一种X射线相位衬度成像方法

摘要

本公开提供了一种X射线相位衬度成像方法，包括：步骤1，采集背景图像并形成背景位移曲线；步骤2，计算步骤1中所述背景位移曲线的特征物理量；步骤3，根据步骤2所计算的背景位移曲线的特征物理量选取优化步进位，基于所述优化步进位采集物体的正向图像和反向图像；以及步骤4，根据步骤3中所述正向图像和反向图像、优化步进位以及所述特征物理量完成X射线相位衬度成像。

权利要求

1.一种X射线相位衬度成像方法，其中，包括：步骤1，采集背景图像并形成背景位移曲线；

步骤2，计算步骤1中所述背景位移曲线的特征物理量；

步骤3，根据步骤2所计算的背景位移曲线的特征物理量选取优化步进位，基于所述优化步进位采集物体的正向图像和反向图像；以及步骤4，根据步骤3中所述正向图像和反向图像、优化步进位以及所述特征物理量完成X射线相位衬度成像；

其中，所述特征物理量包括：平均光强、可见度以及初始相位；

所述背景图像表示为：

其中Ib(x，y)为探测器采集图像灰度值，a(x，y)为背景位移曲线的平均光强，V0(x，y)为背景位移曲线的可见度，xg为光栅相对位移，p2为分析光栅的周期， 为背景位移曲线的初始相位；

所述平均光强为：

其中Ibn(x，y)为第n步采集的背景图像，1≤n≤N，N≥3，N为步进总数；

所述可见度为：

所述初始相位为：

其中，函数arg为取辐角。

2.根据权利要求1所述的X射线相位衬度成像方法，其中，所述采集背景图像包括：在不放物体的情况下，控制光栅在垂直于光栅栅线方向等间距步进，所述光栅每步进一步，采集一幅背景图像；所述光栅的步进数大于等于3步。

3.根据权利要求1所述的X射线相位衬度成像方法，其中，利用傅里叶分析方法计算所述背景位移曲线的特征物理量。

4.根据权利要求1所述的X射线相位衬度成像方法，其中，所述物体的正向图像和反向图像为：其中Is(x，y，φ)为物体正向图像，Is(-x，y，φ+π)为物体反向图像，M(x，y，φ)、θ(x，y，φ)分别为物体的吸收信号和折射信号，为优化的步进位光栅相对位移，d为分束光栅与分析光栅间的间距。

5.根据权利要求4所述的X射线相位衬度成像方法，其中，所示正向图像与所述反向图像的投影之比为F，即 以及其中A(x，y)和B(x，y)分别定义为物体成像步进位振幅余弦量和正弦量。

6.根据权利要求5所述的X射线相位衬度成像方法，其中，当A(x，y)-FA(-x，y)＝0且B(x，y)+FB(-x，y)≠0时其中：

其中，C(x，y)为物体成像步进位加入物体折射信号的正投影光强，D(x，y)为物体成像步进位加入物体折射信号的反投影光强；

当A(x，y)-FA(-x，y)≠0时，其中角度γ0和β0为：

说明书

一种X射线相位衬度成像方法

技术领域

[0001] 本发明 涉及临床医学成像、无损检测、X射线CT成像技术领域，尤其涉及一种X射线相位衬度成像方法，用于大视场快速成像。

背景技术

[0002] 传统X射线吸收成像在无损检测、医学影像以及材料科学等领域得到广泛应用并发挥重要作用，然而对低原子系数物质成像图像衬度较低。X 射线相衬成像方法，通过检测物体对X射线波前的相位调制，可以获得低原子序数物质较高衬度图像。这是因为物体对X射线的作用可用复数折射率n＝1-δ+iβ描述，实部减小量δ对应相位调制，虚部β对应吸收，随着原子序数的减小或成像能量的增加，β下降速度远大于δ的下降速度。在众多的相衬成像方法中，X射线光栅相衬成像，由于其较大的成像视场以及与常规光源较好的兼容性，被认为是一种很有可能应用于临床医学影像的相衬成像方法。X射线光栅相衬成像经历了两次重要发展，2002到2003 年X射线Talbot干涉仪的提出【1-2】，光栅相衬成像从可见光波段推广到X 射线波段，然而仍局限于同步辐射光源或者微焦点光源。2006年， Talbot-Lau干涉仪的提出【3】，大幅降低了对光源相干性要求，使得相衬成像适用于常规X射线源，为相衬成像的实际应用提供了基本条件。

[0003] 尽管光栅相衬成像的应用前景被普遍看好，但是该方法仍然存在多方面的局限性，阻碍了其广泛应用。光栅相衬成像获得的投影像包含物体的吸收、折射以及散射。目前实验室阶段最常用的信息分离方法为相位步进方法【4】，该方法至少需要三幅背景图像和三幅物体图像才能完成信息分离，通过等间距移动其中一块光栅获得多个位置处的背景和物体图像，再利用傅里叶分析方法获得物体的折射信息。

[0004] 相位步进方法可以获得高质量图像，但是需要较长的数据采集时间和较多的投影图像。相比传统吸收成像，不仅增加了数据采集复杂度，更大的弊端是延长了曝光时间，物体受辐照剂量高。针对该问题，中科院高能物理研究所朱佩平研究员提出了一种快速低剂量的相衬成像方法【5】。该方法利用正反投影共轭的特性，成功避免了传统信息恢复方法中光栅的复杂步进运动，大大提高了成像速度、降低了辐射剂量，实现了与传统CT扫描模式兼容的相衬CT成像。然而，该方法基于位移曲线腰位线性近似的假设，因此要求视场内所有像素相位步进曲线同步，增加了光栅均匀性要求；利用现有光栅工艺只能制作满足正反投影方法的小面积光栅，因此正反投影方法只能对小物体成像。

[0005] [1].David C et al.Differential x-ray phase contrast imaging using a shearing interferometer，Appl.Phys.Lett.81：3287-3289(2002).

[0006] [2].Momose A et al.Demonstration of x-ray talbot interferometry，Jpn.J.Appl. Phys.42：L866-L868(2003).

[0007] [3].Pfeiffer F et al.Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance x-ray sources，Nat.Phys.2：258-261(2006).

[0008] [4].Weitkamp  T，et al.X-ray  phase  imaging with a  grating interferometer，Opt. Express 13：6296-6304(2005).

[0009] [5]ZhuPP，etal.Low-dose，simple，and fast grating-based X-ray phase-contrast imaging，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.107，13576-13581(2010).

发明内容

[0010] (一)要解决的技术问题

[0011] 基于上述问题，本公开提供了一种X射线相位衬度成像方法，以缓解现有技术要求成像视场内所有像素位移曲线相位同步且采集物体图像时处于其腰位，对光栅均匀性以及机械精度要求极高，只适用于小视场成像，无法应用于医学影像等技术问题。

[0012] (二)技术方案

[0013] 本公开提供一种X射线相位衬度成像方法，其中，包括：

[0014] 步骤1，采集背景图像并形成背景位移曲线；

[0015] 步骤2，计算步骤1中所述背景位移曲线的特征物理量；

[0016] 步骤3，根据步骤2所计算的背景位移曲线的特征物理量选取优化步进位，基于所述优化步进位采集物体的正向图像和反向图像；以及

[0017] 步骤4，根据步骤3中所述正向图像和反向图像、优化步进位以及所述特征物理量完成X射线相位衬度成像。

[0018] 在本公开实施例中，所述采集背景图像包括：

[0019] 在不放物体的情况下，控制光栅在垂直于光栅栅线方向等间距步进，所述光栅每步进一步，采集一幅背景图像；所述光栅的步进数大于等于3 步。

[0020] 在本公开实施例中，所述特征物理量包括：平均光强、可见度以及初始相位。

[0021] 在本公开实施例中，利用傅里叶分析方法计算所述背景位移曲线的特征物理量。

[0022] 在本公开实施例中，所述背景图像表示为：

[0023]

[0024] 其中Lb(x，y)为探测器采集图像灰度值，a(x，y)为背景位移曲线的平均光强，V0(x，y)为背景位移曲线的可见度，xg为光栅相对位移，p2为分析光栅的周期， 为背景位移曲线的初始相位。

[0025] 在本公开实施例中，所述平均光强为：

[0026]

[0027] 其中Ibn(x，y)为第n步采集的背景图像，1≤n≤N，N≥3，N为步进总数。

[0028] 在本公开实施例中，所述可见度为：

[0029]

[0030] 在本公开实施例中，所述初始相位为：

[0031]

[0032] 其中，函数arg为取辐角。

[0033] 在本公开实施例中，所述物体的正向图像和反向图像为：

[0034]

[0035]

[0036] 其中Is(x，y，φ)为物体正向图像，Is(-x，y，φ+π)为物体反向图像，M(x，y，φ)、θ(x，y，φ)分别为物体的吸收信号和折射信号， 为优化的步进位光栅相对位移，d为分束光栅与分析光栅间的间距。

[0037] 在本公开实施例中，所示正向图像与所述反向图像的投影之比为F，即以及

[0038]

[0039]

[0040] 其中A(x，y)和B(x，y)分别定义为物体成像步进位振幅余弦量和正弦量。

[0041] 在本公开实施例中，当A(x，y)-FA(-x，y)＝0且B(x，y)+ FB(-x，y)≠0时[0042]

[0043]

[0044] 其中：

[0045]

[0046]

[0047] 其中，C(x，y)为物体成像步进位加入物体折射信号的正投影光强， D(x，y)为物体成像步进位加入物体折射信号的反投影光强；

[0048] 当A(x，y)-FA(-x，y)≠0时，

[0049]

[0050] 其中角度γ0和β0为：

[0051]

[0052]

[0053] (三)有益效果

[0054] 从上述技术方案可以看出，本公开提出的一种X射线相位衬度成像方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

[0055] (1)背景数据采集、计算及信息提取过程简单；

[0056] (2)对光栅均匀性的要求降低，因而能够实现大成像视场；

[0057] (3)同时具备快速和大视场成像的特征，有利于促进相衬成像的实际应用。

附图说明

[0058] 图1为本公开实施例X射线相位衬度成像方法的流程图。

[0059] 图2为本公开实施例X射线相位衬度成像方法步骤1中所完成的9步相位步进中的9幅背景图；其中图2A-图2I分别对应第1-第9步背景图。

[0060] 图3为本公开实施例视场内各像素点位移曲线平均光强、可见度以及初始相位示意图；其中图3A为平均光强示意图；图3B为可见度示意图，图3C为初始相位示意图。

[0061] 图4A为物体的正向图像；图4B为物体的反向图像；图4C为相位步进方法获得物体的折射图像；图4D为本公开实施例X射线相位衬度成像方法获得物体的折射图像；图4E为图4A所示白色虚线处折射角轮廓对比图。

具体实施方式

[0062] 在本公开实施例提供一种X射线相位衬度成像方法，用于大视场快速成像。该方法利用X射线相位衬度成像装置进行成像。X射线相位衬度成像装置包括：X射线管、源光栅、分束光栅、分析光栅、X射线探测器。

[0063] X射线管用于产生X射线。源光栅用于分光，把X射线管产生的大焦点光束分成狭小的线光源。分束光栅用于在分析光栅处产生自成像条纹。分析光栅用于与分束光栅在此处的自成像条纹产生摩尔条纹以放大变化的信息。X射线探测器用于记录产生图像。X射线相位衬度成像装置还可包括：光学精密位移台、样品台、光学平台以及控制计算机等。源光栅、分束光栅、分析光栅均通过光学精密位移台安装于光学平台之上。

[0064] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

[0065] 在本公开实施例中，提供一种X射线相位衬度成像方法，如图1所示，所述的X射线相位衬度成像方法，包括：

[0066] 步骤1，采集背景图像并形成背景位移曲线；

[0067] 在本步骤中，在不放物体的情况下，控制光栅在垂直于其栅线方向等间距(光栅周期的整数分之一)步进，完成背景图像采集并形成背景位移曲线。本实施例中，光栅的步进数优选为5-9步；光栅每步进一步，采集一幅背景图像。背景图像包括与步进数相等的图像，背景图像每个像素点的不同步组成一条位移曲线。如图2A-2I所示，为第一步至第九步的9幅背景图像。背景图像采集完成后，将光栅移回原位置。分析背景图像的光强信息，得到背景位移曲线。

[0068] 传统正反投影方法基于精确的背景位移曲线，需密采集背景图像，再通过曲线拟合获得位移曲线，在半腰位置处采集物体图像，因此数据采集相对较复杂。而本公开实施例的X射线相位衬度成像方法，无需密采集背景图像，只需采集与光栅步进数相等的背景图像，通常5-9幅即可，因此数据采集量小，相对更简单。

[0069] 后期物体成像时，可以处于位移曲线任意位置，考虑到成像性能，通常选取较接近腰位的位置。光栅(包括分束光栅与分析光栅)相对位置固定在选定的位置后，采集一圈物体图像完成相衬成像；如图2所示，完成 9步相位步进的背景图像采集；

[0070] 步骤2，计算步骤1中所述背景位移曲线的特征物理量；

[0071] 所述特征物理量包括：平均光强、可见度以及初始相位；

[0072] 正反投影方法需要计算每个像素位移曲线腰位处斜率，涉及拟合和微分计算，不仅计算量大，而且计算精度不高。本公开提出的方法通过传统傅里叶分析方法计算背景位移曲线特征物理量，无需计算位移曲线斜率。该过程可以并行计算，简化了计算过程，加快了计算速度。

[0073] 当背景图像用余弦函数表示为：

[0074]

[0075] 其中Lb(x，y)为探测器采集图像灰度值，a(x，y)为背景位移曲线的平均光强，V0(x，y)为背景位移曲线的可见度，xg为光栅相对位移，p2为分析光栅的周期， 为背景位移曲线的初始相位。实验过程中采集背景图像，根据背景图像可计算出平均光强、可见度以及初始相位三个特征物理量。

[0076] 设Ibn(x，y)为第n步采集的背景图像，其中1≤n≤N，N≥3，N为步进总数，则光栅相对位移xg＝np2/N，则三个特征物理量可分别通过如下公式计算：

[0077]

[0078]

[0079]

[0080] 其中函数arg为取辐角，图3A-图3C所示为三个特征量的示意图；

[0081] 步骤3，根据步骤2所计算的背景位移曲线的特征物理量选取优化步进位，基于所述优化步进位采集物体的正向图像和反向图像

[0082] 根据步骤2中所计算出的初始相位，如图3C所示的初始相位，优化选取合适的步进位置( 时)采集物体图像，本实施方案中选取第3步位置完成正反物体图像采集，分别如图4A和图4B所示；

[0083] 步骤4，根据步骤3中所述正向图像和反向图像、优化步进位以及所述特征物理量完成X射线相位衬度成像。

[0084] 本公开提出的方法基于位移曲线余弦函数模型，利用各像素背景位移曲线三个特征物理量、选取的步进位以及如下两式表示的物体正、反向图像，可进一步获得物体的相位和吸收信息；

[0085]

[0086]

[0087] 其中Is(x，y，φ)、Is(-x，y，φ+π)分别为物体正、反向图像，M(x，y，φ)、θ(x，y，φ) 分别为物体的吸收信号和折射信号， 为优化步进位光栅相对位移，d为分束光栅与分析光栅间的间距。

[0088] 我们定义F为正、反向图像投影之比，即 以及

[0089]

[0090]

[0091] 其中A(x，y)和B(x，y)分别定义为物体成像步进位振幅余弦量和正弦量。

[0092] 即可推导出如下的信息提取公式：

[0093] 当A(x，y)-FA(-x，y)＝0且B(x，y)+FB(-x，y)≠0时

[0094]

[0095]

[0096] 其中：

[0097]

[0098]

[0099] 其中C(x，y)为物体成像步进位加入物体折射信号的正投影光强，D(x，y) 为物体成像步进位加入物体折射信号的反投影光强。

[0100] 当A(x，y)-FA(-x，y)≠0时，

[0101]

[0102] 其中角度γ0和β0为

[0103]

[0104]

[0105] 将采集的正反向物体图像，优化的步进位以及步骤3计算的三个特征物理量代入公式(7)-(13)完成X射线相位衬度成像方法的相位信息和吸收信息提取，完成X射线相位衬度成像方法。

[0106] 如图4C-图4E所示，为了验证本实施例的正确性，采集了9步相位步进的物体图像，作为对比例的相位步进方法获得物体的折射图像如图4C 所示，本实施例获取的折射图像如图4D所示。并对两种方法获得的结果进行对比，如图4E所示，两种方法的结果吻合度高。

[0107] 至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

[0108] 依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提出的一种X射线相位衬度成像方法有了清楚的认识。

[0109] 综上所述，本公开提供了一种X射线相位衬度成像方法，X射线相位衬度成像方法，其通过逐点分析计算各像素背景位移曲线特征物理量，继承正反投影方法快速低剂量特点的同时，降低对光栅均匀性的要求，在位移曲线相位不同步的情况下完成快速低剂量成像，从而实现大视场成像。

[0110] 还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

[0111] 并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

[0112] 再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

[0113] 说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

[0114] 此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

[0115] 本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

[0116] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

[0117] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。