用于x射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，應(yīng)用于X射線相位襯度成像系統(tǒng)。所述方法包括如下步驟：S1、在垂直于光路的橫向平面上，沿垂直于分析光柵柵條的方向上使分析光柵在一個(gè)光柵周期內(nèi)做連續(xù)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使樣品室保持連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，期間X射線探測器一直在采集圖像，分析光柵每運(yùn)動(dòng)一個(gè)單位步距，探測器采集一張圖像，即一張圖像的曝光時(shí)間等于分析光柵移動(dòng)一個(gè)單位步距的時(shí)間；S2、根據(jù)步驟S1采集的圖像計(jì)算樣品的相位信息。本發(fā)明有利于保證快速X射線相位襯度成像過程中機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)能減少樣品所接受的不必要的輻射劑量。
【專利說明】用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于X射線相位襯度成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于X射線相位襯度成 像的積分水桶相位測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]X射線相位襯度成像技術(shù)在生物軟組織識(shí)別分辨方面有著巨大的應(yīng)用前景。在目 前基于X射線晶體干涉儀和基于光柵的X射線相位襯度成像技術(shù)中，常常利用相位步進(jìn)測 量方法來提取樣品的相位信息。在X射線晶體干涉儀中，主要通過分步移動(dòng)楔形的相移器 來實(shí)現(xiàn)相位步進(jìn)[1，2]。在基于光柵的X射線相位襯度成像技術(shù)中，主要通過分步移動(dòng)分析 光柵來實(shí)現(xiàn)相位步進(jìn)[3,4,5,6]。
[0003] [1]A.Momose, "Demonstrationofphase-contrastX-raycomputed tomographyusinganX-rayinterferometer，"NuclearInstrumentsandMethodsin PhysicsResearchSectionAAccelerators，Spectrometers，DetectorsandAssociated Equipment，vol. 352,pp.622-628,1995.
[0004] [2]A.Momose，T.Takeda，Y.Itai，andK.Hirano，!fPhase-contrastX-ray computedtomographyforobservingbiologicalsofttissues， "Naturemedicine， vol. 2,pp. 473-475,1996.
[0005] [3]A.Momose,S.Kawamoto,I.Koyama,Y.Hamaishi,K.Takai,and Y.Suzuki, "DemonstrationofX-RayTalbotinterferometry, "JapaneseJournal ofAppliedPhysicsPart2-Letters,vol. 42,pp.L866-L868,Jul15 2003.
[0006] [4]T.Weitkamp,A.Diaz,C.David,F.Pfeiffer,M.Stampanoni,P.Cloetens,et al. ， "X-rayphaseimagingwithagratinginterferometer， "Opticsexpress， vol. 13,pp. 6296-6304, 2005.
[0007] [5]I.Zanette，M.Bech，A.Rack，G.LeDue，P.Tafforeau，C.David，et al. ，"Trimodallow-doseX-raytomography，"ProceedingsoftheNationalAcademy ofSciences，vol. 109,pp.10199-10204,2012.
[0008] [6]M.Hoshino，K.Uesugi，T.Tsukube，andN.Yagi， "Quantitativeand dynamicmeasurementsofbiologicalfreshsampleswithX-rayphasecontrast tomography, "Journalofsynchrotronradiation,vol. 21,pp.1347-1357,2014.
[0009] 利用相位步進(jìn)技術(shù)可以準(zhǔn)確地測量出樣品的相位信息，但是相位步進(jìn)測量方法的 缺點(diǎn)主要有兩個(gè)：（1)X射線相位襯度成像系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模式是斷斷續(xù)續(xù)的，相移器/分析光 柵移動(dòng)一步，探測器采集一張圖像，然后相移器/分析光柵再移動(dòng)一步，探測器再采集一張 圖像，直到圖像采集完畢。在快速X射線相位襯度成像中，這種不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)方式會(huì)影響機(jī) 械系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2)在相移器/分析光柵移動(dòng)過程中，圖像采集停止，但是樣品仍然在接 受輻射劑量（在相位步進(jìn)測量技術(shù)中，解決這一問題有兩種辦法，一種方法是在相移器/分 析光柵移動(dòng)過程中，利用鉛板擋住X射線，相移器/分析光柵移動(dòng)完成后，移開鉛板，繼續(xù)開 始圖像采集，這樣可以避免樣品接受不必要的輻射損傷，但是該方法增加了成像系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)復(fù)雜性；另外一種方法是在相移器/分析光柵移動(dòng)過程中，關(guān)閉X光機(jī)，相移器/分析光 柵移動(dòng)完成后，重新開啟X光機(jī)，這種方法也可以避免樣品接受不必要的輻射損傷，但是該 方法的缺點(diǎn)是X光機(jī)不能處于連續(xù)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，X光機(jī)出射的光子通量不穩(wěn)定，進(jìn)而會(huì) 造成系統(tǒng)成像質(zhì)量的下降）。
[0010] 圖1是基于三塊光柵的X射線相位襯度成像光路結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，成像系統(tǒng) 主要包括X光機(jī)1、源光柵2、分束光柵3、樣品室4、分析光柵5、X射線探測器6。分析光柵 的周期為5ym。三塊光柵對(duì)準(zhǔn)后，探測器上會(huì)得到無窮大的莫爾條紋，如果在垂直于光柵刻 線方向移動(dòng)分析光柵一個(gè)周期（5um)，那么探測器上某一個(gè)像素的光強(qiáng)也會(huì)在一個(gè)周期內(nèi) 發(fā)生相應(yīng)的明暗變化，這個(gè)變化曲線稱為光柵位移曲線。
[0011] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)的相位步進(jìn)測量方法示意圖。如圖2所示，一般情況下，位移曲線 是一條標(biāo)準(zhǔn)的余弦曲線。光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整完畢后，采集第一張圖像①；然后在垂直于光柵柵條 方向移動(dòng)分析光柵liim，光柵運(yùn)動(dòng)完成后，采集第二張圖像②；接著移動(dòng)分析光柵liim，光 柵運(yùn)動(dòng)完成后，采集第三張圖像③；然后繼續(xù)移動(dòng)分析光柵lum，光柵運(yùn)動(dòng)完成后，采集第 四張圖像④；最后移動(dòng)分析光柵1Um，光柵運(yùn)動(dòng)完成后，采集第五張圖像⑤?；趫D像①、 ②、③、④和⑤，即可實(shí)現(xiàn)相位測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] (一）要解決的技術(shù)問題
[0013]本發(fā)明所要解決的主要是在快速X射線相位襯度成像中提高機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 同時(shí)盡量降低樣品所接受的輻射劑量。
[0014](二）技術(shù)方案
[0015] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位 測量方法，應(yīng)用于X射線相位襯度成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括X光機(jī)、源光柵、分束光柵、樣品室、 分析光柵和X射線探測器，所述方法包括如下步驟：S1、在垂直于光路的橫向平面上，沿垂 直于分析光柵的柵條方向上使分析光柵在一個(gè)光柵周期內(nèi)做連續(xù)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使 樣品室保持連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，期間，X射線探測器一直在采集圖像，分析光柵每運(yùn)動(dòng)一個(gè)單 位步距，探測器采集一張圖像，即一張圖像的曝光時(shí)間等于分析光柵移動(dòng)一個(gè)單位步距的 時(shí)間；S2、根據(jù)步驟S1采集的圖像計(jì)算樣品的相位信息。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述分析光柵的單方向位移的大小是所述單位步距 的整數(shù)倍。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述整數(shù)為大于或等于4的整數(shù)。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述樣品室的旋轉(zhuǎn)是連續(xù)的。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述樣品室的旋轉(zhuǎn)是間歇性的。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述分析光柵的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式是均速 運(yùn)動(dòng)。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述分析光柵的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式是彈簧 諧振子運(yùn)動(dòng)。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，在所述步驟S2中，通過如下公式計(jì)算樣品的折射圖 像（折射圖像是相位信息的一種體現(xiàn)形式）：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，應(yīng)用于X射線相位襯度成 像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括X光機(jī)（1)、源光柵（2)、分束光柵（3)、樣品室（4)、分析光柵（5)和X 射線探測器（6)，其持征在于，包括如下步驟： 51、 在垂直于光路的橫向平面上，沿垂直于分析光柵的柵條方向上使分析光柵在一個(gè) 光柵周期內(nèi)做連續(xù)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使樣品室保持連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，期間，X射線探測 器一直在采集圖像，分析光柵每運(yùn)動(dòng)一個(gè)單位步距，探測器采集一張圖像，即一張圖像的曝 光時(shí)間等于分析光柵移動(dòng)一個(gè)單位步距的時(shí)間； 52、 根據(jù)步驟Sl采集的圖像計(jì)算樣品的相位信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，其特征在 于，所述分析光柵的單方向位移的大小是所述單位步距的整數(shù)倍。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，其特征在 于，所述整數(shù)為大于或等于4的整數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，其特征在 于，所述樣品室的旋轉(zhuǎn)是連續(xù)的。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，其特征在 于，所述樣品室的旋轉(zhuǎn)是間歇性的。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，其特征在 于，所述分析光柵的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式是勻速運(yùn)動(dòng)。
7. 如權(quán)利要求1所述的用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，其特征在 于，所述分析光柵的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式是彈簧諧振子運(yùn)動(dòng)。
8. 如權(quán)利要求1所述的用于X射線相位襯度成像的積分水桶相位測量方法，其特征在 于，在所述步驟S2中，通過如下公式計(jì)算樣品的折射圖像：
，其中，是所采集的圖像的 像素（m，η)處的折射角，k是累加求和過程中的變量，N是積分水桶測量方法在位移曲線 一個(gè)周期內(nèi)劃分區(qū)間的數(shù)量，./〗(X,y)是第k步采集到的樣品圖像中像素（m，η)的灰度值， /f(X,y)是第k步采集到的背景圖像中像素（m，η)的灰度值，d是分析光柵的周期，ζτ是樣 品和分析光柵之間的距離。
【文檔編號(hào)】G01N23/04GK104458777SQ201410841493
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】王圣浩, 吳自玉, 王志立, 高昆, 韓華杰, 張燦, 胡仁芳 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)