[发明专利]多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统及成像方法

说明书

本申请公开了一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统及成像方法，X射线源产生锥束入射X射线，利用狭缝准直器形成扇束入射X射线，照射待成像物体后产生原始衍射X射线，再通过编码孔模板后形成编码衍射X射线，能量色散光子计数探测器探测待成像物体在多个成像角度下对应的编码衍射探测信号，图像重建模块利用成像系统精确模型对多角度编码衍射探测信号进行重建，得到待成像物体的衍射断层重建结果。由此，将旋转扫描X射线衍射断层成像系统高空间分辨率优势与编码孔成像加速采集的优势结合，提高X射线衍射断层成像的空间分辨率，降低数据采集时间，满足X射线衍射断层成像技术在临床医学诊断及材料样本分析中的应用。

技术领域

本申请涉及辐射成像技术领域，特别涉及一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统及成像方法。

背景技术

过去数十年中，传统的X射线衰减成像已经在医疗、安检、工业损伤检测等领域广泛使用。X射线衰减成像对材料的原子序数以及电子密度属性敏感度高，可有效区分轻重材料。然而对于元素组成相近的不同材料，X射线衰减信号区分度较小。1912年，劳厄提出晶体材料的晶面可作为光栅对X射线产生衍射效应，自此X射线衍射(XRD)作为一种材料分子排布规律分析工具受到广泛关注。商业粉末X射线衍射仪基于角度色散X射线衍射(ADXRD)原理，被应用于晶体成分定量分析等任务。在安检场景中，基于能量色散的X射线衍射(EDXRD)安检机已经在易燃液体检测、爆炸物晶体粉末检测任务中发挥重要作用。近年来，大量实验指出XRD在生物样品检测应用中具有重要价值，XRD的材料指征性在乳腺癌检测、结石成分分析以及肉品瘦肉率分析任务中具有突出优势。

尽管XRD技术具有强大的材料辨识能力，但现有的商业化XRD系统并未关注衍射信号的空间分布信息，并未最大化利用XRD技术。在成熟的商业粉末衍射仪中，系统所测衍射信号来源于被入射X射线照射的全样本区域，不具有衍射信号空间分辨能力。而安检EDXRD系统通过前后多孔准直器配合，对空间不同位置衍射信号并行测量，获取空间不同位置的材料分布信息，具有初步的空间分辨能力。X射线衍射断层成像技术(XRDT)指对二维断层平面内每一位置衍射谱测量的技术，是XRD技术在二维空间的延拓。安检EDXRD系统采用前后多针孔准直器配合定位，是一种初步的XRDT系统，其由于小衍射角的几何效应，空间分辨率较差，通常大于1cm。同时，安检EDXRD系统使用的多针孔后准直器阻挡了大量瑞利散射光子，信号利用率低，采集时间长。随后，编码孔技术被引入EDXRD系统，编码孔XRDT(CAXRDT)基于压缩感知数据采集原理，以编码孔替代EDXRD的多针孔后准直器，使得信号利用率提升一个量级，其采样时间也从百秒量级缩短至数十秒，但其在透射方向空间分辨率仍然较低。另一方面，旋转扫描的XRDT系统采用传统笔束或扇束CT扫描方式，其基于Radon变换理论实现了目前最高的衍射成像空间分辨率，易达到1mm级别。然而，在笔束旋转扫描的XRDT系统中，每个旋转视角下仍需要笔束平移扫描运动，总成像时间约数小时。扇束旋转扫描的XRDT系统采用狭缝准直器形成扇束照明，并增加了栅格化后准直器，其无需每个旋转视角下的平移扫描，简化了机械运动复杂度，但由于栅格后准直器对散射光子的阻挡，散射光子接受率并未显著提升，扫描仍需数小时。成像时间长是旋转扫描的XRDT系统最主要的问题之一。

现有XRDT系统空间分辨率或数据采集时间的瓶颈成为XRDT技术在精细化样本检测任务中应用的主要瓶颈。

发明内容

本申请提供一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统及成像方法，以解决相关技术中X射线衍射断层成像空间分辨率低，数据采集时间长等问题。