CN107144583A - 一种用于x射线相衬成像平板探测器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于X射线相衬成像平板探测器及其使用方法，用于X射线相衬成像平板探测器包括探测器像素层，在探测器像素层上生长或粘贴有闪烁体层，在闪烁体层上覆盖有与探测像素周期一致的编码孔板，编码孔板上覆盖有保护层。本发明的用于X射线相衬成像平板探测器能够用于CBI相衬成像，同时在常规X射线吸收衬度成像应用中，能有效抑制散射并减小相邻像素间的光子串扰，以提高图像分辨率。
Description
技术领域
本发明属于X射线探测器领域，具体地说，涉及一种用于X射线相衬成像平板探测器及其使用方法。
背景技术
X射线相位衬度成像(X-ray phase-contrast imaging,XPCI)是基于射线穿过物体以后相位改变的机制而还原物体信息的新型X射线成像技术，其对于轻质物体或者两种密度相近的物体能够给出比传统的X射线吸收衬度成像更高的对比度，因此在临床医学、生命科学、材料科学和工业等领域有巨大的应用前景。基于编码孔成像(Coded-aperturebased imaging,CBI)是一种有望将XPCI技术推向实际应用的相衬成像方法，其最大的特点在于，是一种非相干的方法。与其他经典的相衬成像方法相比，例如基于传播成像(Propagation based imaging,PBI)、基于分析晶体成像(Analyzer based imaging,ABI)和光栅干涉(Grating interferometry,GI)等，CBI对X射线源的相干性几乎没有要求，射线利用率高，成像时间短。
CBI方法在射线源和平板探测器(Flat panel detector,FPD)之间放置两块编码孔(或狭缝)板，两块编码孔板分别置于被测样品和探测前方，称为样品编码孔板A1和探测器编码孔板A2。样品编码孔板A1将射线源出射的X射线束分成多个独立的细束，探测器编码孔板A2遮挡探测器每个像素的边缘。样品编码孔板A1、探测器编码孔板A2和探测器像素三者一一对应，从样品编码孔板A1出射的细束由于A2的调制，一部分被遮挡，一部分入射到探测器。当在样品编码孔板A1后方放置样品以后，由于X射线穿过样品后相位发生改变，表现为射线折射(折射角通常只有微弧度量级)，这会使得探测每个像素探测到的射线强度发生变化，由此可以得到相衬图像。
但是该方法对样品编码孔板A1、探测器编码孔板A2和探测器的位置精度要求较高，要求探测器编码孔板A2的孔或者狭缝与探测器像素对应，以往的方法是固定FPD，将探测器编码孔板A2安装到精密运动平台上，通过精密运动平台调整探测器编码孔板A2的位置。该方法的缺点在于，需要借助精密运动平台，且运动精度要求高，此外，由于实验环境的改变，每次实验前，均需要重新进行定位，操作繁琐。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的平板探测器还不能直接用于CBI相衬成像，需要借助额外的探测器编码孔板A2，还需借助精密运动平台对探测器编码孔板A2进行定位和位置校正，增加了对精度和实验环境的要求。有必要找到一种针对FPD的改进方法，更为简便快捷的实现CBI相衬成像。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于X射线相衬成像平板探测器及其使用方法，使得改进后的FPD能够用于CBI相衬成像，同时在常规X射线吸收衬度成像应用中，能有效抑制散射并减小相邻像素间的光子串扰，以提高图像分辨率。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于X射线相衬成像平板探测器，包括探测器像素层，在探测器像素层上生长或粘贴有闪烁体层，在闪烁体层上覆盖有与探测像素周期一致的编码孔板A3，所述编码孔板A3上覆盖有保护层。
进一步地，编码孔板A3由若干个方形单元组成，每个方形单元上设置有第三透光孔。
进一步地，第三透光孔的形状为长条形、方形、回字形或L形。
进一步地，保护层采用碳纤维材料；编码孔板A3采用金、铅、钽或铂材料中的一种；闪烁体层采用碘化铯和/或硫氧化钆；所述探测器像素层为非晶硅和薄膜晶体管阵列组成的探测器像素阵列。
本发明还公开了一种用于X射线相衬成像平板探测器的使用方法，采用上述的用于X射线相衬成像平板探测器，包括以下步骤：
1)射线源发出X射线，X射线穿过样品编码孔板A1照射在被测样品上，射线源射出的X射线经过样品编码孔板A1被分成多条间隔为p1的细束，细束穿过被测样品照射到用于X射线相衬成像平板探测器上；其中，射线源的中心到样品编码孔板A1中心的距离为源-物距离，简称Dso；样品编码孔板A1中心到闪烁体层与编码孔板A3接触处的距离为物-探距离，简称Dod；编码孔板A3的周期p3＝pd，样品编码孔板A1的周期p1＝p3/M，其中M＝(Dso+Dod)/Dso为放大系数，pd为探测器像素周期或像素尺寸，编码孔板A3的第三透光孔宽度d3≤p3/2，样品编码孔A1的第一透光孔宽度d1＝d3/M；
2)通过精密运动平台调节样品编码孔板A1与用于X射线相衬成像平板探测器之间的位置，观察用于X射线相衬成像平板探测器的计数，当靠近中心各像素的计数几乎相同时，表明两者的位置已经对准，再在一个方向上移动样品编码孔板A1，调节照亮区域的面积，以此根据实际应用，权衡折射角信息灵敏度和曝光时间；
3)当放置被测样品时，X射线穿过样品时发生偏折，如果射线向上偏移，那么原来被探测的射线将被探测内置编码孔板吸收，对应像素的计数减小；相反，如果射线向下偏移，则原来被探测内置编码孔板遮挡的X射线被探测器所记录，对应像素的计数增加；由此通过像素计数的变化得到X射线折射的程度，进而实现相衬成像。
进一步地，样品编码孔板A1需保证遮挡部分对X射线的吸收率大于95％，样品编码孔板A1开孔的形状与该用于X射线相衬成像平板探测器中的编码孔板A3形状一致。
进一步地，当第三透光孔的形状为长条形时，实现一维折射信息的提取；当第三透光孔的形状为方形、回字形或L形时，通过调节样品编码孔板A1与用于X射线相衬成像平板探测器的相对位置，选择遮挡xy平面的x或y方向的像素边缘，从而分别得到两个方向上的X射线折射信息。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明不用外加探测器编码孔板和位移平台，改进后的FPD可直接用于CBI相衬成像。
2)本发明由于探测器编码孔板集成于平板探测器上，因此位置固定，无需定位和校正；对于方孔型编码孔板、“回”形编码孔板和“L”形编码孔板均可用于二维相衬成像，照明面积可通过样品编码孔板调节。
3)在常规X射线吸收衬度成像应用时，例如DR和CT，该改进方法能有效抑制散射并减小相邻像素之间的串扰。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明CBI相衬成像的原理示意图；图中：101-X射线源，102-X射线，103-样品编码孔板A1，104-被测样品，105-探测器编码孔板A2，106-平板探测器，107-第一透光孔，108-第二透光孔；
图2是本发明可用于CBI相衬成像平板探测的截面示意图；图中：201-保护层，202-编码孔板A3，203-闪烁体层，204-探测器像素层；
图3是本发明四种编码孔板的设计方案示意图；图中：a：狭缝型编码孔板，b：方孔型编码孔板，c：“回”型编码孔板，d：“L”型编码孔板；301-狭缝行编码孔板，302-方孔型编码孔板，303-“回”型编码孔板，304-“L”型编码孔板，205-方形单元，206-第三透光孔；
图4是本发明使用本发明方法改进FPD应用于CBI相衬成像的原理示意图；图中：101-X射线管源，102-X射线，103-样品编码孔板A1，104-被测样品，201-保护层，202-编码孔板A3，203-闪烁体层，204-探测器像素层。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种用于X射线相衬成像平板探测器，如图2所示，改进的FPD包括保护层201，编码孔板A3 202，闪烁体层203和探测器像素层204；具体实施为在探测器像素层204上生长闪烁体层203，再在闪烁体层203上覆盖一块与探测像素周期一致的编码孔板A3202，遮挡每个像素的边缘，最后覆盖上保护层201，即组成了改进后FPD的基本结构，该FPD可直接用于CBI相衬成像。
其中，CBI相衬成像原理示意图如图1所示，101为射线源，为了保证图像的空间分辨率，通常为焦点尺寸小于250μm的X射线管；102为X射线管出射的X射线；104为被测样品；106为平板探测器；103和105分别为样品编码孔板A1和探测器编码孔板A2，分别置于被测样品104和平板探测器106前方；Dso为源-物距离，Dod为物-探距离；探测器编码孔板A2的周期p2与探测像素周期pd一致，样品编码孔板A1 103的周期p1＝p2/M，其中M＝(Dso+Dod)/Dso为放大系数；探测器编码孔板A2 105的第二透光孔108(该透光孔可以是狭缝或孔)宽度d2≤p2/2，样品编码孔板A1 103的第一透光孔107(该透光孔可以是狭缝或孔)宽度d1≤p1/2。射线管出射的X射线经过样品编码孔板A1 103被分成多条间隔为p1的细束，调整探测器编码孔板A2105相对于平板探测器106的位置，使其周期性的遮挡平板探测器106每个像素的边缘。再调整样品编码孔板A1 103相对于探测器编码孔板A2 105的位置，使得从样品编码孔板A1 103产生的X射线细束一部分被入射到平板探测器106，一部分被探测器编码孔板A2吸收。没有放置被测样品104时，光场内平板探测器106各像素的计数几乎相同，当放入被测样品104以后，由于X射线穿过被测样品104后发射折射，射线偏移原来的方向。从图1中可以看到，如果射线向上偏移，那么原来被探测的射线将被探测器编码孔板A2 105吸收，对应像素的计数减小；相反，如果射线向下偏移，则原来被探测器编码孔板A2 105遮挡的X射线被探测器所记录，对应像素的计数增加。由此可以通过像素计数的变化得到X射线折射的程度，进而实现相衬成像。
本发明的用于X射线相衬成像平板探测器使得改进后的平板探测器能够直接用于CBI相衬成像，还能效抑制散射并减小相邻像素间的串扰，提高图像空间分辨率。
本发明的用于X射线相衬成像平板探测器将探测器编码孔板集成于FPD之上，其中，保护层201用于保护内部结构和遮光，同时要尽可能少吸收X射线，通常为机械性好，轻质的材料，例如碳纤维材料等；编码孔板A3 202实现对X射线的部分遮挡，要求对X射线有极高的吸收系数，可采用金、铅、钽和铂等，考虑到稳定性和加工性能，最佳材料为金；编码孔板A3 202可通过光栅制作方法或微纳精加工方法得到；闪烁体层203，可以粘贴到探测器像素层204上，或在探测器像素层204上直接生长得到，材料可为碘化铯CsI(Tl)和/或硫氧化钆(Gd2O2S:Tb)等；探测器像素层204为非晶硅(a-Si)和薄膜晶体管(TFT)阵列组成的探测器像素阵列。在探测器像素层204上生长闪烁体层203，再在闪烁体层203上覆盖一块与探测像素周期一致的编码孔板A3 202，遮挡每个像素的边缘，最后覆盖上保护层201，即组成了改进后用于X射线相衬成像平板探测器的基本结构，该用于X射线相衬成像平板探测器可直接用于CBI相衬成像。在常规的X射线吸收衬度成像中，由于编码孔板A3 202的遮挡，大角度的散射光子将无法入射到探测器闪烁体层203这一灵敏区域，这样将有效抑制散射。且由于像素的边缘被遮挡，因此由闪烁体层203产生的相邻像素间的串扰将大大减小。此外，由于编码孔板A3 202有较大的占空比(可达到1/2)，因此由于编码孔板A3 202遮挡所导致的射线利用率的降低在可接受范围内，如果考虑探测器的填充系数通常为50％，由于编码孔板A3202遮挡的为像素边缘，该部分通常为非灵敏区域，则实际上编码孔板A3 202对X射线利用率的影响将更小。
其中，编码孔板A3 202由若干个方形单元205组成，每个方形单元205上设置有第三透光孔206，第三透光孔206的形状为长条形、方形、回字形或L形。
如图3所示，以编码孔板A3 202中心四个单元为例，如图3a所示，第三透光孔206为长条形，该编码孔板为狭缝型编码孔板301，如图3b所示，第三透光孔206为方形，该编码孔板为方孔型编码孔板302，如图3c所示，第三透光孔206为回字形，该编码孔板为“回”形编码孔板303，如图3d所示，第三透光孔206为L形，该编码孔板为“L”形编码孔板304；这四种编码孔板作用各不相同，狭缝型编码孔板301其只对一个方向的X射线折射信息灵敏，但占空比最高；方孔型编码孔板302、“回”形编码孔板303和“L”形编码孔板304可用于二维折射角信息的提取，但占空比小于狭缝型编码孔板301；在射线利用率方面，狭缝型编码孔板301>方孔型编码孔板302>“回”形编码孔板303>“L”形编码孔板304，但由于对折射角信息的灵敏度与照亮面积有关，因此对折射角信息的灵敏度，“L”形编码孔板304>“回”形编码孔板303>方孔型编码孔板302>狭缝型编码孔板301；散射抑制和防串扰能力，“L”形编码孔板304>“回”形编码孔板303>方孔型编码孔板302>狭缝型编码孔板301。综合考虑，并结合设计加工技术，方孔型编码孔板302为首选方案。
本发明改进后的用于X射线相衬成像平板探测器应用于CBI相衬成像的具体实施参见图4，射线源101可选用日本滨松公司L10951型号X射线管；X射线102为射线源101所射出的；样品编码孔板A1 103，其周期p1＝pd/M，其中M＝(Dso+Dod)/Dso为放大系数，pd为探测器像素周期(或像素尺寸)，样品编码孔板A1的第一透光孔(该透光孔可以是狭缝或孔)宽度d1≤p1/2；编码孔板A3的第三透光孔宽度d3≤p3/2，样品编码孔A1的第一透光孔宽度d1＝d3/M。样品编码孔板A1 103的厚度根据X射线能量选择，通常需保证遮挡部分对X射线的吸收率大于95％，样品编码孔板A1 103开孔的形状与该编码孔板A3 202形状一致；104为被测样品。通过精密运动平台调节样品编码孔板A1 103与用于X射线相衬成像平板探测器的位置，观察用于X射线相衬成像平板探测器的计数，当靠近探测器中心各像素的计数几乎相同时，表明两者的位置已经对准，再在一个方向上移动A1，可以调节照亮区域的面积，以此根据实际应用，权衡折射角信息灵敏度和曝光时间(照亮区域越大，所需曝光时间越短，但折射角信息灵敏度越低，反之亦然)。当放置被测样品时，X射线穿过样品时发生偏折，如图4所示，如果射线向上偏移，那么原来被探测的射线将被探测内置编码孔板A3 202吸收，对应像素的计数减小；相反，如果射线向下偏移，则原来被探测内置编码孔板遮挡的X射线被用于X射线相衬成像平板探测器所记录，对应像素的计数增加。由此可以通过像素计数的变化得到X射线折射的程度，进而实现相衬成像。对于如图3所示的狭缝型编码孔板301可实现一维折射信息的提取，对于方案方孔型编码孔板302、“回”形编码孔板303和“L”形编码孔板304均可通过调节样品编码孔板A1与用于X射线相衬成像平板探测器的相对位置，选择遮挡xy平面的x或y方向的像素边缘，从而分别得到两个方向上的X射线折射信息。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于X射线相衬成像平板探测器，其特征在于，包括探测器像素层(204)，在探测器像素层(204)上生长或粘贴有闪烁体层(203)，在闪烁体层(203)上覆盖有与探测像素周期一致的编码孔板A3(202)，所述编码孔板A3(202)上覆盖有保护层(201)。
2.根据权利要求1所述的用于X射线相衬成像平板探测器，其特征在于，所述编码孔板A3(202)由若干个方形单元(205)组成，每个方形单元(205)上设置有第三透光孔(206)。
3.根据权利要求2所述的用于X射线相衬成像平板探测器，其特征在于，所述第三透光孔(206)的形状为长条形、方形、回字形或L形。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的用于X射线相衬成像平板探测器，其特征在于，保护层(201)采用碳纤维材料；编码孔板A3(202)采用金、铅、钽或铂材料中的一种；闪烁体层(203)采用碘化铯和/或硫氧化钆；所述探测器像素层(204)为非晶硅和薄膜晶体管阵列组成的探测器像素阵列。
5.一种用于X射线相衬成像平板探测器的使用方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任一权利要求所述的用于X射线相衬成像平板探测器，包括以下步骤：
1)射线源(101)发出X射线(102)，X射线(102)穿过样品编码孔板A1(103)照射在被测样品(104)上，射线源(101)射出的X射线经过样品编码孔板A1(103)被分成多条间隔为p1的细束，细束穿过被测样品(104)照射到用于X射线相衬成像平板探测器上；其中，射线源(101)的中心到样品编码孔板A1(103)中心的距离为源-物距离，简称Dso；样品编码孔板A1(103)中心到闪烁体层(203)与编码孔板A3(202)接触处的距离为物-探距离，简称Dod；样品编码孔板A1(103)的周期p1＝pd/M，其中M＝(Dso+Dod)/Dso为放大系数，pd为探测器像素周期或像素尺寸，编码孔板A3(202)的第三透光孔(206)宽度d3≤p3/2，样品编码孔板A1(103)的第一透光孔(107)宽度d1≤p1/2；样品编码孔A1(103)的第一透光孔(107)宽度d1＝d3/M；
2)通过精密运动平台调节样品编码孔板A1(103)与用于X射线相衬成像平板探测器之间的位置，观察用于X射线相衬成像平板探测器的计数，当靠近中心各像素的计数几乎相同时，表明两者的位置已经对准，再在一个方向上移动样品编码孔板A1(103)，调节照亮区域的面积，以此根据实际应用，权衡折射角信息灵敏度和曝光时间；
3)当放置被测样品时，X射线穿过样品时发生偏折，如果射线向上偏移，那么原来被探测的射线将被探测内置编码孔板吸收，对应像素的计数减小；相反，如果射线向下偏移，则原来被探测内置编码孔板遮挡的X射线被探测器所记录，对应像素的计数增加；由此通过像素计数的变化得到X射线折射的程度，进而实现相衬成像。
6.根据权利要求5所述的用于X射线相衬成像平板探测器的使用方法，其特征在于，所述的样品编码孔板A1(103)需保证遮挡部分对X射线的吸收率大于95％，样品编码孔板A1(103)开孔的形状与该用于X射线相衬成像平板探测器中的编码孔板A3(202)形状一致。
7.根据权利要求5所述的用于X射线相衬成像平板探测器的使用方法，其特征在于，当第三透光孔(206)的形状为长条形时，实现一维折射信息的提取；当第三透光孔(206)的形状为方形、回字形或L形时，通过调节样品编码孔板A1(103)与用于X射线相衬成像平板探测器的相对位置，选择遮挡xy平面的x或y方向的像素边缘，从而分别得到两个方向上的X射线折射信息。
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