專利名稱：基于低劑量單步光柵的x射線相位襯度成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于基于低劑量單步光柵的X射線相位襯度成像的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，與傳統(tǒng)的可見光光學(xué)不同，X射線光學(xué)中的折射率非常接近于并小于一，因為X射線光子能量經(jīng)常遠大于原子諧振能量。在第一近似中，對于介質(zhì)中小的且可忽略的各向異性而言，可以利用折射率的復(fù)數(shù)形式來表示表征組織的光學(xué)性質(zhì)的折射率，包括X射線吸收η=1.-δ-φ，其中δ是折射率實部的減少量，其表征相移性質(zhì)，而虛部β描述樣本的吸收性質(zhì)。在傳統(tǒng)的基于吸收的放射照相術(shù)中，X射線相移信息通常不直接用于圖形重構(gòu)。然而，在光子能量大于IOkeV處并對于光材料(由低Z元素制成)而言，相移項起到比衰減項更突出的作用，因為δ典型地是β的三個數(shù)量級那么大。因此，與傳統(tǒng)的基于吸收的成像相比，相位襯度模態(tài)可以生成顯著更大的圖像襯度。此外，遠離吸收邊緣，δ與 X射線能量的平方成反比，而β隨能量的四次冪減少。該機制的顯著結(jié)果在于可以利用比吸收低得多的劑量沉積來獲得相位信號，當(dāng)諸如在生物樣本中或在活體系統(tǒng)中必須將輻射傷害納入考慮時這是非常重要的問題。為了記錄相位信號已經(jīng)開發(fā)了若干方法。可以將它們分類為干涉測量方法(利用晶體)、相位傳播方法、基于分析器晶體或基于光柵干涉測量的技術(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)論證了在硬X射線區(qū)域中使用由玻璃板上的金條制成的透射光柵對的雙光柵干涉測量的可行性。該工作自那時以來已經(jīng)被延伸以使用硬χ射線雙光柵干涉儀實現(xiàn)三維斷層照相相位重構(gòu)。最近，已經(jīng)論證了在硬X射線區(qū)域中利用低亮度的基于管的X射線源的三光柵干涉測量。該基于實驗室的儀器對于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用以及對于非破壞性測試而言有很大的興趣。光柵干涉儀安裝在機械上是魯棒的、易于對齊、對于機械漂移具有低敏感度，并且其對時間相干性(δε/Ε 0. 1-0. 2)和空間相干性(幾微米) 的要求是適中的因此，可以容易地按比例放大儀器到大視場，當(dāng)與傳統(tǒng)的X射線管組合使用時這是重要優(yōu)點。這些特性使得光柵干涉測量優(yōu)于其他相位襯度方法并且設(shè)置了廣泛使用相位襯度X射線放射照相術(shù)和斷層照相術(shù)的先決條件。為了從其他貢獻分離相位信息，正常采用相位步進方法。橫向位移光柵中的一個到入射束同時獲取多個投影。檢測器平面中每個像素處的強度信號根據(jù)位移振蕩，并且該強度振蕩的相位可以與波前相位輪廓和與對象折射率實部S的減少量有直接聯(lián)系。顯而易見，該方法負擔(dān)有(長)數(shù)據(jù)獲取時間和釋放到標本的嚴格劑量兩者的限制。因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于提取相位信息的方法和系統(tǒng)，其不需要步進過程，因此克服了數(shù)據(jù)獲取時間和給予標本的劑量兩者的限制
發(fā)明內(nèi)容
該目的由用于從樣本獲得定量X射線圖像的、針對X射線(尤其是硬X射線)的干涉儀關(guān)于系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明來實現(xiàn)，該干涉儀包括
a)X射線源;
b)優(yōu)選地為透射幾何形狀的除布拉格晶體之外的衍射光學(xué)元件，下文稱作分束器光
柵；
c)具有空間調(diào)制檢測靈敏度的位置敏感檢測器，具有多個獨立像素；
d)用于記錄檢測器的圖像的裝置；
e)用于評估一系列圖像中每個像素的強度從而針對每個獨立像素將對象的特性標識為吸收主導(dǎo)像素和/或差分相位襯度主導(dǎo)像素和/或X射線散射主導(dǎo)像素的裝置；
其中通過從0到π或連續(xù)旋轉(zhuǎn)或步進旋轉(zhuǎn)樣本或相對于樣本連續(xù)旋轉(zhuǎn)或步進旋轉(zhuǎn)干涉儀和源來采集圖像系列。關(guān)于該方法，根據(jù)本發(fā)明由用于從樣本獲得定量χ射線圖像的方法來實現(xiàn)目的， 所述方法包括步驟
a)提供X射線源；
b)提供優(yōu)選地為透射幾何形狀的除布拉格晶體之外的衍射光學(xué)元件，下文稱作分束器光柵；
c)提供具有空間調(diào)制檢測靈敏度的位置敏感檢測器，其具有多個獨立像素；
d)向探針施加X射線源的發(fā)射并且記錄檢測器的圖像；
e)評估一系列圖像中每個像素的強度，從而針對每個獨立像素將對象的特性標識為吸收主導(dǎo)像素和/或差分相位襯度主導(dǎo)像素和/或X射線散射主導(dǎo)像素；
其中通過從0到2 π連續(xù)旋轉(zhuǎn)或步進旋轉(zhuǎn)樣本或相對于樣本連續(xù)旋轉(zhuǎn)或步進旋轉(zhuǎn)干涉儀來采集圖像系列。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法因此提出了基于光柵干涉測量的創(chuàng)新的、高度靈敏的X射線斷層照相相位襯度成像方法，該方法提取相位襯度信號而無需相位步進(PS)。與現(xiàn)有相位步進方法相比，稱作“反向投影(RP)”的本發(fā)明的主要優(yōu)勢是顯著降低了傳遞的劑量，而圖像質(zhì)量沒有降級。該新技術(shù)為未來的快速和低劑量相位襯度成像方法設(shè)置了先決條件、為成像生物標本和活體內(nèi)研究設(shè)置了基礎(chǔ)。典型地，分束器光柵可以是線光柵，優(yōu)選地是相位光柵；即，具有低X射線吸收而具有相當(dāng)大X射線相移(φ )的光柵，后者優(yōu)選地是
權(quán)利要求
1.一種用于從樣本獲得定量X射線圖像的、針對X射線尤其是硬X射線的干涉儀，包括3)父射線源《射線);b)優(yōu)選地為透射幾何形狀的除布拉格晶體之外的衍射光學(xué)元件，下文稱作分束器光柵 (Gl)；c)具有空間調(diào)制檢測靈敏度的位置敏感檢測器(PSD)，其具有多個獨立像素；d)用于記錄所述檢測器(PSD)的圖像的裝置；e)用于評估一系列圖像中每個像素的強度從而針對每個獨立像素將對象的特性標識為吸收主導(dǎo)像素和/或差分相位襯度主導(dǎo)像素和/或X射線散射主導(dǎo)像素的裝置；其中通過從0到π或連續(xù)旋轉(zhuǎn)或步進旋轉(zhuǎn)樣本或相對于所述樣本連續(xù)旋轉(zhuǎn)或步進旋轉(zhuǎn)所述干涉儀和所述源來采集圖像系列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中所述分束器光柵是線光柵(Gl)，優(yōu)選地是相位光柵；即，具有低X射線吸收而具有相當(dāng)大X射線相移(Φ )的光柵，后者優(yōu)選地是/霄冗\Φ€ I (2/ —1)7 —arcsin0,8, (2/^ D^ + arcsinOJ | 或IJ^mmmJΦ€ {<2/-IJS -archill0.8,+arc+sinaK),其中 /=1，2，3......。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的干涉儀，其中充當(dāng)所述分束器光柵的所述相位光柵通過對硅、聚合物或類似材料的深度蝕刻而制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中接近地在所述檢測器(PSD)之前布置一種分析器光柵，該分析器光柵具有帶有高X射線吸收襯度的一維光柵結(jié)構(gòu)(0)，其周期與相位光柵的自圖像的周期相同，該分析器光柵的線平行于所述相位光柵的那些線；優(yōu)選地，該光柵結(jié)構(gòu)用作防散射網(wǎng)格，或防散射網(wǎng)格用作調(diào)制遮罩。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中具有一維光柵結(jié)構(gòu)的所述分析器光柵被集成到所述檢測器中，所述檢測器的像素是光柵周期大小的2到10倍，像素中具有傳感器的半線對X射線敏感并且沒有傳感器的半線使X射線穿過。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的干涉儀，其中選擇所述分束器光柵(Gl)與所述分析器光柵(G2)之間的距離(D)為由以下等式給定的奇分數(shù)Talbot距離用平行X射線束時，Dn是奇分數(shù)Talbot距離，而當(dāng)使用扇形或錐形X射線束時，Dn’sph是奇分數(shù)Talbot距離，Z是所述源與所述相位光柵之間的距離。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的干涉儀，其中包括一種機構(gòu)以在所述源(X射線) 與所述分束器光柵(Gl)之間或在所述分束器光柵(Gl)與從O到π或到2 π旋轉(zhuǎn)的所述分，其中/7=1，3，5……，以及，其中7=1，2，3……，當(dāng)使析器光柵(G2)之間放置待調(diào)查的樣本。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中放置在所述源與所述分束器光柵(Gl)之間的準直器限制向扇形束照射X射線的空間范圍，使用線陣列檢測器，并且包括一種機構(gòu)，該機構(gòu)允許相對于裝置的支架來(步進或連續(xù)地)旋轉(zhuǎn)所述樣本，旋轉(zhuǎn)軸垂直于扇形的開角，并且優(yōu)選地同時允許沿與所述旋轉(zhuǎn)軸平行的方向相對于所述裝置的支架(步進或連續(xù)地)平移所述樣本。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中置于所述源與所述分束器光柵(Gl)之間的準直器限制向錐形束照射X射線的空間范圍，使用像素陣列檢測器，并且包括一種機構(gòu)，該機構(gòu)允許相對于裝置的支架、垂直于扇形的開角來旋轉(zhuǎn)所述樣本。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的干涉儀，其中針對反向投影數(shù)據(jù)實現(xiàn)分析過程， 所述分析過程包括針對所述檢測器的每個元件分別根據(jù)以下等式(8)和(9)來計算吸收信號M和折射角θ^的步驟
11.一種用于從樣本獲得定量χ射線圖像的方法，包括步驟a)提供X射線源(χ射線)；b)優(yōu)選地為透射幾何形狀的提供除布拉格晶體之外的衍射光學(xué)元件，下文稱作分束器光柵(Gl)；c)提供具有空間調(diào)制檢測靈敏度的位置敏感檢測器(PSD)，其具有多個獨立像素；d)向探針施加所述X射線源的發(fā)射并且記錄所述檢測器(PSD)的圖像；e)評估一系列圖像中每個像素的強度，從而針對每個獨立像素將對象的特性標識為吸收主導(dǎo)像素和/或差分相位襯度主導(dǎo)像素和/或X射線散射主導(dǎo)像素；其中通過從0到2 π連續(xù)旋轉(zhuǎn)或步進旋轉(zhuǎn)所述樣本或相對于所述樣本連續(xù)旋轉(zhuǎn)或步進旋轉(zhuǎn)干涉儀來采集圖像系列。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述分束器光柵是線光柵(G1)，優(yōu)選地是相位光柵；即，具有低X射線吸收而具有相當(dāng)大X射線相移(Φ )的光柵，后者優(yōu)選地是
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中充當(dāng)所述分束器光柵的所述相位光柵通過對硅、聚合物或類似材料的深度蝕刻而制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中接近地在所述檢測器(PSD)之前布置一種分析器光柵，該分析器光柵具有帶有高X射線吸收襯度的一維光柵結(jié)構(gòu)(0)，其周期與相位光或柵的自圖像的周期相同，該分析器光柵的線平行于所述相位光柵的那些線；優(yōu)選地，該光柵結(jié)構(gòu)用作防散射網(wǎng)格，或防散射網(wǎng)格用作調(diào)制遮罩。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的干涉儀，其中選擇所述分束器與分析器之間的距離為由以下等式給定的奇分數(shù)Talbot距離
16.根據(jù)前述權(quán)利要求11至15中任一項所述的方法，其中通過在基本上垂直于進入束和至少一個光柵(G1，G2)中的線取向兩者的方向(Xg)上相對于所述探針定位光柵(G1，G2) 中的至少一個來實現(xiàn)偏移曲線上的半斜率的位置。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求11至16中任一項所述的方法，其中包括一種機構(gòu)以在所述源 (X射線)與所述分束器光柵(Gl)之間或在所述分束器光柵(Gl)與從O到π或到旋轉(zhuǎn)的所述分析器光柵(G2)之間放置待調(diào)查的樣本。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中放置在所述源與所述分束器光柵(Gl)之間的準直器限制向扇形束照射X射線的空間范圍，使用線陣列檢測器，并且包括一種機構(gòu)，該機構(gòu)允許相對于裝置的支架來(步進或連續(xù)地)旋轉(zhuǎn)所述樣本，旋轉(zhuǎn)軸垂直于扇形的開角，并且優(yōu)選地同時允許沿與所述旋轉(zhuǎn)軸平行的方向相對于所述裝置的支架(步進或連續(xù)地)平移所述樣本。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中置于所述源與所述分束器光柵(Gl)之間的準直器限制向錐形束照射X射線的空間范圍，使用像素陣列檢測器，并且包括一種機構(gòu)，該機構(gòu)允許相對于裝置的支架、垂直于扇形的開角來旋轉(zhuǎn)所述樣本。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求11至19中任一項所述的方法，其中針對反向投影數(shù)據(jù)實現(xiàn)分析過程，所述分析過程包括針對所述檢測器的每個元件分別根據(jù)以下等式(8)和(9)來計算吸收信號M和折射角θ^的步驟
21.根據(jù)前述權(quán)利要求11至20中任一項所述的方法，其中具有一維光柵結(jié)構(gòu)的所述分析器光柵被集成到所述檢測器中，所述檢測器的像素是光柵周期大小的2到10倍，像素中具有傳感器的半線對X射線敏感并且沒有傳感器的半線使X射線穿過。
全文摘要
相敏X射線成像方法可以提供與傳統(tǒng)的基于吸收的成像相比基本上增加的襯度，并且因此提供新的且否則不可訪問的信息。在硬X射線相位成像中將光柵作為光學(xué)元件的使用克服了已經(jīng)損害相位襯度在X射線放射照相術(shù)和斷層照相術(shù)中的更廣泛應(yīng)用的某些問題。到目前為止，為了將相位信息從利用光柵干涉儀檢測的其他貢獻中分離出來，已經(jīng)考慮了相位步進方法，其隱含著對多個放射照相投影的獲取。在這里，基于光柵干涉儀提出了創(chuàng)新的、高度靈敏的X射線斷層照相相位襯度成像方法，其提取相位襯度信號而無需相位步進。與現(xiàn)有的相位步進方法相比，稱為“反向投影”的該新方法的主要優(yōu)勢是顯著地降低了傳遞的劑量而圖像質(zhì)量沒有降級。該新技術(shù)為未來的快速和低劑量的相位襯度成像方法設(shè)置了先決條件，為成像生物標本和活體內(nèi)研究設(shè)置了基礎(chǔ)。
文檔編號A61B6/00GK102325498SQ201080006650
公開日2012年1月18日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月5日
發(fā)明者斯塔姆帕諾尼 M., 吳自玉, 朱佩平 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所, 保羅·謝勒學(xué)院