一种双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法
专利汇可以提供一种双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种双能 X射线 相位 衬度成像装置及其实现方法，该双能X射线相位衬度成像装置沿光路依次包括X光机、源光栅、分束光栅、样品室、分析光栅和X射线探测器，其中：X光机用于发出X射线；源光栅用于将大焦点的X 光源 分成为若干个不相干的小焦点光源；分束光栅用于将小焦点光源分成若干束，照射到样品室中的样品上，并在在分析光栅上形成几何投影；样品室用于放置并固定样品，同时带动样品进行旋转；分析光栅用于与分束光栅一起在X射线探测器上形成莫尔条纹；X射线探测器用于获取并记录该莫尔条纹。利用本发明进行双能X射线相位衬度成像时，选取的两个 能量 值V高和V低可以根据实际情况随意调整，从而扩大双能X射线相位衬度成像的使用范围。，下面是一种双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法专利的具体信息内容。
1.一种双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，该装置沿光路依次包括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)，其中：
X光机(1)，用于发出X射线；
源光栅(2)，用于将大焦点的X光源分成为若干个不相干的小焦点光源；
分束光栅(3)，用于将小焦点光源分成若干束，照射到样品室(4)中的样品上，并在在分析光栅(5)上形成几何投影；
样品室(4)，用于放置并固定样品，同时带动样品进行旋转；
分析光栅(5)，用于与分束光栅一起在X射线探测器上形成莫尔条纹；
X射线探测器(6)，用于获取并记录该莫尔条纹。
2.根据权利要求1所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，所述源光栅(2)与所述分析光栅(5)的周期满足 其中p0为源光栅(2)的周期，p2是分析光栅(5)的周期，l是源光栅(2)与分束光栅(3)之间的距离，d为分束光栅(3)与分析光栅(5)之间的距离，以使所述分束光栅(3)在每个小焦点光源下产生的投影像互相错开一个周期并叠加在一起，从而使得条纹对比度得到增强。
3.根据权利要求1所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，所述分束光栅(3)与所述分析光栅(5)的周期满足 其中p1为分束光栅(3)的周期，p2是分析光栅(5)的周期，l是源光栅(2)与分束光栅(3)之间的距离，d为分束光栅(3)与分析光栅(5)之间的距离，以使所述分束光栅(3)投影的周期和所述分析光栅(5)周期相等，从而能够通过相位步进技术完成信息提取。
4.根据权利要求1所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，所述源光栅(2)、分束光栅(3)与分析光栅(5)均为周期为40微米至100微米的大周期吸收光栅。
5.根据权利要求1所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，所述X射线探测器(6)为X射线平板探测器。
6.一种实现双能X射线相位衬度成像的方法，应用于权利要求1至5中任一项所述的双能X射线相位衬度成像装置，其特征在于，该方法包括：
对准X光机的出光点和X射探测器接收平面的中心点；
对X射线探测器进行Offset矫正和Gain矫正；
精确对准源光栅、分束光栅与分析光栅，使这三块光栅的刻线相互平行、三块光栅所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三块光栅的中心点、X光机的出光点和X射线探测器中心点在一条直线上；
调节X光机的管电压到高能V高处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出高能V高处样品的三维相位信息；
调节X光机的管电压到低能V高处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出低能V低处样品的三维相位信息。
7.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述对准X光机的出光点和X射探测器接收平面的中心点，是利用激光器分别在水平方向和竖直方向，对准X光机出射点和X射线探测器活动区域的中心，使X光机的出光点与X射线探测器接收平面的中心点对准。
8.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述对X射线探测器进行Offset矫正和Gain矫正，包括：
将源光栅、分束光栅和分析光栅移出成像视场，在X光机关闭时利用X射线探测器采集
50张图像，平均后保存为一张Offset图像(Ioffset)；打开X光机，把X光机的管电压调到低能V低处，稳定10分钟后，利用X射线探测器采集50张图像，平均后保存为一张低能Gain图像 把X光机的管电压调到高能V高处，稳定10分钟后，利用X射线探测器采集50张图像，平均后保存为一张高能Gain图像
将 X 光 机 的 管 电 压 维 持 在 高 能 V高 处， 调 用 Offset 图
像 (Ioffset) 和 高 能 Gain 图 像 利 用 公 式
对 采集到 的Offset图 像
(Ioffset)和高能Gain图像 进行offset校正和gain校正；其中I(m，n)是校正完毕后图像中像素(m，n)的灰度值，Iacquire(m，n)是探测器采集的图像中像素(m，n)的灰度值，Ioffset(m，n)是Offset图像中像素(m，n)的灰度值， 是Gain图像中像素(m，n)的灰度值；M是探测器水平方向的像素数量，N是探测器垂直方向的像素数量。
9.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述精确对准源光栅、分束光栅与分析光栅，使这三块光栅的刻线相互平行、三块光栅所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三块光栅的中心点、X光机的出光点和X射线探测器中心点在一条直线上，包括：
把源光栅移动至视场的正中央，在Z方向轻微旋转源光栅，观测X射线探测器采集到的图像，使源光栅的刻线处于竖直方向；
把分束光栅和分析光栅移动进入成像视场内，此时在探测器上会看到倾斜的大周期莫尔条纹；
在Z方向轻微旋转分束光栅，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使莫尔条纹处于垂直方向；
在Y方向轻微旋转分束光栅，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使视场中的莫尔条纹的周期左右相等；
在X方向轻微旋转分析光栅，每次旋转0.1°，同时观察探测器接收到的图像，反复调整，使视场中的莫尔条纹的周期上下相等；
在Z方向移动分束光栅，每次移动0.1毫米，使莫尔条纹的周期逐渐增大，反复调整，直到在整个视场区域，光强保持均匀，没有明显的明暗之分；
在X方向高精度移动分析光栅，每次移动10微米，在移动过程中，观测探测器采集到图像的明暗变化是否均匀；若不均匀，重新在X方向轻微移动分束光栅，直到在一个周期内连续移动分析光栅的过程中，成像视场内各个位置的光强从亮到暗的变化是步调一致的。
10.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述调节X光机的管电压到高能V高处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出高能V高处样品的三维相位信息，包括：
步骤12：把X光机的管电压维持在高能V高处，把样品室移动到成像视场中；
步骤 13：在X方 向高 精 度移 动 分析 光 栅，进 行 相位 步 进扫 描，同时利用X射 线 探测 器采 集 并保 存图 像，相 位 步进 扫描 完 成后，利用 公式计算样品在高能V高处的折射信息；公式
中θ(m，n)是像素(m，n)处的折射角，p2是分析光栅的周期，d是样品室和分析光栅之间的距离，Ik(m，n)是第k步采集到的图像中像素(m，n)的灰度值，k是累加求和过程中的变量，N是相位步进的步数；
步骤14：在Y方向把样品室旋转1°，重复步骤13；
步骤15：重复步骤14，直到样品室完成360°的旋转为止；
步骤16：把样品室移出视场，在X方向高精度移动分析光栅，进行相位
步进扫描，同时利用探测器采集并保存图像，相位步进扫描完成后，利用公式计算出高能V高处成像系统背景的折射信
息；公式中θ(m，n)是像素(m，n)处的折射角，p2是分析光栅的周期，d是分束光栅与分析光栅之间的距离，N是相位步进的步数，Ik(m，n)是第k步采集到的图像中像素(m，n)的灰度值，k是累加求和过程中的变量；
步骤17：利用公式 扣除系统背景，计算出样品室旋转过
程中，每个投影方向纯样品的折射信息；
步 骤 1 8 ： 利 用 优 化 的 滤 波 反 投 影 算 法
重建出试验样品
在高能V高处的三维相位信息；其中δ(x，y，z)高能为样品位置(x，y，z)处体积单元在高能V高下折射率的实部，φ是样品围绕旋转轴转动的角度变量，xr是随样品转动的坐标变量，x和y是垂直于光轴平面内的两个坐标变量，z是在垂直于xy平面方向的坐标变量，θr(xr，φ，z)是样品在φ角度位置处投影图像中像素(xr，z)处的折射角，F-1代表傅里叶反变换，ρ是频域区间的坐标变量，j是复数 5(xcosφ+ysinφ-xr)是狄拉克δ函数。
11.根据权利要求6所述的实现双能X射线相位衬度成像的方法，其特征在于，所述调节X光机的管电压到低能V低处，进行相位步进扫描，同时旋转样品室，采集图像并重建出低能V低处样品的三维相位信息，包括：
步骤19：把X光机的管电压调到低能V低处，调用Ioffset和 利用公式
对采集到的图像进行offset
校正和gain校正；其中I(m，n)是校正完毕后图像中像素(m，n)的灰度值，Iacquire(m，n)是探测器采集的图像中像素(m，n)的灰度值，Ioffset(m，n)是Offset图像中像素(m，n)的灰度值， 是Gain图像中像素(m，n)的灰度值；M是探测器水平方向的像素数量，N是探测器垂直方向的像素数量；
步骤20：在X方向高精度移动分析光栅，进行相位步进扫描，同时利用探测器采集并保存图像，相位步进扫描完成后，利用公式
计算低能V低处样品的折射信息；公式中θ(m，n)是像素(m，n)处的折射角，N是相位步进的步数，k是累加求和过程中的变量，Ik(m，n)是第k步采集到的图像中像素(m，n)的灰度值，p2是分析光栅的周期，d是样品室和分析光栅之间的距离；
步骤21：在Y方向把样品室旋转1°，重复步骤20；
步骤22：重复步骤21，直到样品室完成360°的转动为止；
步骤23：把样品室移出视场，在X方向高精度移动分析光栅，进行相位
步进扫描，同时利用探测器采集并保存图像，相位步进扫描完成后，利用公式计算出高能V低处成像系统背景的折射信
息；公式中θ(m，n)是像素(m，n)处的折射角，N是相位步进的步数，k是累加求和过程中的变量，Ik(m，n)是第k步采集到的图像中像素(m，n)的灰度值，p2是分析光栅的周期，d是分束光栅与分析光栅之间的距离；
步骤24：利用公式 扣除系统背景，计算出样品室旋转过
程中，每个投影方向纯样品的折射信息；
步 骤 2 5 ： 利 用 优 化 的 滤 波 反 投 影 算 法
重建出试验样品
高能
在低能V低的三维相位信息；其中δ(x，y，z) 为样品位置(x，y，z)处体积单元在高能V高下折射率的实部，φ是样品围绕旋转轴转动的角度变量，xr是随样品转动的坐标变量，x和y是垂直于光轴平面内的两个坐标变量，z是在垂直于xy平面方向的坐标变量，θr(xr，φ，-1
z)是样品在φ角度位置处投影图像中像素(xr，z)处的折射角，F 代表傅里叶反变换，ρ是频域区间的坐标变量，j是复数 δ(xcosφ+ysinφ-xr)是狄拉克δ函数。
一种双能X射线相位衬度成像装置及其实现方法
技术领域
背景技术
保证更为安全的介入手术 。但是对于由C、H、N、O等轻元素组成的弱吸收物质，由于他们在不同能量下，吸收系数的差异性很小，所以基于传统吸收衬度的双能X射线成像技术，[5]
在弱吸收生物组织间的分辨和识别方面，发挥作用有限 。
的相移因子是吸收因子的1000多倍 。同时，弱吸收物质的相移因子在不同能量下的差异性明显高于吸收因子。因此双能X射线相位衬度成像技术在弱吸收物质间的分辨识别方[5]
面有着巨大的应用价值 。
不能选取其他的管电压进行双能X射线相位衬度成像 。
1983.
发明内容
5，用于与分束光栅3一起在X射线探测器上形成莫尔条纹；X射线探测器6，用于获取并记录该莫尔条纹。
2
像系统光栅的研制加工更加容易、成本更低，并且更有可能研制出大周期(40×40厘米 )、高吸收厚度(300微米)和高性能的光栅，从而可以使双能X射线相位衬度成像技术应用在临床医学成像领域。
具体实施方式
栅周期为100微米，金厚度为200微米，占空比为1∶1，面积为1×1厘米 。分束光栅周
2
期为50微米，金厚度为200微米，占空比为1∶1，面积为10×10厘米 。分析光栅周期为
2
100微米，金厚度为200微米，占空比为1∶1，面积为10×10厘米 。X射线探测器的像素
2 2
尺寸为0.2×0.2厘米 ，X射线探测器的活动区域面积为20.48×20.48厘米 。源光栅距离X光机出光点的距离为1厘米，源光栅和分束光栅的距离为60厘米，样品室紧贴着分束光栅，分析光栅和分束光栅的距离为60厘米，X射线探测器采用X射线平板探测器，其紧贴着分析光栅放置。
高能
在高能V高处的三维相位信息。其中δ(x，y，z) 为样品位置(x，y，z)处体积单元在高能V高下折射率的实部，φ是样品围绕旋转轴转动的角度变量，xr是随样品转动的坐标变量，x和y是垂直于光轴平面内的两个坐标变量，z是在垂直于xy平面方向的坐标变量，θr(xr，-1
φ，z)是样品在φ角度位置处投影图像中像素(xr，z)处的折射角，F 代表傅里叶反变换，ρ是频域区间的坐标变量，j是复数 δ(xcosφ+ysinφ-xr)是狄拉克δ函数。
高能
在低能V低的三维相位信息。其中δ(x，y，z) 为样品位置(x，y，z)处体积单元在高能V高下折射率的实部，φ是样品围绕旋转轴转动的角度变量，xr是随样品转动的坐标变量，x和y是垂直于光轴平面内的两个坐标变量，z是在垂直于xy平面方向的坐标变量，θr(xr，-1
φ，z)是样品在φ角度位置处投影图像中像素(xr，z)处的折射角，F 代表傅里叶反变换，ρ是频域区间的坐标变量，j是复数 δ(xcosφ+ysinφ-xr)是狄拉克δ函数。
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