CN107621473B - 单幅x射线微分相衬图像探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单幅X射线微分相衬图像探测系统，按X射线传播方向依次设置有X射线转换屏、耦合装置和可见光探测器，所述X射线转换屏为像素化转换屏，像素单元排布与成像系统的X射线干涉条纹周期配合；或是按X射线传播方向依次设置有吸收光栅、X射线转换屏和可见光探测器，所述吸收光栅在行方向和列方向上通过多个周期单元排布形成，周期单元为矩形，周期单元宽度和成像系统的X射线干涉条纹周期宽度相同。本发明无需物体多次曝光并移动相位光栅，简化了X射线微分相衬成像的相位获取流程，能够实现快速X射线相位衬度成像，从而提高成像效率。

Description

单幅X射线微分相衬图像探测系统

技术领域

本发明医学和无损探伤领域，涉及一种X射线微分相衬成像系统，尤其涉及一种单幅X射线微分相衬图像探测系统。

背景技术

普通X射线成像是利用物体对X射线的衰减形成图像衬度，但对于弱吸收物体，不同部分如果成分相同，对X射线衰减相同，就不能形成突出对比度，例如生物体软组织，但近十多年来，X射线相衬成像能对弱吸收物体成像,受到国内外众多研究者的广泛关注。

目前有多种方法可以实现X射线相衬成像，如利用微焦斑光源的同轴相衬，采用同步辐射光源的衍射增强，利用硅单晶分光的双光束干涉成像，利用波带片聚焦的类Zernike方法等等。尽管从上个世纪六十年代起发展了以上的方法，但受限于光源相干性、光源亮度、系统机械稳定性、探测器分辨率等等因素的限制，多数方法仅能在实验室中实现，现如今也没能走向广泛应用。相比而言，微分相衬仅有较少因素的困扰，是最有可能广泛应用的X射线相衬成像技术，尤其是医学、生物学应用。

微分相衬是一种基于光栅的成像技术，一般成像系统结构如图1所示，由X射线源71、源光栅72、相位光栅73、分析光栅74及X射线探测器构成。物体位于相位光栅前或后，没有物体时，相位光栅在X光的照射下，在特定的距离处会形成规则的X射线干涉条纹，物体的存在会扭曲这些规则的X射线干涉条纹，而条纹扭曲的程度则与物体的相位一阶分布相关。物体的相位分布“隐藏”在相位光栅的扭曲的X射线干涉条纹中，要提取相位信息，就需要利用相位恢复从条纹中“解调”出相位信息。相位光栅X射线干涉条纹周期仅有2-4微米，一般探测器无法探测，需要在X射线干涉条纹处加上周期相同的分析光栅，X射线干涉条纹同分析光栅形成大周期的Moirè条纹，利用普通X射线探测器就可探测，再移动相位光栅或分析光栅，利用Phase-step算法从多幅图像计算得到物体相位信息。

每移动一次相位光栅或分析光栅，物体就需要曝光一次，多次移动就意味物体需要曝光多次，这会增加物体对X射线剂量的吸收、增加物体的成像时间，不利于该技术在医学及生物学中的应用。同时，光栅的移动量都在亚微米级，系统需要亚微米位移设备，昂贵的位移仪器无疑增加了成像系统的复杂性和成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种简化系统结构、降低物体对X射线剂量的吸收、提高了成像速度、光源利用率高的单幅X射线微分相衬图像探测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一种技术方案：一种单幅X射线微分相衬图像探测系统，按X射线传播方向依次设置有X射线转换屏、耦合装置和可见光探测器，所述X射线转换屏为像素化转换屏，所述像素化转换屏包括多个像素单元，像素单元排布与成像系统的X射线干涉条纹周期配合。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述像素化转换屏的像素单元为矩形，该像素单元的宽度同成像系统的X射线干涉条纹一个周期宽度相同，且在行方向上与X射线干涉条纹周期方向相同。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述像素化转换屏的每个像素单元包括对X射线敏感的敏感区域和对X射线不敏感的非敏感区域，所述敏感区域为矩形，且其宽度d占像素单元宽度D的1-50%。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述可见光探测器的像素单元为正方形，边长为T，所述像素化转换屏在X射线干涉条纹周期方向上，N个彼此相邻的像素单元组成一小组像素单元，N值为T/p，p为X射线干涉条纹一个周期宽度； N的值为正整数；同一小组像素单元中每个像素单元具有相同的结构；在行方向上，同小组中每个转换屏像素的敏感区域距离该像素单元边缘距离为s，在行方向上，每M个小组像素单元构成一大组像素单元，M的值为正整数; 在一个大组像素单元中，对第m个小组像素单元，s的值为(m-1)p/M。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述像素化转换屏的每一行像素单元结构完全相同。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述可见光探测器的每个像素单元为正方形，边长为T；像素化转换屏的每个像素单元的长度同可见光探测器的像素单元边长相同；任意相邻两行素化转换屏的像素单元在行方向上有相对位移q，q的值为X射线干涉条纹周期宽度p的1/M，M为大于1的正整数，同一转换屏中，q只有只取一个值，在像素化转换屏列的方向上，M个可见光探测器像素值恢复出一个物体相位信息。

第二种技术方案：一种单幅X射线微分相衬图像探测系统，按X射线传播方向依次设置有吸收光栅、X射线转换屏和可见光探测器，所述吸收光栅在行方向和列方向上通过多个周期单元排布形成，周期单元为矩形，其长度为f，宽度为p，p和成像系统的X射线干涉条纹周期宽度相同。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述吸收光栅的周期单元分为透光区域和吸收区域，透光区域透过不少于90%入射X射线，吸收区域吸收不小于60%的入射X射线；在每个周期单元内，透光区域宽度q占整个周期单元宽度p的1-50%。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述可见光探测器单个像素为正方形，边长为T；吸收光栅在行方向上，N个彼此相邻周期单元为一小组周期单元，N值为T/p，N的值为正整数；同小组周期单元中的每个周期单元具有相同的结构；在行方向上，同小组中每个透光区域边界距离该周期单元边界距离为s；在行方向上，M个小组单元构成一大组周期单元，M的值为正整数; 在一个大组周期单元中，对第m个小组周期单元，s的值为(m-1)p/M。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述吸收光栅在任意相邻两行在行方向上有相对位移q，q的值为成像X射线干涉条纹周期p的1/M，M为大于1的正整数，同一吸收光栅中，q只取一个值；在列方向上，M个可见光探测器像素单元恢复出一个物体相位信息。

本发明提出一种新单次曝光的微分相衬成像方法，避免了多次曝光问题。本发明的探测系统由可见光探测器、耦合装置和X射线转换屏，或者可见光探测器、X射线转换屏及吸收光栅构成。只需要单幅X射线干涉条纹就可恢复图像中的相位信息。由于X射线转换屏为像素化转换屏，其空间结构尺寸同成像系统的X射线干涉条纹周期相联系；或者X射线吸收光栅空间结构尺寸同成像系统X射线干涉条纹周期相联系；在系统成像时，X射线转换屏或X射线吸收光栅的空间位置同X射线干涉条纹的空间位置有了特殊要求；利用邻近的2个或多个像素值恢复出单个相位信息。

本发明的系统具有以下特点：1、由于是单次曝光，无须移动部件，系统中无需昂贵的纳米位移平台，简化了系统结构，降低了对系统机械稳定性的要求。2、单次曝光极大降低物体对X射线剂量的吸收，提高了成像速度。3、抛弃了吸收光栅作为分析光栅，系统的成像能量也就不受限制。4、本发明第二种技术方案采用特殊结构的探测器探测相位光栅的X射线干涉条纹，而不是吸收一半光子数的分析光栅，所以光源利用率提高一倍，降低了对光源亮度的要求。本发明无需物体多次曝光并移动相位光栅，简化了X射线微分相衬成像的相位获取流程，能够实现快速X射线相位衬度成像，从而提高成像效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的结构示意图；

图2是本发明X射线干涉条纹探测系统第一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明通用行方向上像素转换屏的结构示意图；

图4是本发明通用列方向上像素转换屏的结构示意图；

图5是本发明X射线干涉条纹探测系统第二种实施方式的结构示意图；

图6是本发明通用行方向上吸收光栅的结构示意图；

图7是本发明通用列方向上吸收光栅的结构示意图；

图8是本发明实施例1通用行方向上像素转换屏的结构示意图；

图9是本发明实施例2通用列方向上像素转换屏的结构示意图；

图10是本发明实施例3通用行方向上吸收光栅的结构示意图；

图11是本发明实施例4通用列方向上吸收光栅的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

根据X射线干涉条纹周期进行方位定义：与X射线干涉条纹周期方向相同的方向为行方向，与行方向垂直的方向为列方向。

本发明有两种不同的技术方案，第一种技术方案为：

如图2-4所示，一种单幅X射线微分相衬图像探测系统，按X射线传播方向依次设置有X射线转换屏、耦合装置3和可见光探测器4，所述X射线转换屏为像素化转换屏2，所述像素化转换屏2包括多个像素单元21，像素单元21排布与成像系统的X射线干涉条纹1周期配合。

X射线干涉条纹1包含物体相位信息，X射线干涉条纹1通过以下公式表达：

(1)

上式中， 为物体的吸收分布，

为物体的相位分布信息，

_i为每个可见光探测器 的附加相位，其值由像素化转换屏2和X射线干涉条纹1的相对位置决定。改变

_i的值，得到 多幅图像，利用多幅图像计算出的

值。

如图3、4所示，所述像素化转换屏2的像素单元21为矩形，该像素单元21的宽度同成像系统的X射线干涉条纹1一个周期宽度相同，且在行方向上与X射线干涉条纹1周期方向相同。

所述像素化转换屏2的每个像素单元21包括对X射线敏感的敏感区域211和对X射线不敏感的非敏感区域212，所述敏感区域211为矩形，且其宽度d占像素单元21宽度D的1-50%。

所述可见光探测器4的像素单元41为正方形，边长为T，所述像素化转换屏2在X射线干涉条纹1周期方向上，像素化转换屏2的N个彼此相邻的像素单元21组成一小组像素单元，N值为T/p，p为X射线干涉条纹1一个周期宽度； N的值为正整数；同一小组像素单元中每个像素单元21具有相同的结构；在行方向上，同小组中每个转换屏像素单元21的敏感区域距离该像素单元21边缘距离为s，在行方向上，每M个小组像素单元构成一大组像素单元，M的值为正整数; 在一个大组像素单元中，对第m个小组像素单元，s的值为(m-1)p/M。

所述像素化转换屏的每一行像素单元41结构完全相同。

所述可见光探测器的每个像素单元41为正方形，边长为T；如图3所示，像素化转换屏的每个像素单元21的长度同可见光探测器的像素单元41边长相同；如图4所示，任意相邻两行像素化转换屏的像素单元21在行方向上有相对位移q，q的值为X射线干涉条纹周期宽度p的1/M，M为大于1的正整数，同一转换屏中，q只有只取一个值，在像素化转换屏列的方向上，M个可见光探测器像素值恢复出一个物体相位信息。

如图5-7所示，第二种技术方案为：一种单幅X射线微分相衬图像探测系统，按X射线传播方向依次设置有吸收光栅6、X射线转换屏7和可见光探测器8，所述吸收光栅6在行方向和列方向上通过多个周期单元61排布形成，周期单元61为矩形，其长度为f，宽度为p，p和成像系统的X射线干涉条纹5周期宽度相同。

如图6所示，所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述吸收光栅6的周期单元61分为透光区域612和吸收区域611，透光区域612透过不少于90%入射X射线，吸收区域611吸收不小于60%的入射X射线；在每个周期单元61内，透光区域612宽度q占整个周期单元61宽度p的1-50%。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述可见光探测器单个像素为正方形，边长为T；吸收光栅6在行方向上，N个彼此相邻周期单元61为一小组周期单元，N值为T/p，N的值为正整数；同小组周期单元中的每个周期单元61具有相同的结构；在行方向上，同小组中每个透光区域612边界距离该周期单元61边界距离为s；在行方向上，M个小组单元构成一大组周期单元，M的值为正整数; 在一个大组周期单元中，对第m个小组周期单元，s的值为(m-1)p/M。

所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统中，优选所述吸收光栅6在任意相邻两行在行方向上有相对位移q，q的值为成像X射线干涉条纹周期p的1/M，M为大于1的正整数，同一吸收光栅中，q只取一个值；在列方向上，M个可见光探测器像素单元41恢复出一个物体相位信息。

以下通过具体实施例来详细说明：

实施例1、如图8所示是第一种实施方式，本实施例是利用特定结构的转换屏沿X射线干涉条纹周期方向（行方向）恢复物体相位信息。

下面以一个4步相移进行详细说明：

根据X射线干涉条纹公式：

(1)

此时

,(

), 相应的

,可解得相位信息 为

(2)

X射线干涉条纹移动的位移每次移动条纹1/4周期。

设定上述四个可见光像素单元的范围内的物体的吸收和相位信息变化很小或者没有变化。利用像素化转换屏来探测该条纹，如图8所示的探测系统，包括X射线干涉条纹1、像素化转换屏2、可见光探测器4，耦合装置为现有技术，没有改进，未在图中显示。X射线干涉条纹1的X射线投射到像素化转换屏2上, 像素化转换屏2将部分X射线转换为可见光到达可见光探测器4的4个像素单元，分别为1、2、3、4号的像素单元。

其中像素化转换屏中的像素单元21，是X射线荧光材料由非荧光材料分割成独立的单元，灰色部分为X射线荧光材料填装制成的对X射线敏感的敏感区域211，可以将X射线转换为可见光。白色部分为X射线非敏感材料制成的非敏感区域212，不能将X射线转换为可见光。

每个像素单元21的宽度p是固定的，与X射线干涉条纹1的周期相同。每一个可见光 探测器的像素单元形状为正方形，其边长T为转换屏的像素单元21宽度的2倍。在一个像素 单元21范围内的两个转换屏单元敏感区域211相对本像素单元21边缘距离s是相同的，但是 4个可见光的像素单元组范围内s值分别为1号像素单元组s=0, 2号像素单元组

, 3 号像素单元组

；4号像素单元组

。

由于像素转换屏2的每个像素单元21只转换了X射线干涉条纹1的部分值，而且4个 可见光的像素单元所对应的转换屏像素单元21转换的是X射线干涉条纹1不同部分的值，其 值分别为：1号可见光像素值为

；2号可见光像素值为

；3号 可见光像素值为

；4号可见光像素值为。利用这4个像素值及方程(2)则可以 解出物体的相位值。

Phase-step算法有多种实施方法，可以是上述的4步相移，

取4个值，这四个可以 组成一小组像素单元，也可以是2个以上的其它任意整数值M，形成大组像素单元。当

取M 个值时，转换屏的结构和上述的M=4时的结构类似，所不同的是：1、需要M个可见光像素值恢 复一个物体相位信息值，2、在一个像素范围内的转换屏单元敏感区域相对本单元的相对位 置s取值为(m-1)p/M，m为该转换屏敏感单元所处M个可见光像素的单元编号，值为1到M。

实施例2，如图9所示，本实施例是利用特殊结构的像素转换屏，在垂直于X射线干涉条纹周期方向恢复物体相位信息。

以4步相移为例。沿X射线传播方向，成像系统的X射线干涉条纹1，像素转换屏及可见光探测器空间位置如图2所示，详细相对位置及大小关系如图9所示。X射线干涉条纹1的方向为图中所示的行方向，利用垂直于该方向的4个像素单元(9-2)恢复物体的相位信息，4个像素单元21编号分别为1，2，3，4。像素转换屏的单个像素单元宽度p与X射线干涉条纹的周期为p相同, 长度同正方形可见光像素边长T，T=2p。每个转换屏单个像素单元21的敏感区域211宽度为d，长度为T。相邻两行转换屏敏感区域211在行方向上错开一个位置q，q=p/4。

在列的方向，以上是取4个相邻可见光像素恢复一个相位值，形成一小组像素单元，也可以是2个以上的其它任意整数值M，形成大组像素单元。取M个值时，像素转换屏的结构和上述的第二种类型M=4时的结构类似，所不同的是：1、需要M个可见光像素值恢复一个物体相位信息值，2、相邻两行转换屏敏感区域在行方向上错开一个位置q 取值为(m-1)p/M，m为该转换屏敏感单元所处M个可见光像素的单元编号，值为1到M。

实施例3，是第三种实施方式，本实施方式是利用特殊结构的吸收光栅来探测X射线干涉条纹。

如图10所示，以4个可见光像素单元恢复物体相位信息为例，具体说明吸收光栅的具体结构：

如图10所示，从上至下依次为X射线干涉条纹5、吸收光栅6、转换屏7及可见光像素单元8。成像系统的X射线干涉条纹周期为p，吸收光栅单元周期长度同X射线干涉条纹周期p。

吸收光栅6的周期单元61包括透光区域611及和吸收区域 612。正可见光探测器单 个像素为正方形，边长为T，和吸收光栅6的周期单元61的长度p的关系为T=2p，图5中4个可 见光像素编号为1，2，3及4。在吸收光栅6的周期单元61，在X射线干涉条纹1的周期方向上， 透光区域612距离周期单元起始位置的距离s，对应于4个不同编号的可见光像素，s各不相 同，1号可见光像素单元内，s=0；2号可见光像素单元内,

；3号像素单元

；4号 像素单元

。

本实施例中，可以在X射线干涉条纹周期方向上的4个可见光像素恢复一个相位值，可见光像素单元也可以是2个以上的其它任意整数值M形成大组像素单元。当取M个值时，吸收光栅6的结构和上述的M=4时的结构类似，所不同的是：1、需要M个可见光像素值恢复一个物体相位信息值，2、在一个像素范围内的吸收光栅的周期单元61的透光区域612相对本周期单元的相对位置s取值为(m-1)p/M，m为该吸收光栅的周期单元61所处M个可见光像素的单元编号，值为1到M。

实施例4，本实施方式是利用特殊结构的吸收光栅来探测X射线干涉条纹。探测系统结构同实施例3，所不同的是吸收光栅的结构。

如图11所示，以4个同一列可见光像素恢复一个物体相位信息为例，说明该种探测方式探测原理。吸收光栅的结构和图11所示的第二种探测方式像素化转换屏结构类似，X射线干涉条纹的周期方向为图中所示，利用垂直于干涉条纹周期方向的4个像素恢复物体的相位信息，4个像素编号为1、2、3、4。吸收光栅单元宽度p与干涉的周期为p相同, 长度同正方形可见光像素边长T，T=2p。每个吸收光栅单元的透光区域宽度为d，吸收区域长度为T。相邻两行转换屏敏感区域在行方向上错开一个位置q，q=p/4。

本实施例选择在列方向上，以上是取4个相邻可见光像素恢复一个相位值，可见光像素个数也可以是2个以上的其它任意整数值M。取M个值时，吸收光栅6的结构和上述的第四类探测方式M=4时的结构类似，所不同的是：1需要M个可见光像素值恢复一个物体相位信息值，2相邻两行吸收光栅6的透光区域612在行方向上错开一个位置q 取值为(m-1)p/M，m为该吸收光栅单元所处M个可见光像素的单元编号，值为1到M。

Claims (2)

1.一种单幅X射线微分相衬图像探测系统，按X射线传播方向依次设置有吸收光栅、X射线转换屏和可见光探测器，其特征在于，所述吸收光栅在行方向和列方向上通过多个周期单元排布形成，周期单元为正方形，周期单元宽度和成像系统的X射线干涉条纹周期宽度相同；所述吸收光栅的周期单元分为透过入射X射线的透光区域和吸收入射X射线的吸收区域，在每个周期单元内，透光区域宽度q占整个周期单元宽度p的1-50%；所述可见光探测器的像素单元为正方形，边长为T；吸收光栅在行方向上，N个彼此相邻周期单元为一小组周期单元，N值为T/p，N的值为正整数；同小组周期单元中的每个周期单元具有相同的结构；在行方向上，同小组中每个透光区域边界距离该周期单元边界距离为s；在行方向上，M个小组单元构成一大组周期单元，M的值为正整数; 在一个大组周期单元中，对第m个小组周期单元，s的值为(m-1)p/M；所述吸收光栅在任意相邻两行在行方向上有相对位移q，q的值为成像X射线干涉条纹周期p的1/M，M为大于1的正整数，同一吸收光栅中，q只取一个值；在列方向上，M个可见光探测器像素单元恢复出一个物体相位信息。

2.根据权利要求1所述的单幅X射线微分相衬图像探测系统，其特征在于，所述透光区域透过不少于90%入射X射线，吸收区域吸收不小于60%的入射X射线。

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