基于光柵相位襯度和光子計數(shù)的x射線成像系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種X射線成像系統(tǒng)，尤其涉及一種基于光柵相位襯度和光子計數(shù)技 術的X射線成像系統(tǒng)，同時還涉及該系統(tǒng)實現(xiàn)X射線成像的方法，屬于醫(yī)學影像技術領域。
【背景技術】
[0002] X射線的穿透能力特別強。當X射線經(jīng)過碳、氫、氧等輕元素構成的樣品時，就像是 可見光穿過玻璃，沒有留下可觀測的痕跡。這對醫(yī)學診斷是極為不利的。例如針對乳腺腫瘤 的診斷，乳腺腫瘤在發(fā)展的早期仍然是由輕元素組成的病灶，吸收襯度成像對其無能為力， 直到乳腺腫瘤發(fā)展到晚期，產(chǎn)生鈣化現(xiàn)象，才可見于吸收襯度成像。這樣己經(jīng)錯過了治療的 最佳時機，嚴重影響了患者康復的幾率。
[0003] 隨著X射線成像技術的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)X射線透過樣品后攜帶的相位信息也 能用于樣品內部結構的成像，而且X射線的相位漂移截面要比吸收截面高100~1000倍， 通過獲取相位信息并進行復原即可以觀測到樣品的內部結構。對于由輕元素構成的弱吸收 物質，X射線相位的改變比光強的改變更明顯。X射線相位襯度成像能夠比傳統(tǒng)吸收襯度成 像更容易探測到樣品的內部結構。
[0004] 經(jīng)過30余年的發(fā)展，X射線相位襯度成像技術主要采用下述的四種方法：
[0005] (1)晶體干涉襯度成像法：將一塊完整晶體切割成三塊很薄而基部仍然連接在一 起的3L形狀，分別是分束器、投射晶體和分析晶體。X射線入射經(jīng)過第一片晶體后衍射并分 離成兩束相干光。將其中的一束光作為參照光，并在其傳播路徑上放置一個相位改變器以 不斷改變光。該方法對實驗裝置的機械穩(wěn)定性的要求相對比較苛刻，由于對最終衍射花樣 的探測是在入射X射線穿越了 3層晶體之后，因此光子利用率較低，需要有很強的光源或者 很長的曝光時間來彌補。由于晶體尺寸有限，該方法只適用于一些小尺寸樣品的情況，目前 僅在同步輻射上有應用。
[0006] (2)晶體衍射增強法：讓X射線源發(fā)出的多色X射線經(jīng)過一塊完整晶體后，入射角 度滿足布拉格衍射條件（即發(fā)生相干光干涉條件）的X射線能通過單色晶體，從而形成單色 光。在樣品的后方放置一塊分析晶體作為角度分析器，隨后是探測器記錄圖像。單色光穿 過樣品后由分析晶體將相位信息轉化成光強信息。使用分析晶體并通過調整分析晶體的角 度，增強或減弱經(jīng)過樣品后透射、折射和小角散射的X射線，因此衍射增強成像有三種產(chǎn)生 襯度的機制，它們分別是吸收襯度、折射襯度和濾除小角散射獲得的消光襯度。
[0007] (3)光柵剪切法：用單色光照射光柵，在光柵后面一定距離會出現(xiàn)具有周期性的 像，即"Tablot-Lau效應"，如圖1所示。利用光柵自成像效應，通過對光路進行設計，使得 第一塊相位光柵的像與第二塊吸收光柵相匹配，進而分析樣品所形成的莫爾條紋，可以定 量恢復波陣面。目前對這個方法有兩種實現(xiàn)方案，一種是產(chǎn)生n/2的相移，一種是產(chǎn)生 的相移。該方法的優(yōu)勢在于不再依賴于高亮度、相干性較高的同步輻射光源，從而具有廣泛 的應用前景。
[0008] 方法（2)與方法（3)為基于光學分析元件的X射線相位襯度成像方法。這類光學 分析元件的作用是產(chǎn)生相位微分像，從而提高圖像的邊界對比度，需要通過一定的實驗機 制和對應算法來進行定量相位恢復。
[0009] (4)基于X射線自由傳播的相位襯度成像方法：該方法也稱作X射線類同軸相位 襯度成像方法，根據(jù)使用的光源不同，分為單色X射線類同軸相位襯度成像和復色X射線類 同軸相位襯度成像。其中復色X射線類同軸是基于澳大利亞墨爾本大學的K. A. Nugent提 出的光強傳播方程。類同軸方法在實現(xiàn)上較為簡單，只要X射線源的焦點足夠小，就能在基 于吸收襯度的設備上實現(xiàn)相位襯度成像，但由于類同軸方法獲得的是相位的二階導數(shù)，因 此在相位恢復上比較困難。
[0010] 目前，國內外絕大多數(shù)的相位襯度成像研究都是在同步輻射X射線源上開展的。 但同步輻射X射線源屬于大型科學裝置，其設備和維護成本高昂，將其作為醫(yī)療臨床診斷 設備，既不符合能源和資源有效利用的原則，其成像診斷費用也不是一般病人能承擔得起 的。低功耗的微焦點X射線源具有足夠的相干性(采用微焦點X射線源，相當于利用小孔 獲得相干光)，但光束太窄、光通量太小、探測器需要曝光時間相當長，難以滿足臨床應用的 實際需要。

【發(fā)明內容】

[0011] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明所要解決的首要技術問題在于提供一種基于光柵相 位襯度和光子計數(shù)技術，利用微焦點X射線源成像的系統(tǒng)。
[0012] 本發(fā)明所要解決的另一個技術問題在于提供上述系統(tǒng)實現(xiàn)X射線成像的方法。
[0013] 為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術方案：
[0014] 一種基于光柵相位襯度和光子計數(shù)的X射線成像系統(tǒng)，包括，
[0015] X射線源，用于產(chǎn)生X射線，
[0016] 光源光柵，用于將所述X射線源發(fā)出的X射線分成多個相干光源，
[0017] 樣品掃描平臺，用于承載待測樣品，
[0018] 相位光柵，用于對X射線進行分束，并使分束后的X射線發(fā)生非相干干涉，
[0019] 分析光柵，用于將X射線的相位信息轉變?yōu)閄射線的光強信息，
[0020] 三維重建系統(tǒng)，根據(jù)圖像對所述樣品的結構進行三維重建，
[0021] 光子計數(shù)探測器，用于探測某時間段內到達其表面的X射線的光子以形成圖像， 并傳輸?shù)剿鋈S重建系統(tǒng)；
[0022] 所述光源光柵設置在所述X射線源與所述樣品之間，所述相位光柵設置在所述樣 品另一側與所述分析光柵之間，在所述分析光柵的另一側設置光子計數(shù)探測器，所述光子 計數(shù)探測器與所述三維重建系統(tǒng)連接。
[0023] 其中較優(yōu)地，所述光子計數(shù)探測器是由多個像素構成的面陣探測器，其中每個所 述像素包括光電轉換層、前置放大器、事件檢出單元、能級鑒別比較器、脈沖整形器、計數(shù) 器、累加器以及輸出總線；其中，
[0024] 光電轉換層，將單光子轉換為電信號，傳輸至到前置放大器將信號放大；
[0025] 事件檢出單元，將放大信號中的噪聲濾除，并發(fā)送至能級鑒別比較器；
[0026] 能級鑒別比較器，對有效信號分級進入脈沖整形器進行脈沖整形；
[0027] 計數(shù)器，對脈沖信號計數(shù)，并輸入累加器和輸出總線。
[0028] 其中較優(yōu)地，每個像素對捕獲的光子進行強度測量、閾值比較，記錄特定時間窗口 內通過所述像素的光子總數(shù)，獲得該像素位置上的強度信息。
[0029] -種基于光柵相位襯度和光子計數(shù)的X射線成像方法，基于上述的X射線成像系 統(tǒng)實現(xiàn)，包括如下步驟：
[0030] 步驟1 :在樣品掃描平臺沒有樣品時，所述X射線成像系統(tǒng)采集基準圖像；
[0031] 步驟2 :在樣品掃描平臺上放入樣品，所述X射線成像系統(tǒng)采集第一圖像；
[0032] 步驟3 :將所述樣品掃描平臺旋轉一定角度，所述X射線成像系統(tǒng)采集第二圖像；
[0033] 步驟4 :所述X射線成像系統(tǒng)基于步驟1~步驟3中的三幅圖像，進行樣品結構的 三維重建。
[0034] 其中較優(yōu)地，所述步驟1進一步包括以下步驟：
[0035] 步驟11 :X射線源向光源光柵發(fā)射X射線，所述光源光柵將X射線分成多個相干光 源；
[0036] 步驟12:多個相干光源發(fā)出的X射線由相位光柵進行分束，并產(chǎn)生非相干干涉，形 成干涉條紋；
[0037] 步驟13:分析光柵將步驟12中分束的X射線的相位信息轉變成X射線的光強信 息，并照射到光子計數(shù)探測器的表面；
[0038] 步驟14:所述光子計數(shù)探測器對到達表面的所述X射線的光子進行計數(shù)，形成基 準圖像。
[0039] 其中較優(yōu)地，所述步驟11中所述光源光柵的相鄰兩縫的X射線之間不相干，并且 產(chǎn)生的干涉條紋錯位一個周期。
[0040] 其中較優(yōu)地，所述步驟2或3進一步包括以下步驟：
[0041] 步驟21 :X射線源向光源光柵發(fā)射X射線，光源光柵將X射線分成多個相干光源；
[0042] 步驟22:多個相干光源發(fā)出的X射線穿透樣品后，一部分X射線相位發(fā)生變化；
[0043] 步驟23:相位光柵將相位發(fā)生變化與未發(fā)生變化的全部X射線進行分束，并產(chǎn)生 非相干干涉，得到變形的干涉條紋；