CN114002242A - X射线相衬成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供X射线相衬成像系统，包括常规X光管、针孔准直器、X射线毛细管透镜、成像物体、光栅G1、光栅G2、X射线探测器。其中，常规X光管用于向成像物体发射X射线线束，其焦斑通常在百微米量级，靶材料以钼、铜等特征X射线能量低于20keV的材料为佳；针孔准直器用于阻挡X射线毛细管透镜接收角度以外的入射X射线对系统成像质量的影响，其材料为铅、钨等。本发明将原标准成像方案中的源光栅利用毛细管透镜进行代替，从而提高成像系统的机械稳定性和成像效率，显著降低成像系统的成本和规模，便于灵活开展成像应用。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及X射线相衬成像系统。
背景技术
在X射线成像领域，传统的基于X射线吸收机制的成像模式在富含碳、氢等元素的轻材料及乳腺等软组织成像中会面临衬度差的问题，不能够获得理想的图像质量。为了克服这一难题，科研人员发展出了新的成像模式——相衬成像，即利用X射线经过物体后的相位改变进行成像。在X射线能区，上述轻材料和软组织的相移截面比吸收截面通常要高2-3个量级以上，因此利用相衬成像方法可以显著提升成像的衬度，并且有助于降低人体软组织成像的辐射剂量。
截止目前，已经发展成熟的相衬成像方案主要包括6种，即菲涅尔波带片法、X射线干涉仪法、衍射增强法、同轴法、光栅法和边缘照明法。其中，光栅法是目前唯一能够摆脱同步辐射等相干光源而在常规X光管上可以实现的相衬成像方法，并且该方法利用一次扫描可以同时实现多种模式(吸收、相衬和暗场)的成像，因此在医学、材料科学等诸多领域具有广泛的应用前景。为了适应实验室和医院规模的相衬成像应用，发展一种紧凑型的光栅法相衬成像系统变得尤为重要。
现有技术一的技术方案
在标准的光栅法相衬成像方案(F.Pfeiffer方案，文献1)中成像系统通常由三块光栅组成，即源光栅(G0)、相位/吸收光栅(G1)和吸收光栅(G2)按照一定的条件进行排列，如图1(a)-图1(b)所示。
现有技术一的缺点是：
1.高效的源光栅加工困难且成本昂贵。
2.机械稳定性差，光子利用率低，成像效率低。
3.系统规模较大(几米规模)，不利于灵活的开展成像应用。
注：文献1为F.Pfeiffer,T.Weitkamp,O.Bunk,and C.David,“Phase retrievaland differential phase-contrast imaging with low-brilliance x-ray sources,”Nat.Phys.2,258–261(2006)。
图1(a)、图1(b)均摘自文献1。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供X射线相衬成像系统，利用X射线毛细管透镜取代原标准光栅法相衬成像中的源光栅G0。
本发明采用如下技术方案：
X射线相衬成像系统，包括：常规X光管、针孔准直器、X射线毛细管透镜、成像物体、光栅G1、光栅G2和X射线探测器。
常规X光管，用于向成像物体发射X射线束；
针孔准直器，用于阻挡X射线毛细管透镜接收角度以外的入射X射线对系统成像质量的影响，位于常规X光管后侧；
X射线毛细管透镜，为点对点型，用于接收常规X光管发射的X射线并将其聚焦到较小的焦斑，位于针孔准直器的后侧，入口端针对针孔准直器的小孔，并且入口端至常规X光管焦点的距离等于其入射焦距f1；
成像物体，为待测样品，位于X射线毛细管透镜虚拟焦斑的后侧；
光栅G1为吸收光栅，由重金属在硅基底上沉积而成，周期为p1，位于成像物体后侧；
光栅G2为吸收光栅，由重金属在硅基底上沉积而成，周期为p2，位于光栅G1后侧；
为形成清晰的莫尔干涉条纹，光栅G1与光栅G2的周期与成像布局满足关系式：
式中，R1为虚拟焦斑至成像物体的距离，D1为成像物体至光栅G1的距离，D2为光栅G1与光栅G2之间的距离；
X射线探测器，用于接收经过光栅G2到达的X射线并形成强度图像，位于光栅G2后侧。
进一步的是，常规X光管的焦斑在百微米量级，靶材料以钼、铜等特征X射线(Kα)能量低于20keV的材料为佳。
进一步的是，针孔准直器的材料为铅、钨等。
进一步的是，X射线毛细管透镜的聚焦焦斑小于50微米,并且传输效率大于10％。
进一步的是，X射线探测器分辨率在10微米-100微米。
进一步的是，X射线探测器为平板探测器、成像板探测器、X射线CCD中的一种。
进一步的是，在透视成像时，光栅G2放置在高精度平移台上，通过平行移动光栅G2，一个p2周期均匀移动N步(N≥3)，采集不同位置的图像，从而求解出成像物体的衰减、相衬和暗场信息。
进一步的是，在计算机断层成像(CT)时，光栅G2放置在高精度平移台上，成像物体放置在高精度CT转台上，在成像物体不同旋转角度下重复透视成像的步骤，进而重建出成像物体的衰减、相衬和暗场的CT信息。
本发明的有益效果：
1.相比于源光栅G0，X射线毛细管透镜的机械稳定性非常好、加工方便、且造价低廉，因此利用其取代G0可以提升成像系统的机械稳定性、降低装置的成本。
2.利用蒙卡卡罗方法计算表明，本发明所提的成像系统的光子利用率较同等条件下的G0方案提高了1.7倍，明显提升了系统的成像效率。
3.本发明所提成像系统非常紧凑(小于1m)，有利于实验室和医院规模的相衬成像应用的灵活开展。
附图说明
图1(a)为标准相衬成像布局图Ⅰ；
图1(b)为标准相衬成像布局图Ⅱ；
图2为本发明的成像系统示意图；
图3(a)为标准样件重建结果相位分布图像；
图3(b)为标准样件重建结果衰减分布图像；
图3(c)为标准样件重建结果暗场分布图像；
图3(d)为标准样件重建结果水平中心线处相位分布图；
图3(e)为标准样件重建结果水平中心线处衰减分布图；
图3(f)为标准样件重建结果水平中心线处暗场分布图。
图中：1-常规X光管、2-针孔准直器、3-X射线毛细管透镜、4-虚拟焦斑、5-高精度CT转台、6-成像物体、7-光栅G1、8-光栅G2、9-高精度平移台、10-X射线探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面针对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
注：透镜入射焦距f1、透镜长度L、透镜出射焦距f2。
本发明的X射线相衬成像系统，整个装置规模小于1m。
如图2所示，本发明的X射线相衬成像系统，包括常规X光管1、针孔准直器2、X射线毛细管透镜3、成像物体6、光栅G17、光栅G28、X射线探测器10。
常规X光管1用于向成像物体6发射X射线线束，其焦斑通常在百微米量级，靶材料以钼、铜等特征X射线(Kα)能量低于20keV的材料为佳；
针孔准直器2用于阻挡X射线毛细管透镜3接收角度以外的入射X射线对成像质量的影响，其材料为铅、钨等；
X射线毛细管透镜3为点对点型，用于接收常规X光管1发射的X射线并将其聚焦到较小的焦斑(虚拟焦斑4)，虚拟焦斑4通常小于50微米，并保持较高的传输效率(大于10％)；
光栅G17和光栅G28，均为吸收光栅，由重金属(常用金)在硅基底上沉积而成，周期分别为p1和p2；
为形成清晰的莫尔干涉条纹，光栅周期与成像布局应满足关系：
式中，R1为虚拟焦点4至成像物体6的距离，D1为成像物体6至光栅G17的距离，D2为光栅G17和光栅G28之间的距离。
X射线探测器10用于接收经过光栅G28到达的X射线并形成强度图像，分辨率要求较低，采用常规分辨率在几十甚至上百微米的X射线探测器即可，如平板探测器、成像板探测器、X射线CCD等。
本发明的X射线相衬成像系统，可以实现两种图像扫描方式，即透视成像和计算机断层成像(CT)。透视成像采用常规步进扫描的方式来完成，即将光栅G2放置在高精度平移台上9上，通过平行移动光栅G2，一个p2周期均匀移动N步(N≥3)，通过采集不同位置的图像即可求解出成像物体的衰减、相衬和暗场信息。
在计算机断层成像(CT)模式下，需要进一步将成像物体6放置在高精度CT转台5上，在成像物体6不同旋转角度下重复透视成像的步骤，进而可重建出成像物体的衰减、相衬和暗场的CT信息。
实施例
按照图2所示的位置关系搭建本发明。
其中，毛细管透镜的入射焦距f1＝65.00mm、透镜长度L＝126.1mm、出射焦距f2＝13.0mm，R1＝450.0mm，D1＝D2＝50.0mm，光栅G2和X射线探测器10之间的距离D3＝30.0mm，光栅周期p1＝5.0um、p2＝5.5um。
常规X光管1采用与乳腺成像相同的能谱参数，焦斑为200um。
成像物体6为聚乙烯(Polyethylene,PE)、骨密质(Cortical Bone,CB)和脂肪组织(Adipose Tissue,AT)三个标准球体，其直径分别为5.0mm、0.5mm和3.0mm。
X射线探测器10像素尺寸为50.0um。
本实施例的整个X射线相衬成像系统非常紧凑，约80cm。针对该成像系统利用蒙特卡罗方法进行了模拟计算，结果如图3(a)-图3(f)所示。其中，图3(a)-图3(c)分别为入射X射线经过成像物体6后的相位、衰减和暗场图像；图3(d)-图3(f)分别为图3(a)-图3(c)中白色点划线处对应的重建值。图3(d)和图3(e)中同时给出了成像物体6的相位和衰减的理论值。
成像物体6相位和衰减重建结果与理论结果吻合良好，从而验证了该装置的可行性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.X射线相衬成像系统，其特征在于,包括常规X光管、针孔准直器、X射线毛细管透镜、成像物体、光栅G1、光栅G2、X射线探测器；
常规X光管，用于向成像物体发射X射线束；
针孔准直器，用于阻挡X射线毛细管透镜接收角度以外的入射X射线对成像质量的影响，位于常规X光管后侧；
X射线毛细管透镜，为点对点型，用于接收常规X光管发射的X射线并将其聚焦到较小的焦斑，位于针孔准直器的后侧，入口端针对针孔准直器的小孔，并且入口端至常规X光管焦点的距离等于其入射焦距f1；
成像物体，为待测样品，位于X射线毛细管透镜虚拟焦斑的后侧；
光栅G1为吸收光栅，由重金属在硅基底上沉积而成，周期为p1，位于成像物体后侧；
光栅G2为吸收光栅，由重金属在硅基底上沉积而成，周期为p2，位于光栅G1后侧；
为形成清晰的莫尔干涉条纹，光栅G1与光栅G2的周期与成像布局满足关系式：
式中，R1为虚拟焦斑至成像物体的距离，D1为成像物体至光栅G1的距离，D2为光栅G1与光栅G2之间的距离；
X射线探测器，用于接收经过光栅G2到达的X射线并形成强度图像，位于光栅G2后侧。
2.根据权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于，常规X光管的焦斑在百微米量级，靶材料为钼或铜，其特征X射线能量低于20keV。
3.根据权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于，针孔准直器的材料为铅、钨中任意一种。
4.根据权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于，X射线毛细管透镜的聚焦焦斑小于50微米,并且传输效率大于10％。
5.根据权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于，X射线探测器分辨率在10微米-100微米。
6.根据权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于，X射线探测器为平板探测器、成像板探测器、X射线CCD中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于，在透视成像时，光栅G2放置在高精度平移台上，通过平行移动光栅G2，一个p2周期均匀移动N步，N≥3，采集不同位置的图像，从而求解出成像物体的衰减、相衬和暗场信息。
8.根据权利要求1所述的X射线相衬成像系统，其特征在于，在计算机断层成像时，光栅G2放置在高精度平移台上，成像物体放置在高精度CT转台上，在成像物体不同旋转角度下重复透视成像的步骤，进而重建出成像物体的衰减、相衬和暗场的CT信息。
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