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X射线相衬成像系统与成像方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及X射线光栅成像技术，特别涉及基于分布式X射线源的X射线相衬成 像系统与成像方法。

【背景技术】

[0002] 在现有技术例如CT扫描设备中，利用X射线对物体进行扫描成像得到了广泛应 用。传统的X射线扫描成像一般利用被测材料对X射线的衰减特性来以非破坏性方式检查 物体的内部结构。若物体内部的各部分结构组成的密度差异明显，则传统的X射线成像技 术的效果尤为显著。但是，对于轻元素构成的物质，它们对X射线来说是弱吸收物质，所以， 用传统的X射线成像技术几乎看不到它们内部的具体结构。即使用其它辅助的手段，例如， 给生物组织打上造影剂也很难得到清晰的图像，这造成了很多的缺憾。在上世纪九十年代， 出现了 X射线相衬成像技术。相衬成像是通过捕捉X射线的相移信息来观察物体内部的电 子密度变化，从而揭示物体的内部结构。开始时，出现的相衬成像方法一般通过利用相干或 者部分相干的X射线的干涉或衍射现象来增强辐射图像的低对比度分辨率。在此基础上， 在公开号为"CN101532969A"、名称为"X射线光栅相衬成像系统及方法"(专利文献1)以及[0003] 另外，在X射线成像的技术发展过程中，也出现了暗场成像的技术。暗场成像是利 用非直射光例如散射光、衍射光、折射光和荧光等对物质材料进行成像的技术，通过物质对 X射线散射能力的差异来对物质内部结构进行成像。对于暗场成像，由于硬X射线独特的光 学性质，所需的光学元件制作非常困难，所以，硬X射线的暗场成像一直难以较好地实现。 然而，硬X射线的暗场成像技术在对物质内部微细结构分辨和探测能力上相对于明场成像 和相衬成像具有独到的优势。由于硬X射线的散射在微米量级或甚至纳米量级尺度，因而 硬X射线暗场成像技术能够看到硬X射线明场成像和相衬成像都无法分辨到的物质内部超 微细结构。其中，于2009年，在公开号为"CN101943668A"、发明名称为"X射线暗场成像系 统和方法"(专利文献3)的专利申请中，其中该专利申请的全部内容在此通过参照引入到 本申请，黄志峰等人提出了利用X射线对物体进行暗场成像的技术方案，这包括：向被测物 体发射X射线；使得两块吸收光栅之一在至少一个周期内进行步进；在每个步进步骤，探测 器接收X射线，并转化为电信号；经过至少一个周期的步进，探测器上每个像素点处的X射 线光强表示为一个光强曲线；根据探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在被检测物体 情况下的光强曲线的对比度，计算得到每个像素的散射角分布的二阶矩；在多个角度拍摄 物体的图像，然后根据CT重建算法可以得物体的散射信息图像。

[0004] 在前述的光栅成像技术中，都需要采用步进技术测量出探测器上每个探测单元 (像素点)的光强曲线。其中，所利用的步进技术的基本原理为：源光栅紧邻X光机源固定 不动后，在基于Talbot-Lau干涉法的技术中，位相光栅或者解析光栅在一个光栅周期范围 内相对平行移动若干步；而在基于经典光学方法的技术中，两块吸收光栅在一个光栅周期 范围内相对平行移动若干步。每一步探测器采集一张图像。完成一个光栅周期内的采集过 程后，通过比较每个像素点对应的样品光强曲线与背景光强曲线的差异可计算出折射图像 信息、衰减图像信息和暗场图像信息。传统的步进技术一般是平移位相光栅或者解析光栅 或吸收光栅，于2010年，在公开号为"CN102221565A"、发明名称为"X射线源光栅步进成像 系统与成像方法"(专利文献4)的专利申请中，其中该专利申请的全部内容在此通过参照 引入到本申请，黄志峰等人提出了 X射线源光栅步进的方法，由于源光栅的周期在几十微 米级，相对于传统的步进方法大大降低了步进精度要求。

[0005] 但即便如此，步进技术的存在仍然对光栅成像技术的推广造成极大障碍，机械系 统的步进非常耗时，大大增加扫描时间，同时即使是几十微米级的平移仍然对机械设备的 精度、整体设备防震、环境温度等有较高的要求，这两方面大大限制了这种新的光栅成像技 术的应用推广。

【发明内容】

[0006] 本发明针对现有技术的缺陷，在已经提出的X射线光栅相衬成像、暗场成像以及X 射线源光栅步进成像系统等技术的基础上，同样地基于X射线光栅成像技术，提出一种非 相干方法实现的基于分布式X射线源的X射线相衬成像系统与成像方法，以分布式非相干 X射线源代替传统的X射线光源，以多个光源依次曝光代替步进技术，从而大大减少了成像 时间，降低了对成像系统机械精度等的要求。

[0007] 本发明提供一种用于对物体进行X射线成像的X射线成像系统，其特征在于， 具有依次位于X射线的传播方向上的分布式X射线源、固定光栅模块以及X射线探测 器，在进行X射线成像的情况下，被检测物体位于所述分布式X射线源与所述固定光栅模块 之间， 所述固定光栅模块由第一光栅和第二光栅构成，所述第一光栅和所述第二光栅的相对 位置固定不变并且彼此平行地依次位于X射线的传播方向上， 所述分布式X射线源的各光源沿着垂直于X射线的传播方向且垂直于光栅条纹的方向 分布， 所述X射线成像系统还具备计算机工作站，所述计算机工作站对所述分布式X射线源 以及所述X射线探测器进行控制，以实现如下过程： 所述分布式X射线源的各光源依次曝光，向所述被检测物体发射X射线； 在每次曝光时，所述X射线探测器对X射线进行接收，并且，经过所述分布式X射线源 的一次步进曝光过程和相应的数据采集，所述X射线探测器上每个像素点处的X射线的光 强表不为一个光强曲线； 将所述X射线探测器上每个像素点处的光强曲线与不存在所述被检测物体的情况下 的光强曲线进行比较，由所述光强曲线的变化得到每个像素点的像素值； 根据所得到的像素值重建所述被检测物体的图像。

[0008] 此外，在本发明的X射线成像系统中，还具备： 致动装置，在所述计算机工作站的控制下，使所述被检测物体相对于所述X射线成像 系统的其他部分相对地旋转一个角度。

[0009] 此外，在本发明的X射线成像系统中， 在每个所述旋转角度下，重复所述步进曝光过程，然后根据预定CT图像重建算法来重 建所述被检测物体的图像。

[0010] 此外，在本发明的X射线成像系统中， 所述计算机工作站具备：数据处理模块，用于进行数据信息的处理，并从中计算得出所 述被检测物体上各点的像素值；图像重建模块，用于根据计算得出的像素值重建所述被检 测物体的图像；控制模块，用于控制所述分布式X射线源以及所述X射线探测器。

[0011] 此外，在本发明的X射线成像系统中， 所述计算机工作站具备：显示单元，用于显示所述被检测物体的图像。

[0012] 此外，在本发明的X射线成像系统中， 所述计算机工作站能够从存在所述被检测物体的光强曲线和不存在所述被检测物体 的背景光强曲线的对比中计算出X射线在所述被检测物体上预定点的折射信息，并由此计 算出相应的像素值。

[0013] 此外，在本发明的X射线成像系统中， 所述计算机工作站能够从存在所述被检测物体的光强曲线和不存在所述被检测物体 的背景光强曲线的对比中计算出X射线在所述被检测物体上预定点的散射信息，并由此计 算出相应的像素值。

[0014] 此外，在本发明的X射线成像系