CN108896584A - 基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光x射线暗场成像方法 - Google Patents

基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光x射线暗场成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法，设置由X射线源、相位光栅、第一探测器和第二探测器构成的双探测器光栅干涉仪；将第一探测器的工作点固定在光强曲线的峰位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；将第二探测器的工作点固定在光强曲线的谷位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；利用获取的图像提取被成像物的暗场信号。本发明摒弃繁琐的光栅步进扫描，简化X射线暗场成像过程；对被成像物进行一次曝光，降低辐射损伤风险；解决了低光子计数时暗场信号的准确提取问题，从而为发展快速、准确、低辐射剂量的X射线暗场成像技术提供新途径。

Description

基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法
技术领域
本发明涉及硬X射线成像物理和方法领域，具体的说是基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法。
背景技术
作为传统X射线吸收衬度成像技术的有力补充，X射线暗场成像方法近年来得到了迅速的发展。特别地，基于硬X射线光栅干涉仪的暗场成像，能够探测到空间尺度低于成像系统分辨率的物体内部特征，在肺气肿的早期诊断、骨质疏松症评价、肾结石的增强区分等临床医学应用领域具有非常广阔的应用前景。
现有硬X射线光栅干涉仪普遍采用相位步进法进行实验数据采集和物体信息提取。相位步进法要求：复杂的横向步进扫描光栅，导致很长的数据采集时间，降低了实验效率；采集多幅物体投影图像，实际实验中至少四张，增加了物体的辐射剂量和辐射损伤风险。更加重要的是，在低光子计数情形，即低辐射剂量情形下，相位步进法不能准确提取物体的暗场信号。这些局限性阻碍了X射线光栅干涉仪在临床医学诊断、活体成像等领域的推广应用。因此，发展新的暗场成像方法，克服相位步进法光栅步进扫描、多次物体曝光的局限性，已经成为X射线光栅干涉仪推广应用进程中必须解决的瓶颈问题之一。
发明内容
本发明为避免现有成像方法的不足之处，提出一种基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法，以期能摒弃光栅步进扫描，简化硬X射线暗场成像过程，提高成像效率；对被成像物体单次曝光，降低射损伤风险；能够在低光子计数时准确提取被成像物体的暗场信号，从而为实现快速、准确、低辐射剂量的X射线暗场成像提供新途径。
为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法的特点是：设置由X射线源、相位光栅、第一探测器和第二探测器构成的双探测器光栅干涉仪；将第一探测器的工作点固定在光强曲线的峰位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；将第二探测器的工作点固定在光强曲线的谷位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；利用获取的图像提取被成像物的暗场信号。
本发明基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法的特点也在于：
以光轴方向为Z轴向，垂直于光轴、且平行于相位光栅的栅条方向为Y轴向，以共同垂直于光轴和相位光栅的栅条方向为X轴向；
所述X射线源、相位光栅、第一探测器和第二探测器在沿Z轴向上依次设置；并设置所述X射线源、相位光栅、第一探测器以及第二探测器在沿Y轴向上中心对齐；所述暗场成像方法按如下步骤进行：
步骤1、设置各器件相关位置：
设置：0＜d1＜d2，其中，d1为所述第一探测器与所述相位光栅在沿Z轴向上的相对距离，d2为所述第二探测器与所述相位光栅在沿Z轴向上的相对距离；并设置：所述第一探测器与所述相位光栅在沿X轴向上的相对距离为零；所述第二探测器与所述相位光栅在沿X轴向上的相对距离为0.5T，T为所述相位光栅的周期；
步骤2、获取背景投影图像：
启动所述X射线源，随后利用第一探测器按照曝光时长t1获取第一背景投影图像I1；并同时利用所述第二探测器按照所述曝光时长t2获取第二背景投影图像I2；
步骤3、获取被成像物投影图像：
将所述被成像物放置在所述相位光栅的视场中央，启动X射线源，随后利用所述第一探测器按照曝光时长t1获取所述被成像物的第一投影图像I′1，并同时利用所述第二探测器按照曝光时长t2获取所述被成像物的第二投影图像I′2；
步骤4、按式(1)提取获得所述被成像物的暗场信号DF，
其中F-1表示函数求逆操作，以所述被成像物的暗场信号DF作为所述单次曝光X射线暗场成像方法的结果。
本发明基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法的特点也在于：将d1取为相位光栅的1阶分数泰伯距离，d2取为相位光栅的3阶分数泰伯距离。
与已有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明基于双探测器光栅干涉仪，提出了单次曝光X射线暗场成像方法，解决了单次曝光下物体暗场信号的定量和准确提取，克服了相位步进法要求光栅步进扫描的局限性，简化了暗场成像过程；克服了相位步进法要求对被成像物体多次曝光的局限性，降低了辐射损伤风险；解决了相位步进法在低光子计数时不能准确提取暗场信号的局限性，实现了快速、准确、低辐射剂量的X射线暗场成像；
2、与现有的相位步进法相比，本发明在获取物体图像时，通过将双探测器与相位光栅的横向相对距离设定为确定值，摒弃了繁琐的光栅步进扫描，极大地简化了暗场成像过程，提高了实验效率；
3、与现有的相位步进法相比，本发明利用了双探测器方案，只需对物体进行一次曝光，就能够同时记录两张物体投影图像，进而准确、定量提取物体的暗场信号，避免了对物体的多次曝光，有效降低了辐射损伤风险；
4、与现有的相位步进法相比，本发明摒弃了傅里叶变换操作，简化了物体暗场信号的提取公式，实现了低光子计数时物体暗场信号的准确提取；
附图说明
图1为本发明中的双探测器硬X射线光栅干涉仪示意图；
图2为现有技术中的光强曲线图；
图3为本发明中被成像物体5的暗场信号DF的提取；
图中标号：1为X射线源；2相位光栅；3第一探测器；4第二探测器；5被成像物。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法是，设置由X射线源1、相位光栅2、第一探测器3和第二探测器4构成的双探测器光栅干涉仪；将第一探测器的工作点固定在光强曲线的峰位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；将第二探测器的工作点固定在光强曲线的谷位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；利用获取的图像提取被成像物的暗场信号。
如图1所示，以光轴方向为Z轴向，垂直于光轴、且平行于相位光栅2的栅条方向为Y轴向，以共同垂直于光轴和相位光栅2的栅条方向为X轴向；X射线源1、相位光栅2、第一探测器3和第二探测器4在沿Z轴向上依次设置；并设置X射线源1、相位光栅2、第一探测器3以及第二探测器4在沿Y轴向上中心对齐；暗场成像方法按如下步骤进行：
步骤1、设置各器件相关位置：
设置：0＜d1＜d2，其中，d1为第一探测器3与相位光栅2在沿Z轴向上的相对距离，d2为第二探测器4与相位光栅2在沿Z轴向上的相对距离；为了获得最大的暗场成像灵敏度，可以将d1取为相位光栅2的1阶分数泰伯距离，d2取为相位光栅2的3阶分数泰伯距离。
设置：第一探测器3与相位光栅2在沿X轴向上的相对距离为零，即光强曲线的峰位，光强最大值位置处，如图2所示；第二探测器4与相位光栅2在沿X轴向上的相对距离为0.5T，T为相位光栅2的周期，即光强曲线的谷位，光强最小值处，如图2所示。
步骤2、获取背景投影图像：
启动X射线源1，随后利用第一探测器3按照曝光时长t1获取第一背景投影图像I1；并同时利用第二探测器4按照曝光时长t2获取第二背景投影图像I2，随后关闭X射线源1。
对曝光时长t1：当X射线源1是同步辐射X射线源时，其典型值是2～10毫秒；当X射线源1是常规X射线源时，根据X射线源功率的不同，其典型值可以是十几秒到几十秒。
对曝光时长t2：考虑到第一探测器3的衰减作用，曝光时长t2应满足t2>t1；当X射线源1是同步辐射X射线源时，曝光时长t2的典型值是6～30毫秒；当X射线源1是常规X射线源时，根据X射线源功率的不同，曝光时长t2的典型值可以是几十秒到上百秒。
步骤3、获取被成像物投影图像：
将被成像物5放置在相位光栅2的视场中央，使被成像物5紧贴在相位光栅1的内侧，启动X射线源1，随后利用第一探测器3按照曝光时长t1获取被成像物5的第一投影图像I′1，并同时利用第二探测器4按照曝光时长t2获取被成像物5的第二投影图像I′2，单次曝光即是指对被成像物5的单次曝光。
将第一探测器3的工作点固定在光强曲线的峰位，由第一探测器3所获取的被成像物体5的投影图像I′1如式(4.1)所表征：
式(4.1)中，T是被成像物体5的吸收信号，V1是第一探测器3记录的光强曲线的可见度，p是相位光栅2的周期，DF是被成像物体5的暗场信号。
将第二探测器4的工作点固定在光强曲线的谷位，由第二探测器4获取的被成像物体5的投影图像I′2如式(4.2)所表征：
式(4.2)中，V2是第二探测器4记录的光强曲线的可见度。
步骤5、利用式(4.1)和式(4.2)定义函数F(DF)如式(5.1)所示：
函数F(DF)是被成像物体5的暗场信号DF的单调递增函数；于是，利用式(5.1)计算函数F(DF)的逆函数，得到被成像物体5的暗场信号DF如式(5.2)所示：
则：由式(1)提取获得被成像物5的暗场信号DF为：
其中F-1表示函数求逆操作。
图3为被成像物体5的暗场信号DF随F(DF)的变化曲线。实验中，利用探测器记录的投影图像，计算得到函数F(DF)。再对照图3所示的曲线，进行反解，可定量提取被成像物体5的暗场信号DF。以被成像物5的暗场信号DF作为单次曝光X射线暗场成像方法的结果。

Claims (3)

1.一种基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法，其特征是：设置由X射线源(1)、相位光栅(2)、第一探测器(3)和第二探测器(4)构成的双探测器光栅干涉仪；将第一探测器的工作点固定在光强曲线的峰位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；将第二探测器的工作点固定在光强曲线的谷位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；利用获取的图像提取被成像物的暗场信号。
2.根据权利要求1所述的基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法，其特征是：
以光轴方向为Z轴向，垂直于光轴、且平行于相位光栅(2)的栅条方向为Y轴向，以共同垂直于光轴和相位光栅(2)的栅条方向为X轴向；
所述X射线源(1)、相位光栅(2)、第一探测器(3)和第二探测器(4)在沿Z轴向上依次设置；并设置所述X射线源(1)、相位光栅(2)、第一探测器(3)以及第二探测器(4)在沿Y轴向上中心对齐；所述暗场成像方法按如下步骤进行：
步骤1、设置各器件相关位置：
设置：0＜d1＜d2，其中，d1为所述第一探测器(3)与所述相位光栅(2)在沿Z轴向上的相对距离，d2为所述第二探测器(4)与所述相位光栅(2)在沿Z轴向上的相对距离；并设置：所述第一探测器(3)与所述相位光栅(2)在沿X轴向上的相对距离为零；所述第二探测器(4)与所述相位光栅(2)在沿X轴向上的相对距离为0.5T，T为所述相位光栅(2)的周期；
步骤2、获取背景投影图像：
启动所述X射线源(1)，随后利用第一探测器(3)按照曝光时长t1获取第一背景投影图像I1；并同时利用所述第二探测器(4)按照所述曝光时长t2获取第二背景投影图像I2；
步骤3、获取被成像物投影图像：
将所述被成像物(5)放置在所述相位光栅(2)的视场中央，启动X射线源(1)，随后利用所述第一探测器(3)按照曝光时长t1获取所述被成像物(5)的第一投影图像I′1，并同时利用所述第二探测器(4)按照曝光时长t2获取所述被成像物(5)的第二投影图像I′2；
步骤4、按式(1)提取获得所述被成像物(5)的暗场信号DF，
其中F-1表示函数求逆操作。
以所述被成像物(5)的暗场信号DF作为所述单次曝光X射线暗场成像方法的结果。
3.根据权利要求2所述的基于双探测器光栅干涉仪的单次曝光X射线暗场成像方法，其特征是：将d1取为相位光栅(2)的1阶分数泰伯距离，d2取为相位光栅(2)的3阶分数泰伯距离。
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