CN107607560B

CN107607560B - 一种光学相位衬度成像系统、方法及计算机可读媒质

Info

Publication number: CN107607560B
Application number: CN201710869172.6A
Authority: CN
Inventors: 鲍园
Original assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Current assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: CN107607560A

Abstract

本申请涉及一种光学相位衬度成像方法和系统。所述光学相位衬度成像方法包括：获取存在待测物体时射线穿过阶梯光栅块后探测器单元组测到的第一光强值；根据所述第一光强值，基于拟合算法，确定用于表征存在待测物体时的第一光强变化曲线的至少一个第一参数值；获取不存在待测物体时射线穿过阶梯光栅块后所述探测器单元组测到的第二光强值；根据所述第二光强值，基于拟合算法，确定用于表征不存在待测物体时的第二光强变化曲线的至少一个第二参数值；基于所述至少一个第一参数值和至少一个第二参数值，确定所述待测物体的至少一个物理信息。

Description

一种光学相位衬度成像系统、方法及计算机可读媒质

技术领域

本申请涉及光栅相衬成像领域，尤其涉及一种阶梯光栅光学相位衬度成像系统及方法。

背景技术

X射线相位衬度成像技术是利用射线穿过待测物体时的相位变化，即相移，来形成图像衬度的。利用射线相位衬度成像技术能够获得比传统射线吸收成像技术更高的图像衬度。在X射线光栅相衬成像中，通常采用相位步进算法作为待测物体吸收、折射和散射信息分离的金标准，这个方法需要在某一个投影角度等步长步进光栅，通常为四到八步，这种机械式步进光栅的方法极大地延长了数据获取时间且在CT中对装置稳定性要求极高。

如图2所示，G20为传统的步进光栅。在X射线光栅相衬成像过程中，源光栅紧邻射线源固定不动，吸收光栅G20相对于相位光栅在一个周期范围内相对平行地沿着垂直于刻线方向上等步长移动若干步，每一步探测器采集一次光强数据。完成一个光栅周期内的采集过程后，通过比较探测器上每个探测器单元对应的光强变化曲线与不存在待测物体时的光强变化曲线的差异可计算出每个像素点的衰减信息、相衬信息和暗场信息。这种方法的弊端是需要步进光栅，如果需要步进三次的话，那么需要采集六次数据，步进过程延长了数据的获取时间，不能实现一次曝光；且相位光栅或吸收光栅的周期都在几微米量级，步进精度要求亚微米量级，这对机械设备的精度、整体设备防震、环境温度等要求都非常高。

为了缩短数据获取时间，设计出一种阶梯式吸收光栅，避免了常规相位步进方法的机械式移动光栅，使得一次曝光成为可能。该阶梯光栅从结构上替代了步进操作，但是仍要求阶梯之间的偏移距离相等，因为只有当阶梯光栅之间的偏移距离相等时，采用传统方法获得的待测物体的物理信息才是准确的。

发明内容

针对上述光栅相衬成像过程中，需要采用步进方法来采集数据，数据采集时间长，以及对于阶梯光栅的机械误差采用传统方法确定的待测物体物理信息误差等问题，本申请提出了一种光学相位衬度成像方法和系统，解决了阶梯光栅制造过程中引起的机械误差影响待测物体成像准确度的问题。

为达到上述目的，本申请提供的技术方案如下：

本申请披露了一种光学相位衬度成像方法。所述光学相位衬度成像方法包括：

获取存在待测物体时射线穿过阶梯光栅块后探测器单元组测到的第一光强值；根据所述第一光强值，基于拟合算法，确定用于表征存在待测物体时的第一光强变化曲线的至少一个第一参数值；获取不存在待测物体时射线穿过阶梯光栅块后所述探测器单元组测到的第二光强值；根据所述第二光强值，基于拟合算法，确定用于表征不存在待测物体时的第二光强变化曲线的至少一个第二参数值；基于所述至少一个第一参数值和至少一个第二参数值，确定所述待测物体的至少一个物理信息。

本申请另一方面提出了一种光学相位衬度成像系统。所述光学相位衬度成像系统包括：射线源；阶梯光栅，所述阶梯光栅包含多个阶梯光栅块，一个阶梯光栅块沿刻线方向分为多层阶梯光栅单元，一个阶梯光栅块内阶梯光栅单元之间沿着垂直于刻线方向上相互偏移；探测器，所述探测器接收射线源辐射的射线，所述探测器包含多个探测器单元组，一个探测器单元组包含多个探测器单元，一个探测器单元组接收穿过一个阶梯光栅块的射线，一个探测器单元接收穿过一个阶梯光栅单元的射线；处理装置，所述处理装置包括：获取模块，配置为获取存在待测物体时一个探测器单元组测到的第一光强值；所述获取模块，进一步获取不存在待测物体时所述探测器单元组测到的第二光强值；参数确定模块，配置为根据所述第一光强值，确定用于表征存在待测物体时的第一光强变化曲线的至少一个第一参数值；所述参数确定模块，进一步根据所述第二光强值，确定用于表征不存在待测物体时的第二光强变化曲线的至少一个第二参数值；物体信息确定模块，配置为基于所述第一参数值和第二参数值，确定所述待测物体的物理信息。

可选的，所述一个阶梯光栅块内的相邻两层阶梯光栅单元在垂直于刻线方向上的偏移量是随机的。

与现有技术相比，本申请的有益效果表现如下：

一、采用具有多层阶梯光栅单元的阶梯光栅块组成阶梯光栅，避免了步进式的多次曝光成像，提高了机械稳定性，节省了数据采集时间，降低了制作要求、节约了成本并最大限度地保证了图像的纵向分辨率；

二、由于本发明不对阶梯光栅中一个阶梯光栅块内的阶梯光栅单元间的偏移做等步长约束，而是采用拟合算法处理获取的信息，避免了阶梯光栅由于制作过程中的机械误差引起的信息误差。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。

图1是根据本申请的一些实施例所示的光学相位衬度成像系统示意图；

图2是一种步进式吸收光栅示意图；

图3是根据本申请的一些实施例所示的均匀偏移阶梯光栅块示意图；

图4是根据本申请的一些实施例所示的非均匀偏移阶梯光栅块示意图；

图5为根据本申请的一些实施例所示的光学相位衬度成像方法流程图；

图6为根据本申请的一些实施例所示的处理装置的示意图；以及

图7是根据本申请的一些实施例所示的采用本申请中的光学相位衬度成像方法获得的信息与原始数据对比图。

具体实施方式

本申请中使用了多种结构图用来说明根据本申请的实施例的各种变形。应当理解的是，前面或下面的结构并不是用来限定本申请。本申请的保护范围以权利要求为准。

图1为根据本申请的一些实施例所示的光学相位衬度成像系统示意图。如图1所示，光学相位衬度成像系统100可以包括一个射线源S、一个源光栅G0、一个待测物体、一个相位光栅G1、一个吸收光栅G2和一个探测器T。所述射线源可以是X射线源、γ射线源、中子源、可见光源、激光源、太赫兹光源或者其他波段的源中的一种或几种的混合。本申请以X射线源为例说明。所述射线源S发射的X射线可以穿过源光栅G0照射物体。所述X射线穿过物体后照射到相位光栅G1上。所述相位光栅G1的光栅周期为p₁。所述源光栅G0与相位光栅G1之间距离为L。所述X射线经过相位光栅G1后进一步照射到吸收光栅G2上。所述吸收光栅G2为阶梯光栅。所述吸收光栅G2的光栅周期为p₂。所述相位光栅G1与吸收光栅G2之间距离为D。经过吸收光栅G2的X射线被探测器T上的探测器单元所接收。根据探测器T上一个或多个探测器单元接收的X射线光强值确定光强变化曲线，根据光强变化移曲线中的参数信息确定待测物体的物理信息。

在一些实施例中，探测器T包括多个探测器单元组，一个探测器单元组包括多个探测器单元。在一些实施例中，阶梯光栅G2包括多个阶梯光栅块，一个阶梯光栅块中包括多层阶梯光栅单元。其中，一个探测器单元组与一个阶梯光栅块相对应；一个阶梯光栅块中的一个阶梯光栅单元与一个探测器单元组中的一个探测器单元相对应。为方便说明，本申请在图1中以一个阶梯光栅块为例说明阶梯光栅G2。相应地，本申请在图1中以一个探测器单元组为例说明探测器T。在一些实施例中，阶梯光栅块可以是具有两层及两层以上的阶梯光栅单元。特别地，本申请以三层阶梯光栅单元为例进行说明。相应地，探测器单元组中包括三个探测器单元。

在一些实施例中，所述光学相位衬度成像系统100还可以包括一个处理装置(图中未示出)。所述处理装置可以处理探测器单元组上的三个探测器单元接收到的数据信息。在一些实施例中，所述三个探测器单元接收到的数据信息可以为穿过阶梯光栅块后的X射线的三个光强值。

图3为根据本申请的实施例所示的阶梯光栅块的一种平面结构G2’。阶梯光栅块G2’的光栅周期为p₂。所述阶梯光栅块G2’沿着刻线方向被分为三层，各层的高度为h。阶梯光栅块G2’各层之间沿着垂直于刻线方向均匀偏移，偏移量为d。特别地，具有三层的阶梯光栅块相邻两层的偏移可以为三分之一个光栅周期，即

需要说明的是，这里使用的阶梯光栅块包含三层，在一些实施例中，阶梯光栅的层数可以是任意合理的值。例如，阶梯光栅块G2’也可以包含2-8个层级。例如，阶梯光栅块G2’可以包含5个层级，则，相邻两层的偏移可以为五分之一个光栅周期，即，

采用图3中的阶梯光栅块，阶梯光栅G2经过一次曝光，避免了现有技术中机械移动引起的采集时间长和位置偏差等弊端。

与图3相对应地，图4是根据本申请的实施例所示的另一种阶梯光栅块的平面结构G2”。如图所示，阶梯光栅块G2”的光栅周期也为p₂。阶梯光栅块G2”各层级的高度为h。所述阶梯光栅块G2”的高度与阶梯光栅块G2’的总高度可以相同。所述阶梯光栅块G2”和阶梯光栅块G2’具有相同的刻线宽度(图中黑色部分)和间隔宽度(图中白色部分)。与阶梯光栅块G2’不同的是，阶梯光栅块G2”各层级之间的偏移量可以不固定，即，第一层和第二层之间的偏移量与第二层和第三层之间的偏移量不相等。如图所示，阶梯光栅块G2”的第一层和第二层的偏移量为d₁，第二层和第三层的偏移量为d₂，其中，d₁不等于d₂。

图3中的阶梯光栅块为理想情况。在实际制作过程中，由于光栅制作工艺的限制，不同层级的阶梯光栅单元之间不能保证严格满足等步长的偏移。当制作出的光栅存在机械误差时，如果仍然按照常规的等步长相位步进算法计算，就会使分离出的吸收、折射和散射信息产生较大的偏差。本申请提出了一种光学相位衬度成像系统及方法，该方法和系统可以提供更加灵活的机械制造，极大地降低了制作要求并节约了成本。该方法同样适用于采用均匀偏移的阶梯光栅块G2’的阶梯光栅。也就是说，本方法适用的阶梯光栅，其阶梯光栅块中的相邻两层阶梯光栅单元在垂直于刻线方向上的偏移量是随机的。

图5为根据本申请的一些实施例所示的光学相位衬度成像方法流程图。

当采用图3或图4的阶梯光栅块时，可以根据一个阶梯光栅块相应的一个探测器单元组中的三个探测器单元接收的多个光强值拟合出光强变化曲线，进而可以根据光强变化曲线中的参数信息确定待测物体的物理信息。在有待测物体存在时，光强变化曲线可以表示为：

其中，

a为光强变化曲线在一个周期内光强的平均值，b为光强变化曲线在一个周期内的振幅值，

为光强变化曲线的相位，k为阶梯光栅块G2’或G2”的层级序号，k＝1,2,3。I(k)为第k层阶梯光栅单元对应的探测器单元接收的光强值，χ是相邻两层间的偏移量，p₂为阶梯光栅块G2’或G2”的光栅周期。

在步骤510中，可以获取多个第一光强值。特别地，所述多个第一光强值可以是探测器单元组接收的穿过三个阶梯光栅单元的三个X射线光强值I(k)，k＝1,2,3。

在步骤520中，可以根据步骤510中确定的三个第一光强值，处理装置通过拟合方法，确定存在待测物体时的光强变化曲线。特别地，确定存在待测物体时的光强变化曲线可以是确定所述光强变化曲线中的至少一个第一参数。所述第一参数包括光强变化曲线的平均值a、相位

和振幅值b。所述光强变化曲线中的至少一个第一参数可以通过拟合间接获得。在公式(2)中，拟合的过程可以是通过最小二乘法寻找合适的a、T_c和T_s，使得残差平方和E最小的过程。

在一些实施例中，为确定存在待测物体时的光强变化曲线参数，可以构造矩阵：

公式(2)可以表示为：

E＝(y-Mx)^T(y-Mx)， (4)

通过求导计算，当E最小时，x的最小二乘解为：

此时，

其中，

和

是a、T_c和T_s的最小二乘拟合值。在一些实施例中，处理装置可以根据式(2)～(7)求解得到存在待测物体时的光强变化曲线参数平均值a、相位

和振幅值b。

在步骤530中，可以获取不存在待测物体时的多个第二光强值。特别地，所述多个第二光强值可以是探测器单元接收的穿过三层阶梯光栅单元的三个光强值I₀(k)，k＝1,2,3。

在步骤540中，根据步骤530中确定的三个第二光强值，处理装置通过拟合可以确定不存在待测物体时的光强变化曲线。特别地，确定不存在待测物体时的光强变化曲线可以包括确定所述光强变化曲线中的至少一个第二参数。所述第二参数包括光强变化曲线的平均值a₀、相位

和振幅值b₀。所述拟合过程与步骤520类似，采用求解最小残差平方和的方式确定至少一个第二参数。

在一些实施例中，不存在待测物体时的光强变化曲线中的至少一个第二参数的确定可以发生在存在待测物体时的光强变化曲线中的至少一个第一参数的确定之前。例如，流程顺序可以是步骤530、步骤540、步骤510、步骤520和步骤550。

在步骤550中，可以基于存在待测物体时的光强变化曲线的至少一个第一参数平均值a、和振幅值b以及不存在待测物体时的光强变化曲线的至少一个第二参数平均值a₀、和振幅值b₀，确定一个探测器单元组对应的一组物理信息。所述一组物理信息可以包括物体的衰减信息μ_abs、相衬信息θ_ref和暗场信息σ²中的至少一种。在一些实施例中，所述衰减信息、相衬信息和暗场信息可以用公式(8)～(10)表示：

其中，V为存在待测物体时的光强变化曲线的可见度，V₀为不存在待测物体时的光强变化曲线的可见度；光强变化曲线的可见度可以定义为曲线的振幅值除以平均值，即V＝b/a，V₀＝b₀/a₀，p₂为阶梯光栅块G2’或G2”的光栅条纹周期，也即G2’或G2”的光栅周期，D表示相位光栅G1和吸收光栅G2或G2之间的距离。

如前文所述，图1、图3和图4为描述方便，仅将一个探测器单元组和一个阶梯光栅块作为示例，在一些实施例中，处理装置可重复图5中描述的方法，以确定探测器中所有探测器单元组对应的待测物体的所有物理信息。

需要说明的是，图5仅以阶梯光栅块的层数为3例进行了说明，实际中阶梯光栅块的层数可以为两层以上的任意层数。

在一些实施例中，阶梯光栅块G2’或G2”的层数为n，n＝2,3…。具体地，公式(2)可以改写成两个或多个阶梯光栅块对应数据的残差平方和。

此时，k＝1,2或k＝1,2,…。然后根据公式(3)～(10)或它们的变形计算出不同阶梯光栅层数时的待测物体的物理信息。

在一些实施例中，还可以进一步根据探测器对应的至少一组物理信息，确定所述待测物体的至少一个图像。所述图像可以包括衰减图像、相衬图像和暗场图像。在一些实施例中，所述衰减图像可以根据至少一个探测器单元组对应的衰减信息μ_abs确定，所述相衬图像可以根据至少一个探测器上单元组对应的相衬信息θ_ref确定，所述暗场图像可以根据至少一个探测器单元组对应的暗场信息σ²确定。

在一些实施例中，所述光学相位衬度呈现方法可以变型为计算机代码或指令，由计算机程序完成方法所实现的步骤。

图6为根据本申请的一些实施例所示的处理装置示意图。如图6所示，所述处理装置600包括一个获取模块610、一个参数确定模块620和一个物体信息确定模块630。

获取模块610可以确定探测器T接收的多个光强值。在一些实施例中，探测器T包括多个探测器单元组，一个探测器单元组包括多个探测器单元。在一些实施例中，阶梯光栅G2包括多个阶梯光栅块，一个阶梯光栅块中包括多层阶梯光栅单元。其中，一个探测器单元组与一个阶梯光栅块相对应；一个阶梯光栅块中的一个阶梯光栅单元与一个探测器单元组中的一个探测器单元相对应。特别地，一个阶梯光栅块中包含三层阶梯光栅单元，一个探测器单元组包含三个探测器单元。在一些实施例中，获取模块610可以确定在有待测物体时和无待测物体时，探测器上一个探测器单元组中的多个探测器单元接收的三个光强值。在一些实施例中，探测器T上一个探测器单元组中的三个探测器单元接收到穿过三个阶梯光栅单元后的三个光强值。在一些实施例中，获取模块610可以确定所有探测器单元组对应的多组光强值，每组包括三个光强值。

参数确定模块620可以确定存在待测物体时的光强变化曲线和不存在待测物体时的光强变化曲线中的待定参数。在一些实施例中，参数确定模块620可以基于拟合算法确定存在待测物体时的光强变化曲线的至少一个第一参数平均值a、相位

振幅值b和不存在待测物体时的光强变化曲线的至少一个第二参数均值a₀、相位

振幅值b₀。

物体信息确定模块630可以基于参数确定模块620确定的存在待测物体时的光强变化曲线的第一参数平均值a、相位

振幅值b和不存在待测物体时的光强变化曲线的第二参数平均值a₀、相位

振幅值b₀，确定物体的物理信息。所述物理信息包括物体的衰减信息、相衬信息和暗场信息。

实施例

图7是根据本申请的一些实施例所示的采用本申请披露的采用拟合方法的光学相位衬度成像方法以及采用传统的余弦法获得的光强变化曲线与原始数据的对比图。其中，横坐标为阶梯光栅单元间的偏移量，纵坐标为接收的X射线光强值。其中，*号表示的曲线为原始数据，黑色曲线为采用传统余弦方法获得的步进曲线。图中颜色较浅的线为采用本申请所述的任意步长阶梯光栅信息处理方法得到的光强变化曲线。

从图7中可以看出，本申请提出的采用任意步长的拟合算法得到的光强变化曲线相比于传统的余弦算法更加逼近原始数据；而且当阶梯光栅设计误差偏大时，本申请的信息提取方法的优势将更加明显。

以上所述仅为本申请的优选实施而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。