CN106290414B - 一种x射线光栅相衬成像装置和成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X射线相位衬度成像装置和成像方法，装置包括X射线管(11)、源光栅(12)、样品台‑、分束光栅(13)、分析光栅(15)和X射线探测器(16)，各部件的中心都在水平方向上共轴。其中，源光栅(12)、分束光栅(13)和分析光栅(15)的衬底面均正对着所述X射线管(11)。本发明调转了三块光栅的放置方向，无需改变现有的校正步骤、采集方法以及信息分离方法，就能将传统方法中吸收光栅周期性结构的吸收部分承担的能量沉积转移一部分到衬底部分，使得衬底受到的辐照剂量、能量沉积和热分布更加均匀，减小相应的热效应带来的光栅振动乃至变形，提高系统的稳定性，延长光栅使用寿命。

Description

一种X射线光栅相衬成像装置和成像方法
技术领域
本发明涉及X射线光栅相衬成像领域，具体涉及一种X射线光栅相衬成像装置和成像方法。
背景技术
X射线相位衬度成像方法，相对于传统基于吸收的成像方法，因其对于人体软组织等低原子序数物质有明显优势，自提出以来引起了各方面的广泛关注。从上世纪90年代开始，X射线相衬成像主要有晶体干涉仪方法、衍射增强方法、同轴方法以及光栅干涉仪方法。由于X射线相移探测要求X射线光源有比较高的相干性，所以刚开始都是在同步辐射上完成的[1]。在2006年，Pfeiffer等人从可见光的相位测量得到启发，在原有的基于两块光栅的Talbot干涉仪基础上增加了一块源光栅，提出了可以使用普通光源的Talbot-Lau干涉仪[2]。由于该方法摆脱了庞大而昂贵的同步辐射光源以及低功率的微焦点光源，真正使X射线相衬成像应用于医学成像、无损检测等成为了可能。2009年，清华大学工程物理系的黄志峰等人基于几何投影方法，也提出了一套基于非相干光照明的三块光栅组成的相衬成像装置[3]。与Talbot-Lau干涉仪相比，该装置进一步降低了对光源相干性以及光栅的要求，成为了另外一种应用潜力巨大的相衬成像方法。光栅相衬成像方法，其最大特点就是可以同时获取被检物体的吸收，折射以及散射图像，三种信息可以反映物质的不同特征，且相互补充。
使用常规光源的光栅相衬成像装置和普通的X射线吸收衬度成像装置相比，除了普通的X光机、平板探测器以及样品台等外，增加了三块透射光栅，分别是源光栅G0，分束光栅G1和分析光栅G2。目前采用常规光源的光栅相衬成像方法有基于相干光照明的Talbot-Lau干涉仪和由非相干光照明的三块吸收光栅的相衬成像装置两种方法。两种光栅相衬成像装置的源光栅G0和分析光栅G2都是吸收光栅，不同的是分束光栅G1，前者是相移为π或π/2的相位光栅，而后者是吸收光栅。X射线波段的吸收光栅一般包含作为衬底的硅片和作为吸收材料的周期性结构。在现有的光栅相衬成像装置中，吸收光栅都是周期性结构正对着X光源，即从X光源出射的光子先入射到吸收光栅中的周期性结构后再进入硅片衬底。这样的放置导致入射X光经过吸收光栅之后，光子的吸收绝大部分被周期性结构承担。这些结构是由一个个很小的单元组成，每一个的尺寸一致，一般来说宽度较小，高度较大，拥有比较大的高宽比，极不稳定，长期如此照射，吸收结构会发热震动甚至变形，严重影响光场的稳定性和光栅的寿命。
[1]Bravin A,Coan P,Suortti P.X-ray phase-contrast imaging:from pre-clinical applications towards clinics[J].Physics in medicine and biology,2012,58(1):R1.
[2]F.Pfeiffer,T.Weitkamp,O.Bunk,C.David,Phase retrieval anddifferential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources,NaturePhysics,2(2006)258-261.
[3]Huang Z F,Kang K J,Zhang L,et al.Alternative method fordifferential phase-contrast imaging with weakly coherent hard x rays[J].Physical Review A,2009,79(1):013815.
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的主要问题是在三块光栅的Talbot-Lau装置以及基于投影成像的相衬成像装置中，提高系统稳定性和延长光栅使用寿命。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种X射线相位衬度成像装置，包括X射线管、源光栅、样品台、分束光栅、分析光栅和X射线探测器，各部件的中心都在水平方向上共轴，所述源光栅、分束光栅和分析光栅的衬底面均正对着所述X射线管。
优选地，所述源光栅、分束光栅和分析光栅均通过光学精密位移台固定于光学平台之上。
优选地，所述分析光栅与光学精密位移台之间安装有压电陶瓷精密位移电机，用以完成该分析光栅的步进运动。
优选地，所述源光栅、分束光栅和分析光栅中均为吸收光栅。
优选地，所述吸收光栅包括依次叠置的衬底、导电层和周期结构层。
优选地，所述导电层包含钛和金。
优选地，所述周期结构层为金。
优选地，所述周期结构层的槽中保留有光刻胶。
本发明还提出与使用上述X射线相位衬度成像装置进行X射线相位衬度成像的方法。
利用本发明的X射线光栅相位衬度成像装置进行成像的方法包括以下步骤：
1.X射线探测器校正
X射线探测器校正又包括暗场校正和增益校正。具体校正过程为；
将X射线管和X射线探测器之间的光学元件均移出光路，打开X射线探测器采集50张图像，对其取平均后记为Ioffset，是为暗场校正图像。再将X射线管打开，采集50张图像，对其求取平均后记为Igain，是为增益校正图像。
待X射线相位衬度成像装置运行采集图像之后，运用以下公式完成校正：
其中(m,n)为校正点的图像像素坐标，I(m,n)为校正后的图像， I0(m,n)为原始图像，M为探测器的行像素数，N为探测器的列像素数，mean 表示对图像内所有像素值求平均值。
2.仪器光路校准
将光学元件移回光路，使得三块光栅的衬底这一面正对着光源而周期性结构这一面背对着光源，打开X射线管和X射线探测器，微调分束光栅，观察X射线探测器上的摩尔条纹，待条纹均匀且周期区域无穷大时认为光路校准完成。
3.样品图像采集
将被测样品放入样品台并调整至视场合适范围内，沿着垂直于光栅刻线方向移动分析光栅，在其一个光栅周期内均匀移动五步，为了提高图像质量，每步可取多张图像求取平均，经过校正后，记第k步最终获得的图像为
4.背景图像采集
将被测样品移出视场(样品台)，并将分析光栅移回原位，然后按照采集样品折射图像同样的步骤采集背景图像，记第k步最终获得的图像为
5.吸收信息提取
样品的吸收信息可由以下公式计算，
其中，A(m,n)为吸收像，坐标(m,n)表示探测器上像素点的位置坐标， N代表相位步进的总步数(本发明取5)，下标k表示当前图像为N步步进的第k步，上标s表示有样品存在的样品相位步进投影图像，上标b表示无样品存在的图像，即背景图像。
6.折射信息提取
样品的折射信息可由以下公式提取
其中α(m,n)代表折射像，P2表示分析光栅G2的周期，d为相位光栅G1和分析光栅G2之间的距离。
(三)有益效果
本发明的光栅放置方法与传统的方法相比，调转了三块光栅的放置方向，其他的校正步骤、采集方法以及信息分离方法与现有技术完全一致，就能将传统方法中吸收光栅周期性结构的吸收部分承担的能量沉积转移一部分到衬底部分，使得衬底受到的辐照剂量、能量沉积和热分布更加均匀，减小相应的热效应带来的光栅振动乃至变形，提高系统的稳定性，延长光栅使用寿命。
附图说明
图1是本发明的X射线相位衬度成像装置的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明的X射线相位衬度成像装置的一个吸收光栅的实施例的结构示意图；
图3为现有技术的仪器光路示意图；
图4为本发明的仪器光路示意图；
图5为本发明验证实验所使用的样品示意图；
图6a为本发明实施例提供现有技术得到的样品吸收图像；
图6b为本发明实施例提供现有技术得到的样品折射图像；
图7a为本发明实施例提供的本发明得到的样品吸收图像；
图7b 为本发明实施例提供的本发明得到的样品折射图像；
图8a为本发明实施例利用现有技术与本发明得到吸收像断面对比示意图。
图8b为本发明实施例利用现有技术与本发明得到折射像断面对比示意图。
具体实施方式
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于X射线光栅相位衬度成像装置，该装置包括：X射线管、光源光栅、分束光栅、分析光栅、X 射线探测器。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的X射线相位衬度成像装置的一个实施例的结构示意图。如图1所示，该装置10包括X射线管11、源光栅12、样品台- 、分束光栅13、分析光栅15、X射线探测器16。所有的部件中心都在水平(图中 z轴)方向共轴，X射线管11距离源光栅12距离为z0，分束光栅13距离源光栅12和分析光栅15距离分别为z1和z2，理论上样品14紧贴在分束光栅13后面(或者前面)，X射线探测器16紧贴在分析光栅15后面。X 射线管11产生的X射线一般具有mm量级的大焦点，可以覆盖若干个源光栅12若干个周期p0。源光栅12的周期为p0，分束光栅13的周期为p1，分析光栅15的周期为p2，它们需要满足如下几何关系：p0/p2＝z1/z2， p1/p2＝z1/(z1+z2)。X光经过样品14之后出射会有一定的折射角，如图1中的虚线相对于实线的方向。
所述X射线管11用于产生X射线，所述源光栅12用于分光，把X 射线管产生的大焦点光束分成狭小的线光源，所述分束光栅13用于在分析光栅15处产生投影条纹，所述分析光栅15用于与分析光栅13在此处的投影条纹产生摩尔条纹以放大变化的信息，所述X射线探测器7用于记录产生的投影像。
本发明的X射线相位衬度成像装置还可包括光学精密位移台、样品台、光学平台以及控制计算机等。三块光栅12、13、15均通过光学精密位移台固定于光学平台之上，其中分析光栅15与光学精密位移台之间安装有压电陶瓷精密位移电机，用以完成分析光栅15的步进运动。
现有技术的X射线相位衬度成像装置示意图如图3所示，本发明的X 射线相位衬度成像装置示意图如图4所示。本发明的装置所有包含的部分和图3一致，但与图3的区别是三块光栅12、13、15放置方向，即各衬底面均正对着所述X射线管11，周期性结构背对着所述X射线管11。
在本发明的一个实施例中，X射线管11参数设置：焦点s＝1.0mm，电压50KV，电流22.5mA，曝光时间2s。三块光栅12、13、15参数：源光栅12周期p0＝120μm，占空比1：2；分束光栅13周期p1＝60μm，占空比1：2；分析光栅15周期p2＝120μm，占空比1：1。X射线探测器16像素p＝200μm，总共1024×1024像素。源光栅12距离光源11Z0＝6.5cm左右，与分束光栅13距离z1＝55cm，分束光栅13和分析光栅15距离z2＝55cm，样品14在分束光栅13后面10cm，分析光栅15紧贴X射线探测器16(实际距离X射线探测器的闪烁体10cm左右，前面有保护的X射线探测器的玻璃板)。
样品14如图5所示，由两个有机玻璃的圆柱体组成，从左到右分别是直径2cm的PMMA圆柱棒51、直径1cm的POM圆柱棒52。
该实施例的源光栅12为吸收光栅(实际上本实施例的实验装置的三个光栅都是吸收光栅，都可以做如下计算，但源光栅离光源最近，受到的照射最强，所以以其来分析)，图2是源光栅12的示意图，如图2所示，其从下往上依次是衬底21、导电层(包含钛22和金23)和周期结构层24。该实施例中，衬底11是硅衬底，高度H1＝650μm；导电层中钛22，高度 H2＝10nm；导电层中金23，高度H3＝50nm，周期结构层24为金，高度 H4＝164μm。为了使光栅更稳定，在周期结构层24的槽中保留了光刻胶 (SU8)25，光栅周期P0＝120μm，占空比1：1，所以金的宽度和光刻胶的宽度都是60μm。
本方法不会改变光场而影响最终的结果，下面通过实验对比来验证本发明的正确性。
现有技术如图3所示，当吸收光栅12、13、15的光刻胶25和金24正对着光源11时的我们称为正入射；本发明如图3所示，当吸收光栅12、 13、15的光刻胶25和金24背对着光源11时的我们称为背入射。
为了简单起见，以正对着光源中心的一个源光栅周期P0为例，分别计算正入射和背入射源光栅12 之后的光场以及源光栅12 的能量沉积情况。由于这个周期正对着光源中心且光栅周期很小，光束发散角度极小，可认为是平行光入射。
正入射情况，设入射到此周期P0的光通量为I0，通过之后的光场为I1，各物质的吸收系数为μsU8、μAu、μTi、μsi则有
同理背入射时，通过源光栅之后的光场为I2，则有
从式子(1)(2)可以得出I1＝I2，正入射和背入射只是改变了光束依次穿过的物质，并不改变通过源光栅之后的光强和光场分布，即通过单个源光栅周期的光束与正入射和背入射无关，这两种放置源光栅的方法都可以进行后续的光栅相衬成像数据采集，不影响结果。
下面以西门子官网的X光机光谱模拟应用来演算上面的结果，并计算正入射和背入射两种情况下的能量沉积，应用网址： http://www.oem-products.siemens.com/x-ray-spectra-simulation。
计算之前，需要做几个近似:1.导电层的钛12和金13都非常薄，其厚度与其他结构层相比，相差4个数量级，吸收非常弱，所以计算时忽略； 2.光刻胶SU8 15在实验的X射线能量段吸收系数远小于其他的金属，故也可以忽略；3.在上面近似1和2的基础上，光栅透过的部分只需要考虑作为衬底的硅11，这部分的情况与正入射和背入射无关，因此最终只需要考虑作为吸收层部分的金14和硅11的影响。
下面计算普通钨靶X光机电压从30kV-80kV，相对电压扰动5％，最终空气比释动能1mGy的透过率以及各部分能量沉积情况，为了与我们实验使用的X光机YXLON Y.TU 160-D06对比，考虑了0.8mm铍和3mm铝的滤波片。
表1.吸收光栅在使用已有方法和本发明得到不同电压下的平均能量和透过率对比
表2.吸收光栅在使用已有方法和本发明得到不同电压下的能量沉积对比
从上面的计算结果表1可以看出，在同一电压下(电流等其他参数都一样)X光机出射的能谱不管在正入射还是背入射得到的平均能量和光子透过率都是一致的，从而证明了两种放置源光栅10的方法得到的光场都是一致的，不影响后续的数据采集和实验结果。如表2，再比较在光栅10 各部分的能量沉积情况，随着电压的升高，光栅10上面沉积的能量比例越大，比较金14和硅11在正入射和背入射情况下的各自的能量差值，发现与正入射相比，在背入射情况下，金14沉积的能量减小了4％-6％，相应的硅11沉积的能量增加了，即这部分能量在金14和硅11之间发生了转移。
因此，源光栅10采用背入射的摆放方式会减小X射线在作为光栅吸收主体金层14的光子吸收和能量沉积，而把这一部分转移到衬底硅11上面。X射线吸收光栅作为高精密的光学器件，作为吸收层的金是最重要的部分。吸收光栅上的金是由一个个很小的单元组成，每一个的尺寸一致，一般来说宽度较小，高度较大，拥有比较大的高宽比，极不稳定，因此加工困难，易受温度等的影响发生振动乃至变形失效。而源光栅背入射的摆放方式相比于现有的正入射方式可以减少4-6％左右的不必要的能量沉积，这无疑可以减小光栅在实验过程中的热振动，从而延长使用寿命。虽然金的导热性315-317w/mK，硅的导热性150w/mK，金拥有更好的导热性，但是衬底硅作为一块整体的薄片，拥有远大于单位周期内金的面积和高度，因此受到的辐照剂量、能量沉积和热分布更加均匀，不容易发生形变和金属疲劳。
具体实施的步骤如下：
1.探测器校正
探测器校正又包括暗场校正和增益校正。具体校正过程为；
将X射线管11和探测器16之间的光学元件均移出光路，打开探测器 16采集50张图像，对其取平均后记为Ioffset，是为暗场校正图像。再将X 射线管11打开，采集50张图像，对其求取平均后记为Igain，是为增益校正图像。
待仪器运行采集图像之后，运用以下公式完成校正：
其中(m,n)为校正点的图像像素坐标，I(m,n)为校正后的图像， I0(m,n)为原始图像，M为探测器的行像素数，N为探测器的列像素数，mean 表示对图像内所有像素值求平均值。
2.仪器光路校准
将光学元件移回光路，使得三块光栅12、13、15的衬底21这一面正对着光源11而周期性结构14和光刻胶15这一面背对着光源11，打开X 射线管11和X射线探测器16，微调分束光栅13，观察探测器16上的摩尔条纹，待条纹均匀且周期区域无穷大时认为光路校准完成。
(3)图像采集
将样品14竖直固定于样品台上，关闭实验防护门，打开X射线管11，管电压设置为50KV，初始化并设置探测器16参数后，移动样品台至视野中央。控制分析光栅15进行相位步进，垂直于分析光栅15栅线方向分五步均匀移动分析光栅15一个周期p2，由之前的参数描述可知，即每步步进，对于每一步，我们均采集50步求取平均后输出一张保存，记为。
样品图像采集完成后，控制样品台电机，将样品14移出视野，并将分析光栅15移回原位置，按照同样的操作流程，获取背景图像，记为。
(4)信息提取
样品的吸收信息可由以下公式计算，
计算得到的吸收图如图7a所示；
样品的折射信息可由以下公式提取
计算得到的折射图如图7b右所示；
为了与已有的方法对比，按照图3摆放的实验装置使用同样的条件对同样的样品进行成像，得到的吸收、折射像如图7a、7b所示，与本方法相比，两者的结果看不出差别。再比较- 已有方法和本发明得到的有机玻璃棒子横断面对比图，如图8a的吸收图、8b的折射图符合的非常好，从以上结果可以说明本发明得到的结果是正确的，本发明完全可行。
如前所述，本发明可应用于源光栅12、分束光栅13和分析光栅15 均为吸收光栅的无干涉的X射线光栅相衬成像装置，但本发明不限于此。一种实施方式是，源光栅12和分析光栅15是吸收光栅，分束光栅13是相位光栅的基于传统Talbot-Lau光栅干涉仪的X-ray相衬成像装置。另一种实施方式是，只需要后面两块吸收光栅(分束光栅13和分析光栅15) 的编码孔径方法的X射线光栅相衬成像装置。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种X射线相位衬度成像装置，包括X射线管(11)、源光栅(12)、样品台、分束光栅(13)、分析光栅(15)和X射线探测器(16)，各部件的中心都在水平方向上共轴，其特征在于：所述源光栅(12)、分束光栅(13)和分析光栅(15)的衬底面均正对着所述X射线管(11)；
所述源光栅(12)、分束光栅(13)和分析光栅(15)中均是吸收光栅。
2.如权利要求1所述的X射线相位衬度成像装置，其特征在于：所述源光栅(12)、分束光栅(13)和分析光栅(15)均通过光学精密位移台固定于光学平台之上。
3.如权利要求2所述的X射线相位衬度成像装置，其特征在于：所述分析光栅(15)与光学精密位移台之间安装有压电陶瓷精密位移电机，用以完成该分析光栅(15)的步进运动。
4.如权利要求1所述的X射线相位衬度成像装置，其特征在于：所述吸收光栅包括依次叠置的衬底(21)、导电层和周期结构层(24)。
5.如权利要求4所述的X射线相位衬度成像装置，其特征在于：所述导电层包含钛(22)和金(23)。
6.如权利要求4所述的X射线相位衬度成像装置，其特征在于：所述周期结构层(24)为金。
7.如权利要求6所述的X射线相位衬度成像装置，其特征在于：所述周期结构层(24)的槽中保留有光刻胶(25)。
8.一种X射线相位衬度成像方法，采用如权利要求1至7中任一项所述的X射线相位衬度成像装置进行成像。
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