CN104970815A - 基于光栅相位衬度和光子计数的x射线成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像系统及方法。其中，X射线经光源光栅整形后，变成相干X射线，穿过样品以后的含有相位变化的相干X射线经相位光栅，形成分束的X射线，再经过分析光栅后将X射线的相位变化转化成光强的变化，然后再由光子计数探测器记录下强度不同的X射线相衬信息，通过三维重建系统得到基于相位衬度的断层影像，最终获得软组织样品的组成成份和内部精细结构信息。本发明可以用于医院病理科、放射科和科研部门对软组织样品标本的检验，有利于发现组织样品中的细小病灶等早期病变信息，大大提高检出率。

Description

基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像系统及方法

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栅相位衬度和光子计数技术的X射线成像系统，同时还涉及该系统实现X射线成像的方法，属于医学影像技术领域。

背景技术

X射线的穿透能力特别强。当X射线经过碳、氢、氧等轻元素构成的样品时，就像是可见光穿过玻璃，没有留下可观测的痕迹。这对医学诊断是极为不利的。例如针对乳腺肿瘤的诊断，乳腺肿瘤在发展的早期仍然是由轻元素组成的病灶，吸收衬度成像对其无能为力，直到乳腺肿瘤发展到晚期，产生钙化现象，才可见于吸收衬度成像。这样己经错过了治疗的最佳时机，严重影响了患者康复的几率。

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的成像，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。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。

经过30余年的发展，X射线相位衬度成像技术主要采用下述的四种方法：

（1）晶体干涉衬度成像法：将一块完整晶体切割成三块很薄而基部仍然连接在一起的3L形状，分别是分束器、投射晶体和分析晶体。X射线入射经过第一片晶体后衍射并分离成两束相干光。将其中的一束光作为参照光，并在其传播路径上放置一个相位改变器以不断改变光。该方法对实验装置的机械稳定性的要求相对比较苛刻，由于对最终衍射花样的探测是在入射X射线穿越了3层晶体之后，因此光子利用率较低，需要有很强的光源或者很长的曝光时间来弥补。由于晶体尺寸有限，该方法只适用于一些小尺寸样品的情况，目前仅在同步辐射上有应用。

（2）晶体衍射增强法：让X射线源发出的多色X射线经过一块完整晶体后，入射角度满足布拉格衍射条件（即发生相干光干涉条件）的X射线能通过单色晶体，从而形成单色光。在样品的后方放置一块分析晶体作为角度分析器，随后是探测器记录图像。单色光穿过样品后由分析晶体将相位信息转化成光强信息。使用分析晶体并通过调整分析晶体的角度，增强或减弱经过样品后透射、折射和小角散射的X射线，因此衍射增强成像有三种产生衬度的机制，它们分别是吸收衬度、折射衬度和滤除小角散射获得的消光衬度。

（3）光栅剪切法：用单色光照射光栅，在光栅后面一定距离会出现具有周期性的像，即“Tablot-Lau效应”，如图1所示。利用光栅自成像效应，通过对光路进行设计，使得第一块相位光栅的像与第二块吸收光栅相匹配，进而分析样品所形成的莫尔条纹，可以定量恢复波阵面。目前对这个方法有两种实现方案，一种是产生π/2的相移，一种是产生π的相移。该方法的优势在于不再依赖于高亮度、相干性较高的同步辐射光源，从而具有广泛的应用前景。

方法（2）与方法（3）为基于光学分析元件的X射线相位衬度成像方法。这类光学分析元件的作用是产生相位微分像,从而提高图像的边界对比度,需要通过一定的实验机制和对应算法来进行定量相位恢复。

（4）基于X射线自由传播的相位衬度成像方法：该方法也称作X射线类同轴相位衬度成像方法，根据使用的光源不同，分为单色X射线类同轴相位衬度成像和复色X射线类同轴相位衬度成像。其中复色X射线类同轴是基于澳大利亚墨尔本大学的K.A.Nugent提出的光强传播方程。类同轴方法在实现上较为简单，只要X射线源的焦点足够小，就能在基于吸收衬度的设备上实现相位衬度成像，但由于类同轴方法获得的是相位的二阶导数，因此在相位恢复上比较困难。

目前，国内外绝大多数的相位衬度成像研究都是在同步辐射X射线源上开展的。但同步辐射X射线源属于大型科学装置,其设备和维护成本高昂,将其作为医疗临床诊断设备,既不符合能源和资源有效利用的原则,其成像诊断费用也不是一般病人能承担得起的。低功耗的微焦点X射线源具有足够的相干性（采用微焦点X射线源,相当于利用小孔获得相干光）,但光束太窄、光通量太小、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。

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栅相位衬度和光子计数技术，利用微焦点X射线源成像的系统。

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射线成像的方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像系统，包括，

X射线源，用于产生X射线，

光源光栅，用于将所述X射线源发出的X射线分成多个相干光源，

样品扫描平台，用于承载待测样品，

相位光栅，用于对X射线进行分束，并使分束后的X射线发生非相干干涉，

分析光栅，用于将X射线的相位信息转变为X射线的光强信息，

三维重建系统，根据图像对所述样品的结构进行三维重建，

光子计数探测器，用于探测某时间段内到达其表面的X射线的光子以形成图像，并传输到所述三维重建系统；

所述光源光栅设置在所述X射线源与所述样品之间，所述相位光栅设置在所述样品另一侧与所述分析光栅之间，在所述分析光栅的另一侧设置光子计数探测器，所述光子计数探测器与所述三维重建系统连接。

其中较优地，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，将放大信号中的噪声滤除，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、阈值比较，记录特定时间窗口内通过所述像素的光子总数，获得该像素位置上的强度信息。

一种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像方法，基于上述的X射线成像系统实现，包括如下步骤：

步骤1：在样品扫描平台没有样品时，所述X射线成像系统采集基准图像；

步骤2：在样品扫描平台上放入样品，所述X射线成像系统采集第一图像；

步骤3：将所述样品扫描平台旋转一定角度，所述X射线成像系统采集第二图像；

步骤4：所述X射线成像系统基于步骤1～步骤3中的三幅图像，进行样品结构的三维重建。

其中较优地，所述步骤1进一步包括以下步骤：

步骤11：X射线源向光源光栅发射X射线，所述光源光栅将X射线分成多个相干光源；

步骤12：多个相干光源发出的X射线由相位光栅进行分束，并产生非相干干涉，形成干涉条纹；

步骤13：分析光栅将步骤12中分束的X射线的相位信息转变成X射线的光强信息，并照射到光子计数探测器的表面；

步骤14：所述光子计数探测器对到达表面的所述X射线的光子进行计数，形成基准图像。

其中较优地，所述步骤11中所述光源光栅的相邻两缝的X射线之间不相干，并且产生的干涉条纹错位一个周期。

其中较优地，所述步骤2或3进一步包括以下步骤：

步骤21：X射线源向光源光栅发射X射线，光源光栅将X射线分成多个相干光源；

步骤22：多个相干光源发出的X射线穿透样品后，一部分X射线相位发生变化；

步骤23：相位光栅将相位发生变化与未发生变化的全部X射线进行分束，并产生非相干干涉，得到变形的干涉条纹；

步骤24：分析光栅将步骤23中分束后的X射线的相位信息转变成X射线的光强信息，并照射到光子计数探测器的表面；

步骤25：光子计数探测器对到达其表面的所述X射线的光子进行计数，形成图像。

其中较优地，所述步骤14或步骤25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，用于重建样品的三维结构。

其中较优地，所述步骤3中，样品扫描平台的旋转角度为180度。

其中较优地，所述步骤4中，根据吸收像和折射角像得到相位二阶导数像，并分离出相移像，结合所述相移像、所述折射角像和所述相位二阶导数像从一个断层推广到多个断层，以重建所述样品的三维结构。

本发明将光子计数探测器与光栅相位衬度成像结合在一起，使X射线显微成像不再依赖于高亮度、相干性较高的同步辐射光源，解决了光栅相衬到达探测器光子少，采用长时间积分又会引入噪声的问题。利用本发明，有利于发现组织样品中的细小病灶等早期病变信息，大大提高检出率。

附图说明

图1是晶体干涉衬度成像的基本光路示意图；

图2是提取水平折射角的光栅剪切成像装置示意图；

图3是提取垂直折射角的光栅剪切成像装置示意图；

图4是本发明中分析光栅的位移曲线示意图；

图5是本发明所使用的样品扫描平台的结构示例图；

图6是光源移动后，光栅成像对比度增加示意图；

图7是本发明所提供的光子计数探测器中，每个像素的电路原理图；

图8是本发明中分离提取吸收像的示意图；

图9是本发明中分离提取折射角像的示意图。

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。

本发明的基本思路在于通过光子计数技术、相位衬度成像技术和三维重建技术对弱吸收物质进行无损伤检测，以便观察识别样品的内部组织结构。下面对此展开详细具体的说明。

图2为本发明的一个实施例中，X射线成像系统的整体结构示意图。该X射线成像系统包括X射线源、光源光栅、样品扫描平台、相位光栅、分析光栅、光子计数探测器和三维重建系统（图中未示）等组件。上述光源光栅、相位光栅和分析光栅呈平面结构，也可以是其圆心在光源侧的曲面结构。

在本发明中，X射线源优选为一种微焦点近单色光源，用于产生X射线。该X射线经光源光栅调整获得相干X射线，该相干X射线照射到放置于样品扫描平台待检测的样品上。其中，光源光栅设置在X射线源与样品之间，为了有足够的光通量，设置有多条非常小的缝隙。相位光栅设置在样品的另一侧与分析光栅之间，分析光栅是放置在自成像距离处，其作用和晶体衍射增强法中的分析晶体作用类似。通过在X射线方向上扫描分析光栅，得到不同位置的强度曲线。在分析光栅的另一侧设置光子计数探测器，上述各部分在水平方向上依次排列，光子计数探测器与三维重建系统相连接。

相干X射线在穿透样品时，会发生吸收、散射、折射、透射等物理现象，产生大量携带特定空间位置中材料信息的光子。上述光子经过相位光栅，产生相位变化信息（外在表现为莫尔条纹，X射线的相位变化通过莫尔条纹的移动距离进行展现）。携带相位变化信息的光子在穿过分析光栅后，通过调整分析光栅的位置，将光子的相位信息转化为光子计数探测器上的不同光强的信息，并记录分析光栅不同位置时在上述光子计数探测器上面所形成的图像。

当该X射线成像系统无样品检测时，相干X射线经过相位光栅衍射，会形成一幅光栅的自成像条纹，这种现象称为Talbot效应（该效应可以看作多种双缝干涉共同作用的结果）。如图2～图4所示，在光栅自成像的地方，插入一块空间周期和光栅自成像条纹周期相同的分析光栅。该分析光栅是一块吸收光栅，通过调节分析光栅的位置，即可以让光栅自成像通过，也可以不让光栅自成像通过，随着分析光栅横向移动，探测器上的光强会出现强弱的周期性变化。图4是光强随分析光栅位置变化而发生变化的曲线，因为这条曲线是移动分析光栅得到的，所以称为位移曲线。为了能提出定量的折射角信号，最简单的途径是在分析光栅通过光强和样品折射角之间形成线性关系。为此，在放入样品前，先调节分析光栅位置，使分析光栅和光栅自成像处于半对准状态，即光栅自成像在分析光栅上可以获得一半最大通过率，对应位移曲线的线性区域，即图4中位移曲线上的a点或b点。在实践中也不局限于a、b两点的位置，例如可以为位移曲线的波谷和波峰，或者其他位置。在放入样品后，X射线束照射在样品上，样品会在水平方向和垂直方向产生正的或者负的折射角，水平折射角会引起图2中光栅自成像发生水平的横向位移，导致在图2中的分析光栅通过光强随着水平折射角成线性变化，垂直折射角会引起图3中光栅自成像发生垂直的横向位移，导致在图3中的分析光栅通过光强随着垂直折射角成线性变化，因而可以分别利用图2和图3中的光栅剪切成像装置，获得样品沿水平方向的折射衬度像和沿垂直方向的折射衬度像。

光子计数探测器可以对其成像平面的光子进行计数。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。每个像素均具有对X射线的单一光子进行捕获、放大、鉴别、阈值比较、整形和计数的能力,以便获得入射光子的投影数据以及能量数据。光子计数探测器获得X射线穿过样品后的一阶微分相移信息。在X射线照射过程中，被检测的样品随样品扫描平台不断旋转。如图5所示，本发明一个实施例中使用的样品扫描平台，可让样品在上面进行全方位的旋转，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。并传输至三维重建系统，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,由此重建样品的二维或者三维图像。

本发明还提供一种基于光栅相位衬度和光子计数技术的X射线成像方法，基于无样品时的基准图像和有样品时不同角度的两幅图像，对样品的结构进行三维重建。其中，获得图像的过程包括如下步骤：

步骤1：在样品扫描平台没有样品时，X射线成像系统采集基准图像；

步骤2：在样品扫描平台上放入样品，X射线成像系统采集第一图像；

步骤3：将样品扫描平台旋转一定角度，X射线成像系统采集第二图像；

步骤4：X射线成像系统基于步骤1～步骤3中的三幅图像，进行样品结构的三维重建。

其中，样品扫描平台未放入样品时，采集图像的步骤包括：

步骤1：X射线源向光源光栅发射X射线，光源光栅将X射线分成多个相干光源；

步骤2：多个相干光源发出的X射线通过相位光栅产生非相干干涉，形成干涉条纹；

步骤3：分析光栅将经步骤2中分束的X射线的相位信息转变成X射线的光强信息，并照射到光子计数探测器的表面；

步骤4：所述光子计数探测器对到达表面的所述X射线的光子进行计数，形成基准图像。

在放入样品时和样品扫描平台旋转后，采集图像的方法是一致的。具体包括如下步骤：

步骤1：X射线源向光源光栅发射X射线，光源光栅将X射线分成多个相干光源；

步骤2：多个相干光源发出的X射线穿透样品后，一部分X射线相位发生变化；

步骤3：相位光栅将相位发生变化与未发生变化的全部X射线进行分束，发生非相干干涉，得到变形的干涉条纹；

步骤4：分析光栅将步骤3中分束后的X射线的相位信息转变成X射线的光强信息，并照射到光子计数探测器的表面；

步骤5：光子计数探测器对到达其表面的所述X射线的光子进行计数，形成图像。

下面对该X射线成像方法作进一步的详细说明。

X射线源可以包括同步辐射源、微聚焦X射线管、普通X射线管及X射线激光等。考虑到成本和所要解决的技术问题等诸方面因素，本发明优选采用微焦点X射线球管。

光栅剪切相衬具体计算见下式（1）：

$I=I_0{e}^{(-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i{L}_i)}---\left(1\right)$

式（1）中：I0为入射光强,I为接收到的X线光强,L为沿光线方向上的样品厚度,m为样品的线性吸收系数。而线性吸收系数又与总原子吸收截面s样品密度等因素有关,见下式（2）：

$\mathrm{\μ}=\mathrm{\ρ}\frac{N_A}{A}\mathrm{\σ}---\left(2\right)$

式（2）中：NA为阿伏加德罗常数,A为原子质量,r为物质密度。

设定X射线管管流为1mA，高压为35kV，则空气对X射线的吸收系数可达到1.5左右，样品为5mm厚的水。光栅允许通过的光强不到10%，相位光栅至少使光强降低50%，分析光栅又使光强降低10%。可见，到达探测器以后，X射线强度可降低到原来的1/1000。

为了在探测器上形成相衬图像，常采用的技术手段是延长曝光时间，但是这样做又会引入大量噪声信号，降低图像分辨率。有些噪声，例如随机噪声，通过延长采样时间可以消除，而有些噪声则随着采样时间增大而增大，如电子噪声和量子噪声等。由此可见，为使得光栅相衬得到进一步发展，必须解决弱光成像的问题。

如果使探测器上的相衬图像的对比度进行增强，则可以解决弱光成像的问题。下面从Talbot效应开始推导光栅剪切相位衬度成像的理论方法，详见刘宜晋的博士学位论文《X射线相位衬度成像及CT研究》（中国科学技术大学，2009）：

由惠更斯-菲涅耳原理（Fresnel-Huygens Principle）可知,到达观察点某处的波阵面是由之前的某一个波阵面上各个点发出的次级波叠加而成。菲涅耳衍射公式可以写作：

其中是入射窗平面的位置矢量，为探测器平面内的位置矢量，E_入射为入射波阵面分布，（x',y'）为入射窗口面内的坐标值。

对于光栅衍射体系,E_入谢是由入射波阵面和光栅的透过率数共同决定的。

特别地，将成像空间限制在二维平面内。理想情况下的光栅透过率函数可以写成

t(x)＝t₀(x)*comb(x/d)/d          （4）

其中t₀(x)为光栅单个周期的透射率函数，*表示卷积，comb（x）定义为梳状函数，是一系列狄拉克函数之和，即

$\mathrm{comb}\left(x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-n)---\left(5\right)$

将光栅的透过率函数代入公式（5）可模拟入射光透过光栅之后的光学传播情况。在这种情况下，出现自成像的条件是,像面光强分布的频谱等于光栅后表面的频谱，可推导自成像距离的表达式为

$D_n=\frac{1}{{\mathrm{\η}}^2}\·\frac{n\·{T_1}^2}{2\mathrm{\λ}}---\left(6\right)$

其中，n是Tablot级数，为自然数；Dn是n级Tablot距离；当光栅为π/2相移光栅或者吸收光栅时η＝1；当光栅为π相移光栅时η＝2；λ是入射X射线的波长；T1是光栅的周期。

此外，由于光源的横向移动，会导致自成像条纹的横向偏移，当光源横向移动的距离适当,会使得自成像条纹错位整数个周期,总体非相干叠加,条纹对比度得到增强，如图6所示，在本发明的一个实施例中，光源光栅相邻两缝的X射线光源之间不相干，但相邻两缝产生的干涉条纹错位一个周期。

在不延长曝光时间的前提下，我们希望探测器上面形成增强的相衬图像。为进一步解决弱光成像的问题，本发明优选采用光子计数探测器。

如图7所示，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。故其在于能在光线极弱的环境下成像，能区分入射光子的能量级别，而且光子计数探测器不会出现基于能量积分探测器经常出现的热噪声和电子噪声。

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射线子，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，在图7所示的实施例中K为4），单个X射线子的能量可以分为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（N和M均为正整数）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射线子进行阈值比较，可以测量出该X射线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射线子的低能部分吸收越多，低能级X射线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射线子的几率较高。反之，X射线透过原子序数较低的物质时，低能的X射线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射线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。

采用光子计数探测器接收到的只是强度信息，该强度信息里面包含了吸收相和折射角相（就是相位移动），即分析光栅把相位信息变成了强度信息。但是，光栅成像所需要的参数为折射角相，因此，为求得到该参数，在p/4（p为分析光栅位移曲线的周期）和－p/4两个方向，或者相位差180度的两个方向，需要拍摄两幅图像，由上述两幅图像得到折射角。进一步地，我们需要分离出相位信息，并建立基于相位衬度的断层图像，同时也要建立基于吸收衬度的断层图像，并将两种图像融合在一起。

目前，拍摄多幅图像是发展的主流，但是会使样品遭受过量的辐射，而且大幅度延长成像数据采集时间，不符合简便、快速和低剂量的要求。本发明只需要拍摄两张不同的图像，即可解决上述技术问题。

首先，由分析光栅透射光强和相位光栅入射光强之间的关系，可以得到分析光栅的透射光强和样品入射光强之间的关系，通过移动分析光栅到一定的位置，使光强随着折射角线性变化并得到其公式。本发明的一个实施例中，将样品放入样品扫描平台后，为样品拍摄一幅第一图像（正面像），然后，以Y轴为转轴，将样品旋转180度，再拍摄一幅第二图像（反面像），其中，样品旋转不局限于180度，当不为180度时，需要增加一个计算因子。由于正面像和反面像吸收衰减相同，折射角相反，从而可以得到两幅图像的数学表达式，这样较旋转角度不是180度的情况而言计算更加方便。

最后，将正面像和反面像的数学公式相加，可解出样品的吸收像，如图8所示；将上述两数学公式的差除以它俩的和，可解出折射角像，如图9所示。吸收像与折射角像的详细推导过程请参考麦振洪编著的《同步辐射光源及其应用》（科学出版社2013年3月出版，p658～660，ISBN：9787030365347）。

获得吸收像与折射角像后，再结合CT断层成像理论进行三维成像。即，由吸收像和折射角像可得到相位二阶导数像，进而分离出相移像，并利用相移像、水平折射角像、垂直折射角像和相位二阶导数像从一个断层推广到多个断层，从而进行样品结构的三维重建。由于相位项在样品坐标系下的导数满足不随样品旋转而变的特点，将其作为重建函数，进一步得到滤波反投影重建公式和卷积反投影重建公式，并将标题函数重建推广到矢量函数重建。三维重建方法的详细推导过程请参考麦振洪编著的《同步辐射光源及其应用》（科学出版社2013年3月出版，p663～679，ISBN：9787030365347）。

基于上述的系统与方法，本发明的一个实施例选用以下结构参数，其中，

X射线源，焦斑直径不大于50μm；

光源光栅，光栅常数不大于10μm，光栅面积为3cm×3cm；

光源光栅与X射线源距离不大于2mm。

本实施例的效果以下：可以分辨1mm样本中小于50μm的组织结构形态，如可实现对病理样品中皮肤组织的汗腺毛囊分辨；可以分辨小于1mm的血管，区分血管内部和外壁；分辨5mm*5mm*5mm乳房组织样品中小于50μm的微小钙化点等，也可用于5mm*5mm*5mm的有机材料小块内部组成均一性测试；成像时间缩短到传统探测器成像时间的1/10。

本发明将光子计数探测器与光栅相位衬度成像结合在一起，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，将很好地解决光栅相衬到达探测器光子少，长时间积分又会引入噪声的问题，将能有利于相衬显微CT的进一步发展。

上面对本发明所提供的基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像系统及方法进行了详细的说明。对一般领域的技术人员而言，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 (10)

1.一种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像系统，包括，

X射线源，用于产生X射线，

光源光栅，用于将所述X射线源发出的X射线分成多个相干光源，

样品扫描平台，用于承载待测样品，

相位光栅，用于对X射线进行分束，并使分束后的X射线发生非相干干涉，

分析光栅，用于将X射线的相位信息转变为X射线的光强信息，

三维重建系统，根据图像对所述样品的结构进行三维重建，

其特征在于，还包括，

光子计数探测器，用于探测某时间段内到达其表面的X射线的光子以形成图像，并传输到所述三维重建系统；

所述光源光栅设置在所述X射线源与所述样品之间，所述相位光栅设置在所述样品另一侧与所述分析光栅之间，在所述分析光栅的另一侧设置光子计数探测器，所述光子计数探测器与所述三维重建系统连接。

2.如权利要求1所述的X射线成像系统，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，将放大信号中的噪声滤除，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。

3.如权利要求2所述的X射线成像系统，其特征在于，

每个所述像素对捕获的光子进行强度测量、阈值比较，记录特定时间窗口内通过所述像素的光子总数，获得该像素位置上的强度信息。

4.一种基于光栅相位衬度和光子计数的X射线成像方法，基于权利要求1所述的X射线成像系统实现，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：在样品扫描平台没有样品时，所述X射线成像系统采集基准图像；

步骤2：在样品扫描平台上放入样品，所述X射线成像系统采集第一图像；

步骤3：将所述样品扫描平台旋转一定角度，所述X射线成像系统采集第二图像；

步骤4：所述X射线成像系统基于步骤1～步骤3中的三幅图像，进行样品结构的三维重建。

5.如权利要求4所述的X射线成像方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括以下步骤：

步骤11：X射线源向光源光栅发射X射线，所述光源光栅将X射线分成多个相干光源；

步骤12：多个相干光源发出的X射线由相位光栅进行分束，并产生非相干干涉，形成干涉条纹；

步骤13：分析光栅将步骤12中分束的X射线的相位信息转变成X射线的光强信息，并照射到光子计数探测器的表面；

步骤14：所述光子计数探测器对到达表面的所述X射线的光子进行计数，形成基准图像。

6.如权利要求5所述的X射线成像方法，其特征在于，

所述步骤11中，所述光源光栅的相邻两缝的X射线之间不相干，并且产生的干涉条纹错位一个周期。

7.如权利要求4所述的X射线成像方法，其特征在于，所述步骤2或3进一步包括以下步骤：

步骤21：X射线源向光源光栅发射X射线，光源光栅将X射线分成多个相干光源；

步骤22：多个相干光源发出的X射线穿透样品后，一部分X射线相位发生变化；

步骤23：相位光栅将相位发生变化与未发生变化的全部X射线进行分束，并产生非相干干涉，得到变形的干涉条纹；

步骤24：分析光栅将步骤23中分束后的X射线的相位信息转变成X射线的光强信息，并照射到光子计数探测器的表面；

步骤25：光子计数探测器对到达其表面的所述X射线的光子进行计数，形成图像。

8.如权利要求5～7中任意一项所述的X射线成像方法，其特征在于，

所述步骤14或步骤25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，用于重建所述样品的三维结构。

9.如权利要求4所述的X射线成像方法，其特征在于，

所述步骤3中，样品扫描平台的旋转角度为180度。

10.如权利要求4所述的X射线成像方法，其特征在于，

所述步骤4中，根据吸收像和折射角像得到相位二阶导数像，并分离出相移像，结合所述相移像、所述折射角像和所述相位二阶导数像从一个断层推广到多个断层，以重建所述样品的三维结构。