[发明专利]基于横向错位光栅的三维锥束计算机层析成像方法及装置

权利要求书

1.一种基于横向错位光栅的X射线光栅差分相位衬度三维锥束计算机层析成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、以基于横向错位光栅的Talbort-Lau三维层析成像结构获取X射线穿过物体后的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿轴向转动过程中，探测器周期性采集X射线穿过物体后的二维投影，且在一个采集周期中采集得到一幅所述物体的二维投影图像；

步骤2、对所述二维投影图像序列进行傅里叶变换分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种衬度图像；

步骤3、使用吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度滤波反投影重建算法分别对三种衬度二维图像序列进行图像重建，获得所述物体吸收衬度、相位衬度和散射衬度三种CT切片图像；

所述的横向错位吸收光栅布置Talbot-Lau成像结构，包括：

所述Talbot-Lau成像结构光路一共包括六个部分：X射线源、源光栅G0、测试物体、相位光栅G1、吸收光栅G2、探测器；

所述Talbot-Lau成像结构光路参数应满足如下公式(1)-(4)：

kg₁＝2g₂， (2)

g₀＝g₂·L/d， (3)

s＜g₂·L/2d， (4)

其中，d表示相位光栅G1和吸收光栅G2之间的距离；k＝(L+d)/L为放大比，L为源光栅G0与相位光栅G1直接的距离；m表示第m阶分数Talbot距离；g₁为相位光栅G1的周期，λ为所用X射线的波长，g₂为吸收光栅G2的周期，g₀为源光栅G0的周期，s为源光栅中在每个周期下允许X射线透过的宽度；

所述横向错位吸收光栅，指的是所述Talbot-Lau成像结构光路中吸收光栅G2，其与探测器探元的相对位置出现横向周期性错位，使得横向多个相邻探测器探元获得的强度信号，能够等效于传统成像方法中一个探测器探元在多个不同位置时获得的强度信号；

对于4个横向相邻探测器探元，分别标记为p₁、p₂、p₃、p₄，每个探元p_x宽度为w，x＝1,2,3,4，在横向错位吸收光栅中，对应一段长为w的光栅gp_x，每一段光栅gp_x的光栅周期为g₂，相邻探测器探元对应的光栅存在着距离为f的位置差，如相邻探测器探元p₁和p₂对应的光栅段gp₁与gp₂存在着f的位置差，其中f＝g₂/4，gp_x光栅的位置相当于吸收光栅在移动到x时的位置，相邻4个探测器探元对应的各段吸收光栅的位置各不同，相互错开距离f，称之为横向错位光栅，探测器探元px获得的X射线强度信号值是吸收光栅G2移动到位置x时采集到的强度值；

步骤1还包括：

在所述Talbot-Lau成像结构中，当转台未放置物体时，转台沿旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖，由探测器采集二维投影图像；

在所述Talbot-Lau成像结构中，当转台放置物体时，转台沿旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖，由探测器采集二维投影图像；

以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像，包括：

依据公式(5)－(14)对所述的二维投影图像序列进行图像解析得到三种衬度二维投影图像序列：

I₁(x，z，θ)＝I(x－1，z，θ)， (5)

I₂(x，z，θ)＝I(x，z，θ)， (6)

I₃(x，z，θ)＝I(x+1，z，θ)， (7)

I₄(x，z，θ)＝I(x+2，z，θ)， (8)

phase(x，z，θ)＝φ^s(x，z，θ)-φ^r(x，z，θ)， (13)

其中，x为二维投影图点的横坐标；z为二维投影图点的纵坐标，θ为此二维投影图像所在投影角度；I(x，z，θ)为二维投影图中点(x，z)在投影角度θ的强度值；I₁(x，z，θ)、I₂(x，z，θ)、I₃(x，z，θ)、I₄(x，z，θ)分别表示点(x，z)在投影角度θ的4个不同的强度值，模拟传统光栅差分相位衬度图像中点(x，z)在投影角度θ当吸收光栅在4个不同的步进位置时的强度值；M表示一个点(x，z)中不同的强度值的个数，M＝4；a₀(x，z，θ)为点(x，z)在投影角度θ的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的均值；a₁(x，z，θ)为点(x，z)在投影角度θ的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的振幅大小；φ(x，z，θ)为点(x，z)在投影角度θ的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的相位值；表示在投影角度θ不放测试物体时的a₀(x，z，θ)值，表示在投影角度θ放置测试物体时的a₀(x，z，θ)值；表示在投影角度θ不放测试物体时的a₁(x，z，θ)值，表示在投影角度θ放置测试物体时的a₁(x，z，θ)值；φ^r(x，z，θ)表示在投影角度θ不放测试物体时的φ(x，z，θ)值，φ^s(x，z，θ)表示在投影角度θ放置测试物体时的φ(x，z，θ)值；abs(x，z，θ)为在投影角度θ点(x，z)吸收衬度的值；phase(x，z，θ)为在投影角度θ点(x，z)差分相位衬度的值；dark(x，z，θ)为在投影角度θ点(x，z)散射衬度成像的值；

使用吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度滤波反投影重建算法分别对三种衬度二维图像序列进行图像重建，获得所述物体吸收衬度、相位衬度和散射衬度三种CT切片图像，包括：

依据公式(15)-(17)对所述的二维投影图像序列进行图像解析得到三种衬度二维投影图像序列：

其中，a(x，y，z)、p(x，y，z)和d(x，y，z)分别为重建的吸收衬度切片图像、相位衬度切片图像和散射衬度切片图像；abs(s，v，θ)、phase(s，v，θ)和dark(s，v，θ)分别表示投影角θ下的吸收衬度、差分相位衬度和散射衬度二维投影，s，v分别是探测器上像素点与射线源的连线和放置在旋转轴处的虚拟探测器的交点坐标；ξ为射线与中心射线的夹角；D为射线源到虚拟探测器平面的距离；y′为重建图像像素点到虚拟探测器平面的距离；h_a(s)、h_p(s)和h_d(s)分别为吸收衬度、差分相位衬度和散射衬度二维投影的滤波器，其定义为公式(18)－(19)：

h_a(s)＝|s|， (18)

h_d(s)＝|s|， (20)。

2.一种基于横向错位光栅的X射线光栅差分相位衬度三维锥束计算机层析成像装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像；

计算模块，用于对所述二维投影图像序列进行傅里叶变换获得吸收衬度、差分相位衬度和散射衬度二维投影序列；利用锥形束重建算法对三种衬度二维投影序列进行图像重建，获得所述物体柱面对应的三维CT切片图像；

所述的横向错位吸收光栅布置Talbot-Lau成像结构，包括：

所述Talbot-Lau成像结构光路一共包括六个部分：X射线源、源光栅G0、测试物体、相位光栅G1、吸收光栅G2、探测器；

所述Talbot-Lau成像结构光路参数应满足如下公式(1)－(4)：

kg₁＝2g₂， (2)

g₀＝g₂·L/d， (3)

s＜g₂·L/2d， (4)

其中，d表示相位光栅G1和吸收光栅G2之间的距离；k＝(L+d)/L为放大比，L为源光栅G0与相位光栅G1直接的距离；m表示第m阶分数Talbot距离；g₁为相位光栅G1的周期，λ为所用X射线的波长，g₂为吸收光栅G2的周期，g₀为源光栅G0的周期，s为源光栅中在每个周期下允许X射线透过的宽度；

所述横向错位吸收光栅，指的是所述Talbot-Lau成像结构光路中吸收光栅G2，其与探测器探元的相对位置出现横向周期性错位，使得横向多个相邻探测器探元获得的强度信号，能够等效于传统成像方法中一个探测器探元在多个不同位置时获得的强度信号；

对于4个横向相邻探测器探元，分别标记为p₁、p₂、p₃、p₄，每个探元px(x＝1,2,3,4)宽度为w，在横向错位吸收光栅中，对应一段长为w的光栅gp_x，每一段光栅gp_x的光栅周期为g₂，相邻探测器探元对应的光栅存在着距离为f的位置差，如相邻探测器探元p₁和p₂对应的光栅段gp₁与gp₂存在着f的位置差，其中f＝g₂/4，gp_x光栅的位置相当于吸收光栅在移动到x时的位置，相邻4个探测器探元对应的各段吸收光栅的位置各不同，相互错开距离f，称之为横向错位光栅，探测器探元p_x获得的X射线强度信号值是吸收光栅G2移动到位置x时采集到的强度值；

获取模块还包括：

在所述Talbot-Lau成像结构中，当转台未放置物体时，转台沿旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖，由探测器采集二维投影图像；

在所述Talbot-Lau成像结构中，当转台放置物体时，转台沿旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖，由探测器采集二维投影图像；

所述计算模块以傅里叶分析法从采集到的二维强度图像中分离出X射线吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度三种图像，包括：

依据公式(5)-(14)对所述的二维投影图像序列进行图像解析得到三种衬度二维投影图像序列：

I₁(x，z，θ)＝I(x-1，z，θ)， (5)

I₂(x，z，θ)＝I(x，z，θ)， (6)

I₃(x，z，θ)＝I(x+1，z，θ)， (7)

I₄(x，z，θ)＝I(x+2，z，θ)， (8)

phase(x，z，θ)＝φ^s(x，z，θ)-φ^r(x，z，θ)， (13)

其中，x为二维投影图点的横坐标；z为二维投影图点的纵坐标，θ为此二维投影图像所在投影角度；I(x，z，θ)为二维投影图中点(x，z)在投影角度θ的强度值；I₁(x，z，θ)、I₂(x，z，θ)、I₃(x，z，θ)、I₄(x，z，θ)分别表示点(x，z)在投影角度θ的4个不同的强度值，模拟传统光栅差分相位衬度图像中点(x，z)在投影角度θ当吸收光栅在4个不同的步进位置时的强度值；M表示一个点(x，z)中不同的强度值的个数，M＝4；a₀(x，z，θ)为点(x，z)在投影角度θ的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的均值；a₁(x，z，θ)为点(x，z)在投影角度θ的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的振幅大小；φ(x，z，θ)为点(x，z)在投影角度θ的4个不同的强度值拟合出的正弦曲线的相位值；表示在投影角度θ不放测试物体时的a₀(x，z，θ)值，表示在投影角度θ放置测试物体时的a₀(x，z，θ)值；表示在投影角度θ不放测试物体时的a₁(x，z，θ)值，表示在投影角度θ放置测试物体时的a₁(x，z，θ)值；φ^r(x，z，θ)表示在投影角度θ不放测试物体时的φ(x，z，θ)值，φ^s(x，z，θ)表示在投影角度θ放置测试物体时的φ(x，z，θ)值；abs(x，z，θ)为在投影角度θ点(x，z)吸收衬度的值；phase(x，z，θ)为在投影角度θ点(x，z)差分相位衬度的值；dark(x，z，θ)为在投影角度θ点(x，z)散射衬度成像的值；

所述计算模块使用吸收衬度、差分相位衬度及散射衬度滤波反投影重建算法分别对三种衬度二维图像序列进行图像重建，获得所述物体吸收衬度、相位衬度和散射衬度三种CT切片图像，包括：

依据公式(15)－(17)对所述的二维投影图像序列进行图像解析得到三种衬度二维投影图像序列：

其中，a(x，y，z)、p(x，y，z)和d(x，y，z)分别为重建的吸收衬度切片图像、相位衬度切片图像和散射衬度切片图像；abs(s，v，θ)、phase(s，v，θ)和dark(s，v，θ)分别表示投影角θ下的吸收衬度、差分相位衬度和散射衬度二维投影，s，v分别是探测器上像素点与射线源的连线和放置在旋转轴处的虚拟探测器的交点坐标；ξ为射线与中心射线的夹角；D为射线源到虚拟探测器平面的距离；y′为重建图像像素点到虚拟探测器平面的距离；h_a(s)、h_p(s)和h_d(s)分别为吸收衬度、差分相位衬度和散射衬度二维投影的滤波器，其定义为公式(18)－(19)：

h_a(s)＝|s|， (18)

h_d(s)＝|s|， (20)

其中s是探测器上像素点与射线源的连线和放置在旋转轴处的虚拟探测器的交点的横坐标，i代表虚部。