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1、第55卷第3期2006年3月物理学报Vol.55,No.3,March,200610003290200655(03)109908ACTAPHYSICASINICA2006Chin.Phys.Soc.*衍射增强成像方法在计算机断层成像中的应用1)2)1)1)2)3)3)3)舒航朱佩平王越高欣伊红霞刘波1)1)3)3)1)1)袁清习黄万霞罗述谦高秀来吴自玉方守贤1)(中国科学院高能物理研究所,北京100049)2)(中国科学院研究生院,北京100049)3)(首都医科大学,北京100054)(2005年5月24日收到;2005年6月13日收
2、到修改稿)衍射增强成像是X射线相位衬度成像方法之一,这种方法具有较高的衬度和空间分辨率.利用它对由轻元素组成的生物、医学样品成像可以观察到常规吸收成像无法观察到的内部微细结构.这种方法在生物、医学、材料科学等无损检测领域中的应用研究,已成为当前国际上X射线成像领域中的研究热点.讨论衍射增强成像方法和该方法在计算机断层成像中的应用.实验结果表明,使用衍射增强成像方法获得的数据源能够重建出微米级的生物组织结构,这些组织结构信息在常规X射线断层成像中是难以得到的.关键词:衍射增强成像,CT重建,同步辐射,微细结构PACC:2920L,6114F,8170J,4230[2,6]角散射获得成像
3、衬度,这种成像机理能够得到比1引言传统X射线成像方法更多的物体微细结构信息.由于使用晶体滤波,该方法对空间相干性要求相对较不论是传统的X射线吸收衬度成像还是近年低,所以可以在第一、二代同步辐射光源和实验室光[7]发展起来的X射线相位衬度成像,其成像衬度都来源上进行.源于X射线与样品的相互作用.X射线与样品的相轻元素样品对硬X射线的相位扰动相互作用互作用可以用折射率表示出来,折射率表达式为n强、吸收相互作用弱,DEI能利用传统X射线成像~=1-n-i,传统X射线成像的衬度来自于吸收项不能利用的折射和小角散射信息,因此,DEI对轻元~,而X射线相位衬度成像的衬度来自于相位项n.素组成的
4、样品能够得到高衬度和高空间分辨率的~在硬X射线波段,重元素的相位项n比吸收项大像,从而日趋成为生物、医学等无损检测研究的重要两个数量级,而轻元素的相位项比吸收项大三到五方法.然而,DEI仍然是样品中不同结构相互重叠个数量级.因此,X射线相位衬度成像方法特别适的二维投影平面像.为了解决二维投影像重叠问合用于由轻元素构成的生物医学样品.同步辐射X题,并进而获取高衬度和高空间分辨率的三维影像,射线光束具有高亮度、宽能谱范围、偏振性好等优将DEI方法和计算机断层成像(computertomography,点,这些显著特点使得同步辐射X射线相位衬度成像能够获得高清淅度的投影图像.根据成像机理的C
5、T)相结合就成为一种必然的趋势.本文将在第二[1]不同,X射线相位衬度成像方法可以分为干涉法,部分阐述衍射增强成像方法原理和该方法在CT重[2,3]衍射增强法(diffractionenhancedimaging,DEI)和建中的应用.在第三部分描述实验装置及实验方[4,5]同轴相衬法.本文主要讨论DEI方法.该方法主法,并对实验结果进行分析.最后将对我们所做的要是利用X射线穿过物体时产生的吸收、折射和小DEI_CT工作进行总结和展望.*国家自然科学基金重大项目(批准号:10490194),中国科学院高能物理所知识创新经费资助的课题.E_mail:zhupp@ihep.ac.cn110
6、0物理学报55卷不同能量的单色光;固定单色器晶体,转动分析晶2衍射增强成像原理体,从而得到在像平面的光强和分析晶体角度变化的函数关系,称为单色器分析晶体系统的摇摆曲线,如图2所示.通过理论计算,也可以得到摇摆曲21衍射增强成像方法线,它是由单色器晶体反射率与分析晶体反射率的基本的DEI光路图如图1所示.它由同步辐射互相关所决定,当两块晶体完全相同时,互相关化为光源、单色器晶体、样品转台、分析晶体以及像平面自相关.完整晶体的反射率近似于宽度为达尔文宽(探测器)五个主要部分组成.不放置样品时,DEI度D的矩形函数,而矩形函数的自相关是三角形函光路与通常使用的双晶单色器光
7、路完全相同.通过数,因此完整晶体的摇摆曲线近似于半高宽约等于调节单色器晶体和入射光X射线的夹角可以获得达尔文宽度D的三角形函数.图1衍射增强成像基本光路程中比较重要的相互作用.设样品厚度为t,样品的相位函数为t~2(x,y)=kn(x,y,z)dz,k=,(1)0[7]折射角由相位一阶导数决定,则X射线在弧矢面(X_Z平面)内的折射角为t~1(x,y)n(x,y,z)x(x,y)==-dz,kxx0(2)X
