列沿X轴方向的剪切角位移，x_g为分析光栅相对分束光栅产生的一维光束阵列沿X轴方向的剪切位移，D为分束光栅和分析光栅之间在光束传播方向上的距离，p为位移曲线周期，也是分析光栅的周期，为无样品时位移曲线平均值，S_max和S_min分别为位移曲线的最大值和最小值，

为无样品时位移曲线的可见度。图5中位移曲线上a、b、c、d四点分别对应亮场、右半亮场、左半亮场、暗场。亮场代表分束光栅产生的一维光束阵列几乎全部通过分析光栅，暗场代表分束光栅产生的一维光束阵列几乎全被分析光栅阻挡，半亮场代表分束光栅产生的一维光束阵列中，一半被分析光栅阻挡，一半通过分析光栅。

位移曲线（17）式是描述光栅剪切成像系统的特性函数，它就是光栅剪切成像系统的脉冲响应函数。虽然位移曲线是一条无界的周期性曲线，不满足脉冲响应函数是局域函数的一般要求，但是实际上位移曲线的作用范围满足局域函数的要求。为了说明这一点，来考察物函数的作用范围。样品的折射角和散射角为微弧度量级，样品到探测器的距离为米量极，因而样品折射和散射引起的光线位移为微米量极。由此可知，虽然光栅剪切成像系统不存在一个有界的特性函数，但是样品每一点的物函数本身是局域函数，它决定了位移曲线在成像过程中，只能在物函数限制的局域范围内发挥作用，因而光栅剪切成像系统的脉冲响应函数是位移曲线上一有限范围的分段函数。因为位移曲线上下起伏，不同位置的分段函数具有不同的脉冲响应，所以本发明为光栅剪切成像系统提出四种脉冲响应函数：

（1）位于位移曲线峰位的亮场脉冲响应函数，这是一段偶函数，参见图5中位移曲线上a点附近函数曲线，其主要作用是抑制样品的散射信号；

（2）位于位移曲线谷位的暗场脉冲响应函数，这是一段偶函数，参见图5中位移曲线上d点附近函数曲线，其主要作用是增强样品的散射信号；

（3）位于位移曲线腰位的右半亮场脉冲响应函数，这是一段奇函数，参见图5中位移曲线上c点附近函数曲线，其主要作用是提取样品向右的折射信号；

（4）位于位移曲线腰位的左半亮场脉冲响应函数，这是一段奇函数，参见图5中位移曲线上b点附近函数曲线，其主要作用是提取样品向左的折射信号。

上述四种脉冲响应函数，其对折射和散射信号的探测灵敏度取决于分束光栅和分析光栅之间的距离和它们的周期，距离越长、周期越小，探测灵敏度越高。

第三步：推导光栅剪切成像方程。前面已经讨论清楚，当样品放在样品台上后，探测器在分析光栅后面测得的光强分布是物函数和位移曲线的卷积。光栅剪切成像方程可从x轴方向作用的物函数O_x(x,y,θ_g)和位移曲线S(θ_g)的卷积推导而出：

$I(x,y,{\mathrm{\θ}}_g)=I_0{\mathrm{\θ}}_{x,y}(x,y,{\mathrm{\θ}}_g)*S\left({\mathrm{\θ}}_g\right)=\exp (-M(x,y)).$

$\{\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))\mathrm{\δ}({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_{x,y}(x,y))+[1-\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))\left]\frac{\exp \left[\frac{{({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_{x,y}(x,y))}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2(x,y)}\right]}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}(x,y)}\right\},---\left(18\right)$

$*\stackrel{\‾}{S}[1+V_0\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_g\right)]$

$=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1+V(x,y)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_{x,y}(x,y))\right)]$

其中，I₀为无样品时分束板前的光强，V(x,y)为放入样品后位移曲线的可见度，又称为样品的可见度像，且有

$V(x,y)=V_0\{\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))+\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^2]-\exp [-\mathrm{\Γ}(x,y)-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^2\left]\right\},---\left(19\right)$

为无样品时位移曲线的可见度，exp(-Γ(x,y))为样品的消光衰减像，σ²(x,y)为样品的散射角方差像。

本发明根据光栅剪切成像方程，提出了一套采集投影数据的方法。先考虑一个成像子系统的成像，然后考虑整个成像装置多个成像子系统同时成像多视角投影数据。

在一个成像子系统中，位移曲线的峰位和谷位、右腰位和左腰位具有特殊的物理意义。在位移曲线峰位，分束光栅产生的一维光束阵列几乎全部通过分析光栅，成像背景是亮场；在位移曲线谷位，分束光栅产生的一维光束阵列几乎全部被分析光栅阻挡，成像背景是暗场；在位移曲线右腰位，分束光栅产生的一维光束阵列中，每一微光束的左半边被分析光栅阻挡，而其右半边通过分析光栅照亮探测器，形成右半亮场成像背景，在位移曲线左腰位，分束光栅产生的一维光束阵列中，每一微光束的右半边被分析光栅阻挡，而其左半边通过分析光栅照亮探测器，形成左半亮场成像背景；当把样品分别放入亮场、暗场、右半亮场和左半亮场，探测器可以分别拍摄到亮场投影像、暗场投影像、右半亮场投影像和左半亮场投影像；亮场投影像的特点是：经过样品方向不变的信号强，而方向改变的信号弱；暗场投影像的特点是：经过样品方向不变的信号弱，而方向改变的信号、特别是杂乱无章的散射信号强；右半亮场投影像的特点是：向右偏转的光强信号得到加强，而向左偏转的光强信号得到抑制；左半亮场投影像的特点是：向左偏转的光强信号得到加强，而向右偏转的光强信号得到抑制。

上述成像子系统的成像机制和成像过程适用于成像装置内的其他成像子系统，只须为描述一个成像子系统的二维成像数学表达式中增加一个角度坐标，就可描述多个成像子系统同时采集多视角投影数据的成像过程。下面推导出包括亮场投影数据、暗场投影数据、右半亮场投影数据和左半亮场投影数据等投影像的数学表达式。

通过所述探测器采集固定在样品台上的样品在亮场光强背景下的投影数据，包括：在每个成像子系统中，把分束光栅产生的一维光束阵列和相应分析光栅之间的剪切位移固定在亮场背景位置，即剪切位移x_g=0，剪切角位移

各成像子系统的光源，即按圆心角

排列的光源阵列，同时发光，各成像子系统的探测器，即与光源阵列对称排列的探测器阵列，同时拍摄样品的投影像，获得探测器阵列在光源阵列一次曝光瞬间采集到亮场投影数据

其数学表达式为：

通过所述探测器采集固定在样品台上的样品在暗场光强背景下的投影数据，包括：在每个成像子系统中，把分束光栅产生的一维光束阵列和相应分析光栅之间的剪切位移固定在暗场背景位置，即剪切位移

剪切角位移

各成像子系统的光源，即按圆心角

排列的光源阵列，同时发光，各成像子系统的探测器，即与光源阵列对称排列的探测器阵列，同时拍摄样品的投影像，获得探测器阵列在光源阵列一次曝光瞬间采集到暗场投影数据其数学表达式为：

通过所述探测器采集固定在样品台上的样品在右半亮场光强背景下的投影数据，包括：在每个成像子系统中，把分束光栅产生的一维光束阵列和相应分析光栅之间的剪切位移固定在右半亮场背景位置，即剪切位移

剪切角位移

各成像子系统的光源，即按圆心角

排列的光源阵列，同时发光，各成像子系统的探测器，即与光源阵列对称排列的探测器阵列，同时拍摄样品的投影像，获得探测器阵列在光源阵列一次曝光瞬间采集到右半亮场投影数据其数学表达式为：

通过所述探测器采集固定在样品台上的样品在左半亮场光强背景下的投影数据，包括：在每个成像子系统中，把分束光栅产生的一维光束阵列和相应分析光栅之间的剪切位移固定在左半亮场背景位置，即剪切位移

剪切角位移

各成像子系统的光源，即按圆心角

排列的光源阵列，同时发光，各成像子系统的探测器，即与光源阵列对称排列的探测器阵列，同时拍摄样品的投影像，获得探测器阵列在光源阵列一次曝光瞬间采集到左半亮场投影数据

其数学表达式为：

本发明根据样品对X射线的吸收、折射和散射三种相互作用，在光栅剪切成像中定义了三种物理参量投影数据，分别为线性吸收系数投影数据

折射率实部衰减率导数投影数据

线性散射系数投影数据

或线性消光系数投影数据

下面描述获得三种物理参量投影数据半定量表示式、定量表达式的获取方法。

线性吸收系数投影数据半定量表示式的获取方法：在忽略样品折射和散射的条件下，有

根据亮场投影数据（20）式或暗场投影数据（21）式，可得

或者，

折射率实部衰减率导数投影数据半定量表示式的获取方法：在忽略样品吸收和散射的条件下，有

根据右半亮场投影数据（22）式或左半亮场投影数据（23）式，可得

或者，

在忽略样品吸收和折射的条件下，有：

根据亮场投影数据（20）式，获得可见度的半定量表达式为：

或者，根据暗场投影数据（21）式，获得可见度的半定量表达式为：

在弱散射条件下，

$0\&le;\mathrm{\&sigma;}(x,y)<<\frac{p}{D}\&DoubleRightArrow;0\&le;\frac{D}{p}\mathrm{\&sigma;}(x,y)<<1,---\left(30\right)$

有

$\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}\mathrm{\&sigma;}(x,y)\right)}^2]>>\{1-\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}\mathrm{\&sigma;}(x,y)\right)}^2\left]\right\}$ ，   (31)

$>\exp (-\mathrm{\&Gamma;}(x,y))\{1-\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}\mathrm{\&sigma;}(x,y)\right)}^2\left]\right\}$

将（31）式代入（19）式，可得可见度和散射角方差的关系为：

线性散射系数投影数据半定量表示式的获取方法：把可见度像（28）式代入（32）式，可得：

或者，把可见度像（29）式代入（32）式，可得：

此时，若样品是由散射性质相同的材料构成，则扩散因子ε为常数，所述线性消光系数投影数据的半定量表达式为：

或者，

在强散射条件下，

$\mathrm{\&sigma;}(x,y)\&GreaterEqual;\frac{p}{D},---\left(37\right)$

有：

$\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}\mathrm{\&sigma;}(x,y)\right)}^2]\&le;\exp \left({-2\mathrm{\&pi;}}^2\right)\&ap;0,---\left(38\right)$

有：

$\exp (-\mathrm{\&Gamma;}(x,y))>>[1-\exp (-\mathrm{\&Gamma;}(x,y))]$

$>\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}\mathrm{\&sigma;}(x,y)\right)}^2]{[1-\exp (-\mathrm{\&Gamma;}(x,y))]}^{,}---\left(39\right)$

把（36）式代入（19）式，得：

V(x，y)≈V₀exp(-Γ(x，y))，           (40)

线性散射系数投影数据半定量表示式的获取方法：把可见度像（28）式代入（40）式，可得：

或者，把可见度像（29）式代入（40）式，可得：

此时，若样品是由散射性质相同的材料构成，则扩散因子ε为常数，所述线性散射系数投影数据的半定量表达式为：

或者，

线性吸收系数投影数据定量表示式的获取方法：根据亮场投影数据（20）式和暗场投影数据（21）式，可得：

根据右半亮场投影数据（22）式和左半亮场投影数据（23）式，得

折射率实部衰减率导数投影数据定量表示式的获取方法：根据右半亮场投影数据（22）式、左半亮场投影数据（23）式、亮场投影数据（20）式和暗场投影数据（21）式，可从下列方程组获得折射率实部衰减率导数投影数据定量表示式：

在弱散射条件下，线性散射系数投影数据定量表达式的获取方法：根据右半亮场投影数据（22）式、左半亮场投影数据（23）式、亮场投影数据（20）式和暗场投影数据（21）式，可从下列方程组获得线性散射系数投影数据定量表示式：

此时，若样品是由散射性质相同的材料构成，则扩散因子ε为常数，所述线性消光系数投影数据的定量表达式为：

在强散射条件下，线性消光系数投影数据定量表达式的获取方法：根据右半亮场投影数据（22）式、左半亮场投影数据（23）式、亮场投影数据（20）式和暗场投影数据（21）式，可从下列方程组获得线性消光系数投影数据定量表示式：

此时，若样品是由散射性质相同的材料构成，则扩散因子ε为常数，确定所述线性散射系数投影数据的定量表达式的方程组为：

通过光源阵列、光源光栅阵列、分束光栅阵列、分析光栅阵列和探测器阵列，针对样品内的局部区域采集到的亮场投影数据、半亮场投影数据和暗场投影数据，以及由这些投影数据表达的半定量投影数据和定量投影数据，对样品整体而言为局部照明（或称为照明截断）的不完备投影数据，对样品内局部区域而言为多个分离角度照明（或称为角度截断）的不完备投影数据，利用传统CT重建理论不可能精确重建样品内的局部区域。然而，根据内部CT局部重建理论和压缩传感理论，特别像人体内部器官，在待重建的器官内存在部分已知区域的条件下，可以精确重建人体内部器官。因此，利用一次曝光获得的半定量投影数据可以对人体内部器官实现三维动态观测和成像；利用三次曝光获得的定量投影数据可以对人体内部器官实现快速精确三维重建。

根据亮场投影数据、暗场投影数据、右半亮场投影数据和左半亮场投影数据各自的数学表达式，获得的半定量投影数据，再根据CT三维成像原理，获得重建线性吸收系数、线性散射系数或线性消光系数、折射率实部衰减率和折射率实部衰减率导数的半定量表达式的方法为：

设(x,y,z)为X射线光束坐标系，(x′,y′,z′)为样品坐标系，两套坐标系之间的关系为

在忽略样品折射和散射的条件下，线性吸收系数的重建算法公式为：

或者，

其中F^-1代表一维逆傅立叶变换，或者

为得耳塔函数，ρ为与空间坐标x对应的空间频谱坐标；

在忽略样品吸收和折射、并在弱散射条件下，线性散射系数的重建算法公式为：

或者，

在忽略样品吸收和折射、并在强散射条件下，线性消光系数的重建算法公式为：

或者，

在忽略样品吸收和散射的条件下，折射率实部衰减率的重建算法公式为：

或者，

其中i为虚数；

在忽略样品吸收和散射的条件下，折射率实部衰减率导数的重建算法公式为：

或者，

其中-N/2<k≤N/2，改变k，可以重建不同方向的折射率实部衰减率导数。

根据亮场投影数据、暗场投影数据、右半亮场投影数据和左半亮场投影数据之间的定量关系，获得的定量投影数据，再根据CT三维成像原理，获得重建线性吸收系数、线性散射系数或线性消光系数、折射率实部衰减率和折射率实部衰减率导数的定量表达式的方法为：

设(x,y,z)为X射线光束坐标系，(x′,y′,z′)为样品坐标系，两套坐标系之间的关系为

线性吸收系数的重建算法公式为：

其中线性吸收系数投影数据可选以下两个定量表达式之一：

或者，

在弱散射条件下，线性散射系数的重建算法公式为：

其中所述线性散射系数投影数据

的定量表达式可从下列方程组获得：

在强散射条件下，线性消光系数的重建算法公式为：

其中所述线性消光系数投影数据的定量表达式可从下列方程组获得：

折射率实部衰减率的重建算法公式为：

折射率实部衰减率导数的重建算法公式为：

其中折射率实部衰减率导数投影数据

的定量表达式可从下列方程组获得：

其中，i为虚数，-N/2<k≤N/2，改变k，可以重建不同方向的折射率实部衰减率导数。

通过上述分析可知，本发明提供的剪切三维成像装置和方法无须转动样品，即可同时对样品各个视角进行成像，图像采集的速度快，基于光栅剪切原理实现相位衬度成像，基于计算机断层成像原理实现三维成像，密度分辨率高，密度不均匀性分辨率高，例如，一次曝光就可采集到进行三维动态观测的半定量投影数据；三次曝光就可以采集到进行快速精确重建的定量投影数据，可实现对样品的内部结构实现三维动态观测，可满足医学检测等方面的应用需求。

此外，本发明还提供了一种医学检测设备，该医学检测设备包括有如上述任一种光栅剪切成像装置。有关光栅剪切成像装置和方法的技术方案，可参见上文描述，在此不再赘述。

在本发明上述各实施例中，实施例的序号仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (15)

1.一种可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置，其特征在于，包括：

样品台、包括多个光源的光源阵列、包括多个光源光栅的光源光栅阵列、包括多个分束光栅的分束光栅阵列、包括多个分析光栅的分析光栅阵列以及包括多个探测器的探测器阵列；

所述光源阵列和所述光源光栅阵列均排列在以所述样品台为圆心的半个第一圆周上、且所述光源阵列贴近所述光源光栅阵列设置；所述探测器阵列和所述分析光栅阵列均排列在以所述样品台为圆心的另外半个第一圆周上、且所述探测器阵列贴近所述分析光栅阵列设置；所述分束光栅阵列排列在以所述样品台为圆心靠近所述光源光栅阵列或靠近所述分析光栅阵列的半个第二圆周上，所述第一圆周的半径大于所述第二圆周；

在每条连接一光源和一探测器的直线上依次设置的光源、光源光栅、分束光栅、分析光栅和探测器，均构成一套成像子系统。

2.根据权利要求1所述的光栅剪切成像装置，其特征在于，在每套成像子系统中：

所述光源为碳纳米管X射线光源；

所述光源光栅为一维周期结构的多缝吸收光栅，用于在所述光源产生的光束的照射下产生一维多缝光源；

所述分束光栅为一维周期结构的多缝吸收光栅或相位光栅，用于在所述一维多缝光源的照射下，将所述一维多缝光源中来自每一条缝光源的光束分束为一维光束阵列，相邻两缝光源各自产生的一维光束阵列之间错位一个周期；

所述分析光栅为一维周期结构的多缝吸收光栅，用于产生成像所要求的光强背景，对所述一维光束阵列进行滤波；

所述探测器包括多个探测单元构成的一维线阵或二维面阵，用于探测所述光源发出的、经所述光源光栅、分束光栅、样品台承载的样品和所述分析光栅的光束的光强分布。

3.根据权利要求1或2所述的光栅剪切成像装置，其特征在于，

所述光源光栅、分束光栅和分析光栅的光栅栅条均竖直设置；和/或，

所述第一圆周的半径为1-5米；和/或，

所述第二圆周的半径为0.1-4.5米；和/或，

任意两个相邻的光源之间的圆心角均为π/10-π/100；和/或，

所述光源光栅的栅条宽和缝宽的比值为1:1-3:1；和/或，

所述光源光栅的周期与所述分析光栅的周期形成针孔成像关系，针孔是分束光栅上的任意一条缝；和/或，

所述分束光栅的周期为1～100微米；和/或，

所述分束光栅的栅条宽和缝宽相等；和/或，

所述分析光栅的周期等于所述光源中心光线对所述分束光栅周期的几何投影或几何投影的二分之一；和/或，

所述分析光栅的栅条宽和缝宽相等。

4.根据权利要求3所述的光栅剪切成像装置，其特征在于，所述光源光栅、所述分束光栅或所述分析光栅为吸收光栅时，其栅条厚度为至少使透过光强衰减到入射光强的10%所需的厚度；或所述分束光栅为相位光栅时，其栅条厚度需能够使透过光束获得π或π/2的相移。

5.一种基于如权利要求1-4任一所述的可实现三维动态观测的光栅剪切成像装置的光栅剪切成像方法，其特征在于，在各组成像子系统中分别执行以下步骤：

调整光源，使光源发射出的光束对准沿连接该光源到与其对称设置的探测器的直线上设置的光源光栅、分束光栅、样品台、分析光栅和探测器，并沿第一圆周或第二圆周的径向垂直方向和径向平行方向分别调整光源光栅、分束光栅和分析光栅位置，使分束光栅的一维多缝产生一维光束阵列，使分析光栅的一维多缝对准所述一维光束阵列；

测量位移曲线，沿第一圆周或第二圆周的径向垂直方向和径向平行方向分别调整光源光栅、分束光栅和分析光栅位置，以调整所述分析光栅和所述一维光束阵列之间发生的剪切位移，通过探测器的各探测单元均采集光强随剪切位移变化的位移曲线，并用三角函数曲线拟合光强随剪切位移变化的位移曲线；

通过探测器探测光强背景和空间位置变化，沿第一圆周或第二圆周的切向调整光源光栅、分束光栅或分析光栅位置，直至把分析光栅和相应的所述一维光束阵列之间的剪切位移调整在光强背景满足成像要求的采集位置；

通过所述探测器采集固定在样品台上的样品对应所述光强背景下的投影像，并将探测器阵列同时采集的多个角度的投影像构成一套投影数据。

6.根据权利要求5所述的光栅剪切成像方法，其特征在于，所述通过所述探测器采集固定在样品台上的样品对应所述光强背景下的投影数据之后，还包括：

根据物函数和位移曲线的卷积运算，建立光栅剪切成像方程，根据所述光栅剪切成像方程求出探测器采集的投影数据的数学表达式，根据得到的数学表达式确定至少一种预定的物理参量投影数据的半定量表达式和/或定量表达式；

利用CT三维成像原理，根据所述至少一种物理参量投影数据的半定量表达式重建样品的相应物理参量的三维分布，并选择一种重建的物理参量对样品内部局部区域进行三维动态观测；或者，利用CT三维成像原理，根据所述至少一种物理参量投影数据的定量表达式重建样品的相应物理参量的三维分布，并选择一种重建的物理参量对样品内部局部区域进行三维动态观测。

7.根据权利要求6所述的光栅剪切成像方法，其特征在于，

所述光强背景包括：亮场背景、左半亮场背景、右半亮场背景和/或暗场背景；

所述投影像包括：所述样品在所述亮场背景下的亮场投影数据、在所述左半亮场背景下的左半亮场投影数据、在所述右半亮场背景下的右半亮场投影数据、和/或在所述暗场背景下的暗场投影数据；

所述至少一种物理参量投影数据包括：线性吸收系数投影数据、线性散射系数投影数据或线性消光系数投影数据、折射率实部衰减率导数投影数据；所述的根据上述投影数据重建的物理参量包括：线性吸收系数、线性散射系数或线性消光系数、折射率实部衰减率和折射率实部衰减率导数。

8.根据权利要求7所述的光栅剪切成像方法，其特征在于，

所述分束光栅阵列产生的一维光束阵列和分析光栅在垂直光束传播方向的平面内，沿垂直于栅条的方向进行剪切位移时，所述位移曲线用余弦函数近似表达为：

$S\left({\mathrm{\&theta;}}_g\right)\&ap;\stackrel{\&OverBar;}{S}[1+V_0\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}{\mathrm{\&theta;}}_g\right)],$

其中

为分析光栅相对于一维光束阵列的剪切角位移，x_g分析光栅相对于一维光束阵列的剪切位移，D为分束光栅和分析光栅之间的距离，p为位移曲线周期，也是分析光栅的周期，

为无样品时位移曲线平均值，

为无样品时位移曲线的可见度，S_max和S_min分别为位移曲线的最大值和最小值。

9.根据权利要求8所述的光栅剪切成像方法，其特征在于，在所述样品散射中心对称的条件下，用物函数

表达样品中一点(x,y)对通过该点光线的作用，所述物函数表达式为：

或

其中仅在x方向作用的物函数为：

仅在y方向作用的物函数为：

其中，

表示光束的角度矢量，

和

分别为

平行和垂直于圆周平面的分量；

在物函数中，吸收衰减像的数学表达为：

exp(-Μ(x,y))，

其中Μ(x,y)为线性吸收系数μ(x,y,z)的投影路径积分：

$M(x,y)=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\mathrm{\&mu;}(x,y,z)\mathrm{dz};$

折射角像的数学表达为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&theta;}}(x,y)={\stackrel{\&RightArrow;}{e}}_x{\mathrm{\&theta;}}_x(x,y)+{\stackrel{\&RightArrow;}{e}}_y{\mathrm{\&theta;}}_y(x,y),$

其中

为x方向的单位矢量，为y方向的单位矢量，

为样品垂直于光束传播方向的折射角矢量，θ_x(x,y)为其沿X方向的分量，平行于圆周平面，也是折射率实部衰减率δ(x,y,z)沿X方向偏导数的投影路径积分：

${\mathrm{\&theta;}}_x(x,y)=-\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&delta;}(x,y,z)}{\&PartialD;x}\mathrm{dz},$

θ_y(x,y)为其沿Y方向的分量，垂直于圆周平面，

${\mathrm{\&theta;}}_y(x,y)=-\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&delta;}(x,y,z)}{\&PartialD;y}\mathrm{dz};$

也是样品折射率实部衰减率δ(x,y,z)沿Y方向偏导数的投影路径积分：消光衰减像的数学表达为：

exp(-Γ(x,y))，

其中Γ(x,y)为线性消光系数γ(x,y,z)的投影路径积分：

$\mathrm{\&Gamma;}(x,y)=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\mathrm{\&gamma;}(x,y,z)\mathrm{dz};$

散射角方差像的数学表达为：

σ²(x,y)，

它是各微分薄层散射角方差dσ²(x,y,z)的投影路径积分：

${\mathrm{\&sigma;}}^2(x,y)=\underset{-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\&Integral;}}{\mathrm{d\&sigma;}}^2(x,y,z)=\underset{-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\&Integral;}}\mathrm{\&omega;}(x,y,z)\mathrm{dz};$

其中ω(x,y,z)为线性散射系数，其与线性消光系数之间的关系为：

ω(x,y,z)=ε(x,y,z)γ(x,y,z)，

其中ε(x,y,z)为扩散因子，若样品由散射性质相同的材料构成，ε(x,y,z)为常量，则下式成立：

σ²(x,y)=ε·Γ(x,y)。

10.根据权利要求9所述的光栅剪切成像方法，其特征在于：当一维光束阵列和分析光栅沿垂直于栅条的方向进行剪切位移时，光栅剪切成像方程由仅在x轴方向作用的物函数和位移曲线的卷积推导得出：

$I(x,y,{\mathrm{\&theta;}}_g)=I_0{\mathrm{\&theta;}}_x(x,y,{\mathrm{\&theta;}}_g)*S\left({\mathrm{\&theta;}}_g\right)$

$=I_0\stackrel{\&OverBar;}{S}\exp (-M(x,y))[1+V(x,y)\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}({\mathrm{\&theta;}}_g-{\mathrm{\&theta;}}_x(x,y))\right)]$

其中O_x(x,y,θ_x)表示仅在x轴方向作用的物函数，

为分析光栅相对于一维光束阵列的剪切角位移，x_g为分析光栅相对于一维光束阵列的剪切位移，D为分束光栅和分析光栅之间的距离，p为位移曲线周期，也是分析光栅的周期，I(x,y,θ_g)为样品内一点(x,y)在剪切角位移为θ_g时的光强，I₀为入射光光强，

为无样品时位移曲线平均值，S_max和S_min分别为位移曲线的最大值和最小值，θ_x(x,y)表示折射角在x轴的分量，也是样品折射率实部衰减率δ(x,y,z)在x方向的偏导数的投影路径积分，表达式为：

${\mathrm{\&theta;}}_x(x,y)=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&delta;}(x,y,z)}{\&PartialD;x}\mathrm{dz},$

V(x,y)为有样品时位移曲线的可见度，又称样品的可见度像，其表达式为：

$V(x,y)=V_0\{\exp (-\mathrm{\&Gamma;}(x,y))+\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}\mathrm{\&sigma;}(x,y)\right)}^2]-\exp [-\mathrm{\&Gamma;}(x,y)-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;D}}{p}\mathrm{\&sigma;}(x,y)\right)}^2\left]\right\},$

为无样品时位移曲线的可见度，exp(-Γ(x,y))为消光衰减像，σ²(x,y)为散射角方差像。

11.根据权利要求7-10任一所述的光栅剪切成像方法，其特征在于：

探测器采集固定在样品台上的样品在亮场光强背景下的投影数据，包括：在每个成像子系统中，把分束光栅产生的一维光束阵列和相应分析光栅之间的剪切位移固定在亮场背景位置，即剪切位移x_g=0，剪切角位移

各成像子系统的光源，即按圆心角排列的光源阵列，同时发光，各成像子系统的探测器，即与光源阵列对称排列的探测器阵列，同时拍摄样品的投影像，获得探测器阵列在光源阵列一次曝光瞬间采集到亮场投影数据

其数学表达式为：

探测器采集固定在样品台上的样品在暗场光强背景下的投影数据，包括：在每个成像子系统中，把分束光栅产生的一维光束阵列和相应分析光栅之间的剪切位移固定在暗场背景位置，即剪切位移

剪切角位移

各成像子系统的光源，即按圆心角

排列的光源阵列，同时发光，各成像子系统的探测器，即与光源阵列对称排列的探测器阵列，同时拍摄样品的投影像，获得探测器阵列在光源阵列一次曝光瞬间采集到暗场投影数据

其数学表达式为：

探测器采集固定在样品台上的样品在右半亮场光强背景下的投影数据，包括：在每个成像子系统中，把分束光栅产生的一维光束阵列和相应分析光栅之间的剪切位移固定在右半亮场背景位置，即剪切位移

剪切角位移

各成像子系统的光源，即按圆心角排列的光源阵列，同时发光，各成像子系统的探测器，即与光源阵列对称排列的探测器阵列，同时拍摄样品的投影像，获得探测器阵列在光源阵列一次曝光瞬间采集到右半亮场投影数据其数学表达式为：

探测器采集固定在样品台上的样品在左半亮场光强背景下的投影数据，包括：在每个成像子系统中，把分束光栅产生的一维光束阵列和相应分析光栅之间的剪切位移固定在左半亮场背景位置，即剪切位移

剪切角位移

各成像子系统的光源，即按圆心角

排列的光源阵列，同时发光，各成像子系统的探测器，即与光源阵列对称排列的探测器阵列，同时拍摄样品的投影像，获得探测器阵列在光源阵列一次曝光瞬间采集到左半亮场投影数据其数学表达式为：

12.根据权利要求7-10任一所述的光栅剪切成像方法，其特征在于：

确定所述线性吸收系数投影数据的半定量表达式的方法为：在忽略样品折射和散射的条件下，即有：

线性吸收系数投影数据的半定量表达式为：

或者，

确定所述折射率实部衰减率导数投影数据的半定量表达式的方法为：在忽略样品吸收和散射的条件下，即有：

折射率实部衰减率导数投影数据的半定量表达式为：

或者，

在忽略样品吸收和折射的条件下，即有：

可见度的半定量表达式为：

或者

在弱散射条件下，可见度和散射角方差的关系为：

确定线性散射系数投影数据的半定量表达式的方法为：

或者，

此时，若样品是由散射性质相同的材料构成，则扩散因子ε为常数，所述线性消光系数投影数据的半定量表达式为：

或者，

在强散射条件下，可见度和散射角方差的关系为：

确定线性消光系数投影数据的半定量表达式为：

或者，

此时，若样品是由散射性质相同的材料构成，则扩散因子ε为常数，所述线性散射系数投影数据的半定量表达式为：

或者，

13.根据权利要求7-10任一所述的光栅剪切成像方法，其特征在于：

确定所述线性吸收系数投影数据的定量表达式为：

或者，

确定所述折射率实部衰减率导数投影数据的定量表达式的方程组为：

确定所述线性散射系数投影数据和所述线性消光系数投影数据的定量表达式方法为：

在弱散射条件下，可从以下方程组获得所述线性散射系数投影数据的定量表达式：

此时，若样品是由散射性质相同的材料构成，则扩散因子ε为常数，确定所述线性消光系数投影数据的定量表达式的方程组为：

在强散射条件下，可从以下方程组获得所述线性消光系数投影数据的定量表达式：

此时，若样品是由散射性质相同的材料构成，则扩散因子ε为常数，确定所述线性散射系数投影数据的定量表达式的方程组为：

14.根据权利要求6-10任一所述的光栅剪切成像方法，其特征在于，所述利用CT三维成像原理，根据所述至少一种物理参量投影数据的半定量表达式重建样品的相应物理参量的三维分布，包括：

设(x,y,z)为X射线光束坐标系，(x′,y′,z′)为样品坐标系，两套坐标系之间的关系为：

在忽略样品折射和散射的条件下，线性吸收系数的重建算法公式为：

或者，

其中F^-1代表一维逆傅立叶变换，或者为得耳塔函数，ρ为与空间坐标x对应的空间频谱坐标；

在忽略样品吸收和折射、且在弱散射条件下，线性散射系数的重建算法公式为：

或者，

在忽略样品吸收和折射、并在强散射条件下，线性消光系数的重建算法公式为：

或者，

在忽略样品吸收和散射的条件下，折射率实部衰减率的重建算法公式为：

或者，

其中i为虚数；

在忽略样品吸收和散射的条件下，折射率实部衰减率导数的重建算法公式为：

或者，

其中-N/2<k≤N/2，改变k，可以重建不同方向的折射率实部衰减率导数。

15.根据权利要求6-10任一所述的光栅剪切成像方法，其特征在于，所述利用CT三维成像原理，根据所述至少一种物理参量投影数据的定量表达式重建样品的相应物理参量的三维分布包括：

设(x,y,z)为X射线光束坐标系，(x′,y′,z′)为样品坐标系，两套坐标系之间的关系为：

线性吸收系数的重建算法公式为：

其中所述线性吸收系数投影数据

可选以下两个定量表达式之一：

或者，

在弱散射条件下，线性散射系数的重建算法公式为：

其中所述线性散射系数投影数据

的定量表达式可从下列方程组获得：

在强散射条件下，线性消光系数的重建算法公式为：

其中所述线性消光系数投影数据

的定量表达式可从下列方程组获得：

折射率实部衰减率的重建算法公式为：

折射率实部衰减率导数的重建算法公式为：

其中折射率实部衰减率导数投影数据

的定量表达式可从下列方程组获得：

其中，i为虚数，-N/2<k≤N/2，改变k，可以重建不同方向的折射率实部衰减率导数。

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