專利名稱：X射線光柵相襯成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透視成像領(lǐng)域，具體涉及用x射線對物體進(jìn)行照相成像
以及CT成像。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)是利用物質(zhì)材料對X射線的衰減特性來非破 壞性地檢查物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果物體內(nèi)部的各部分結(jié)構(gòu)組成的密度差 異明顯，則傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)的效果尤為顯著。但是，以輕元素(例 如氫、炭、氮和氧)構(gòu)成的物質(zhì)，它們對X射線來說是弱吸收物質(zhì)，所 以用傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)幾乎看不到它們內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)。即使是用 其它輔助的手段，例如給生物組織打上造影劑也很難得到清晰的圖像。
二十世紀(jì)九十年代中期，由于第三代同步輻射裝置的發(fā)展，硬x射
線位相襯度成l象(phase—contrast imaging,簡稱相才十成〈象)^支術(shù)應(yīng)運(yùn) 而生。相襯成像技術(shù)，就是通過捕捉X射線的相移信息來觀察物體內(nèi)部 的電子密度變化，從而揭示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相襯成像技術(shù)使X射線成 像的空間分辨率由毫米量級推進(jìn)到微米量級甚至納米量級，并將X射線 成像可檢測的物質(zhì)范圍由對X射線高吸收的重元素物質(zhì)擴(kuò)展到弱吸收的 輕元素物質(zhì)。
至今，借助同步輻射射線源的高亮度和良好的相干性，相襯成像技 術(shù)已經(jīng)發(fā)展了至少4種的成像方法干涉法、類同軸成像、衍射增強(qiáng)成 像和光柵相襯成像等。這些技術(shù)與傳統(tǒng)X射線成像技術(shù)、MRI技術(shù)、超聲 技術(shù)等各種現(xiàn)有成像技術(shù)相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此，相襯成像技術(shù)已 經(jīng)成為X射線成像領(lǐng)域里最前沿的技術(shù)之一。然而，相襯成像技術(shù)對X 射線源的苛刻要求和自身的成像特點(diǎn)，極大限制了它在醫(yī)學(xué)上的臨床應(yīng) 用。
首先，從X射線源方面來說，同步輻射裝置的造價昂貴、體積龐大，
視場小(十毫米量級)，限制了它的應(yīng)用范圍。另外一個選擇是微焦點(diǎn)x射線源，它發(fā)出的X射線具有部分相干性，可以實(shí)現(xiàn)相襯成像。但是，
微焦點(diǎn)x射線源亮度非常低，因此探測器需要曝光時間相當(dāng)長(幾十秒
甚至幾分鐘)，這也是臨床應(yīng)用所不能容忍的。如果能在通用x射線機(jī) 上實(shí)現(xiàn)相襯成像，那么將是非常有實(shí)際價值和意義的事情。
其次，從相襯成像方法的自身特點(diǎn)而言，干涉法、類同軸在實(shí)際使 用中受到一定的限制。由于干涉法、類同軸成像通過觀察相干x射線的
干涉現(xiàn)象或Fresnel衍射現(xiàn)象來獲取位相信息，都需要具有很高空間相 干性的X射線源和分辨率達(dá)微米量級的探測器。但是這兩種裝置都很昂 貴，而且微米分辨率的探測器的面積一般都很小(幾平方厘米左右)， 這就決定了整個成像系統(tǒng)的視場也比較小，從而做不了大樣品的成像檢 查。衍射增強(qiáng)成像方法雖然可以使用通用X射線機(jī)和分辨率不那么高的 探測器來實(shí)現(xiàn)高對比度(密度分辨率)的物體邊緣增強(qiáng)的成像，但是光 路中單色晶體的單色作用使得視場扁小，單色光亮度降低。因此，這些 相襯成像方法在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用中具有一定的局限性。
在2002年，瑞士PSI (Paul Scherrer學(xué)院)的David C等人年在 ESRF (European Synchrotron Radiation Faci 1 i ty，歐洲同步輻射裝置) 上用2個相位光柵和1個分析晶體形成的光路上首次實(shí)現(xiàn)了基于光 柵衍射Tabot效應(yīng)的石更X射線光柵相襯成j象方法。2003年，日本的 Momose A等人在Spring-8上也展開了基于位相光柵和吸收光柵的光 柵相襯成像方法的研究，提出用兩個光柵提取一 階位相信息的技術(shù)。 在2003年，瑞士 PSI的Weitkamp T和Pfeiffer F等人在David C 工作的基礎(chǔ)上在SLS (Swiss Light Source,瑞士光源)和ESRF上同 樣實(shí)現(xiàn)了基于2個光柵的相襯成像技術(shù)。然而，上述方法都是基于 同步輻射射線源上進(jìn)行的，視場都很小，極大限制了相襯成像的應(yīng) 用。
在2006年，Pfeiffer F等人于2006年取得了重要的突破，他 們使用三塊功能不同的光柵實(shí)現(xiàn)了基于通用X射線機(jī)的光柵相襯成 像方法，克服了衍射增強(qiáng)成像方法視場小的缺點(diǎn)，得到了接近64mm x 64mm大小視場，從此為相襯成像技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用開拓了切實(shí)可行的道路。但是，他們所建的光柵相村成像系統(tǒng)的成像時間比較長(曝
光時間為40秒)，無法進(jìn)行活體實(shí)驗(yàn)。這種方法使用了源光柵(source grating)將X射線機(jī)射線源分成一 系列寬度在25微米到50微米之 間的、互不相干的線射線源。單個線射線源的發(fā)出的X射線是部分 相干的，與相位光柵作用產(chǎn)生Talbot效應(yīng)。在本質(zhì)上，這種成像方 法利用源光柵使通用X射線機(jī)發(fā)出的非相干光產(chǎn)生部分相干性，再 利用光柵衍射的Talbot效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)相襯成像。
因此，現(xiàn)已有的所有的相襯成像方法(包括光柵相襯成像方法) 的本質(zhì)是利用相干或者部分相干的X射線的干涉或衍射現(xiàn)象來增強(qiáng) 輻射圖像的低對比度分辨率(也就是密度分辨率)。因?yàn)橥ㄓ肵射 線機(jī)發(fā)出的X射線是多色、非空間相干的，根據(jù)Talbot效應(yīng)原理， 對于現(xiàn)有的光柵相襯成像技術(shù)來說，必須使用3個不同功能的光柵 來實(shí)現(xiàn)，而且，相位光柵和吸收光柵之間的距離(被稱為Talbot距 離)必須選取恰當(dāng)，才能滿足多色條件下Talbot效應(yīng)的成像要求。 為了實(shí)現(xiàn)在硬X射線的光柵衍射，對光柵的制作提出了很高的要求 微米量級周期的精度、大深寬比。這些不利因素將極大限制光柵相 襯成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)和工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出 一 種采用非相干方法實(shí)現(xiàn)的相襯成像系統(tǒng)，其使用兩 個吸收光柵在多色、非空間相干的射線源(通用X射線機(jī))下獲得X 光穿過物體后的 一 階微分相移信息，從而由此重建物體的圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種X射線光柵相襯成像系統(tǒng)，用 于對物體進(jìn)行成像檢測，該系統(tǒng)包括X射線發(fā)射裝置，用于向被檢測物 體發(fā)射X射線束；第一和第二吸收光柵，二者依次位于X射線方向上，經(jīng)被 檢測物體折射的X射線經(jīng)由該第一和第二吸收光柵形成強(qiáng)度變化的X射線 信號；檢測單元，接收所述強(qiáng)度變化的X射線，將X射線信號轉(zhuǎn)換為電信號； 以及數(shù)據(jù)處理單元，處理所述電信號，提取電信號中的X射線折射角信息， 并利用所述折射角信息取得物體的像素信息；成像單元，利用所述像素 信息重建物體的X射線投影圖像。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種利用X射線對物體進(jìn)行成像檢測的
方法，該方法包括向被檢測物體發(fā)射X射線束；使經(jīng)物體折射的X射線經(jīng) 由第一和第二吸收光柵形成強(qiáng)度變化的X射線信號；接收所述強(qiáng)度變化的 X射線，并將接收到的X射線信號轉(zhuǎn)換為電信號；以及從所述接收的電信 號中，提取X射線束經(jīng)過物體的折射角信息，以及利用預(yù)定的算法得出物 體的像素信息。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種X射線光柵相襯CT成像系統(tǒng)，其 除了包括第一方面所述的系統(tǒng)組成外，還包括一個旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，用于使得 被檢測的物體相對于X射線源和光柵、檢測單元等進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。所述CT成像 系統(tǒng)在CT模式下，可以通過旋轉(zhuǎn)被檢測的物體，獲得各個投影角度下的 折射角信息及相應(yīng)的平面像素信息，進(jìn)而利用預(yù)定算法來重構(gòu)物體內(nèi) 部的折射率分布的斷層圖像。
本發(fā)明最大的優(yōu)點(diǎn)是完全擺脫了對射線源相干性的依賴，沒有 Tablot距離的限制，而且能使用十微米量級以上的周期的光柵實(shí)現(xiàn)近分 米量級視場的相襯成像。與傳統(tǒng)X射線成像相比，本系統(tǒng)能夠?qū)θ跷?物質(zhì)(例如乳腺、血管和肌肉等軟組織、纖維材料、昆蟲等)進(jìn)行高對 比度的成像。與現(xiàn)有相襯成像相比，無需考慮光源的相干性條件，同時 也降低了微米量級周期、大深寬比光柵的制作難度要求，并可很容易地 推廣到使用高能量(M0keV) X光進(jìn)行相襯成像。而且，本發(fā)明的相襯成 像系統(tǒng)與傳統(tǒng)X射線成像系統(tǒng)天然兼容，只需要在傳統(tǒng)X射線成像上架 設(shè)兩光柵平動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明將進(jìn)一 步降低相襯成像實(shí)際應(yīng) 用的門檻，為相襯成像走向醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、工業(yè)材料等領(lǐng)域應(yīng)用開拓嶄 新的思路和途徑，具有重大的實(shí)際意義和應(yīng)用價值。


圖1示出本發(fā)明的光柵相襯成像系統(tǒng)的示意圖； 圖2示出在不同焦點(diǎn)尺寸的射線源照射條件下，兩個光柵使用相位 步進(jìn)技術(shù)時所對應(yīng)的模擬光強(qiáng)變化曲線；
圖3示出X光與物體相互作用后的波陣面變化情況； 圖4示出X射線被物體折射的示意12圖5示出兩個吸收光柵的對X射線的"光閘，，作用；
圖6a和圖6b分別示出根據(jù)本發(fā)明的CT模式的兩種方式；
圖7示出在利用光柵相位步進(jìn)技術(shù)時檢測面上某點(diǎn)在經(jīng)被測物體折
射后與未經(jīng)折射情況下所檢測的X射線的光強(qiáng)變化曲線的比較； 圖8a-8d分別示出使用折射角重建圖像的三個示例； 圖9示出本發(fā)明中使用莫爾干涉法所測條紋的示意圖； 圖10示出根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的示意圖，其中在射線源前面加一
個多縫準(zhǔn)直器；以及
圖11示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的示意圖，其中被測物體放置在兩
吸收光4冊之間。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思設(shè)計的一種X射線光柵相襯成像系統(tǒng)，參見附圖1
所示，其主要包括以下部分
X射線發(fā)射裝置(圖1中用射線源表示)，其用于向被檢測物體(圖
中用物體表示)發(fā)射X射線束；第一和第二吸收光柵(在圖中分別表示 為光柵A和光柵B，其周期分別為；v & ),其平行地依次位于X射線束
的發(fā)射方向上；檢測單元，圖中用探測器表示，用于接收所述X射線， 通過信號轉(zhuǎn)換技術(shù)(例如，數(shù)字化攝影技術(shù)(DR))將X射線信號轉(zhuǎn)換為 電信號；以及數(shù)據(jù)處理單元(圖中并未示出)，用于從所述電信號計算 得出X射線經(jīng)過被檢測物體后的光強(qiáng)變化信息，并利用所述光強(qiáng)變化值 計算得出X射線的折射角信息，以及利用折射角信息計算出所述被檢測 物體的像素信息；成像單元(圖中未示出)，根據(jù)所述的折射角信息(像 素信息)重建物體的圖像并顯示出。
如后文所述，在X射線光柵相襯成像系統(tǒng)的CT使用模式中，可以獲 得多個投影面的折射角信息，病根據(jù)所述折射角信息利用預(yù)定CT構(gòu)圖 算法來重構(gòu)物體內(nèi)部的折射率分布的斷層圖像。
現(xiàn)就各組成部分及具體搡作作進(jìn)一步說明。
X射線發(fā)射裝置
不同于前面背景技術(shù)中提到的3光柵相襯成像技術(shù)，本發(fā)明的相襯成像可以使用非相干的射線源直接照射。也就是說，本發(fā)明的相襯成像 技術(shù)不依靠射線源的相干性(包括時間相干性和空間相干性)，也不需
要考慮光柵衍射或者Talbot效應(yīng)，也能得到相襯圖像。當(dāng)不需要考慮X 射線的相干性時，成像系統(tǒng)可用幾何光學(xué)近似理論來描述。根據(jù)光衍射 原理，X射線與光柵A不產(chǎn)生衍射的條件是
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可以看出，當(dāng)光柵A的周期即A越大，則方程式右側(cè)的值越小，因 此本發(fā)明采用較大周期的光柵也能夠得到滿足要求的相襯圖像。假設(shè)光 柵A的周期為20微米，射線源到光柵距離2米，則
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而通用X射線^/L的焦點(diǎn)尺寸至少幾十孩i:米或幾百樣i米以上，所以通 用X射線機(jī)滿足本發(fā)明系統(tǒng)的要求。20微米周期的光柵與現(xiàn)有光柵相襯 成像技術(shù)要求2或4微米周期的光柵相比，制作難度將大大降低。
然而，也并非射線源焦點(diǎn)尺寸越大就越好，它受制于兩個吸收光柵 的相位步進(jìn)技術(shù)的精度要求。圖2所示，是在例如兩吸收光柵的周期分 別為20微米和22微米，源到光柵A距離2米，兩光柵之間距離0.2米 時，在不同焦點(diǎn)尺寸的射線源照射條件下，兩光柵使用相位步進(jìn)技術(shù)時 某點(diǎn)所對應(yīng)的模擬光強(qiáng)變化曲線。其中橫坐標(biāo)為步進(jìn)大小(0. 5微米/步)， 縱坐標(biāo)為光強(qiáng)值。要注意的是，根據(jù)式(2)估算的結(jié)果，焦點(diǎn)尺寸為l微 米的射線源發(fā)出的X射線是相干的，但為了方便和較大焦點(diǎn)的射線源進(jìn) 行比較，也同樣在幾何光學(xué)近似下的獲得的。從圖2發(fā)現(xiàn)，焦點(diǎn)尺寸越 大，光強(qiáng)變化曲線就越平滑，直至焦點(diǎn)尺寸等于220微米時成為一條直 線。也就是說相位步進(jìn)技術(shù)不再起作用。當(dāng)焦點(diǎn)尺寸大于220微米時， 光強(qiáng)變化曲線呈現(xiàn)其它變化趨勢?？梢酝扑愠錾渚€源焦點(diǎn)尺寸的臨界值
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根據(jù)圖2所示，因?yàn)楫?dāng)焦點(diǎn)尺寸大于這個臨界值時仍有光強(qiáng)變化， 仍可根據(jù)這一點(diǎn)獲得相襯效果的圖像，但襯度效果沒有當(dāng)焦點(diǎn)尺寸小于/Vr^的情況要好。根據(jù)上述結(jié)果，可以得出，在/V,^范圍內(nèi)，焦點(diǎn)尺
寸越小，光強(qiáng)變化曲線越陡，那么提取出來的相襯圖像的襯度也越高。 優(yōu)選情況下，射線源焦點(diǎn)尺寸大小p。要求不超過p一^的一半。當(dāng)然，如
果射線源焦點(diǎn)尺寸p。大于該臨界值的話，也可以采用其他方式來解決此
問題。其中 一種方法是在焦點(diǎn)尺寸大于/ 。的射線源之前放置多縫準(zhǔn)直器
(例如，圖10所示)，這樣將大射線源細(xì)分為一系列等效的小焦點(diǎn)線射
線源，為了提高圖像襯度，每個小焦點(diǎn)線射線源的焦點(diǎn)尺寸大小A,也要
求不超過&^,的一半。當(dāng)然，射線源焦點(diǎn)大小也可以大于p一^，這樣
相襯圖像的襯度由當(dāng)時的光強(qiáng)變化曲線來決定。自然，本領(lǐng)域技術(shù)人員
可以理解，在采用多縫準(zhǔn)直器的情況下，所述距離/實(shí)際上是光柵A與 該多縫準(zhǔn)直器之間的距離，而不是與實(shí)際射線源之間的距離。在射線源 之前放置多縫準(zhǔn)直器來形成具有期望焦點(diǎn)大小的光源的方法為本領(lǐng)域技 術(shù)人員所公知，因此這里將不再詳述。
由于射線源可以是焦點(diǎn)尺寸較大的X射線源，因此通常的商用X射 線機(jī)即可滿足要求。區(qū)別于傳統(tǒng)X射線成像，本發(fā)明的相襯成像技術(shù)要 求射線裝置的工作電壓最好設(shè)置在5-40kVp條件下(具體數(shù)值由吸收光 柵的金高度決定，也就是說金的高度越高，允許使用的工作電壓則越高)。
優(yōu)選地，本系統(tǒng)適合使用小焦點(diǎn)源，它的焦點(diǎn)尺寸優(yōu)選在50 - 1000 微米之間。但如果使用微焦點(diǎn)設(shè)備(焦點(diǎn)小于50微米)，則由于射線源 的空間相干性增加，吸收光柵將產(chǎn)生Talbot效應(yīng)。這種情況和Pfeiffer F的光柵相襯方法的原理一致。這樣，另外一塊吸收光柵只有放置在 Talbot距離的位置點(diǎn)上才能有比較好的成像效果。如果使用焦點(diǎn)大于 1 000微米的射線裝置，那么圖像邊緣模糊會增加，從而不利于圖像襯度 的增強(qiáng)。對于這種情況，可以在射線源前面放置多縫準(zhǔn)直器(每條縫的 寬度大小在50-200微米之間)，如圖IO所示，這樣將大射線源細(xì)分為 一系列等效的小焦點(diǎn)尺寸線射線源，雖然圖像的空間分辨率仍由射線源 焦點(diǎn)尺寸決定，但各線射線源產(chǎn)生的襯度高的圖像疊加在一起，仍能得 到 一個襯度相當(dāng)高的相襯圖像。
光柵部分
15通用X射線機(jī)發(fā)射的X射線束可以是扇束、錐束或平行束。本發(fā)明 中優(yōu)選地是錐束，因此本發(fā)明相襯成像系統(tǒng)所采用的兩個吸收光柵的周
期也優(yōu)選地要求成幾何比例關(guān)系，即 A二丄")
其中，/為射線源到第一個光柵A的距離，d為兩個吸收光柵A和B 之間的距離。
因此，與原有光柵相襯成像技術(shù)相比，本發(fā)明的相襯成像照相及其 CT系統(tǒng)中兩光柵之間的距離y，與所發(fā)射的X射線的波長義無關(guān)，因此與 Talbot距離無關(guān)，可根據(jù)實(shí)際情況需求由式(3)和(4)而定。
又如圖1所示，光纟冊部分包括兩個吸收光纟冊，光4冊A和光一冊B,其 結(jié)合使用用于提取穿過物體的X射線的一階相位變化信息。具體地，對 于吸收光柵， 一般利用MEMS技術(shù)在硅片襯底上電鍍上重金屬材料(例如 Au)線條作為光柵不透光部分；另外也可使用在重金屬材料上刻劃出光 柵。光柵A和光柵B平面都平行于探測器平面(XY方向)。光柵的面積 大小決定了整個相襯成像系統(tǒng)的視場大小。舉例說明，若光柵的襯底為4 英吋石圭片，則系統(tǒng)的一見場在直徑10cm的范圍內(nèi)。
優(yōu)選地，兩個吸收光柵的周期在2 - 30微米之間。所述光柵使用重 金屬作為吸收材料，以金(Au)為例，金的高度由使用的X射線的能量 決定，在10-100微米之間。例如，對20keV的X射線來說，金的高度 大于16微米能阻擋90%的X射線，這樣能獲得襯度比較好的相襯圖像。 其中，光柵A的周期為A,光柵B的周期為A，占空比(duty cycle) 一般為1。如圖1所示，兩個光柵之間的距離為"。
檢測單元
檢測單元包括探測器，故圖1中用探測器表示所述檢測單元，用于 檢測和記錄X射線的波陣面上的強(qiáng)度變化。優(yōu)選地，所述探測器可以是 矩陣探測器，其中的每個探測元可以檢測射到該單元上的X射線的強(qiáng)度 變化。本系統(tǒng)中的(x射線)探測器，與其它相襯成像方法相比，對探測 器的空間分辨率(象素大小)的要求不高不必要求十幾微米、甚至幾 微米的高分辨率，而是可只使用幾十微米或幾百微米量級的分辨率。當(dāng)然，如果探測器的空間分辨率越高，則最終相襯圖像的信息越清晰。由 于相襯成像的優(yōu)點(diǎn)是能提高圖像的密度分辨率(對比度分辨率)，所以 數(shù)字化攝影技術(shù)DR對探測器的動態(tài)范圍有比較高的要求(〉12bitS)。
每個探測元可以探測到射到其上的X射線的光強(qiáng)變化(如圖6所示)。
其中，光強(qiáng)可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br> 提取X射線束經(jīng)過物體的折射角信息
現(xiàn)以舉例方式，說明利用例如數(shù)字化攝影技術(shù)(DR)從接收到的信 號中提取X射線的 一階相位信息，以及進(jìn)而得到折射角信息。
眾所周知，X射線具有"波粒二象性"。以波動性來看，X射線具備 透射、反射、折射、偏振、相干和不相干散射、衍射等波動性質(zhì)。當(dāng)X 射線穿過某一物體的時候，X射線的振幅因?yàn)槲矬w對它的吸收而減弱；同 時，X射線與物質(zhì)原子相干散射使X射線產(chǎn)生了相移(phase shift), 宏觀上表現(xiàn)為X射線的波陣面產(chǎn)生變形。也就是說，X射線在穿過物體時 發(fā)生了折射現(xiàn)象，如圖3所示。在宏觀上，X射線與物質(zhì)之間的相互作用 可以用物質(zhì)對X射線的復(fù)折射率 〃 來描述
"=H - ,y9( 5 )
其中5與物質(zhì)的相移截面/7相關(guān)，"與物質(zhì)的線性吸收系數(shù)^相關(guān)，
它們之間的關(guān)系如下表示
^ 義 義
其中義為X射線的波長，5被稱為位相因子，"被稱為吸收因子。對
X射線來說，5—般為1(T左右，所以"小于l,因而X射線在物質(zhì)分界
面上只發(fā)生微小的折射，可用折射角^表示(約為微弧度量級)。假設(shè)
在二維XY平面上，X射線沿笛卡兒坐標(biāo)系X軸方向傳播，如圖4所示，
被物體折射的X射線的傳播偏離原來方向的折射角近似為
,丄，(7)
2tt 3乂
其中O(力表示X射線沿傳播路徑M上的總相移。經(jīng)過物體內(nèi)部某幾 何點(diǎn)的X射線的相移為/Kx,力血，則沿傳播路徑積分可求得總相移為 。(>0= JV(x,力血=，(8 )
17結(jié)合式(7)和(8)，得出 <formula>formula see original document page 18</formula>式(9)表明，折射角^是物體內(nèi)部折射率一階微分的沿傳播路徑的 積分。只要我們能夠測量出折射X射線的折射角^，就可根據(jù)式(9)并 結(jié)合相襯CT重建方法求解出物體內(nèi)部折射率"的分布。
因此，如何測量折射角A5是本發(fā)明的兩光柵相襯成像技術(shù)的核心。 根據(jù)幾何光學(xué)近似理論，兩吸收光柵的作用相當(dāng)"光閘" 一樣。當(dāng)兩吸 收光柵相對運(yùn)動的時候，光柵對X射線來說就像閘門一樣時開時閉，從 而引起檢測單元的探測元上的光強(qiáng)變化。例如參見圖5所示，從兩光柵 相襯成像系統(tǒng)的二維平面圖觀察。舉例說明，在沒有物體的情況下，X 射線1被光柵A遮擋即被Au吸收，X射線2不被兩光柵遮擋而順利到達(dá) 探測元。當(dāng)在光路上放上物體后，X射線1被物體折射后的折射角為A《， X射線2被物體折射后的折射角為A《。這時情況發(fā)生變化，X射線l因 折射而順利避開兩光柵的遮擋到達(dá)探測器，X射線2則被光柵B遮擋從而 被Au吸收。這樣一來，探測器所探測到的光強(qiáng)變化反映了 X射線被物體 折射的情況。
具體地，例如利用數(shù)字化攝影技術(shù)(DR)通過相位步進(jìn)技術(shù)或莫爾干 涉測量法可得出折射角信息。
需要注意的是，本發(fā)明涉及的光柵相襯成像使用的射線源是多色射 線源，因此本系統(tǒng)所獲得的信息都是平均能量(I )意義下的折射角信息 ()、 一階相位信息()和折射率信息( )。
為幫助更好地理解本發(fā)明，下面分別討論上述的相位步進(jìn)(Phase stepping) ^支術(shù)牙口莫爾干涉測量法(Moire interf erometry )。 相位步進(jìn)技術(shù)
對于圖5所示的系統(tǒng)，兩光柵(A、 B)相對運(yùn)動例如，光對冊A固定 不動，光柵B沿X方向在光柵周期^距離范圍內(nèi)平移N (NM)步(也可 以光柵B固定不動，光柵A沿X方向步進(jìn))。光柵B每平移一步，系統(tǒng) 采集一次圖像；在平移距離范圍內(nèi)采集N張圖像后，可獲得每個象素(探 測器的探測面上的每個點(diǎn))在一個光柵周期內(nèi)光強(qiáng)變化曲線的分布情況。該光強(qiáng)變化函數(shù)的形狀類似于正弦函數(shù) _y =」sin(ftc + p)( 10 )
其中^表示振幅，5與光柵周期相關(guān)，p表示相位。舉例說明，取塑 料模型(見附圖8a)內(nèi)部的某個象素與背景部分的某個象素的光強(qiáng)變化 曲線進(jìn)行比較，見圖7(為更好地表現(xiàn)差異，兩光柵相對平移了一個半周 期)。從圖7可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X射線被物體折射后，其光強(qiáng)變化曲線相對于 背景的光強(qiáng)變化曲線發(fā)生了移動。光強(qiáng)變化曲線可用正弦函數(shù)來描述， 那么光強(qiáng)變化曲線的移動4/對應(yīng)著正弦函數(shù)的相位變化A^。顯然，當(dāng)兩
光柵相對運(yùn)動一個周期A,則正弦函數(shù)相位^變化27T,所以有
A/.= 2 (11)
2冗
而4Z是由于X射線被折射引起的，它與折射角的關(guān)系是
△/ = (12)
聯(lián)合式(11 )和(12),有
,塗(13)
由此，得到折射角和X射線的相位變化Ap之間的關(guān)系，而Ap也可以 通過比較和計算得出。
舉例說明在下述實(shí)驗(yàn)條件X射線源的焦點(diǎn)尺寸為400微米，光柵A 和光柵B周期分別為20和22微米，源與光柵A距離/為1916. 4隨，兩光 柵距離c/為191. 6睡，探測器分辨率127微米。X射線發(fā)射裝置設(shè)置為高 壓27kVp,電流9.6mA。兩光柵相對運(yùn)動的步長1 ;微米，共步進(jìn)22步， 每步各采集一張投影數(shù)據(jù)。被測物體是直徑1厘米的塑料模型(如圖8a 所示)。為盡量消除噪聲的影響，每張投影圖像共采集400張圖像進(jìn)行疊 加。最后根據(jù)式(13)計算的折射角圖像如圖8b所示。從圖8b發(fā)現(xiàn)， 塑料模型內(nèi)部的三個孔地結(jié)構(gòu)的邊緣清晰地表現(xiàn)出來了 。圖8c和8d顯 示了在同樣系統(tǒng)條件下測量出來的小老鼠的后爪和尾巴的折射角圖像。
莫爾干涉測量法
使得光柵A和光柵B基本上平行，但兩者相對地旋轉(zhuǎn)一微小角度" 根據(jù)莫爾干涉的原理，當(dāng)X射線照射到這兩塊光柵后，在探測器上會觀測到莫爾條紋，條紋周期為 W = & (14)
如圖9所示?？梢姡瑂越小，w越大。當(dāng)X射線經(jīng)物體折射后，其對 應(yīng)的莫爾條紋也將產(chǎn)生相應(yīng)的形變，設(shè)其偏移量為A/,則折射角可通過 式(15 )求出
^ =亞(15)
由此也可以計算得出折射角信息。
綜合上述，可以通過兩種信息提取技術(shù)得到所需的折射角信息。 圖像顯示
利用前述方法獲得的X射線折射角()信息，可通過一定的算法，
例如線性映射法、查表算法，等得出這個點(diǎn)上的像素信息。例如，可以
利用線性映射法計算像素值的公式來實(shí)現(xiàn) z=x255 ( 16 )
其中，z為0-255范圍內(nèi)的像素數(shù)值。這樣，X射線經(jīng)過物體上的每 一點(diǎn)所發(fā)生的折射角M就可以轉(zhuǎn)化為這一點(diǎn)的像素信息。利用得到的關(guān) 于物體每一點(diǎn)的像素信息，可以得出物體的圖像象素值并在顯示器上顯示。
CT圖像重建
源口光柵口探測器三者不動，旋轉(zhuǎn)物體；或者物體不動，源口 光柵□探測器三者同時繞物體旋轉(zhuǎn)，均可實(shí)現(xiàn)對物體的相襯CT成像。
對每一個投影角度^均采用相位步進(jìn)技術(shù)或莫爾干涉測量法計 算當(dāng)前投影角度的折射角信息:
<formula>formula see original document page 20</formula>)
其中/表示x射線傳播路徑。
而傳統(tǒng)CT技術(shù)的基于線性衰減系數(shù)的投影數(shù)據(jù)表達(dá)公式為<formula>formula see original document page 20</formula>
其中f/表示—ln(丄)，/和/。分別為出射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)。我們發(fā)現(xiàn)，式(17)與式(18)非常類似。因此可以借鑒傳統(tǒng)CT重建算法 來重建物體的折射率"(或相位因子^)分布。
如圖6所示，本發(fā)明的兩光柵相襯CT成像系統(tǒng)，根據(jù)物體旋轉(zhuǎn) 中心軸與光柵平行方向(圖1中Z方向)相互關(guān)系，可將CT模式分 為2種方式物體旋轉(zhuǎn)中心軸與光柵平行方向互相平行的方式(平 行方式，如圖6a所示)；物體旋轉(zhuǎn)中心軸與光柵平行方向互相垂直 的方式(垂直方式，如圖6b所示)。這兩種方式的相襯CT重建公 式是不一樣的。
1 )平行方式
在平行模式里，折射角信息a《,可看作 一 個在X 0 Y平面里的矢量， 其矢量方向始終垂直于投影方向。因此，a&的矢量方向會隨著投影 方向的改變而改變，因此就不能直接使用傳統(tǒng)衰減CT的重建算法(a 不隨投影方向改變而改變)來計算物體的折射率"(或相位因子^) 斷層圖像。而因采用針對一階微分投影數(shù)據(jù)的CT重建算法，需要使 用希耳伯特(Hilbert)濾波器對一階微分投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后 再反投影，重建出折射率w (或相位因子^)斷層圖像。
若射線源和物體之間的距離比較遠(yuǎn)，且射線源張角較小的情況 下，可使用一階微分投影數(shù)據(jù)的平行束CT重建公式來近似重建折射 率"(或相位因子c5)斷層圖像
2" JoJ-" " Q9)
其中叫ww41， p>g。式U9)是在頻域極坐標(biāo)系描述。-
卜1,/9 < 0
即是希爾伯特(Hilbert)濾波函數(shù)。Q;,(a釣是折射角a&在頻域極
坐標(biāo)上的表示形式。
當(dāng)然也可直接采用 一 階微分投影數(shù)據(jù)的扇束CT重建公式重建折 射率"(或相位因子S)斷層圖像，其重建公式在實(shí)數(shù)域極坐標(biāo)描述 為
肪2<formula>formula see original document page 21</formula>其中，0(0,.s力是折射角A&在實(shí)數(shù)域極坐標(biāo)表示。尺是源和物體的
距離，D是源和探測器的距離，x是探測器上的像素點(diǎn)距離探測器中 心的距離，U為反投影權(quán)重因子
"=/ + rcos(^i) ( 21 )
實(shí)際上射線源發(fā)射出來的是錐束X射線，因此可以直接采用一 階微分投影數(shù)據(jù)的錐束CT重建公式折射率"(或相位因子5 )斷層圖 像，其重建公式用FDK型表述
、,4丌2^ / +尸.；言",(22)
其中，
r一
A^'Z)表示折射角，F(xiàn)是空間向量所指定的點(diǎn)，^是X射線傳播 方向在x-y平面的投影，,是x-y平面中和^垂直的方向，^是射線 源和物體間距離，D是射線源和探測器間的距離，F(xiàn)表示探測器單元 的橫坐標(biāo)，Z表示探測器單元的縱坐標(biāo)。
2)垂直方式
在平行模式里，折射角信息A 可看作 一 個垂直于在X0Y平面的
矢量(Z方向)，它不隨著投影方向改變而改變，因此可以直接采用 傳統(tǒng)CT里面的平行束，扇束或錐束等重建公式，重建出^(或相位
因子M )斷層圖像。
需要說明的是，本發(fā)明的兩光柵相襯成像照相及其CT系統(tǒng)中， 被檢測物體也可以放置在兩個吸收光柵之間，如圖ll所示，原理如 上所述，同樣也能獲得相襯圖像。
根據(jù)本發(fā)明，CT掃描方式可以分為兩種，即源和探測器不動， 物體自身旋轉(zhuǎn)；或者物體不動，源和探測器繞物體旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)自 動檢測的功能，本發(fā)明的X射線光柵相襯成像系統(tǒng)進(jìn)一步包括機(jī)械
22致動系統(tǒng)，受本發(fā)明成像系統(tǒng)的控制單元的控制，該機(jī)械致動系統(tǒng) 包括旋轉(zhuǎn)裝置，用于僅使被檢測物體發(fā)生相對地旋轉(zhuǎn)。此時，或
者僅有被檢測的物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而x射線發(fā)射裝置-光柵-檢測單元
保持不動；或者，X射線發(fā)射裝置-光柵-檢測單元旋轉(zhuǎn)裝置，而物體
保持不動。在被檢測物體不方便旋轉(zhuǎn)，例如纟皮;險測物體過分龐大時， 這是尤其方便的。當(dāng)然，所述物臺旋轉(zhuǎn)裝置和X射線發(fā)射裝置-光柵 -檢測單元旋轉(zhuǎn)裝置可以同時存在于該機(jī)械控制系統(tǒng)中，或者可以僅 采用其中一種裝置。
現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有多種關(guān)于像素處理的具體方法，例如拉伸和突出 某部分的像素等，本發(fā)明在此處可以借鑒使用。上迷處理過程可以通過 計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其中可以對獲得的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括原始數(shù)據(jù)處 理和顯示、折射角信息提取、對折射角投影數(shù)據(jù)重建出物體圖像以及繪 制三維立體圖像等等，并通過顯示器顯示出來。也就是，本申請所涉及 的數(shù)據(jù)處理單元和顯示單元可以由計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計算機(jī)可以是高性能的 單個PC,也可以是工作站或機(jī)群。顯示器可以是CRT傳統(tǒng)顯示器也可以 是液晶顯示器。另外，檢測單元和數(shù)據(jù)處理及顯示單元可以集成在一個 設(shè)備上。
綜上所述，利用本發(fā)明提供的X射線相襯成像系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)兩種 成像模式，即照相成像模式和CT成像模式，其對于被檢測的物體可以分 別實(shí)現(xiàn)平面成像和立體成像。
實(shí)施例1
在照相成像模式下，被檢測的物體相對地固定，然后采用相位步進(jìn) 技術(shù)或莫爾干涉測量法，采集X射線經(jīng)過物體后的折射角信息，并利用 各點(diǎn)的折射角信息對物體進(jìn)行X射線透視成像，從而獲得該物體的平面圖像。
其中如果使用的探測器是X光膠片或者PI板或者DR探測器設(shè)備，
可獲得兩光柵特定相對位置時的物體的透視圖像。單個透視圖像顯示了 物體內(nèi)部各個結(jié)構(gòu)的邊界的類似一 階微分的增強(qiáng)效果。如果是DR探測器
設(shè)備，可使用采用相位步進(jìn)技術(shù)或莫爾干涉測量法計算得到物體的折射角圖像(相襯圖像)。實(shí)施例2
在CT成像模式下，被檢測物體應(yīng)能夠相對于系統(tǒng)的其他部分如光
柵、射線源轉(zhuǎn)動。所以，為被檢測物體設(shè)置一種轉(zhuǎn)動裝置，用來旋轉(zhuǎn)被檢測的物體，或者是設(shè)置 一 種轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)使得被檢測的物體不動而射線源、光柵等相對地旋轉(zhuǎn)。所述的轉(zhuǎn)動裝置或轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)并未在圖中示出，其根據(jù)已有公知常識可以具有多種實(shí)現(xiàn)方式。并且，這樣的轉(zhuǎn)動裝置或結(jié)構(gòu)與成像系統(tǒng)的控制部分連接，使得轉(zhuǎn)動與系統(tǒng)(步進(jìn)和其他)動作相適
應(yīng)。根據(jù)相襯CT成像原理，該利用本發(fā)明的系統(tǒng)進(jìn)行物體的CT成像可以獲得對物體的各個投影方向進(jìn)行X射線平面成像，然后將獲得的各方向平面投影數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的CT重建處理，從而獲得被檢測物體的折射率的斷層圖像，或立體圖像。
盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，對于目前所給出的公開內(nèi)容，在不脫離這里所描述的本發(fā)明概念的精神范圍內(nèi)可以做出變形。因此，并不意味著本發(fā)明的范圍局限于所示出的和所描述的特定實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種X射線光柵相襯成像系統(tǒng)，用于對物體進(jìn)行透視成像，該系統(tǒng)包括X射線發(fā)射裝置，用于向被檢測物體發(fā)射X射線束；第一和第二吸收光柵，位于X射線束的發(fā)射方向上，用于取得X射線束經(jīng)過物體的折射角信息；檢測單元，位于被檢測物體和所述第一、第二吸收光柵的后面，用于接收經(jīng)所述經(jīng)被檢測物體折射的X射線，并將其轉(zhuǎn)換為可識別的電信號；以及數(shù)據(jù)處理單元，用于處理所述電信號并從其中計算出X射線束在所述物體的各平面位置處的折射角信息；成像單元，用于重建物體的圖像。
2. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所迷X射線裝置發(fā)射非相干的X射線 束，其能量范圍在幾KeV到幾百KeV之間。
3. 如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，該X射線裝置包括X射線源，該X射 線源的焦點(diǎn)尺寸/V滿足/ 0》——;i其中義為X射線的波長，p。為X射線發(fā)射裝置的焦點(diǎn)尺寸，A為所述 第一吸收光柵(A)的周期，/為所述第一吸收光柵與所述X射線發(fā)射裝置的射線源之間的距離。
4. 如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，所迷X射線源的焦點(diǎn)尺寸不大于所 述X射線發(fā)射裝置的臨界焦點(diǎn)尺寸的一半，其中所述X射線發(fā)射裝置的臨 界焦點(diǎn)尺寸/7。W為/V =^2，其中A為所述第二吸收光柵的周期，d為所述第一吸收光柵與所述第二吸收光柵之間的距離。
5. 如權(quán)利要求1的系統(tǒng)> 其中，所述X射線發(fā)射裝置發(fā)射錐形的X 射線束。
6. 如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述第一和第二吸收光柵(A, B) 之間的距離滿足方程式^L-丄，其中P入/72分別為笫一、笫二光柵的/ 2 Z + d周期，/為所迷X射線發(fā)射裝置與第一吸收光柵之間的距離，tf為第一和第二吸收光柵之間的距離。
7. 如權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中X射線源的焦點(diǎn)尺寸大小為50-1000 微米。
8. 如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所迷第一吸收光柵和第二吸收光柵 的周期P、"在2微米-30微米之間。
9. 如權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述X射線發(fā)射裝置包括多縫準(zhǔn)直器，其中所迷X射線源的焦點(diǎn)尺 寸大于所迷X射線發(fā)射裝置的臨界焦點(diǎn)尺寸的一半，所述X射線發(fā)射裝 置的臨界焦點(diǎn)尺寸為/V。^-;/V所迷多縫準(zhǔn)直器放置在所迷X射線發(fā)射裝置與所述第一吸收光柵之 間，并且優(yōu)選地，所述多縫準(zhǔn)直器每條縫的寬度不大于所述X射線發(fā)射裝置的臨界焦點(diǎn)尺寸的一半。
10. 如權(quán)利要求1或8的系統(tǒng)，其中所述第一和第二吸收光柵采用 重金屬作為吸收材料，所迷吸收材料的厚度為IO微米-IOO微米。
11. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所迷檢測單元包括矩陣結(jié)構(gòu)的探測 元，每個探測元用于檢測X射線的強(qiáng)度變化并轉(zhuǎn)化為可識別的電信號。
12. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，所迷數(shù)據(jù)處理單元通過對所述電信號進(jìn) 行計算得出X射線的光強(qiáng)變化，并利用所述光強(qiáng)變化的值計算得出X射 線經(jīng)過被檢測物體的折射角。
13. 如權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所迷數(shù)據(jù)處理單元通過所迷折射角信息，計算得出對于所迷被檢測物體成像的像素信息。
14. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述被檢測物體位于所迷X射線發(fā)射裝置與所述第一和第二吸收光柵之間。
15. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述第一吸收光柵和第二吸收光柵 分別位于#皮檢測物體的兩側(cè)。
16. 如權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所迷的第一吸收光柵和第二吸收光 柵之間具有一個微小角度e，使得在測量單元的檢測面上產(chǎn)生莫爾條紋； 由此可以得到在設(shè)置被檢測物體和未設(shè)置被檢測物體時在檢測面上測量的莫爾條紋變化量；該變化量根據(jù)預(yù)定的關(guān)于所述莫爾條紋變化與折 射角之間的關(guān)系式，得出x射線經(jīng)過被檢測物體時的折射角信息。
17. 如權(quán)利要求14或15的系統(tǒng)，其中所述第一吸收光柵和第二吸收光柵與一個步進(jìn)移動裝置相連接，使得第一、第二吸收光柵之一不動， 而另一吸收光柵在平行于光柵平面的方向上步進(jìn)動作。
18. —種利用X射線對物體進(jìn)行相襯成像的方法，該方法包括下述 步驟向被檢測物體發(fā)射X射線束；使經(jīng)折射的X射線束穿過第一和第二吸收光柵(A，B)，從而在檢測 面上形成強(qiáng)度變化的X射線信號；接收所述強(qiáng)度變化的X射線，將X射線信號轉(zhuǎn)換為可識別的電信號；以及從所述可識別的電信號，計算X射線的光強(qiáng)變化，以及利用所迷光 強(qiáng)變化值計算出X射線的折射角信息；利用獲得的折射角信息，計算得出被折射物體的圖像。
19. 如權(quán)利要求18的方法，其中所述X射線為非相干的X射線， 其能量范圍在幾KeV到幾百KeV之間。
20. 如權(quán)利要求18或19的方法，其中，所述第一和第二吸收光柵之間的距離滿足方程式丘=丄其中/q為所述第一吸收光柵的周期，A為所述第二吸收光柵的周 期，d為所述第一吸收光柵與所述第二吸收光柵之間的距離，/為所述第 一吸收光柵與X射線發(fā)射裝置之間的距離。
21. 如權(quán)利要求18的方法，其中所述第 一吸收光柵和第二吸收光柵 的周期在2微米-30微米之間。
22. 如權(quán)利要求18的方法，其中還包括利用所述折射角信息，計算 得出被檢測物體的像素信息。
23. 如權(quán)利要求18的方法，其中使所述被檢測物體位于所述X射線發(fā)射裝置與所述第一和第二吸收光柵之間。
24 如權(quán)利要求18的方法，其中使所述第一吸收光柵和笫二吸收光 柵分別位于被檢測物體的兩側(cè)。
25. 如權(quán)利要求18的方法，其中所迷笫一和第二吸收光柵在成像 過程中提取所述X射線經(jīng)過被檢測物體后的折射角信息，其使用了相位 步進(jìn)法或者莫爾干涉法。
26. 如權(quán)利要求25的方法，其中所述相位步進(jìn)法包括，第一、第 二吸收光柵之一不動，而另一吸收光柵在垂直于光柵縫隙和X射線束的 方向上步進(jìn)動作。
27. 如權(quán)利要求26的方法，其中在所迷的步進(jìn)動作過程中，測量X 射線在檢測面上的光強(qiáng)變化曲線，并且將所取得的光強(qiáng)變化曲線與未放 置物體時的背景X射線的光強(qiáng)變化曲線相比較，從而得到光強(qiáng)曲線的移 動量，根據(jù)預(yù)定的關(guān)于光強(qiáng)曲線移動量和折射角之間的關(guān)系式得出折射 角信息。
28. 如權(quán)利要求25的方法，其中所述莫爾干涉法包括所述的第一吸收光柵和第二吸收光柵之間具有一個微小角度s;測 量在設(shè)置被檢測物體和未設(shè)置被檢測物體時在檢測面上測量的莫爾條 紋變化量；根據(jù)預(yù)定的關(guān)于所述莫爾條紋變化與折射角之間的關(guān)系式， 得出X射線經(jīng)過被檢測物體時的折射角信息。
29. —種X射線光柵相襯CT成像系統(tǒng)，用于對物體進(jìn)行CT成像，該系統(tǒng)包4舌X射線發(fā)射裝置，用于向被檢測物體發(fā)射X射線束；第一和第二吸收光柵，位于X射線束的發(fā)射方向上，操作用于取得X 射線束經(jīng)過物體的折射角信息；檢測單元，位于被檢測物體和所述第一、笫二吸收光柵的后面，用 于接收經(jīng)所述經(jīng)被檢測物體折射的X射線，并將其轉(zhuǎn)換為可識別的電信 號；以及數(shù)據(jù)處理單元，用于處理所述電信號并從其中計算出X射線在所述 物體的各平面位置處的折射角信息；轉(zhuǎn)動裝置，其操作用于使得被檢測的物體相對于系統(tǒng)的其他部分轉(zhuǎn)動；成像單元，通過利用折射角信息重建物體的CT圖像。
30. 如權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中所述X射線發(fā)射裝置發(fā)射非相干 的X射線，其能量范圍在幾KeV到幾百KeV之間。
31. 如權(quán)利要求29的系統(tǒng)，包括一個控制單元，該控制單元與所 述轉(zhuǎn)動裝置相連接，用于控制所述被檢測物體相對地轉(zhuǎn)動。
32. 如權(quán)利要求29-31中之一所述的系統(tǒng)，其中所述的第 一吸收光柵和第二吸收光柵之間具有一個微小角度￡ ,使 得在所述測量單元的檢測面上產(chǎn)生莫爾條紋；其中通過比較在設(shè)置被檢測物體和未設(shè)置被檢測物體時在檢測面 上測量的莫爾條紋，得到莫爾條紋的變化量；由該莫爾條紋變化量，所迷數(shù)椐處理單元根據(jù)預(yù)定的關(guān)于所述莫爾 條紋變化與折射角之間的關(guān)系式，得出X射線經(jīng)過,皮檢測物體時的折射角信息。
33. 如權(quán)利要求29-31中之一所迷的系統(tǒng)，其中所迷第一吸收光柵 和第二吸收光柵與一個步進(jìn)移動裝置相連接，該步進(jìn)移動裝置使得第 一、第二吸收光柵之一不動，而另一吸收光柵在垂直于光柵縫隙和X射 線束的方向上在被移動光柵的一個周期范圍內(nèi)步進(jìn)動作，由此得出X射 線在所述檢測單元的檢測面上的光強(qiáng)曲線；通過比較在設(shè)置被檢測物體和未設(shè)置被檢測物體時的所述X射線光 強(qiáng)曲線，可得出X射線光強(qiáng)曲線的移動量；根據(jù)關(guān)于所述光強(qiáng)曲線移動量和X射線經(jīng)過被檢測物體時的折射角 之間的關(guān)系式，得出所迷折射角信息。
34. 如權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中控制單元還控制所迷步進(jìn)移動裝 置相連接，用于控制它的步進(jìn)動作。
35. 如權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中所迷的轉(zhuǎn)動裝置在控制下使得被 檢測的物體在完成一次X射線的掃描成像后，轉(zhuǎn)動一定的角度；然后系 統(tǒng)重復(fù)X射線束的掃描成像。
36. 如權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中通過預(yù)定的CT重構(gòu)算法利用獲得的平面圖像數(shù)椐來實(shí)現(xiàn)重構(gòu)物體內(nèi)部的折射率分布的斷層圖 像。
37. —種X射線光柵相襯CT成像方法，用于對物體進(jìn)行CT成像，該 系統(tǒng)包括向被檢測物體發(fā)射X射線束；使經(jīng)折射的X射線束穿過第一和第二吸收光柵(A,B),從而在檢測面上形成強(qiáng)度變化的X射線信號；接收所述強(qiáng)度變化的X射線，將X射線信號轉(zhuǎn)換為可識別的電信號； 從所述可識別的電信號，計算X射線的光強(qiáng)變化，以及利用所迷光強(qiáng)變化值計算出X射線的折射角信息；利用獲得的折射角信息，計算得出被折射物體的平面圖像； 轉(zhuǎn)動被檢測物體，重復(fù)上迷步驟，并對獲得的多個平面圖像進(jìn)行處理從而獲得該被檢測物體的CT圖像。
38. 如權(quán)利要求37的方法，其中所述X射線為非相干的X射線， 其能量范圍在幾KeV到幾百KeV之間。
39. 如權(quán)利要求37的方法，其中，所述第一和第二吸收光柵之間 的距離滿足方程式其中A為所述第 一吸收光柵的周期，A為所述第二吸收光柵的周 期，d為所述第一吸收光柵與所述第二吸收光柵之間的距離，/為所迷第 一吸收光柵與X射線發(fā)射裝置之間的距離。
40. 如權(quán)利要求37的方法，其中還包括利用所述折射角信息，根據(jù) 預(yù)定的算法計算得出被檢測物體的像素信息。
41. 如權(quán)利要求37的方法，其中所述第一和第二吸收光柵在成像 過程中提取所述X射線經(jīng)過被檢測物體后的折射角信息，使用了相位步 進(jìn)法或者莫爾干涉法。
42. 如權(quán)利要求41的方法，其中所述相位步進(jìn)法包括，第一、第 二吸收光柵之一不動，而另一吸收光柵在垂直于光柵縫隙的方向上步進(jìn) 動作。
43. 如權(quán)利要求41的方法，其中在所迷的步進(jìn)動作過程中，測量X 射線在檢測面上的光強(qiáng)變化曲線，并且將所取得的光強(qiáng)變化曲線與未放 置物體時的背景X射線的光強(qiáng)變化曲線相比較，從而得到光強(qiáng)曲線的移 動量，根據(jù)預(yù)定的關(guān)于光強(qiáng)曲線移動量和折射角之間的關(guān)系式得出折射 角信息。
44. 如權(quán)利要求41的方法，其中所迷莫爾千涉法包括 使得所述的第一吸收光柵和第二吸收光柵之間具有一個微小角度￡;測量在設(shè)置被檢測物體和未設(shè)置被檢測物體時在檢測面上測量的莫 爾條紋變化量；根據(jù)預(yù)定的關(guān)于所述莫爾條紋變化與折射角之間的關(guān)系 式，得出X射線經(jīng)過被檢測物體時的折射角信息。
45. 如權(quán)利要求37的方法，其中，所迷X射線束為平行束、扇 束和錐束形式之一。
全文摘要
一種X射線光柵相襯成像系統(tǒng)及方法，包括X射線發(fā)射裝置，向被檢測物體發(fā)射X射線束；第一和第二吸收光柵，位于X射線束發(fā)射方向上，被檢測物體折射的X射線經(jīng)由該第一和/或第二吸收光柵形成強(qiáng)度變化的X射線信號；檢測單元，用于接收強(qiáng)度變化的X射線，并轉(zhuǎn)換為電信號；以及數(shù)據(jù)處理單元，處理并提取該電信號中折射角信息，并利用折射角信息計算出像素信息；成像單元，用于構(gòu)建物體的圖像。另外，還可利用一旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)物體實(shí)現(xiàn)CT成像模式，獲得多個投影方向的折射角及相應(yīng)圖像，并使用CT重建算法計算出該被檢測物體的折射率斷層圖像。本發(fā)明使用通常的X光機(jī)，以及十微米量級以上周期的光柵實(shí)現(xiàn)近分米量級視場的相襯成像。
文檔編號G01N23/083GK101576515SQ20081000576
公開日2009年11月11日 申請日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者刑宇翔, 劉以農(nóng), 康克軍, 麗 張, 李元景, 趙自然, 陳志強(qiáng), 黃志峰 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司;清華大學(xué)