一种高分辨率x射线编码孔径成像装置和成像方法

本发明涉及一种高分辨率x射线编码孔径成像装置和成像方法，属于短波长成像。

背景技术：

1、在用x射线作为光源对物体成像时，由于x射线在传播过程中容易被物体吸收，因此普通的基于透镜成像的方法并不适用于x射线成像。而编码孔径成像不需要使用透镜，而是通过一块特殊设计的编码板来编码光束，由于具有较高的透光率和信噪比，自20世纪60年代提出以来，编码孔径成像已被广泛用于短波长(x射线、β射线等)成像、医学和天文学等领域。

2、小孔成像作为最简单的一种编码孔径成像方法，由于其成像结构简单，并且具有较高的分辨能力，至今仍被用于x射线成像领域。小孔成像的分辨率由其孔径决定，小孔孔径越小，对应的成像分辨率越高，但相应的透过的光通量也越少，因此成像所需的曝光时间也就越长。虽然目前已有方法提出采用多孔阵列成像的方式提高光通量，但与之对应的成像效果也受到多孔阵列调制。编码孔径成像中小孔孔径对成像分辨率和光通量的影响，制约了其在x射线编码孔径成像领域的应用。

技术实现思路

1、为了有效降低x射线编码孔径成像中小孔孔径对成像分辨率和光通量的影响，本发明提供了一种高分辨率x射线编码孔径成像装置和成像方法，所述技术方案如下：

2、本发明的第一个目的在于提供一种x射线编码孔径成像装置，包括：x射线源1，沿所述x射线源1发出的x射线方向依次放置夹持器2，电控圆孔光阑3和x射线成像探测器4；

3、所述夹持器2用于放置微孔和待测样品；所述电控圆孔光阑3的孔径大小由软件控制调整，用作编码孔径，所述x射线成像探测器4用于记录x射线通过所述微孔或待测样品、所述电控圆孔光阑3后的光斑。

4、可选的，所述装置在获取系统点扩散函数时，将所述微孔固定在所述夹持器2上，所述电控圆孔光阑3由电脑控制连续改变其圆孔半径的大小，所述x射线成像探测器4在所述的电控圆孔光阑3的圆孔半径等间距变大时记录一组相对应的光斑。

5、可选的，所述装置在对待测样品成像时，将所述待测样品固定在所述夹持器2上，所述电控圆孔光阑3由电脑控制连续改变其圆孔半径的大小，所述x射线成像探测器4在所述的电控圆孔光阑3的圆孔半径等间距变大时记录一组相对应的光斑。

6、可选的，所述微孔的尺寸不大于100微米。

7、可选的，所述电控圆孔光阑3的光阑孔径变化范围为0.5mm～5mm。

8、可选的，所述x射线成像探测器4的分辨率至少为256×256。

9、本发明的第二个目的在于提供一种x射线编码孔径成像方法，基于上述的x射线编码孔径成像装置实现，包括：

10、步骤一：将所述微孔固定在夹持器2上，打开所述x射线源1，使得x射线通过所述微孔和电控圆孔光阑3，所述电控圆孔光阑3的圆孔半径为r0；

11、当所述电控圆孔光阑3的圆孔半径以(r0+δr*n)等间距变大时，所述x射线成像探测器4记录对应的强度点扩散函数图像，标记为h(x,y；n)(n＝1,2,3…)，其中n为电控圆孔光阑半径变化的次数，δr为一距离常数；

12、步骤二：关闭所述x射线源1，将所述微孔替换成所述待测样品固定在所述夹持器2上，再次打开所述x射线源1，使得x射线通过所述待测样品和电控圆孔光阑3，所述电控圆孔光阑3的圆孔半径为r0；

13、当所述电控圆孔光阑3的圆孔半径以(r0+δr*n)等间距变大时，所述x射线成像探测器4记录对应的模糊强度图像，标记为i(x,y；n)(n＝1,2,3…)；

14、步骤三：对所述强度点扩散函数图像h(x,y；n)和模糊强度图像i(x,y；n)进行傅里叶变换，h(u,v；n)＝f{h(x,y；n)}，i(u,v；n)＝f{i(x,y；n)}，其中f{}为傅里叶变换运算符，h(u,v；n)为强度点扩散函数图像h(x,y；n)进行傅里叶变换后的频谱，i(u,v；n)为模糊强度图像i(x,y；n)进行傅里叶变换后的频谱；

15、步骤四：猜测一个随机的物体频谱分布og(u,v)，则猜测的模糊强度图像的频谱ig(u,v；n)表示为ig(u,v；n)＝og(u,v)h(u,v；n)；

16、步骤五：所述猜测的模糊强度图像的频谱ig(x,y；n)与实际记录的模糊强度图像的频谱i(x,y；n)之间的差值为deti(x,y；n)＝ig(x,y；n)-i(x,y；n)；

17、步骤六：对猜测的物体频谱分布进行更新，得到：

18、

19、其中，*表示为共轭运算符号；

20、步骤七：将更新后的猜测频谱值o'g(u,v；n)赋值给og(u,v；n)，得到更新的物体频谱分布；

21、步骤八：计算猜测的物体频谱分布在更新后的误差，得到

22、

23、设定一个误差阈值ε0，当ε＜ε0时认为猜测的物体频谱分布o'g(u,v；k)和真实的物体频谱o(u,v)接近，对o'g(u,v；k)进行傅里叶逆变换即可得到重建的高分辨率物体分布o'(x,y)＝f-1{o″g(u,v；k)}，其中f-1{}为傅里叶逆变换运算符，k≤n；否则，跳转至步骤四，重复步骤四到步骤七的计算过程，直到所有强度点扩散函数图像和模糊强度图像都用于计算得到物体频谱为o'g(u,v；n)，对o'g(u,v；n)进行逆傅里叶变换得到重建的待成像物体分布o'(x,y)＝f-1{o″g(u,v；n)}。

24、可选的，所述电控圆孔光阑半径变化的次数n≤50。

25、本发明有益效果是：

26、(1)本发明公开的基于圆孔孔径变换的x射线编码孔径成像装置通过连续改变电控圆孔光阑的孔径尺寸得到多幅x射线成像图片，在圆孔孔径连续变化时，透过的x射线光通量也在逐渐增强，从而提高x射线编码孔径成像装置的光通量。

27、(2)本发明公开的高分辨率x射线编码孔径成像方法，是在维纳滤波重构方法的基础上，采用迭代反卷积方法对电控圆孔连续孔径变化时记录的多幅强度点扩散函数图像和对应的多幅模糊图像在频域进行迭代重建，从而得到高质量重构的待测样品图像，成像分辨率相比于单幅重建结果有大幅度提升。

技术特征：

1.一种x射线编码孔径成像装置，其特征在于，所述装置包括：x射线源(1)，沿所述x射线源(1)发出的x射线方向依次放置夹持器(2)，电控圆孔光阑(3)和x射线成像探测器(4)；

2.根据权利要求1所述的x射线编码孔径成像装置，其特征在于，所述装置在获取系统点扩散函数时，将所述微孔固定在所述夹持器(2)上，所述电控圆孔光阑(3)由电脑控制连续改变其圆孔半径的大小，所述x射线成像探测器(4)在所述的电控圆孔光阑(3)的圆孔半径等间距变大时记录一组相对应的光斑。

3.根据权利要求1所述的x射线编码孔径成像装置，其特征在于，所述装置在对待测样品成像时，将所述待测样品固定在所述夹持器(2)上，所述电控圆孔光阑(3)由电脑控制连续改变其圆孔半径的大小，所述x射线成像探测器(4)在所述的电控圆孔光阑(3)的圆孔半径等间距变大时记录一组相对应的光斑。

4.根据权利要求1所述的x射线编码孔径成像装置，其特征在于，所述微孔的尺寸不大于100微米。

5.根据权利要求1所述的x射线编码孔径成像装置，其特征在于，所述电控圆孔光阑(3)的光阑孔径变化范围为0.5mm～5mm。

6.根据权利要求1所述的x射线编码孔径成像装置，其特征在于，所述x射线成像探测器(4)的分辨率至少为256×256。

7.一种x射线编码孔径成像方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-6任一项所述的x射线编码孔径成像装置实现，包括：

8.根据权利要求7所述的x射线编码孔径成像方法，其特征在于，所述电控圆孔光阑半径变化的次数n≤50。

技术总结
本发明公开了一种高分辨率x射线编码孔径成像装置和成像方法，属于短波长成像技术领域。本发明的高分辨率x射线编码孔径成像装置基于圆孔孔径变换，通过连续改变电控圆孔光阑的孔径尺寸得到光通量提升的多幅强度点扩散函数图像和对应的模糊强度图像，本发明的高分辨率x射线编码孔径成像方法是在维纳滤波重构方法的基础上，采用迭代反卷积方法对记录的多幅强度点扩散函数图像和对应的多幅模糊图像在频域进行迭代重建，从而得到高分辨率重构的待测样品图像，不仅可以提高x射线编码孔径成像装置的光通量，且相比于单幅重建方式可以大幅度提升成像分辨率。

技术研发人员：蒋志龙,孟思齐,张舒珊
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13