X射线相位衬度成像技术

一、简介

        X 射线相位衬度成像技术（Phase-contrast X-ray imaging）通过探测 X 射线穿过物体后相位的改变来对物体成像。与传统的 X 射线吸收成像相比，X 射线相位衬度成像能够为轻元素样品提供更高的衬度，克服了传统吸收成像无法对弱吸收物体成像的缺点，特别适合用于对软组织和轻元素构成的样品进行成像，因而在医学、无损检测和材料学方面有很高的应用价值。

二、背景

        传统CT技术主要基于X射线在物质中的吸收。它通过测量不同方向上的X射线透射强度来还原物体内部的吸收分布，形成断层图像，对于密度差异较大的组织或物质有较好的成像效果。X射线相差成像是基于X射线在物质中的折射、散射和吸收等相位变化原理。相比于传统CT，它更侧重于检测X射线相位的变化，X射线相差成像对物质的微小相位变化更为敏感。

具有以下优势：

1. 对软组织的高对比度。
2. 相对于传统CT同剂量辐射下成像效果更好，减小辐射剂量。
3. 对于细小结构和边缘的高分辨率。
4. 不仅能够提供相位信息还能提供吸收信息，可以适用于不同性质的物质。

三、基本原理

1、X 射线相位衬度成像技术与传统技术对比

        

        如图所示为小鼠体内多对比X射线图像。 (a) 基于衰减的传统X射线图像。 (b) 基于X射线折射的差分相位对比图像。 (c) 基于X射线散射的暗场图像。在图像 (b) 和 (c) 中用箭头标出了对比度增强的区域，展示了差分相位对比和暗场技术的能力。特别指出了气管的折射和肺部的散射。 

        基于吸收的传统X射线图像：该图像是使用传统X射线吸收原理创建的。它依赖于小鼠不同组织对X射线的差异吸收。

        基于X射线折射的差分相位对比图像：通过差分相位对比技术获得该图像，捕捉X射线通过不同结构时的相位变化。

        基于X射线散射的暗场图像：通过检测散射的X射线生成的暗场图像。它提供有关小鼠组织中X射线散射的信息。特别强调了肺部的散射，显示了对比度增强的区域。

2、X 射线相位衬度成像技术与传统技术对比

        传统的CT成像是基于吸收原理的，是基于光电效应和康普顿散射的结果来的，这是将X光线作为一种粒子的方式进行看待的，但是杨氏干涉实验或双缝干涉实验证明了光不仅仅是带有粒子性质还具有波动性质；穿过两个狭缝（双缝）的光（波）相加或相互抵消，然后出现干涉条纹，从而证明了光的波粒二象性。

         如图所示，如果两个相同的波形进行相加，波形会变强；如果两个波形相同，其中一个波形移相180°再进行相加，电场能量变为0（转换为其他能量）。当一个单色光源（波长为单一值的电磁辐射）也称相干光源，穿过两个窄缝后产生干涉现象。当两束光相干时，光子流向相位一致的地方，相位衬度就是利用相位调控光子流向的特点进行成像的。为了更好的利用光的相位特性，需要提供相干光源，单现实中又不存在绝对的相干光源。

        同时衡量光源相干程度高低的标准是步调一致的光子数，即相干光子数；相干光子数越多，相干光的强度就越高。比如蜡烛、太阳光这些都是非相干光源，在双缝实验中虽然可以用单缝从非相干光源中滤出一些相干光源，但获得的光强度已经很微弱了，所以在CT中制约相位衬度成像的一个主要因素是X射线源的问题，由于X射线光束质量的提高进展缓慢以及X射线光学器件（透镜）的不可用，相衬成像从可见光到X射线的转移花费了很长时间。

         为了获取到足够强度的单色X光线，经历了很长的一段时间发展。1947 年，位于美国纽约州 Schenectady 的通用电气公司实验室(GE lab)在调试新建成的一台70MeV 电子同步加速器时，看到一种强烈的光辐射，从此这种辐射被称为 “同步加速器辐射 ”(synchrotron radiation)。 同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中做变速运动时放出的电磁辐射。

 

        如图所示为第三代同步辐射发生装置，使用①处的直线加速器产生高品质电子束，在②处将电子能量提升到储存环能量，在③处的储存环内的高速电子产生同步辐射，在④处的光束线处理和变换同步辐射光并传输到⑤处的试验站来使用。

        同步辐射光源产生的X射线具有极高的亮度，光束的方向性非常好。这种定向性有助于获得清晰的成像，并且可以更容易地控制X射线的方向；即使通过了单色器后，产生的X射线具有较窄的能谱带宽且仍具备非常高的能量，可以提高对样品内部结构和组成的分辨率。同时同步辐射的辐射是时间相干的（X发射点非常集中，与样品距离非常远，几乎成点状），波动是协同的。

        由于同步辐射光源的优点非常明显，是许多高级X射线实验和研究的首选光源。但是缺点也很明显，就是需要电子加速器，不可能在小空间内实现部署且光源巨大无法围绕被检测物体旋转，费用高昂等特点。

上海光源属于第三代同步辐射光源

 

        同步辐射光源唯一的替代是微焦点X射线源，但其其有限的通量导致曝光时间过长。

 

        如图所示为一个微焦点X射线源，为了发射更多的光子，采用的是一种使用液态金属喷射作为阳极的新型X射线管，极大地减少了热负荷在一个非常小的设备中，具有一个非常集中的发射斑点。

        另外一种方式是如慕尼黑的Cala项目或巴黎的ThomX项目，试图在较小的设备中重新创建同步辐射，以适应大房间，类似于医院放疗设施的大小，并使其更易于使用，简单来说就是构建一个迷你同步器辐射光源（下图是巴黎的ThomX项目）。

         从高相干性和高亮度的X光线产生催生了相衬X射线成像技术的发展。主要有以下几大技术方向：

基于同步辐射的方法：

        1、晶体干涉测量

        1965 年，Bonse 和 Hart 提出了一种晶体干涉仪，它使用衍射图案来显示光束路径的差异 。晶体干涉仪中使用的仪器是完美的晶体（例如硅），它有两个凹槽，因此晶体被分成分光器、镜子和分析器。分束器将入射的单色 X 射线束分成两个相干波。使用镜子会聚后，两个波在分析仪上形成衍射图案，显示出由物体折射引起的光束路径的差异，通过这个差异来重建图像。

 

        2、纳米X射线相移光栅干涉测量

        为了获得晶体 Bonse-Hart 干涉测量的卓越灵敏度，同时避免一些基本限制，单片晶体已被纳米 X 射线相移光栅取代。它可以在普通 X 射线管的宽能谱范围内分裂 X 射线束。在光栅Bonse-Hart干涉法中，周期性光栅被引入X射线的路径中，这些光栅与X射线发生相互作用，产生干涉图样，可用于从X射线束中提取相位信息。

         3、衍射增强成像（基于分析的成像）

        基于分析仪的成像（ABI）也称为衍射增强成像、相色散内窥镜和多图像放射线照相术，其设置由位于光束前面的单色仪（通常是单晶或双晶，也可准直光束）组成。样品和分析器晶体位于样品和探测器之间的布拉格几何结构中。

        利用晶体对入射光的角度选择性， 探测样品引起的折射角, 晶体具有非常窄的接收角， 只有当入射光沿着接收角的方向入射时， 晶体才会反射入射光， 当入射光沿着其他方向入射时， 晶体拒绝反射入射光, 成像过程为：同步辐射白光经过单色器晶体单色， 形成单色准直光束照射在样品上， 样品中密度不同或者结构不同的区域会以不同的折射角折射射线， 分析晶体通过旋转调节接收角度， 可以任意选择某一折射角度出射的折射光， 获得样品的折射衬度像，从而分析被测物体的图像，技术难点在于光束需要高度准直和单色。

 摆脱同步辐射的方法：

        1、基于传播的成像（PBI）

基于传播的成像 (PBI)也称为 在线全息术、折射增强成像或相衬放射线照相术。该方法的实验设置与传统放射线照相术基本相同。它由串联布置的 X 射线源、样品和 X 射线探测器组成，不需要其他光学元件。唯一的区别是探测器不是直接放置在样品后面，而是放置在一定距离处，因此样品折射的辐射会干扰未变化的光束。这种简单的设置和较低的稳定性要求提供了该方法的一大优势，但该方法需要高亮度光源（由于与干涉测量方法相比，相干性要求较低，可以使用商业来源）。该方法仅需要源、物体和检测器，不需要其他设备。

基于传播的成像

 

        2、基于光栅的成像（GBI）

        在光栅干涉仪中，第一个光栅 (G1 )将入射光束分成两个一级衍射。这两束光束在第一个光栅的下游衍射，相互干涉，并形成线性周期性条纹图案。相位物体的存在会引起条纹的位移。与条纹具有相同周期性和方向的第二个光栅（G2 ）直接插入到探测器前面，以读取条纹并获得物体的折射。因此，可以从G2检测器上的步进读数恢复条纹。为了利用 G2将相位调制转换为强度调制，根据塔尔博特效应计算第一和第二光栅之间的距离。因此，这种方法也被称为“塔尔伯特干涉仪”。

 

        然而，该方法还需要高度相干和高亮度的X射线源，限制了其在实验室源和商业用途中的应用。2006 年，Pfeiffer 等人。在该方法中引入了另一个光栅，因为该光栅紧邻 X 射线源放置。这个光栅创建了一系列单独相干但相互不相干的光源。由于 Lau 效应 ，这些光源的 Talbot 效应在 G2平面上相互重叠，使得该方法适用于非相干和低亮度光源。新引入的X射线光栅干涉仪也被称为“Talbot-Lau干涉仪”。使用 Talbot-Lau 干涉仪时，实验装置中的仪器校准相对简单，可实现大视场。该方法正在成为生物样品最流行的 X 射线相衬图像之一。 

         医院使用的X射线没有均匀的波，因此不能直接使用塔尔博特效应。通过在 X 射线源附近放置一个额外的网格解决了这个问题。新添加的光栅旨在仅将对齐的 X 射线传递到下游塔尔博特干涉仪。通过这一创新，它将Talbot干涉仪的成像原理应用到已在医院使用的X射线源上，并显着缩短了成像时间。

         3、边缘照明 （EI）

        在边缘照明方法中， X 射线束通过尺寸通常为几微米到几十微米的狭缝准直到一个方向，并与探测器正前方的不透明边缘对齐。部分X射线束被物体折射后被边缘阻挡，其余部分撞击探测器。由于样品的折射，检测器上的 X 射线束位置发生移动，导致检测器中的强度发生变化。如果光束穿透样品，则会获得显示吸收和折射对比度混合的图像。如果采用具有多个孔径的适当掩模，则该方法也可以应用于传统的 X 射线源，但对探测要求很高。

        如上图所示，（a）同步加速器辐射的边缘照明（EI）方法。( b ) 使用传统 X 射线源的 EI 方法。边缘照明是一种非相干技术，适用于空间和时间非相干源，无需任何额外的源孔径或准直。它们的纵横比要求不是特别高，掩模价格便宜，易于制造（例如不需要X射线光刻）并且已经可以扩展到大面积。该方法很容易扩展到两个方向的相位灵敏度。

        综合以上几种技术，和相位技术的发展，目前基于同步辐射源的技术比较难以在实验室中实现，即不适合目前的落地应用，即排除掉前面的两种方式用于后面的研究。