HK1012871B - 获得物体中边界的相衬图像的方法和设备 - Google Patents

Description

获得物体中边界的相衬图象的方法和设备

技术领域

一般来说，本发明涉及利用穿透辐射诸如X-射线观察物体的结构特征。更具体地说，但不是唯一地，本发明涉及对于物体内部边界特征的X-射线相衬记录，例如成象。

背景技术

本申请人的国际专利申请WO95/05725(PCT/AU94/00480)和临时专利申请PN5811/95中公开了适合于利用硬X-射线进行相衬成象的各种配置和条件。在苏联专利SU1402871和美国专利US-5319694中公开了其它相关内容。需要在使用硬X-射线进行相衬成象中可以利用相对简单的条件和配置，这些简单条件和配置至少在某些实施例中与常规的吸收对比辐射成象方法更为相关。

发明内容

根据本发明，提供了一种获得物体中边界的相衬图象的方法，所说边界表征折射率变化，所说方法包括：

利用穿过物体，具有垂直于所说折射率变化方向的显著的传播向量分量，并且对于折射率的变化具有足够强的横向空间相干性的X-射线辐射的传播波前辐照所说边界，以在所说边界处沿X-射线辐射波前的定域传播方向产生可以探测的变化，所说变化被菲涅耳衍射显现为对比度；和

在所说辐射横穿所说边界并且从所说物体出现之后，探测和记录至少一部分所说辐射的波前的强度，所说辐射以这样一种方式横穿所说边界，使得可以在强度记录中将沿定域传播方向的所说变化的效果观测为所说的对比度，从而将这些变化记录为X-射线辐射强度的定域衰减或急剧变化，这一强度记录基本上形成所说边界的图象。

在一个实施例中，还包括处理所说检测和记录的强度以确定图象平面上的相位分布。

根据本发明，还提供了一种获得物体中边界的相衬图象的方法，所说边界表征折射率变化，所说方法包括：

利用X-射线辐射的传播波前辐照所说边界的装置，所说X-射线辐射穿过物体，具有垂直于所说折射率变化方向的显著的传播向量分量，并且对于折射率的变化具有足够强的横向空间相干性，以在所说边界处沿X-射线辐射波前的定域传播方向产生可以探测的变化，所说变化被菲涅耳衍射显现为对比度；和

在所说辐射横穿所说边界并且从所说物体出现之后，探测和记录至少一部分所说辐射波前的强度的装置，所说辐射以这样一种方式横穿所说边界，使得可以在强度记录中将沿定域传播方向的所说变化的效果观测为所说的对比度，从而将这些变化记录为辐射波前的强度的定域衰减或急剧变化，这一强度记录基本上形成所说边界的图象。

在定域传播方向的强度变化在包含所说记录的图象中最好是可以观察出的。所说记录，从而所说图象可以是照相构成的或者是电子构成的。因此，术语“图象”指的是，例如，对一组强度数据，例如一个强度值表或者强度值的其它存储记录的可观测效果；这个术语不局限于视觉可视的含义。记录媒体可以包括一个两维象素化探测器，例如一个电子探测器，诸如电荷耦合器件(CCD)阵列。

所说辐照装置最好包括一个直径为20微米或更小的X-射线源，其中直径指的是辐射源在最大强度的一半时的强度分布的全宽度。该装置最好还包括用于支撑包含被成象的内部边界的样品的平台或支架。

所说穿透辐射，例如X-射线辐射可以是多色的，最好是在硬X-射线范围内，即在1keV到1MeV的范围内。

可取的是，选择边界与探测装置的间距以提高图象的分辨率。例如，已经发现通过增加间距可以获得较为清晰的图象，即具有较好对比度的图象。举例来说，至少相对于0.4米的间距大约1米的间距可以改善对比度。其部分原因是随着间距的增加背景噪声降低，但是基本保留了由于定域传播方向的改变而产生的强度变化效果。

本申请中的术语“横向空间相干性”指的是在垂直于波的传播方向的不同点处的辐射波的复数振幅的相关性。据说当一个波前上的各个点具有不随时间变化的传播方向时就会产生横向空间相干性。实际上，通过使用具有较小有效尺度的辐射源或者通过在距离辐射源较大距离处观测辐射光束可以获得较强的横向空间相关性。例如，对于20keV的X-射线，通常20微米直径或者更小直径的辐射源是适合的。在辐射源所产生的总辐射通量足够的前提下，源的尺度越小，对实现本发明的目的越有益。可能需要通过仔细选择辐射源的X-射线窗口，例如使得该源具有高度一致的厚度和均匀性来保持横向空间相干性。

附图说明

下面参照附图介绍本发明的优选实施例，但是仅仅是以示例的方式予以说明，在所说附图中：

图1为表示被一平行光束辐照的一个圆形横截面物体的示意图，为了说明分成三个部分；

图2为表示被一多色光束辐照的一个圆形横截面物体和所产生的相衬图象的强度的示意图；

图3为表示本发明的一个实施例中X-射线光学配置的示意图；

图4和图5为根据本发明获得的各种边界的X-射线图象，如下所详述。

具体实施方式

现在首先概述本发明的数学原理。

样品厚度和X-射线折射率，n(λ)＝1-δ(λ)-iβ(λ)的变化必定会引起通过样品的X-射线波前形状的改变。折射率n的实部分量1-δ(λ)与折射程度有关，虚部分量-iβ(λ)与吸收程度有关。更具体地说，对于一个单元的物质

其中μ(λ)为线性吸收系数，r₀为电子的经典半径，N₀为每单位体积中的原子数量，f_R为零散射角度时原子散射因数的实部。系数δ正比于λ²，β正比于λ⁴，λ还正比于从辐射源发射的X-射线光子的1/能量。

波前畸变的幅度与垂直于波前传播方向的相位变化梯度相关。在几何光学近似中，通过一个物体的射线路径的相位差，φ，正比于沿该射线路径的折射率的实部，δ，减量的积分。对于图1所示的坐标系，这个相位差一般可以表示为

其中k等于2π/λ。定域散射波矢与定域入射波矢的角度偏差Δα正比于垂直于定域入射波矢方向的相位差梯度。“定域”一词指的是波前上的一个点(x，y，z)。对于图1所示的坐标系定域散射波矢的数学表示为：

其中s(x，y，z)为波前在点(x，y，z)的法线，如果(φ/x)²+(φ/y)²＜＜k²，则上述关系式在近轴近似下是有效的。于是角度偏差Δα可以表示为：

从而角度偏差Δα依赖于垂直于传播波矢的折射率变化，偏差量依赖于沿波矢方向产生变化的长度，例如样品的厚度。

为了说明该效应的特性，考虑在折射率为n₀＝1的介质中置入折射率为n_M的一个球形体，Ω，的情况，如图1和图2所示。

X-射线通过样品相对于通过真空的光程差导致产生相位差φ(x)，进而沿垂直于传播定域方向的方向(图1)产生相位梯度φ/x。以恒定距离平行于z轴通过物体Ω的光线1与基准光线0之间的相位差为：

其中z(x，y)为光线1与物体Ω的相交长度，表示为

R为物体Ω的半径，δ为折射率系数的减少量。对于一个位于x-z平面中的圆形截面物体，φ/x和入射光线与相应的折射光线之间的角度偏差Δα在一个给定点x处的数学关系式为：

在公式(8)中，δ(λ)是缓慢变化的，很容易看出该相位梯度收敛在x＝±R点，在这些点光线可以偏离光轴非常大的角度。在这些极限值处，散射光束的角度偏差可能非常大，并且导致沿相应的向前方向的强度I的显著损失，其位置与波长无关，如图2所示多色光B的情形。在轻元素和硬X-射线的情况下，折射率系数的减少量，δ，通常为10^-5到10^-6量级，但是无论怎样，当x接近±R点时，即在样品的边界处或者在内部边界特征点处，角度偏差Δα都会非常大。

在有关源的大小尺度、物体与源之间距离和物体与图象之间距离、以及源的光谱分布等不同条件下获得的对比度的特性需要考虑。另一个需要考虑的影响对比度的因素是物体造成的波前改变的程度。

在平面波的情况下，为了帮助理解这些因素对于形成图象的对比度的作用，我们可以在一级近似下使用由Cowley(J.M.Cowley，“衍射物理”，第二版，60页，North Holland出版，1981)推导出的有关相位体的菲涅耳衍射对比度的公式。根据该公式，可以得出，对于一个产生相差φ(x)的一维相位体，在波长为λ的平面波照射下，在距离该物体R₂处的强度分布为：

假定量值(R₂λ/2π)φ(x)很小，则上式在一级近似下是有效的。从这个非常简单的公式，可以得出一些明确的结论，亦即：

i)对比度直接随R₂变化，

ii)图象的构形不依赖于波长λ。只有对比度受到影响。对于一个多色光源，只需用光谱加权的和值代替式中的λ。

为了取得对于上式在X-射线情况下的有效性范围的认识，我们假定一个物体具有这样的特征，它使得该物体在10微米的横向距离上产生1弧度的相位变化。于是φ″～10¹⁰m^-2，在λ～1，R₂～1m的情况下，我们看到(R₂λ/2π)φ″(x)≤1。从而该公式即使对于小的相位体或者相位的合理的迅速变化也应是有效的。但是，对于斜率的非常陡峭的边沿或者变化，诸如在计算模拟测试物体(例如，纤维)中经常使用的，φ″可能变得太大(甚至无穷大)，使得该公式失效。但是即使在这些情况下，图象的基本构形(对于一个清晰边缘的台阶物体为黑/白线)也是可以再现的，然而无法再现由于这种不连续性产生的衍射的典型的次要边缘线。另一方面，或许实际上更为重要的是，对于较小的φ″(x)，即具有较少急剧横向变化的较大特征物，对比度较低，而且可能限制了实际的可视性。

最近已经有人(P.Cloetens，R.Barrett，J.Baruchel，J.P.Gurgay和M.Schlenker，J.Phys.D.：Appld.Phys.，1996，29，133-46；J.P.Guigay，Optik，1977，49，121-5)对于采用平面波形成的这类图象以菲涅耳衍射为基础进行了更加精确的数学论述。他们的研究得出与上述一级近似相同的公式。但是更为准确的数学处理得出这样的结论，对于空间频率为u的光束，当2λR₂u²＝1时，至少在相衬射线成象预期条件的正常范围内，形成最大的对比度。空间频率u与成象物体的结构有关，其中u＝1/A，其中A为成象物体的富里叶分量的空间周期。

这些论述都是以用理想的平面波照射为前提的。光束的发散性会使图象模糊，这个模糊量正比于R₂(在这方面其影响与常规的射线照相相同)。于是上述作者(Cloetens等人)在兼顾对比度和分辨率的情况下，给出总的最佳R₂值为：

R₂≤2λ/α²                          (10)

其中α＝s/R₁为光源相对物体的角度，并且涉及(几乎是)平面波情况。应当指出Cloetens等人特别要求需要使用高度单色的X-光源，并且在本申请所述的优选实施例中仅仅考虑平面波情况。

正如所指出的，尽管我们从原理上阐述了与常规的射线照相更为接近的球面波情况，但是上面的论述主要涉及平面波情况。为了帮助理解空间波的情况，我们现在考虑两者之间的关系，通过对于用距离物体R₁的一个点源来成象一个物体(球面波情况)的菲涅耳-克契霍夫表示式的简单分析可以建立这种关系。这表明对于球面波情况存在一个简单的关系式，其中包含平面波项，但是修正了物体到成象平面的距离R，即

并且将图象放大了(R₁+R₂)/R₁倍。根据简单的几何理论，按照射线光学，在球面波情况下由于辐射源尺度造成的对比度或者分辨率的损失将不成为问题，因为图象和源尺度都被放大了，后者放大了R₂/R₁倍，对于较大的R₂，两者渐近于相同的因数。在球面波情况下影响对比度的因素是(在与射线照相相关的能量和空间分辨率范围)2λR₂(1+R₂/R₁)u²应当较大(但是通常小于1)。这个表示式的结果由于R₂较大，或者λ较大，或者空间频率u较大而较大。作为一个示例性说明，对于实际的射线照相可以给出下列值λ＝0.2；u≤2×10⁵(对应于20微米或更大的空间周期)，从而R₂≈2.5m(假设R₂/R₁＝3)对于最高的空间频率将给出最大对比度。较大的R²值适合于在较低空间频率下得到最大的对比度。

可以指出，函数φ″倾向于增强在一个图象中相物体的边沿和边界。如果还存在该物体的一个吸收分量，则至少在一级近似下该分量会直接增大图象对比度(例如参见Guigay论文所述的方程7，1977)。该技术能够补充和增强常规的射线图象，并且得到新的信息。还可以指出，对于包含不同的相衬(包含φ的拉普拉斯函数)的图象中的对比度的适当的处理需要借助例如强度方程的传递解对图象进行数值处理(参见T.E.Gureyev，A.Roborts和K.Nugent，Journal of Optical Society ofAmerica，Vol.A12，1932页和1942页，1995年，此文以引用方式结合在本申请中)，以修正相位φ(x)。

我们现在讨论应用从这些推定中得出的概念的实际设置。在第一实施例中(图3)，使用了一个具有强空间相干性的辐射源S和一个X-射线成象探测器D，例如底片、可光作用的荧光板(例如富士成象板)、或者一个两维电子探测器。垂直于传播方向的折射率急剧变化、或者沿传播方向的厚度变化的区域能够引起通过这些区域的波前的定域传播方向的明显改变。因此，从点源S发射的球面波前W1在经过物体O时畸变为W2。通过在距样品足够距离处记录波前的强度，可以探测到由于样品中折射率的急剧变化或者厚度的变化产生的强度变化，并且将它们的位置记录在图象中。这相当于相衬成象的一种形式。成象探测器的位置是经过选择的，从而使探测器的空间分辨率足以分辨由于波前的急剧畸变产生的强度差别，并且如上所述，使对比度在实际应用中达到最佳。

通常，折射率或厚度的急剧跃变在图象中成象为相应点处强度的急剧损失或迅速变化。在图象中给定点处强度损失或迅速变化的这种特性基本上与波长无关，所以即使在使用多色光时也会在图象中产生非常清晰的对比度变化。

这种配置的特征在于，对于一个环形源分布，图象的空间分辨率对于各个方向是相同的，并且基本上由源的大小确定。它的优点还在于能够显著地放大图象，从而可以使用象富士成象板这样的记录媒体，这种成象板具有许多有益的特性，比如较宽的动态范围和较高的灵敏度，但是不具有较高的空间分辨率。

在这种配置中除了包含辐射源和探测器以外，在样品和探测器之间还可以插入一个高分辨率角度分析仪。该高分辨率角度分析仪可以是例如一个适当弯曲的晶体，所说晶体具有劳埃几何形状，其曲率经过选择以适合辐射源的某些特征波长。对这种方法改进的目的在于分辨比在前述配置中可以观测到的样品折射率和厚度变化更弱的变化。

可以指出，非常显著地放大图象是可能的，从而即使使用空间分辨率非常低的探测器诸如富士成象板也可以使图象具有非常高的空间分辨率。还可以指出，由于这种成象方法基本上与X-射线能量无关，所以可以让光源在高管电压下工作，从而对样品产生较少的吸收剂量，这在临床应用中十分重要。

利用上述技术记录的相衬图象的一些实例表示在图4和图5中。图4表示了一个10微米厚的塑料薄膜的边缘的图象，这种塑料片与Davis，Gao，Gureyev，Stevenson和Wilkins所用的是相同的(参见Phys.Rev.Letters，1995，Vol.74，3173页)，并且相当于一个纯粹的相位体。图5表示了在一个聚合物基质中的一个气泡和玻璃纤维的图象，该样品类似于Davis，Gao，Gureyev，Stevenson和Wilkins所报告使用的样品(参见Nature Vol.373，595-598页，1995)，并且相当于一个近乎纯粹的相位体。在每种情况下都能够看到具有比在常规的吸收对比度图象中预期的更清晰的对比度。特别是，在图4中薄膜的边缘表现为黑/白对比度特征是清晰可见的，气泡和纤维的边缘也是如此。所使用的辐射源为常规的10微米直径微焦距源(Kevex Model PXS)，其铜阳极工作电压为40kV。对于图4所示的配置，源到样品和样品到底片的距离都是700毫米，而图5中相应的距离分别为120毫米和1000毫米。应当指出，由于源具有强空间相干性，在这些实施例中的对比度几乎是完全可见的。这种对比度主要是强度损失对比度，从这个意义上说类似于常规的吸收对比度，但是不同之处在于它表示由于在物体边界处发生的折射散射(或菲涅耳衍射)造成的强度损失，如方程(8)所示。一个常规的直径为0.1毫米的微焦距源具有大约0.1毫米长的投影，如在照片上的标尺刻度所示，因此使得对比度大大模糊。

为了比较在本申请中所述的相衬成象与标准的吸收成象，下列的表给出了在不同的源能量E条件下，实现65％吸收所需的碳样品的吸收厚度t_a和实现φ的27π的相位变化所需的样品的相位厚度t_p。

表1

E keV	λ( )
				50	0.25	435000	133
12	1	5000	30
				1.2	10	4	3
0.25	50	1.3	1.2

该表的结果表明可以如何将相衬成象应用于利用高能光源对非常小的物体成象。

可取的是，在样品与探测器之间的光路上可以设置具有X-射线可透过的窗口的真空管或者类似器件以减少空气散射的影响，并且确保它们的光学质量对于X-射线束的相干性不具有不利的影响。

本发明的方法尤其适合于对各种物质中的诸如裂缝、空隙和托层特征进行成象，因为这些特征可使X-射线折射率产生最大偏差，并且空间变化非常急剧。为了给出可以观测到的对比度，光源最好具有非常小的有效尺度，例如说小于20微米的量级，探测器最好是一个高分辨率成象探测器，比如X-射线底片或两维电子探测器，例如CCD阵列。该方法还有助于在医疗射线成象中显著提高重要特征的对比度。

本申请概述了使用穿透辐射诸如硬X-射线进行差分相衬成象的一些简化条件和配置，它们特别适合于医疗和工业应用。这些新方法与用于吸收对比度射线照相的传统方法更为接近，并且应当比我们先前在上述的WO95/05725和PN5811/95中所述的方法更容易实施，特别是在大面积照射的情况下。在给定源功率的情况下，由于它们可以使用非常宽光谱的源，它们还比早先的单色方法具有明显较短的曝光时间。

在整个说明书中，除了需要采用其它的含义，单词“包括”(单数形式)，或变型诸如“包括”(复数形式)或“包括”(分词形式)应当理解为意味着包含所述的整体或整体的集合，而不是意味着排除其它的整体或整体的集合。

Claims (24)

1.一种获得物体中边界的相衬图象的方法，所说边界表征折射率变化，所说方法包括：

利用穿过物体，具有垂直于所说折射率变化方向的显著的传播向量分量，并且对于折射率的变化具有足够强的横向空间相干性的X-射线辐射的传播波前辐照所说边界，以在所说边界处沿X-射线辐射波前的定域传播方向产生可以探测的变化，所说变化被菲涅耳衍射显现为对比度；和

在所说辐射横穿所说边界并且从所说物体出现之后，探测和记录至少一部分所说辐射的波前的强度，所说辐射以这样一种方式横穿所说边界，使得可以在强度记录中将沿定域传播方向的所说变化的效果观测为所说的对比度，从而将这些变化记录为X-射线辐射强度的定域衰减或急剧变化，这一强度记录形成所说边界的图象。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说辐射是多色X-射线辐射。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说辐射为能量在1keV至1MeV范围的X-射线辐射。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于它包括用垂直于光轴的直径小于或等于20微米的一个X-射线辐射源辐照所说边界。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于它包括用垂直于光轴的直径小于或等于20微米的一个X-射线辐射源辐照所说边界。

6.如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其特征在于包括使所说边界与探测所说辐射部分的位置分开一定距离，从而增强包含所说波前强度的定域衰减或急剧变化的记录的图象部分的对比度和/或分辨率。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所说距离大于或等于0.3米。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于所说距离大于或等于0.7米。

9.如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其特征在于所说波前的所说探测强度变化是急剧的和定域化的。

10.如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其特征在于所说边界是内部边界。

11.如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其特征在于还包括处理所说检测和记录的强度以确定图象平面上的相位分布。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所说处理基于电磁辐射的麦克斯韦公式。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所说处理利用强度方程的传递解对图象进行数值处理，以修正相位。

14.如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其特征在于所说辐射是由一个辐射源产生并且不经过布拉格散射而照射到所说边界的。

15.如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其特征在于还包含处理所说记录以根据该记录得到所说X-射线辐射的探测强度的所说定域衰减或急剧变化，并因而识别边界的表征。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于辐照所说边界的所说步骤包括用X-射线辐射的未聚焦传播波前辐照所说边界，并且所说探测强度的步骤包括探测至少一部分穿过所说边界的所说X-射线辐射的所说波前的强度，从而在所说辐射穿过所说边界之后形成所说记录且不用聚焦所说波前。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于所说处理基于电磁辐射的麦克斯韦公式。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所说处理利用强度方程的传递解对图象进行数值处理，以修正相位。

19.一种获得物体中边界的相衬图象的方法，所说边界表征折射率变化，所说方法包括：

利用X-射线辐射的传播波前辐照所说边界的装置，所说X-射线辐射穿过物体，具有垂直于所说折射率变化方向的显著的传播向量分量，并且对于折射率的变化具有足够强的横向空间相干性，以在所说边界处沿X-射线辐射波前的定域传播方向产生可以探测的变化，所说变化被菲涅耳衍射显现为对比度；和

在所说辐射横穿所说边界并且从所说物体出现之后，探测和记录至少一部分所说辐射波前的强度的装置，所说辐射以这样一种方式横穿所说边界，使得可以在强度记录中将沿定域传播方向的所说变化的效果观测为所说的对比度，从而将这些变化记录为辐射波前的强度的定域衰减或急剧变化，这一强度记录形成所说边界的图象。

20.如权利要求19所述的设备，其特征在于所说辐射是多色X-射线辐射。

21.如权利要求19所述的设备，其特征在于所说辐射为能量在1keV至1MeV范围的X-射线辐射。

22.如权利要求20所述的设备，其特征在于所述辐照装置是具有垂直于光轴、小于或等于20微米的直径的X-射线辐射源。

23.如权利要求21所述的设备，其特征在于所述辐照装置是具有垂直于光轴、小于或等于20微米的直径的X-射线辐射源。

24.如权利要求19至23中任何一个所述的设备，其特征在于所说辐射是由一个辐射源产生并且不经过布拉格散射而照射到所说边界的。