CN108132266A - 一种x线光路级联显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X线光路级联显微成像系统，包括多级X射线显微成像光路；每级X射线显微成像光路由闪烁体、显微物镜、转向镜、管镜和可见光CCD组成；各级闪烁体分别吸收其带通范围内的X射线并将其转化成特定光学频率的可见光，各级转向镜改变闪烁体发出的可见光的方向，并分别经相应显微物镜与管镜聚焦于可见光CCD上。本发明X线光路级联显微成像系统采用多闪烁体级联的设计，能够大大提高X射线的利用率，同时还能提高X射线成像的光通量，从而在很大程度上提高了系统成像的信噪比。

Description

一种X线光路级联显微成像系统

技术领域

本发明涉及一种X线光路级联显微成像系统。

背景技术

X射线显微CT由于其高分辨率及无损成像方式使得它在医学、地质学、材料学等领域获得了广泛的应用。在医学上可用于观察组织学微观结构，病理解剖等；地质学上可实现对煤，岩石空隙结构的三维可视化；材料学上可实现材料的三维成像等等。

除了X射线显微CT，目前常用的观察物体微观结构的仪器有电子显微镜、共聚焦显微镜和光学显微镜等。各种显微镜的成像原理各不相同，电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。共聚焦显微镜是采用激光作为光源，在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置，并利用计算机观察物体的仪器。光学显微镜是利用凸透镜的成像原理的仪器。但它们有一个共同的缺陷，即只能观察到物体表面的结构，无法观察物体内部的结构组织。而X射线由于其穿透能力强的特点，可以观察到物体内部的结构，即实现三维成像，因而受到广泛的应用。

实现X射线高分辨成像有两种方式。一种是探测器直接接收X射线。该方式只存在光学放大，为了增大放大倍数，需要将物体尽可能地靠近射线源，但与此同时因为焦点的影响产生了半影模糊，从而制约了图像的分辨率。另一种方式是闪烁体与光学镜头耦合，闪烁体将X射线吸收转化成可见光，光线经光学镜头成像到CCD靶面上。这里引入光学系统放大闪烁体薄片中所成的像，以避免X线光路放大因射线源焦点大小引起的制约。该方法的分辨率非常高，在最佳条件下其分辨率可达到亚微米级别。

然而采用闪烁体与光学镜头耦合X线成像方式存在视场与分辨率之间的矛盾。由于探测器的大小一定，为了提高图像的分辨率，需要缩小成像范围，即视场变小。另一方面，光学系统的分辨率d＝0.61λ/NA，其中λ为闪烁体发出的光的波长，NA为显微物镜的数值孔径，在波长一定的条件下，提高分辨率意味着需要增大数值孔径。而景深的公式为DF＝1/(7*NA*M)+λ/(2*NA^2)，式中M为显微系统总的放大倍数，NA增大导致了景深会变小，因此这就需要将闪烁体打磨得非常薄，闪烁体的加工难度增大。而闪烁体厚度变薄又导致了其对X射线光子吸收效率的降低，从而使得发光强度减弱。同时，成像的过程中会存在光子产生的泊松噪声以及电路产生的高斯噪声，降低成像质量。另外高质量的成像还需要专门的摄像头与CCD，专门的摄像头与CCD价格昂贵、成本高。因此一种设备成本低、得到的图像分辨率高，且还可解决现有闪烁体与光学镜头耦合X线成像方式存在的视场与分辨率矛盾的X线光路级联显微成像系统的开发很有必要。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供X线光路级联显微成像系统，该X线光路级联显微成像系统采用多闪烁体级联的设计，能够大大提高X射线的利用率，同时还能提高X射线成像的光通量，从而在很大程度上提高了系统成像的信噪比。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种X线光路级联显微成像系统，包括多级X射线显微成像光路；每级X射线显微成像光路由闪烁体、显微物镜、转向镜、管镜和可见光CCD组成；各级闪烁体分别吸收其带通范围内的X射线并将其转化成特定光学频率的可见光，各级转向镜改变闪烁体发出的可见光的方向，并分别经相应显微物镜与管镜聚焦于可见光CCD上。

其中，X射线源发出的X射线穿过待成像物体后被第一级X射线显微成像光路中的闪烁体I吸收其带通范围内的X射线转化成可见光，第一级X射线显微成像光路中的转向镜I将可见光反射后，穿过铅玻璃I被显微物镜I与管镜I聚焦于可见光CCDI上；未被闪烁体I吸收的X射线穿过闪烁体I与转向镜I后被第二级X射线显微成像光路中闪烁体II吸收其带通范围内的X射线转化成可见光，第二级X射线显微成像光路中的转向镜II将可见光反射后，穿过铅玻璃II被显微物镜II与管镜II聚焦于可见光CCDII上；最后一级X射线显微成像光路中的闪烁体N吸收穿过前端各级闪烁体的X射线并将其转化成可见光，显微物镜N将可见光成像到无穷远处，经转向镜N反射后穿过铅玻璃N被管镜N聚焦于可见光CCDN上，通过这样的多级闪烁体级联结构实现X射线的多级转换聚焦从而同时获得多幅具有相同放大倍数的图像。

闪烁体吸收一定能谱的X射线并将其转化成特定光学频率或波长的可见光，下一级闪烁体吸收穿过上一级闪烁体的一定能谱的X射线并继续将其转化成特定光学频率或波长的可见光；前端各级X射线显微成像光路为闪烁体+反射镜(转向镜)模式，显微物镜与管镜耦合，收集反射镜反射的可见光，聚焦到可见光CCD的感应面上；最后一级X射线显微成像光路为闪烁体与显微物镜耦合模式，显微物镜与闪烁体之间为了增加光通量采用折射率较大的光学玻璃基底间隔，转向镜转变光线方向，使整个系统更加紧凑并同时滤过高能射线，管镜将经过显微物镜的平行光线聚焦到可见光CCD的感应面上。

其中，为了增大光通量，最后一级X射线显微成像光路中，闪烁体N与显微物镜N之间设有光学玻璃基底，光学玻璃基底对X射线吸收很少。

其中，所述各级闪烁体表面涂覆有光反射涂层；在每一级闪烁体的表面涂覆光反射涂层能够提高光通量。

其中，除最后一级X射线显微成像光路外，其余各级X射线显微成像光路中的闪烁体的发光平面均位于该光路中显微物镜的焦平面上。

调整每一级X射线显微成像光路得到的图像的最终放大倍数为相同的放大倍数。每一级X射线显微成像光路得到的图像的放大倍数由两部分决定，分别是X射线辐射的几何放大倍数以及X射线显微成像光路的光学放大倍数。由于每一级X射线显微成像光路中闪烁体的位置不同(相对于X射线辐射的位置不同)，导致每一级的几何放大倍数不同，为了保证每一级X射线显微成像光路得到的图像的最终放大倍数相等，每一级X射线显微成像光路中显微物镜应选用不同的数值孔径，使得每一级X射线显微成像光路的光学放大倍数与其对应的几何放大倍数相匹配，以保证每一级X射线显微成像光路得到的图像最终有同样的放大倍数。对于前端各级X射线显微成像光路，显微物镜应选用长焦距，才能使闪烁体的发光平面位于显微物镜的焦平面上；对于最后一级X射线显微成像光路，由于其直接与显微物镜耦合，因此可以选用短焦距的显微物镜，以保证光路的效率。

本发明X线光路级联显微成像系统还包括图像处理装置，所述图像处理装置与各级X射线显微成像光路中的可见光CCD连接；所述图像处理装置中集成有多种图像处理方法，图像处理装置对各级X射线显微成像光路中可见光CCD同时获得的多幅具有不同吸收特性和相同放大倍数的图像进行处理；所述图像处理方法包括图像去噪方法、超分辨成像方法、相衬成像方法和多能谱成像方法。

各级闪烁体由于厚度的差异对X射线呈现出不同的吸收特性，通过控制各级闪烁体的厚度可以得到多幅具有不同吸收特性的图像，利用获得的图像可以实现多种形式成像，包括但不限于图像去噪、超分辨成像、相衬成像、多能谱成像等。

X射线成像的噪声主要分为两部分，分别是由光子产生的泊松噪声以及由电路产生的高斯噪声，根据多级图像的信息，针对泊松噪声和高斯噪声，可以采用最大似然估计或其他后处理方式去噪。

本发明X线光路级联显微成像系统得到的序列图像，可以实现被测对象的超分辨成像。由于各级X射线显微成像光路的可见光CCD在图像的X、Y两个方向存在亚像素错位，通过合适的超分辨成像算法，可以实现超分辨成像。本发明超分辨成像算法将超分辨重建理论融合到CT重建过程中来，通过迭代重建以及各种正则化项的添加，确保重建图像质量。具体包括以下几个步骤：配准，插值，重建。对每一幅低分辨图像相对于参考低分辨图像的亚像素位移估计在配准这一部分完成，正确的亚像素位移估计影响重建算法的最终效果。由于低分辨图像的运动是任意的，因此它并不是总和高分辨图像的网格一一对应，在从低分辨图像获得高分辨图像这过程中，一个好的插值算法的引入对最终的超分辨图像重建结果有着重要的影响，本发明超分辨成像方法选用双线性插值或样条插值。利用插值后的投影图像进行重建，假设有N组亚像素位移的投影图重建图像为M为正投影矩阵，重建公式如下：

TV项的主要作用是降噪，这里τ的取值不宜过高，因为N组亚像素位移之间的投影数据之间差距本来就小，如果TV正则项权值过高，就会影响保真项的效果；本发明τ取值在0.1～0.2之间。

多闪烁体级联的设计，可以实现多能谱成像。闪烁体吸收X射线的能谱与闪烁体的厚度、材料相关，通过控制各级闪烁体的厚度和材料，可实现每一级闪烁体将不同能谱的X射线转换成可见光，因而产生的图像可表现对不同能谱X射线的吸收特性。在医学成像的辐射能量范围内，最主要的光电效应和康普顿散射两种作用，根据射线源能谱以及得到的X射线的能谱信息，可以将物质的衰减系数分解为光电效应、康普顿散射和基于造影剂的部分。由X线光路级联显微成像系统可获得不同能谱的模体图像，根据投影公式：

其中，α＝1、2、3；

对其进行反演进行多能重建，得到光电效应、康普顿散射和基物质对应的系数；通过FDK反投影算法，可以分别实现光电效应成像、康普顿散射成像和基于物质的成像，从而得到更精确的模体图像。S(E)是射线源的能谱，f₁(E)、f₂(E)分别是光电效应和康普顿效应的界面，f₃(E)是造影剂不同能量对应的衰减系数，A_α是光线穿过物质的衰减系数的线积分。此外，由于不同组织对X射线的吸收能谱不一样，多能谱图像还可以提高对比度，对图像中的不同物质进行识别和分离等，本发明X线光路级联显微成像系统得到的图像可实现的多能谱成像包括但不限于光电效应成像、康普顿散射成像、K边缘成像等。

多闪烁体级联的设计，每个闪烁体都是沿X线光路上不同位置进行X线转换成像，X线沿光路传播穿过被测物体时，除吸收特性不同外，其相位特性也会产生变化，在探测器(CCD)相互距离固定时，通过不同位置获得的X线图像，可进行同轴相衬成像，实现一次性相位恢复(多级CCD能同时获得多个不同位置的像面光强分布，从而可实现同轴相衬成像并进行一次性相位恢复)。对于弱吸收物体，通过同轴相位衬度成像可获得比吸收成像更明显的图像对比度，如公式所示：

△为拉普拉斯变换符号，为物面相位分布，z为物体到探测器距离，由公式可知，像面光强I(x,y)的对比度与距离z及相位的拉普拉斯变换成正比关系，随着探测器距离的增大，同轴相衬效果越明显。而若想重建物体的相位信息，则需通过不同距离下的投影光强分布来计算每个角度下物体造成的相位改变分布，如公式所示：

的计算需要至少两个不同距离下的光强分布，而由于不同距离下的探测器图像像素值需要严格配准，在移动探测器过程中难免出现系统精度误差而影响相位恢复的精度。而本发明X线光路级联显微成像系统通过一次多级闪烁体成像，无需移动探测器，在提高相位恢复精度的同时也降低了操作流程的复杂度。

相衬成像方法具体包括如下步骤：

(1)获得相位衬度图：在距离待成像物体z＝0的位置处获得物体的纯吸收图像I₀，并在距离物体较远处获得物体的吸收项加相衬项I_z，此时距离越远相衬项越明显，具体体现在边缘增强以及物体内部信息量的增加，具体成像简化公式可表示如下，其中，z为可见光CCD距离物体的距离，为物体对相位的改变量；

(2)相位恢复，求取选用TIE(Transport of intensity equation)算法，对先前不同位置下获得的图像进行相位恢复，具体公式采用如下：

(3)重建：利用相位恢复之后的投影图像进行重建，假设有N组亚像素位移的投影图重建图像为M为正投影矩阵，重建公式如下：

其中，τ取值为0.1～0.2。

相比于现有技术，本发明的技术方案所具有的有益效果为：

本发明X线光路级联显微成像系统核心在于多级闪烁体级联，且各级闪烁体具有不同的带通范围，或者说每级闪烁体吸收的为不同能谱的X射线，从而可在同一次投影中通过多级闪烁体分别吸收不同能谱的X射线并同时成像，从而得到多幅具有同样放大倍数、存在亚像素位移、光谱特性和相位特性不同的图像；由于是利用多级X线成像光路级联同步采集的图像，因此可有效提高X射线的成像效率；对于本发明显微成像系统获得的多级图像，可在图像处理装置中进行超分辨重建，从而提高图像分辨率，因此本发明X线光路级联显微成像系统一方面可解决现有闪烁体与光学镜头耦合X线成像方式存在的视场与分辨率的矛盾问题，另一方面还能得到高成像质量、高图像分辨率的图像。

附图说明

图1为实施例1的X线光路级联显微成像系统的系统原理图；

图2为实施例2的X线光路级联显微成像系统的系统原理图；

图3为实施例2中取下第一级闪烁体，X射线在穿过铜网与基底后到达第二级闪烁体时最终的灰度值；

图4为实施例2中具备第一级闪烁体，X射线在穿过铜网、第一级闪烁体与基底后到达第二级闪烁体时最终的灰度值。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

实施例1

如图1所示，本发明X线光路级联显微成像系统，包括多级X射线显微成像光路；每级X射线显微成像光路由闪烁体、显微物镜、转向镜、管镜和可见光CCD组成；各级X射线显微成像光路中的闪烁体具有不同的带通范围，即每级闪烁体吸收的为不同能谱的X射线；X射线源发出的X射线穿过待成像物体后被第一级X射线显微成像光路中的闪烁体I1吸收其带通范围内的X射线转化成可见光，第一级X射线显微成像光路中的转向镜I6将可见光反射后，穿过铅玻璃I5被显微物镜I4与管镜I3聚焦于可见光CCDI2上；未被闪烁体I1吸收的X射线穿过闪烁体I1与转向镜I6后被第二级X射线显微成像光路中闪烁体II7吸收其带通范围内的X射线转化成可见光，第二级X射线显微成像光路中的转向镜II8将可见光反射后，穿过铅玻璃II9被显微物镜II10与管镜II11聚焦于可见光CCDII12上；直至最后一级X射线显微成像光路中的闪烁体N13吸收穿过前端各级闪烁体的X射线并将其转化成可见光，显微物镜N14将可见光成像到无穷远处，经转向镜N18反射后穿过铅玻璃N17被管镜N16聚焦于可见光CCDN15上，通过这样的多级闪烁体级联结构实现X射线的多级转换聚焦从而同时获得多幅图像；本发明X线光路级联显微成像系统还包括图像处理装置，图像处理装置与各级X射线显微成像光路中的可见光CCD连接；图像处理装置中集成有多种图像处理方法，图像处理装置对各级X射线显微成像光路中可见光CCD同时获得的图像进行处理。

对于本发明显微成像系统获得的多级图像，可利用多幅不同特性的图像在图像处理装置中进行后处理，从而得到具有高成像质量、高图像分辨率的图像。

实施例2

两级X射线显微成像光路级联结构如图2所示，X射线从射线源1发出，穿过铜网2后到达第一级X射线显微成像光路的闪烁体I3，闪烁体I3吸收其带通范围内的X射线转化成可见光；未被闪烁体I3吸收的X射线穿过基底I4，沿着直线方向继续前进到达第二级X射线显微成像光路的闪烁体II5被闪烁体II5吸收转化成可见光，显微物镜II7将可见光成像于无穷远(为了增大光通量，闪烁体II5与显微物镜II7之间设置一个光学玻璃基底II6)，经转向镜II11反射后穿过铅玻璃10被管镜II9聚焦于可见光CCDII8的感应面上。

为了便于对照，本实验分两步：

第一步：将闪烁体I3取下，观察X射线在穿过铜网2与基底I4后到达第二级闪烁体II5时最终的灰度值，在5600左右，如图3所示；

第二步：将闪烁体I3放在图2中所示位置，观察X射线在穿过铜网2、第一级闪烁体I3与基底I4后到达第二级闪烁体II5时最终的灰度值，在2800左右，如图4所示。

实施例2的两级X射线显微成像光路：射线源选用滨松源，基底I4和基底II6选择厚度在1mm左右的透明塑料(基底对X射线的吸收非常少)，基底与闪烁体粘在一起。射线源的电压为70keV，电流为110ma，第一级闪烁体I3的材料为CsI，厚度为10um左右；第二级闪烁体II5的材料为YAG，厚度为10um左右；两级闪烁体之间的距离大约为2cm。同时，为了防止第一级闪烁体I3发出的可见光的干扰，在第二级闪烁体II5之前加上了一个对X射线吸收很少的黑色盖子以吸收第一级闪烁体I3发出的可见光，只让X射线穿过。

通过图3～4可知，10um左右的CsI闪烁体大约吸收了50％的X射线能量，从光通量的角度来看，X射线穿过两级闪烁体后仍然具有良好的光通量。

Claims (10)

1.一种X线光路级联显微成像系统，其特征在于：包括多级X射线显微成像光路；每级X射线显微成像光路由闪烁体、显微物镜、转向镜、管镜和可见光CCD组成；各级闪烁体分别吸收其带通范围内的X射线并将其转化成特定光学频率的可见光，各级转向镜改变闪烁体发出的可见光的方向，并分别经相应显微物镜与管镜聚焦于可见光CCD上。

2.根据权利要求1所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：X射线源发出的X射线穿过待成像物体后被第一级X射线显微成像光路中的闪烁体I吸收其带通范围内的X射线转化成可见光，第一级X射线显微成像光路中的转向镜I将可见光反射后，穿过铅玻璃I被显微物镜I与管镜I聚焦于可见光CCDI上；未被闪烁体I吸收的X射线穿过闪烁体I与转向镜I后被第二级X射线显微成像光路中闪烁体II吸收其带通范围内的X射线转化成可见光，第二级X射线显微成像光路中的转向镜II将可见光反射后，穿过铅玻璃II被显微物镜II与管镜II聚焦于可见光CCDII上；直至最后一级X射线显微成像光路中的闪烁体N吸收穿过前端各级闪烁体的X射线并将其转化成可见光，显微物镜N将可见光成像到无穷远处，经转向镜N反射后穿过铅玻璃N被管镜N聚焦于可见光CCDN上。

3.根据权利要求2所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：所述最后一级X射线显微成像光路中，闪烁体N与显微物镜N之间设有光学玻璃基底。

4.根据权利要求1所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：所述各级闪烁体表面涂覆有光反射涂层。

5.根据权利要求1所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：除最后一级X射线显微成像光路外，其余各级X射线显微成像光路中的闪烁体的发光平面均位于该光路中显微物镜的焦平面上。

6.根据权利要求1所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：还包括图像处理装置，所述图像处理装置与各级X射线显微成像光路中的可见光CCD连接；所述图像处理装置中集成有多种图像处理方法，图像处理装置对各级X射线显微成像光路中可见光CCD同时获得的图像进行处理。

7.根据权利要求6所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：所述图像处理方法包括图像去噪方法、超分辨成像方法、相衬成像方法和多能谱成像方法。

8.根据权利要求7所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：所述超分辨成像方法包括如下步骤：

(1)配准：对每一幅低分辨图像相对于参考低分辨图像的亚像素位移估计；

(2)插值：选用双线性插值或样条插值；

(3)重建：利用插值后的投影图像进行重建，假设有N组亚像素位移的投影图重建图像为M为正投影矩阵，重建公式如下：

其中，τ取值为0.1～0.2。

9.根据权利要求7所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：所述相衬成像方法包括如下步骤：

(1)获得相位衬度图：在距离待成像物体z＝0的位置处获得物体的纯吸收图像I₀，并在距离物体较远处获得物体的吸收项加相衬项I_z，具体成像公式如下所示，其中，z为可见光CCD距离物体的距离，为物体对相位的改变量；

(2)相位恢复，求取选用算法，对先前不同位置下获得的图像进行相位恢复，具体公式采用如下：

(3)重建：利用相位恢复之后的投影图像进行重建，假设有N组亚像素位移的投影图重建图像为M为正投影矩阵，重建公式如下：

其中，τ取值为0.1～0.2。

10.根据权利要求7所述的X线光路级联显微成像系统，其特征在于：所述多能谱成像方法包括如下步骤：

(1)由X线光路级联显微成像系统可获得不同能谱的模体图像；

(2)根据投影公式：

其中，α＝1、2、3；

对其进行反演，得到光电效应、康普顿散射和基物质对应的系数；

(3)通过FDK反投影算法，分别实现光电效应成像、康普顿散射成像和基于物质的成像。