CN109975334B - 一种单次曝光的x射线二维相衬成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法，该方法具体包括以下步骤：成像时，被测物体置于编码光阑M一和面阵探测器之间，并靠近编码光阑M一，被测物体对X射线的吸收和折射会导致X射线的强度和方向发生变化，使得探测器像素所探测到的射线强度I1、I2、I3和I4发生变化，利用它们的相对变化提取到量化的相位和吸收信息，从而实现单次曝光X射线二维相衬成像。本发明的有益效果是：本发明简化了采集过程，由原来的两次曝光简化为单次曝光，成像时间和辐照剂量与原来相比减少了50％。单次曝光的方式不仅能够实现动态和在线相衬成像，还便于X射线相衬CT技术的实现。本发明能够实现二维相衬成像，能提高物体细节分辨和缺陷检测能力。

Description

一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法
技术领域
本发明属于X射线成像领域，尤其涉及一种只需单次曝光的X射线二维相衬成像方法。
背景技术
传统的X射线成像，图像衬度基于物体对X射线的吸收，对于强吸收物体能给出较高的图像衬度，但对于弱吸收物体，例如人体软组织、纤维材料等图像衬度低。此外，对于吸收特性相近的物体，密度分辨能力有限，难以准确区分不同材质，例如肿瘤早期的诊断中，由于病变组织和正常组织密度接近，检测灵敏度偏低。X射线相衬成像(X-ray Phase-Contrast Imaging,XPCI)能够解决以上问题，给出更高的图像衬度和更清晰的物体细节。
X射线作为电磁波，在穿过物体的过程中，除了射线强度衰减以外，还会产生相位改变(即相移)。X射线穿过物体的行为在宏观上可用复折射率n＝1-δ+iβ描述，其中δ为折射率位相因子，β为吸收因子。在通常采用的X射线成像能量范围内(10～200keV)，δ是β的102～104倍，表明相位信息比吸收信息对样品特性的变化更为灵敏。因此，基于相位信息的X射线相衬成像拥有比传统吸收衬度成像更高的图像衬度和细节分辨能力。
20世纪90年代中期以来，陆续发展出了多种实现X射线相衬成像技术的方法，主要包括晶体干涉、基于传播成像、基于分析晶体成像、光栅干涉、边缘照明、基于光斑成像。以上方法采用不同的原理和实验条件，各具特色，在医学诊断、生物医学、材料检测和缺陷识别等方面开展了大量应用，展示了比传统X射线成像技术更优异的成像结果。
其中，边缘照明是近10年被广泛研究和发展的X射线相衬成像方法，其对X射线源的相干性要求低，装置便于实现，还具有相对高的射线利用率和较大的视场，是最有望将X射线相衬成像技术推广应用，实现成像装置小型化、商业化的方法之一。
但是目前，边缘照明方法需要移动编码光阑一次，在两个位置分别进行一次曝光，共采集两幅原始图像来量化地提取相位、吸收信息，导致采集过程复杂，成像时间增加，不利于实际应用。此外，边缘照明方法只实现了一维相衬成像，由于相位信息(该方法中指折射角信息)具有方向性，在竖直和水平两个方向均能提取到折射角信息，一维相衬成像将丢失物体的一些细节信息，降低缺陷检测和细节分辨的能力。
综上，现有技术存在的问题是：成像过程中需要两次曝光，并且没有实现二维相衬成像。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述的问题，而提出一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法，能够简化采集过程，减少成像时间，降低辐照剂量，还能得到二维相位信息以提高物体细节和缺陷的检测精度，为X射线相衬成像技术在临床诊断、生物医学成像和工业无损检测等领域的应用提供了一种新的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法，其结构包括X射线源、编码光阑M一和面阵探测器，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：编码光阑M一置于X射线源前方，周期性地将X射线束流分成许多细束，编码光阑M一的周期P由面阵探测器的像素尺寸d，以及X射线源到编码光阑M一的距离D1和编码光阑M一到面阵探测器的距离D2共同决定，可表示为P＝2d/m，其中m为放大因子，可表示为m＝(D1+D2)/D1，编码光阑M一的开口尺寸为a；
步骤二：以面阵探测器的四个相邻像素作为一个探测单元，从编码光阑M一出射的X射线子束与探测单元一一对应，入射到探测单元的中心，使得每个探测单元的四个探测器像素分别探测到射线强度信号，依次记为I1、I2、I3和I4；
步骤三：成像时，被测物体置于编码光阑M一和面阵探测器之间，并靠近编码光阑M一，由于被测物体对X射线的吸收和折射会导致X射线的强度和方向发生变化，使得探测器像素所探测到的射线强度I1、I2、I3和I4发生变化，利用它们的相对变化提取到量化的相位和吸收信息，从而实现单次曝光X射线二维相衬成像；
步骤四：吸收信息以透射率T表征，可由(1)式计算得到：
Figure BDA0002039363690000031
其中(I1+I2+I3+I4)背景为面阵探测器背景区域的探测单元所探测到的X射线强度均值；
步骤五：相位信息以折射角Δθ表征，x和y方向的折射角信息Δθx和Δθy可分别由(2)式和(3)式计算得到：
Figure BDA0002039363690000032
Figure BDA0002039363690000033
步骤六：在实际应用中，许多情况下像素之间存在一定的串扰，导致图像质量出现退化，此时可以采用编码光阑M二周期性地遮挡像素的相邻区域，从而降低像素之间的信号串扰，再适当扩大编码光阑M一的开口a，使得从M一出射的X射线覆盖编码光阑M二的遮挡区域(遮挡宽度为b)入射到探测器像素上，这样能够解决所发明单次曝光X射线二维相衬成像方法中的像素串扰问题，提高成像质量。
此时，其透射率T的计算公式同(1)式。
本发明的进一步技术改进在于：x和y方向的折射角信息Δθx和Δθy可分别由(4)和(5)式计算得到：
Figure BDA0002039363690000041
Figure BDA0002039363690000042
本发明的进一步技术改进在于：X射线源为微焦点X射线源，X射线束为X射线机出射的X射线，且为锥形束。
本发明的进一步技术改进在于：编码光阑M一通过在基底上电镀对X射线强吸收的金属材料制作而成，电镀层厚度参考成像时所采用的X射线能量，厚度为20～200μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明一方面简化了采集过程，由原来的两次曝光简化为单次曝光，因此成像时间和辐照剂量与原来相比减少了50％。此外，单次曝光的方式不仅能够实现动态和在线相衬成像，还便于X射线相衬CT技术的实现，成像过程中只需旋转被测物体180度(平行束)或者360度(扇形束或锥形束)，在不同投影角度下采集数据，就能重建出相位和吸收信息的断层图像，而传统方法需要移动编码光阑，无法连续采集。另一方面，本发明能够实现二维相衬成像，可同时得到x和y两个方向的相位信息，能提高物体细节分辨和缺陷检测能力。以上优点及积极效果使得本发明在医学诊断和工业检测分析等领域具有重要的应用价值。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明单次曝光X射线二维相衬成像方法原理示意图。
图2为本发明编码光阑M一示意图。
图3为本发明探测器单元和X射线照射条件示意图。
图4为本发明可降低像素串扰的单次曝光X射线二维相衬成像方法原理示意图。
图5为本发明可降低像素串扰的探测器单元和X射线照射条件示意图。
图6为本发明实施例1所得到的成像结果示意图。
图7为本发明实施例2所得到的成像结果示意图。
图中：101、X射线源；102、X射线束；103、编码光阑M一；104、被测物体；105、X射线子束；106、面阵探测器；107、探测单元；202、方形开口；301、探测器像素；408、编码光阑M二；601、相位和吸收信息混合强度图像；602、吸收信息图像T；603、相位信息图像Δθx；604、相位信息图像Δθy。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-7所示，一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法，其结构包括X射线源101、编码光阑M一103和面阵探测器106，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：编码光阑M一103置于X射线源101前方，周期性地将X射线束流分成许多细束，编码光阑M一103的周期P由面阵探测器106的像素尺寸d，以及X射线源101到编码光阑M一103的距离D1和编码光阑M一103到面阵探测器106的距离D2共同决定，可表示为P＝2d/m，其中m为放大因子，可表示为m＝(D1+D2)/D1，编码光阑M一103的开口尺寸为a；
步骤二：以面阵探测器106的四个相邻像素作为一个探测单元107，从编码光阑M一103出射的X射线子束105与探测单元107一一对应，入射到探测单元107的中心，使得每个探测单元107的四个探测器像素301分别探测到射线强度信号，依次记为I1、I2、I3和I4；
步骤三：成像时，被测物体104置于编码光阑M一103和面阵探测器106之间，并靠近编码光阑M一103，由于被测物体104对X射线的吸收和折射会导致X射线的强度和方向发生变化，使得探测器像素301所探测到的射线强度I1、I2、I3和I4发生变化，利用它们的相对变化提取到量化的相位和吸收信息，从而实现单次曝光X射线二维相衬成像；
步骤四：吸收信息以透射率T表征，可由(1)式计算得到：
Figure BDA0002039363690000061
其中(I1+I2+I3+I4)背景为面阵探测器106背景区域的探测单元107所探测到的X射线强度均值；
步骤五：相位信息以折射角Δθ(又称为微分相位信息)表征，x和y方向的折射角信息Δθx和Δθy可分别由(2)式和(3)式计算得到：
Figure BDA0002039363690000062
Figure BDA0002039363690000063
步骤六：在实际应用中，许多情况下像素之间存在一定的串扰，导致图像质量出现退化，此时可以采用编码光阑M二408周期性地遮挡像素的相邻区域，从而降低像素之间的信号串扰，再适当扩大编码光阑M一的开口a，使得从M一出射的X射线覆盖编码光阑M二的遮挡区域(遮挡宽度为b)入射到探测器像素上，这样能够解决所发明单次曝光X射线二维相衬成像方法中的像素串扰问题，提高成像质量。
此时，其透射率T的计算公式同(1)式。
x和y方向的折射角信息Δθx和Δθy可分别由(4)和(5)式计算得到：
Figure BDA0002039363690000071
Figure BDA0002039363690000072
X射线源101为微焦点X射线源，采用的是日本滨松公司的L9181-02型号微焦点X射线机，X射线束102为X射线机出射的X射线，且通常为锥形束。
编码光阑M一103通过在基底(例如硅、石墨等)上电镀对X射线强吸收的金属材料(例如金、铂等)制作而成，电镀层厚度需参考成像时所采用的X射线能量，通常厚度为20～200μm。
被测物体104通常为轻质材料，例如聚乙烯材料、碳纤维、生物软组织等；X射线子束105的束流宽度由编码光阑M一103的开口宽度a决定，权衡成像时间和信息灵敏度选取；面阵探测器106要求每个探测器像素301具有较好的边缘响应特性，通常采用直接转换型平板探测器，采用美国Analogic公司AXS-1824型号a-Se直接转换型平板探测器；探测单元107采用四个像素作为一个探测单元可实现二维相衬成像。
更为具体地，X射线源101焦点尺寸为5μm，管电压为50kV；X射线束102为锥形束，编码光阑M一103基底为硅，电镀材料为金，电镀层厚度为100μm，周期P为80μm，开口宽度a为16μm；被测物体104为两根十字交叉的聚苯乙烯圆棒，直径为0.64mm，长度为3.2mm；
面阵探测器106为a-Se直接转换型平板探测器，像素尺寸为50μm，定义其响应函数为矩形函数(理想像素响应函数)与高斯函数(像素串扰)的卷积，高斯函数的标准差为10μm，使得像素响应函数的全宽近似为2倍像素尺寸，采用四个像素作为一个探测单元，使得探测单元107的尺寸为100μm，像素平均光子计数为105；此外，D1和D2分别为1.6m和2.0m。基于以上实验条件开展数值模拟实验，利用本发明所提出的成像方法得到吸收和相位信息图像如图6所示，相位和吸收信息混合强度图像601为像素1得到的相位和吸收信息混合强度图像I1，吸收信息图像602为利用公式(1)从四幅混合强度图像I1、I2、I3和I4中提取到的吸收信息图像(T)，相位信息图像603和相位信息图像604为分别利用公式(2)和(3)从四幅混合强度图像中提取到的x和y方向的相位信息图像(Δθx和Δθy)。结果表明，本发明所提出的成像方法能够通过单次曝光实现X射线相衬成像，并同时得到量化的吸收和二维相位信息。此外，相位信息图像的图像衬度和噪声特性要明显好于传统吸收信息图像，相位信息图像603的衬噪比为18.39，显著高于吸收信息图像602的衬噪比7.83。
实施例2
由于像素串扰的影响，将导致图像衬度和衬噪比降低，本实施例通过加入编码光阑M二408遮挡像素相邻区域以降低像素串扰的影响，如图4所示。为了与前述成像方法进行对比，实施例2的实验条件除了加入编码光阑M二408并设置编码光阑M一103的开口宽度a为32μm以外，其他条件与实施例1相同。编码光阑M二408遮挡探测器单元的情况和X射线照射条件如图5所示，编码光阑M二408遮挡像素边缘的宽度b为20μm，该条件使得实施例2中四个像素的X射线照射面积与实施例1相同。基于以上实验条件开展数值模拟实验，利用本发明所提出的成像方法得到吸收和相位信息图像如图7所示。701为像素1得到的相位和吸收信息混合强度图像I1，702为利用公式(1)从四幅混合强度图像I1、I2、I3和I4中提取到的吸收信息图像(T)，703和704为分别利用公式(4)和(5)从四幅混合强度图像中提取到的x和y方向的相位信息图像(Δθx和Δθy)。图7中相位信息图像703的衬噪比为24.83，吸收信息图像702的衬噪比8.94，均好于实施例1的结果。结果表明，本发明所提出的可降低像素串扰的成像方法不仅够通过单次曝光实现X射线二维相衬成像，还能有效降低像素串扰的影响，提高图像的衬噪比。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法，其结构包括X射线源(101)、编码光阑M一(103)和面阵探测器(106)，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：编码光阑M一(103)置于X射线源(101)前方，周期性地将X射线束流分成许多细束，编码光阑M一(103)的周期P由面阵探测器(106)的像素尺寸d，以及X射线源(101)到编码光阑M一(103)的距离D1和编码光阑M一(103)到面阵探测器(106)的距离D2共同决定，可表示为P＝2d/m，其中m为放大因子，可表示为m＝(D1+D2)/D1，编码光阑M一(103)的开口尺寸为a；
步骤二：以面阵探测器(106)的四个相邻像素作为一个探测单元(107)，从编码光阑M一(103)出射的X射线子束(105)与探测单元(107)一一对应，入射到探测单元(107)的中心，使得每个探测单元(107)的四个探测器像素(301)分别探测到射线强度信号，依次记为I1、I2、I3和I4；
步骤三：成像时，被测物体(104)置于编码光阑M一(103)和面阵探测器(106)之间，并靠近编码光阑M一(103)，被测物体(104)对X射线的吸收和折射会导致X射线的强度和方向发生变化，使得探测器像素(301)所探测到的射线强度I1、I2、I3和I4发生变化，利用它们的相对变化提取到量化的相位和吸收信息，从而实现单次曝光X射线二维相衬成像；
步骤四：吸收信息以透射率T表征，可由(1)式计算得到：
Figure FDA0002039363680000011
其中(I1+I2+I3+I4)背景为面阵探测器(106)背景区域的探测单元(107)所探测到的X射线强度均值；
步骤五：相位信息以折射角Δθ表征，x和y方向的折射角信息Δθx和Δθy可分别由(2)式和(3)式计算得到：
Figure FDA0002039363680000021
Figure FDA0002039363680000022
步骤六：采用编码光阑M二(408)周期性的遮挡像素的相邻区域，降低像素之间的信号串扰，再适当扩大编码光阑M一的开口a，使得从M一出射的X射线覆盖编码光阑M二(408)的遮挡区域入射到探测器像素上，解决单次曝光X射线二维相衬成像方法中的像素串扰问题。
2.根据权利要求1的一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法，其特征在于，x和y方向的折射角信息Δθx和Δθy可分别由(4)和(5)式计算得到：
Figure FDA0002039363680000023
Figure FDA0002039363680000024
3.根据权利要求1的一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法，其特征在于：X射线源(101)为微焦点X射线源，X射线束(102)为X射线机出射的X射线，且为锥形束。
4.根据权利要求1的一种单次曝光的X射线二维相衬成像方法，其特征在于，编码光阑M一(103)通过在基底上电镀对X射线强吸收的金属材料制作而成，电镀层厚度参考成像时所采用的X射线能量，厚度为20～200μm。
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