单次曝光X射线微分相位衬度成像新理论和新方法研究

X-ray differential phase contrast imaging using grating interferometry can efficiently utilize conventional X-ray sources to realize highly sensitive phase imaging. The method has also shown widespread potential applications in life science, materials science and many other fields, and therefore become a hot topic in X-ray imaging community.In X-ray grating interferometry,the phase stepping technique has been routinely adopted to collect experimental data and retrieve the absorption,phase and scattering information of the investigated object. This technique requires transverse grating scanning, and multiple exposures to the object. This results in a decreased imaging speed. More seriously, multiple exposures increase the radiation dose to the object. These two major limitations are contradictory to the development tendency of X-ray imaging devices in terms of fast and low dose, and hinder the practical implementations of X-ray differential phase contrast imaging. To overcome the limitations of the phase stepping technique, single-shot X-ray differential phase contrast with photon counting detectors is presented in this project. The novel method combines the energy resolving capability of photon counting detectors, with the energy dependence of the absorption, phase shift and scattering coefficients, to realize single-exposure phase imaging in the true sense. The novel method will allow fast and low dose X-ray phase contrast imaging, and promote the widespread implementations of X-ray phase contrast imaging in clinical medical imaging and many other fields.

基于光栅干涉仪的X射线微分相位衬度成像方法，能够有效利用常规X光源进行高灵敏度相衬成像，在生命科学、材料科学等领域具有广阔的应用前景，已经成为近年来X射线成像领域的研究热点之一。X射线微分相衬成像通常采用相位步进法来采集实验数据、提取物体的吸收、相移和散射信息。这种方法要求在横向扫描光栅的同时，对物体进行多次曝光采集多张图像。这不仅降低了成像速度，更严重的是，多次曝光增加了物体的辐射剂量。这与X射线成像设备快速、低辐射剂量的发展趋势是矛盾的，阻碍了X射线微分相衬成像方法的实用化推广。为克服相位步进法的局限性，本项目提出单次曝光X射线微分相位衬度成像新理论和新方法研究，将光子计数探测器的能量分辨能力，与物体吸收、相移和散射系数的能量变化规律有机结合起来，实现真正意义上的单次曝光相衬成像。新方法的发展将实现快速、低辐射剂量的相位衬度成像，推动X射线相衬成像技术在临床医学诊断等领域的应用。

上世纪70年代以来，随着临床X射线计算机断层成像扫描装置（XCT）的研制成功，X射线成像技术作为一种高性能的无创诊断技术在临床医学成像等领域得到了广泛应用。然而，现有X射线成像技术仍然存在着一些局限性，主要表现在软组织成像衬度太低、CT扫描的高辐射剂量等。为克服这些局限性，X射线相位衬度成像技术在上世纪90年代被提出，并在过去20多年中得到了迅速发展。特别是X射线光栅干涉仪，能够有效利用常规X光源，被认为是最有希望迈向临床应用的相衬成像技术之一。在X射线光栅干涉仪中，物体信息提取方法是连接实验投影数据与三维断层重建的桥梁，是X射线光栅干涉仪成像方法的重要组成部分，因而成为近年来的研究热点之一。本项目的主要内容就是X射线光栅干涉仪中信息提取新方法的研究。.对于准单一成分的被成像物体，在硬X射线波段其折射率实部与虚部的比值近似为常数。结合光强曲线的一阶线性近似，提出并建立了新的硬X射线光栅干涉仪的成像方程。并基于此成像方程，发展了相应的信息提取方法。上海光源同步辐射实验结果证实了信息提取新方法的可行性。相比于传统的积分相移图像，新方法提取的相移图像中条纹伪影被削弱。相关研究成果在线发表于Journal of Synchrotron Radiation。.在X射线衍射增强成像中，利用本征摇摆曲线的单高斯函数近似，结合被成像物体的角度响应函数，建立了衍射增强成像的新方程。并基于此成像方程，发展了一种新的信息提取方法。只需要采集3张图像，新方法就能够同时提取被成像物体的吸收、折射和散射信息。北京同步辐射装置的实验结果证实了信息提取新方法的可行性和准确性。相关研究成果发表于Journal of Synchrotron Radiation。.利用北京同步辐射装置的硬X射线显微镜，研究了完整水稻花粉细胞的三维结构与形貌，对胞内细胞器的体积、表面积等结构-性能参数进行定量统计与分析。相关研究成果发表于Journal of Synchrotron Radiation。