第29卷第12期 核技术 Vol. 29. No 12 年12月 NUCLEAR TECHNIQUES December 2006 衍射增强成像的若千基础问题研究 Ⅰ.衍射增强成像的衬度与X射线能量的关系 刘成林·2闫晓辉1张新夷13朱佩平4黄万霞4袁清习 1(复旦大学同步辐射研究中心物理系应用表面物理国家重点实验室上海200433) 2(盐城师范学院物理系盐城224002) 3(上海针灸和经络研究所上海201203) 4(中国科学院高能物理研究所北京100049 摘要为了探讨X射线衍射增强成像的衬度与X射线能量的关系,利用北京同步辐射光源4W1A光束线引出 的硬ⅹ射线对大块正常和癌变的乳腺组织进行成像研究。在摇摆曲线顶部位置获得的图像(峰位图像)和表 观吸收图像的衬度随X射线能量的变化关系是相似的,说明峰位图像和表观吸收图像包含的主要衬度相似, 即吸收衬度,而折射图像的衬度随X射线能量的增大总体上呈现下降趋势。综合来看,对于乳腺类的软组织 来说,DEI成像在低能量端有很好的衬度,反映了衍射增强成像更适合于主要由轻元素组成的物体的成像。 关键词X射线衍射增强成像,衬度,X射线能量,同步辐射,乳腺组织 中图分类号O434.1,R8171 X射线在物质中的折射率n=1-6-iB,其中程度上取决于选择照相所用X射线的波长。有选择 δ湜是位相项,它与电子经典半径、Ⅹ射线的波长、物地采用特定波长的ⅹ射线投照软组织,将可能获得 质中的电子密度等有关,β是吸收项,它与射线层次丰富,对比度清晰的软组织影像。另外,随着 的波长和物质的线吸收系数等有关。一般情况下,能量的增加,位相项比吸收项降低得更缓慢,在 折射率是一个随三维空间位置变化的物理量m(x,y,这里E2,BE。在高能段,物体对X射线的吸 z),而且在Ⅹ射线波段与1相差甚小。在一般医学收剂量较低,由于位相衬度依赖于Ⅹ射线的相干散 透视成像方法中,记录透射光束的强度变化(影像射,而不是吸收,因此可以在较高能段成像,这就 的衬度)主要来源于不同机体对X射线吸收的差别降低了射线对组织的潜在的损伤。从理论上来说 吸收衬度:F=le,其中为吸收系数,z为样通过测量的变化应该可以观测到更小的电子密度 品厚度。对于具有一定穿透力的硬X射线来说,主变化,于是如何获得这种由于a差别而形成的位相 要由轻元素组成的人体器官各组织间吸收系数的差衬度,成为近十几年来的一个研究热点 别很小,因此利用传统X射线医学影像学方法获得 上世纪90年代发展起来的位相衬度成像的基 的人体(器官)影像的空间分辨率和衬度(电子密本原理就是采用某种方法把这种对波函数的位相调 度)分辨率受到了很大的限制,远远不能满足现代制转换成强度的变化记录下来,或者说是利用Ⅹ射 医学对各种癌症早期临床诊断的需要P。但我们知线透过样品后携带的位相信息对样品内部结构进行 道,对于轻元素,δ比B大几个数量级,不同轻元清晰成像的方法在已经发展的几种与位相衬度 素之间δ的差别相应地也会比β的差别大几个数有关的成像方法中,根据其实验装置和原理的不同, 量级。例如,在通常乳腺诊断中使用的能量为15-可以分为三种方法:①干涉法;②衍射增强法 25keV的X射线(λ为00828—00497m),位相项③类同轴全息成像法。衍射增强成像(DEI)技术 δ107,吸收项100,两者相差在1000倍。因此,是由 Chapman和他的同事们为改善乳房X射线照 在吸收衬度很难探测的情况下仍有可能观察到位相相术的图像衬度,于1995年在美国国家同步光源 的衬度。硬X线对软组织成像的衬度,在相当大(NSLS)发展起来的13。用该方法可以获得与 国家重点基础研究专项973项目(2005CB523306)资助 第一作者:刘成林,男,1964年出生,复旦大学凝聚态物理专业博士生,盐城师范学院副教授 通讯作者:张新夷 收稿日期:2006-08-11,修回日期:2006-09-20第 29 卷 第 12 期 核 技 术 Vol. 29, No.12 2006 年 12 月 NUCLEAR TECHNIQUES December 2006 —————————————— 国家重点基础研究专项 973 项目（2005CB523306）资助 第一作者：刘成林，男，1964 年出生，复旦大学凝聚态物理专业博士生，盐城师范学院副教授 通讯作者：张新夷 收稿日期：2006-08-11，修回日期：2006-09-20 衍射增强成像的若干基础问题研究 I. 衍射增强成像的衬度与 X 射线能量的关系 刘成林 1, 2 闫晓辉 1 张新夷 1, 3 朱佩平 4 黄万霞 4 袁清习 4 1（复旦大学同步辐射研究中心 物理系 应用表面物理国家重点实验室 上海 200433） 2（盐城师范学院物理系 盐城 224002） 3（上海针灸和经络研究所 上海 201203） 4（中国科学院高能物理研究所 北京 100049） 摘要 为了探讨 X 射线衍射增强成像的衬度与 X 射线能量的关系，利用北京同步辐射光源 4W1A 光束线引出 的硬 X 射线对大块正常和癌变的乳腺组织进行成像研究。在摇摆曲线顶部位置获得的图像（峰位图像）和表 观吸收图像的衬度随 X 射线能量的变化关系是相似的，说明峰位图像和表观吸收图像包含的主要衬度相似， 即吸收衬度，而折射图像的衬度随 X 射线能量的增大总体上呈现下降趋势。综合来看，对于乳腺类的软组织 来说，DEI 成像在低能量端有很好的衬度，反映了衍射增强成像更适合于主要由轻元素组成的物体的成像。 关键词 X 射线衍射增强成像，衬度，X 射线能量，同步辐射，乳腺组织 中图分类号 O434.1，R817.1 X 射线在物质中的折射率n = 1− δ − iβ ，其中 δ是位相项，它与电子经典半径、X 射线的波长、物 质中的电子密度等有关，β是吸收项，它与 X 射线 的波长和物质的线吸收系数等有关[1]。一般情况下， 折射率是一个随三维空间位置变化的物理量 n(x, y, z)，而且在 X 射线波段与 1 相差甚小。在一般医学 透视成像方法中，记录透射光束的强度变化（影像 的衬度）主要来源于不同机体对 X 射线吸收的差别 ——吸收衬度：I=I0e -µz，其中µ为吸收系数，z 为样 品厚度。对于具有一定穿透力的硬 X 射线来说，主 要由轻元素组成的人体器官各组织间吸收系数的差 别很小，因此利用传统 X 射线医学影像学方法获得 的人体（器官）影像的空间分辨率和衬度（电子密 度）分辨率受到了很大的限制，远远不能满足现代 医学对各种癌症早期临床诊断的需要[2]。但我们知 道，对于轻元素，δ 比β 大几个数量级，不同轻元 素之间δ 的差别相应地也会比β 的差别大几个数 量级。例如，在通常乳腺诊断中使用的能量为 15— 25 keV 的 X 射线（λ为 0.0828—0.0497nm），位相项 δ~10-7，吸收项β~10-10，两者相差在 1000 倍。因此， 在吸收衬度很难探测的情况下仍有可能观察到位相 的衬度[3]。硬 X 线对软组织成像的衬度，在相当大 程度上取决于选择照相所用 X 射线的波长。有选择 地采用特定波长的 X 射线投照软组织，将可能获得 层次丰富，对比度清晰的软组织影像。另外，随着 能量的增加，位相项比吸收项降低得更缓慢[4]，在 这里δ∝E-2，β∝E-4。在高能段，物体对 X 射线的吸 收剂量较低，由于位相衬度依赖于 X 射线的相干散 射，而不是吸收，因此可以在较高能段成像，这就 降低了射线对组织的潜在的损伤。从理论上来说， 通过测量δ的变化应该可以观测到更小的电子密度 变化，于是如何获得这种由于δ的差别而形成的位相 衬度，成为近十几年来的一个研究热点[5,6]。 上世纪 90 年代发展起来的位相衬度成像的基 本原理就是采用某种方法把这种对波函数的位相调 制转换成强度的变化记录下来，或者说是利用 X 射 线透过样品后携带的位相信息对样品内部结构进行 清晰成像的方法[7, 8]。在已经发展的几种与位相衬度 有关的成像方法中，根据其实验装置和原理的不同， 可以分为三种方法[9, 10]：①干涉法；②衍射增强法； ③类同轴全息成像法。衍射增强成像（DEI）技术 是由 Chapman 和他的同事们为改善乳房 X 射线照 相术的图像衬度，于 1995 年在美国国家同步光源 （NSLS）发展起来的 [11-13]。用该方法可以获得与