CN110308614A - X射线强度关联成像的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供X射线强度关联成像的方法和装置。特别地，该方法包括：步骤1：在样品不在光路中的情况下，使X射线照射散斑调制模块以采集多个预记录的散斑图作为一组参考光信号；步骤2：在样品处于光路中的情况下，使X射线依次照射散斑调制模块和样品以采集多个物光强度值作为一组物光信号；以及步骤3：针对X射线照射在散斑调制模块上的每个位置，将所述多个预记录的散斑图与所述多个物光强度值做关联运算，从而获得样品的像。

Description

X射线强度关联成像的方法和装置

技术领域

本发明涉及X射线强度关联成像(X-ray ghost imaging,XGI)领域，尤其涉及X射线强度关联成像的方法和装置。

背景技术

X射线作为一种具有高穿透性的光源，可以快速地对样品实现非侵入式成像。这种强有力的成像诊断技术一直被广泛地应用在工业、医学以及基础科学领域。目前常用的X射线源主要有X射线管、X-pinch、同步辐射光源以及激光等离子体源。不同装置产生的X射线的亮度、脉宽、重复频率等有很大的差异，但是总体趋势是向亮度更高、脉宽更短的方向发展，以追求更高的成像品质。然而，高能辐射也是一把双刃剑，在得到样品内部结构的同时也会造成辐射伤害：例如在医学领域，细胞接受过多的辐射会使癌变几率大大提升。因此，对于X射线成像，如何在满足诊断要求的前提下尽可能地降低辐射剂量是一个非常重要的课题。

强度关联成像作为一种间接成像方式，自1995年首次在实验室利用量子光源实现过后便因为其独特的性质迅速发展起来。这种非定域的成像方式颠覆了人们对于传统成像的认知：在传统成像方式中，若要得到物体 A的像，则需要一束光照在物体A上，在其后面加上成像系统和探测系统，但是如果后面放置一个不具有空间分辨能力的桶探测器(单像素探测器)，则得到的只是透过物体总光子的强度积分值，无法获得物体A的像；此时，如果用一束空间上具有涨落的光照射在物体上并已知物体上的光场分布 (参考光)，则可以利用桶探测器得到的信号(物光)通过强度关联还原出物体的像，即“鬼”成像。最开始的鬼成像方案通常采用分光的方法，在无物体一路利用一个具有空间分辨能力的参考探测器来测量参考光。如今，分光器件和参考探测器的组合可以用程序可控的数字微镜整列(DMD) 或者空间光调制器(SLM)来代替，使得实验布局更加简单方便。对于鬼成像光源的要求也探索了很长时间，因为在最先实现鬼成像中，利用的是量子纠缠光源，于是就有人断言：纠缠是保证量子成像的先决条件。但是，随着激光技术的迅猛发展，利用激光这种一阶相干光与毛玻璃组成的调制模块制造出了与真热光具有类似光场性质的赝热光源，并利用相位调制成功实现了关联成像，打破了鬼成像中光源的限制。随后，非相干光也被证实可以用于鬼成像实验，对于鬼成像中光源的要求迅速降低到了日常的 LED光甚至是太阳光。但是，这些光源都限制在可见光波段，一个主要的原因是鬼成像在几十年的发展过程中已经在实验室中形成了完善的体系，相关的器件，比如可见光光源的选择、分光器件、用于计算鬼成像的DMD、SLM等都比较成熟，便于迅速地搭建出鬼成像系统，用于实验上原理的验证等。然而，对于成像而言，如果想获得样品内部的图像信息，必须选用波长较短、穿透性强的光，比如X射线。普通X射线成像，不管是透射成像还是相衬成像，辐射剂量都是其中一个重要的参数，因为对于一些容易被破坏的精细结构，往往在没得到清晰的像之前结构就已经被破坏。如果把鬼成像的技术推广到X射线波段，因为对物光的信号强度并没有要求，所以对于同一个X射线源，可以通过大幅缩短其照射样品的时间，使得每一发物光强度都可以控制在很低的水平(高于电流噪声即可)，从而可以大大减小对样品的辐射剂量。

然而，因为X射线波长太短，没有合适的分光器件，所以一直以来X 射线鬼成像都难以实现。现有的方案主要有两种：一种方案采用晶体作为分光器件，但是因为X射线的波长极短，对于分光器件的稳定性要求极高 (振动幅度在nm量级)，实验中如果晶体振动较大的话，会导致物光与参考光的强度关联下降，甚至消失；另一种方案采用空间相干光照射在多孔的金箔上得到具有可控空间分布的散斑，通过平移台控制样品移进移出光路，得到参考光信号和对应的物光信号。但是，现有的方案对于光源的相干性要求都很高，并且整体装置过于庞大。

而且，现有的鬼成像技术实现的成像图片，如果不做特别优化处理，信噪比会很低，在X射线波段获得清晰的成像图片更加困难。

发明内容

本发明的目的即是为了克服现有技术的不足，提供X射线强度关联成像的方法和装置。

在本发明的一个方面，提供了一种X射线强度关联成像的方法，包括：

步骤1：在样品不在光路中的情况下，使X射线照射散斑调制模块以采集多个预记录的散斑图作为一组参考光信号；

步骤2：在样品处于光路中的情况下，使X射线依次照射散斑调制模块和样品以采集多个物光强度值作为一组物光信号；以及

步骤3：针对X射线照射在散斑调制模块上的每个位置，将所述多个预记录的散斑图与所述多个物光强度值做关联运算，从而获得样品的像。

在一个实施例中，在步骤1和步骤2中，使X射线照射散斑调制模块的调制材料上的预定的多个位置，其中，在步骤1中针对所述预定的多个位置中的每一个采集一个预记录的散斑图，并且在步骤2中针对所述预定的多个位置中的每一个采集一个物光强度值。

优选地，在步骤2中，样品处于采集参考光信号时的测量平面。

在一个实施例中，在步骤2中，X射线的流强低至物光信号能够被探测器探测到的水平。可选地，所述探测器是不具有空间分辨能力的桶探测器。

在一个实施例中，散斑调制模块还可包括电动平移台，电动平移台用于改变X射线照射在调制材料上的位置。

应当理解，本文所呈现的方法步骤的顺序仅用于示例性示出的目的，并不对本发明构成限制，本领域技术人员能够例如对上述步骤1和步骤2的顺序进行变换而不脱离本发明的保护范围。

在本发明的另一方面，提供了一种X射线强度关联成像的装置，包括：

X射线产生系统；

散斑调制模块，其用于接收来自X射线产生系统的X射线以产生多个预记录的散斑图；

参考光/物光采集系统，其用于在样品不在光路中的情况下，采集所述多个预记录的散斑图作为一组参考光信号，并且在样品处于光路中且位于散斑调制模块之后的情况下，采集多个物光强度值作为一组物光信号；以及

处理单元，其用于针对X射线照射在散斑调制模块上的每个位置将接收到的所述多个预记录的散斑图与所述多个物光强度值做关联运算，从而获得样品的像。

可选地，散斑调制模块包括调制材料，并且散斑调制模块可被配置为使X射线照射调制材料上的预定的多个位置，并且参考光/物光采集系统被配置为针对所述预定的多个位置中的每一个采集一个预记录的散斑图和一个物光强度值。

优选地，在样品处于光路中的情况下，样品处于采集参考光信号时的测量平面。可选地，所述装置还包括总控制系统单元，总控制系统单元包括时间同步系统，其可被配置为通过实验逻辑先后顺序控制散斑调制模块、样品架和参考光/物光采集系统的同步，以实现信号的自动采集。与现有的 X射线成像技术相比，本发明能够在X射线源的强度较弱的情况下得到衬比度(CNR)更高的图像，而在得到相同衬比度的图像的情况下，本发明中样品所受到的辐射剂量大幅被降低，即能够实现超低辐射X射线鬼成像。因此，对于二维的辐射敏感的样品，尤其是对于生物样品，本发明的成像方法具有巨大的优势。

此外，与现有的X射线透射成像技术相比，在获得相同分辨率的情况下，本发明对成像探测器的要求大大降低，这对于降低X射线成像装置的成本具有重大意义。

附图说明

以下参照附图对本发明的实施例进行进一步说明，其中：

图1是根据本发明的X射线鬼成像的实验光路图，其中，图1(a) 示出了参考光信号的采集光路，图1(b)示出了物光信号的采集光路；

图2是根据本发明的X射线鬼成像的示例性装置的组成框图；以及

图3是利用根据本发明的方法得到的对样品成像的图片。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施方式，应当注意，这里面的实施方式只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的程序、材料或方法。

相比于现有的相位调制方法需要利用光源的相干性在物体所在平面形成干涉散斑图，本发明对于X射线源的相干性没有要求，其采用预记录的方法，利用调制材料上的不同位置对X光的吸收不同形成的“散斑”(本质是调制材料的投影)的原理实现振幅调制，首次用时间空间均非相干的小型X射线源成功实现了超低辐射X射线鬼成像，单次采样所需要的光子数(即，X射线强度)降到了准单光子量级。

现在结合图1来描述根据本发明的X射线鬼成像的方法。图1是根据本发明的X射线鬼成像的实验光路图，其中，图1(a)示出了参考光信号的采集光路，图1(b)示出了物光信号的采集光路。

如图1(a)所示，来自X射线产生系统11的X射线照射在散斑调制模块12的调制材料121上的预定的第一位置，通过第一探测器P1可采集该位置对应的散斑图S₁。

X射线产生系统11是时间空间均非相干的小型X射线源，其所产生的 X射线的光斑大小决定了成像区域的大小，X射线的强度设置取决于第一探测器P1的灵敏程度，只需要保证X射线照射在第一探测器P1上的强度能和第一探测器P1本身的噪声区别开(1个量级以上的区别)即可。因为X 射线通常具有一定的发散度，所以各元件的距离不能太大，以免导致光斑太大，不符合方法步骤中描述的照射在指定区域的要求。

调制材料121可例如为圆形板状，其可以包括金属颗粒、碳化硅颗粒，或者对X射线具有较强的吸收(衰减1个量级以上)的其它材料。在一个实施例中，调制材料可包括对X射线透过率高的基底和对X射线具有一定吸收的高吸收部分。优选地，高吸收部分的吸收率越大越好。当X射线照射在调制材料上时，由于调制材料上的不同部分对X射线的吸收有所不同，所以可以得到调制材料的透射图像，即对应某一位置的散斑图。

第一探测器P1可以是具有空间分辨能力的探测器，例如光学电荷耦合元件(CCD)或互补金属氧化物半导体元件(CMOS)。

散斑调制模块12还包括第一电动平移台122。在采集到散斑图S₁后，通过控制第一电动平移台122使调制材料121发生平移和旋转，从而使X射线照射在调制材料121上的预定的第二位置，可得到散斑图S₂。以类似的方式，通过控制第一电动平移台122以改变X射线照射在调制材料121上的位置，可采集N个散斑图S₁，S₂，…，S_N作为一组参考光信号。通过第一电动平移台改变X射线照射到的调制材料上的位置，从而得到了一系列随机分布的散斑场，散斑场的模式由第一电动平移台控制，第一电动平移台的细分度决定了散斑场总的模式数。

通过上面描述的参考光信号的采集，达到了预记录的效果。预记录的单次曝光时间可以任意设定，只要采集到清晰信号即可。优选地，曝光时间越长，还原出的像的对比度越高。在预记录时，样品不在光路中，X射线照射的是散斑调制模块中的调制材料，因此不会对样品造成损伤。

采用预记录的方式，可以大大加强成像系统的实用性和稳定性。对于一个包括给定调制材料的散斑调制模块，只需要预先标定一次，之后对任意物体成像都不再需要再次采集参考光，而是直接跳到采集物光的步骤。

在采集物光信号时，在满足第二探测器P2能探测到物光的情况下，调节X射线产生系统11以使X射线的流强降低到足够低的水平(流强下限由第二探测器P2的探测灵敏度决定)。如图1(b)所示，经调节的X射线在经过已经完成预记录的散斑调制模块12之后进入样品A然后被第二探测器P2采集，其中样品A处于与图1(a)中第一探测器P1的测量平面相同的平面M，如虚线所示。第二探测器P2可以是不具有空间分辨能力的桶探测器，例如单像素桶探测器。

在操作中，将已经完成预记录的散斑调制模块12的第一电动平移台122 回复至采集散斑图S₁时的位置，并且保证X射线覆盖需要成像的整个区域 (X射线源都会具有一定的发散角，在传播过程中不同位置其光斑大小也不同，所以根据样品大小、成像需要放在合适的位置即可)，这时便可由第二探测器P2读出与散斑图S₁对应的物光强度值I₁。以类似的方式，通过控制第一电动平移台122以改变X射线照射在调制材料121上的位置，由此可采集与散斑图S₁，S₂，…，S_N一一对应的N个物光强度值I₁，I₂，…，I_N作为一组物光信号。这里所说的物光强度值是指之前预记录的每一个散斑场透过样品后的总的光强值。

利用如下公式：

将接收到的N个散斑图S₁，S₂，…，S_N与N个物光强度值I₁，I₂，…， I_N进行关联运算，从而获得样品A的像G(x,y)，其中，I(x，y)是在第二探测器P2上的每个像素处测量到的强度值。

在本发明中，由于物光和参考光的采集是分开进行的，因此在采集物光和参考光时可以分别使用不同的X射线光强。在采集物光时，通过将X 射线的流强降低至物光信号能够被探测器探测到的水平，使得样品受到的辐射剂量大大降低，从而实现了低剂量成像。由于在采集物光信号时对探测器的要求很低，因此，本发明的用于采集物光信号的探测器例如可以是不具有空间分辨能力的单像素桶探测器(类似于能量计)。本发明的X射线鬼成像的分辨率取决于X射线经过调制材料产生的散斑图的散斑颗粒大小，一般在几十到几百微米。结果，本发明能够利用低分辨的探测器得到高分辨的成像效果。

图2是根据本发明的X射线鬼成像的示例性装置的组成框图。如图2 所示，本发明的装置20包括X射线产生系统21、散斑调制模块22、样品架23、参考光/物光采集系统24、处理单元25、X射线控制系统26以及总控制系统单元27。

X射线产生系统21用于产生强度分布均匀稳定的X射线，并且X射线的强度可通过X射线控制系统26控制。

散斑调制模块22包括调制材料221和用于使调制材料221发生旋转运动和平移运动的第一电动平移台222。

样品架23上可以放置样品，并且可通过第二电动平移台(未示出) 将样品调节到光路中。

参考光/物光采集系统24包括用于采集参考光的第一探测器P1、用于采集物光的第二探测器P2以及相应的采集软件。第一探测器P1可以是具有空间分辨能力的探测器，例如光学电荷耦合元件(CCD)和互补金属氧化物半导体元件(CMOS)。第二探测器P2可以是不具有空间分辨能力的桶探测器，例如单像素桶探测器。

处理单元25用于将接收到的来自参考光/物光采集系统24的参考光信号和物光信号进行简单的关联运算，从而获得样品的像。

总控制系统单元27包括时间同步系统28，该时间同步系统可配置为通过实验逻辑先后顺序控制散斑调制模块22、样品架23和参考光/物光采集系统24的同步，以实现信号的自动采集。

示例1

本发明人利用本发明的方法实现了对作为样品的铜片上刻蚀的字母O 的X射线鬼成像。X射线源是Incoatec公司生产的IμS微焦X射线源(阳极为铜靶)，其发射的X射线的特征波长为0.15nm。调制材料为由随机分布的碳化硅颗粒构成的直径20cm的圆形板状砂纸，其中颗粒平均大小为40μm。散斑调制模块的电动平移台包括步进电机以及固定在步进电极上的旋转电机。在实验中，砂纸安装在旋转电机上。

图3是利用根据本发明的方法得到的对样品成像的图片。在实验中，针对上述样品分别采集5000张参考光信号和物光信号，由此获得的成像图片的分辨率大约为400微米。相比于一般的鬼成像技术，本发明在没有进行优化处理的情况下在X射线波段获得了清晰的成像图片。

本发明的X射线鬼成像的对比度取决于参考光图像的对比度以及物光信号中噪声的比重。参考光图像的对比度越高，物光信号中噪声的比重越小，最终还原出的图像对比度越高。

通过本发明能够用低分辨的探测器得到高分辨的效果。由于采集物光和参考光时可以采用不同的X射线光强，因此可以实现超低辐射成像的效果。与传统透射成像方式相比，本发明在弱光的情况下利用鬼成像的方式能够获得更高的衬比度。

最后应说明的是，以上实施方式及典型参数仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种X射线强度关联成像的方法，包括：

步骤1：在样品不在光路中的情况下，使X射线照射散斑调制模块以采集多个预记录的散斑图作为一组参考光信号；

步骤2：在所述样品处于光路中的情况下，使X射线依次照射所述散斑调制模块和所述样品以采集多个物光强度值作为一组物光信号；以及

步骤3：针对X射线照射在所述散斑调制模块上的每个位置，将所述多个预记录的散斑图与所述多个物光强度值做关联运算，从而获得所述样品的像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤1和步骤2中，使所述X射线照射所述散斑调制模块的调制材料上的预定的多个位置，其中，在步骤1中针对所述预定的多个位置中的每一个采集一个预记录的散斑图，并且在步骤2中针对所述预定的多个位置中的每一个采集一个物光强度值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤2中，所述样品处于采集所述参考光信号时的测量平面。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤2中，X射线的流强低至所述物光信号能够被探测器探测到的水平。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述探测器是不具有空间分辨能力的桶探测器。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述散斑调制模块还包括电动平移台，所述电动平移台用于改变X射线照射在所述调制材料上的位置。

7.一种X射线强度关联成像的装置，包括：

X射线产生系统；

散斑调制模块，其用于接收来自所述X射线产生系统的X射线以产生多个预记录的散斑图；

参考光/物光采集系统，其用于在样品不在光路中的情况下，采集所述多个预记录的散斑图作为一组参考光信号，并且在所述样品处于光路中且位于散斑调制模块之后的情况下，采集多个物光强度值作为一组物光信号；以及

处理单元，其用于针对X射线照射在所述散斑调制模块上的每个位置将接收到的所述多个预记录的散斑图与所述多个物光强度值做关联运算，从而获得所述样品的像。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述散斑调制模块包括调制材料，所述散斑调制模块被配置为使所述X射线照射所述调制材料上的预定的多个位置，并且所述参考光/物光采集系统被配置为针对所述预定的多个位置中的每一个采集一个预记录的散斑图和一个物光强度值。

9.根据权利要求4或5所述的装置，其中，在所述样品处于光路中的情况下，所述样品处于采集所述参考光信号时的测量平面。

10.根据权利要求7所述的装置，还包括总控制系统单元，总控制系统单元包括时间同步系统，其被配置为通过实验逻辑先后顺序控制所述散斑调制模块、所述样品架和所述参考光/物光采集系统的同步，以实现信号的自动采集。