简便、快速和低剂量X射线光栅剪切成像理论和方法研究

The new development direction of X-ray radiography and tomography is phase sensitive imaging in recent two decades. Phase sensitive X-ray imaging can provide substantially increased contrast over conventional absorption-based imaging and therefore new and otherwise inaccessible information. Four phase contrast imaging methods have been developet, but the method based on grating shearing is the most potential candidate to be applied into X-ray radiography and tomography. Comparing with conventional imaging, it can not only provide absorption signal but more sensitive refraction and scattering signals also. So far, many universities, instituts and big companies all over the world have been involed to develop this new type imaging technology, but have not realized to separate the phase information from other contributions with a simple, fast and low dose method, and this is necessary for phase sensitive imaging to be used into medical applications. This study will develop the innovative theory and methodology based on grating shearing to acquire multiple information with a simple, fast and low dose method.

近二十年，X射线照相和X射线CT发展的新方向是相位衬度成像。相位衬度成像可以提供比传统的吸收衬度成像高得多的成像衬度，获得以前难以获得的信息。迄今为止已经发展出四种相位衬度成像方法，其中光栅剪切成像方法被认为最具有医学临床应用前景。和传统X射线成像相比，它不仅能提取生物样品的对X射线的吸收信号，而且可以提取比吸收信号灵敏得多的折射信号和散射信号。虽然世界上多家研究单位和大公司都卷入了这项新型的X射线成像技术的研发，但是还未实现简便、快速和低剂量提取多种成像信号，而这是医学临床应用所必须的。本项目拟基于光栅剪切成像方法，发展简便、快速和低剂量获取多种成像信号的创新理论和方法，解决这个世界性难题。

本项目的亮点在于创建了角度信号成像理论，它有望成为一个包括投影成像（如X射线投影成像和中子投影成像）、显微镜成像（如光学显微镜、X射线显微镜、电子显微镜）的普遍理论。在角度信号成像理论中，在二维成像部分（包括投影成像和显微镜成像），首先，提出了物亮度函数的概念和数学表达，其中不仅包含样品吸收信号，而且有折射角信号和散射角信号；其次，提出了角度信号响应函数，并发现角度信号在直流响应过程中完全消失的现象，因而必须建立具有交流响应的角度信号响应函数；再次，提出了分别在角度信号响应函数曲面的谷位、上坡、峰位、下坡等四个位置采集成像数据的方法；最后，提出从谷位、上坡、峰位等三个位置的成像数据中提取吸收、折射角、散射角方差定量数据的方法；在CT成像部分，为折射投影数据建立了摇头摆尾的投影直线模型，为散射投影数据建立了光线分叉的投影直线模型，并根据摇头摆尾投影直线模型推导出了折射率实部衰减率的重建算法，根据光线分叉投影直线模型推导出了线性散射系数的重建算法。.本项目在国际著名光学期刊Optics Express上发表了角度信号投影成像的研究成果。国内外同行对我们发表的角度信号成像理论初步成果的评价，基本上是正面的、积极的，认为本项目提出了物理概念清楚、易于理解、能用解析数学严格推导和表达的成像理论。不过，也有人认为，虽然本项目研究组提出了能用解析数学推导和表达的成像理论，但是并没有比旧理论给出更多的结果。.本项目根据角度信号成像理论，研究出了用集成分析光栅的探测器并行采集投影数据的方法，并申请了发明专利。可是由于本项目经费远不足以研制这种探测器，所以低剂量并行采集投影数据的目标不是本项目能实现的。因此，除了在实验上验证本项目提出的低剂量并行采集投影数据方法以外，本项目不仅全面完成了当初制定的研究目标，而且在理论上获得研究成果超过当初的预想。