CN101011254B - 用于产生相位对比图像的x射线装置的焦点和检测器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线装置的焦点和检测器系统和用于产生投影或断层造影相位对比图像的方法，包括：具有焦点(F₁)和设置在焦点一侧的源光栅(G₀)的辐射源(2)，该源光栅设置在辐射路径中并产生射线相干的X射线(S_i)场；具有相位光栅(G₁)和检测器(D₁)的光栅/检测器装置，该相位光栅具有平行于源光栅(G₀)的光栅线用以产生相干图案，该检测器具有多个平面设置的检测器元件(E_i)用以测量相位光栅后的取决于位置的辐射强度；检测器元件(E_i)由多个纵向闪烁条纹(SS_i)形成，闪烁条纹平行于相位光栅(G₁)的光栅线并且具有小周期(p_s)，该周期的整数倍对应于相干图案的、由相位光栅形成的平均的大周期(p₂)。

Description

用于产生相位对比图像的X射线装置的焦点和检测器系统

技术领域

本发明涉及一种用于产生投影的和断层造影的相位对比图像的X射线装置的焦点和检测器系统，其由具有焦点的辐射源、用于检测X射线的检测器装置和一组X射线光栅组成，这些光栅用于确定X射线在穿过检查对象时的相移。

背景技术

在计算机断层造影中通常借助对穿过检查对象的X射线的吸收测量来拍摄检查对象、尤其是患者的断层造影图像，其中辐射源一般围绕检查对象圆形或螺旋形地运动，并且在面对辐射源的一侧，用检测器、多数情况下是具有多个检测器元件的多行检测器来测量射线在穿过检查对象时对该射线的吸收。为了进行断层造影成像，从对所有测量的空间射线测得的吸收数据中再现断层造影截面图像或立体数据。利用这些计算机断层造影图像可以非常好地显示对象中的吸收差异，但是只能不足够详细地显示化学成分类似的部位，这些部位按照自然特性还具有相似的吸收特性。

此外还公知在射线穿过检查对象时的相移效应明显比被射线穿过的物质的吸收效应更强。这种相移按照公知方式采用两个干涉光栅来测量。关于干涉测量方法例如参阅“X-ray phase imaging with a grating interferometer，T.Weitkamp等，2005年8月8日/Vol.12，No.16/OPTICS EXPRESS”。在该方法中用相干X射线透射检查对象，然后使检查对象穿过光栅对，并紧接在第二光栅之后测量辐射强度。第一光栅产生相干图案，该相干图案借助第二光栅在位于其后的检测器上映射为莫尔图案。如果稍微移动第二光栅，则该莫尔图案也同样移动，也就是在第二光栅之后的检测器中的空间强度发生变化，可以相对于第二光栅的移动确定该变化。如果根据第二光栅的移动路径为该光栅的每个检测器元件、也就是为每个射线绘制强度变化，则可以确定各射线的相移。该方法的问题在于，并且因此而不能应用于更大对象的计算机断层造影实践的是，其需要非常小的辐射源，因为需要相干射线来构成相干图案。

在上述文献中展示的方法需要具有特别小焦点的辐射源，从而所采用的射线具有足够大的空间相干性。但是在使用这种小焦点时不会给出足以检查更大对象的剂量功率。但是还存在采用单色的相干射线如同步射线作为辐射源的可能性，由此导致CT系统的构造非常昂贵，从而不能广泛地应用。

该问题可以这样处理，即在辐射路径中的焦点和检测器组合内，直接与焦点连接地设置第一吸收光栅。在此光栅线的方向平行于跟随在检查对象后的干涉光栅的光栅线。

第一光栅的缝隙产生具有特定能量的单个相干射线场，该射线场足以借助在辐射方向上设置在对象后面的相位光栅产生本身公知的相干图案。

通过这种方式可以采用具有对应于CT系统或透射光X射线系统中常规X射线管的展幅的辐射源，从而例如在一般的医疗诊断领域内可以借助X射线设备拍摄出很好区分的软组织图像。

这种焦点和检测器组合的问题是一方面分析光栅是附加的灵敏组件，该组件的制造和校准成本很高。按照本发明的另一方面，在扩展中还应当达到比用吸收频谱可以达到的更好的剂量使用，在使用吸收频谱的情况下总是会丢失所施加剂量的一半。此外对于空间中的每个射线用分别稍微移动的分析光栅执行至少3次测量，由此可以确定在相应的辐射路径上穿过检查对象的X射线的相移。由此造成本应当减小的用于测量的时间成本和校准费用的提高。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题在于找到一种结构更为简单的焦点和检测器系统。按照另一方面应当达到：减少确定相移所需要的测量的次数，或者甚至对每个射线仅执行一次测量过程，以便能对检查对象产生投影或断层造影的相位对比图像。此外按照另一方面还应当改善对剂量的利用。

发明人已经了解：可以不采用目前使用的分析光栅而使用具有多个闪烁条纹的检测器元件，这些闪烁条纹在连接在前的相位光栅的光栅线方向上划分各检测器元件，由此可以放弃目前必需的分析光栅。此外可以这样构成各闪烁条纹，使得其交替地辐射不同频率的光，这些光将被选择性地测量。由此在一个检测器元件内得到简单构成的不同闪烁条纹组，其中无需大的连接技术成本就对各个组求和。因此通过对整个闪烁光的频率选择的测量并照射到共同空间中，在不同条纹形状设置的闪烁材料上实现对所有光事件的选择性求和。因此可以根据形成的组数和设置闪烁条纹所采用的周期、也就是根据单个闪烁条纹的细度来解析各X射线，使得可以大大降低扫描特定X射线的测量次数，或者在闪烁条纹被相应高度划分时用分组测定的闪烁条纹的一次测量就可以直接确定所观察的各X射线的平均相位。

通过检测器元件的这种没有不能进行测量的“死区”的条纹形结构，还可以实现最佳的剂量利用。因此实际上将用于照射检查对象、尤其是患者的所有剂量都用于测量，而不像应用分析光栅时那样在分析光栅中会无用地吸收一部分已经照射了患者的剂量。

按照本发明的基本思想，发明人建议一种用于产生投影或断层造影相位对比图像的X射线装置的焦点和检测器系统，其至少包括：

具有焦点和设置在焦点一侧的源光栅的辐射源，该源光栅设置在辐射路径中并产生射线相干的X射线场，

具有相位光栅和检测器的光栅/检测器装置，该相位光栅具有平行于源光栅的光栅线用以产生相干图案，该检测器具有多个平面设置的检测器元件用以测量相位光栅后面的取决于位置的辐射强度，

其中所述检测器元件由多个纵向闪烁条纹形成，该闪烁条纹平行于相位光栅的光栅线并且具有小周期，该周期的整数倍对应于相干图案的、由相位光栅形成的平均的大周期。

就光栅/检测器装置而言，在此建议这样构成和设置光栅/检测器装置，使其满足以下几何条件：

p₂＝k×p_s

$p_0=p_2\×\frac{l}{d}$

$p_1=2\×\frac{p_0\×p_2}{p_0+p_2}$

$d=\frac{l\×d^{\≡}}{l-d^{\≡}},$ 其中 $d^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{p_1^2}{4\mathrm{\λ}}\right)$

$h_1=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n-1)}$

其中：

p₀＝源光栅G₀的光栅周期，

p₁＝相位光栅G₁的光栅周期，

p₂＝闪烁条纹SS_i的大周期，对应于由相位光栅形成的相干图案的平均的大 周期，

p_s＝闪烁条纹SS_i的小周期，即相邻闪烁条纹的中间线到中间线之间的距离，

d＝在扇形辐射几何中相位光栅G₁与检测器之间的距离，

d^≡＝在平行几何中相位光栅G₁与检测器之间的距离，

k＝1，2，3，4，5，...

l＝源光栅G₀与相位光栅G₁之间的距离，

λ＝所选择的射线的波长，

h₁＝相位光栅G₁在辐射方向上的栅条高度，

n＝相位光栅G₁的光栅材料的折射率。

在第一简单实施变形中，发明人建议这样构成焦点和检测器系统，在每个大周期内恰好设置一个闪烁条纹，该闪烁条纹与由非闪烁材料制成的检测器光栅结构交替。由此基本上在测量技术上达到与在同样简单的结构情况下使用分析光栅相同的效果，在使用分析光栅时需要多次测量同一射线以确定相移。为了实现良好的稳定性和光栅空隙与光栅线之间大的吸收差异，有利的是用金属制造检测器光栅结构。

在本发明焦点和检测器系统的另一变形中，本发明人建议，在每个大周期内恰好设置两个由不同闪烁材料制成的闪烁条纹，这些闪烁条纹按照关系式λ_i＝c/f_i产生不同频率f或不同波长λ_i的光，其顺序在整个检测器元件上保持相同。由此可以最佳地使用检测器平面，因为不再存在被射线覆盖的区域。实际上该实施方式对应于两个错开半个大周期的检测器元件的组合，其中分别用具有其它光发射特性的检测器材料来代替光栅。通过光发射的不同频率可以简单地分开测量该光发射。

由于在焦点和检测器系统的该变形中每次测量获得两个针对两个支持点的测量值用于确定相位变化，因此虽然将必须的测量过程次数从至少3次减少为至少两次，但还需要在测量之间进行移动。为此发明人建议，在检测器中设置用于垂直于闪烁条纹的纵向移动闪烁条纹的装置，该闪烁条纹可以在闪烁条纹的所述小周期的数量级内产生限定的位移。可替换的，还可以在检测器中设置用于垂直于闪烁条纹的纵向移动检测器元件或移动整个检测器的装置。在该移动期间和在为此选择的装置中，重要的是将该移动限定在小周期的数量级范围内进行。在此特别适合的例如是压电元件。

在本发明基本思想的扩展中，空间移动不再是必须的，可以在每个大周期内设置由不同闪烁材料制成的至少3个闪烁条纹，它们产生不同频率的光，其中在此其顺序也在检测器元件上保持相同。如果采用该实施方式，则可以在检测辐射强度时用至少3次频率选择的测量来代替所述空间移动。

虽然在此不一定需要闪烁条纹的空间移动，但为了减小误差优选增加支持位置的数量，为此在检测器中设置用于垂直于闪烁条纹的纵向移动闪烁条纹的装置，该闪烁条纹可以在闪烁条纹的所述小周期的数量级内产生限定的位移。可替换的还可以移动检测器元件或检测器。如上面所述特别适合于此的是压电元件。

发明人还建议在检测器元件中设置用于根据频率分开检测检测器元件的闪烁条纹的不同频率的光发射，但关于整个检测器元件求和的装置。通过这种结构可以替代用于有针对性地分组组合一个检测器元件的闪烁条纹的高成本电路。另外还可以这样构成检测器元件，使得闪烁条纹将其具有不同频率的光至少部分地发射到镜面反射的空间中，该空间以频率选择的光的汇点(Lichtsenk)为界，每个光的汇点具有一个用于检测被选择的光的装置。

在第一实施变形中，光的汇点分别由滤波器和连接在后的光电二极管组成，其中滤波器分别针对闪烁条纹的恰好一个输出频率来选择。

另一个实施变形在于，所述光的汇点以级联形式构成，并在闪烁器一侧分别具有滤波器和光电二极管，该滤波器在一端限制频率，从而在每个连接在后的滤波器/光电二极管组中测量数量减少的频率。因此利用该变形将光电二极管级联地设置在滤波器后面，其中滤波器越来越多地去除了在频率频谱的一侧开始的频率。由此可以在面向光输出端的一侧由一个光电二极管检测整个频率频谱，并在其它每个光电二极管中分别测量进一步限制的频谱，由此可以确定各个频谱范围的强度。

根据本发明的基本思想，发明人还建议一种用于产生投影相位对比图像的X射线系统，其具有至少一个上述焦点和检测器系统。这种焦点和检测器系统还可以与用于产生投影和断层造影相位对比图像的X射线C型系统或用于产生断层造影相位对比图像的X射线系统结合起来使用。

这种X射线系统还具有计算单元，用于控制检测器和从对同一射线的多次强度测量中计算出相移。

此外还建议一种计算和控制单元，其包含在运行时执行下述方法的程序代码。同样还建议一种属于X射线系统或用于X射线系统的存储介质，其包含在 运行X射线系统时执行该方法的程序代码。

根据本发明的基本思想，发明人还提出一种用于对检查对象、尤其是患者产生投影X射线图像的方法，其中至少执行以下方法步骤：

用射线束透射检查对象，其中空间中的每个射线都通过焦点-检测器元件的连接线和该检测器元件涉及方向和大小的扩展幅度来定义，

测量每个射线的平均相移，其方法是对每个射线借助精细结构化的闪烁条纹测量射线在分组且相互间错开设置或相对错开定位的闪烁条纹上的强度，

从测得的射线的平均相移中产生相位对比图像，其像素值代表每条射线的平均相移。

按照本发明的优选实施方式，建议一个检测器元件的不同闪烁条纹在被照射时分组地发射不同的光频率，并根据频率选择性地测量该光但关于整个检测器元件求和。

另外在同一射线的两次测量之间引起闪烁条纹垂直于光栅线方向的空间移动。在此闪烁条纹的空间位移小于闪烁条纹的小周期。

另一变形建议，在一个检测器元件中至少设置3种不同种类的闪烁条纹，这些闪烁条纹均匀交替地设置，并且对每个检测器元件和位置测量所有发射的光频率，并由此直接确定所测量的X射线的平均相移。

附图说明

下面结合附图借助优选实施例详细描述本发明，其中只显示理解本发明所需要的特征。在此使用以下附图标记：1：CT系统；2：第一X射线管；3：第一检测器；4：第二X射线管；5：第二检测器；6：支架外壳；7：患者；8：患者卧榻；9：系统轴；10：控制和计算单元；11：存储器；12，12.x：光电二极管；13，13.x：压电元件；14：检测器外壳；15：弹簧元件；16.x：滤波器；17：镜面反射的空间；A、B、C、D：对于发射不同频率的光的闪烁条纹的测量路径；d：在扇形辐射几何中相位光栅G₁与分析光栅G₂或与检测器条纹SS_i之间的距离；d^≡：在平行几何中相位光栅G₁与分析光栅G₂或与检测器条纹SS_i之间的距离；D₁：检测器；E_i：第i个检测器元件；F₁：焦点；G₀：源光栅；G₁：相位光栅；G₂：分析光栅；GS_x：光栅条纹；h₀、h₁、h₂：光栅栅条的高度；I(E_i(x_G))：在光栅位移为x_G下在检测器元件E_i上测得的强度；l：源光栅与相位光栅之间的距离；P：患者；p₀、p₁、p₂：光栅线的周期；p_ss：闪烁条纹的周期； Prg_n：程序；S：系统轴；S₁、S₂：X射线；SS_x：闪烁条纹；w：焦点的展幅；x_G：分析光栅的位移；λ：所观察的X射线的波长；λ_i：所观察的光的波长； 

相移；γ：X射线；Φ_ph(x)：在检测器元件的位置x上的光子流；Φ_ph：光子流；ν：体素的伸展幅度。

附图具体示出：

图1：焦点和检测器系统的纵截面以及源光栅、相位光栅和分析光栅及其光栅结构的图；

图2：具有相位光栅、分析光栅和检测器的CT的焦点和检测器系统的纵截面，用于显示干涉现象；

图3：本发明焦点和检测器系统的示意三维视图，没有分析光栅；

图4：单个检测器元件以及连接在前的相位光栅的三维视图；

图5：用分析光栅检测相移的示意图；

图6：不用分析光栅而用具有闪烁条纹的结构化检测元件检测相移的示意图，该闪烁条纹与光栅结构交替，没有对照射光的频率选择；

图7：图6中检测器元件的截面图，具有放大的详细片段；

图8：不用分析光栅而用具有两组闪烁条纹的结构化检测元件检测相移的示意图，根据两个波长选择照射光的频率，用压电元件和弹簧元件来移动选择条纹；

图9：用具有分为四组的闪烁条纹的检测元件检测相移的示意图，根据4个波长选择照射光的频率，不需要移动选择条纹；

图10：具有本发明的焦点和检测器系统的X射线CT系统的三维视图。

具体实施方式

为了更好地理解相位对比测量在图1中示意性示出具有光栅组G₀至G₂的焦点和检测器系统。在第一光栅G₀之前具有焦点F1，其最大扩展幅度用w表示。第一光栅G₀的光栅线周期为p₀，光栅栅条的高度为h₀。相应的光栅G₁和G₂也具有高度h₁和h₂以及周期p₁和p₂。为了进行相位测量，需要将光栅G₀和G₁之间的距离1与光栅G₁和G₂之间的距离d设置为特定的比例。在此下面的等式成立：

$p_0=p_2\×\frac{l}{d}$

具有检测器元件E₁至E_n的检测器D₁与最后一个光栅G₂之间的距离不大。在此应当这样选择相位光栅的栅条高度h₁，使得根据所观察的波长、即所观察的X射线能量和就相应的光栅材料来说以下等式成立：

$h_1=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n-1)}$

在此n表示光栅材料的折射率，λ表示X射线的波长，应当在该波长下测量相移。优选可以将该光栅调整为对应于所使用阳极的X射线频谱中的特征线的能量，至少应当在该能量区域中提供足够的光子数量。对于当前常见的钨阳极例如可以使用K_α线。但还可以使用旁边的K_β线。在选择其它阳极材料时相应地需要其它能量并因此需要其它尺寸的相位光栅。

为了在背面实现相应的莫尔图案，分析光栅的高度h₂必须足以在被X射线透射的栅条和光栅最大可能空闲的位置之间产生有效的吸收差异。

这样有规则地实施光栅G₀至G₂的线定向，使得所有3个光栅的光栅线相互平行。另外优选但不是必须的，光栅线平行于或垂直于系统轴S地取向，其中光栅G₀至G₂主要构造为平面的，并且垂直于焦点中心和检测器中心之间的中心线。原则上还可以将光栅的表面与射线锥的射线分布相匹配，使得在每一处光栅都与焦点和相应检测器元件之间的射线连接线相交，由此得到相应弯曲的光栅。

图2中再次示出从光栅G₀到达的单个相干射线，该射线穿过患者P，并在穿过患者P之后产生相移现象。由此在穿过光栅G₁时产生通过灰色阴影显示的相干图案，该相干图案借助光栅G₂在后面的检测器D₁及其检测器元件上导致对每个检测器元件产生不同的辐射强度，在此在检测器元件上形成所谓的莫尔图案。如果例如根据分析光栅G₂的位移x_G观察检测器元件Eⁱ，并且将强度绘制为位移x_G关于强度I的函数I(E_i(x_G))，则在该检测器元件E_i上得到强度I的正弦形状的上升和下降。如果将针对每个检测器元件E_i或E^j的测得的辐射强度I绘制为依据位移x_G变化，则对于在焦点和相应的检测器元件之间形成最终空间X射线的不同检测器元件可以有近似函数I(E_i(x_G))或I(E_j(x_G))。从该函数中可以为每个检测器元件确定彼此之间的相移 以下等式成立：

其中ν是检查对象中的体素或像素的大小，n是其折射率，λ是X射线的波长。

通过该方式可以为空间中的每个射线通过利用分别移位的分析光栅进行 至少3次测量来确定每个射线的相移，从中在拍摄投影X射线图像的情况下可以直接计算投影图像的像素值，或者在CT检查的情况下产生像素值对应于相移的投影，从而可以由此借助本身公知的再现方法计算出检查对象中的哪一个体素对应于被测相移的哪一部份。由此计算出截面图像或立体数据，该数据就X射线的相移反映被检查对象的空间效果。由于组成的微小差异就会对相移产生很强的效果，因此可以再现本身比较接近的材料、尤其是软组织的细节丰富和对比度强的立体数据。

在上述检测穿过检查对象的X射线的相移的变形中，借助多次移位的分析光栅和测量在分析光栅之后的检测器元件上的辐射强度产生以下缺点：必须对每个X射线在分别移位的分析光栅中至少执行3次测量。由此对检查对象的扫描比较缓慢，其中剂量负担也同时增大。此外还存在以下问题：由于所使用的分析光栅而丢失一部分用于检测的射线，因为这一部分射线被光栅吸收。

因此按照本发明建议不使用这样的分析光栅，而是将与相位光栅连接的检测器元件这样结构化，使得在测量时至少没有出现剂量损失，优选选择这样的分布，使得可以利用一次测量就能确定所观察射线的相移。

这样的设置以计算机断层造影设备的焦点和检测器系统的三维图示意性显示在图3中。该设置示出焦点F₁，在其辐射路径中设置源光栅G₀并在检测器一侧具有相位光栅，该相位光栅产生由后面的检测器测量的上述干涉现象，从而每个检测器元件可以测量射线在该检测器元件上的相移，更为准确地说是平均相移。在所示出的图中在检测器一侧是检测器D₁，该检测器构成为多行检测器，其中每一行包含多个检测器元件并且在每个检测器元件之前连接了相位光栅G₁的光栅结构。

在图4中放大地示出了光栅和检测器元件之间的组合。在此结构性地示出检测器元件，其中该检测器元件由多个闪烁条纹SS₁至SS₁₈组成，这些条纹的方向平行于相位光栅G₁的光栅线。在此要指出，在此示出的分布只是表明其基本原理的示意图，实际尺寸原则上与该示意图中的不同。

在实际中这种检测器元件的大小在100至1000μm的范围内。周期p₂一般大约为2μm，闪烁条纹的伸展幅度必须在该周期的数量级内，从而单个闪烁条纹大约等于1μm，如果这些闪烁条纹分为两个部分的话。

图5再次示出借助分析光栅G₂测量相移的基本原理。该图示意性示出在塔尔博(Talbot)距离的间隔内在相位光栅后在x轴上的X射线光子流Φ_ph，其 中在x轴上绘制光子流Φ_ph(x)分布。x轴在此垂直于光栅线。接着示出分析光栅G₂，其具有周期p₂并在其栅条上吸收光子，从而仅在空闲位置处光子才向下透视，最终到达位于其后的检测器元件Eⁱ，在该检测器元件上测量光子的强度。如果现在在x方向上稍微移动光栅G₂，则在设置于其后的检测器元件上产生所测得的辐射强度I_ph的剧烈强度波动，该强度波动可以绘制在移动光栅的路径上。从取决于分析光栅G₂的位移x_G的辐射强度曲线中，可以确定各检测器元件的相位 

按照本发明可以通过为检测器元件给定类似于光栅的结构来替代分析光栅，从而在检测射线时存在周期设置的条纹形区域，这些区域按组地提供到达该区域的射线的信息。在最简单的变形中这是唯一的一组条纹SS_i，该条纹与没有检测的光栅条纹GS_i交替。选择被代替的分析光栅的周期作为设置该条纹的周期p₂，光栅设置的相应能量与该周期协调一致。优选在此可以选择闪烁条纹的宽度等于对应分析光栅的周期的一半。

图6示出检测器元件E_i的这种情况。在该图中，上面首先在x轴上绘制基于由于相位光栅引起的干涉现象的光子流Φ_ph。与位置有关的、具有不同强度的光子流-也通过用γ表示的箭头显示-到达检测器元件，并周期性地通过多个闪烁条纹SS₁至SS₆转换为具有波长λ₁的光。该光入射到尽可能向所有侧面都成镜面反射的空间17中，并在该空间中通过光电二极管12进行总测量。

由于该实施方式就检测和不检测分布的区域而言与上述分析光栅没有什么原则上的区别，因此在此还必须测量辐射强度相对于闪烁条纹的空间位移的变化。这在该例子中是这样进行的：借助两个压电元件13.1和13.2一起相对于检测器外壳14移动检测器元件E_i，并且在每次移位时测量该闪烁条纹上的辐射强度。相对位移x_G为p₂/4的强度测量I_ph(x_G＝0)、 

和 

在图6的下方绘制出。从中可以近似为正弦曲线并计算出相移。

还要注意，原则上一次测量3个支持位置就足以，但是为了减小噪声和均衡其它测量误差优选可以有更多的支持位置。

此外还要指出，可以制造如图6所示的检测元件，其方法是在蚀刻技术生产的光栅的空闲位置中填充包含由闪烁材料组成的纳米粒子的聚合物，该光栅产生光栅条纹GS_i。

图7示出涉及这种检测器元件E_i的实际尺寸的更可行的实施方式。此外在 细节放大图中示出该光栅用闪烁材料填充的空闲位置的结构。

图8示意性示出本发明检测器元件E_i的改进实施方式。该实施方式与图6的不同之处在于，闪烁条纹之间不是通过对射线不灵敏的光栅结构来支持，而是只由层状构造的闪烁条纹组成。闪烁条纹的小周期p_ss在此等于相应分析光栅的周期p₂的一半，该周期p₂也称为大周期。例如这是一种聚合材料，其用不同的纳米微粒交替填充，这些微粒在将波长为λ₁和λ₂的不同光入射到空间17中时发射，其中层结构例如通过勾画出的对不同液态聚合物-纳米微粒混合物(类似于原型结构)的激光照射产生。在X射线照射时产生的光被辐射到镜面反射的空间中，该空间通过两个光电二极管12.1和12.2的两个频率选择的滤波器16.1、16.2代表，它们分别用测量路径A和B表示。通过这种方式只通过测量路径A接收波长λ₁的光和通过测量路径B接收波长λ₂的光。相应地，利用一次测量同时确定在偶数和奇数的闪烁条纹上的辐射强度。

通过该方式可以分别通过由测量路径A和测量路径B考察测得的剂量来测量强度变化，该强度变化会说明对应于图5的分析光栅何时移动了半个周期。如果现在错开p₂/4地实施另外两次测量A’、B’，则在4个支持位置上提供4个测量值A、B、A’、B’。由此可以直接计算出该检测器元件的X射线的平均相位 

这在图8下部示出。在该具体实施方式中，通过电控制位于层状闪烁条纹一侧的压电元件13和由弹簧元件15在另一侧进行均衡来产生闪烁条纹的位移。

该变形的一个显著优点在于不会损失穿过患者的辐射剂量，因为检测元件的整个平面都用于确定相移。

在图8的实施变形中还需要分别利用移位的闪烁条纹至少执行两次测量，而在图9的本发明检测系统的改进实施方式中就不需要。在此可以用唯一的一次测量就能确定检测元件检测的X射线的相位。图9与图8类似地示出检测器设置和从上面到达检测元件E_i的射线，其中该射线由于前面连接的特定于能量的光栅设置而产生小空间范围的干涉现象，该干涉现象会导致上述周期性变化的光子流。实际上该波动不是严格周期性的，而是由于出现的不同强度的相移而呈现局部波动，从中可以反过来确定射线的相移。

在所示例子中这样将检测元件划分为闪烁条纹，即各个闪烁条纹只具有等于相应分析光栅的周期p₂的1/4的宽或窄周期p_ss。在此采用4种不同掺杂的闪烁材料，这些闪烁材料分别由于不同的掺杂物而产生不同频率和波长的光。这 4种不同的闪烁条纹以相同的周期和顺序多重连续排列。每一组相同掺杂的闪烁条纹都产生相同波长的光，这4组光具有4个不同波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄。在相应于测量路径A至D的4个不同光电二极管12.1至12.4上测量借助滤波器16.1至16.2根据波长选择的光，并因此产生对到达不同闪烁条纹的剂量的度量。

因此通过该方式组合闪烁条纹，使得每4个条纹用于相同的测量路径。如果用这种检测器在特定位置、也就是为特定的X射线执行测量，则可以从通过测量路径A、B、C、D测得的强度中分别读取出对应于相位的强度，并且可以从这4个测量中直接确定到达检测器元件的X射线的相位。在该图的下方示出对这4个测量值A、B、C、D的分析。在此还要提醒注意：该测量不是相当于在单个闪烁条纹的区域内确定X射线的相位，而是表示在检测元件的整个平面上的平均。特别优选的是，在该实施变形中在测量时对用于照射检查对象、尤其是患者的全部剂量都用于分析并且不出现剂量损失。

上述两个实施变形的核心在于，将一个检测器元件分为多个闪烁条纹，分组地读取这些闪烁条纹以获得所测量的X辐射强度，其中必须这样进行该划分，一方面该划分与相应分析光栅的周期p₂相匹配，同时每个周期至少具有2个、优选至少3个闪烁条纹，从而每个周期每一组闪烁条纹只表现一次。通过这种划分方式可以在一个周期内设置2个、3个、4个、5个或更多闪烁条纹，并且该划分在垂直于闪烁条纹方向的方向上多次相邻排列，从而测量组的个数等于每周期p₂的闪烁条纹个数。

用于执行本发明方法的完整计算机CT系统在图10中示出。该图示出CT系统1，其包括具有X射线管2和设置于对面的检测器3的第一焦点和检测器系统，X射线管2和检测器3设置在支架外壳6中未详细示出的支架中。在第一焦点和检测器系统的辐射路径2、3中设置按照本发明的X射线光栅系统，从而位于可沿系统轴9纵向移动的患者卧榻8上的患者可以被送入第一焦点和检测器系统的辐射路径中，并在该路径中接受扫描。CT系统的控制通过计算和控制单元10进行，其中在存储器11中存储程序Prg₁至Prg_n，该程序实施上述按照本发明的方法，并从测得的取决于射线的相移中再现出相应的断层造影图像。

可选的，可以在支架外壳中设置第二焦点和检测器系统来代替唯一的焦点和检测器系统。该第二焦点和检测器系统在图10中通过虚线示出的X射线管4和虚线示出的检测器5表示。

另外还要指出：利用所示焦点和检测器系统不仅可以测量X射线的相移，还可以用于以传统方式测量X射线吸收和再现相应的吸收图像。必要时还可以产生组合的吸收图像和相位对比图像。

此外要指出：在实际的实施中，在用于改善对比度的源光栅中用高吸收率的材料填充光栅线之间的空隙。为此例如可以使用金。原则上应当这样构造该源光栅，使得其至少达到e^-1的对比度系数。

应当理解，本发明的上述特征不仅可以用于分别给出的组合还能以其它组合或单独使用，而不会脱离本发明的范围。

Claims (29)

1.一种用于产生投影或断层造影相位对比图像的X射线装置的焦点和检测器系统，至少包括：

1.1.具有焦点(F₁)和设置在焦点一侧的源光栅(G₀)的辐射源(2)，其中该源光栅设置在辐射路径中并产生射线相干的X射线(S_i)场，

1.2.具有相位光栅(G₁)和检测器(D₁)的光栅/检测器装置，其中该相位光栅具有平行于源光栅(G₀)的光栅线用以产生相干图案，该检测器具有多个平面设置的检测器元件(E_i)用以测量在相位光栅后的、取决于位置的辐射强度，

1.3.其中，所述检测器元件(E_i)由多个纵向闪烁条纹(SS_i)构成，这些闪烁条纹平行于相位光栅(G₁)的光栅线并且具有小周期(p_s)，该周期的整数倍对应于由相位光栅(G₁)形成的、相干图案的平均的大周期(p₂)。

2.根据权利要求1所述的焦点和检测器系统，其特征在于，所述光栅/检测器装置这样构成和设置，使其满足以下几何条件：

p₂＝k×p_s

$p_0=p_2\×\frac{l}{d}$

$p_1=2\×\frac{p_0\×p_2}{p_0+p_2}$

$d=\frac{l\×d^{\≡}}{l-d^{\≡}},$ 其中 $d^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{p_1^2}{4\mathrm{\λ}}\right)$

$h=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n-1)}$

其中：

p₀＝源光栅(G₀)的光栅周期，

p₁＝相位光栅(G₁)的光栅周期，

p₂＝闪烁条纹(SS_i)的大周期，对应于由相位光栅形成的、相干图案的平均的大周期，

p_s＝闪烁条纹(SS_i)的小周期，即相邻闪烁条纹的中间线到中间线之间的距离

d＝在扇形辐射几何中相位光栅(G₁)与检测器之间的距离，

d^≡＝在平行几何中相位光栅(G₁)与检测器之间的距离，

k＝1，2，3，4，5，...

l＝源光栅(G₀)与相位光栅(G₁)之间的距离，

λ＝所选择的射线的波长，

h₁＝相位光栅(G₁)在辐射方向上的栅条高度，

n＝相位光栅(G₁)的光栅材料的折射率。

3.根据权利要求1所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在每个大周期(p₂)内恰好设置一个闪烁条纹(SS_i)，该闪烁条纹与由非闪烁材料制成的光栅条纹(GS_i)相交替。

4.根据权利要求3所述的焦点和检测器系统，其特征在于，所述光栅条纹(GS_i)用金属制成。

5.根据权利要求1所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在每个大周期(p₂)内恰好设置两个由不同闪烁材料制成的闪烁条纹(SS₁，SS_i+1)，这些闪烁条纹产生不同频率的光，其顺序在检测器元件(E_i)上保持相同。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在检测器(D₁)中设置了用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动闪烁条纹的装置(13，15)，该用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动闪烁条纹的装置可以在所述闪烁条纹(SS_i)的小周期(p_s)的数量级内产生限定的位移(x_G)。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在检测器(D₁)中设置了用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动检测器元件(E_i)的装置(13，15)，该用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动检测器元件(E_i)的装置可以在所述闪烁条纹(SS_i)的小周期(p_s)的数量级内产生限定的位移(x_G)。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在检测器(D₁)中设置了用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动检测器(D₁)的装置(13，15)，该用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动检测器(D₁)的装置可以在所述闪烁条纹(SS_i)的小周期(p_s)的数量级内产生限定的位移(x_G)。

9.根据权利要求6所述的焦点和检测器系统，其特征在于，所述用于在所述闪烁条纹的小周期的数量级内产生限定的位移的装置是压电元件(13)。

10.根据权利要求1或2所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在每个大周期(p₂)内至少设置3个由不同闪烁材料制成的闪烁条纹(SS_i，SS_i+1，SS_i+2)，这些闪烁条纹产生不同频率的光，其顺序在检测器元件(E_i)上保持相同。

11.根据权利要求10所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在检测器(D₁)中设置了用于垂直于闪烁条纹的纵向移动闪烁条纹(SS_i)的装置(13，15)，该用于垂直于闪烁条纹的纵向移动闪烁条纹(SS_i)的装置可以在所述闪烁条纹(SS_i)的小周期(p_s)的数量级内产生限定的位移(x_G)。

12.根据权利要求10所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在检测器(D₁)中设置了用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动检测器元件(E_i)的装置(13，15)，该用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动检测器元件(E_i)的装置可以在所述闪烁条纹(SS_i)的小周期(p_s)的数量级内产生限定的位移(x_G)。

13.根据权利要求10所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在检测器(D₁)中设置了用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动检测器(D₁)的装置(13，15)，该用于垂直于闪烁条纹(SS_i)的纵向移动检测器(D₁)的装置可以在所述闪烁条纹(SS_i)的小周期(p_s)的数量级内产生限定的位移(x_G)。

14.根据权利要求11所述的焦点和检测器系统，其特征在于，所述用于在所述闪烁条纹的小周期的数量级内产生限定的位移的装置是压电元件(13)。

15.根据权利要求14所述的焦点和检测器系统，其特征在于，在检测器元件(E_i)中设置了用于根据频率分开检测检测器元件的闪烁条纹的不同频率的光发射，但关于整个检测器元件(E_i)进行求和的装置(16.x)。

16.根据权利要求15所述的焦点和检测器系统，其特征在于，所述闪烁条纹(SS_i)将其具有不同频率的光至少部分地发射到与频率选择的光的汇点相邻的镜面反射的空间中，并且每个光的汇点包括一个用于检测被选择的光的装置(12.x)。

17.根据权利要求16所述的焦点和检测器系统，其特征在于，所述光的汇点分别由滤波器(16.x)和连接在后面的光电二极管(12.x)组成，其中所述滤波器(16.x)分别针对闪烁条纹(SS_i)的恰好一个输出频率来选择。

18.根据权利要求16所述的焦点和检测器系统，其特征在于，所述光的汇点以级联形式构成，并分别具有滤波器(16.x)和光电二极管(12.x)，该滤波器在一端限制频率，从而在每个连接在后的滤波器/光电二极管组中测量数量减少的频率。

19.一种用于产生投影相位对比图像的X射线系统，其具有至少一个按照权利要求1至18中任一项所述的焦点和检测器系统。

20.一种用于产生投影和断层造影相位对比图像的X射线C型系统，具有按照权利要求1至18中任一项所述的焦点和检测器系统，该焦点和检测器系统设置在围绕检查对象旋转的C臂上。

21.一种用于产生投影和断层造影相位对比图像的X射线计算机断层造影系统(1)，具有至少一个按照权利要求1至18中任一项所述的焦点和检测器系统，该焦点和检测器系统设置在围绕检查对象(7)旋转的支架上。

22.根据权利要求19所述的X射线系统，其特征在于，具有计算单元(10)，用于控制检测器(3)和从对同一射线的多次强度测量中计算出相移

23.根据权利要求20所述的X射线C型系统，其特征在于，具有计算单元(10)，用于控制检测器(3)和从对同一射线的多次强度测量中计算出相移

24.根据权利要求21所述的X射线计算机断层造影系统，其特征在于，具有计算单元(10)，用于控制检测器(3)和从对同一射线的多次强度测量中计算出相移

25.一种利用按照权利要求1至18中任一项所述焦点和检测器系统(2，3)对检查对象产生投影X射线图像的方法，其中至少执行以下方法步骤：

25.1.用射线束透射检查对象(7)，其中空间中的每条射线都通过焦点-检测器元件的连接线(F₁-E_i)和该检测器元件涉及方向和大小的伸展幅度来定义，

25.2.测量每条射线的平均相移其中，对这些射线借助精细结构化的闪烁条纹(SS_i)测量射线在分组且相互间错开设置或相对错开定位的闪烁条纹(SS_i)上的强度，

25.3.从测得的射线的平均相移

中产生相位对比图像，其像素值表示每条射线的平均相移

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，检测器元件(E_i)的不同闪烁条纹(SS_i)在被照射时分组地发射不同的光频率，并根据该频率选择性地测量该光但关于整个检测器元件(E_i)求和。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，在同一射线的两次测量之间引起闪烁条纹(SS_i)垂直于光栅线方向的空间位移(x_G)。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述闪烁条纹(SS_i)的空间位移(x_G)小于闪烁条纹的小周期(p_ss)。

29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，在一个检测器元件(E_i)中至少设置3种不同种类的闪烁条纹(SS_i)，这些闪烁条纹均匀交替地设置，并对每个检测器元件(E_i)和位置测量所有发射的光频率，并由此直接确定所测量的X射线的平均相移

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