基于光子计数的x射线相衬成像系统、方法及其设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种X射线成像系统，尤其涉及一种基于光子计数的X射线相衬成像 系统，同时还涉及该系统实现X射线相衬成像的方法及其关键设备，属于福射成像技术领 域。
【背景技术】
[0002] X射线成像系统是基于物质对X射线吸收程度不同的原理来检测物体内部结构 的，即吸收衬度成像。实践中，传统的X射线成像系统对原子序数较大的元素构成的物质 (例如人体骨骼等）能够清晰成像，而对于原子序数较小的元素巧日碳、氨、氧）构成的弱吸收 物质(例如手术中切除的组织块、穿刺活检取出的细胞团、体液离也后的沉淀物等等）等则 成像模糊甚至无法成像。在临床应用中对该些弱吸收物质进行检测时，需要做组织的固定、 包埋、切片（或涂片)和染色并在光学显微镜下观察。该样不仅对样品造成不可逆的破坏，而 且由于可见光的波长较长，其空间分辨率不可能再提高，仅仅依赖化学染色所获得信息量 少，不能获得构成空间结构物质的原子量W推断物质组成，更难W获得样品的H维结构信 肩、。
[0003] 随着X射线成像技术的不断发展，人们发现X射线透过样品后携带的相位信息也 能用于样品内部结构成像，而且X射线的相位漂移截面要比吸收截面高100?1000倍，通 过获取相位信息并进行复原即可W观测到样品的内部结构。而且，对于由轻元素构成的弱 吸收物质，X射线相位的改变比光强的改变更明显。X射线相位衬度成像能够比传统吸收衬 度成像更容易探测到样品的内部结构。当前，X射线相衬成像技术已经成为医学影像领域 的研究热点之一。
[0004] 例如在申请号为200410053014. 6的中国发明专利申请中，公开了一种X射线相衬 成像的方法和系统。该方案通过同轴轮廓成像方式将样品成像于探测器上，根据样品调整 微焦点X射线源产生的光源点与扫描台上的样品之间的距离，同时调整该样品与探测器之 间的距离。但该方案得到的图像是样品相位的二阶微分图像，没有描述如何根据二阶微分 图像的基础上进行相位恢复取得样品的相位图，更没有描述如何实现相衬的断层重建和3D 成像。此外，由于微焦点X射线源的亮度非常低，探测器需要曝光时间相当长，难W满足临 床应用的实际需要。
[000引再如，申请号为200810166472.9的中国发明专利申请中，公开了一种X射线光栅 相衬成像系统及方法。该方法通过使用X光机、多缝准直器如源光栅，W及两个吸收光栅能 够实现近分米量级视场的非相干条件下的相衬成像。但是在该技术方案中，光栅的制作依 然是个瓶颈，将限制光栅相衬成像技术在医学和工业上的实际应用。
[0006] 此外，现有的相衬成像系统大都采用基于能量积分的探测器，致使X射线成像系 统对穿透样品后的X射线利用率较低。另一方面，虽然采用基于能量积分的探测器可W获 得样品内部的结构信息，但其对于样品物质成分信息的获取能力不足。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于光子计 数的X射线相衬成像系统。
[0008] 本发明所要解决的另一个技术问题在于提供上述系统实现X射线相衬成像的方 法。
[0009] 本发明所要解决的又一个技术问题在于提供一种用于上述X射线相衬成像系统 的光子计数探测器。
[0010] 为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：
[0011] 一种基于光子计数的X射线相衬成像系统，包括X射线源、用于承载样品的扫描平 台、光子计数探测器、H维重建系统；
[0012] 所述X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，所述X射线在穿透所述样品时， 产生携带空间位置中材料特征信息的光子，所述光子计数探测器对成像平面的光子进行计 数，获得入射光子的投影数据和能量数据，并传输至H维重建系统；
[0013] 所述H维重建系统根据所述投影数据和所述能量数据重建样品内部的H维结构 和物质成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的物质成分进行识别。
[0014] 其中较优地，所述X射线源的阳极祀面为鹤，所述过滤片为铅、钢、错或者被中的 任意一种。
[0015] 其中较优地，所述X射线源与所述样品之间的距离R1 = Ls冲s/入；
[001引其中，Ls为空间相干长度，Fs为焦点大小，A为X射线波长。
[0017] 其中较优地，所述样品与所述光子计数探测器之间的距离R2 > 5 * 5 *M/入；
[0018] 其中，A是X射线波长，M是放大倍数，M= (R1 + R2)/R1，5是样品需要分辨的 细节。
[0019] 一种光子计数探测器，用在上述的X射线相衬成像系统中，该光子计数探测器是 由多个像素构成的面阵探测器，其中每个所述像素包括光电转换层、前置放大器、事件检出 单元、能级鉴别比较器、脉冲整形器、计数器、累加器W及输出总线；其中，光电转换层将单 光子转换为电信号，传输至到前置放大器将信号放大；事件检出单元将放大信号中噪声滤 除并发送至能级鉴别比较器；能级鉴别比较器对有效信号分级进入脉冲整形器进行脉冲整 形；计数器对脉冲信号计数并输入累加器和输出总线。
[0020] 其中较优地，每个像素对捕获的光子进行强度测量，通过对特定时间窗口内所捕 获的光子总数的记录获得该像素位置上的强度信息；像素通过对每个被捕获的X光子进行 阔值比较，测量出该X光子所具有的能量级别。
[0021] 一种基于光子计数的X射线相衬成像方法，基于上述的X射线相衬成像系统实现， 包括如下步骤：
[0022] (1)X射线源向扫描平台上的样品发射X射线，所述X射线在穿透所述样品时，产生 携带空间位置中材料特征信息的光子；
[0023] 口)光子计数探测器对成像平面的光子进行计数，获得入射光子的投影数据W及能 量数据，并传输至H维重建系统；
[0024] 樹所述H维重建系统根据所述投影数据和能量数据重建样品内部的H维结构和 物质成分类别，对样品的组成部分进行数字染色，从而对样品的成分进行识别。
[0025] 其中较优地，所述步骤(1)中，所述X射线源采用辆致福射方式发射X射线，所述X 射线经过滤片滤除低能部分和高能部分后，获得近似单色的X射线。
[0026] 其中较优地，所述步骤(1)中，所述光子计数探测器通过计数器获得每个像素点的 光子累加值形成投影图，通过能级鉴别比较器获得能量分布图；其中，所述投影图用于样品 的H维结构的重建，所述能量分布图用于样品内部的物质成分识别。
[0027] 其中较优地，所述步骤樹中，所述数字染色是基于不同的量纲实现的；在数字染色 的过程中，用不同的量纲进行二维投影图的采集和重建，并将重建出来的不同量纲之间的 体素参数进行数学运算，得到新的染色参量。
[0028] 本发明通过光子计数技术、相衬成像技术和H维重建技术对弱吸收物质进行无损 伤检测，可W获得具有能量鉴别能力、微米级或纳米级空间分辨能力的数字蜡块，并通过空 间尺度信息、相位信息、能量信息、密度吸收信息来对上述数字蜡块进行数字染色，便于观 察识别组织结构的细微差别，也可W通过对各种染色信息参数的权重调整获得更多种类的 图像输出结果。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明所提供的X射线相衬成像系统的整体结构示意图，其中右上角为部 分组件的另一角度视图；
[0030] 图2为经过滤片过滤之后，获得近单色的X射线的示意图；
[0031] 图3为本发明中使用的扫描平台的结构示例图；
[0032] 图4为锥束射线成像的几何关系示意图，其中显示了 R1、R2、M和探测器大小之间 的关系；
[0033] 图5为光子计数探测器的矩阵结构示意图；
[0034] 图6为光子计数探测器的工作过程示意图；
[00巧]图7为光子计数探测器中，每个像素的电路原理图；
[0036] 图8为相位衬度成像的工作原理示意图；
[0037] 图9为经过数字染色处理后的数字蜡块示意图；
[0038] 图10为用强度信息或相位信息进行数字染色的切面示意图；
[0039] 图11为增加了能量鉴别等级的数字染色切面示意图；
[0040] 图12为从重建后的数字蜡块获得任意角度的切面示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0042] 从物理学常识可知，X射线的波长远远短于可见光。该种特殊光源的成像可W获 得数千倍于光学显微镜的空间分辨能力。我们可W利用该样的特点解决传统的光学显微镜 不能分辨纳米级空间结构的问题。另一方面，利用核电子学技术和半导体技术，我们可W人 为控制X光源的福射频谱，并且通