CN111089869A - 多能探测器x射线相衬成像方法及系统、储存介质及设备 - Google Patents

多能探测器x射线相衬成像方法及系统、储存介质及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多能探测器X射线相衬成像方法，包括构建包含设定能量的成像系统，配置所述探测器至少包括两个能区，采集各个能区的样品图像，获取成像系统的吸收像、折射像以及散射像。本发明还涉及一种多能探测器X射线相衬成像系统、电子设备及储存介质。本发明通过配置探测器至少包括两个能区，成像系统的设定能量落在两个能区中的第一能区内；在第一能区获得最大对比度的莫尔条纹，在其他能区获得对比度为零的莫尔条纹；采集对比度为零的能区的样品图像即为样品的吸收像，采集第一能区的样品图像去除获得的吸收像即为散射像与折射像。该方法免除了相位步进流程，大大提高了相衬成像的速度同时降低了对机械部件的精度要求。

Description

多能探测器X射线相衬成像方法及系统、储存介质及设备
技术领域
本发明涉及X射线成像领域，尤其涉及一种多能探测器X射线相衬成像方法。
背景技术
X射线相位衬度成像方法，相对于传统基于吸收的成像方法，因其对于人体软组织等低原子序数物质有明显优势，自提出以来引起了各方面的广泛关注。从上世纪90年代开始，X射线相衬成像主要有晶体干涉仪方法、衍射增强方法、同轴方法以及光栅干涉仪方法。由于X射线相移探测要求X射线光源有比较高的相干性，所以刚开始都是在同步辐射上完成的。在2006年，Pfeiffer等人从可见光的相位测量得到启发，在原有的基于两块光栅的Talbot干涉仪基础上增加了一块源光栅，提出了可以使用普通光源的Talbot-Lau干涉仪。由于该方法摆脱了庞大而昂贵的同步辐射光源以及低功率的微焦点光源，真正使X射线相衬成像应用于医学成像、无损检测等成为了可能。
光栅相衬成像方法，其最大特点就是可以同时获取被检物体的吸收，折射以及散射图像，三种信息可以反映物质的不同特征，且相互补充。光栅相衬成像的基础在于通过信息分离技术求解衰减信息、折射信息与散射信息。主流的信息分离技术是相位步进法，需要在条纹信息采集时对光栅进行步进，耗时长，剂量大，对机械精度要求高等不足。为了提高光栅相衬成像的速度，异形光栅法、物体扫描法和傅里叶分析法也分别被提出，但带来一定改进的同时，也各有缺陷，异形光栅法额外增加了设计制造成本，物体扫描法依然需要被测物体的移动，傅里叶分析法对莫尔条纹的一致性要求很高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多能探测器X射线相衬成像方法。本发明通过设有多个能区的探测器，通过配置成像系统获得吸收像、折射像以及散射像，以解决上述问题。
本发明提供一种多能探测器X射线相衬成像方法，包括如下步骤：
构建包含设定能量的成像系统，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线源、若干光栅、位于所述光栅中的样品以及探测器；
配置所述探测器至少包括两个能区，所述设定能量落在所述两个能区中的第一能区内；配置所述成像系统以使得所述探测器上的莫尔条纹在所述第一能区获得最大对比度，在所述探测器的其他能区相加后的莫尔条纹的对比度为零；
在所述光栅中未放置样品，采集所述探测器各个能区的背景图像；在所述光栅中放置样品，采集所述探测器各个能区的样品图像；
计算若干所述背景图像与样品图像得出所述成像系统的吸收像、折射像以及散射像。
优选地，所述探测器包括若干能区，所述探测器包括与所述设定能量相同的第一能区，包括：
所述探测器包括两个能区，所述两个能区包括第二能区与所述第一能区，所述第一能区的平均能量等于所述设定能量，所述第二能区的莫尔条纹的对比度为零。
优选地，所述探测器包括若干能区，所述探测器包括与所述设定能量相同的第一能区，包括：
所述探测器包括三个能区，所述三个能区包括第一能区、第三能区以及第四能区，所述第一能区的平均能量等于所述设定能量，所述第一能区的能量大于所述第三能区的能量且小于所述第四能区的能量。
优选地，所述第三能区与所述第四能区的能量的平均能量等于所述第一能区的能量，所述第三能区与第四能区的莫尔条纹相加后的对比文件为零。
优选地，所述配置所述成像系统以使得所述探测器上的莫尔条纹在所述第一能区获得最大对比度，在所述探测器的其他能区的莫尔条纹的对比度为零，包括:
通过调节所述X射线源、光栅、样品及探测器之间的距离，以使得所述第一能区的莫尔条纹获得最大对比度，其他能区的莫尔条纹的对比度为零。
优选地，在所述光栅中未放置样品，采集所述探测器各个能区的背景图像，包括：通过所述光栅步进法绘制背景位移曲线，所述背景位移曲线用于校准在采集所述背景图像时的所述X射线源的偏移。
优选地，所述计算若干所述背景图像与样品图像得出所述成像系统的吸收像、折射像以及散射像，包括：
采集所述探测器的莫尔条纹对比文件为零所在的能区的样品图像，得出样品的所述吸收像；
采集所述第一能区的样品图像并减去所述吸收像，得到所述折射像与散射像。
一种电子设备，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行一种多能探测器X射线相衬成像方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行一种多能探测器X射线相衬成像方法。
一种多能探测器X射线相衬成像系统，包括构建系统模块、配置模块、采集模块以及生成模块；其中，
所述构建系统模块用于构建包含设定能量的成像系统，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线源、若干光栅、位于所述光栅中的样品以及探测器；
所述配置模块用于所述探测器包括若干能区，所述探测器包括与所述设定能量相同的第一能区；配置所述成像系统以使得所述探测器上的莫尔条纹在所述第一能区获得最大对比度，在所述探测器的其他能区的莫尔条纹的对比度为零；
所述采集模块应用于在所述光栅中未放置样品，采集所述探测器各个能区的背景图像；在所述光栅中放置样品，采集所述探测器各个能区的样品图像；
所述生成模块用于计算若干所述背景图像与样品图像得出所述成像系统的吸收像、折射像以及散射像。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种多能探测器X射线相衬成像方法，该方法配置探测器至少包括两个能区，成像系统的设定能量落在两个能区中的第一能区内；在第一能区获得最大对比度的莫尔条纹，在其他能区获得对比度为零的莫尔条纹；采集对比度为零的能区的样品图像即为样品的吸收像，采集第一能区的样品图像去除获得的吸收像即为散射像与折射像。该方法免除了相位步进流程，大大提高了相衬成像的速度同时降低了对机械部件的精度要求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种多能探测器X射线相衬成像方法的整体流程图；
图2a为本发明的第三能区形成的对比度为零的条纹；
图2b为本发明的第一能区形成的对比度最强的条纹；
图2c为本发明的第四能区形成的对比度为零的条纹；
图3a为本发明的第三能区形成的条纹；
图3b为本发明的第一能区形成的对比度最强的条纹；
图3c为与图3a形成的相位相反的条纹；
图3d为本发明的第三能区与第四能区的条纹进行相加形成的对比度为零的条纹；
图4为本发明的一种多能探测器X射线相衬成像系统的模块图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本发明提供一种多能探测器X射线相衬成像方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、构建包含设定能量的成像系统，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线源、若干光栅、位于所述光栅中的样品以及探测器。在一个实施例中，按照经典的光栅相衬成像方案布置系统，即沿光轴方向依次设置有X射线光源、源光栅、相位光栅、分析光栅以及探测器。设定能量即该成像系统工作时候所具备的能量。
S2、配置所述探测器至少包括两个能区，所述设定能量落在所述两个能区中的第一能区内；所述探测器上的莫尔条纹在所述第一能区获得最大对比度，在所述探测器的其他能区的莫尔条纹的对比度为零。在一个实施例中，探测器包括两个或多个能区，成像系统的设定能量落在多个能区的一个能区内，这个能区即为第一能区。优选地，第一能区的平均能量等于成像系统的设定能量。
在配置探测器之前还包括通过调节所述X射线源、光栅、样品及探测器之间的相对距离，以使得所述探测器的莫尔条纹对比度最强。当X射线源、光栅、样品及探测器之间的相对距离调整完成后将保持该相对距离，进行成像时，X射线源照射光栅在探测器的第一能区获得对比度最强的莫尔条纹，同时在其他能区获得对比度为零的莫尔条纹。
在一个实施例中，所述探测器包括两个能区，所述两个能区包括第二能区与所述第一能区，所述第一能区的平均能量等于所述设定能量，所述第二能区的莫尔条纹的对比度为零。需要说明的是该第一能区的能量与第二能区的能量不相同，故在采集第二能区的样品图像的吸收像后需要对采集的吸收像进行校准，以获得设定能量处的吸收像。
在一个可替换的实施例中，如图2a、2b、2c、3a、3b、3c、3d所示，所述探测器包括三个能区，所述三个能区包括第三能区、第四能区以及所述第一能区，所述第一能区的平均能量等于所述设定能量，所述第一能区的能量大于所述第三能区的能量且小于所述第四能区的能量。所述第三能区与所述第四能区的联合能区的平均能量等于所述第一能区的能量，所述第三能区与第四能区的莫尔条纹相加后的对比文件为零。三个能区的探测器相比于两个能区的探测器，不需要校准，第三能区与第四能区的联合能区的平均能量等于第一能区的能量即设定能量。因为第三能区与第四能区的联合能区的平均能量等于第一能区的能量且莫尔条纹相加后的对比度为零，因此无需校准，可以直接获得设定能量的吸收像。图2a与图2c为莫尔条纹对比度为零的第三能区与第四能区，图2b为莫尔条纹对比度最强的第一能区。图3a、3b、3c分别为第三能区、第一能区及第四能区的莫尔条纹，三个能区的条纹幅度与周期相同、相角相差π使得第四能区与第三能区相加后条纹消除即对比度为零，如图3d所示。
应当理解为，当探测器包括三个能区的时候，除去第一能区之后的两个能区的条纹的对比度都为零或者两个能区的条纹的相位相反进行相加后的条纹对比度为零。
需要说明的是，探测器的多个能区将全谱分成几段，例如：第四能区为10-20，第一能区为20-50，第三能区为50-80。
S3、在所述光栅中未放置样品，采集所述探测器各个能区的背景图像；在所述光栅中放置样品，采集所述探测器各个能区的样品图像。在一个实施例中，采集各个能区的背景图像以及放置样品后的各个能区的样品图像。在背景采集时，通过所述光栅步进法绘制背景位移曲线，所述背景位移曲线用于校准在采集所述背景图像时的所述X射线源的偏移。在采集放置样品后的图像时，无需采用光栅步进的方式，直接单次采集各个能区的样品图像。
S4、计算若干所述背景图像与样品图像得出所述成像系统的吸收像、折射像以及散射像。在一个实施例中，采集所述探测器的莫尔条纹对比文件为零所在的能区的样品图像，得出样品的所述吸收像；
采集所述第一能区的样品图像并减去所述吸收像，得到所述折射像与散射像。
旋转样品重复步骤S3、S4可获得样品的相衬CT图像。本发明的成像方法也适用于球管高低能两次或多次曝光的图像处理。
一种电子设备，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行一种多能探测器X射线相衬成像方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行一种多能探测器X射线相衬成像方法。
一种多能探测器X射线相衬成像系统，如图4所示，包括构建系统模块、配置模块、采集模块以及生成模块；其中，
所述构建系统模块用于构建包含设定能量的成像系统，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线源、若干光栅、位于所述光栅中的样品以及探测器；
所述配置模块用于所述探测器包括若干能区，所述探测器包括与所述设定能量相同的第一能区；配置所述成像系统以使得所述探测器上的莫尔条纹在所述第一能区获得最大对比度，在所述探测器的其他能区的莫尔条纹的对比度为零；
所述采集模块应用于在所述光栅中未放置样品，采集所述探测器各个能区的背景图像；在所述光栅中放置样品，采集所述探测器各个能区的样品图像；
所述生成模块用于计算若干所述背景图像与样品图像得出所述成像系统的吸收像、折射像以及散射像。
本发明公开了一种多能探测器X射线相衬成像方法，该方法设有多个能区的探测器，其中包括与成像系统的设定能量相同的第一能区；通过配置X射线源、若干光栅、位于所述光栅中的样品以及探测器之间的相对距离，在第一能区获得最大对比度的莫尔条纹，在其他能区获得对比度为零的莫尔条纹；采集对比度为零的能区的样品图像即为样品的吸收像，采集第一能区的样品图像去除获得的吸收像即为散射像与折射像。该方法免除了相位步进流程，大大提高了相衬成像的速度同时降低了对机械部件的精度要求。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多能探测器X射线相衬成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建包含设定能量的成像系统，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线源、若干光栅、位于所述光栅中的样品以及探测器；
配置所述探测器至少包括两个能区，所述设定能量落在所述两个能区中的第一能区内；所述探测器上的莫尔条纹在所述第一能区获得最大对比度，在所述探测器的其他能区形成的条纹相加后的对比度为零；
在所述光栅中未放置样品，采集所述探测器各个能区的背景图像；在所述光栅中放置样品，采集所述探测器各个能区的样品图像；
计算若干所述背景图像与样品图像得出所述成像系统的吸收像、折射像以及散射像。
2.如权利要求1所述的一种多能探测器X射线相衬成像方法，其特征在于，配置所述探测器至少包括两个能区，所述设定能量落在所述两个能区中的第一能区内，包括：
所述探测器包括两个能区，所述两个能区包括第二能区与所述第一能区，所述第一能区的平均能量等于所述设定能量，所述第二能区的莫尔条纹的对比度为零。
3.如权利要求1所述的一种多能探测器X射线相衬成像方法，其特征在于，配置所述探测器至少包括两个能区，所述设定能量落在所述两个能区中的第一能区内，包括：
所述探测器包括三个能区，所述三个能区包括第三能区、第四能区以及所述第一能区，所述第一能区的平均能量等于所述设定能量，所述第一能区的能量大于所述第三能区的能量且小于所述第四能区的能量。
4.如权利要求3所述的一种多能探测器X射线相衬成像方法，其特征在于，所述第三能区与所述第四能区的联合能区的平均能量等于所述第一能区的能量，所述第三能区与第四能区的莫尔条纹相加后的对比文件为零。
5.如权利要求1所述的一种多能探测器X射线相衬成像方法，其特征在于，在配置所述探测器之前，还包括:
通过调节所述X射线源、光栅、样品及探测器之间的相对距离，以使得所述探测器的莫尔条纹对比度最强。
6.如权利要求1所述的一种多能探测器X射线相衬成像方法，其特征在于，在所述光栅中未放置样品，采集所述探测器各个能区的背景图像，包括：通过所述光栅步进法绘制背景位移曲线，所述背景位移曲线用于校准在采集所述背景图像时的所述X射线源的偏移。
7.如权利要求1所述的一种多能探测器X射线相衬成像方法，其特征在于，所述计算若干所述背景图像与样品图像得出所述成像系统的吸收像、折射像以及散射像，包括：
采集所述探测器的莫尔条纹对比文件为零所在的能区的样品图像，得出样品的所述吸收像；
采集所述第一能区的样品图像并减去所述吸收像，得到所述折射像与散射像。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行如权利要求1所述的方法。
10.一种多能探测器X射线相衬成像系统，其特征在于，包括构建系统模块、配置模块、采集模块以及生成模块；其中，
所述构建系统模块用于构建包含设定能量的成像系统，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线源、若干光栅、位于所述光栅中的样品以及探测器；
所述配置模块用于所述探测器包括若干能区，所述探测器包括与所述设定能量相同的第一能区；配置所述成像系统以使得所述探测器上的莫尔条纹在所述第一能区获得最大对比度，在所述探测器的其他能区的莫尔条纹的对比度为零；
所述采集模块应用于在所述光栅中未放置样品，采集所述探测器各个能区的背景图像；在所述光栅中放置样品，采集所述探测器各个能区的样品图像；
所述生成模块用于计算若干所述背景图像与样品图像得出所述成像系统的吸收像、折射像以及散射像。
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