榮鋒1)2)? 謝艷娜1) 邰雪鳳2) 耿磊1)2)

1)(天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,天津 300387)2)(天津工業(yè)大學(xué),天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)(2016年7月8日收到;2016年9月8日收到修改稿)

雙能X射線光柵相襯成像的研究?

榮鋒1)2)? 謝艷娜1) 邰雪鳳2) 耿磊1)2)

1)(天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,天津 300387)2)(天津工業(yè)大學(xué),天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)(2016年7月8日收到;2016年9月8日收到修改稿)

X射線光柵相襯成像存在系統(tǒng)復(fù)雜、成像效率低、步進(jìn)精度要求高、光柵加工難度大等問題.本文設(shè)計(jì)了一種雙能陣列X射線源和雙能分析光柵,并應(yīng)用于X射線光柵相襯成像,提出了一種雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng),闡述了該成像系統(tǒng)的成像原理和相位信息提取方法.提出的成像系統(tǒng)不需要精密步進(jìn)平臺(tái),精簡(jiǎn)了成像系統(tǒng),避免了步進(jìn)誤差導(dǎo)致的成像質(zhì)量降低問題;兩次曝光就可以成像,提高了成像效率;雙能陣列X射線源、雙能分析光柵的應(yīng)用避免了源光柵、分析光柵難以加工的問題.對(duì)提出的成像系統(tǒng)及其相位提取方法進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果顯示成像系統(tǒng)可以正常成像,提取到的檢測(cè)樣本的X射線相襯成像相位一階導(dǎo)數(shù)分布與相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果一致.

X射線相襯成像,雙能陣列X射線源,雙能分析光柵

1引 言

X射線成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生命科學(xué)、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域,是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可或缺的重要工具[1].X射線與物質(zhì)的相互作用可以用復(fù)折射率來表示,即n=1?α+iβ,其中β為吸收因子,α為相位因子,它們分別表征了X射線透過物體之后的振幅和相位變化[2].傳統(tǒng)的X射線檢測(cè)是基于物質(zhì)對(duì)X射線的吸收差異成像,但是由C,H,O,N等輕元素組成的物質(zhì)對(duì)X射線的吸收比較微弱,無法有效成像[3].對(duì)于輕元素組成的物質(zhì),X射線相位的變化量是吸收變化量的一千到十萬倍[4].因此X射線相位襯度成像技術(shù)受到廣泛關(guān)注和研究.

研究人員已經(jīng)提出了多種X射線相位襯度成像的實(shí)現(xiàn)方法,如晶體干涉儀成像法[5]、衍射增強(qiáng)成像法[6]、光柵相襯成像法[7]、相位傳播成像法[8]等.2006年,Pfei ff er等[9]將Talbot-Lau效應(yīng)應(yīng)用于光柵相襯成像法,使該方法擺脫了同步輻射光源的限制,可以采用普通X射線源成像,極大地推動(dòng)了這種成像方法的發(fā)展,使這種方法成為最有可能獲得實(shí)際應(yīng)用的X射線相位襯度成像方法.

近幾年,光柵相襯成像的研究不斷取得突破,但是從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用依然存在一些問題[10].光柵相襯成像相位提取算法早期采用多步位移法.2008年,陳博等[11]提出兩步相移法;2010年,劉鑫等[12]提出了兩步任意位移法.盡管光柵位移的步數(shù)越來越少,但是成像系統(tǒng)依然需要精密步進(jìn)平臺(tái),增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,多次步進(jìn)和曝光使得成像效率低,并增大了被測(cè)對(duì)象的受輻射量.2010年,朱佩平等[13]提出的正反投影法不需要光柵步進(jìn),該方法使相襯CT成像取得突破性進(jìn)展,但是在成像系統(tǒng)中需要將物體或者探測(cè)器精密旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)也非常困難.本文設(shè)計(jì)了一種雙能陣列X射線源和雙能分析光柵,提出了一種雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng).該成像系統(tǒng)可以不移動(dòng)光柵,不旋轉(zhuǎn)被測(cè)物體和探測(cè)器,兩次曝光即可成像,簡(jiǎn)化了成像系統(tǒng),提高了檢測(cè)效率.

2雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng)及原理

2.1 雙能X射線光柵相位襯度成像系統(tǒng)

當(dāng)前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)構(gòu)建的典型的X射線光柵相襯成像平臺(tái)主要包含X射線源、源光柵、自成像光柵、分析光柵、精密步進(jìn)平臺(tái)、電荷耦合器件(CCD)探測(cè)器幾個(gè)部分[14].成像過程為分析光柵通過步進(jìn)獲得條紋圖像,根據(jù)多幅條紋圖像提取相位信息,生成相襯圖像.本文設(shè)計(jì)了一種雙能陣列X射線源和雙能分析光柵,應(yīng)用于X射線光柵相襯成像系統(tǒng).采用雙能陣列X射線源和雙能分析光柵改進(jìn)后的X射線光柵相襯成像系統(tǒng),本文稱之為雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng).改進(jìn)后的成像系統(tǒng)如圖1,包含雙能陣列X射線源、自成像光柵、雙能分析光柵、CCD探測(cè)器幾個(gè)部分.

圖1 雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng)Fig.1.Dual energy X-ray grating imaging system.

文獻(xiàn)[15]提出了一種陣列X射線源,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.陣列X射線源可以替代X射線光柵相位成像系統(tǒng)的X射線源和源光柵,簡(jiǎn)化了成像系統(tǒng),避免了源光柵不能完全吸收高能X射線的問題.雙能X射線源是指可以發(fā)出兩種能級(jí)的X射線源,在骨密度檢測(cè)、物質(zhì)識(shí)別等儀器上已經(jīng)大量應(yīng)用.基于以上兩種X射線源,本文提出一種雙能陣列X射線源,光源靶結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[15]一樣,只是可以調(diào)節(jié)管電壓發(fā)出兩種不同能級(jí)的X射線結(jié)構(gòu)光.根據(jù)X射線光柵相襯成像理論可知,X射線波長(zhǎng)決定了光柵自成像Talbot距離,雙能陣列X射線成像系統(tǒng)中需要精確控制兩種能級(jí)的X射線的波長(zhǎng)同時(shí)滿足光柵自成像Talbot距離.

大面積、適合硬X射線成像應(yīng)用的分析光柵制作工藝非常復(fù)雜,且成本很高.文獻(xiàn)[16]利用制作X射線轉(zhuǎn)換屏的熒光材料制作分析光柵,提出了一種無吸收光柵的X射線光柵相襯成像系統(tǒng).本文將該種材料制作的柵條稱之為單能柵條,該種柵條制作的光柵稱之為單能分析光柵,其光柵結(jié)構(gòu)如圖2(a).這種分析光柵可以克服光能利用率由于多級(jí)耦合而降低的缺點(diǎn),更適合硬X射線相襯成像.X射線轉(zhuǎn)換屏的制作材料有很多種,有些材料適合高能級(jí)X射線成像,有些材料適合低能級(jí)X射線成像.雙能X射線成像系統(tǒng)中同時(shí)采用兩種轉(zhuǎn)換屏,實(shí)現(xiàn)不同能級(jí)的X射線成像.基于以上研究,本文提出了一種雙能分析光柵,光柵由高能柵條和低能柵條交錯(cuò)分布而成,結(jié)構(gòu)如圖2(b).高能柵條可以將高能X射線轉(zhuǎn)換為可見光,對(duì)于低能X射線相當(dāng)于不透光柵條;低能柵條可以將低能X射線轉(zhuǎn)換為可見光,對(duì)于高能X射線相當(dāng)于不透光柵條.雙能分析光柵替代傳統(tǒng)X射線光柵相襯成像系統(tǒng)中的分析光柵和CCD探測(cè)器轉(zhuǎn)換屏.

圖2 (a)單能分析光柵;(b)雙能分析光柵Fig.2.(a)Single energy analysis of grating;(b)dual energy analysis of grating.

雙能X射線光柵相位襯度成像系統(tǒng)的成像過程如下:雙能陣列X射線光源發(fā)出低能X射線結(jié)構(gòu)光,CCD探測(cè)器記錄一幅圖像;雙能陣列X射線光源發(fā)出高能X射線結(jié)構(gòu)光,CCD探測(cè)器記錄一幅圖像.根據(jù)兩幅圖像提取相位信息,生成相襯圖像.

2.2 雙能X射線光柵相襯成像原理

本文提出的雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng)依然利用Talbot-Lau效應(yīng)設(shè)計(jì)成像光路.Talbot效應(yīng)的自成像有確定的成像距離和成像周期,提出的成像系統(tǒng)必須在高能、低能兩種能級(jí)下有共同的成像距離和成像周期才能成像.

雙能陣列X射線源發(fā)出低能X射線的波長(zhǎng)表示為λl,發(fā)出高能X射線的波長(zhǎng)表示為λh,λl和λh為兩種不同管電壓下的中心波長(zhǎng).光柵自成像Talbot距離表示為[17]

(1)式中dm為成像距離,m和ζ為整數(shù),p為光柵周期,λ為波長(zhǎng).

當(dāng)圖1成像系統(tǒng)的自成像光柵采用振幅光柵時(shí),m須為偶數(shù),ζ為1,自成像周期為振幅光柵周期.由(1)式可知,當(dāng)λl=2λh時(shí),高能X射線成像Talbot距離和低能X射線成像Talbot距離一致,并且成像周期一樣.當(dāng)成像光柵為π/2相位光柵時(shí),m為奇數(shù),ζ為1,自成像周期為相位光柵周期;當(dāng)成像光柵為π相位光柵時(shí),m為奇數(shù),ζ為2,自成像周期為相位光柵周期一半.當(dāng)兩種能級(jí)X射線波長(zhǎng)滿足λl=3λh時(shí),由(1)式可知,兩種能級(jí)下相位光柵自成像在同一位置.

出于光能利用率和光柵的衍射效率考慮,自成像光柵一般選擇π相位光柵.相位光柵的相位值和光柵的厚度、X射線波長(zhǎng)有關(guān).相位光柵的材料和厚度一定并且兩種能級(jí)X射線波長(zhǎng)滿足λl=3λh時(shí),對(duì)于低能X射線,相位光柵為π相位,則對(duì)于高能X射線,相位光柵為3π相位,由文獻(xiàn)[18]可知π相位和3π相位光柵的自成像成像周期一致.

由以上分析可見,兩種能級(jí)X射線波長(zhǎng)滿足一定條件時(shí),可以在同一Talbot成像距離上出現(xiàn)Talbot效應(yīng)自成像,且成像周期一致.結(jié)合上文對(duì)于雙能分析光柵的設(shè)計(jì)可知,無論是低能還是高能X射線曝光成像,成像過程和傳統(tǒng)的X射線光柵相襯成像的成像過程一樣,肯定可以獲得條紋圖像.下面的問題是如何利用條紋圖像提取相位信息.

3雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng)相位提取方法

相位步進(jìn)法是X射線光柵相襯成像相位信息提取最通用的方法[19],其原理如圖3所示.在沒有被測(cè)物體的情況下,多次步進(jìn)分析光柵得到背景位移曲線;放置被測(cè)物體后,多次步進(jìn)分析光柵,得到物體位移曲線.兩條位移曲線的幅值變化蘊(yùn)含被測(cè)物體對(duì)X射線的衰減信息;相位變化(圖3中Δ?)蘊(yùn)含被測(cè)物體對(duì)X射線的折射信息.

早期一般采用多步位移法提取相位信息,導(dǎo)致曝光時(shí)間和成像時(shí)間比較長(zhǎng).隨著研究的深入,2008年陳博等[11]提出了兩步位移法,實(shí)質(zhì)是得到位移曲線左右兩個(gè)半腰的值就可以確定位移曲線,進(jìn)而提取相位信息.這種方法減少了步進(jìn)次數(shù),提高了成像效率,但是對(duì)步進(jìn)精度要求非常高,步進(jìn)誤差容易導(dǎo)致成像質(zhì)量下降.

圖3 相位步進(jìn)法原理示意圖Fig.3.Schematic diagram of X-ray phase stepping method.

圖4 雙能X射線相襯成像相位提取方法原理Fig.4.Dual energy X-ray phase stepping method.

借鑒上文所述的兩步位移法,本文提出了一種雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng)的相位提取方法.相位提取方法的原理如下:如圖4(a),X射線源發(fā)出低能X射線,可以得到該能級(jí)下的背景位移曲線和物體位移曲線;如圖4(b),X射線源發(fā)出高能X射線,同樣可以得到該能級(jí)下的背景位移曲線和物體位移曲線.對(duì)以上四條曲線做歸一化處理,采用低能X射線的背景位移曲線的左半腰的點(diǎn)和高能X射線的背景位移曲線的右半腰的點(diǎn)可以得到一條新的背景位移曲線,如圖4(c);同樣,采用低能X射線的物體位移曲線的左半腰的點(diǎn)和高能X射線的物體位移曲線的右半腰的點(diǎn)可以得到一條新的物體位移曲線如圖4(c).這兩條新的曲線同樣存在相位位移,可以提取相位信息.在實(shí)際的成像檢測(cè)過程中,背景位移曲線為已知量,因此只需要得到上面圖4(c)中物體位移曲線兩個(gè)半腰點(diǎn)的值就可以完成相位提取.

根據(jù)上文雙能分析光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可知,本文提出的成像系統(tǒng)不需要移動(dòng)光柵就可以得到以上兩個(gè)半腰點(diǎn)的值.圖5(a)表示低能X射線成像,雙能分析光柵的高能柵條相當(dāng)于傳統(tǒng)分析光柵的吸收柵條,低能柵條相當(dāng)于透光空隙;圖5(b)表示高能X射線成像,雙能分析光柵的低能柵條相當(dāng)于傳統(tǒng)分析光柵的吸收柵條,高能柵條相當(dāng)于透光空隙.假如低能X射線曝光時(shí)分析光柵的位移曲線處于左半腰位置,則高能X射線曝光分析光柵的位移曲線必定處于右半腰位置.因此只需要在成像系統(tǒng)搭建時(shí)將分析光柵定位到半腰位置,在檢測(cè)物體時(shí)就可以不用移動(dòng)光柵,低能、高能X射線分別兩次曝光就可以得到物體位移曲線的兩個(gè)半腰值.

雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng)相位信息提取具體的計(jì)算方法與兩步位移法類似,不同之處在于本文的成像系統(tǒng)兩次曝光所使用的X射線能級(jí)不同,需要根據(jù)兩種能級(jí)下的背景曲線獲得歸一化參數(shù),對(duì)兩次曝光值進(jìn)行歸一化處理.歸一化物體位移曲線左半腰的值表示為IL,右半腰的值表示為IR,相位位移量計(jì)算如下

其中η為常量,Δφ(x,y)為X射線穿過檢測(cè)樣本的相位移動(dòng)量.由光柵相位成像理論可知,Δφ(x,y)與X射線折射角成線性關(guān)系,X射線折射角為物體對(duì)射線相位調(diào)制量的一階導(dǎo)數(shù).因此由Δφ(x,y)可以得到相位調(diào)制量的一階導(dǎo)數(shù)成像,或者稱之為樣本相襯成像相位一階導(dǎo)數(shù)分布.

圖5 左右半腰成像示意圖 (a)左半腰成像示意圖;(b)右半腰成像示意圖;(c)物體位移線示意圖Fig.5.Schematic diagram of the left and right lumbar imaging:(a)Procedure for sampling fringe at the up-slope region;(b)procedure for sampling fringe at the down-slope region;(c)object shifting curve.

4雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng)成像模擬與分析

為了驗(yàn)證本文提出的成像系統(tǒng)的成像理論和相位信息提取方法,對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行了仿真.檢測(cè)樣本為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)小球,X射線低能和高能能級(jí)分別為20keV和60keV,由計(jì)算λl,λh的值,成像距離為為相位光柵,周期為4μm,分析光柵周期為2μm,CCD探測(cè)器像素尺寸為20μm×20μm.

仿真光路及其計(jì)算如下.

1)X射線透射檢測(cè)樣本,檢測(cè)樣本的折射率函數(shù)表示為exp(i×k×n1×thiness),其中k=2π/λ,thiness為X射線穿過的檢測(cè)樣本的厚度,n1=n?1為檢測(cè)樣本折射率減去真空折射率.

2)透射檢測(cè)樣本的X射線經(jīng)過相位光柵,相位光柵的傳遞函數(shù)為exp(i×?),?為相位光柵的相位值.經(jīng)過相位光柵后的波陣面表示為U0(x0,y0),X射線在相位光柵后的傳播符合菲涅耳衍射條件,脈沖響應(yīng)為[20]

(3)式中d表示傳播距離;x,y分別表示衍射d距離處的波陣面坐標(biāo).衍射波陣面的計(jì)算在時(shí)域?yàn)榫矸e,出于計(jì)算機(jī)處理速度的考慮,采用抗欠采樣能力較強(qiáng)的D-FFT算法變換到頻域處理[21].對(duì)(3)式進(jìn)行傅里葉變換:

式中u,v分別代表x,y相對(duì)應(yīng)的空間頻率.傳播Talbot距離(dm)后的波陣面為[22]

3)U1(x1,y1)為包含檢測(cè)樣本信息的Talbot自成像,經(jīng)過分析光柵,與分析光柵傳遞函數(shù)卷積.分析光柵的傳遞函數(shù)透光部分為1,不透光部分為0.

4)計(jì)算經(jīng)過分析光柵之后的波陣面在CCD探測(cè)器的成像,成像值由分析光柵周期、CDD像素的尺寸、Talbot自成像條紋與分析光柵相對(duì)位置決定.

仿真步驟如下:

步驟1采用傳統(tǒng)多步位移法得到低能X射線下檢測(cè)樣本相襯成像相位一階導(dǎo)數(shù)分布;

步驟2采用傳統(tǒng)多步位移法得到高能X射線下檢測(cè)樣本相襯成像相位一階導(dǎo)數(shù)分布;

步驟3以上兩步分別得到了低能和高能X射線下背景位移曲線和檢測(cè)樣本的物體位移曲線,根據(jù)上文圖4示意的相位提取方法,對(duì)低能X射線物體位移曲線左半腰值和高能X射線物體位移曲線右半腰的值進(jìn)行歸一化處理,根據(jù)(2)式計(jì)算相位移動(dòng)量,得到雙能X射線成像時(shí)檢測(cè)樣本相襯成像的相位一階導(dǎo)數(shù)分布.

仿真光源發(fā)出的柱面光在分?jǐn)?shù)Talbot距離處的強(qiáng)度分布如圖6.從圖中可以看出,在成像距離處出現(xiàn)了干涉條紋,條紋扭曲部分包含了檢測(cè)樣本的相位信息.

圖6 分析光柵前獲得的強(qiáng)度分布圖Fig.6.Intensity distribution obtained before the analysis grating.

仿真結(jié)果如圖7所示.圖7(a)和圖7(b)是仿真步驟1的仿真結(jié)果,圖7(a)為低能X射線下多步位移法提取的小球相襯成像相位一階導(dǎo)數(shù)分布,圖7(b)為圖7(a)橫線截面處的相位一階導(dǎo)數(shù)分布.圖7(c)和圖7(d)是仿真步驟2的仿真結(jié)果,圖7(c)為高能X射線下多步位移法提取的小球相襯成像相位一階導(dǎo)數(shù)分布,圖7(d)為圖7(c)橫線截面處相位一階導(dǎo)數(shù)分布.以上仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中PMMA小球的光柵相襯成像實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,相位一階導(dǎo)數(shù)分布、小球截面處提取的相位的一階導(dǎo)數(shù)的變化趨勢(shì)都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,由此可以證明本文的仿真方法是正確的.

圖7(e)為采用本文提出的成像系統(tǒng)和相位提取方法獲得的小球相襯成像相位一階導(dǎo)數(shù)分布,圖7(f)為圖7(e)橫線截面處相位一階導(dǎo)數(shù)分布.由圖7(e)和圖7(f)可見:1)本文提出的成像系統(tǒng)可以正確地成像,相位提取方法可以提取出檢測(cè)樣本的相襯成像相位一階導(dǎo)數(shù)分布;2)提取的相位一階導(dǎo)數(shù)分布能正確反映出檢測(cè)樣本對(duì)X射線相位改變的形態(tài)分布;3)小球截面處提取的相位的一階導(dǎo)數(shù)的變化趨勢(shì)與高、低能X射線成像仿真、文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.以上三點(diǎn)可以證明本文提出的成像系統(tǒng)的成像理論是正確的,相位信息提取方法是可行的.

圖7 仿真結(jié)果 (a)低能X射線多步位移法提取的小球相位一階導(dǎo)數(shù)分布;(b)高能X射線多步位移法提取的小球相位一階導(dǎo)數(shù)分布;(c)雙能X射線法提取的小球相位一階導(dǎo)數(shù)分布;(b),(d),(f)分別為(a),(c),(e)對(duì)應(yīng)截面橫線處的小球相位一階導(dǎo)數(shù)分布Fig.7.Simulation results:(a)The fi rst order derivative distribution of small ball phase extracted by low energy X-ray phase-stepping method;(b)the fi rst order derivative distribution of small ball phase extracted by high energy X-ray phase-stepping method;(c)the fi rst order derivative distribution of the sphere phase extracted by the dual energy X-ray method;the images are represented on a linear greyscale(b),(d),(f)section pro fi les through the corresponding image data of the PMMA sphere.

5結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種雙能陣列X射線源和雙能分析光柵,闡述了其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方法.基于以上設(shè)計(jì)提出了一種雙能X射線光柵相襯成像系統(tǒng).借鑒兩步位移相位提取法,提出了該成像系統(tǒng)的相位信息提取方法.提出的成像系統(tǒng)在成像的過程中不需要精密步進(jìn)平臺(tái),減少了成像時(shí)間,降低了對(duì)檢測(cè)樣本的輻射劑量,避免了步進(jìn)誤差導(dǎo)致的成像質(zhì)量降低等問題.對(duì)提出的成像系統(tǒng)及相位提取方法進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明成像系統(tǒng)可以正常成像,提取到的檢測(cè)樣本相位一階導(dǎo)數(shù)分布及其分布趨勢(shì)與其他文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果一致.理論分析和仿真證明了本文提出的成像系統(tǒng)的可行性,但是在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中還存在很多困難,比如雙能陣列X射線源出射光束波長(zhǎng)的精確控制、雙能分析光柵的加工工藝等,需要進(jìn)一步研究并解決.

[1]Momose A,Fukuda J 1995 Med.Phys.22 375

[2]David C,N?hammer B,Solak H H,Ziegler E 2002 Appl.Phys.Lett.81 3287

[3]Scho fi eld M A,Zhua Y 2003 Opt.Lett.28 1194

[4]Wilkins S W,Gureyev T E,Gao D,Pogany A,Stevenson W 1996 Nature 384 335

[5]Pogany A,Gao D,Wilkins S W 1997 Rev.Sci.Insirum.68 2774

[6]Zanette I,Weitkamp T,Donath T,Rutishauser S,David C 2010 Phys.Rev.Lett.105 248102

[7]Pfei ff er F,Bech M,Bunk O,Kraft P,Eikenberry E F,Br?nnimann C,Grünzweig C,David C 2008 Nat.Mat.7 134

[8]Thuering T,Modregger P,Grund T,Kenntner J,David C,Stampanoni M 2011 Appl.Phys.Lett.99 041111

[9]Pfei ff er F,Weitkamp T,Bunk O,David C 2006 Nat.Phys.2 258

[10]Revol V,Kottler C,Kaufmann R,Straumann U,Urban C 2010 Rev.Sci.Instrum.81 073709

[11]Chen B,Zhu P P,Liu Y J,Wang J Y,Yuan Q X,Huang W X,Ming H,Wu Z Y 2008 Acta Phys.Sin.57 1576(in Chinese)[陳博,朱佩平,劉宜晉,王寯越,袁清習(xí),黃萬霞,明海,吳自玉2008物理學(xué)報(bào)57 1576]

[12]Liu X,Lei Y H,Zhao Z G,Guo J C,Niu H B 2010 Acta Phys.Sin.59 6927(in Chinese)[劉鑫,雷耀虎,趙志剛,郭金川,牛憨笨2010物理學(xué)報(bào)59 6927]

[13]Li J,Liu W J,Zhu P P,Sun Y 2010 Acta Opt.Sin.30 421(in Chinese)[李鏡,劉文杰,朱佩平,孫怡2010光學(xué)學(xué)報(bào)30 421]

[14]Donath T,Pfei ff er F,Bunk O,Grünzweig C,Hempel E,Popescu S,Vock P,David C 2010 Invest.Radiol.45 445

[15]Liu X,Guo J C,Lei Y H,Du Y,Niu H B 2012 Nucl.Instr.Meth.Phys.Res.A 691 86

[16]Du Y,Huang J H,Lin D Y,Niu H B 2012 Anal.Bioanal.Chem.404 793

[17]Bennett E,Kopace R,Stein A,Wen H 2010 Med.Phys.37 6047

[18]Andre Y,Martin B,Guillaume P,Andreas M,Thomas B,Johannes W,Arne T,Markus S,Jan M,Danays K,Maximilian A,Juergen M,Pfei ff er F 2014 Opt.Express 22 547

[19]Christian K,Vincent R,Rolf K,Claus U 2010 J.Appl.Phys.108 114906

[20]Wen H,Bennett E,Kopace R,Stein F,Pai V 2010 Opt.Lett.35 1932

[21]Li T T,Li H,Diao L H 2009 J.Syst Sim.21 32(in Chinese)[李濤濤,李華,刁麓弘2009系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)21 32]

[22]Stutman D,Finkenthal M 2012 Appl.Phys.Lett.101 091108

PACS:87.59.–e,07.60.Ly,42.30.Rx,87.57.–sDOI:10.7498/aps.66.018701

*Project supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61405144),the Young Scientists Fund of the Tianjin Municipal Science and Technology Commission,China(Grant No.15JCQNJC 42100),and the Tianjin Science and Technology Commissioner Project,China(Grant No.15JCTPJC56300).

?Corresponding author.E-mail:shusheng677@163.com

Research on dual energy grating based X-ray phase contrast imaging?

Rong Feng1)2)?Xie Yan-Na1)Tai Xue-Feng2)Geng Lei1)2)

1)(School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)2)(Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and System,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)(Received 8 July 2016;revised manuscript received 8 September 2016)

There exist some problems in a grating-based X-ray di ff erential phase contrast imaging system,such as complex imaging system,low imaging efficiency and high requirements for step precision.The phase information extraction method of imaging system has been developed into an existing two-stepping phase shift method from the original phase stepping method,which improves the imaging efficiency and reduces the imaging radiation dose and imaging time.However,the method of two-stepping phase shift still needs to move the grating,and the requirement for accuracy of the step position is also very high.According to the problems mentioned above,in this paper we propose a dual energy multi-line X-ray source and a dual energy analysis grating.The dual energy multi-line X-ray source can emit two di ff erent levels of X-ray structure light,which can replace the X-ray source and source grating.The dual energy analysis grating is composed of two di ff erent types of scintillator materials,which are in staggered distribution.One is scintillator material that can transform high energy X-ray into visible light,and the other one can convert low energy X-ray into visible light.The dual energy analysis grating can replace traditional analysis grating and the conversion screen of X-ray CCD detector.By using the dual energy multi-line X-ray source and dual energy analysis grating in grating-based X-ray di ff erential phase contrast imaging system,a dual energy grating-based X-ray phase contrast imaging system is proposed in this paper.In addition,in this paper we show the structure and imaging principle of the imaging system.The imaging system can achieve high and low energy X-ray imaging without moving grating.Two levels of X-ray imaging are equivalent to the analysis grating displacement π phase,which is in line with the traditional two-stepping method of two image phase shift requirements.Therefore,after the normalization processing of the two kinds of energies,the phase information can be extracted by the traditional two-stepping phase shift method.In order to validate the correctnesses of the imaging principle of the proposed imaging system and extraction method of phase information,the imaging system is simulated.The simulation is performed on the assumption that an X-ray beam passes through a polymethyl methacrylate sphere as a phase specimen,and the method is adopted by using the proposed dual energy X-ray about left and right lumbar imaging to extract phase information.The simulation result shows that the imaging system can realize normal imaging,and the fi rst-order derivative distribution of the sphere phase extracted by the dual energy X-ray method is consistent with the experimental result.

grating-based X-ray phase contrast imaging system,dual energy multi-line X-ray source,dual energy analysis grating

10.7498/aps.66.018701

?國家自然科學(xué)基金青年基金(批準(zhǔn)號(hào):61405144)、天津市科委青年基金(批準(zhǔn)號(hào):15JCQNJC42100)和天津市科技特派員項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):15JCTPJC56300)資助的課題.

?通信作者.E-mail:shusheng677@163.com