CN110133012A - 基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式x射线成像方法 - Google Patents

基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式x射线成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式X射线成像方法，是在沿Z轴向上依次设置有X射线源、相位光栅、第一探测器、第二探测器和第三探测器构成的三探测器光栅干涉仪；且在沿Y轴向上中心对齐；其中，第一探测器的工作点固定在光强曲线的峰位；第二探测器的工作点固定在光强曲线的腰位；第三探测器的工作点固定在光强曲线的谷位；从而利用第一探测器、第二探测器和第三探测器所获取的图像提取被成像物的吸收、折射和暗场信号。本发明能解决低光子计数时被成像物的折射信号和暗场信号的准确提取问题，从而为发展快速、准确、低辐射剂量的多模式X射线成像技术提供新途径。

Description

基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式X射线成像方法
技术领域
本发明涉及X射线成像方法领域，具体的说是基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式X射线成像方法。
背景技术
近年来，作为传统X射线吸收成像技术的有力补充，X射线折射成像和暗场成像方法得到了迅速的发展，其在临床医学诊疗、公共安全检查等领域的潜在应用价值得到了日益广泛的关注。特别地，基于光栅干涉仪的多模式X射线成像，能够从一组实验数据中同时得到被成像物体的吸收、折射和暗场信号。三种不同的信号互为补充，能够同时反映被成像物体的质量密度差异、电荷密度差异以及精细结构的空间分布信息。因此，基于光栅干涉仪的多模式X射线成像在乳腺成像、多空复合材料的三维空间结构研究、骨质疏松症评价、肺气肿的早期诊断等领域具有非常广阔的应用前景。
当前，X射线光栅干涉仪普遍采用相位步进法来进行多模式成像的实验数据采集和被成像物信号的提取。相位步进法要求：对相位光栅进行复杂的步进扫描，导致很长的数据采集时间，降低了实验效率；对被成像物进行多次曝光、采集多张被成像物的投影图像(实际实验中至少4张)，增加了被成像物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，相位步进法不能准确提取被成像物的折射信号和暗场信号。这些局限性阻碍了X射线光栅干涉仪在临床医学诊断、动态成像等领域的推广应用。因此，发展新的多模式成像方法，克服相位步进法要求光栅步进扫描、被成像物多次曝光的局限性，已经成为X射线光栅干涉仪推广应用进程中亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明为避免现有成像方法的不足之处，提出一种基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式X射线成像方法，以期能摒弃繁琐的光栅步进扫描，简化多模式X射线成像过程；在对被成像物单次曝光的同时获取被成像物的吸收、折射和暗场信号，以降低辐射损伤风险；并在低光子计数时准确提取被成像物的折射信号和暗场信号，从而为实现快速、准确、低辐射剂量的多模式X射线成像提供新途径。
为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式X射线成像方法的特点是，所述三探测器光栅干涉仪是由X射线源、相位光栅、第一探测器、第二探测器和第三探测器构成；
以光轴方向为Z轴向，垂直于光轴、且平行于所述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；
在沿Z轴向上依次设置有所述X射线源、相位光栅、第一探测器、第二探测器和第三探测器；且所述X射线源、相位光栅、第一探测器、第二探测器以及第三探测器在沿Y轴向上中心对齐；
其中，所述第一探测器的工作点固定在光强曲线的峰位；所述第二探测器的工作点固定在光强曲线的腰位；所述第三探测器的工作点固定在光强曲线的谷位；
所述单次曝光多模式X射线成像方法是按如下步骤进行：
步骤1、设置各器件相关位置：
设置：0＜d1＜d2＜d3，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，d3为所述第三探测器与所述相位光栅在沿Z轴向上的相对距离；
设置：所述第一探测器与所述相位光栅在沿X轴向上的相对位移为零；所述第二探测器与所述相位光栅在沿X轴向上的相对位移为0.25p；所述第三探测器与所述相位光栅在沿X轴向上的相对位移为0.5p；其中，p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射线源后，分别同时利用所述第一探测器按照曝光时长t1获取第一背景投影图像I1；利用所述第二探测器按照曝光时长t2获取第二背景投影图像I2；利用所述第三探测器按照曝光时长t3获取第三背景投影图像I3后，关闭所述X射线源；
步骤3、获取被成像物的投影图像：
将所述被成像物放置在所述相位光栅的视场中央，并启动所述X射线源后，分别同时利用所述第一探测器按照所述曝光时长t1获取所述被成像物的第一投影图像I′1，利用所述第二探测器按照所述曝光时长t2获取所述被成像物的第二投影图像I′2，利用所述第三探测器按照所述曝光时长t3获取所述被成像物的第三投影图像I′3后，关闭所述X射线源；
其中，获取的被成像物的第一投影图像I′1满足式(3.1)：
式(3.1)中，T是所述被成像物的吸收信号；θR是所述被成像物的折射信号；DF是所述被成像物的暗场信号；V是所述三探测器光栅干涉仪的可见度；
获取的所述被成像物的第二投影图像I′2满足式(3.2)：
获取的所述被成像物的第三投影图像I′3满足式(3.3)：
步骤4、利用式(1)提取所述被成像物的吸收信号T：
步骤5、利用式(2)提取所述被成像物的折射信号θR：
步骤6、利用式(3)提取所述被成像物的暗场信号DF：
以所述被成像物的吸收信号T、折射信号θR、暗场信号DF作为所述单次曝光多模式X射线成像方法的结果。
本发明所述的单次曝光多模式X射线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，d3取为相位光栅的5阶分数泰伯距离。
与已有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明基于三探测器光栅干涉仪，提出了单次曝光多模式X射线成像方法，解决了单次曝光下被成像物的吸收、折射和暗场信号的同时提取；克服了相位步进法要求光栅步进扫描的局限性，简化了多模式成像过程；克服了相位步进法要求对被成像物进行多次曝光的局限性，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被成像物的折射信号和暗场信号的局限性，实现了快速、准确、低辐射剂量的多模式X射线成像；
2、与现有的相位步进法相比，本发明在获取投影图像时，通过将三个探测器与相位光栅的X轴向相对位移分别设定为确定值，摒弃了繁琐的光栅步进扫描，简化了多模式成像过程，提高了实验效率；
3、与现有的相位步进法相比，本发明利用了三探测器方案，只需对被成像物进行一次曝光，就能够同时记录3张被成像物的投影图像，进而能够同时、定量提取被成像物的吸收、折射和暗场信号，避免了对被成像物的多次曝光，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，实现了低光子计数时被成像物的折射信号和暗场信号的准确提取；
附图说明
图1为本发明中三探测器光栅干涉仪示意图；
图2为现有技术中的光强曲线图；
图3为本发明被成像物吸收信号的提取结果；
图4为本发明被成像物折射信号的提取结果；
图5为本发明被成像物暗场信号的提取结果；
图中标号：1X射线源；2相位光栅；3第一探测器；4第二探测器；5第三探测器；6被成像物。
具体实施方式
本实施例中，参见图1和图2，基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式X射线成像方法是，设置由X射线源1、相位光栅2、第一探测器3、第二探测器4和第三探测器5构成的三探测器光栅干涉仪；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腰位，分别获取背景投影图像和被成像物投影图像；将第三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；从而利用获取的图像提取被成像物的吸收、折射和暗场信号。
具体的说，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、第二探测器4和第三探测器5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、第二探测器4以及第三探测器5在沿Y轴向上中心对齐；该多模式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＜d3，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，d3为第三探测器5与相位光栅2在沿Z轴向上的相对距离；为使得折射信号、暗场信号的测量灵敏度达到最大，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，d3取为相位光栅2的5阶分数泰伯距离。
设置：第一探测器3与相位光栅2在沿X轴向上的相对位移为零，即光强曲线的峰位，如图2所示；第二探测器4与相位光栅2在沿X轴向上的相对位移为0.25p，p为相位光栅2的周期，即光强曲线的腰位，如图2所示；第三探测器5与相位光栅2在沿X轴向上的相对位移为0.5p，即光强曲线的谷位，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，同时利用第三探测器5按照曝光时长t3获取第三背景投影图像I3；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1～10毫秒；当X射线源1是常规X射线源时，根据射线源功率的不同，其典型值可以是几秒到几十秒；
对曝光时长t2：考虑到X射线穿透第一探测器3的强度衰减，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2～20毫秒；当X射线源1是常规X射线源时，根据射线源功率的不同，曝光时长t2的典型值可以是十几秒到上百秒；
对曝光时长t3：考虑到X射线穿透第一探测器3、第二探测器4的强度衰减，曝光时长t3应满足t3>t2>t1；当X射线源1是同步辐射X射线源时，曝光时长t3的典型值是3～30毫秒；当X射线源1是常规X射线源时，根据射线源功率的不同，曝光时长t3的典型值可以是上百秒到几百秒；
步骤3、获取被成像物的投影图像：
将被成像物6放置在相位光栅2的视场中央，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6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6的第二投影图像I′2，同时利用第三探测器5按照曝光时长t3获取被成像物6的第三投影图像I′3；关闭X射线源1；单次曝光即是指对被成像物6的单次曝光。
其中，获取的被成像物(6)的第一投影图像I′1满足式(3.1)：
式(3.1)中，T是被成像物(6)的吸收信号；θR是被成像物(6)的折射信号；DF是被成像物(6)的暗场信号；V是三探测器光栅干涉仪的可见度。
获取的被成像物(6)的第二投影图像I′2满足式(3.2)：
获取的被成像物(6)的第三投影图像I′3满足式(3.3)：
步骤4、利用式(3.1)和式(3.3)得到式(4.1)：
则：利用式(1)提取被成像物6的吸收信号T：
步骤5、利用式(1)和式(3.2)得到式(5.1)：
则：利用式(2)提取被成像物6的折射信号θR：
步骤6、利用式(3.1)、式(1)和式(2)得到式(6.1)：
则：利用式(3)提取被成像物6的暗场信号DF：
图3为被成像物6的吸收信号的提取结果；图4为被成像物6的折射信号的提取结果；图5为被成像物6的暗场信号的提取结果。根据图3、图4、图5，被成像物6的吸收、折射、暗场信号的提取结果，在实验误差范围内，均与理论预测值符合得很好，证实了本发明提出的单次曝光多模式X射线成像方法的可行性。
以被成像物6的吸收信号T、折射信号θR、暗场信号DF作为单次曝光多模式X射线成像方法的结果。

Claims (2)

1.一种基于三探测器光栅干涉仪的单次曝光多模式X射线成像方法，其特征是，所述三探测器光栅干涉仪是由X射线源(1)、相位光栅(2)、第一探测器(3)、第二探测器(4)和第三探测器(5)构成；
以光轴方向为Z轴向，垂直于光轴、且平行于所述相位光栅(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；
在沿Z轴向上依次设置有所述X射线源(1)、相位光栅(2)、第一探测器(3)、第二探测器(4)和第三探测器(5)；且所述X射线源(1)、相位光栅(2)、第一探测器(3)、第二探测器(4)以及第三探测器(5)在沿Y轴向上中心对齐；
其中，所述第一探测器(3)的工作点固定在光强曲线的峰位；所述第二探测器(4)的工作点固定在光强曲线的腰位；所述第三探测器(5)的工作点固定在光强曲线的谷位；
所述单次曝光多模式X射线成像方法是按如下步骤进行：
步骤1、设置各器件相关位置：
设置：0＜d1＜d2＜d3，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，d3为所述第三探测器(5)与所述相位光栅(2)在沿Z轴向上的相对距离；
设置：所述第一探测器(3)与所述相位光栅(2)在沿X轴向上的相对位移为零；所述第二探测器(4)与所述相位光栅(2)在沿X轴向上的相对位移为0.25p；所述第三探测器(5)与所述相位光栅(2)在沿X轴向上的相对位移为0.5p；其中，p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)后，分别同时利用所述第一探测器(3)按照曝光时长t1获取第一背景投影图像I1；利用所述第二探测器(4)按照曝光时长t2获取第二背景投影图像I2；利用所述第三探测器(5)按照曝光时长t3获取第三背景投影图像I3后，关闭所述X射线源(1)；
步骤3、获取被成像物的投影图像：
将所述被成像物(6)放置在所述相位光栅(2)的视场中央，并启动所述X射线源(1)后，分别同时利用所述第一探测器(3)按照所述曝光时长t1获取所述被成像物(6)的第一投影图像I′1，利用所述第二探测器(4)按照所述曝光时长t2获取所述被成像物(6)的第二投影图像I′2，利用所述第三探测器(5)按照所述曝光时长t3获取所述被成像物(6)的第三投影图像I′3后，关闭所述X射线源(1)；
其中，获取的被成像物(6)的第一投影图像I′1满足式(3.1)：
式(3.1)中，T是所述被成像物(6)的吸收信号；θR是所述被成像物(6)的折射信号；DF是所述被成像物(6)的暗场信号；V是所述三探测器光栅干涉仪的可见度；
获取的所述被成像物(6)的第二投影图像I′2满足式(3.2)：
获取的所述被成像物(6)的第三投影图像I′3满足式(3.3)：
步骤4、利用式(1)提取所述被成像物(6)的吸收信号T：
步骤5、利用式(2)提取所述被成像物(6)的折射信号θR：
步骤6、利用式(3)提取所述被成像物(6)的暗场信号DF：
以所述被成像物(6)的吸收信号T、折射信号θR、暗场信号DF作为所述单次曝光多模式X射线成像方法的结果。
2.根据权利要求1所述的单次曝光多模式X射线成像方法，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，d3取为相位光栅(2)的5阶分数泰伯距离。
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