[发明专利]一次曝光的硬X射线光栅干涉仪的成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及硬X射线成像物理和方法领域，具体的说是一种一次曝光的硬X射线光栅干涉仪的成像方法。

背景技术

近一百多年来，X射线成像方法和技术在成像物理机制、数据采集方案、断层重建算法等方面不断取得新的进展，目前已经发展成为材料科学、临床医学、考古科学、公共安全等领域不可或缺的重要工具。特别是在临床医学领域，X射线成像方法和装置，包括X射线投影成像术(X-ray Radiography)和X射线计算机断层成像技术(X-ray Computed Tomography)，对现代人类健康、社会发展做出了无可替代的重大贡献。

从成像物理机制来讲，现有X射线成像方法和技术是基于X射线穿透物体后的光强衰减差异的。对金属、骨骼等重元素组成的物体，X射线穿透后会有明显的光强衰减。因此，在对这些强吸收物体成像时，能够获得很高的图像衬度，使得清晰地观察到内部结构。但是，临床医学成像中的人体软组织、材料科学中的聚合物等物体，主要由碳、氢、氧等低原子序数的轻元素组成。由于这些轻元素对X射线的衰减非常弱，利用现有X成像技术无法有效观察到由轻元素组成的这些物体。因此，有必要发展新的X射线成像方法和技术来克服现有X射线成像方法的局限性。

重温X射线与物质的相互作用，发现在硬X射线波段(10-100keV)，作为软组织、聚合物等弱吸收物体的主要成分，碳、氢、氧等元素的折射率实部(即相移项)是折射率虚部(即吸收项)的1000多倍。因此，测量X射线穿过物体时的相移信息要比检测光强衰减信息更加有效。X射线相位衬度成像技术正是通过记录X射线穿过物体后的相移来形成图像衬度的。与现有的吸收衬度成像技术相比，在对弱吸收物体成像时，X射线相位衬度成像技术能够获得更高的图像衬度、更高的测量灵敏度、更低的辐射剂量。上世纪90年代以来，陆续提出并发展了四种硬X射线相位衬度成像方法：晶体干涉仪、相位传播成像、衍射增强成像、光栅干涉仪。其中，硬X射线光栅干涉仪尽管是2002年以后逐渐发展起来的，但目前被认为是最具应用前景的X射线相位衬度成像方法之一。与其他成像方法相比，硬X射线光栅干涉仪是目前唯一能够直接利用常规X射线源获得相位衬度的方法，因而在临床医学诊疗、材料科学、公共安全检测等领域具有广阔的应用前景。硬X射线光栅干涉仪具有很高的测量灵敏度，能够从一组投影数据中同时获得物体的吸收、相移和散射图像。三种不同的物体图像互为补充，从不同角度反映了物体的内部结构信息。这些优点使得硬X射线光栅干涉仪成为近年来X射线成像领域的研究热点之一。

在硬X射线光栅干涉仪中，探测器记录的物体投影图像同时包含了物体的吸收、相移和散射信号，即图像衬度来自于物体吸收信号、相移信号、散射信号的混合贡献。而在实际应用中，如定量分析和研究物体内部结构、投影图像识别、计算机三维断层重建等，都要求获取独立、纯粹的物体吸收、相移和散射信号。因此，如何从物体投影图像中快速、准确提取纯粹的吸收、相移和散射信号是近年来的研究热点之一。目前，硬X射线光栅干涉仪普遍采用相位步进法进行实验数据采集和物体信息提取。这种方法要求复杂的横向步进扫描光栅，导致很长的数据采集时间，降低了实验效率；要求采集多幅物体投影图像(实验上不少于4张)，增加了物体的辐射剂量和辐射损伤风险。这些局限性阻碍了硬X射线光栅干涉仪在临床医学诊断等领域的推广应用。因此，发展新的成像方法，克服相位步进法光栅步进扫描、多次物体曝光的局限性，已经发展成为硬X射线光栅干涉仪实用化进程中必须解决的瓶颈问题之一。

发明内容

本发明为避免现有成像方法的不足之处，提出一种一次曝光的硬X射线光栅干涉仪的成像方法，以期能彻底摒弃繁琐的光栅步进扫描，简化硬X射线光栅干涉仪的数据采集流程，并提高成像效率，减少曝光时间，降低辐射剂量和辐射损伤风险，从而为实现快速、低辐射剂量的硬X射线相位衬度成像提供新途径。

为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种一次曝光的硬X射线光栅干涉仪的成像方法，所述硬X射线光栅干涉仪包括：X射线源、源光栅、相位光栅、分析光栅、探测器；在所述X射线源和相位光栅之间设置有所述源光栅和被成像物体；所述源光栅紧贴所述X射线源设置；所述被成像物体紧贴所述相位光栅的内侧设置；在所述相位光栅的外侧设置有所述分析光栅；所述分析光栅与所述相位光栅之间的轴向距离为d；所述探测器紧贴在所述分析光栅的外侧；其特点是，所述成像方法按如下步骤进行：