用于X射线单像素成像的调制器及其制备方法和应用

本发明涉及x射线计算关联成像及x射线单像素成像领域技术研究领域，特别是涉及一种用于x射线单像素成像的调制器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、x射线作为一种具有高穿透性的光源，可以快速地对样品实现非侵入式成像，作为一种强有力的成像诊断技术一直被广泛地应用在工业、医学以及基础科学领域。作为波长更短、光子能量更高的电磁波，x射线在得到样品内部结构的同时也会造成辐射伤害。例如在医学领域，细胞接受过多的辐射会使癌变几率大大提升。因此如何在保证成像质量的同时减小x射线的辐射剂量，是人们关注的问题。此外，大阵面高像素的x射线探测器的结构复杂，造价昂贵，也给工业、医学以及基础科学领域带来一定的经济压力。

2、结合关联成像技术的x射线关联成像可以很好的解决x射线的高能辐射及降低对x射线探测器的要求的问题。强度关联成像作为一种间接成像方式，自1995年首次在实验室利用量子光源实现过后便因为其独特的性质迅速发展起来。这种非定域的成像方式颠覆了人们对于传统成像的认知：通过分束测定或预设置照射在物体上的光场分布，将其与经过物体的透射(或反射)总光强进行统计关联运算便可复原物体的图像。这样可以避免光能量分配在面阵式探测器的每个像素上，从而提高物光信号的强度，降低散粒噪声的影响，提高信噪比。成像原理上的不同使得鬼成像的方法比起传统成像而言不仅可以实现超分辨率的成像，还可实现极弱光照下的成像。

3、然而，由于x射线的波长太短，没有合适的空间光调制器件对光场进行已知及可控的调制，因此目前已报道的对x射线鬼成像的实验使用通过旋转产生不同的随机调制图案的部分透明随机调制器(如砂纸片)，调制器上的图案不可编程，因此不可避免地要使用大面阵x光相机测量、并记录调制参考图案，从而导致生产成本的增加。并且，由于随机调制器的图案是随机的，因此每个调制器的图案都是不同的、不可重复的，这要求必须对每个调制器均分别进行高成本的图案标定；一旦调制器发生损坏(如运输和使用过程)，测量就无法正常进行，只能重新制造和标定新的随机调制器件。另外，由于随机调制器件的颗粒不均匀，x射线通过其形成的图像也是不均匀的，因此图像的分辨率也是不均匀的；换言之，随机调制器件所形成的图像的分辨率只能限制在一个范围内，而非确定的值，这使得无法保证随机调制器件的品控。进一步地，由于随机调制器件的随机性和不均匀的特性，要求在图案标定过程中必须使用更高分辨率的相机才能够探测到清晰的调制后的散斑，例如，若调制后的散斑的分辨率设计在100μm左右范围内，则需要分辨率达到50μm的相机才能获取到清晰的散斑图像，这无疑极大地提高了对探测器的要求，从而极大地增加了生产成本。此外，随机调制器件的随机性也导致在图案标定和测量过程中难以对砂纸图案进行准确定位，对定位装置和控制逻辑都产生更高的要求，不利于测量的便利性和使用成本的控制。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种用于x射线单像素成像的调制器的制备方法、通过该制备方法制备的调制器、以及该调制器的应用，该调制器能够对x射线进行可控及特定的调制，从而实现x射线计算关联成像，在保证成像质量下大大减小采样次数，降低成像过程中的x射线辐射剂量。

2、特别地，根据本发明的一方面，提供了一种用于x射线单像素成像的调制器的制备方法，调制器包括调制矩阵，所述调制矩阵包括若干个矩阵单元，所述制备方法包括：

3、根据预定图案对x射线吸收材料进行镂空以形成所述若干个矩阵单元，每一个所述矩阵单元具有不同的所述预定图案；或者

4、利用能够对x射线进行相位调制的材料形成所述若干个矩阵单元，每一个所述矩阵单元具有不同的预定图案。

5、可选地，在根据预定图案对x射线吸收材料进行镂空以形成所述若干个矩阵单元的情况下，所述x射线吸收材料为板状，包括元素周期表中铁及铁以后的高原子序数元素单质或化合物。

6、可选地，所述单质包括铁、钴、镍、铜、锌、钼、银、镉、锡、钽、钨、铂、金、铅中的任一种；

7、所述化合物包括氧化铁、氧化铜、氧化锌、碘化银中的任一种。

8、可选地，在利用能够对x射线进行相位调制的材料形成所述若干个矩阵单元的情况下，所述能够对x射线进行相位调制的材料包括玻璃。

9、根据本发明的另一方面，还提供了一种用于x射线单像素成像的调制器，所述调制器是根据前述的制备方法制备而成。

10、根据本发明的又一方面，还提供了一种前述的调制器在x射线单像素成像中的应用，其中，在使用时，x射线光源依次照射在所述调制器的每个矩阵单元、形成已知的x射线散斑投射在物体上，或者将x射线照射物体后的像依次照射所述调制器的每个矩阵单元。

11、本发明提供的用于x射线单像素成像的调制器的制备方法，制备包括具有预定图案的调制矩阵的调制器。该调制器能够利用特殊测量矩阵对待测原始x光影像进行可控、已知的调制，或将特殊测量矩阵调制后的散斑照射在物体上，在获得相同分辨率的情况下可以大大降低对成像探测器的要求，对于降低x射线成像装置的成本具有重大意义。

12、此外，本发明提供的x射线单像素成像的调制器采用了包括若干个预知(预定图案)的矩阵单元，在调制材料上利用预设置的调制矩阵对x射线进行调制，也即可编程的预制调制矩阵。与随机调制器相比，调制矩阵是预先设计好的且可编程的，可以产生预知、可控的x射线图样用于物体成像，因此可以预先确定(即预知)与这些x射线图样一一对应的预设定的调制矩阵并作为参考图像，使得无论是在制造商的生产过程中还是用户的使用过程中，都无需现场测量参考图像，简化了整个相机的系统结构和成像操作，也降低了对光探测器的要求，无需高精度相机和x射线面阵探测器等，而只需要更简单的单像素探测器(如桶探测器)即可；同时，根据预先设计的预定图案加工出调制矩阵，也能够更好地保证批量生产时调制矩阵产品的一致性，而无需对单个产品进行测量校正，而且，由于将调制矩阵形成在稳定均匀的调制材料上，调制材料上形成的调制矩阵的图案是均匀的，进而由调制矩阵图案决定的分辨率也是均匀的，能更好地保证调制矩阵的品控。另外，由于调制材料稳定，所制备的调制矩阵产品在运输和使用过程中不易损坏，能更好地保证测量的正常进行，即使调制矩阵意外损坏，也可以很方便地更换相同图案的调制矩阵。这些都不仅有利于x射线计算关联成像产品的使用成本的降低，还极大地有利于x射线计算关联成像产品的生产成本的降低。另一方面，由于采用预设计调制矩阵的矩阵单元的图案的方式，还可以针对要测量成像的目标物体灵活地进行调制矩阵的图案选择和设计，从而能针对性地制备与目标物体更匹配、更利于目标物体成像的特殊调制矩阵。与随机测量矩阵相比，特殊矩阵能够实现在测量次数较少时得到衬噪比更高的图像，成像效果更佳，在得到相同衬噪比的图像的情况下可以大幅减少测量次数，从而降低样品所受到的辐射剂量，在医学领域具有重大意义。特别需要指出的是，由于随机调制器件的随机性，随机调制器件需要进行的采样次数多得多，这要求随机调制器件的尺寸很大，才能提供足够多的采样图案；而本发明的方案由于采样次数少，所需要的调制板上的矩阵单元的数目自然也少，因而调制板的尺寸也可以设计得更小，节省了材料成本，更易于保存和使用。

13、根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。