用于微分相衬成像的校正方法技术领域
本发明总体上涉及一种用于基于光栅的X射线微分相衬成像(DPCI)
的校正方法以及能够有利地应用于X射线辐射照相术和层析成像的设备，
用于对要扫描的样本对象或感兴趣解剖区域进行硬X射线DPCI。更确切地
说，所提出的发明提供了一种适当方式，其有助于增强采集的X射线图像
的图像质量，其受到相位缠绕的影响，例如，在Talbot-Lau型干涉仪的探
测器平面中，在X射线束在相移分束光栅处发生衍射之后，所发射的所述X
射线束的所得莫尔干涉图案中。这种问题被所获得的DPCI图像中的噪声进
一步加重，如果所探测X射线图像中两个相邻像素之间的相位改变超过π
弧度，就会发生这种问题，这种问题受到对象局部相位梯度上线积分的影
响，这种线积分诱发2π弧度的相位偏移误差，导致平行于所述线积分方向
的显著线伪影。
背景技术
X射线辐射照相术和层析成像是针对多种应用的重要方法，例如，体样
本的非破坏性研究、工业产品的质量检查和患者身体内部感兴趣解剖结构
和组织区域的非侵入性检查，这是因为硬X射线束的穿透深度非常高，能
够记录衰减系数的锐利投影。X射线成像由此产生优异的结果，其中诸如骨
骼的高吸收解剖结构嵌入到吸收较弱物质的组织中。不过，在检查吸收截
面类似的不同种类组织的情况下(例如，在乳房X射线照相术或血管造影
术中)，X射线的吸收对比度较差。结果，由于常常难以获得具有充分大振
幅反差的X射线辐射成像或层析成像数据集，对于某些组织成分而言，在
利用当前基于医院的X射线系统获得的吸收辐射照片中区分病理和非病理
组织仍然困难。尤其是对于诸如乳房X射线照相术的医疗应用而言，需要
高辐射剂量以提供充分高的对比度与噪声比，这严重地损伤了患者和临床
工作人员的健康。
为了克服这些局限，相位成像是弱吸收物质辐射成像的有希望的替代
技术。已经研究了几种方法，以从穿过相位目标的X射线的相移产生射线
照片对比度。可以将这些方法分为干涉测量方法、使用分析器的技术和自
由空间传播方法。所有这些方法在所记录信号的性质、实验设备和对照射
辐射的要求方面大相径庭。由于相位敏感成像技术需要空间和/或时间相干
性高的X射线，所以它们中的大多数是结合晶体或多层光学系统，在同步
加速器设施处实施的，或者它们使用低功率微焦点X射线管。如F.
Pfeiffer，T.Weitkamp等人的文章“Phase retrieval and differential
Phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources”(Nature
Physics，vol.2，No.4，2006，pp.258-261，March 2006，ISSN：1745-2473)
中所述，要求的空间和时间相干长度ξs和ξt通常在约1μm的范围中。基
于传播的方法能够克服对时间相干性的严格要求，根据Pfeiffer和
Weitkamp，已经论证，这种方法利用宽能谱能够很好工作，导致时间相干
长度ξt约为1nm。不过，如这些作者所示，他们仍然需要典型的空间相干
长度ξs≥1μm，当前仅能够从微焦点X射线源(相应地具有小功率)或同
步加速器获得。到目前为止，这些约束一直阻碍着相位敏感X射线成像的
最后突破，使其难以成为医疗或工业应用的标准方法。
硬X射线在物质中的弹性散射截面导致穿过感兴趣的对象的波发生相
移，这种截面通常远大于吸收截面。例如，穿过50μm厚的生物组织片的
17.5keV X射线仅衰减百分数的一小部分，而以弧度为单位的相移接近π。
于是，记录X射线的相移而不是仅仅记录其吸收有可能显著提高对比度。
采用多种X射线技术探测样本的相位对比度，即，将其转换成图像平面中
的振幅对比度。一些技术使用相干硬X射线在相位目标边缘的菲涅耳衍射
显著改善了显微X射线照相术中对象的可视性(例如，参见Snigirev，I.
等人“On the possibilities of X-ray phase contrast microimaging by
coherent high-energy synchrotron radiation”，Rev.Sci.Instrum.66
(1995)，pp.5486-5492)。在第一种近似中，获得的强度分布与折射率分
布的拉普拉斯算子成比例，例如，如P.Cloetens等人的文章“Observation
of microstructure and damage in materials by phase sensitive
radiography and tomography”(J.Appl.Phys.81(1997)，pp.5878-5886)
中所述，在某些情况下，从单个显微照片重构相位目标(参见Nugent，K.A.
等人，“Quantitative phase imaging using hard X-rays”，Phys.Rev.Lett.
77(1996)，pp.2961-2964)是可能的。在P.Cloetens，W.Ludwig等人
的“Hard X-ray phase imaging using simple propagation of a coherent
synchrotron radiation beam”(J.Phys.，D.32(1999)，pp.A145-A151)
中介绍，通过对利用位于距样本不同距离的探测器采集的图像系列进行数
值评估，可以获得任意相位对象的定量信息。
测量引入到波前的相移的最灵敏方法是干涉测量法。在大约四十年前
U.Bonse和M.Hart的文章“An X-ray interferometer”(Appl.Phys.Lett.
6(1965))中介绍了在硬X射线范围中工作的Mach-Zehnder型干涉仪的设
备。它由三个部分透射的布拉格晶体构成，所述布拉格晶体被用作分束器
和重新组合元件。将入射的光分成两个独立分支，其中之一通过样本，而
另一个用作未受干扰的参考光束。两个光束在干涉仪出口处发生干涉，给
出代表光程差的强度分布，如果对准完美，从而给出对象导致的相移。Ando
和Hosoya在七十年代早期利用这种装置率先进行了相衬成像(参见M.Ando
和S.Hosoya，in：G.Shinoda，K.Kohra，T.Ichinokawa(Eds.)，Proc.
6th Intern.Conf.On X-ray Optics and Microanalysis，“Observation
of Antiferromagnetic Domains in Chromium by X-ray Topography”，Univ.
of Tokyo Press，Tokyo，1972，pp.63-68)，更新近的设备已产生大量优
异的相衬图像和计算机层析照片，例如生物标本的图像，例如，在A.Momose
等人的文章“Phase-contrast X-ray computed tomography for observing
biological specimens and organic materials”(Rev.Sci.Instrum.66
(1995)，pp.1434-1436)中以及在F.Beckmann等人的文章
“Three-dimensional imaging of nerve tissue by X-ray Phase-contrast
microtomography”(Biophys.J.76(1999)，pp.98-102)中所述。主要的
技术难题是对光学部件机械稳定性的极高要求，因为光学部件的相对位置
必须要在晶格常数几分之一的范围内稳定，即小到亚埃的尺度。因此，
Bonse-Hart干涉仪的操控非常困难，尤其是在做得足够大以研究大样本时。
基于光栅的X射线微分相衬成像(DPCI)给出了用于增强X射线辐射
照相或层析图像的对比度的频繁使用的成像方法，其能够沿着投影线同时
采集对象吸收以及微分相位。这种技术不需要空间或时间相干的源，在机
械方面鲁棒，可以增大到大视场，并提供对比度增强的相位敏感成像的所
有好处。此外，DPCI与常规吸收辐射照相术完全兼容，适用于X射线医疗
成像、工业非破坏性试验和使用其他类型低辉度辐射(例如中子辐射)的
所有种类的成像应用。于是，DPCI提供了可用于对比度增强、材料组成分
析或减少剂量的宝贵额外信息。
最近，Villigen(瑞士)的Paul-Scherrer Institute小组展示了用
于Talbot-Lau型硬X射线成像干涉仪的新DPCI设备的简单实现，能够将
其有利地用于医疗成像。在F.Pfeiffer，T.Weitkamp等人的文章“Phase
retrieval and differential Phase-contrast imaging with
low-brilliance X-ray sources”(Nature Physics，vol.2，No.4，2006，
pp.258-261，March 2006，ISSN：1745-2473)中，提出了一种使用微分
相衬设备的光栅干涉仪，可以将其有效地用于利用低辉度多色X射线源检
索定量相位图像。类似于可见光或软X射线范围中的等价方式，可以证明，
可以使用两个光栅，利用来自明亮同步加速辐射源的多色X射线进行DPCI。
在Pfeiffer和Weitkamp的文章中，描述了使用第三个光栅如何能够成功
针对低辉度X射线源适应该方法。这两位作者提出的设备由周期为p0的源
光栅G0、周期为p1的相移光栅G1(置于要成像的对象O后方下游方向，充
当分束器)和周期为p2的吸收光栅G2构成(图1a和1b)。源光栅G0通常可
以实现为具有透射缝的阵列掩模，置于X射线管阳极附近，产生个体相干
但相互非相干的源阵列。它有效地允许使用较大(即，平方毫米尺度的)
的X射线源，不会对DPCI方法的相关性要求有影响。每个线源的宽度与源
光栅周期p0之比γ0应当足够小，以为DPC成像过程提供充分大的空间相干
性。更确切地说，对于对应于第一Talbot距离d＝p12/8λ给出的光栅G1和
G2之间的距离d，其中λ是所发射X射线束的波长，需要空间相干长度
ξs＝λl/γ0p0≥p1，其中l表示光栅G0和G1之间的距离。对于周期p1为几微
米的典型值，所需的空间相干长度ξs大约为1μm，类似于其他已知方法
的要求(参见F.Pfeiffer，T.Weitkamp等人的文章“Phase retrieval and
differential Phase-contrast imaging With low-brilliance X-ray
sources”，(Nature Physics，vol.2，No.4，2006，pp.258-261，March
2006，ISSN：1745-2473))。重要的是要指出，即使对于仅有两个光栅(G1
和G2)的设备，也不需要平行于光栅刻线方向上的空间相干性，这与基于
传播的方法相反。由于源光栅G0可以包含大量的个体孔，每个孔都产生充
分相干的虚拟线源，可以有效地使用源尺寸超过平方毫米的标准X射线发
生器。为了确保G0产生的每个线源都对成像过程有建设性贡献，设备的几
何尺寸应当满足条件p0＝p2·l/d(参见图1c-e)。重要的是要指出，总的源
尺寸w仅决定最终成像分辨率，由wd/l给出。这样的阵列源使空间分辨率
与空间相干性解耦，如果在试验中可以容忍对应的空间分辨率wd/l，能够
使用两个方向的相干长度都小到ξs＝λl/w～10-8m的X射线照射。最后，假设
ξt≥10-9m的时间相干性是充分大的，可以推论，Pfeiffer和Weitkamp的方
法(同上)如果与现有技术比较，为了进行相位敏感成像，需要的最小相
干体积为ξs2·ξt。作为光栅G0的替代，可以使用结构化源，如J.Baumann
等人在EP 1803398A1中所述。在这里，由X射线源空间受限的发射区域替
代G0的孔，例如由X射线管中的结构化阳极表示这种发射区域。
利用相位光栅G1和吸收光栅G2形成的所得DPC图像的形成过程类似于
已知方法，例如Schlieren成像或衍射增强成像。其实质上依赖于如下事
实：放在X射线束路径中的相位目标导致通过相位目标O传输的射束发生
轻微偏转(参见图1b)。DPC成像的基本构思取决于在局部探测这些角偏移。
如F.Pfeiffer，C.Kottler等人在“Hard X-ray phase tomography with
low-brilliance sources”(Physical Review Letters，2007，vol.98，
Article ID 108105)中所述，在相位光栅G1处获得的偏转角α，从而每个
像素位置P(x，y)的强度振荡的相位直接与对象相移的局部梯度成比例，
并可以通过如下方程量化
α ( x , y ) = λ 2 π · ∂ Φ ( x , y ) ∂ x = ∫ - ∞ + ∞ ∂ δ ( x , y , z ) ∂ x dz - - - ( 1 ) ]]>
其中x表示垂直于干涉仪设备光轴OA(由中央X射线束CXB的轴z给
出)且垂直于光栅G0，G1和G2的光栅刻线(由图1a中三维笛卡尔坐标系的
y轴给出)的横向，Φ(x，y)表示作为两个横向x和y的函数的入射波前
的相位轮廓，λ是入射X射线的波长，而δ(x，y，z)是对象折射率n(x，
y，z)的实部与1相比的减量，即n(x，y，z)＝1-δ(x，y，z)+jβ(x，
y，z)，其中β(x，y，z)表示这个折射率的虚部，而是虚数单
位。
对于弱吸收对象，探测到的强度是对象局部相位梯度的直
接度量。于是能够通过沿x轴进行简单的一维积分检索到对象的总相移。
可以通过将单次曝光分到针对光栅G2的不同位置拍摄的一组图像中实现测
量的更高精度。这种方法还允许将DPC信号与其他贡献分离，其他贡献例
如是对象不可忽略的吸收或在对象前方就已经不均匀的波前相位分布。
Pfeiffer和Weitkamp提出的方法与常规吸收辐射照相术完全兼容，因为它
同时产生独立的吸收和相衬图像，使得信息可用于两者。
轻微的偏转角α(在相位光栅G1上产生轻微的入射角)在G1下游距离
d处导致干涉条纹的局部位移Δx＝d·tan(α)≈d·α(对于α[rad]＜＜1)。因此能
够将相位目标O的折射率导致的局部相位梯度转换成干涉条纹
的局部位移Δx。由于直接确定这些条纹的精确位置需要空间分辨率在亚微
米范围中的探测器，所以使用吸收光栅G2(实现为等间距金杆和透射缝的
掩模(参见下文图1e的描述))确定探测器像素之内条纹的平均位移Δx。
由此，吸收光栅周期p2等于无失真的干涉图案的周期。
如果垂直于光栅条(grating bar)(这表示沿图1a所示的x方向)步
进移动吸收光栅G2并在每个位置拍摄单幅照片，每个像素的实测信号变为
吸收光栅在x方向的位置xg的振荡函数。这种周期信号中极大值的位置与
平均位移Δx成比例，从而与上述局部相位梯度成比例。因此，
针对每个像素确定平均位移偏移(Δx)产生了相位梯度的图像。此外，这
种强度振荡一个周期上的平均值与通过对象的透射强度成比例，从而提供
了吸收辐射照片。利用这种相位步进采集模式，可以同时测量吸收图像和
局部相位梯度图像。对于λ＜0.1nm的硬X射线，偏转角较小，通常约为几
个微弧度。在上述已知设备中，由相位光栅G1和吸收光栅G2形成的布置实
现对这种偏转角的确定。最简单地讲，可以将其视为多元准直器，将角偏
移转换成可以利用标准成像探测器探测的局部透射强度的变化。
通过这种方式，必须要指出，Talbot-Lau型干涉仪的原理不限于线光
栅。根据M.Jiang等人(在Int.J.Biomed.Imaging中，文章ID 827152，
Vol.2008)，二维结构化光栅能够不仅确定在一个方向(x)上的相位梯度
而且能够确定在垂直于x方向的方向(y)上的相位梯度
这是通过沿着y方向进行额外相位步进采集的。
A.Olivo和R.Speller(在Phys.Med.Biol.52，pp.6555-6573
(2007)中)提出了“编码孔”技术作为另一种确定相位梯度
和/或的基于光栅的方法。在这种方法中，将名为“编码孔”
的结构化X射线吸收掩模直接放在要检查的对象前方。这种掩模提供了小
孔径，类似于Talbot-Lau型干涉仪中的光栅G0，在远程X射线照射的情况
下，其产生截面面积由孔形状界定的一系列接近平行的X射线束。因此，
将第二编码孔光栅直接放在探测器前方。选择第二掩模的孔，使得每个X
射线束的定义部分被遮挡，对于每个射束，通过第二掩模透射预定义的强
度。调整第二掩模后方的探测单元，使得每个X射线束的透射强度得到平
均并分别附着于一个图像像素。由于对象放在第一和第二掩模之间，所述X
射线束的每个被对象结构衍射，与没有对象的情况下获得的射束方向相比，
导致射束发生角偏转。每个射束的偏转导致探测单元中每个射束的偏离信
号，因为第二掩模上的照射区域被横向平移。结果，针对每个射束采集的
信号(对于每个像素的平均)与每个射束的偏转成比例，因此如果掩模由y
方向的平行线构成，与相位梯度成比例。如果使用二维图案化
编码孔，也可以独立确定相位梯度和通过额外
的步进和采样过程，例如通过将第二掩模平移到x和y方向上并因此确定
相位梯度矢量投射到探测器平面上的x分量和y分量，来确定每个射束偏
转的方向。
发明内容
DPCI的一个主要缺点是2π相位缠绕，如果两个相邻像素之间的相位
(以弧度为单位给出)改变超过π，可能发生这种情况。在这种情况下，
如C.Kottler等人在Optics Express 15(3)，p.1175(2007)中所述，
在沿着线对微分相位积分之后诱发出2π的偏移误差。这个问题被DPCI图
像中的噪声加重。结果，出现了平行于相位微分/积分方向的显著线伪影(参
见图4d和4e)。为了解决这个问题，Kottler等人提出绕着光轴将DPCI设
备旋转90°，拍摄第二DPCI图像并接下来组合两幅图像。不过，这种方法
对于医疗成像而言有问题，这是因为在临床流程期间旋转设备在机械公差
和精度方面是有机械学方面的难度的。此外，需要利用X射线对患者进行
二次曝光，出于剂量的原因，这是不可接受的。
有鉴于此，本申请的目的是探测并校正这样的相位缠绕，以便增强所
获X射线图像的对比度。为了实现这个目的，本申请提出使用吸收图像的
信息探测相位缠绕并校正它们。
本申请的第一示范性实施例涉及一种借助于电磁波或物质波对对象成
像的设备，其中对象导致电磁波或物质波根据局部折射率改变相位信息。
根据该第一示范性实施例的优选方面，这些电磁波可以由X射线辐射给出。
提出的设备包括用于发射穿透所述对象的电磁波或物质波的辐射源，用于
探测这些电磁波或物质波的辐射探测器，以及用于获得表示对象在至少一
个垂直于干涉仪设备光轴的横向上的局部相位梯度的信息的处理模块。根
据本发明，所述处理模块适于确定噪声像素的像素位置和/或局部相位梯度
在所探测相位梯度图像的哪些像素位置超过预定义阈值并将这些像素标记
为“坏”，对局部相位梯度执行线积分，从而产生积分相位梯度图像，分析
所述积分相位梯度图像以用于已标记为“坏”的强相位梯度像素后方出现
的特性线伪影，并且如果分析表明在通过标记为“坏”的像素之后持续有
因为所述线积分诱发的紧邻线伪影之间的实测2π相位偏移误差或其整数
倍的相位偏移误差，则在每个“坏”像素位置引入2π弧度或其整数倍的校
正相位偏移，以便补偿这一2π相位偏移误差或其整数倍的相位偏移误差。
提出的设备例如可以包括Talbot-Lau型基于DPCI的光栅干涉仪设备，
用于利用所述干涉仪进行微分相衬成像，其包括至少一个源光栅，用于实
现空间射束相干性，实现为具有周期性调制透射的阵列孔掩模并放在辐射
源紧后方的下游方向；至少一个具有周期性结构的衍射光栅，充当相移射
束分束器，根据Talbot效应产生自成像；至少一个放在所述至少一个衍射
光栅后方且在辐射探测器前方的分析光栅，其中所述辐射探测器包括具有
周期结构化衰减强度的波吸收器，适于对衍射光栅进行自成像；以及大到
足够在至少一个源光栅和至少一个分析光栅之间任何地方放置要成像对象
的体积。
至少一个源光栅和至少一个分析光栅可以都被实现为周期性结构，包
括若干平行于第一方向取向的条纹，第一方向垂直于光轴，用于生成沿着
垂直于第一方向且垂直于光轴的第二方向基本获得周期性调制的干涉图
案。
作为其替代，所述至少一个源光栅和所述至少一个分析光栅可以都被
实现为由二维阵列或栅格结构给出的周期性结构，在至少两个方向上呈现
出周期性，所述至少两个方向垂直于所述光轴，用于生成沿垂直于所述光
轴的至少两个方向基本获得周期性调制的干涉图案。
提出的设备任选地可以包括至少一个致动器模块，用于沿着垂直于所
述光轴且平行于执行相位步进方法时包含的自成像的周期性的至少一个方
向的方向偏移所述光栅中的至少一个，还包括控制模块，用于控制所述致
动器模块，使得所述光栅中的至少一个根据所述相位步进方法偏移所述衍
射光栅自成像的周期的预定义分数倍。
根据本发明的一特殊方面，可以规定，所述至少一个源光栅被具有与
所替换的至少一个源光栅的孔的空间调制强度分布的波源替代或被至少一
个点源的阵列替代，其中“点”表示小到足以满足空间相干性要求的发射
区域。
可以利用编码孔(coded apertures)测量上述局部相位梯度，所述编
码孔的特征是布置在所述辐射源后方的至少两个结构化波吸收掩模，其中
所述至少两个结构化波吸收掩模的第一掩模可以提供多个截面区域垂直于
彼此不交叠的射束方向的射束，所述波束任选地透射要成像的所述对象，
且其中所述至少两个结构化波吸收掩模的第二掩模可以覆盖所述波束被所
述辐射探测器探测之前的每个截面区域，其中所述第二掩模覆盖的每个波
束的截面区域，从而所述辐射探测器探测的信号，取决于所述波束与所述
局部相位梯度成比例的偏转。
本申请的第二示范性实施例涉及一种用于减小诱发的相位误差对借助
于电磁波或物质波为对象成像的干涉仪设备图像质量的影响的方法，其中
对象导致电磁波或物质波根据局部折射率改变相位信息。如上文参考本发
明的第一示范性实施例所述，所述干涉仪设备包括用于发射穿透所述对象
的电磁波或物质波的辐射源，用于探测这些电磁波或物质波的辐射探测器，
以及用于获得表示对象在至少一个垂直于干涉仪设备光轴的横向上的局部
相位梯度的信息的处理模块。根据本发明，所述方法包括如下步骤：确定
噪声像素的像素位置和/或局部相位梯度在所探测相位梯度图像的哪些像
素位置超过预定义阈值并将这些像素标记为“坏”，对局部相位梯度执行线
积分，从而产生积分相位梯度图像，分析所述积分相位梯度图像以用于已
标记为“坏”的强相位梯度像素后方出现的特性线伪影，并且如果分析表
明在通过标记为“坏”的像素之后持续有因为所述线积分诱发的紧邻线伪
影之间的实测2π相位偏移误差或其整数倍的相位偏移误差，则在每个“坏”
像素位置引入2π弧度或其整数倍的校正相位偏移，以便补偿这一2π相位
偏移误差或其整数倍的相位偏移误差。优选地，可能期望将这种方法用于
减少诱发的相位误差对用于硬X射线相衬成像的Talbot-Lau型基于DPCI
的光栅干涉仪设备图像质量的影响。
在探测所产生的X射线图像的干涉图案之内完全被“坏”像素围绕的
图像区域的情况下，所述方法由此在执行所述确定步骤之前可以包括如下
步骤：估计干涉图案的紧邻线伪影之间的2π相位偏移误差的数目。此外，
可以规定所述方法包括如下步骤：通过计算内部区域和外部区域上2π相位
偏移误差的平均数目并在应用与两个计算的平均值之间差异匹配最好的若
干2π相位偏移上的和给出的整区域相位校正偏移，来估计该图像区域内部
相对于该图像区域外部的2π相位偏移误差的数目。
如本申请提出的那样，主张保护的方法以如下步骤结束：从所述“坏”
像素附近的“好”像素的相位偏移内插得到“坏”像素的相位偏移。还可
以规定，使用可用吸收图像的信息对用于“坏”像素的校正偏移进行更好
估计。
本申请的第三示范性实施例涉及在医疗X射线辐射照相术、3D旋转血
管造影术或计算层析成像应用情形的范围中使用参考第二示范性实施例描
述的方法，以增强所采集X射线图像的图像质量。
最后，本申请的第四示范性实施例涉及一种计算机程序，在运行于用
于控制参考第一示范性实施例所述的设备的工作站的集成处理模块上时，
用于执行参考所述第二示范性实施例所述的方法。
附图说明
将针对下文所述的实施例并参考附图以举例的方式阐述本发明的这些
和其他有利方面。其中，
图1a示出了用于现有技术已知的Talbot-Lau型硬X射线成像干涉仪
(参见F.Pfeiffer等人，Nature Physics 2，258(2006))的试验DPCI
设备的3D示意图，
图1b是图1a所述试验DPCI设备的示意性顶视图(同上)，
图1c示出了来自图1a所示的试验DPCI设备的源光栅示意截面图，所
述源光栅呈现为硅衬底上的金结构(同上)，
图1d示出了来自图1a所示试验DPCI设备的相位光栅的示意性截面图，
所述相位光栅具有4μm的光栅周期并呈现为22μm的高硅(Si)结构(同
上)，
图1e示出了来自图1a所示试验DPCI设备的吸收光栅的示意截面图，
所述吸收光栅具有2μm的光栅周期并呈现为通过电镀填充金(Au)的硅(Si)
结构(同上)，
图2示出了图1a所示的试验DPCI设备的相位光栅和吸收光栅之间生
成的干涉图案，用于展示三个特征距离中栅格的“自成像”效应，更多称
为Talbot效应(来自F.Pfeiffer等人，Phys.Rev.Lett.
94，164801(2005))，
图3a-d示出了通过沿平行于相应光栅平面延伸的方向x偏移吸收栅格
获得的对象的四个探测X射线图像，用于例示微分相衬的探测(源自T.
Weitkamp等人，Optics Express 13(16)，6296(2005))，
图3e示出了由于图1a的试验DPCI设备的探测器上的入射X射线束中
的相位对象导致的射束折射，由光栅干涉仪获得的偏移干涉图案，由于衍
射图案的对应偏移，这导致通过分析器的局部透射强度变化(同上)，
图4a+b示出了两幅探测到的X射线图像，针对干涉仪设备的两个不同
取向示范性示出了微分相衬，其中取向的不同是分别绕光轴旋转了90°(来
自C.Kottler等人，Optics Express 15(3)，1175(2007))，
图4c示出了处理图4a+b所示的微分相衬图像得到的绝对相位，示范
性示出了为参考图4d+e所述的处理去除所产生的线伪影(同上)，
图4d+e示出了在图4a+b所示的微分相衬图像逐条线积分之后的绝对
相位对比度，其中沿着积分方向的特性线伪影变得可见(同上)，
图5a示出了第一示意图，用于以图形方式例示随机像素噪声诱发的积
分相位梯度中的相位缠绕，
图5b示出了第二示意图，用于以图形方式例示由具有强相位梯度的
“坏”像素围绕的图像平面内部和外部的积分相位梯度的缠绕，以及
图5c示出了第三示意图，用于以图形方式例示在利用本申请提出的请
求保护的方法校正相位缠绕之后，图5b的图像平面内部的积分相位梯度的
校正。
具体实施方式
在下文中，将参考附图并从现有技术的简述开始，更详细地描述根据
本发明主张保护的DPCI设备的示范性实施例。
图1a和1b中示出了用于从Pfeiffer和Weitkamp那里知道的
Talbot-Lau型硬X射线成像干涉仪的试验DPCI光栅干涉仪设备。使用这种
干涉仪导致如下效应：干涉的X射线束未完全分开，而是仅仅切变了小的
角度，使得它们穿过样本不同的密集分布部分。Pfeiffer和Weitkamp的硬
X射线成像干涉仪包括不相干的X射线源S、用于实现射束相干性的源光栅
G0、具有多个等间距X射线吸收条的衍射光栅G1(这里也称为相位光栅)、
吸收光栅G2(也称为分析光栅)和用于探测莫尔干涉图案图像数据的X射
线探测器D，所述莫尔干涉图案包含关于穿过对象O和衍射光栅G1之后偏转
且相移的X射线束的相移的信息，所述衍射光栅G1的吸收条平行于与干涉
仪的光轴正交的方向延伸，充当相移分束器并放在对象后方的下游方向。
此外，提供了用于记录所述辐射探测器在相位步进方式中供应的图像数据
的工作站WS的处理模块μP，用于存储这些数据的非易失性读存取存储器
(RAM)，以及用于使所得莫尔干涉图案的记录图像数据可视化的监视屏MS
或显示器。
图1c中在截面图中示出了源光栅G0的结构，G0产生个体相干但相互非
相干源的阵列。作为G0的替代，可以使用结构化源，其中由X射线源空间
受限的发射区域替代G0的孔，例如由X射线管中的结构化阳极表示这种发
射区域。射束路径中的相位目标O导致X射线每个相干子集发生轻微折射，
这与对象的局部微分相位梯度成比例。这种小的角偏移导致通过光栅G1和
G2组合的局部透射强度变化。
相位光栅G1(参见图1d)充当分束器，将入射的X射线束基本分成两
个第一衍射级。由于照射用的硬X射线波长(大约低于0.1nm)远小于光栅
间距(长度约为1μm)，所以两个衍射束之间的角度非常小。在相位光栅
G1的下游，衍射束发生干涉，在称为分数Talbot距离的特定距离形成线性
周期条纹图案，周期g等于相位光栅周期p1的一半。应当指出，这些条纹
的周期和横向位置不取决于X射线的波长。入射波前的扰动，例如在射束
中的对象O上折射诱发的扰动，导致条纹发生局部位移。
不过，由于相位光栅间距p1(从而干涉条纹的间距)不超过几微米，
所以放在探测平面中的成像探测器D一般没有足够高的分辨率来分辨条纹。
因此，与条纹具有相同周期和取向的吸收光栅G2(参见图1e)充当成像探
测器D的半透明掩模，将局部条纹位置变换成信号强度变化，并被放在成
像探测器D的平面紧前方。因此，探测的信号曲线包含关于对象O的相位
梯度的定量信息。为了将这种相位信息与信号的其他贡献分
开，其他贡献例如是样本中的吸收、非均匀的照射或光栅的缺陷，已知会
针对这种设备调整可见光干涉测量中使用的相位步进方法。于是，遵循T.
Weitkamp，A.Diaz等人在文章“Quantitative X-ray phase imaging with
a grating interferometer”(Opt.Express 13(2005)，pp.6296-6304)
中更详细描述的过程，可以导出对象的两个独立的图像。第一个图像表示
没有干涉仪时接收到的射束中的振幅对比度图像。它主要包含吸收对比度，
可能包含一些由样本边缘的衍射导致的线内相位对比度。第二图像的强度
信号与对象中的相移梯度成比例，这是称为微分相衬(DPC)图像的原因。
可以通过简单的一维积分使用DPC图像获得对象的相位分布曲线。
显然，这种干涉仪设备中使用的光栅质量是决定性的。为了以足够大
精度定义光栅结构，常规上使用微制造技术。重要的是光栅G1和G2具有正
确的周期比。对于平面入射波，吸收光栅G2的周期p2应当比相位光栅G1的
周期小两倍，而对于入射球面波，需要包括轻微的校正。需要使用微光刻
技术在硅衬底上界定光栅刻线图案。进一步的处理取决于所需要的个体性
质。具体而言，相位光栅G1的特征在于低吸收结构，向通过的X射线波引
入大约π弧度的相移Δφ，而吸收光栅G2的特征在于高吸收光栅刻线。从相
位光栅G1的线结构透射之后波前相移Δφ的实际大小取决于光栅刻线厚度
和入射X射线束的波长λ。如果G1被平面波照射，在探测器平面中形成强
度的周期性干涉图案，其根据相位光栅G1和所述探测器平面之间的距离而
变化。例如，在第一Talbot距离处观察到平行于光栅刻线的线性条纹的周
期性图案，第一Talbot距离由d1＝p12/8λ给出。这些条纹的间距等于相位光
栅周期p1的一半。这些条纹的强度或幅度取决于并对显示
出最大调制。
在Pfeiffer和Weitkamp的设备中，获得所需相移需要的相位光栅G1
的结构高度与所用光子能量成比例。对于17.5keV而言，22μm的高度是
最优的。
在这两位作者提出的设备中，相位光栅G1的周期p1接近4μm，导致结
构的高宽比非常大。图1d示出了这种光栅的截面。该结构是在氢氧化钾溶
液中通过湿法化学蚀刻制造的。作为衬底，使用具有<110>取向的250μm
厚的硅晶片。使用高精度电子束光刻工艺对光栅图案曝光。线的取向沿着
<112>方向，精确度好于0.1°，实现具有垂直侧壁的各向异性蚀刻。如C.
David，E.Ziegler和B.的文章“Wet etched diffractive lenses
for hard X-rays”(J.Synchrotron Radiat.8(2001)，pp.1054-1055)
中所述，这种工艺也用于制造线性菲涅尔带片。
吸收光栅G2的制造更加困难。第一，吸收光栅的周期p2必须比相位光
栅G1的周期，即2μm，小两倍，第二，没有简单的蚀刻工艺能够以大高宽
比对高吸收材料进行构图。结构高度再次取决于光子能量。在17.5keV处，
将金用作吸收材料。为了实现DPC信号的高对比度，希望结构高度为10μm。
第一，利用上述方法对硅光栅进行构图。然后，通过电沉积用金填充光栅
的缝隙。使用掩模蒸镀工艺和选择性湿法蚀刻，能够让金从硅沟槽的底部
生长，因为侧壁或硅脊上的任何沉积都会导致沟槽的不完全充填。图1e示
出了由所述工艺制造的填充金的硅光栅的截面，其实现了吸收光栅G2的功
能。
尽管旧的(D)PCI方法存在上文简述的需要高单色性和相干性X射线
源的问题，但Pfeiffer和Weitkamp的方法允许使用装备有额外源光栅G0
的标准X射线源(即X射线管)，源光栅确保了通过小孔的相干性。发射的
X射线束在相位光栅G1处衍射产生的干涉图案(参见图2)包含探测器平面
中衍射极小值和极大值的相对位置(典型地为几个微米，并且取决于相位
光栅上入射的波前的相移)中射束相移的所需信息。图2由此展示了在通
过沿光轴OA的方向(即在z方向上)相对于相位光栅G1的z坐标偏移吸收
光栅G2，将相位光栅和吸收光栅平面之间的距离d改变为特征值d1，d2或
d3(表示j＝1，2或3时的第j Talbot距离)时，相位光栅G1
的“自成像”效应(也称为Talbot效应)。在当前使用的DPCI设备中，d1
典型地约为几厘米。由于常规X射线探测器(通常分辨率约为150μm)不
能分辨这样精细的衍射结构，所以利用吸收光栅G2对获得的干涉图案采样，
吸收光栅G2的特征是周期类似于干涉图案周期的透射和吸收条的周期性图
案。类似的周期在吸收光栅后方产生周期大得多的莫尔图案，其可以通过
普通的X射线探测器探测到。为了探测微分相移，吸收光栅G2需要在x方
向(表示平行于特定光栅平面)偏移吸收光栅周期p2的分数倍，这通常是
大约1μm，这个流程也称为“相位步进”。可以从针对吸收光栅G2的每个
位置获得的莫尔图案的相移Δφ：＝φ2-φ1提取两个采样位置“1”和“2”
处的波前相位差，在此在四个不同采样位置xg＝x1，...，x4给出吸收光栅的
位置(参见图3a-d)。
为了更好地理解本发明如何工作，将参考图4a-e中所示的图案简要解
释Kottler等人提出的相位积分算法。Kottler描述了，由于发生伪影的原
因，通过沿x轴进行简单的一维积分进行相位检索可能无法给出质量令人
满意的相位图像(参见图4d和4e)，有三个主要原因导致这些伪影。第一，
如果要研究的相位对象比视场更大，那么边界条件，从而用于积分的开始
波前轮廓φ(x＝0，y)是未知的。在图4d和4e中可以示范性看出这种情况，
其中延伸通过图像边界的对象部分(花的花瓣)导致宽的阴影。伪影的第
二种原因是相位梯度图像中的噪声。确定平均位移偏移(Δx)的统计误差
当然取决于计数统计和执行的G2相位步进次数。统计误差在整个积分过程
中传播，从而导致平行于积分方向的条纹(参见图4d)。第三，相位缠绕导
致与图像噪声类似的伪影。
图4d和4e的图案给出了如下情况的范例：对象配合到视场中，以高
统计数值采集相位图像，但积分没有线伪影。为了克服这些问题，Kottler
等人开发了一种方法，将来自两个独立积分方向的信息组合起来。该算法
类似于在M.R.Arnison等人的文章“Linear phase imaging using
differential interference contrast microscopy”(J.Microsc.214，
pp.7-12，2004)中针对可见光提出的算法。如C.Kottler等人的文章“A
two-directional approach for grating based differential phase
contrast imaging using hard X-rays”(Optics Express，Vol.15(3)，
2007，pp.1175-1181)中所述，构思是针对两个方向x和y都测量相位梯
度图像，从而测量和其中通过绕着中央X
射线束(CXB)的轴将相位对象O旋转90°采集在定义复
相位梯度场
时(其中是虚数单位)，可以利用傅里叶导数定理将其二维傅里叶变
换写成：
F [ g ( x , y ) ] ( k , l ) = ∫ - ∞ + ∞ ∫ - ∞ + ∞ g ( x , y ) · e - 2 πj · ( kx + ly ) dxdy ]]>
= 2 πj · ( k + jl ) · F [ Φ ( x , y ) ] ( k , l ) - - - ( 3 ) ]]>
其中(k，l)表示对应于(x，y)的空间频率坐标。因此，可以通过向傅
里叶逆变换中代入方程(2)获得波前分布φ(x，y)，获得：
Φ ( x , y ) = F - 1 [ F [ Φ x ( x , y ) + j · Φ y ( x , y ) ] ( k , l ) 2 πj · ( k + jl ) ] ( x , y ) - - - ( 4 ) ]]>
在图5a-c中，示范性示出了根据本发明提出的方法是如何工作的。实
质上，使用透射的X射线束通过吸收光栅G2之后在探测器平面中获得的所
采集X射线图像(在这里也称为“吸收图像”)的信息来探测吸收图像中的
强相位梯度。
在第一步中，由于吸收和相移彼此相关(两者都直接取决于对象O的
电子密度)，所以可以将强相位梯度标记为“坏”并相应地认为其可能诱发
2π弧度的相位误差。在第二步中，从被标记为“坏”的像素开始分析积分
的相位梯度图像，找到特性线伪影。如果分析表明，在“通过”已标记为
坏的像素之后存在与相邻线之间2π或其整数倍的相位偏移，则在坏像素的
位置引入2π弧度或其整数倍的校正相位偏移，并重新计算积分相位梯度图
像。
图5a示出了图表，其示出了随机像素噪声诱发的相位缠绕的上述状况。
如果图像区域被“坏像素”围绕(例如由于对象边界的原因)，则发生特殊
情况。图5b示出了被坏像素围绕的图像区域内外的相位缠绕的这种状况。
在这种情况下，可能有用的是通过独立对这两个区域中的相位偏移求平均
值并在与两个确定的平均值之间差异匹配最好的若干2π相位偏移上应用
和给出的整区域偏移，来估计该区域内部相对于外部区域的2π相位偏移误
差的数目。在最后一步中，从这些坏像素邻域中好像素的相移内插得到坏
像素的相移。图5c中示出了图示，其示出了校正相位缠绕之后图5b所示
的图像区域。
更确切地说，根据本申请主张保护的方法提出执行如下步骤：
1.估计图像左边缘的“开始”相位偏移(如果相位对象O未延伸在图
像左边缘上方，该相位偏移可能很小)。否则，对于图像左边缘，从吸收图
像逐条线地估计相位偏移。
2.分析吸收图像，找到强梯度和/或噪声像素，将它们标记为“坏”。
3.在局部相位梯度上沿x方向计算线积分(即，恢复绝对相位)。
4.为好像素的区域执行图像分割。
5.对于每个区域，选择基准线并从吸收图像估计绝对相位(例如，选
择最长的“看起来健康的”线段)并检查相位图像中的线是否与良好像素
中相邻线相差接近2π的相位偏移。如果是的话，搜索微分相位图像中下一
个左侧坏像素并校正模数2π(这意味着之后必须重新计算所获得的相位图
像)。之后，重复步骤5，直到在图像平面中不再能找到呈现出2π弧度或
其整数倍的相位差的系统性线伪影。
6.例如，通过直接从吸收图像的局部相位梯度估计相位偏移来对坏像
素进行内插。
对于“坏”像素而言，可以通过如下方式在相位梯度图像之内执行替
代方式的内插：在要内插的像素附近的好像素区域之内，可以最终利用统
计学光滑函数为实测的相位差相对于吸收图像中实测差异进行相关性绘
图。
假设噪声不是限制因素，应当看到这两个量之间几乎线性的从属性。
对于坏像素而言，假设其与这条线性相关图偏离Φk＝k·2π的相位偏移(k
为整数)。然后可以由Φk的值校正每个“坏”像素的相位，其中选择k，
使得校正的相位之间的像素误差和所确定的吸收梯度和相移之间的关系变
为最小。
本发明的应用
本发明的主要应用在与微分相衬成像(DPCI)相关的所有模态中，即，
静止透射几何结构(即乳房X射线照相术、荧光检查等)，而且也在计算层
析成像(CT)或相关的旋转式X射线成像技术中。
尽管已经在附图和以上描述中详细例示和描述了本发明，但应当将这
样的例示和描述视为例示性的或示范性的而非限制性的，这意味着本发明
不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域
技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公
开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步
骤，不定冠词“一”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中陈述某些
措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。还还应当指出，不应将权利
要求中的任何附图标记推断为对本发明的范围构成限制。