一種x射線光柵相位襯度成像裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)成像、無損檢測、公共安全檢查等技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種X射線 光柵相位襯度成像裝置和方法，特別是一種大視場、高襯度、低劑量的硬X射線光柵相位襯 度成像裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)有的X射線成像技術(shù)中，圖像襯度來源于物體對X射線吸收性質(zhì)的差異。因 此，該種技術(shù)在對金屬、骨骼等重元素組成的物體進行成像時，能夠獲得很高的圖像襯度。 但是，在對主要由碳、氨、氧等輕元素組成的物體（如人體組織、有機聚合物材料等）進行成 像時，圖像襯度太低，得不到有用的物體信息。
[0003] 相對于傳統(tǒng)的吸收襯度成像，X射線相位襯度成像技術(shù)在對主要由碳、氨、氧等輕 元素組成的物體進行成像時，能夠獲得很高的圖像襯度。在硬X射線波段（10 - l(K)keV)， 對碳、氨、氧等元素，其折射率相位項是其吸收項的1000多倍（參見Momose A,化kuda J 白勺"Phase contrast radiographs of nonstained rat cerebellar specimen，，，Med. Phys. 22, 375 (1995))。因此，對軟組織等弱吸收物質(zhì)來說，測量X射線穿過物體時的相移信 息要比檢測振幅衰減信息有效得多。X射線相位襯度成像技術(shù)正是通過記錄X射線穿過物 體后相位的改變量（即相移）而形成圖像襯度的成像技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的吸收襯度成像，相 位襯度成像能夠獲得更高的圖像襯度、更低的嬌射劑量。自20世紀(jì)90年代中期W來，隨著 理論和實驗方法的發(fā)展，X射線相位襯度成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等 多個領(lǐng)域的探索研究中。
[0004] 目前，硬X射線相位襯度成像方法主要有四種：晶體干涉化成像（參見Bonse U，Hart M 的"An X-ray inte:rferometer，，，Appl.Phys.Lett.6，155(1965)和 Momose A, Takeda T, Itai Y 白勺"Phase-contrast X-ray computed tomography for observing biological soft tissues", Nat. Med. 2, 473 (1996))、光柵相位襯度成像（參見 Momose A, Kawamoto S, Koyama I，Hamaishi Y，Takai K,Suzuki Y 的"Demonstration of X-ray Ta化ot inte:rferomet:ry"，Jpn. J. Appl. Phys. 42 (7B)，L866 (2003)和 Pfeiffer F, Weitkamp T，Bunk 0 等人白勺"Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with Iwo-brilliance X-ray sources", Nat. Phys. 2, 258 口006))、衍射增強成像（參見 Davis T J, Gao D, Gureyev T E等人白勺"Phase-contrast imaging of weakly absorbing materials using hard X-rays"，Nature373,595 (1995)矛口 Chapman D, Thomlinson W，Johnston RE 等人的"Diffraction enhanced x-ray imaging", Phys. Med. Biol. 42, 2015 (1997))、相 位傳嬌成像（參見 Snigirev A，Snigireva I，Kohn V，Kuznetsov S，Schelokov I 的"On the possibilities of x-ray phase contrast microimaging by coherent high-energy synchrotron radiation"，民ev. Sci. Instrum. 66,5486 (1995)矛口 Wilkins S W，Gureyev TE，Gao D 等人白勺"Phase-contrast imaging using polychromatic hard X-rays"， Na化re384, 335(1996))。其中，晶體干涉化成像方法要求使用同步嬌射光源，成像視場只有 幾個厘米，對成像裝置的穩(wěn)定性要求很高（入射X射線波長量級），因而不可能真正應(yīng)用到 臨床醫(yī)學(xué)成像；衍射增強成像方法對照明X射線的單色性和準(zhǔn)直性要求很高，目前主要集 中在同步福射光源上進行，成像視場受限于晶體的尺寸，只能到幾個厘米，不能滿足臨床醫(yī) 學(xué)診斷等領(lǐng)域的要求；相位傳播成像方法對照明X射線的空間相干性要求很高，不能有效 利用常規(guī)X光源，同時成像視場也只有幾個厘米，無法推廣到臨床醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。
[0005] 2006年，化化ot-Lau干涉儀的提出，使得硬X射線相位襯度成像的臨床應(yīng)用出現(xiàn) 了一絲曙光?；痮t-Lau干涉儀的成像原理是基于X射線相位光柵的分束化化ot自成像 效應(yīng)。如附圖1所示，空間部分相干X射線照射下，相位光柵G1后某些特定距離處，其衍射 強度分布在橫向出現(xiàn)周期性變化，該一現(xiàn)象稱之為分?jǐn)?shù)化化ot自成像，相應(yīng)的距離稱之為 分?jǐn)?shù)化化ot距離。其中，空間部分相干照明要求相位光柵G1的周期不大于照明X射線的 空間相干長度。
[0006] 如附圖2所示化化ot-Lau干涉儀由X光源21、源光柵GO、相位光柵G1、吸收光柵 G2和探測器22構(gòu)成。相位光柵G1的相移等于n，周期pi要求小于照明X射線的空間相 干長度Ls
[0007] Ls =入 L/s
[0008] 其中，A是照明X射線的波長，A《0.1納米，s是照明X光源的尺寸。在 化化ot-Lau干涉儀中，空間相干長度Ls只有幾個微米，因此相位光柵G1的周期pi只能是 幾個微米；吸收光柵G2的周期p2等于相位光柵G1自成像的周期，也只有幾個微米；G1與 G2的間距，等于相位光柵G1的某一階次分?jǐn)?shù)化化ot距離化，
[0009]
【主權(quán)項】
1. 一種X射線光柵相位襯度成像裝置，包括源發(fā)射器（31)、源光柵（GO)、分束光柵 (Gl)、分析光柵（G2)和探測器（32)，該源光柵（GO)、分束光柵（Gl)、分析光柵（G2)和探 測器（32)依次設(shè)置在源發(fā)射器（31)的傳播路徑上，其特征在于：分束光柵（Gl)的周期為 30~50 μ m、高寬比不大于20。
2. 如權(quán)利要求1所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述源發(fā)射器 (31)為硬X光源。
3. 如權(quán)利要求2所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述硬X光源的 能量大于60keV。
4. 如權(quán)利要求1所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述源光柵（GO)、 分束光柵（Gl)和分析光柵（G2)均為吸收光柵。
5. 如權(quán)利要求1所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)的空占比小于0.5。
6. 如權(quán)利要求1所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)的尺寸大于 10Omm X 10Omnin
7. 如權(quán)利要求1所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)到所述分析光柵（G2)的距離為1~2米。
8. 如權(quán)利要求1所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述光柵（G0、G1、 G3)均為曲面光柵，在成像視場范圍內(nèi)始終滿足正入射條件。
9. 如權(quán)利要求1所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)、分析光柵（G2)均是二維光柵。
10. 如權(quán)利要求1所述的硬X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述源發(fā)射器 (31)是中子發(fā)射器。
11. 一種X射線光柵相位襯度成像方法，包括如下步驟： 將源光柵（G0)、分束光柵（Gl)、分析光柵（G2)和探測器（32)依次設(shè)置在源發(fā)射器 (31)的傳播路徑上； 將物體（33)緊貼分束光柵（Gl)并朝向分析光柵（G2)放置； 源光柵（GO)將來自源發(fā)射器（31)的束源分為多個獨立束源，分束光柵（Gl)在分析光 柵（G2)平面產(chǎn)生光強陣列，物體（33)對束源的折射導(dǎo)致強度陣列的橫向移動，被分析光柵 (G2)探測到，并轉(zhuǎn)化為能被探測器（32)記錄的強度變化； 其特征在于，其中分束光柵（Gl)的周期為30~50 μ m、高寬比不大于20。
12. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像方法，其特征在于：所述源發(fā)射器 (31)為硬X光源。
13. 如權(quán)利要求12所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述硬X光源 的能量大于60keV。
14. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像方法，其特征在于：所述源光柵 (G0)、分束光柵（Gl)和分析光柵（G2)均為吸收光柵。
15. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)的空占比小于0. 5。
16. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像裝置，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)的空占比為0.2~0.4。
17. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像方法，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)的尺寸大于 10OmmX 10Omnin
18. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像方法，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)到所述分析光柵（G2)的距離為1~2米。
19. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像方法，其特征在于：所述光柵（G0、 Gl、G3)均為曲面光柵，在成像視場范圍內(nèi)始終滿足正入射條件。
20. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像方法，其特征在于：所述分束光柵 (Gl)、分析光柵（G2)均是二維光柵。
21. 如權(quán)利要求11所述的X射線光柵相位襯度成像方法，其特征在于：所述源發(fā)射器 (31)是中子發(fā)射器。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大視場、高襯度、低劑量的硬X射線光柵相位襯度成像裝置和方法，所述裝置包括源發(fā)射器(31)、源光柵(G0)、分束光柵(G1)、分析光柵(G2)和探測器(32)，該源光柵(G0)、分束光柵(G1)、分析光柵(G2)和探測器(32)依次設(shè)置在源發(fā)射器(31)的傳播路徑上，分束光柵(G1)的周期為30～50μm、高寬比不大于20。本發(fā)明通過增大光柵周期，提高分束光柵的空占比，同時增加物體到分析光柵的距離，提供了一種高圖像襯度、低輻射劑量、大視場相位襯度成像的裝置與方法，并且本發(fā)明能夠利用常規(guī)多色X光源和現(xiàn)有的光柵制作工藝，適于實際臨床應(yīng)用。
【IPC分類】A61B6-02, G01N23-04
【公開號】CN104622492
【申請?zhí)枴緾N201310557196
【發(fā)明人】吳自玉, 王志立, 高昆, 劉剛, 潘志云
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2013年11月11日
【公告號】WO2015066977A1