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用于x射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，应用于X射线相位衬度成像系统。所述方法包括如下步骤：S1、在垂直于光路的横向平面上，沿垂直于分析光栅栅条的方向上使分析光栅在一个光栅周期内做连续的往复直线运动，同时使样品室保持连续的旋转运动，期间X射线探测器一直在采集图像，分析光栅每运动一个单位步距，探测器采集一张图像，即一张图像的曝光时间等于分析光栅移动一个单位步距的时间；S2、根据步骤S1采集的图像计算样品的相位信息。本发明有利于保证快速X射线相位衬度成像过程中机械系统的稳定性，同时能减少样品所接受的不必要的辐射剂量。
【专利说明】用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于X射线相位衬度成像【技术领域】，具体涉及一种用于X射线相位衬度成 像的积分水桶相位测量方法。

【背景技术】
[0002]X射线相位衬度成像技术在生物软组织识别分辨方面有着巨大的应用前景。在目 前基于X射线晶体干涉仪和基于光栅的X射线相位衬度成像技术中，常常利用相位步进测 量方法来提取样品的相位信息。在X射线晶体干涉仪中，主要通过分步移动楔形的相移器 来实现相位步进[1，2]。在基于光栅的X射线相位衬度成像技术中，主要通过分步移动分析 光栅来实现相位步进[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] 利用相位步进技术可以准确地测量出样品的相位信息，但是相位步进测量方法的 缺点主要有两个：（1)X射线相位衬度成像系统的运动模式是断断续续的，相移器/分析光 栅移动一步，探测器采集一张图像，然后相移器/分析光栅再移动一步，探测器再采集一张 图像，直到图像采集完毕。在快速X射线相位衬度成像中，这种不连续的运动方式会影响机 械系统的稳定性。（2)在相移器/分析光栅移动过程中，图像采集停止，但是样品仍然在接 受辐射剂量（在相位步进测量技术中，解决这一问题有两种办法，一种方法是在相移器/分 析光栅移动过程中，利用铅板挡住X射线，相移器/分析光栅移动完成后，移开铅板，继续开 始图像采集，这样可以避免样品接受不必要的辐射损伤，但是该方法增加了成像系统的结 构复杂性；另外一种方法是在相移器/分析光栅移动过程中，关闭X光机，相移器/分析光 栅移动完成后，重新开启X光机，这种方法也可以避免样品接受不必要的辐射损伤，但是该 方法的缺点是X光机不能处于连续稳定的工作状态，X光机出射的光子通量不稳定，进而会 造成系统成像质量的下降）。
[0010] 图1是基于三块光栅的X射线相位衬度成像光路结构图。如图1所示，成像系统 主要包括X光机1、源光栅2、分束光栅3、样品室4、分析光栅5、X射线探测器6。分析光栅 的周期为5ym。三块光栅对准后，探测器上会得到无穷大的莫尔条纹，如果在垂直于光栅刻 线方向移动分析光栅一个周期（5um)，那么探测器上某一个像素的光强也会在一个周期内 发生相应的明暗变化，这个变化曲线称为光栅位移曲线。
[0011] 图2是现有技术的相位步进测量方法示意图。如图2所示，一般情况下，位移曲线 是一条标准的余弦曲线。光学系统调整完毕后，采集第一张图像①；然后在垂直于光栅栅条 方向移动分析光栅liim，光栅运动完成后，采集第二张图像②；接着移动分析光栅liim，光 栅运动完成后，采集第三张图像③；然后继续移动分析光栅lum，光栅运动完成后，采集第 四张图像④；最后移动分析光栅1Um，光栅运动完成后，采集第五张图像⑤。基于图像①、 ②、③、④和⑤，即可实现相位测量。


【发明内容】

[0012] (一）要解决的技术问题
[0013]本发明所要解决的主要是在快速X射线相位衬度成像中提高机械系统的稳定性， 同时尽量降低样品所接受的辐射剂量。
[0014](二）技术方案
[0015] 为解决上述技术问题，本发明提出一种用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位 测量方法，应用于X射线相位衬度成像系统，该系统包括X光机、源光栅、分束光栅、样品室、 分析光栅和X射线探测器，所述方法包括如下步骤：S1、在垂直于光路的横向平面上，沿垂 直于分析光栅的栅条方向上使分析光栅在一个光栅周期内做连续的往复直线运动，同时使 样品室保持连续的旋转运动，期间，X射线探测器一直在采集图像，分析光栅每运动一个单 位步距，探测器采集一张图像，即一张图像的曝光时间等于分析光栅移动一个单位步距的 时间；S2、根据步骤S1采集的图像计算样品的相位信息。
[0016]根据本发明的【具体实施方式】，所述分析光栅的单方向位移的大小是所述单位步距 的整数倍。
[0017]根据本发明的【具体实施方式】，所述整数为大于或等于4的整数。
[0018]根据本发明的【具体实施方式】，所述样品室的旋转是连续的。
[0019]根据本发明的【具体实施方式】，所述样品室的旋转是间歇性的。
[0020] 根据本发明的【具体实施方式】，所述分析光栅的周期性往复运动的运动模式是均速 运动。
[0021] 根据本发明的【具体实施方式】，所述分析光栅的周期性往复运动的运动模式是弹簧 谐振子运动。
[0022] 根据本发明的【具体实施方式】，在所述步骤S2中，通过如下公式计算样品的折射图 像（折射图像是相位信息的一种体现形式）：
[0023]

【权利要求】
1. 一种用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，应用于X射线相位衬度成 像系统，该系统包括X光机（1)、源光栅（2)、分束光栅（3)、样品室（4)、分析光栅（5)和X 射线探测器（6)，其持征在于，包括如下步骤： 51、 在垂直于光路的横向平面上，沿垂直于分析光栅的栅条方向上使分析光栅在一个 光栅周期内做连续的往复直线运动，同时使样品室保持连续的旋转运动，期间，X射线探测 器一直在采集图像，分析光栅每运动一个单位步距，探测器采集一张图像，即一张图像的曝 光时间等于分析光栅移动一个单位步距的时间； 52、 根据步骤Sl采集的图像计算样品的相位信息。
2. 如权利要求1所述的用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，其特征在 于，所述分析光栅的单方向位移的大小是所述单位步距的整数倍。
3. 如权利要求2所述的用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，其特征在 于，所述整数为大于或等于4的整数。
4. 如权利要求1所述的用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，其特征在 于，所述样品室的旋转是连续的。
5. 如权利要求1所述的用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，其特征在 于，所述样品室的旋转是间歇性的。
6. 如权利要求1所述的用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，其特征在 于，所述分析光栅的周期性往复运动的运动模式是匀速运动。
7. 如权利要求1所述的用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，其特征在 于，所述分析光栅的周期性往复运动的运动模式是弹簧谐振子运动。
8. 如权利要求1所述的用于X射线相位衬度成像的积分水桶相位测量方法，其特征在 于，在所述步骤S2中，通过如下公式计算样品的折射图像：
，其中，是所采集的图像的 像素（m，η)处的折射角，k是累加求和过程中的变量，N是积分水桶测量方法在位移曲线 一个周期内划分区间的数量，./〗(X,y)是第k步采集到的样品图像中像素（m，η)的灰度值， /f(X,y)是第k步采集到的背景图像中像素（m，η)的灰度值，d是分析光栅的周期，ζτ是样 品和分析光栅之间的距离。
【文档编号】G01N23/04GK104458777SQ201410841493
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】王圣浩, 吴自玉, 王志立, 高昆, 韩华杰, 张灿, 胡仁芳 申请人:中国科学技术大学