[发明专利]弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法

说明书

技术领域

本发明属于X射线相衬成像领域，具体涉及弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法。

背景技术

近年来，随着X射线探测器和新型光源技术的发展，特别是20世纪90年代第三代同步辐射（Synchrotron Radiation，SR）光源的投入使用，把X射线成像带到一个全新的高度。同步辐射装置由电子直线加速器、增强器、储存环、光束线站等部分组成，电子经直线加速器加速后进入增强器进一步加速，当电子达到预定能量后注入到储存环，在储存环内高速运动。在储存环内有弯转磁铁及各种插入件，可以产生磁场使得电子偏转，这时电子束沿其运动的切线方向向外发射出同步辐射光。同步辐射产生的X射线波段宽广，是探测物质微观结构的有力工具，同时同步辐射光源具有常规光源不可比拟的优良性能，如高亮度，高准直性，高偏振性，高相干性和宽频谱范围等优点，已成为当今众多学科基础研究和高技术开发应用研究的新型高质量光源。

基于上海同步辐射光源（电子储存环能量3.5GeV，周长为432米）的生物医学成像线站BL13W1的X射线同轴相位衬度成像系统，具有装置简单、成像直观且分辨率高的特点，如图1所示，根据研究样品的特性，同步辐射装置Wiggler产生的高亮度同步辐射光（能量范围8-72.5keV），经过双晶单色器DCM选通后，成为一束高准直单色光入射到样品上，采用高分辨探测器CMOS（C11440–22C, Hamamatsu Photonics, Japan）采集高质量的X射线与样品相互作用后产生的吸收和相移信号，通过样品台（Sample Stage）的180⁰的旋转扫描进行投影成像，利用滤波反投影CT重构技术，获取被研究样品的三维微观原位结构信息。

当X射线穿过样品时，它们对X射线的作用不仅因其吸收因子的存在，改变X射线的强度，还由于其相位因子的存在，可以改变X射线的相位。X射线相位相衬成像（X-ray Phase-contrast Imaging: XPCI）原理是利用X射线透过样品后满足菲涅尔衍射传播规律，在像空间的光强分布如图2（a）所示：根据样品距探测器的距离（SDD）不同，在像空间范围内即可以采集到吸收像（SDD=0），也可以采集到包含吸收衬度和相位衬度的相衬像（SDD>0），图2（b）和（c）是SR-based IL-PCI方法对生物组织成像（兔肺）特点比较，可以明显看出差异性和相衬优势。在硬X射线区域内（10-100keV），对于主要由轻元素组成的生物医学软组织、高分子聚合材料等弱吸收物体而言，其相位因子较其吸收因子要高3-5个数量级，既其相位衬度远远大于其吸收衬度，ILPCI虽然是利用样品的相位信息成像，IL-PCI得到的是样品的边缘增强图像，成像衬度差分辨率不高，只能用于弱吸收样品的定性研究。相位恢复能从IL-PCI采集到的图像中重构出样品相位信息并用于定量研究，受到越来越多研究团队的广泛关注。

发明内容

本发明的目的是提供了一种弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法，以提高成像衬度及分辨率，满足对弱吸收物体样品定量研究的要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

弱吸收物体同步辐射X射线同轴相衬成像的相位恢复方法，包括如下步骤：

（1）采用同步辐射X射线同轴相衬成像法获取弱吸收物体样品的相衬数据；

（2）按式I对步骤（1）获取的相衬数据进行相位恢复，得到样品的相位信息的空间分布，

式I：

其中，和分别代表傅立叶变换和逆傅立叶变换，代表空间坐标系，代表傅立叶空间坐标系，代表样品到探测器的距离，代表入射X射线的波长，代表样品的吸收和相位比率，代表样品的投影光强分布，代表入射光强分布，代表样品的相位信息的空间分布；

（3）对步骤（2）得到的相位信息的空间分布进行图像重构。

优选地，在10-100keV的X射线区域内，所述弱吸收物体的相位因子较吸收因子高3-5个数量级。

优选地，步骤（3）采用滤波反投影得法进行图像重构。

本发明方法有效突破传统X射线同轴相衬成像在弱吸收物体的微结构分析方面的局限性，开创性地将X射线同轴相衬成像法与本发明的相位恢复算法结合，大幅提高弱吸收物体的空间分辨和密度分辨的探测能力，同时具有高信噪比，降低辐照剂量的特点，从而将X射线同轴相衬成像的应用领域拓展到高分子材料、生物医学软组织、中药材等弱吸收物体样品的微米级无损、高分辨三维成像，实现弱吸收物体的定量研究。

附图说明