專利名稱：同步輻射x射線相位襯度ct成像裝置及實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機斷層成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種同步輻射X射線相位襯度CT成像裝置及實驗方法。
背景技術(shù)：
自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線至今的一百多年里，基于吸收襯度的X射線透視成像，因為能無損地得到樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，在醫(yī)學(xué)診斷和材料研究等領(lǐng)域已經(jīng)成為重要的檢測手段。特別是20世紀中、后期A.M.Cormack和G.N.Hounsfield等人發(fā)明X射線CT(計算機斷層成像術(shù))后，CT目前已成為醫(yī)學(xué)診斷的必備手段。但無論是X射線透視成像還是傳統(tǒng)CT，成像襯度都是基于樣品對X射線的吸收差異。對于以輕元素為主要成分的生物軟組織而言，由于輕元素材料對硬X射線的吸收非常小，而不同輕元素材料之間的吸收差別就更小，所以只能得到襯度較低的吸收像。因此，基于吸收差異的常規(guī)CT，即使提高了空間分辨率，仍然不能對生物軟組織的內(nèi)部細微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生襯度，還無法看到生物軟組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)細節(jié)(如早期腫瘤、微血管等)。這極大限制了X射線吸收成像方法在生物軟組織研究方面的應(yīng)用。
近年來，隨著X射線相位襯度成像技術(shù)的出現(xiàn)，人們對X射線的成像機制有了進一步的認識。相位襯度成像是通過記錄X射線穿過物體后相位的變化而成像的技術(shù)，在硬X射線波段(λ≤0.2nm)，輕元素的相位項δ比吸收項β大3～4個數(shù)量級。因此，相位襯度成像比傳統(tǒng)X射線吸收成像具有更高的靈敏度和分辨率，更有利于在輕元素范圍內(nèi)對物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的研究，并有可能在生物樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細節(jié)以及某些疾病的早期診斷方面發(fā)揮一定的作用，這對生物、醫(yī)學(xué)方面的相關(guān)研究具有重要的意義。
雖然理論和實驗都表明，X射線相位襯度成像能達到較高的襯度和分辨率，但是它仍然是二維成像，是樣品在垂直于光束方向各個層面投影像的重疊，還不能獲得樣品的三維結(jié)構(gòu)。因此，將具有高襯度和分辨率的相位襯度成像技術(shù)應(yīng)用于三維成像、開展同步輻射X射線相位襯度CT成像方法及應(yīng)用研究是一個迫切需要解決的問題。
圖1是相位襯度成像中廣泛應(yīng)用的兩種成像模式光路示意圖。
同步輻射X射線相位襯度成像裝置一般由單色器晶體、樣品臺、分析晶體、電離室和探測器組成。
單色器晶體是將入射的“白光”X射線進行單色化、獲得帶寬很窄的單色X射線裝置，單色器晶體一般選用硅或鍺單晶體，通過調(diào)整單色器晶體衍射面與入射“白光”X射線的角度(布喇格角)，可以選擇出射X射線的波長(能量)。分析晶體一般是與單色器晶體相同類型的晶體。在衍射增強相位襯度成像模式中，分析晶體是精度很高的角度濾波器；而在同軸相襯成像模式中，分析晶體是單色X射線的偏轉(zhuǎn)器。在本發(fā)明的裝置中，單色器晶體和分析晶體都固定在相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)臺由步進電機通過相應(yīng)的減速傳動裝置實現(xiàn)。轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角分辨遠遠小于雙晶搖擺曲線的半高寬(FWHM)，以滿足在搖擺曲線的不同部位進行成像的要求。以能量為10KeV的X射線為例，Si(111)晶體的雙晶搖擺曲線的半高寬約為8角秒，在本發(fā)明的裝置中，單色器晶體和分析晶體轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動精度可以達到0.05角秒，足以滿足在搖擺曲線不同部位成像的需要。
電離室的主要作用是實時監(jiān)測分析晶體出射的X射線的強度。通過微靜電計可將電離室測得的X射線產(chǎn)生的光電流顯示出來。電離室的具體作用體現(xiàn)在兩個方面1)不放置樣品，當(dāng)旋轉(zhuǎn)分析晶體時，通過電離室記錄的從分析晶體出射X射線的強度可以測定雙晶搖擺曲線，并確定分析晶體衍射面相對于單色器晶體衍射面的相對角度位置，以滿足不同相位襯度成像模式的要求。2)放置樣品進行實驗時，通過電離室記錄的從分析晶體出射X射線的強度變化，可以確定曝光時間和實驗過程中X射線強度下降帶來的影響，為后續(xù)圖像數(shù)據(jù)處理和歸一化提供依據(jù)。
成像探測器的一般為二維面探測器，要求是便于圖像的數(shù)字化以及具有一定的空間分辨率。成像探測器便于圖像數(shù)字化可以方便地對圖像進行同步或后續(xù)處理。同時，為了滿足成像分辨率的要求，探測器必須有足夠的空間分辨率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種同步輻射X射線相位襯度CT成像裝置及實驗方法。
在同步輻射相位襯度CT成像實驗中，由于光源是固定的，后續(xù)的實驗裝置必須根據(jù)光源位置及方向調(diào)整，所以在開展相位襯度CT實驗時，只有通過實驗樣品的旋轉(zhuǎn)來完成。
單色器晶體、樣品轉(zhuǎn)臺、分析晶體、電離室和成像探測器組成組成了本發(fā)明的X射線相位襯度CT實驗裝置。
在上述的X射線相位襯度成像CT實驗裝置中，結(jié)合計算機可以實現(xiàn)單色器晶體、分析晶體和樣品臺的轉(zhuǎn)臺、電離室數(shù)據(jù)讀出和記錄、成像的拍攝及記錄等過程的完全自動化進行。
在衍射增強相位襯度CT成像實驗中，樣品轉(zhuǎn)臺放置在單色器晶體和分析晶體之間，根據(jù)電離室測得的雙晶搖擺曲線確定分析晶體和單色器晶體之間的夾角。固定調(diào)好的分析晶體和單色器晶體，樣品轉(zhuǎn)臺(轉(zhuǎn)臺1)每轉(zhuǎn)臺一個特定的角度后，利用成像探測器獲得一張樣品的衍射增強投影像，樣品轉(zhuǎn)臺的范圍可為180°、360°或其它任意角度，最終獲得相應(yīng)張數(shù)的衍射增強二維投影像(二維投影像張數(shù)＝樣品轉(zhuǎn)臺度數(shù)/轉(zhuǎn)臺步長)。根據(jù)衍射增強成像的相關(guān)理論和相應(yīng)CT算法，對所獲得的二維投影像進行處理，即可得到樣品的衍射增強相位襯度CT斷層像。
在同軸相位襯度CT成像實驗中，樣品臺放置在兩塊晶體的后面，兩塊晶體組成雙晶單色器，探測器放置在可沿X射線光路方向自動滑動的直線滑臺上。根據(jù)晶體衍射的布喇格角，可以選擇照射到樣品上的X射線波長；根據(jù)電離室測得的雙晶搖擺曲線，可將兩塊晶體的衍射面調(diào)節(jié)平行。根據(jù)同軸相位襯度成像理論，選擇合適的樣品-探測器距離，可在成像探測器上獲得同軸相位襯度二維投影像。按照特定步長旋轉(zhuǎn)樣品同時在每一個角度位置采集二維投影像，樣品旋轉(zhuǎn)整個預(yù)定轉(zhuǎn)臺范圍后，可采集到完整的投影像數(shù)據(jù)。根據(jù)同軸相位襯度成像的相關(guān)理論和相應(yīng)CT算法，對所獲得的二維投影像進行處理，即可得到樣品的同軸相位襯度CT斷層像。
在本發(fā)明所述的裝置中，確定好不同成像條件下的曝光時間后，在程序中輸入樣品需轉(zhuǎn)臺的總角度(樣品掃描范圍)和轉(zhuǎn)臺步長，確定好數(shù)據(jù)在計算機上存放的路徑后，整個數(shù)據(jù)采集過程即可自動運行直至數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。程序的運動過程是采集二維投影像并存盤→樣品旋轉(zhuǎn)一個步長→再次采集二維投影像并存盤→樣品繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一個步長，如此反復(fù)，直到樣品旋轉(zhuǎn)完成整個掃描范圍。圖3是本發(fā)明的相位襯度CT成像實驗工作過程示意圖。
以本發(fā)明所述裝置為基礎(chǔ)，同步輻射X射線相位襯度CT成像實驗工作模式主要有衍射增強相位襯度CT成像實驗的主要工作模式有如下四種1)樣品轉(zhuǎn)軸平行于單色器晶體轉(zhuǎn)軸和分析晶體轉(zhuǎn)軸，此種模式通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺2得以實現(xiàn)，2)樣品轉(zhuǎn)軸垂直于單色器晶體和分析晶體轉(zhuǎn)軸，此種模式通過在上一模式基礎(chǔ)上使轉(zhuǎn)臺2旋轉(zhuǎn)90°得以實現(xiàn)，3)單色器晶體和分析晶體調(diào)諧模式，單色器晶體和分析晶體衍射面完全平行，4)單色器晶體和分析晶體失諧模式，單色器晶體和分析晶體的衍射面存在一非常小的夾角；同軸相位襯度CT成像實驗的主要工作模式有如下兩種1)此種模式需要預(yù)先確定好樣品和探測器之間的最佳距離，然后在樣品-探測器距離不變的條件下進行CT成像實驗，2)選取幾個不同的樣品-探測器距離，在不同距離處分別進行CT成像實驗數(shù)據(jù)采集，然后利用所獲的幾套數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理中獲得最優(yōu)相位襯度。
在不同相位襯度CT成像實驗工作模式下，本發(fā)明所述的相位襯度CT成像實驗流程。其具體步驟為步驟S1，不同成像模式下相位襯度成像條件的確定
(1)在衍射增強相位襯度CT成像實驗中，根據(jù)樣品所需的成像條件和雙晶搖擺曲線上的相應(yīng)位置的關(guān)系，確定在單色器晶體和分析晶體之間的夾角，(2)在同軸相位襯度CT成像實驗中，根據(jù)不同樣品確定合適的樣品和探測器的距離以獲得最佳的成像效果或得到所需的信息，(3)根據(jù)X射線光強、探測器等的不同參數(shù)確定不同條件下相應(yīng)的成像曝光時間；步驟S2，相位襯度CT成像實驗數(shù)據(jù)的獲取，在步驟S1所確定的成像條件下，樣品轉(zhuǎn)臺(1)每轉(zhuǎn)動一個特定的角度后，利用成像探測器獲得一張樣品的相位襯度投影像，樣品轉(zhuǎn)臺的范圍可為180°、360°或其它任意角度，最終獲得相應(yīng)張數(shù)的相位襯度二維投影像，在所述的裝置中，確定好不同成像條件下的曝光時間后，在程序中輸入樣品需轉(zhuǎn)動的總角度和轉(zhuǎn)動步長，確定好數(shù)據(jù)在計算機上存放的路徑后，整個數(shù)據(jù)采集過程即可自動運行直至數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束；步驟S3，相位襯度成像實驗數(shù)據(jù)的重建，以衍射增強相位襯度成像或同軸相位襯度成像的相關(guān)理論作為算法基礎(chǔ)，對所獲得的二維投影像進行處理即可重建樣品的相位襯度CT斷層像。
圖1是相位襯度成像中廣泛應(yīng)用的兩種成像模式光路示意圖。
圖2是本發(fā)明中的樣品轉(zhuǎn)臺示意圖。
圖3是本發(fā)明的同步輻射X射線相位襯度CT成像方法流程圖。
具體實施例方式
圖1是相位襯度成像中廣泛應(yīng)用的兩種成像模式光路示意圖。其中，圖1(a)是同軸相位襯度CT成像實驗光路圖，圖1(b)是衍射增強相位襯度CT成像實驗光路圖。
在同步輻射相位襯度成像實驗中，由于光源是固定的，后續(xù)的實驗裝置必須根據(jù)光源位置及方向調(diào)整，所以在相位襯度CT成像CT實驗中，投影數(shù)據(jù)的采集只有通過實驗樣品的旋轉(zhuǎn)而不是光源的旋轉(zhuǎn)來完成。
本發(fā)明的同步輻射X射線相位襯度CT成像裝置，所述的裝置包括由單色器晶體、樣品轉(zhuǎn)臺、分析晶體、電離室和成像探測器組成，在衍射增強相位襯度CT成像中，單色器晶體、樣品轉(zhuǎn)臺、分析晶體、電離室和成像探測器順序排列在光路上；在同軸相位襯度CT成像中，單色器晶體、分析晶體、樣品轉(zhuǎn)臺、電離室和成像探測器依次排列在光路上；電離室的作用是作為X射線強度的監(jiān)測設(shè)備，電離室測得的X射線光強以光電流的形式通過微靜電計實時顯示。
圖2是本發(fā)明中的樣品轉(zhuǎn)臺示意圖。轉(zhuǎn)臺1、轉(zhuǎn)臺2、轉(zhuǎn)臺3分別對應(yīng)于ω1、ω2和ω3，平動1、平動2分別對應(yīng)圖中P1和P2。
本發(fā)明的樣品轉(zhuǎn)臺由三個轉(zhuǎn)臺和兩個平動組成，三個轉(zhuǎn)臺中，轉(zhuǎn)臺1(ω1)的作用是轉(zhuǎn)動固定在轉(zhuǎn)臺1上樣品，是CT實驗過程中的主要轉(zhuǎn)臺；轉(zhuǎn)臺2(ω1)用來調(diào)整樣品相對于從單色器晶體出射的X射線的方位以滿足不同成像條件的需要，因為轉(zhuǎn)臺1固定在轉(zhuǎn)臺2上，所以轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)臺時，固定于轉(zhuǎn)臺1上的樣品相對于入射X射線的方位將隨轉(zhuǎn)臺2變動(例如，通過轉(zhuǎn)臺2可實現(xiàn)樣品轉(zhuǎn)軸由水平轉(zhuǎn)臺變?yōu)樨Q直轉(zhuǎn)臺)；轉(zhuǎn)臺3(ω3)用來調(diào)整樣品臺相對入射X射線的方位以保證X射線對樣品的正入射，轉(zhuǎn)臺3轉(zhuǎn)臺時，固定于轉(zhuǎn)臺3上的轉(zhuǎn)臺2隨轉(zhuǎn)，固定在轉(zhuǎn)臺2上的轉(zhuǎn)臺1同時隨轉(zhuǎn)以實現(xiàn)X射線對樣品的正入射，兩個平動中，平動P1用以實現(xiàn)樣品臺相對于X射線高度位置的調(diào)節(jié)，平動P2用以實現(xiàn)樣品臺相對于X射線水平位置的調(diào)節(jié)。
此外，為避免同步輻射X射線入射到金屬部件上帶來的強散射的影響，轉(zhuǎn)臺2的中央通過X射線的部位設(shè)計為一個足夠大的X射線通道；樣品轉(zhuǎn)臺(轉(zhuǎn)臺1)的轉(zhuǎn)動軸要有足夠高的同心穩(wěn)定性以滿足CT成像分辨率的要求。
圖3是同步輻射X射線相位襯度成像CT方法流程，其具體步驟如下步驟S1，不同成像模式下相位襯度成像條件的確定(1)在衍射增強相位襯度CT成像實驗中，根據(jù)樣品所需的成像條件和雙晶搖擺曲線上的相應(yīng)位置的關(guān)系，確定在單色器晶體和分析晶體之間的夾角，(2)在同軸相位襯度CT成像實驗中，根據(jù)不同樣品確定合適的樣品和探測器的距離以獲得最佳的成像效果或得到所需的信息，(3)根據(jù)X射線光強、探測器等的不同參數(shù)確定不同條件下相應(yīng)的成像曝光時間；步驟S2，相位襯度CT成像實驗數(shù)據(jù)的獲取，在步驟S1所確定的成像條件下，樣品轉(zhuǎn)臺(1)每轉(zhuǎn)動一個特定的角度后，利用成像探測器獲得一張樣品的相位襯度投影像，樣品轉(zhuǎn)臺的范圍可為180°、360°或其它任意角度，最終獲得相應(yīng)張數(shù)的相位襯度二維投影像，在所述的裝置中，確定好不同成像條件下的曝光時間后，在程序中輸入樣品需轉(zhuǎn)動的總角度和轉(zhuǎn)動步長，確定好數(shù)據(jù)在計算機上存放的路徑后，整個數(shù)據(jù)采集過程即可自動運行直至數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束；步驟S3，相位襯度成像實驗數(shù)據(jù)的重建，以衍射增強相位襯度成像或同軸相位襯度成像的相關(guān)理論作為算法基礎(chǔ)，對所獲得的二維投影像進行處理即可重建樣品的相位襯度CT斷層像。
權(quán)利要求
1.一種同步輻射X射線相位襯度CT成像裝置，所述的裝置由單色器晶體、樣品轉(zhuǎn)臺、分析晶體、電離室和成像探測器組成，在衍射增強相位襯度CT成像實驗中，單色器晶體、樣品轉(zhuǎn)臺、分析晶體、電離室和成像探測器順序排列在光路上；在同軸相位襯度CT成像實驗中，單色器晶體、分析晶體、樣品轉(zhuǎn)臺、電離室和成像探測器依次排列在光路上；電離室的作用是作為X射線強度的監(jiān)測設(shè)備，電離室測得的X射線光強以光電流的形式通過微靜電計實時顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步輻射X射線相位襯度CT成像裝置，其特征在于，樣品轉(zhuǎn)臺由三個轉(zhuǎn)臺和兩個平動組成，三個轉(zhuǎn)臺中，轉(zhuǎn)臺(1)的作用是實現(xiàn)固定在轉(zhuǎn)臺(1)上樣品的轉(zhuǎn)動，是CT成像實驗過程中的主要轉(zhuǎn)臺；轉(zhuǎn)臺(2)用來調(diào)整樣品相對于從單色器晶體出射的X射線的方位以滿足不同成像條件的需要，因為轉(zhuǎn)臺(1)固定在轉(zhuǎn)臺(2)上，所以轉(zhuǎn)臺(2)轉(zhuǎn)動時，固定于轉(zhuǎn)臺(1)上的樣品相對于入射X射線的方位將隨轉(zhuǎn)臺(2)變動；轉(zhuǎn)臺(3)用來調(diào)整樣品臺相對入射X射線的方位以保證X射線對樣品的正入射，轉(zhuǎn)臺(3)轉(zhuǎn)動時，固定于轉(zhuǎn)臺(3)上的轉(zhuǎn)臺(2)隨轉(zhuǎn)，固定在轉(zhuǎn)臺(2)上的轉(zhuǎn)臺(1)同時隨轉(zhuǎn)以實現(xiàn)X射線對樣品的正入射，兩個平動中，平動P1用以實現(xiàn)樣品臺相對于X射線高度位置的調(diào)節(jié)，平動P2用以實現(xiàn)樣品臺相對于X射線水平位置的調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同步輻射X射線相位襯度CT成像裝置，其特征在于，通過自動控制，可滿足衍射增強相位襯度CT成像和同軸相位襯度CT成像在不同條件下的實驗需要；同時，本裝置結(jié)合計算機可以實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)采集過程的全部自動化。
4.一種同步輻射X射線相位襯度CT成像的方法，其具體步驟如下步驟S1，不同成像模式下相位襯度成像條件的確定(1)在衍射增強相位襯度CT成像實驗中，根據(jù)樣品所需的成像條件和雙晶搖擺曲線上的相應(yīng)位置的關(guān)系，確定在單色器晶體和分析晶體之間的夾角，(2)在同軸相位襯度CT成像實驗中，根據(jù)不同樣品確定合適的樣品和探測器的距離以獲得最佳的成像效果或得到所需的信息，(3)根據(jù)X射線光強、探測器等的不同參數(shù)確定不同條件下相應(yīng)的成像曝光時間；步驟S2，相位襯度CT成像實驗數(shù)據(jù)的獲取，在步驟S1所確定的成像條件下，樣品轉(zhuǎn)臺(1)每轉(zhuǎn)動一個特定的角度后，利用成像探測器獲得一張樣品的相位襯度投影像，樣品轉(zhuǎn)臺的范圍可為180°、360°或其它任意角度，最終獲得相應(yīng)張數(shù)的相位襯度二維投影像，在所述的裝置中，確定好不同成像條件下的曝光時間后，在程序中輸入樣品需轉(zhuǎn)動的總角度和轉(zhuǎn)動步長，確定好數(shù)據(jù)在計算機上存放的路徑后，整個數(shù)據(jù)采集過程即可自動運行直至數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束；步驟S3，相位襯度成像實驗數(shù)據(jù)的重建，以衍射增強相位襯度成像或同軸相位襯度成像的相關(guān)理論作為算法基礎(chǔ)，對所獲得的二維投影像進行處理即可重建樣品的相位襯度CT斷層像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的同步輻射X射線相位襯度CT成像方法，其特征在于，可以實現(xiàn)多種相位襯度CT成像模式實驗衍射增強相位襯度CT成像實驗的主要模式有如下四種1)樣品轉(zhuǎn)軸平行于單色器晶體轉(zhuǎn)軸和分析晶體轉(zhuǎn)軸，此種模式通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺2實現(xiàn)，2)樣品轉(zhuǎn)軸垂直于單色器晶體和分析晶體轉(zhuǎn)軸，此種模式可通過在上一模式基礎(chǔ)上使轉(zhuǎn)臺2旋轉(zhuǎn)90°得以實現(xiàn)，3)單色器晶體和分析晶體調(diào)諧模式，單色器晶體和分析晶體衍射面完全平行，4)單色器晶體和分析晶體失諧模式，單色器晶體和分析晶體的衍射面存在一非常小的夾角；同軸相位襯度CT成像實驗的主要工作模式有如下兩種1)在最優(yōu)樣品-探測器距離處進行同軸相位襯度成像CT實驗，此種模式需要預(yù)先確定好樣品和探測器之間的最佳距離，然后在樣品-探測器距離不變的條件下進行CT成像實驗，2)選取幾個不同的樣品-探測器距離，在不同距離處分別進行CT成像實驗數(shù)據(jù)采集，然后利用所獲的幾套數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理中獲得最優(yōu)相位襯度。
全文摘要
本發(fā)明涉及計算機斷層成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種同步輻射X射線相位襯度CT成像裝置及實驗方法。裝置由單色器晶體、樣品轉(zhuǎn)臺、分析晶體、電離室和成像探測器組成，樣品轉(zhuǎn)臺由三個轉(zhuǎn)動和兩個平動來組成。同步輻射X射線相位襯度CT成像方法流程，其具體步驟如下步驟S1，不同成像模式下相位襯度成像條件的確定；步驟S2，相位襯度CT成像實驗數(shù)據(jù)的獲??；步驟S3，相位襯度成像實驗數(shù)據(jù)的重建。
文檔編號A61B6/03GK1965760SQ20051008690
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者吳自玉, 袁清習(xí), 王寯越, 朱佩平, 黃萬霞, 舒航 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所