CN115656232B - 一种x射线微分相位衬度纳米ct系统及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种X射线微分相位衬度纳米CT系统及其成像方法，涉及X射线纳米CT成像技术领域。所述X射线微分相位衬度纳米CT系统主要包括：环形倾斜栅状锥束X射线源、样品台、物镜、分析光栅和成像探测器。用于所述X射线微分相位衬度纳米CT成像方法，其具体包含图像采集方法、折射角成像方法、线性吸收系数成像方法、线性扩散系数成像方法。通过引入环形倾斜栅状锥束照明X射线源，解决了折射角采样不完备的缺点，显著改善了折射角重建图像的质量。同时，本发明专利可以提供两个维度的线性扩散系数重建像，提供了比传统纳米CT更加丰富的成像信息。
Description
技术领域
本发明涉及X射线纳米CT成像技术领域，尤其涉及一种X射线微分相位衬度纳米CT系统及其成像方法。
背景技术
物质对X射线的作用可以用折射率代表，，其中和分别是相移项和吸收项。δ的物理意义是，经过单位长度物质的X射线相对于经过单位长度真空的X射线产生的波面移动；β的物理意义是经过单位长度物质的X射线产生的复振幅下降。根据δ和β的物理意义，假设入射X射线复振幅为1，则经过一个样品后，其出射复振幅可以表达为，其中Φ和M分别表达为沿着X射线的路径积分，，称为相移，，称为吸收，其中，称为线性衰减系数。因为在硬X射线波段轻元素的δ比β大三个量级以上，所以相移引起光强变化有可能比吸收产生光强衰减大得多。
荷兰科学家泽尼克（Zernike）是相位衬度成像的第一人。早在1935年，他就在可见光波段提出了相位衬度纳米CT的理论和方法，为此他荣获了1953年的诺贝尔物理学奖。目前人们已经成功地将泽尼克相位衬度纳米CT方法推广到以波带片为物镜的X射线纳米CT，研制成功利用相移环获得相位衬度的X射线相位衬度纳米CT。然而，泽尼克发明的相位衬度纳米CT一直都没有解决相位衬度定量化问题。究其原因，主要有两个。首先，相移环所占的横截面积大于零频光所占横截面积，在对零频光相移的同时，也相移了零频光附近的低频光，导致光晕（halo）伪影的产生。其次，在吸收可以忽略的弱相移条件下，相移和光强响应才近似满足线性关系；当吸收不能忽略时，不能区分吸收的光强响应和相移的光强响应。
为了在X射线显微镜中实现相位衬度成像定量化，已经授权公布了两个利用样品折射的X射线微分相位衬度显微镜发明专利。第一个是基于吸收环的X射线微分相位衬度显微镜（专利申请号201210592499.0），第二个是基于光栅的X射线微分相位衬度显微镜（专利申请号201610617865 .1）。因为这两个X射线微分相位衬度显微镜所依据的折射率相移项重建公式为
,
仅采集和利用折射角水平分量θx（即垂直样品转轴的折射角分量），缺少折射角垂直分量 θy（即平行样品转轴的分量），所以在重建的冠状像和矢状像中会出现水平方向的条状伪影，导致折射率相移项难以实现完美重建。虽然为了解决采样不完备的问题，已经公开了一个利用倾斜光栅实现折射角水平分量θx和折射角垂直分量θy同时采样的发明专利（专利申请号：202211147928.3），但是如何将倾斜光栅应用于X射线微分相位衬度纳米CT并推导出具体的成像方法，目前学术界和产业界都是一片空白。
发明内容
针对背景技术中所提到的现有X射线微分相位衬度纳米CT存在采集信息不完备的缺点，导致重建的图像中出现水平方向的条状伪影等情况使图像难以辨读，本发明通过在X射线纳米CT中引入环形倾斜光栅X射线锥束照明，同时采集和利用折射角水平分量、折射角垂直分量，提高了折射角图像重建质量。本发明还进一步的提供了X射线微分相位衬度纳米CT的图像采集方法、折射角成像方法、线性吸收系数成像方法、线性扩散系数成像方法。
本发明的技术方案如下：
一种X射线微分相位衬度纳米CT系统，其包括：环形倾斜栅状锥束X射线源、样品台、物镜、分析光栅和成像探测器。
所述环形倾斜栅状锥束X射线源为单色X射线光源，用于提供具有空间倾斜光栅结构的空心锥光束；所述环形倾斜栅状锥束X射线源的中间部位的光强为0。
所述环形倾斜栅状锥束X射线源的光栅结构周期为微米量级；所述环形倾斜栅状锥束X射线源的光栅倾斜角度为0°-90°。
所述样品台位于物面，用于承载样品，并能平移和旋转样品。
所述物镜为波带片或者其它具有X射线透镜成像功能的光学元件，用于把位于物面的具有纳米量级的样品结构放大为像面上具有微米量级结构的像，并使环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构上被空心锥光束照明的环形部分在物镜后焦面附近形成环形光栅像及环形光栅像光束。
所述分析光栅为周期为微米或者亚微米量级的吸收光栅，位于物镜后焦面附近，其形状和尺寸与所述环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构在物镜后焦面附近的环形光栅像相同，用于对所述物镜后焦面附近的环形光栅像光束进行滤波。
所述成像探测器位于像面，用于拍摄样品的二维放大像。
本发明所提供的一种用于所述X射线微分相位衬度纳米CT系统的图像采集方法，包括如下步骤：
S1，开启并调整环形倾斜栅状锥束X射线源：使所述照明光源产生的X射线空心锥光束对准样品；
S2，调整物镜：使物镜聚焦形成的成像光束对准位于像面的成像探测器；
S3，馈入并调整分析光栅：使分析光栅的环形对准环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构在物镜后焦面附近形成的环形光栅像，围绕光轴旋转环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构或分析光栅，使环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构和分析光栅的栅条平行；
S4，测角度信号响应曲线：沿着垂直于光轴和光栅栅条方向逐步移动环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构或分析光栅，使环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构的环形光栅像相对分析光栅发生剪切位移，用成像探测器在像面测得光强随光栅位移变化的角度信号响应曲线；
S5，用余弦曲线拟合角度信号响应曲线：因为角度信号响应曲线类似于余弦曲线，所以用余弦曲线拟合测得的角度信号响应曲线，使其获得余弦曲线的解析表达；
S6，拍摄样品二维放大像：把环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构或分析光栅固定在所述角度信号响应曲线的谷位、上坡位、峰位、下坡位，在样品台上放置样品，拍摄样品的谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像；
S7，采集微分相位CT所需整套折射角像：样品围绕样品转轴逐步旋转，从0°开始，到360°结束，样品每旋转一步，都要拍摄谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像；换言之，样品每旋转一步，都要重复一遍步骤S6；
S8以样品像中心为原点，建立像平面坐标系（X,Y），探测器在样品旋转角度为时拍摄的谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像分别表示为IV（X,Y,)、IU（X,Y,)、IP（X,Y,)、ID（X,Y,)。
本发明所提供的一种X射线微分相位衬度纳米CT系统的折射角成像方法，包括如下步骤：
S10，确定是否忽略样品散射；
S11，在不忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像水平分量；
当样品旋转角度为时，样品在像面的折射角像为
,
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
;
S12，在不忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像垂直分量；
旋转角度为+π时，样品在像面的折射角像为
,
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
，
其中p为分析光栅的周期，do为样品相对物镜的物距，di为样品相对物镜的像距；
SO为环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构相对物镜的物距，Si为环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构相对物镜的像距；
S13，在忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像水平分量；
旋转角度为时，样品在像面的折射角像可以用上坡放大像和下坡放大像表达为
,
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
;
S14，当忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像垂直分量；
旋转角度为+π时，样品在像面的折射角像可以用上坡放大像和下坡放大像表达为
,
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
；
S15，计算样品在物面自然坐标下的折射像水平分量。自然坐标下的折射角水平分量可以用采集的光栅坐标下折射角分量表达为
, 0°≤ω≤90 ；
S16，计算样品在物面自然坐标下的折射像垂直分量。自然坐标下的折射角的垂直分量可以用采集的光栅坐标下折射角分量表达为
, 0°≤ω≤90；
S17，重建样品在物面自然坐标下的折射率实部减小量梯度，
.
其中，;
S18，重建样品在物面自然坐标下的折射率实部减小量
。
本发明提供一种所述X射线微分相位衬度纳米CT系统的线性衰减系数成像方法，包括如下步骤：
S21，计算样品在像面的吸收像；样品在X射线微分相位衬度纳米CT样品台上，旋转角度为时，样品在像面的吸收像为
;
其中I0为样品的入射光强，Rmax和Rmin分别为角度信号响应曲线的最大值和最小值；
S22，计算样品在物面的吸收像。样品在物面的吸收像为
；
S23，重建样品在物面的线性衰减系数。线性衰减系数的三维重建公式为
。
本发明提供一种X射线微分相位衬度纳米CT系统的线性扩散系数成像方法，包括如下步骤：
S31，计算样品在像面的散射方差像。样品在X射线微分相位衬度纳米CT样品台上，旋转角度为时，样品在像面的散射方差像为
S32，计算样品在物面光栅坐标下的水平方向的散射方差像。样品在物面光栅坐标下的水平方向的散射方差像为
S33，计算样品在物面光栅坐标下的垂直方向的散射方差像。旋转角度为+π时，样品在像面的散射方差像为
,
样品在物面光栅坐标下的垂直方向的散射方差像为
S34，重建样品在物面光栅坐标下的水平方向线性扩散系数。水平方向线性扩散系数的三维重建公式为：
S35，重建样品在物面光栅坐标下的垂直方向线性扩散系数。垂直方向线性扩散系数的三维重建公式为：
。
本发明的益处是：
（1）与传统的X射线微分相位衬度纳米CT相比，通过引入环形倾斜栅状锥束照明X射线源，解决了采样不完备的缺点，显著改善了重建图像的质量；
（2）本发明提出了简便可行的图像采集方法；
（3）与传统的X射线微分相位衬度纳米CT相比，本发明提出的线性扩散系数的成像方法可以提供两个方向的线性扩散系数图像，而传统的方法只能提供单一方向的线性扩散系数图像。
附图说明
图1为基于光栅的X射线微分相位衬度纳米CT系统；
图2为基于环形倾斜栅状锥束X射线源的X射线微分相位衬度纳米CT系统；
图3为倾斜光栅和样品（箭头代表样品）相对关系示意图；
图4为用于X射线微分相位衬度纳米CT系统的折射角成像方法的流程图。
图中：
1-X射线光源，2-光阑，3-聚光镜，4-分束光栅，5-样品台，6-物镜，7-分析光栅，8-像面，9-环形倾斜栅状锥束X射线源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明公开的实施例的X射线微分相位衬度纳米CT系统及其成像方法做详细的说明，其中也包括本发明中所提出的用于X射线微分相位衬度纳米CT的图像采集方法、折射角成像方法、线性吸收系数成像方法、线性扩散系数成像方法
图1为基于光栅的X射线微分相位衬度纳米CT系统，其内部元件按照X射线传播方向依次包括X射线光源1、光阑2、聚光镜3、分束光栅4、样品台5、物镜6、分析光栅7和像面8构成。
如图2所示的基于环形倾斜栅状锥束X射线源的X射线微分相位衬度纳米CT系统的元件按照X射线传播方向依次包括环形倾斜栅状锥束X射线源9、样品台5、物镜6、分析光栅7和像面8构成。各元件的性质、结构和功能分别叙述如下：
环形倾斜栅状锥束X射线源9：一种单色X射线光源，用于提供具有空间倾斜光栅结构的空心锥光束；其中间部位的光强为0；
进一步地，环形倾斜栅状锥束X射线源9的光栅结构周期为微米量级；环形倾斜栅状锥束X射线源9的光栅倾斜角度为0°-90°。
样品台5：位于物面，用于承载样品，并能平移和旋转样品。
物镜6：为波带片或者其它具有X射线透镜成像功能的光学元件，用于把位于物面的具有纳米量级的样品结构放大为像面上具有微米量级结构的像，并使环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构上被空心锥光束照明的环形部：分在物镜后焦面附近形成环形光栅像及环形光栅像光束。
分析光栅7：周期为微米或者亚微米量级的吸收光栅，位于物镜后焦面附近，其形状和尺寸与所述环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构在物镜后焦面附近的环形光栅像相同，用于对所述物镜后焦面附近的环形光栅像光束进行滤波。
像面8：成像探测器位于其上，用于拍摄样品的二维放大像。
图3所示的倾斜光栅和样品相对关系示意图样品所显示的样式可以起到为本申请的X射线微分相位衬度纳米CT系统公式原理或成像原理补充说明的作用。
上文所提及的一种用于所述X射线微分相位衬度纳米CT系统的图像采集方法，包括如下步骤：
S1，开启并调整环形倾斜栅状锥束X射线源：使所述照明光源产生的X射线空心锥光束对准样品；
S2，调整物镜：使物镜聚焦形成的成像光束对准位于像面的成像探测器；
S3，馈入并调整分析光栅：使分析光栅的环形对准环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构在物镜后焦面附近形成的环形光栅像，围绕光轴旋转环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构或分析光栅，使环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构和分析光栅的栅条平行；
S4，测角度信号响应曲线：沿着垂直于光轴和光栅栅条方向逐步移动环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构或分析光栅，使环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构的环形光栅像相对分析光栅发生剪切位移，用成像探测器在像面测得光强随光栅位移变化的角度信号响应曲线；
S5，用余弦曲线拟合角度信号响应曲线：因为角度信号响应曲线类似于余弦曲线，所以用余弦曲线拟合测得的角度信号响应曲线，使其获得余弦曲线的解析表达；
S6，拍摄样品二维放大像：把环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构或分析光栅固定在所述角度信号响应曲线的谷位、上坡位、峰位、下坡位，在样品台上放置样品，拍摄样品的谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像；
S7，采集微分相位CT所需整套折射角像：样品围绕样品转轴逐步旋转，从0°开始，到360°结束，样品每旋转一步，都要拍摄谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像；换言之，样品每旋转一步，都要重复一遍步骤S6；
S8以样品像中心为原点，建立像平面坐标系（X,Y），探测器在样品旋转角度为时拍摄的谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像分别表示为IV（X,Y,)、IU（X,Y,)、IP（X,Y,)、ID（X,Y,)。
上文所提及的一种X射线微分相位衬度纳米CT系统的折射角成像方法，包括如下步骤：
S10，确定是否忽略样品散射；
S11，在不忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像水平分量；
当样品旋转角度为时，样品在像面的折射角像为
,
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
;
S12，在不忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像垂直分量；
旋转角度为+π时，样品在像面的折射角像为
,
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
，
其中p为分析光栅的周期，do为样品相对物镜的物距，di为样品相对物镜的像距；
SO为环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构相对物镜的物距，Si为环形倾斜栅状锥束X射线源的栅状结构相对物镜的像距；
S13，在忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像水平分量；
旋转角度为时，样品在像面的折射角像可以用上坡放大像和下坡放大像表达为
,
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
;
S14，当忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像垂直分量；
旋转角度为+π时，样品在像面的折射角像可以用上坡放大像和下坡放大像表达为,
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
；
S15，计算样品在物面自然坐标下的折射像水平分量。自然坐标下的折射角水平分量可以用采集的光栅坐标下折射角分量表达为
,0°≤ω≤90 ；
S16，计算样品在物面自然坐标下的折射像垂直分量。自然坐标下的折射角的垂直分量可以用采集的光栅坐标下折射角分量表达为
,0°≤ω≤90；
S17，重建样品在物面自然坐标下的折射率实部减小量梯度，
.
其中，;
S18，重建样品在物面自然坐标下的折射率实部减小量
。
上文所提及的一种所述X射线微分相位衬度纳米CT系统的线性衰减系数成像方法，包括如下步骤：
S21，计算样品在像面的吸收像。样品在X射线微分相位衬度纳米CT样品台上，旋转角度为时，样品在像面的吸收像为
;
其中I0为样品的入射光强，Rmax和Rmin分别为角度信号响应曲线的最大值和最小值；
S22，计算样品在物面的吸收像。样品在物面的吸收像为
;
S23，重建样品在物面的线性衰减系数。线性衰减系数的三维重建公式为
。
上文所提及的一种X射线微分相位衬度纳米CT系统的线性扩散系数成像方法，包括如下步骤：
S31，计算样品在像面的散射方差像。样品在X射线微分相位衬度纳米CT样品台上，旋转角度为时，样品在像面的散射方差像为
；
S32，计算样品在物面光栅坐标下的水平方向的散射方差像。样品在物面光栅坐标下的水平方向的散射方差像为
；
S33，计算样品在物面光栅坐标下的垂直方向的散射方差像。旋转角度为+π时，样品在像面的散射方差像为
,
样品在物面光栅坐标下的垂直方向的散射方差像为
；
S34，重建样品在物面光栅坐标下的水平方向线性扩散系数。水平方向线性扩散系数的三维重建公式为：
；
S35，重建样品在物面光栅坐标下的垂直方向线性扩散系数。垂直方向线性扩散系数的三维重建公式为：
。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (7)
1.一种 X 射线微分相位衬度纳米 CT 系统的成像方法，其特征在于所述 X 射线微分相位衬度纳米 CT 系统包括环形倾斜栅状锥束 X 射线源、样品台、物镜、分析光栅和成像探测器，所述环形倾斜栅状锥束 X 射线源包括栅状结构；所述成像方法包括折射角成像和线性扩散系数成像，
其中折射角成像步骤如下：
S10，确定是否忽略样品散射；
S11，当不忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像水平分量，当样品旋转角度为时，样品在像面的折射角像为
，
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
，
S12，当不忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像垂直分量，旋转角度为时，样品在像面的折射角像为
，
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
，
S13，当忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像水平分量，旋转角度为时，样品在像面的折射角像能用上坡放大像和下坡放大像表达为
，
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
，
S14，当忽略样品散射时，计算样品在物面光栅坐标下的折射像垂直分量，旋转角度为时，样品在像面的折射角像能用上坡放大像和下坡放大像表达为
，
样品在物面光栅坐标下的折射角像为
，
S15，计算样品在物面自然坐标下的折射像水平分量，自然坐标下的折射角水平分量能用采集的光栅坐标下折射角分量表达为
，
S16，计算样品在物面自然坐标下的折射像垂直分量，自然坐标下的折射角的垂直分量能用采集的光栅坐标下折射角分量表达为
，
S17，重建样品在物面自然坐标下的折射率实部减小量梯度，
，
S18，重建样品在物面自然坐标下的折射率实部减小量，
；
其中线性扩散系数成像步骤如下：
S31，计算样品在像面的散射方差像，样品在 X 射线微分相位衬度纳米 CT 样品台上，旋转角度为时，样品在像面的散射方差像为
，
S32，计算样品在物面光栅坐标下的水平方向的散射方差像，样品在物面光栅坐标下的水平方向的散射方差像为
，
S33，计算样品在物面光栅坐标下的垂直方向的散射方差像，旋转角度为 时，样品在像面的散射方差像为
，
样品在物面光栅坐标下的垂直方向的散射方差像为
，
S34，重建样品在物面光栅坐标下的水平方向线性扩散系数，水平方向线性扩散系数的三维重建公式为：
，
S35，重建样品在物面光栅坐标下的垂直方向线性扩散系数，垂直方向线性扩散系数的三维重建公式为：
；
其中， ，p 为分析光栅的周期，do为样品相对物镜的物距，di为成像探测器相对物镜的像距，so为栅状结构相对物镜的物距，si为分析光栅相对物镜的像距； I0 为样品的入射光强，Rmax和 Rmin分别为角度信号响应曲线的最大值和最小值，IV（X,Y,)、IU（X,Y, )、IP（X,Y, )、ID（X,Y, )分别表示谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像。
2. 根据权利要求 1 所述的一种 X 射线微分相位衬度纳米 CT 系统的成像方法，其特征在于：所述环形倾斜栅状锥束 X 射线源为单色 X 射线光源，其中间部位的光强为 0。
3. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种 X 射线微分相位衬度纳米 CT 系统的成像方法，其特征在于：所述环形倾斜栅状锥束 X 射线源的光栅结构周期为微米量级并且其光栅倾斜角度为0-90°。
4. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种 X 射线微分相位衬度纳米 CT 系统的成像方法，其特征在于：所述样品台位于物面，用于承载样品，并能平移和旋转样品。
5. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种 X 射线微分相位衬度纳米 CT 系统的成像方法，其特征在于：所述物镜为波带片或具有 X 射线透镜成像功能的光学元件，用于把位于物面的具有纳米量级的样品结构放大为像面上具有微米量级结构的像，并使环形倾斜栅状锥束 X 射线源的栅状结构上被空心锥光束照明的环形部分在物镜后焦面附近形成环形光栅像及环形光栅像光束。
6. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种 X 射线微分相位衬度纳米 CT 系统的成像方法，其特征在于：所述分析光栅为周期为微米或者亚微米量级的吸收光栅，位于物镜后焦面附近，其形状和尺寸与所述环形倾斜栅状锥束 X 射线源的栅状结构在物镜后焦面附近的环形光栅像相同，用于对所述物镜后焦面附近的环形光栅像光束进行滤波。
7. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种 X 射线微分相位衬度纳米 CT 系统的成像方法，其特征在于：所述成像探测器位于像面，用于拍摄样品的二维放大像。
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Publications (2)
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