CN110095481B - X射线光栅成像系统与成像方法 - Google Patents

X射线光栅成像系统与成像方法 Download PDF

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Abstract

一种X射线光栅成像系统及成像方法，该系统包括：分布式X射线源，其垂直于X射线的传播方向且沿着平行于光栅条纹的方向分布；固定光栅模块，沿着X射线的传播方向设置，包含第一光栅和第二光栅，该第一光栅和第二光栅相互平行且相对位置固定；以及X射线探测器。基于该分布式X射线源的一组步进曝光过程能够得到包含和不包含被扫描物体时在每个像素点处的光强，从而由光强变化获取每个像素点的衰减、相衬及暗场信息的一种或几种以重建图像，整体具有系统稳定性高、扫描时间短、射线剂量低以及成像清晰的优点。

Description

X射线光栅成像系统与成像方法
技术领域
本公开属于X射线成像技术领域，涉及一种X射线光栅成像系统与成像方法。
背景技术
现有技术中，利用X射线对物体进行扫描成像得到了广泛的应用，诸如CT扫描设备、安检、透视机、在材料探伤中的应用等。传统的X射线扫描成像一般利用被测材料对X射线的衰减特性来以非破坏性方式检查物体的内部结构。若物体内部的各部分组成结构的密度差异越明显，则传统的X射线成像技术的效果越显著。但是，轻元素构成的物质对X射线来说是弱吸收物质，所以用传统的X射线成像技术几乎看不到它们内部的具体结构。即使采用其它辅助的手段，例如给生物组织打上造影剂，也很难得到清晰的图像，这造成了很多的缺憾。
在上世纪九十年代，出现了X射线相衬成像技术。相衬成像方法一般通过利用相干或者部分相干的X射线的干涉或衍射现象来增强辐射图像的低对比度分辨率。暗场成像是利用非直射光，例如散射光、衍射光、折射光和荧光灯，对物质材料进行成像的技术，并且利用物质对X射线散射能力的差异来对物质内部结构进行成像。这两种成像方法均需要采用步进技术测量出探测器上每个探测单元(像素点)的光强曲线。数据采集过程效率低下且繁琐。有的采用光源、光栅的变化来替代步进过程，在解决步进问题的同时又带来了新的技术问题，比如：由于光源展宽以及位置偏移造成图像模糊或者降低Z方向上的图像分辨率、对于机械控制要求较高而且扫描时间较长等问题，难以实现X射线成像系统的综合性能的改善。
因此，亟需提出一种具有系统稳定性高、扫描时间短、射线剂量低、成像清晰等综合性能的成像系统，以促进光栅综合成像系统的实际应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种X射线光栅成像系统与成像方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种X射线光栅成像系统，包括：分布式X射线源，其垂直于X射线的传播方向且沿着平行于光栅条纹的方向分布；固定光栅模块，沿着X射线的传播方向设置，包含第一光栅和第二光栅，该第一光栅和第二光栅相互平行且相对位置固定；以及X射线探测器。
在本公开的一些实施例中，该X射线光栅成像系统为基于Talbot型光栅成像的系统，或者为基于几何投影光栅成像的系统，或者为基于双相位光栅成像的系统，所述固定光栅模块中的第一光栅为吸收光栅或相位光栅，第二光栅为吸收光栅或相位光栅，并且第一光栅和第二光栅中有一个光栅是交错式光栅或者倾斜式光栅，所述交错式光栅是指由相邻行错开的多行光栅模块组成的光栅结构，所述倾斜式光栅是指将一维光栅倾斜预设角度放置后的光栅结构。
在本公开的一些实施例中，一被检测物体放置于该X射线光栅成像系统中作为被扫描物体，其中，该被扫描物体放置于分布式X射线源与固定光栅模块中的第一光栅之间，或者，该被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅与第二光栅之间。
在本公开的一些实施例中，基于该分布式X射线源的一组步进曝光过程能够得到被扫描物体存在时和被扫描物体不存在时在每个探测单元(像素点)处的光强，从而根据光强变化获取每个像素点的衰减、相衬及暗场信息的一种或几种以重建图像。
在本公开的一些实施例中，X射线光栅成像系统，还包括：转动装置，用于使被扫描物体与该X射线光栅成像系统发生相对转动。
在本公开的一些实施例中，X射线光栅成像系统，还包括：一控制模块，用于控制分布式X射线源和X射线探测器，包括如下操作：分布式X射线源的各光源依次曝光，向被扫描物体发射X射线；X射线束经过被扫描物体和固定光栅模块的组合之后形成强度变化的X射线信号；在每次曝光时，X射线探测器接收强度变化的X射线信号并将接收到的X射线信号转换为电信号；以及一数据处理模块，用于数据处理，该数据处理包含如下操作：从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种；根据所得到的每个像素信息重建被扫描物体的图像。
在本公开的一些实施例中，X射线光栅成像系统，还包括：一数据采集模块，用于采集扫描控制信息、位置信息以及投影数据；以及一图像显示模块，用于进行图像显示。
在本公开的一些实施例中，分布式X射线源为碳纳米管作为电子源的分布式光源或者为飞焦点光源；第一光栅和第二光栅的周期为0.1～30微米；X射线探测器为平板探测器。
根据本公开的另一个方面，提供了一种基于X射线光栅成像系统的成像方法，包括：分布式X射线源的各光源依次曝光，向被扫描物体发射X射线；X射线束经过被扫描物体和固定光栅模块的组合之后形成强度变化的X射线信号；在每次曝光时，X射线探测器接收强度变化的X射线信号并将接收到的X射线信号转换为电信号；从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种；以及根据所得到的每个像素信息重建被扫描物体的图像。
在本公开的一些实施例中，从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息的方法为：将X射线探测器每个像素点得到的存在被扫描物体情况下的光强曲线与不存在被扫描物体的情况下的背景光强曲线进行比较，计算出每个像素点处对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的X射线光栅成像系统与成像方法，具有以下有益效果：
1、通过设置平行于光栅条纹的方向分布的分布式X射线源、包含两个相对位置固定、周期不同的光栅的固定光栅模块，基于该分布式X射线源的一组步进曝光过程能够得到包含和不包含被扫描物体时在每个探测单元(像素点)处的光强，从而由光强变化获取每个像素点的衰减、相衬及暗场信息的一种或几种以重建图像，不需要进行现有技术中两个光栅的相对移动或者被扫描物体沿着光栅狭缝方向的移动，能够快速切换曝光，扫描时间短且不需要高精度的机械控制来实现光栅或被扫描物体的移动，相对于垂直于光栅条纹方向分布的分布式X射线源的系统来说具有分布式光源间隔精度要求降低的优势，整体具有系统稳定性高、扫描时间短、射线剂量低以及成像清晰的优点；
2、优选的，固定光栅模块中的一个光栅为交错式光栅或倾斜式光栅，与分布式X射线源结合形成的方案改善了现有单焦点交错式光栅后续处理时对应的z方向分辨率降低的问题，在提高扫描效率的基础上进一步提高了图像分辨率；
3、该X射线光栅成像系统的原理可以是基于Talbot型光栅成像(相干光栅相衬成像)，也可以是基于几何投影光栅成像(非相干光栅相衬成像)，还可以是基于双相位光栅成像，这也就意味着G1光栅既可以是相位光栅，也可以是吸收光栅，而G2光栅也同样既可以是相位光栅，也可以是吸收光栅；此外，被扫描物体既可以放置于分布式X射线源与固定光栅模块中的第一光栅之间，也可以放置于固定光栅模块中的第一光栅与第二光栅之间，该成像系统的拓展范围广且实用性强，可以按照实际需要和实验条件进行适应性设置。
附图说明
图1为本公开第一实施例所示的X射线光栅成像系统的结构示意图。
图2为现有技术中分布式多光源X射线相衬成像系统的结构示意图。
图3为根据本公开第一实施例所示的交错式光栅的结构示意图。
图4为根据本公开第一实施例所示的倾斜式光栅的结构示意图。
图5为根据本公开第一实施例所示的X射线光栅成像系统中分布式X射线源依次曝光的过程示意图，其中，(a)-(d)分别示意了处于不同分布位置的X射线源进行步进曝光的示意图。
图6A-图6D为根据本公开第二实施例所示的基于几何投影成像(非相干光栅相衬成像)的X射线光栅成像系统的一些实施方式示意图。
图7A-图7D为根据本公开第三实施例所示的基于Talbot型成像(相干光栅相衬成像)的X射线光栅成像系统的一些实施方式示意图。
图8A-图8D为根据本公开第四实施例所示的基于双相位光栅成像的X射线光栅成像系统的一些实施方式示意图。
图9-图10为根据本公开第五实施例所示的包括转动装置的一些实施方式示意图。
图11为根据本公开第一实施例所示的基于X射线光栅成像系统的成像方法流程图。
【符号说明】
S-分布式X射线源； P-固定光栅模块；
G1-第一光栅； G2-第二光栅；
W-被扫描物体；
D表示第一光栅和第二光栅之间的距离；
L表示沿着X射线传播方向分布式X射线源与第一光栅之间的距离；
h表示交错式光栅每一行的高度；
d表示交错式光栅中相邻两行之间错开的距离；
p2表示第二光栅的周期。
具体实施方式
非相干光栅相衬成像也称之为几何投影成像，使用两块吸收光栅在一个光栅周期范围内相对地平行移动若干步，每平移一步探测器采集一张图像；在完成一个光栅周期内的采集过程后，通过比较每个像素点对应的样品光强曲线与背景曲线的差异而计算出被检测物体的折射图像信息。这取得了较好的相衬成像效果。该方法可以工作在多色、非相干的射线源下，实现简单可行的装置。
而相干光栅相衬成像也称之为Talbot型或者Talbot-Lau型成像，前者要求是在相干的射线源下而后者同样可以是在非相干的射线源下，均利用Talbot自成像效应，并采用与几何投影成像相同的相位步进过程，也能够取得较好的相衬成像效果。
另外，在X射线成像的技术发展过程中，还出现了暗场成像的技术。暗场成像是利用非直射光，例如散射光、衍射光、折射光和荧光灯，对物质材料进行成像的技术，并且利用物质对X射线散射能力的差异来对物质内部结构进行成像。对于暗场成像，由于硬X射线独特的光学性质，所需的光学元件制作非常困难，所以硬X射线的暗场成像一直难以较好地实现。然而，硬X射线的暗场成像技术在对物质内部微细结构分辨和探测能力上相对于明场成像和相衬成像具有独到的优势。由于硬X射线的散射在微米量级或甚至纳米量级尺度，因此硬X射线能够看到硬X射线明场成像和相衬成像都无法分辨出的物质内部超微细结构。有研究提出了利用X射线对物体进行暗场成像的技术方案。具体地，向被测物体发射X射线；使得两块吸收光栅之一在至少一个周期内进行步进；在每个步进步骤，探测器接收X射线，并转化为电信号；经过至少一个周期的步进，探测器上每个像素点处的X射线光强表示为一个光强曲线；根据探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体情况下的光强曲线的对比度，计算得到每个像素的散射角分布的二阶矩；在多个角度拍摄物体的图像，然后根据CT重建算法可以得到物体的散射信息图像。
在前述的相衬成像和暗场成像技术中，都需要采用步进技术测量出探测器上每个探测单元(像素点)的光强曲线。所利用的步进技术的基本原理为：源光栅紧邻X光机源固定不动后，在基于Talbot-Lau干涉法的技术中，相位光栅或者解析光栅在一个光栅周期范围内相对平行移动若干步；而在基于经典光学方法的技术中，两块吸收光栅在一个周期范围内相对平行移动若干步。每平移一步探测器采集一张图像。完成一个光栅周期内的采集过程后，通过比较每个像素点对应的样品光强曲线与背景光强曲线的差异可计算出折射图像信息、衰减图像信息和暗场图像信息。传统的步进技术一般是平移相位光栅或者解析光栅或吸收光栅。
近几年有研究提出了通过交错光栅的方式，来实现一次曝光替代相位步进的过程。该方法的主要限制是这种交错式光栅的设计结构在后续处理时，会降低Z方向上的图像分辨率，因为需要将相邻Z方向的多个像素值看成类似相位步进的过程，进而从中提取信息。
此外，还有研究者提出通过倾斜光栅的扫描模式，从而取代G2光栅的相位步进过程，如图4所示。但是该方法还需要让物体沿着光栅狭缝方向(z轴)移动，同样对于机械控制要求较高而且扫描时间较长。
为了解决现有的光栅成像系统中存在的问题，本公开提出了一种X射线光栅成像系统与成像方法，通过设置沿着平行于光栅条纹的方向分布的分布式X射线源、包含相对位置固定的两个光栅的固定光栅模块，基于该分布式X射线源的一组步进曝光过程可得到包含和不包含被扫描物体时在每个探测单元(像素点)处的光强，从而由光强变化获取每个像素点的衰减、相衬及暗场信息的一种或几种以重建图像，不需要进行现有技术中两个光栅的相对移动或者被扫描物体沿着光栅狭缝方向的移动，能够快速切换曝光，扫描时间短且不需要高精度的机械控制来实现光栅或被扫描物体的移动，具有系统稳定性高、扫描时间短、射线剂量低以及成像清晰的优点，该成像系统基于不同的原理可进行光栅的类型、参数适应性选取以及被扫描物体的位置合理设置，拓展范围广且实用性强。
在本公开的一些实施例中，该X射线光栅成像系统为基于Talbot型光栅成像的系统，或者为基于几何投影光栅成像的系统，或者为基于双相位光栅成像的系统，所述固定光栅模块中的第一光栅为吸收光栅或相位光栅，第二光栅为吸收光栅或相位光栅，并且第一光栅和第二光栅中有一个光栅是交错式光栅或者倾斜式光栅，所述交错式光栅是指由相邻行错开的多行光栅模块组成的光栅结构，所述倾斜式光栅是指将一维光栅倾斜预设角度放置后的光栅结构。
在本公开的一些实施例中，一被检测物体放置于该X射线光栅成像系统中作为被扫描物体，其中，该被扫描物体放置于分布式X射线源与固定光栅模块中的第一光栅之间，或者，该被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅与第二光栅之间。
在本公开的一些实施例中，基于该分布式X射线源的一组步进曝光过程能够得到被扫描物体存在时和被扫描物体不存在时在每个探测单元(像素点)处的光强，从而根据光强变化获取每个像素点的衰减、相衬及暗场信息的一种或几种以重建图像。
在本公开的一些实施例中，X射线光栅成像系统，还包括：转动装置，用于使被扫描物体与该X射线光栅成像系统发生相对转动。
在本公开的一些实施例中，X射线光栅成像系统，还包括：一控制模块，用于控制分布式X射线源和X射线探测器，包括如下操作：分布式X射线源的各光源依次曝光，向被扫描物体发射X射线；X射线束经过被扫描物体和固定光栅模块的组合之后形成强度变化的X射线信号；在每次曝光时，X射线探测器接收强度变化的X射线信号并将接收到的X射线信号转换为电信号；以及一数据处理模块，用于数据处理，该数据处理包含如下操作：从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种；根据所得到的每个像素信息重建被扫描物体的图像。
在本公开的一些实施例中，X射线光栅成像系统，还包括：一数据采集模块，用于采集扫描控制信息、位置信息以及投影数据；以及一图像显示模块，用于进行图像显示。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
第一实施例
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种X射线光栅成像系统。
图1为根据本公开第一实施例所示的X射线光栅成像系统的结构示意图。
参照图1所示，本公开的X射线光栅成像系统，包括：分布式X射线源S，其垂直于X射线的传播方向且沿着平行于光栅条纹的方向分布；固定光栅模块P，沿着X射线的传播方向设置，包含第一光栅G1和第二光栅G2，该第一光栅G1和第二光栅G2相互平行且相对位置固定；以及X射线探测器。
在本公开提出的X射线光栅成像系统中，分布式X射线源能够快速切换曝光。本实施例中，分布式X射线源S为多个光源或者单个光源，其中多个光源垂直于X射线的传播方向且沿着平行于光栅条纹的方向分布，单个光源的焦点能够在垂直于X射线的传播方向平面内且沿着平行于光栅条纹的方向移动。
在一具体实例中，X射线源可以是碳纳米管作为电子源的分布式光源，例如可以使用公开号为CN103903941A的专利申请中所公开的分布式X射线装置，也可以是能沿着Z方向移动的其它X射线光源，如DunleeCTR2200型号高端CT用X射线源这种飞焦点光源，或者通过其它方式能够产生的类似分布式X射线源或飞焦点光源等快速改变X射线出束焦点的装置。
本公开的X射线光栅成像系统的原理可以是基于Talbot型光栅成像(相干光栅相衬成像)，也可以是基于几何投影光栅成像(非相干光栅相衬成像)，还可以是基于双相位光栅成像，这也就意味着G1光栅既可以是相位光栅，也可以是吸收光栅，而G2光栅也同样既可以是相位光栅，也可以是吸收光栅；此外，被扫描物体既可以放置于分布式X射线源与固定光栅模块中的第一光栅之间，也可以放置于固定光栅模块中的第一光栅与第二光栅之间，该成像系统的拓展范围广且实用性强，可以按照实际需要和实验条件进行适应性设置。该X射线光栅成像系统可以参照本文的第二-第四实施例中介绍的各个实施方式进行拓展设置。
下面将本公开中的分布式X射线源与现有技术中已有的分布式多光源进行对比以说明区别。
图2为现有技术中分布式多光源X射线相衬成像系统的结构示意图。参照图2所示，现有技术的分布式X射线源的分布方向沿着垂直于光栅条纹的方向分布，该系统对于分布式X射线源的焦点尺寸以及定位精度要求很高，在实际应用中会由于光源展宽以及位置偏移造成图像模糊等问题。
本公开中，分布式非相干X射线源的一组步进曝光过程不同于垂直方向分布的射线源步进曝光方式，对于传统的相位步进过程或者垂直式分布光源步进曝光过程，都是采集在一个周期内的N个点或者在多个周期内的N个点，并且N个点之间的间距要求完全相同，传统的相位步进是通过高精度纳米平移台来保证定位精度，而这对于目前分布式非相干X射线源而言要求过于严格，误差较大。为了解决该问题，本公开提出的平行于光栅条纹方向步进曝光过程，本质上是为了提高探测器采集图像的分辨率，而对于一个周期内的步进过程是通过新型的交错光栅或者固定的倾斜光栅来实现，精度要求能够得到保证，从而大大降低了分布式X射线源的定位精度要求，只需要保证每次曝光过程对应不同探测器像素位置，而探测器像素尺寸通常远大于一个光栅周期。
由上可知，本公开的X射线光栅成像系统通过设置分布式X射线源、固定光栅模块，由于分布式X射线源为垂直于X射线的传播方向且平行于光栅条纹的方向分布的多个光源或者为单个射线源焦点能够在垂直于X射线的传播方向平面内且沿着平行于光栅条纹的方向移动的飞焦点光源，基于该分布式X射线源的一组步进曝光过程即可得到包含和不包含被扫描物体时在每个探测单元(像素点)处的光强，从而由光强变化获取每个像素点的衰减、相衬及暗场信息的一种或几种以重建图像，不需要进行现有技术中两个光栅的相对移动或者被扫描物体沿着光栅狭缝方向的移动，能够快速切换曝光，扫描时间短且不需要高精度的机械控制来实现光光栅或被扫描物体的移动，相对于垂直于光栅条纹方向分布的分布式X射线源的系统来说具有光源焦点间距定位要求低的优势，整体具有系统稳定性高、扫描时间短、射线剂量低以及成像清晰的优点；克服了现有的分布式X射线源(分布方向为垂直于光栅条纹的方向)存在的焦点尺寸以及定位精度要求高，应用时由于光源展宽以及位置偏移造成图像模糊等问题。
优选的，固定光栅模块中的一个光栅为交错式光栅或倾斜式光栅。交错式光栅是指由相邻行错开的多行光栅模块组成的光栅结构，倾斜式光栅是指将一维光栅倾斜一个小角度放置得到的光栅结构。本公开的固定光栅模块中的一个光栅为交错式光栅或倾斜式光栅，与分布式X射线源结合形成的方案改善了现有的单焦点交错式光栅后续处理时对应的z方向分辨率降低的问题，在提高扫描效率的基础上进一步提高了图像分辨率。单焦点交错式光栅或倾斜光栅系统中，每个像素对应的步进曲线是通过z方向上相邻几个像素值获得，这样也就造成了图像分辨率下降。因此在本公开的分布式X射线源步进曝光模式下，能够获得不同光源焦点曝光下的多次像素值，从而直接获得每个像素的步进曲线，不需要通过相邻像素来近似步进曲线。
参照图1所示，本实施例中，固定光栅模块包含两块高精度的第一光栅G1和第二光栅G2，这两个光栅彼此平行设置，并且在本公开中两者的相对位置是固定不变的，它们之间的距离为D，并且分布式X射线源S与第一光栅G1之间的距离为L。第二光栅G2为一交错式光栅，将两块光栅G1、G2的周期分别设定为p1、p2，它们平行地依次位于X射线的传播方向上。
在一实例中，第一光栅G1、第二光栅G2的周期一般在0.1～30微米范围，如果是吸收光栅则通常使用重金属作为吸收材料，例如金(Au)。作为吸收材料的金属厚度由所使用的X射线能量决定，通常在10～100微米范围内，例如对于20keV的X射线来说，金的厚度大于16微米时能够阻挡90％的X射线。而如果是相位光栅，则通常也可以使用重金属作为吸收材料，也可以选择一些轻元素例如硅作为吸收材料，吸收材料的厚度完全由所设计的X射线能量与设计的相位偏移决定。
需要说明的是，在不同的系统例如Talbot-Lau类型系统、几何投影系统和双相位光栅系统中两个光栅对应的参数设置原则均不相同，本领域技术人员根据具体情境进行适应性设置即可。固定光栅模块中的两个光栅的周期可以相同，也可以不同。
图3为根据本公开第一实施例所示的交错式光栅的结构示意图。参照图3所示，交错式光栅每一行的周期相同，每一行的高度为h，周期为p2，相邻两行之间错开距离d，一般设计为d＝p2/N，N通常为大于等于2的正整数，当然交错式光栅中相邻两行之间错开的距离d也可以是其它不同间隔距离的设计，h通常等于一个系统中使用的X射线探测器像素高度，当然在实际应用中h也可以根据实际需要进行适应性设置。
图4为根据本公开第一实施例所示的倾斜式光栅的结构示意图。参照图4所示，倾斜式光栅为一维光栅倾斜预定角度α后得到的光栅结构，倾斜的角度大小根据实际需要进行选择和设计。
本实施例中，X射线探测器用于接收X射线，并且能够通过光电信号转换技术将所接收到的X射线信号转换为可进行数字处理的电信号。优选地，X射线探测器可以是平板探测器，其中每个像素可以检测射到该像素面积内的X射线强度变化，并且探测器的面积能够覆盖整个成像区域。为了能够检查到几百微米乳腺钙化组织，X射线探测器的空间分辨率要求在百微米左右或以下，例如70～100微米。
在本公开的一些实施例中，该X射线光栅成像系统还包括计算机工作站，其对分布式X射线源以及X射线探测器进行控制，整个成像系统的控制、数据传输、图像重建以及数据处理等均可由计算机工作站完成。扫描控制信息、位置信息以及投影数据等通过数据采集系统输入到计算机工作站中。由计算机工作站完成物体的多种信息提取、数据预处理以及图像重建等工作。
在本实施例中，还提供了一种基于X射线光栅成像系统的成像方法。本实施例中，由计算机工作站对应执行该成像方法。
图5为根据本公开第一实施例所示的X射线光栅成像系统中分布式X射线源依次曝光的过程示意图。图11为根据本公开第一实施例所示的基于X射线光栅成像系统的成像方法流程图。
结合图5中(a)-(d)和图11所示，本公开的基于X射线光栅成像系统的成像方法，包括：
步骤S21：分布式X射线源的各光源依次曝光，向被扫描物体发射X射线，如图5中(a)-(d)所示；
步骤S22：X射线束经过被扫描物体和固定光栅模块的组合之后形成强度变化的X射线信号；
本公开中，X射线束经过被扫描物体和固定光栅模块的组合的含义表示：X射线束先后经过被扫描物体和固定光栅模块整体，不限定被扫描物体和固定光栅模块之间的位置关系，被扫描物体既可以放置于分布式X射线源S与固定光栅模块中的第一光栅G1之间，也可以放置于固定光栅模块P中的第一光栅G1与第二光栅G2之间。
步骤S23：在每次曝光时，X射线探测器接收强度变化的X射线信号并将接收到的X射线信号转换为电信号；
在每次曝光时，X射线探测器对经过被扫描物体和固定光栅模块的组合之后的X射线信号进行接收并转换为电信号，得到每个像素点上的光强曲线。
步骤S21-S23中，在每次曝光时，X射线探测器对X射线进行接收，并且经过分布式X射线源的一组步进曝光过程，对应X射线探测器进行相应的数据采集，在每个探测单元(像素点)处的X射线的光强表示为一条光强曲线。
步骤S24：从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种；
本实施例中，从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息的方法为：将X射线探测器每个像素点得到的存在被扫描物体情况下的光强曲线与不存在被扫描物体的情况下的背景光强曲线进行比较，计算出每个像素点处对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种。
步骤S25：根据所得到的每个像素信息重建被扫描物体的图像。
进行图像重建的方法属于常规手段，通过计算机工作站可完成图像重建和图像显示的工作，这里不再赘述。
第二实施例
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种X射线光栅成像系统。本实施例中，对第一实施例的方案中的光栅类型、被扫描物体放置位置的具体设置情况进行了示例，本实施例的X射线光栅成像系统是基于几何投影光栅成像(非相干光栅相衬成像)。
图6A-图6D为根据本公开第二实施例所示的基于几何投影成像(非相干光栅相衬成像)的X射线光栅成像系统的一些实施方式示意图。
本实施例中，分布式X射线源为非相干射线源，第一光栅G1和第二光栅G2均为吸收光栅。被扫描物体和特殊类型光栅(包括交错式光栅和倾斜式光栅)的具体设置位置可以进行变化：如图6A所示，在一实施方式中，第一光栅G1为交错式光栅或倾斜式光栅(图中以交错式光栅进行示例，下面类似)，被扫描物体放置于分布式X射线源S与固定光栅模块中的第一光栅G1之间；如图6B所示，在一实施方式中，第二光栅G2为交错式光栅或倾斜式光栅(图中以交错式光栅进行示例)，被扫描物体放置于分布式X射线源S与固定光栅模块中的第一光栅G1之间；如图6C所示，在一实施例方式中，第一光栅G1为交错式光栅或倾斜式光栅，被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅G1与第二光栅G2之间；如图6D所示，在一实施例方式中，第二光栅G2为交错式光栅或倾斜式光栅，被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅G1与第二光栅G2之间。
需要说明的是，示意图中的光栅形式不同代表不同的光栅类型，在不同实施方式中光栅间距的疏密表示设置的光栅周期在不同的实施例系统中根据实际情况进行适应性设置，下面与之类似，不做赘述。
第三实施例
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种X射线光栅成像系统。本实施例中，对第一实施例的方案中的光栅类型、被扫描物体放置位置的具体设置情况进行了示例，本实施例的X射线光栅成像系统是基于Talbot型光栅成像(相干光栅相衬成像)。
图7A-图7D为根据本公开第三实施例所示的基于Talbot型成像(相干光栅相衬成像)的X射线光栅成像系统的一些实施方式示意图。
本实施例中，分布式X射线源为非相干射线源，第一光栅G1为相位光栅和第二光栅G2为吸收光栅。被扫描物体和特殊类型光栅(包括交错式光栅和倾斜式光栅)的具体设置位置可以进行变化：如图7A所示，在一实施方式中，第一光栅G1为交错式光栅或倾斜式光栅(图中以交错式光栅进行示例，下面类似)，被扫描物体放置于分布式X射线源S与固定光栅模块中的第一光栅G1之间；如图7B所示，在一实施方式中，第二光栅G2为交错式光栅或倾斜式光栅(图中以交错式光栅进行示例)，被扫描物体放置于分布式X射线源S与固定光栅模块中的第一光栅G1之间；如图7C所示，在一实施例方式中，第一光栅G1为交错式光栅或倾斜式光栅，被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅G1与第二光栅G2之间；如图7D所示，在一实施例方式中，第二光栅G2为交错式光栅或倾斜式光栅，被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅G1与第二光栅G2之间。
第四实施例
在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种X射线光栅成像系统。本实施例中，对第一实施例的方案中的光栅类型、被扫描物体放置位置的具体设置情况进行了示例，本实施例的X射线光栅成像系统是基于双相位光栅成像。
图8A-图8D为根据本公开第四实施例所示的基于双相位光栅成像的X射线光栅成像系统的一些实施方式示意图。
本实施例中，分布式X射线源为非相干射线源，第一光栅G1和第二光栅G2为相位光栅。被扫描物体和特殊类型光栅(包括交错式光栅和倾斜式光栅)的具体设置位置可以进行变化：如图8A所示，在一实施方式中，第一光栅G1为交错式光栅或倾斜式光栅(图中以交错式光栅进行示例，下面类似)，被扫描物体放置于分布式X射线源S与固定光栅模块中的第一光栅G1之间；如图8B所示，在一实施方式中，第二光栅G2为交错式光栅或倾斜式光栅(图中以交错式光栅进行示例)，被扫描物体放置于分布式X射线源S与固定光栅模块中的第一光栅G1之间；如图8C所示，在一实施例方式中，第一光栅G1为交错式光栅或倾斜式光栅，被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅G1与第二光栅G2之间；如图8D所示，在一实施例方式中，第二光栅G2为交错式光栅或倾斜式光栅，被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅G1与第二光栅G2之间。
第五实施例
在本公开的第五个示例性实施例中，提供了一种X射线光栅成像系统。本实施例中，在第一实施例所示的X射线光栅成像系统的基础上，还包括：转动装置，用于使被扫描物体与该X射线光栅成像系统发生相对转动。
图9-图10为根据本公开第五实施例所示的包括转动装置的一些实施方式示意图。
本实施例的转动装置在计算机工作站的控制下，用于使被扫描物体与该X射线光栅成像系统发生相对转动，例如，用于使被扫描物体相对于X射线光栅成像系统的其它部分旋转一定角度，如图9所示；或者让被扫描物体不动，而整个X射线光栅成像系统绕着被扫描物体在某个预设的轨道上进行旋转，如图10所示。在每个旋转角度下，重复进行分布式X射线源的曝光过程，从而得到多个角度下的X射线成像像素值，然后根据预定的CT图像重建算法来重建被检测物体的立体图像。
当然，上述描述的各个实施例之间的特征在无冲突的情况，可以进行组合形成新的实施方案。
综上所述，本公开提供了一种通过设置平行于光栅条纹的方向分布的分布式X射线源、包含两个相对位置固定的光栅的固定光栅模块，基于该分布式X射线源的一组步进曝光过程可得到包含和不包含被扫描物体时在每个探测单元(像素点)处的光强，从而由光强变化获取每个像素点的衰减、相衬及暗场信息的一种或几种以重建图像，不需要进行现有技术中两个光栅的相对移动或者被扫描物体沿着光栅狭缝方向的移动，能够快速切换曝光，扫描时间短且不需要高精度的机械控制来实现光栅或被扫描物体的移动，相对于垂直于光栅条纹方向分布的分布式X射线源的系统来说具有光源焦点间距精度要求大大降低的优势，整体具有系统稳定性高、扫描时间短、射线剂量低以及成像清晰的优点；优选的，固定光栅模块中的一个光栅为交错式光栅或倾斜式光栅，与分布式X射线源结合形成的方案改善了现有单焦点交错式光栅后续处理时对应的z方向分辨率降低的问题，在提高扫描效率的基础上进一步提高了图像分辨率。此外，该X射线光栅成像系统的原理可以是基于Talbot型光栅成像(相干光栅相衬成像)，也可以是基于几何投影光栅成像(非相干光栅相衬成像)，还可以是基于双相位光栅成像，这也就意味着G1光栅既可以是相位光栅，也可以是吸收光栅，而G2光栅也同样既可以是相位光栅，也可以是吸收光栅；此外，被扫描物体既可以放置于分布式X射线源与固定光栅模块中的第一光栅之间，也可以放置于固定光栅模块中的第一光栅与第二光栅之间，该成像系统的拓展范围广且实用性强，可以按照实际需要和实验条件进行适应性设置。
在附图中示出了根据本公开公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种数据、形状以及它们之间的相对大小、位置关系仪是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术有限而造成的偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种X射线光栅成像系统，其特征在于，包括：
分布式X射线源，其垂直于X射线的传播方向且沿着平行于光栅条纹的方向分布；
固定光栅模块，沿着X射线的传播方向设置，包含第一光栅和第二光栅，该第一光栅和第二光栅相互平行且相对位置固定；以及
X射线探测器；
其中，基于该分布式X射线源的一组步进曝光过程能够得到被扫描物体存在时和被扫描物体不存在时在X射线探测器中每个像素点处的光强，从而根据光强变化获取每个像素点的衰减、相衬及暗场信息的一种或几种以重建图像；所述固定光栅模块中的第一光栅为吸收光栅或相位光栅，第二光栅为吸收光栅或相位光栅，并且第一光栅和第二光栅中有一个光栅是交错式光栅或者倾斜式光栅，所述交错式光栅是指由相邻行错开的多行光栅模块组成的光栅结构，所述倾斜式光栅是指将一维光栅倾斜预设角度放置后的光栅结构。
2.根据权利要求1所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，该X射线光栅成像系统为基于Talbot型光栅成像的系统，或者为基于几何投影光栅成像的系统，或者为基于双相位光栅成像的系统。
3.根据权利要求2所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，一被检测物体放置于该X射线光栅成像系统中作为被扫描物体，
其中，该被扫描物体放置于分布式X射线源与固定光栅模块中的第一光栅之间，或者，
该被扫描物体放置于固定光栅模块中的第一光栅与第二光栅之间。
4.根据权利要求1所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，还包括：转动装置，用于使被扫描物体与该X射线光栅成像系统发生相对转动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，还包括：
一控制模块，用于控制分布式X射线源和X射线探测器，包括如下操作：
分布式X射线源的各光源依次曝光，向被扫描物体发射X射线；X射线束经过被扫描物体和固定光栅模块的组合之后形成强度变化的X射线信号；
在每次曝光时，X射线探测器接收强度变化的X射线信号并将接收到的X射线信号转换为电信号；以及
一数据处理模块，用于数据处理，该数据处理包含如下操作：
从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种；
根据所得到的每个像素信息重建被扫描物体的图像。
6.根据权利要求5所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，还包括：
一数据采集模块，用于采集扫描控制信息、位置信息以及投影数据；以及
一图像显示模块，用于进行图像显示。
7.根据权利要求1所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，
所述分布式X射线源为碳纳米管作为电子源的分布式光源或者为飞焦点光源；
所述X射线探测器为平板探测器。
8.一种基于权利要求1至7中任一项所述的X射线光栅成像系统的成像方法，其特征在于，包括：
分布式X射线源的各光源依次曝光，向被扫描物体发射X射线；
X射线束经过被扫描物体和固定光栅模块的组合之后形成强度变化的X射线信号；
在每次曝光时，X射线探测器接收强度变化的X射线信号并将接收到的X射线信号转换为电信号；
从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种；以及
根据所得到的每个像素信息重建被扫描物体的图像。
9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述从转换的电信号中提取X射线束经过物体的每个像素对应的衰减、相衬和暗场信息的方法为：
将X射线探测器每个像素点得到的存在被扫描物体情况下的光强曲线与不存在被扫描物体的情况下的背景光强曲线进行比较，计算出每个像素点处对应的衰减、相衬和暗场信息中的一种或几种。
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