[发明专利]光栅剪切相位衬度CT成像数据采集和重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机体层成像技术领域，特别是一种光栅剪切相位衬度CT成像数据采集和重建方法。

背景技术

传统的计算机体层成像(Computed Tomography，简称CT)是现代科学技术对人类健康的巨大贡献。经过三十多年的发展，该项技术在数据采集、重建方法和应用等多方面都取得了令人瞩目的进展，成为医学、生物、考古、材料科学、安全检查和工业无损检测等领域不可或缺的重要工具。传统CT原理的物理基础是物质对X射线吸收的差别，数学基础是雷当(Radon)变换。因此，传统CT技术是X射线吸收衬度旋转投影成像技术与雷当变换的结合。

基于吸收机制的X射线成像技术仅对人体骨骼观察的比较清楚，而对人体软组织成像模糊，特别是难以观察到人类体内毫米量级的早期恶性肿瘤(癌症)。这其中的原因在于人体软组织主要是由轻元素组成的，轻元素对于硬X射线几乎没有吸收，就象可见光透过水中的一个小玻璃球，几乎没有留下可以察觉的痕迹。目前癌症已经成为人类的主要杀手，实现癌症的早期诊断，是人类当前战胜这一恶魔的关键。因而需要发展一种方法，能清楚地分辨癌组织和正常组织，这就好象要想办法看清楚水中的一个小玻璃球。科学家发现，轻元素物质引起X射线相位改变的幅度是其对X射线吸收值的一千倍到十万倍，利用相位信号发展的X射线相位衬度成像，特别适合观察轻元素构成的物体。

近年来发展起来的X射线相位衬度投影成像方法，利用相位衬度比吸收衬度高得多的特殊性质，对生物软组织和轻元素样品获得了衬度非常高的成像结果。由于X射线相位衬度投影成像方法具有的巨大优势和广阔的发展前景，所以在国际上得到了迅速发展。目前已经发展了四种相位衬度投影成像方法，它们分别是晶体干涉仪成像方法、相位传播成像方法、衍射增强成像方法和光栅剪切成像方法。在四种相位衬度投影成像方法中，虽然光栅剪切成像方法是本世纪才发展起来的，但是它却是最有发展前途的投影成像方法。它不但能利用角度分辨能力获得与折射角成正比的图像衬度，而且具有和常规X射线光源结合、向医学临床应用发展的前景。因此，将光栅剪切X射线相位衬度旋转投影成像技术与雷当变换结合就成为人们进行研究的课题。

目前国际上已经提出的光栅剪切相位衬度CT成像方法，利用X射线穿过样品产生的折射角(也是相位梯度)信号，已经对生物软组织成像获得了非常高的衬度。然而，目前的光栅剪切相位衬度CT投影数据的采集方法和重建方法太麻烦。例如，需要将分析光栅分别固定在位移曲线的五个不同位置上，依次采集五套样品旋转180度的投影数据，也就是说在数据采集过程中，分析光栅需要移动五次，样品至少要依次旋转5个180度，才可能从采集的投影数据中解出样品的相位信息。由此可见，这种投影数据的采集方法比传统CT方法复杂。除此之外，已经提出的重建方法只能重建出样品的吸收系数和折射率。显然，目前的光栅剪切相位衬度CT投影数据的采集方法和重建方法不适合推广到人体成像。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，公开一种光栅剪切相位衬度CT成像数据采集和重建方法，操控简便，投影数据采集快，不仅可以重建出样品的吸收系数和折射率，而且可以重建出衬度更高的折射率一阶导数和折射率二阶导数。因此，本发明具有将相位衬度三维成像技术推广到医学临床的前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种光栅剪切相位衬度CT成像数据采集和重建方法，其在分析光栅处于位移曲线中值点位置(腰位)，样品转轴与光栅栅条平行的条件下，采集一套样品旋转360度的CT投影数据；从360度的CT投影数据中选取方向相反的投影光线数据进行配对组合，分离出样品旋转180度的吸收投影数据和折射投影数据，再经重排变换，形成样品旋转180度的平行束吸收投影数据和折射投影数据；根据旋转不变性要求对折射投影数据进行加权，获得多套满足旋转不变性要求的180度平行束投影数据，再根据雷当逆变换重建出样品的吸收系数、折射率、折射率一阶导数和折射率二阶导数的三维分布。

所述的光栅剪切相位衬度CT成像数据采集和重建方法，其具体步骤如下：

步骤S1，准备光栅剪切成像条件：

用相干的X射线光束照射相位光栅，根据光学中的泰保效应，在相位光栅后面会产生自成像，自成像的空间频率是相位光栅的空间频率的一倍或者二倍，在自成像位置，放置空间频率和自成像空间频率相同的分析光栅，沿着垂直于光束和光栅栅条的方向，移动分析光栅，同时利用光强探测器测得光强随着分析光栅位置移动而起伏的位移曲线，并拍摄无样品的背景光分布；

步骤S2，采集样品旋转360度的相位衬度CT投影数据：