CN104569002B - 基于光子计数的x射线相衬成像系统、方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子计数的X射线相衬成像系统，同时还公开了该系统实现X射线相衬成像的方法及其关键设备。在该系统中，X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，X射线在穿透样品时，产生携带空间位置中材料特征信息的光子，光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，获得入射光子的投影数据和能量数据，并传输至三维重建系统；三维重建系统根据投影数据和能量数据重建样品内部的三维结构和物质成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的物质成分进行识别。本发明通过光子计数技术、相衬成像技术和三维重建技术对弱吸收物质进行无损伤检测，可以获得具有能量鉴别能力、微米级或纳米级空间分辨能力的数字蜡块。

Description

基于光子计数的X射线相衬成像系统、方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种X射线成像系统，尤其涉及一种基于光子计数的X射线相衬成像系统，同时还涉及该系统实现X射线相衬成像的方法及其关键设备，属于辐射成像技术领域。

背景技术

X射线成像系统是基于物质对X射线吸收程度不同的原理来检测物体内部结构的，即吸收衬度成像。实践中，传统的X射线成像系统对原子序数较大的元素构成的物质（例如人体骨骼等）能够清晰成像，而对于原子序数较小的元素（如碳、氢、氧）构成的弱吸收物质（例如手术中切除的组织块、穿刺活检取出的细胞团、体液离心后的沉淀物等等）等则成像模糊甚至无法成像。在临床应用中对这些弱吸收物质进行检测时，需要做组织的固定、包埋、切片（或涂片）和染色并在光学显微镜下观察。这样不仅对样品造成不可逆的破坏，而且由于可见光的波长较长，其空间分辨率不可能再提高，仅仅依赖化学染色所获得信息量少，不能获得构成空间结构物质的原子量以推断物质组成，更难以获得样品的三维结构信息。

随着X射线成像技术的不断发展，人们发现X射线透过样品后携带的相位信息也能用于样品内部结构成像，而且X射线的相位漂移截面要比吸收截面高100～1000倍，通过获取相位信息并进行复原即可以观测到样品的内部结构。而且，对于由轻元素构成的弱吸收物质，X射线相位的改变比光强的改变更明显。X射线相位衬度成像能够比传统吸收衬度成像更容易探测到样品的内部结构。当前，X射线相衬成像技术已经成为医学影像领域的研究热点之一。

例如在申请号为200410053014.6的中国发明专利申请中，公开了一种X射线相衬成像的方法和系统。该方案通过同轴轮廓成像方式将样品成像于探测器上，根据样品调整微焦点X射线源产生的光源点与扫描台上的样品之间的距离，同时调整该样品与探测器之间的距离。但该方案得到的图像是样品相位的二阶微分图像，没有描述如何根据二阶微分图像的基础上进行相位恢复取得样品的相位图，更没有描述如何实现相衬的断层重建和3D成像。此外，由于微焦点X射线源的亮度非常低，探测器需要曝光时间相当长，难以满足临床应用的实际需要。

再如，申请号为200810166472.9的中国发明专利申请中，公开了一种X射线光栅相衬成像系统及方法。该方法通过使用X光机、多缝准直器如源光栅，以及两个吸收光栅能够实现近分米量级视场的非相干条件下的相衬成像。但是在该技术方案中，光栅的制作依然是个瓶颈，将限制光栅相衬成像技术在医学和工业上的实际应用。

此外，现有的相衬成像系统大都采用基于能量积分的探测器，致使X射线成像系统对穿透样品后的X射线利用率较低。另一方面，虽然采用基于能量积分的探测器可以获得样品内部的结构信息，但其对于样品物质成分信息的获取能力不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于光子计数的X射线相衬成像系统。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供上述系统实现X射线相衬成像的方法。

本发明所要解决的又一个技术问题在于提供一种用于上述X射线相衬成像系统的光子计数探测器。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于光子计数的X射线相衬成像系统，包括X射线源、用于承载样品的扫描平台、光子计数探测器、三维重建系统；

所述X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，所述X射线在穿透所述样品时，产生携带空间位置中材料特征信息的光子，所述光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，获得入射光子的投影数据和能量数据，并传输至三维重建系统；

所述三维重建系统根据所述投影数据和所述能量数据重建样品内部的三维结构和物质成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的物质成分进行识别。

其中较优地，所述X射线源的阳极靶面为钨，所述过滤片为铝、钼、铑或者铍中的任意一种。

其中较优地，所述X射线源与所述样品之间的距离R1＝Ls*Fs/λ；

其中，Ls为空间相干长度，Fs为焦点大小，λ为X射线波长。

其中较优地，所述样品与所述光子计数探测器之间的距离R2≈δ*δ*M/λ；

其中，λ是X射线波长，M是放大倍数，M＝(R1＋R2)/R1，δ是样品需要分辨的细节。

一种光子计数探测器，用在上述的X射线相衬成像系统中，该光子计数探测器是由多个像素构成的面阵探测器，其中每个所述像素包括光电转换层、前置放大器、事件检出单元、能级鉴别比较器、脉冲整形器、计数器、累加器以及输出总线；其中，光电转换层将单光子转换为电信号，传输至到前置放大器将信号放大；事件检出单元将放大信号中噪声滤除并发送至能级鉴别比较器；能级鉴别比较器对有效信号分级进入脉冲整形器进行脉冲整形；计数器对脉冲信号计数并输入累加器和输出总线。

其中较优地，每个像素对捕获的光子进行强度测量，通过对特定时间窗口内所捕获的光子总数的记录获得该像素位置上的强度信息；像素通过对每个被捕获的X光子进行阈值比较，测量出该X光子所具有的能量级别。

一种基于光子计数的X射线相衬成像方法，基于上述的X射线相衬成像系统实现，包括如下步骤：

⑴X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，所述X射线在穿透所述样品时，产生携带空间位置中材料特征信息的光子；

⑵光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，获得入射光子的投影数据以及能量数据，并传输至三维重建系统；

⑶所述三维重建系统根据所述投影数据和能量数据重建样品内部的三维结构和物质成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的成分进行识别。

其中较优地，所述步骤⑴中，所述X射线源采用轫致辐射方式发射X射线，所述X射线经过滤片滤除低能部分和高能部分后，获得近似单色的X射线。

其中较优地，所述步骤⑴中，所述光子计数探测器通过计数器获得每个像素点的光子累加值形成投影图，通过能级鉴别比较器获得能量分布图；其中，所述投影图用于样品的三维结构的重建，所述能量分布图用于样品内部的物质成分识别。

其中较优地，所述步骤⑶中，所述数字染色是基于不同的量纲实现的；在数字染色的过程中，用不同的量纲进行二维投影图的采集和重建，并将重建出来的不同量纲之间的体素参数进行数学运算，得到新的染色参量。

本发明通过光子计数技术、相衬成像技术和三维重建技术对弱吸收物质进行无损伤检测，可以获得具有能量鉴别能力、微米级或纳米级空间分辨能力的数字蜡块，并通过空间尺度信息、相位信息、能量信息、密度吸收信息来对上述数字蜡块进行数字染色，便于观察识别组织结构的细微差别，也可以通过对各种染色信息参数的权重调整获得更多种类的图像输出结果。

附图说明

图1为本发明所提供的X射线相衬成像系统的整体结构示意图，其中右上角为部分组件的另一角度视图；

图2为经过滤片过滤之后，获得近单色的X射线的示意图；

图3为本发明中使用的扫描平台的结构示例图；

图4为锥束射线成像的几何关系示意图，其中显示了R1、R2、M和探测器大小之间的关系；

图5为光子计数探测器的矩阵结构示意图；

图6为光子计数探测器的工作过程示意图；

图7为光子计数探测器中，每个像素的电路原理图；

图8为相位衬度成像的工作原理示意图；

图9为经过数字染色处理后的数字蜡块示意图；

图10为用强度信息或相位信息进行数字染色的切面示意图；

图11为增加了能量鉴别等级的数字染色切面示意图；

图12为从重建后的数字蜡块获得任意角度的切面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

从物理学常识可知，X射线的波长远远短于可见光。这种特殊光源的成像可以获得数千倍于光学显微镜的空间分辨能力。我们可以利用这样的特点解决传统的光学显微镜不能分辨纳米级空间结构的问题。另一方面，利用核电子学技术和半导体技术，我们可以人为控制X光源的辐射频谱，并且通过对穿透样品后的每一个单一X光子所携带能量进行鉴别。这类能量信息可以提供更多的样品信息。

在上述技术思想的指引下，本发明利用光子计数技术、相衬成像技术和三维重建技术对弱吸收物质进行无损伤检测，获得具有能量鉴别能力、微米或纳米级空间分辨能力的数字蜡块，并对数字蜡块进行数字染色，以便观察识别样品的内部组织结构以及物质成分组成。下面对此展开详细具体的说明。

图1为本发明提供的X射线相衬成像系统的整体结构示意图。该X射线相衬成像系统包括X射线源、用于承载被检测样品的扫描平台、光子计数探测器以及三维重建系统等组件。其中，X射线源是一种微焦点近单色光源，用于向扫描平台上的样品发射X射线。该X射线在经过过滤片进行过滤之后，获得近单色的X射线，照射到被检测的样品上。X射线在穿透样品时，会产生吸收、反射、折射、透射和相移等物理现象，在成像平面产生大量携带特定空间位置中材料信息的光子。光子计数探测器用于对成像平面的光子进行计数，以便获得入射光子的投影数据以及能量数据，并传输至三维重建系统。在X射线照射过程中，被检测的样品随扫描平台不断旋转、翻转，从而使三维重建系统获取不同角度的样本相衬图像序列。三维重建系统根据投影数据重建样品内部的相位分布；通过三维重建获取具有能量鉴别级别的像素数据块，根据能量分布图对样品的数字蜡块进行数字染色，对样品内部的物质成分进行区分。利用该X射线相衬成像系统，可以在病理学、组织学、生物学以及工业领域实现亚微米级别的成像。

下面首先对本发明所提供的X射线相衬成像系统的各个组件进行详细说明。

现有的相衬成像方法主要包括干涉法、衍射增强法、类同轴法以及光栅成像法。在本发明的一个实施例中，采用类同轴法对样品进行相衬成像。由于类同轴法是一种非干涉法相衬成像方式，需要高度相干或者部分相干的X射线源。为此，需要采用同步辐射源或者微焦点X射线管。

在本发明中，所使用的X射线源可以包括同步辐射源、微聚焦X射线管等。考虑到成本等诸方面因素，本发明中优选采用微焦点X射线管。微焦点X射线管采用轫致辐射方式，可以使光源焦点控制在0.5～5微米之间。如图2所示，为了改善X射线的色纯度，可以在X射线源的出口处放置过滤片，将低能部分和高能部分滤除，从而获得近似单色的X射线。

X射线源的靶面和过滤片的材料选取，对于样品的成像效果发挥很大作用。通常，X射线源的阳极靶面选取钨、钼、铑等金属材料，过滤片选取铝、钼、铑或者铍等金属材料。在本发明的一个实施例中，阳极靶面优选为钨，过滤片的材料优选为铝、钼、铑或者铍中的一种。这样的组合方式不仅可以有效减少人类或者动物等活体的X射线辐射剂量，降低对活体组织的潜在破坏，同时还可以保证成像的质量。

如图3所示，本发明中使用的扫描平台可以让样品在其上进行全方位的旋转或翻转，从而便于改变样品的X射线照射角度，获得样品的全方位组织结构信息。上述扫描平台可以采用现有的成熟产品实现，在此就不具体说明了。

本发明采用的类同轴法有要求成像平面必须与样品之间有足够距离，相干的X射线穿过样品后，产生近场菲涅耳衍射效应。如图4所示，为使光子计数探测器在近场菲涅尔衍射区成像，需要满足以下条件：X射线管的焦点与扫描平台上的样品之间的距离：

R1＝Ls*Fs/λ

其中，Ls为空间相干长度，Fs为焦点大小，λ为X射线波长。R1可以根据样品规格大小，进行适当调整。通常情况下，空间相干长度Ls不小于1微米。

样品与光子计数探测器之间的距离：

R2≈δ*δ*M/λ

其中，λ是X射线波长，M是放大倍数，M＝(R1＋R2)/R1，δ是样品需要分辨的细节。实践中可以通过调整R2的大小，获得对应分辨细节的高质量相衬图像。

与现有技术相比较，本发明的一个显著特点在于采用光子计数探测技术而不是传统的能量积分探测技术。因此，光子计数探测器是实现本发明的核心功能组件之一。参见图5和图6所示，光子计数探测器是由N*M（N、M均为正整数，一般不低于1024*1024，需要时可以达到4096*4096以上）个像素构成的面阵探测器，由光电转换器件与电信号处理电路直接在像元（Wafer）层面组合而成。每个像素的尺寸根据不同应用场合对于分辨率的要求，可以从1um到200um不等。其中，像素大小≤δ*M，δ是样品需要分辨的细节，M是放大倍数；矩阵大小＝样品大小*M，例如图中样品大小为5mm，矩阵大小为5mm（样品大小）*20倍＝100mm。

光子计数探测器能在极低剂量下获得每一个透过样品X光子的检测，并鉴别每一个光子的能量。具体地说，光子计数探测器获得X射线穿过样品后的二阶微分相移信息，由此重建样品的二维或者三维图像。光子计数探测器中的每个像素作为一个探测器单元，相互独立。每个独立的像素均具有对单一X射线光子进行捕获、放大、鉴别、阈值比较、整形和计数的能力。光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，通过探测器内部的能量鉴别单元对每个空间位置上的光子能量进行测量，获得多个参量（至少包含吸收衬度、相位衬度、单光子能量鉴别等）的入射光子的投影数据和能量数据。

如图7所示，该探测器单元包括光电转换层、前置放大器、事件检出单元、能级鉴别比较器、脉冲整形器、计数器、累加器以及输出总线。其中，光电转换层连接前置放大器的输入端，该前置放大器的输出端连接事件检出单元，事件检出单元的输出端连接能级鉴别比较器。在本发明的一个实施例中，上述前置放大器、事件检出单元和能级鉴别比较器均由运算放大器及其外围电路实现。能级鉴别比较器由4个并联的比较器电路实现。各个比较器电路中分别设置作为比较基准的比较电压1、比较电压2、比较电压3和比较电压4，各个比较器电路的输出端依序连接脉冲整形器和计数器。4个计数器的输出端分别连接累加器以及输出总线。另外，该探测器单元还可以设置若干个（一般常用5个）寄存器，其中一个寄存器用于存放光子事件的总数，其它的寄存器用于存放不同能级光子被检出的次数。

在本发明所提供的光子计数探测器中，光电转换层用于实现光电信号的转化，所采用的材料可以为硅、碲化镉、碲锌镉、硒的其中一种，在本发明中不进行具体的限定。在光电转换层中，捕获单个X光子，并形成电子空穴对。电子空穴对在加载的电场作用下，传送到前置放大器的输入端。前置放大器将单光子事件脉冲放大，并交由事件检出单元进行滤除噪声处理。X射线穿透样品之后，由于光路上被检测物质原子序数的高低不同，致使到达光子计数探测器表面的光子能量也有区别，所形成的事件脉冲幅度也有不同。将事件脉冲与设置阈值门限鉴别比较，可以对低能量的脉冲进行甄别并滤除。能级鉴别比较器的作用是区分有效的事件脉冲还是随机噪声，并且对有效的事件脉冲进行门限比较。假定能级鉴别比较器设立的数目为K（K为正整数），单个X光子的能量可以分为K＋1个能级鉴别分组。每个能级鉴别比较器的输出经脉冲整形器的作用，使事件脉冲被整形为一个通道的脉冲输出，以便进行后续的信号数字化处理。每个能级事件脉冲经脉冲整形器作用后，计数器分别对不同能级的光子事件进行计数。在设定的计数时间周期内，每个通道的光子事件被累加，累加和在输出总线的读出周期被并行传输到外部数据处理设备。其中，计数周期为1/108秒～1秒不等，依据光子流大小和计数器有效位数决定，也根据实际应用进行设定。每个像素的总线读出仅需要1个时钟周期进行并行传输，读出的同时对所有计数器清零，接下来继续对光子事件进行计数。上述的时序是可以控制的，以便用于不同的应用场合。计数与读出的占空比也是可以进行调节的。每个像素的数据包括多个能级的计数和以及累加和。其中计数和表示像素上光子事件能量信息，累加和表示像素所获得的密度相关的吸收衰减信息。

光子计数探测器通过常用的计算机接口（包括但不限于USB接口、千兆或百兆网络接口、无线网络接口等）进行数据实时通信，其数据的发送/接收按照逐行的方式进行。每行包括N个像素的多个信息，每个像素包括强度信号寄存器的数值和多个能级寄存器的数值，每一帧包括M行的数据。当一个完整N*M的帧图像数据发送完成后，光子计数探测器向上位计算机发送头文件信息。在帧图像和帧图像之间的间隔处，光子计数探测器与上位计算机进行命令参数的通信过程。

在光子计数探测器的工作过程中，每个像素对捕获的光子进行强度测量，通过对特定时间窗口内所捕获的光子总数的记录获得该像素位置上的强度信息。像素通过对每个被捕获的X光子进行阈值比较，可以测量出该X光子所具有的能量级别。一般来说，当X射线透过特定被检测物质的时候，原子序数越高的物质对X光子的低能部分吸收越多，低能级X光子通过的概率就越低，对应在这个位置上的像素捕获到高能X光子的几率较高。反之，X射线透过原子序数较低的物质时，低能的X光子被检出的几率较高。当入射物质的X射线能量比较单一的情况时，与不同原子序数的物质作用后的X光子也将携带能量发生差异的信息。通过像素的能量鉴别功能，可以检测到这种差异变化。该差异变化就属于下文中提到的能量信息。

在传统的能量积分探测技术中，探测器测量的是单一像素在一段时间内获得X光子能量的总和，而本发明所采用的光子计数探测器可以对每个到达像素的光子进行能量鉴别，从而获得多个级别的能量信息。由于采用了光子计数探测技术，可以使得本X射线相衬成像系统在极低的亮度下完成图像采集，所获得的强度信息可以用于相衬成像的图像还原；所获得的能量信息上携带了被检测样品的原子量和物质密度信息，可以用于图像的数字染色。这种数字染色是基于物质密度和原子量进行的，所包含的信息量巨大，远远超过了目前组织学和病理学常用的HE染色（因其仅基于酸碱度进行染色）。

需要强调的是，本发明中的数字染色不同于通常意义上的数字染色。在现有技术中，所说的数字染色是基于一个量纲（强度）实现的。重建使用的量纲和染色使用的量纲为同一个（都是吸收值或称为强度，也可以叫做CT值）。而本发明所说的数字染色是基于不同的量纲（强度、能量、强度与能量的比值或差值或乘积等多种因素混合关系）实现的。由于是不同的量纲，所以必须用不同的量纲进行二维投影图的采集（包含相衬图像信息、能量信息等），并且用不同的量纲分别进行重建，将重建出来的不同量纲之间的体素参数进行数学运算，得到新的染色参量。

对于N*M个像素构成的光子计数探测器，每帧数据都包含了N*M个吸收衰减或相移信息和N*M*（K＋1）组的能量信息。光子计数探测器的成像平面上采集的X射线光子强度信息，通过计数器获得每个像素点的光子累加值形成投影图，通过能级鉴别比较器获得能量分布图。其中，投影图用于样品内部的三维结构重建，能量分布图用于样品的物质成分识别。从二维角度来看，二维重建可以得到能量减影图像，即将低能级和高能级两个图像相减可以获得一幅能量相关的图像。由此类推，三维重建也一样可以得到蕴含能量差异的三维体素块。

由于本发明所形成的三维体素块具有多个参量，其作用与传统病理学所制作的“组织蜡块”具有相同的意义。在后期处理过程中，我们将这种包含多参数信息的三维体素块称为“数字蜡块”，它也可以与传统病理学的切片方法一样被分解成二维的切片图像，并且可以超越切片的概念，进行多种实体绘制图像的数字图像重构，包括但不限于表面特征绘制、内窥镜图像绘制、特定结构（如细胞膜、线粒体、细胞核、染色体、以及其它细胞器）的提取和绘制等，并且可以按照独特的多参量（至少包括了被检测物质的吸收衬度、相位衬度和能量鉴别等）染色技术进行数字染色。

三维重建系统根据光子计数探测器的投影图和能量分布图对样品内部的相位衬度信息进行恢复，利用锥形束三维重建算法对具有复杂内部结构的样品进行重建；根据能量分布图的重建结果，对样品的内部结构的各个部分进行数字染色，得到样品内部的物质成分信息。三维重建系统所生成的数字蜡块（即三维体素块）将样品的内部结构和物质成分可视化并通过显示器直观地进行展示。下面对本发明所提供的三维重建算法进行具体说明。

载有样品的扫描平台在每次X射线曝光时旋转一定的角度，光子计数探测器采集一组投影以及能量数据。样品依次完成180°～360°旋转曝光后，光子计数探测器获得样品的各个角度的投影图和能量分布图。这些投影图和能量分布图构成序列图集。对该序列图集进行三维重建，可以获得具有样品物质吸收、相移和能量信息的体素数据。光子计数探测器的成像平面上X射线光子强度信息，通过计数器获得每个像素点的光子累加值形成投影图。投影图是相位衬度经过拉普拉斯变换后的分布，即边缘衬度图像。图8显示了相位衬度成像的基本工作原理。

其中，Io(x，y，R2；xo，yo，－R1)为物平面上的强度值；I(x0，y0，R2；xo，yo，－R1)为成像平面上的强度值。强度和相位的拉普拉斯变换有直接的关系，测得成像平面上的强度信息通过相位复原（也称相位分布重建）即可得到物平面上的相位分布。

对于相位复原，本领域常用的算法包括TIE复原法和迭代复原法。这两种算法的具体内容可以参阅禹爱民等人的论文《微焦点X射线相衬成像相位复原算法研究》（刊载于《核电子学与探测技术》第26卷第6期），在此就不再赘述了。在本发明中，类同轴法的关键在于从边缘衬度图像中恢复相位衬度，从而得到样品内部的相位衬度分布。

另外，三维重建系统采用的相位分布重建算法可分为两大类：一种是先从投影数据进行相位复原，再通过传统的滤波反投影算法FBP或迭代法重建物体内部的相位（折射率）分布；另一种是直接重建，即采用BR重建算法，根据Bronnikov提出一个同轴法X射线相衬CT基本定理（具体参见Bronnikov的论文《Phase-contrast CT：Fundamental theoremand fast image reconstruction algorithms》，刊载于《Proceedings of SPIE》Vol.6318,63180Q.），直接进行三维重建物体内部的相位分布。对于这两种相位分布重建算法，在本领域中已经相当成熟，这里不再详细说明了。

三维重建系统通过相位分布重建获得样品内部的三维结构信息，通过能量分布重建获得了样品内部的三维能量分布信息，利用能量分布体数据对样品的组成部分进行数字染色，实现对样品内部的物质成分信息的自动分类。图9为经过数字染色处理后的数字蜡块示意图。这里的能量分布信息与X射线源输出的能级相关，也与样品内部的物质原子序数相关。根据物质的吸收衰减信息与物质的原子序数、射线能量，确定被检测物质的原子序数。三维重建系统通过数字染色对鉴别出的原子序数赋予其对应的颜色，将样品的三维结构信息以及内部物质组成信息通过显示器显示供观察者分析，具体如图10和图11所示。

如图12所示，三维重建系统通过空间尺度信息、相位信息、能量信息、密度吸收信息对重建的数字蜡块进行数字染色和数字切片，可以提供多种多样的图像输出形式，便于观察识别组织结构的细微差别；通过对各种染色信息参数的权重调整获得更多种类不同的图像输出结果，更多地提供样品的内部信息。而重建过程中所产生的检测数据，例如二维数据、三维数据、数字染色参数等，可以长久保存，也可以通过信息交互集中到大型数据中心，实现数据的交互使用及共享，有利于诊断标准的建立和经验的交流。

具体地说，重建后的数字蜡块可以获得任意角度的切面，而该切面上也保留了每个像素上的强度信息和能量级别信息，可以在切片级别进行数字染色。数字蜡块所包含的全息信息包含了与强度相关的三维立体重建图像和与物质原子量及密度相关的能量分布立体图像数据，可以通过任意角度的数字切片实现对标本任意切面的观察；并可以使用不同的数字染色方案对切面上各个像素进行数字染色，包括但不限于按照强度梯度进行染色、按照能量梯度进行染色等。这样可以提供观察者更多的观察方式，包括但不限于：任意角度切面图像、虚拟内窥镜图像、特定结构的表面特征图像、分割并提取特定结构的分解或爆炸图像等。

目前，传统组织学和病理学所依赖的光学显微镜在空间分辨率方面已经达到极限。本发明为生物软组织和病理标本的无损伤检测提供新的显微观察手段。与传统的光学显微镜和HE染色的病理组织学观察相比，X射线的波长为1～10纳米，理论空间分辨率要高于可见光的200～1000倍，并可以省略病理标本的制片过程，以直接数字成像取代。

在传统的X射线成像技术中，对软组织和低密度分辨物质的鉴别能力很差。本发明所使用的相衬成像技术在低辐射剂量和样品不被破坏的基础上，能够对弱吸收物质进行高对比度的成像。与现有的相衬成像技术相比较，本发明采用具有能量分辨能力的光子计数探测器，由光子计数取代了光子能量沉积，对于亮度低的微焦点X射线源，成像时间缩短到传统探测器成像时间的1/10左右。另外，本发明所采用的三维重建技术可以获得不同角度的虚拟切片，可以观察标本的投射图像、切面图像、立体重建图像以及它们的特殊染色效果；大大缩短常规病理切片检查的工作流程和检查报告时间。本发明满足了临床应用的要求，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。

以上对本发明所提供的基于光子计数的X射线相衬成像系统、方法及其设备进行了详细说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种基于光子计数的X射线相衬成像系统，其特征在于包括高度相干或者部分相干的X射线源、用于承载样品的扫描平台、光子计数探测器和三维重建系统；

所述X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，所述X射线在穿透所述样品时，产生携带空间位置中材料特征信息的光子，所述光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，并对每个空间位置上的光子能量进行测量，获得入射光子的投影数据和能量数据，并传输至三维重建系统；其中，每个像素的数据包括多个能级的计数和以及累加和，所述计数和表示像素上光子事件能量信息，所述累加和表示像素所获得的密度相关的吸收衰减信息；

所述三维重建系统根据所述投影数据和所述能量数据重建样品内部的三维结构和物质成分类别，对样品的组成部分进行基于不同量纲的数字染色，用不同量纲进行二维投影图的采集和重建，并将重建出来的不同量纲之间的体素参数进行数学运算，从而对样品的物质成分进行识别。

2.如权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于：

所述X射线源的阳极靶面为钨，过滤片为铝、钼、铑或者铍中的任意一种。

3.如权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于：

所述X射线源与所述样品之间的距离R1＝Ls*Fs/λ；

其中，Ls为空间相干长度，Fs为焦点大小，λ为X射线波长。

4.如权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于：

所述样品与所述光子计数探测器之间的距离R2≈δ*δ*M/λ；

其中，λ是X射线波长，M是放大倍数，M＝(R1+R2)/R1，δ是样品需要分辨的细节。

5.一种光子计数探测器，用在如权利要求1所述的X射线相衬成像系统中，其特征在于：

所述光子计数探测器是由多个像素构成的面阵探测器，其中每个所述像素包括光电转换层、前置放大器、事件检出单元、能级鉴别比较器、脉冲整形器、计数器、累加器以及输出总线；其中，光电转换层将单光子转换为电信号，传输至到前置放大器将信号放大；事件检出单元将放大信号中噪声滤除并发送至能级鉴别比较器；能级鉴别比较器对有效信号分级进入脉冲整形器进行脉冲整形；计数器对脉冲信号计数并输入累加器和输出总线。

6.如权利要求5所述的光子计数探测器，其特征在于：

每个像素对捕获的光子进行强度测量，通过对特定时间窗口内所捕获的光子总数的记录获得该像素位置上的强度信息；像素通过对每个被捕获的X光子进行阈值比较，测量出该X光子所具有的能量级别。

7.一种基于光子计数的X射线相衬成像方法，基于权利要求1所述的X射线相衬成像系统实现，其特征在于包括如下步骤：

⑴X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，所述X射线在穿透所述样品时，产生携带空间位置中材料特征信息的光子；

⑵光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，获得入射光子的投影数据以及能量数据，并传输至三维重建系统；

⑶所述三维重建系统根据所述投影数据和能量数据重建样品内部的三维结构和物质成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的成分进行识别。

8.如权利要求7所述的X射线相衬成像方法，其特征在于：

所述步骤⑴中，所述X射线源采用轫致辐射方式发射X射线，所述X射线经过滤片滤除低能部分和高能部分后，获得近似单色的X射线。

9.如权利要求7所述的X射线相衬成像方法，其特征在于：

所述步骤⑴中，所述光子计数探测器通过计数器获得每个像素点的光子累加值形成投影图，通过能级鉴别比较器获得能量分布图；其中，所述投影图用于样品的三维结构的重建，所述能量分布图用于样品内部的物质成分识别。