CN111089870B - 基于两次成像的x射线光栅相衬成像方法及系统、存储介质、设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，包括步骤：构建成像系统、第一次成像、第二次成像以及重建图像。本发明还涉及基于两次成像的X射线光栅相衬成像系统、存储介质以及电子设备。本发明利用光栅在光轴上移动进行两次成像，将两次成像的结果进行差分运算以及相位信息分离，得到分解出来的吸收像、折射像以及散射像以重建被扫描样品的图像；该方法免除了光栅的相位步进流程，大大提高了相衬成像的速度，降低了对机械部件的精度要求。

Description

基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法及系统、存储介质、 设备

技术领域

本发明涉及X射线成像领域，尤其涉及基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法。

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，本发明提供基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法。本发明利用光栅在光轴上移动进行两次成像并进行相位信息分离，以解决上述问题。

本发明提供基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，包括如下步骤：

构建成像系统，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、源光栅、样品、相位光栅、分析光栅以及探测器；

第一次成像，配置所述源光栅、相位光栅以及分析光栅中的一个或多个的姿态并配置三者之间的相对距离，以使得所述探测器上接收最高对比度的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第一幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；

第二次成像，配置所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的一个沿所述光轴方向移动，以使得所述探测器接收对比度为零的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第二幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；

重建图像，从所述第一幅数字图像与第二幅数字图像中提取X射线束经过样品的每个像素对应的吸收、折射和散射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样品的图像。

优选地，在步骤第二次成像中还包括：所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的任一个在所述光轴上的位置与对应的步骤第一次成像中的位置的距离最小。

优选地，在步骤重建图像中还包括从所述第一幅数字图像与第二幅数字图像中提取X射线束经过样品的每个像素对应的吸收、折射和散射信息的方法：

分别将所述第一次成像与第二次成像的探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况下的背景图像进行比较，计算出每个像素点处对应的吸收、折射和散射信息中的一种或几种。

优选地，在步骤第一次成像中还包括：

将所述探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况的背景图像的表达式分别为：

在步骤第二次成像中还包括：

将所述探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况的背景图像的表达式分别为：

I_2,ob(x,y)＝I_2,ab,ob(x,y)，

I_2,bg(x,y)＝I_2,ab,bg(x,y)；

其中，I₁、I₂分别表示第一次成像与第二次成像；ob、bg分别表示存在被扫描样品与不存在被扫描样品；ab、sc分别表示吸收与散射；I(x,y)表示所述探测器上的一个点处的光强I，

为相角。

优选地，将所述第一次成像与第二次成像的结果进行差分运算，差分运算后的图像可通过如下公式表达：

通过信息分离技术将所述差分运算后的图像的相应分量进行分解，分别得出吸收像、折射像以及散射像。

优选地，所述信息分离技术包括傅里叶变换法、希尔伯特变换法以及曲线拟合法。

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基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法。

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基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法。

基于两次成像的X射线光栅相衬成像系统，包括构建成像系统模块、第一次成像模块、第二次成像模块以及重建图像模块；其中，

所述构建成像系统模块用于所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、源光栅、样品、相位光栅、分析光栅以及探测器；

所述第一次成像模块用于配置调节所述源光栅、相位光栅以及分析光栅中的一个或多个的姿态与三者之间的相对距离，以使得所述探测器上接收最高对比度的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第一幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；

所述第二次成像模块用于配置所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的一个沿所述光轴方向移动，以使得所述探测器接收对比度为零的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第二幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；

所述重建图像模块用于从所述第一幅数字图像与第二幅数字图像中提取X射线束经过样品的每个像素对应的吸收、折射和散射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样品的图像。

优选地，所述第二次成像模块包括调节单元，所述调节单元用于使得所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的任一个在所述光轴上的位置与对应的步骤第一次成像中的位置的距离最小；

所述重建图像模块包括提取单元，所述提取单元用于分别将所述第一次成像与第二次成像的探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况下的背景图像进行比较，计算出每个像素点处对应的吸收、折射和散射信息中的一种或几种。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明公开了基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，该方法利用光栅在光轴上移动进行两次成像，将两次成像的结果进行差分运算以及相位信息分离，得到分解出来的吸收像、折射像以及散射像以重建被扫描样品的图像；该方法免除了光栅的相位步进流程，大大提高了相衬成像的速度，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为本发明的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法的整体流程图；

图2为本发明的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法的第一次成像的背景图；

图3为本发明的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法的第二次成像的背景图；

图4为本发明的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法的两次成像的差分运算结果图；

图5a为运用傅里叶变换进行信息分离获得的吸收像；

图5b为运用一种滤波核傅里叶变换进行信息分离获得的折射像；

图5c为运用另一种滤波核傅里叶变换进行信息分离获得的折射像；

图6a为运用本发明的方法的一种滤波核获得的吸收像；

图6b为运用本发明的方法的一种滤波核获得的折射像；

图6c为运用本发明的方法的另一种滤波核获得的折射像；

图7为本发明的基于两次成像的X射线光栅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。

本发明提供基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，如图1-4所示，包括如下步骤：

S1、构建成像系统，成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、源光栅、样品、相位光栅、分析光栅以及探测器。在一个实施例中，按照经典的光栅相衬成像方案配置系统，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。经典的相位步进法，需要在条纹信息采集时对光栅进行步进，这个步进的精度是亚微米级的，精度要求高且耗时长同时对机械精度要求极高。

S2、第一次成像，配置源光栅、相位光栅以及分析光栅中的一个或多个的姿态与三者之间的相对距离，以使得探测器上接收最高对比度的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第一幅数字图像，并记录此时源光栅、相位光栅以及分析光栅在光轴上的位置。在一个实施例中，光栅姿态指的是光栅的转动自由度，调节好源光栅、相位光栅以及分析光栅中的一个或多个的姿态与三者之间的相对距离，使得探测器上接收到对比度最佳的莫尔条纹，莫尔条纹即是X射线照射光栅后在探测器上形成的条纹，记录此时源光栅、相位光栅以及分析光栅在光轴上的位置。

具体地，第一次成像后的背景图像即不存在被扫描样品的情况下可以表达为：

第一次成像后的样品图像即存在被扫描样品的情况下可以表达为：

其中，I₁、I₂分别表示第一次成像与第二次成像；ob、bg分别表示存在被扫描样品与不存在被扫描样品；ab、sc分别表示吸收与散射；I(x,y)表示探测器上的一个点处的光强I；

为相角。

S3、第二次成像，配置所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的一个沿所述光轴方向移动，以使得所述探测器接收对比度为零的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第二幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；在一个实施例中，源光栅、相位光栅、分析光栅中的任意一个光栅沿光轴方向移动即沿光轴的平行自由度上移动，在移动的过程中，当探测器接收到对比度为零的X射线信号时停止移动，并记录此时源光栅、相位光栅、分析光栅在光轴上所处的位置。

优选地，源光栅、相位光栅、分析光栅中的任意一个在光轴上的位置与对应的步骤第S2中的位置的距离最小，即当光栅在光轴上移动的过程中，在探测器接收到对比度为零的X射线信号时立刻停止移动，此时源光栅、相位光栅、分析光栅中任意一个光栅在光轴上的位置与对应的步骤第S2中的位置的距离最小。一般地，优先移动分析光栅，在第二次成像过程中移动分析光栅，在探测器接收到对比度为零的X射线信号时立刻停止移动，记录此时分析光栅在光轴上的位置，此时第一次成像中分析光栅与第二次成像中记录的分析光栅的位置的距离最小。

具体地，第二次成像后的背景图像即不存在被扫描样品的情况下可以表达为：

I_2,bg(x,y)＝I_2,ab,bg(x,y)；

第二次成像后的样品图像即存在被扫描样品的情况下可以表达为：

I_2,ob(x,y)＝I_2,ab,ob(x,y)；

其中，I₁、I₂分别表示第一次成像与第二次成像；ob、bg分别表示存在被扫描样品与不存在被扫描样品；ab、sc分别表示吸收与散射；I(x,y)表示探测器上的一个点处的光强I。

需要说明的是，在第二次成像过程中探测器接收到对比度为零的条纹信号时，此时探测器接收的X射线的信号等于第一次成像过程中的吸收像，即I_1，ab,bg(x,y)等于I_2，ab,bg(x,y)，I_1，ab,ob(x,y)等于I_2，ab,ob(x,y)。

S4、重建图像，从所述第一幅数字图像与第二幅数字图像中提取X射线束经过样品的每个像素对应的吸收、折射和散射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样品的图像。在一个实施例中，联合两次成像的样品图像和背景图像，求解图像中的吸收像、折射像以及散射像。

具体地，直接对两次成像的结果进行差分运算，差分运算之后的图像可以表达为：

如图4所示，图4为将图1与图2进行差分运算的结果，可以看见条纹对比度明显提高，提高折射像与散射像的信噪比。

需要说明的是，由于差分过滤了最大的低频分量，减少了它们的干扰，使信息分解可复原折射像与散射像的频率成分更多，因此使分解的图像细节更加清晰。

最后将差分运算的结果利用傅里叶变换法、希尔伯特变换法或曲线拟合法，把相应分量求解出来。一般地，差分运算之后就剩下纯的余弦函数，利用曲线拟合直接把余弦函数方程求解出来；最终的分解结果可以表示吸收像为：

折射像为：

散射像为：

其中，ob、bg分别表示存在被扫描样品与不存在被扫描样品；ab、sc分别表示吸收与散射。

本发明利用光栅在光轴上移动进行两次成像，将两次成像的结果进行差分运算以及相位信息分离，得到分解出来的吸收像、折射像以及散射像以重建被扫描样品的图像；该方法免除了光栅的相位步进流程，通过光栅沿光轴方向移动，使得对光栅移动的精度从光栅步进的亚微米级将至沿光轴移动的亚毫米级，大大提高了相衬成像的速度，降低了对机械部件的精度要求。

运用本发明的两次成像的X射线光栅相衬成像的方法获得的吸收像及折射像如图6a、6b、6c所示，图6a是运用本发明的方法获得的吸收像；图6b是运用本发明的方法获得的折射像，其中滤波核的参数为δ＝0.25；图6c是运用本发明的方法获得的折射像，其中滤波核的参数为δ＝0.5。

图5a是运用傅里叶变换的方法获得的吸收像；图5b是运用傅里叶变换的方法获得的折射像，其中滤波核的参数为δ＝0.25；图5c是运用傅里叶变换的方法获得的折射像，其中滤波核的参数为δ＝0.5。上述两种方法选取相同的滤波核。

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基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法。

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基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法。

基于两次成像的X射线光栅相衬成像系统，如图7所示，包括构建成像系统模块、第一次成像模块、第二次成像模块以及重建图像模块；其中，

构建成像系统模块用于成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、源光栅、样品、相位光栅、分析光栅以及探测器；

第一次成像模块用于调节源光栅、相位光栅以及分析光栅中的一个或多个的姿态与三者之间的相对距离，以使得探测器上接收最高对比度的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第一幅数字图像，并记录此时源光栅、相位光栅以及分析光栅在光轴上的位置；

第二次成像模块用于源光栅、相位光栅、分析光栅中的一个或多个沿光轴方向移动，以使得探测器接收对比度为零的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第二幅数字图像，并记录此时源光栅、相位光栅以及分析光栅在光轴上的位置；

重建图像模块用于从第一幅数字图像与第二幅数字图像中提取X射线束经过样品的每个像素对应的吸收、折射和散射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样品的图像。

优选地，第二次成像模块包括调节单元，调节单元用于使得源光栅、相位光栅、分析光栅在光轴上的位置与对应的步骤第一次成像中的位置的距离最小；

重建图像模块包括提取单元，提取单元用于分别将第一次成像与第二次成像的探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况下的背景图像进行比较，计算出每个像素点处对应的吸收、折射和散射信息中的一种或几种。

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.基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建成像系统，所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、源光栅、样品、相位光栅、分析光栅以及探测器；

第一次成像，配置所述源光栅、相位光栅以及分析光栅中的一个或多个的姿态并配置三者之间的相对距离，以使得所述探测器上接收最高对比度的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第一幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；

第二次成像，配置所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的一个沿所述光轴方向移动，以使得所述探测器接收对比度为零的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第二幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；

重建图像，从所述第一幅数字图像与第二幅数字图像中提取X射线束经过样品的每个像素对应的吸收、折射和散射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样品的图像。

2.如权利要求1所述的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，其特征在于，在步骤第二次成像中还包括：所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的任一个在所述光轴上的位置与对应的步骤第一次成像中的位置的距离最小。

3.如权利要求1或2所述的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，其特征在于，在步骤重建图像中还包括从所述第一幅数字图像与第二幅数字图像中提取X射线束经过样品的每个像素对应的吸收、折射和散射信息的方法：

分别将所述第一次成像与第二次成像的探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况下的背景图像进行比较，计算出每个像素点处对应的吸收、折射和散射信息中的一种或几种。

4.如权利要求3所述的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，其特征在于，在步骤第一次成像中还包括：

将所述探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况的背景图像的表达式分别为：

在步骤第二次成像中还包括：

将所述探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况的背景图像的表达式分别为：

I_2,ob(x,y)＝I_2,ab,ob(x,y)，

I_2,bg(x,y)＝I_2,ab,bg(x,y)；

其中，I₁、I₂分别表示第一次成像与第二次成像；ob、bg分别表示存在被扫描样品与不存在被扫描样品；ab、sc分别表示吸收与散射；I(x,y)表示所述探测器上的一个点处的光强I，

为相角。

5.如权利要求4所述的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，其特征在于，将所述第一次成像与第二次成像的结果进行差分运算，差分运算后的图像可通过如下公式表达：

通过信息分离技术将所述差分运算后的图像的相应分量进行分解，分别得出吸收像、折射像以及散射像。

6.如权利要求5所述的基于两次成像的X射线光栅相衬成像方法，其特征在于，所述信息分离技术包括傅里叶变换法、希尔伯特变换法以及曲线拟合法。

7.一种电子设备，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。

8.一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。

9.基于两次成像的X射线光栅相衬成像系统，其特征在于，包括构建成像系统模块、第一次成像模块、第二次成像模块以及重建图像模块；其中，

所述构建成像系统模块用于所述成像系统沿X射线传播的光轴方向依次包括X射线光源、源光栅、样品、相位光栅、分析光栅以及探测器；

所述第一次成像模块用于配置调节所述源光栅、相位光栅以及分析光栅中的一个或多个的姿态与三者之间的相对距离，以使得所述探测器上接收最高对比度的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第一幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；

所述第二次成像模块用于配置所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的一个沿所述光轴方向移动，以使得所述探测器接收对比度为零的X射线信号并将接收到的X射线信号记录为第二幅数字图像，并记录此时所述源光栅、相位光栅以及分析光栅在所述光轴上的位置；

所述重建图像模块用于从所述第一幅数字图像与第二幅数字图像中提取X射线束经过样品的每个像素对应的吸收、折射和散射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样品的图像。

10.如权利要求9所述的基于两次成像的X射线光栅相衬成像系统，其特征在于，所述第二次成像模块包括调节单元，所述调节单元用于使得所述源光栅、相位光栅、分析光栅中的任一个在所述光轴上的位置与对应的步骤第一次成像中的位置的距离最小；

所述重建图像模块包括提取单元，所述提取单元用于分别将所述第一次成像与第二次成像的探测器每个像素点得到的存在被扫描样品情况下的样品图像与不存在被扫描样品的情况下的背景图像进行比较，计算出每个像素点处对应的吸收、折射和散射信息中的一种或几种。

Images