CN101036582A - 用于产生投影和断层造影的相位对比拍摄的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用X射线系统(1)产生检查对象、优选为患者(P)的投影的和断层造影的相位对比拍摄的方法，以及一种用于实施该方法的对应的X射线系统(1)，其中，将调谐在不同的能量区域上的X射线光学光栅组(G_xy)用于确定透射检查对象时取决于能量的相移(φ(Ex))，从这些取决于能量的相移(φ(Ex))中形成差值(u(φ(E1))，(φ(E2)))并且从中产生断层造影的或者投影的图像。

Description

用于产生投影和断层造影的相位对比拍摄的方法

技术领域

本发明涉及一种用于利用X射线系统产生检查对象、优选为患者的投影和断层造影的相位对比拍摄的方法，此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的相应的X射线系统。

背景技术

在一般的计算机断层造影中，借助于对透射检查对象的X射线射束的吸收测量来进行检查对象、特别是患者的断层造影拍摄，其中，通常辐射源圆形或者螺旋形地环绕检查对象运动，并且在与辐射源相对一侧的检测器、大多为具有多个检测器元件的多行检测器上测量辐射透射检查对象时的吸收。为建立断层造影图像，从所有被测量的空间射束的所测量的吸收数据中重建断层造影剖面图像或者体数据。利用这些计算机断层造影拍摄可以非常好地显示对象中的吸收差别，但是，自然也具有类似吸收特性的类似化学组成的区域却显示得不够具体。

此外公知的是，射束透射检查对象时相移的效果明显强于辐射所透射物质的吸收效果。按照公知方式通过使用两个干涉测量的光栅对这种相移进行检测。关于这些干涉测量的测量方法，例如参阅“X-ray phase imagingwith a grating interferometer，T.Weitkamp at all，8.August 2005/Vol.12，No.16/OPTICS EXPRESS”。在这种方法中，相干的X射线辐射对检查对象进行透射，随后通过光栅对并且直接在第二光栅之后测量辐射强度。第一光栅产生一个干涉图形(Interferenzmuster)，其借助于第二光栅在后置的检测器上映像成莫阿干涉条纹(Moiré-Muster)。如果第二光栅略微移动，那么从中同样产生莫阿干涉条纹的移动，也就是后置检测器上局部强度的改变，可以相对于第二光栅的移动确定该改变。如果为该光栅的每个检测器元件、也就是为每个射束根据第二光栅移动行程描绘强度变化，那么可以确定各自射束的相移。问题并因此不能用于较大对象的计算机断层造影实践的原因在于，这种方法要求非常小的辐射源，因为为构成干涉图形需要相干的辐射。

上述文献中所介绍的这种方法要求带有极小焦点的辐射源，从而在所使用的辐射中存在足够程度的空间相干性。然而在使用这种小焦点时，却给不出用于检查较大对象的足够的剂量功率。不过，也存在将单色相干辐射、例如同步加速器辐射作为射束源的可能性，但由此CT系统在结构上非常昂贵，从而不可能广泛应用。

这个问题可以由此回避，即，在焦点/检测器组合内部的射线路径上，直接在焦点之后设置第一吸收光栅。光栅刻线的定向在这种情况下与跟踪检查对象的干涉光栅的光栅刻线平行。

第一光栅的间隙产生个性化相干射束的场，该场足够借助射束方向上设置在对象后面的相位光栅产生本身公知的干涉图形。

按照这种方式可以使用具有与CT系统或透射光X射线系统中的标准X射线管对应的延伸的射束源，从而例如在常用的医学诊断范围内现在借助X射线装置也可以进行良好区分的软组织拍摄。

然而情况表明，虽然取得了所描述的这种改进，但最好能够进一步改进对检查对象的组织、特别是患者软组织的区分。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，对相位对比拍摄的方法既在方法技术上也在装置上如下进行改进，使拍摄结果可以更强地区分化学上类似构成的结构。

本发明人认识到，对化学上类似构成的结构的区分可以如下得到改进：在根据不同X射线能量测量X射线射束透射对象时的相移，并随后为区分所扫描的组织从所测量的相移中建立微分函数。这样可以按照简单方式构成利用不同能量所测量的相移的差值，可以从两个取决于能量的、所测量的相移中形成商，或者可以为投影或者断层造影拍摄的每个所测量的像素或者体素，从这些数值中确定一种标准化的反差指数(Kontrastindex)，如后面所要介绍的那样。取代相移本身也可以使用与相移线性关联的吸收率n，并且形成相应的典型差值。如果将这种基本方法例如用于计算机断层造影的拍摄，就可能在实际的重建之前就形成这些差值，从而后面重建的投影因此已经由这些差值组成。不过，也存在着这样的可能性：将相移或折射率用于重建取决于能量的断层造影分拍摄，并且在成功的重建之后采用各自相同位置剖面拍摄的各图像体素或像素并从中才形成差值。

对应于本发明的基本思路，本发明人因此一方面提出一种用于在相位对比测量的基础上产生投影拍摄、也就是透射光X射线拍摄的方法，另一方面还提出一种用于在使用不同能量区域的情况下借助至少两个相位对比测量产生断层造影的拍摄的方法。同样，本发明人还提出用于产生上述投影的拍摄的相应X射线系统，以及用于在断层造影的重建的基础上产生这种拍摄的X射线计算机断层造影系统。

所提出的用于利用X射线系统、利用借助于对透射检查对象的X射线辐射相移的测量的局部拍摄值(Aufnahmewert)产生检查对象、优选为患者的投影的或者断层造影的拍摄的方法，依据本发明因此包括：测量针对至少两个不同的能量区域的特定能量的(energiespezifisch)相移，以及作为特定能量的相移的函数来构成拍摄值。

由此，现在可以借助一个特别灵敏的“探针”检测所检查对象化学结构上已经很小的差别。这种方法的可选择性在下述条件下特别大，即，与所检查的物质或者所检查的组织相关所使用的X射线辐射的能量区域与本身公知的吸收边缘重叠，也就是说，X射线辐射的至少两个所使用的能量区域处于所检查物质的针对特定能量的折射率的一个边缘的两侧。

虽然该方法因此原则上也适用于测量多个不同的能量区域，但特别提出确定对于恰好两个能量区域的恰好两个特定能量的相移。

作为特定能量的相移的函数可以优选使用数值

其中，变量(E_x)表示在能量区域E_x内所测量的相移。

作为替换，例如也可以选择使用商

或者差值(E1)-(E2)。

正如此前已经提到的那样，也可以从所检测的特定能量的相移中分别计算特定能量的折射率，并且将这些数值用于拍摄值。特定能量的折射率的换算可以依据公式

确定，其中，λ表示所观察能量区域的X射线辐射的波长，而υ表示一个体素的延伸。

在这种关联中需要指出的是，在本发明的框架内大多数情况下不是指特定的能量，而是指特定的能量区域，因为不言而喻通过所给出的方法不是测定针对精确的和点确切的能量的相移，而是这种情况下在实践范围内实际上是能量区域，也就是能量距离。

与特定能量的相移的上述函数相应，也可以优选通过函数

或者商

或者简单地通过Δ值n(E1)-n(E2)使用特定能量的折射率的相应函数。

针对用于产生断层造影的X射线相位对比拍摄的该方法的应用，还提出至少执行下列方法步骤：

-利用至少一个焦点/检测器系统对检查对象进行圆形或者螺旋形扫描，其中，检测器系统具有多个并排设置的检测器元件，它们形成至少一个、优选为多个检测器行，

-为进行测量在至少一个焦点与至少一个检测器之间设置一组由X射线辐射透射的X射线光学光栅，其中，

-利用至少一个源光栅在焦点与检查对象之间产生一个具有个性化相干辐射的射线源的场，

-检查对象由X射线辐射透射并且X射线辐射根据透射的物质受到不同的相移，

-利用被调谐在第一能量区域(E1)上的第一相位光栅产生该能量区域辐射的一个干涉图形，

-利用至少一个被调谐在另一能量区域(E2)上的第二相位光栅产生该能量区域辐射的至少另一干涉图形，

-通过分析光栅将辐射导向检测器，以及在分别不同错开的分析光栅的条件下通过对相同空间射束的至少三个强度测量确定每条射束在透射检查对象时的相移，以及

-从所测量的射束的相移中或者从由此确定的折射率中重建检查对象断层造影的相位对比数据。

对相移的测量可以在每个能量区域上通过具有分别特定能量的配合光栅组的适用的焦点/检测器系统进行，其中，优选地可以将焦点/检测器系统角度错开地设置在支架上。

不过，也存在着这种可能性，即为测量相移在每个能量区域上仅仅使用相同焦点/检测器系统中的不同相位光栅。为此，可以在与焦点的不同距离上或者手动引入不同的相位光栅，或者可以提供一个通过其将不同的相位光栅在系统轴线方向上或在切向上侧面移动的装置。

此外建议，对于至少一个分析光栅被调谐在其上的至少一个能量区域，利用所使用的阳极材料的特性辐射峰值的能量。在此，例如可以是阳极材料的、优选为作为阳极材料钨的K_α线和K_β线。

不过，也可以利用不同的阳极材料为至少两个不同的能量区域产生X射线辐射。

如果考察用于产生投影的相位对比拍摄的该方法，也就是说，其中不使用重建方法、而是仅将在透射检查对象时所测量的相移用于形成投影拍摄的相位对比拍摄，那么本发明人特别提出下列特征：

-利用从X射线管的焦点发出的射线束透射检查对象，

-利用检测器测量所接收的辐射强度，其中，在至少一个X射线管与检测器之间设置一组由至少一个源光栅、至少两个交替移入射线路径内的不同相位光栅和一个分析光栅组成的X射线光学光栅，

-对于在焦点与检测器之间的空间上的、透射检查对象的每条射束，利用分别不同错开设置的分析光栅的至少三个强度测量确定该射束透射对象时的相移，

-为每条射束从对于每条射束的不同能量区域((E1)、(E2))所测量的相移中计算作为特定能量的相移((E1)、(E2))的函数的像素值。

在此还建议，对于至少一个分析光栅被调谐在其上的至少一个能量区域，利用所使用的阳极材料特性辐射的峰值的能量。例如在此也可以使用阳极材料、优选为作为阳极材料的钨的K_α线和K_β线。同样可以利用不同的阳极材料为至少两个不同能量区域产生X射线辐射。在这种关联中需要指出的是，不一定非得使用不同的X射线管以便利用不同的阳极材料工作。例如存在着这种可能性：这样构成阳极、特别是旋转阳极，使其存在跳跃焦点，它分别在不同材料涂覆的阳极的不同区域上跳跃。作为替换，也可以使用一种采用不同阳极材料分段涂覆的旋转阳极，从而例如通过射线管电流的相应时间控制将分别所希望的阳极材料用于产生X射线辐射。

与上述方法相对应，本发明还提出一种用于产生断层造影的相位对比拍摄的X射线CT系统，其具有至少一个可环绕检查对象旋转地设置在支架或者C形臂上的焦点/检测器系统以及在焦点与检测器之间的一组透射的X射线光学光栅，后者由至少一个源光栅、至少两个可交替移入射线路径内的相位光栅和一个分析光栅组成。

作为对此的替换，还提出了一种X射线CT系统，其具有至少两个可环绕检查对象旋转地设置在支架或者C形臂上的焦点/检测器系统，并且每个焦点/检测器系统在焦点与检测器之间具有一组特定于能量配置的透射X射线光学光栅，后者由一个源光栅、一个相位光栅和一个分析光栅组成。

在此，需要注意的是，上述两种方案也可以组合，从而例如两个角度错开设置在一个支架上的焦点/检测器系统各自配有两个或者多个不同的光栅组并且因此在为了测量相移选择所使用的检查能量区域时存在更大的可变性。

优选地，依据本发明的该CT系统具有一个用于将分析光栅相对于相位光栅与射束方向垂直并与光栅刻线纵向垂直地相对移动的装置。

在一种附加的方案中，也可以将至少另一个焦点/检测器系统角度错开设置在支架上，该系统无X射线光学光栅并且仅用于吸收测量。

此外，依据本发明还建议，本发明的X射线CT系统的光栅装置满足下列几何条件：

对于第一光栅组：

$P_{11}=2\×\frac{P_{01}\×P_2}{P_{02}+P_2}$

$P_{01}=P_2\×\frac{l_1}{d_1},$

$d_1=\frac{l_1\×d_1^{\≡}}{l_1-d_1^{\≡}}$ 以及 $d_1^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{{p_1}^2}{4{\mathrm{\λ}}_1}\right),$

$h_{11}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2(n-1)},$

而对于第二光栅组：

$P_{12}=2\×\frac{P_{02}\×P_2}{P_{02}{+P}_2}$

$P_{02}=P_2\×\frac{l_2}{d_2},$

$d_2=\frac{l_2\×d_2^{\≡}}{l_2-d_2^{\≡}}$ 以及 $d_2^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{{p_2}^2}{4{\mathrm{\λ}}_2}\right),$

$h_{12}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2(n-1)},$

其中：

P_x＝光栅G_x的光栅周期，

P_xy＝光栅G_xy的光栅周期，

l_x＝源光栅G₀到用于能量区域E_x的相位光栅G_1x的距离，

d_x＝在扇形射束几何中用于能量区域E_x的相位光栅G_1x到分析光栅G₂的距离，

d₁ ^≡＝在平行几何中用于能量区域E_x的相位光栅G_1x到分析光栅G₂的距离，

λ_x＝在能量区域E_x内辐射的波长，

h_1x＝在辐射方向上用于能量区域E_x的光栅G_1x的栅条高度，

n＝光栅材料的折射率。

根据所给出的光栅装置其可以满足几何条件l₁+d₁＝l₂+d₂，由此则必然得出所使用的源光栅的周期不同，也就是p₀₁≠p₀₂。作为替换，所使用源光栅的周期可以是相同的，也就是p₀₁＝p₀₂，由此光栅装置则可以满足l₁+d₁≠l₂+d₂。

依据另一种替换方案，源光栅既可以具有不同的周期，也可以不同选择源光栅与分析光栅之间的距离。

此外，这种CT系统还可以具有一个计算和控制单元，其包含在运行中执行上述方法的程序代码。

此外，属于本发明范围的还有一种CT系统的或者用于CT系统的存储介质，其包含前述的程序代码。

此外，属于本发明的还有一种X射线装置的焦点/检测器系统，其至少如下组成：

-一个具有焦点的放射源和一个带有多个检测器元件的相对的扇形检测器，

-一组被设置在焦点与检测器之间的、具有平行定向的透射X射线光学光栅，通过其可以按射束分辨地测量辐射透射检查对象时的相移，其中，光栅组具有：

-至少一个被设置在至少一个焦点与检查对象之间的源光栅，

-至少两个被设置在检查对象与检测器之间并可以交替移入射线路径内的相位光栅，

-一个设置在检测器前面的分析光栅，以及

-一个用于垂直于射束方向并垂直于光栅刻线的纵向、相对于相位光栅相对移动分析光栅的装置。

相应地，本发明人还提出了一种具有前述焦点/检测器系统的X射线系统，其中，提供了用于利用不同错开的相位光栅从对相同射束的多次强度测量中计算相移的附加装置、优选为计算单元。

对于这种X射线系统或相应的焦点/检测器系统还提出，将光栅对应于前面提到的几何条件地设置。

此外，还提出一种用于产生投影的拍摄的X系统，其具有一个包含在运行时执行上述方法的程序代码的计算和控制单元。同样属于本发明还有这种X射线系统的或者用于这种X射线系统的存储介质，该存储介质包含所储存的相应程序代码。

附图说明

下面借助附图根据优选实施例对本发明进行详细说明，其中，仅示出对理解本发明所需的特征。在此使用了下列参考标记：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：依据本发明方法的示意图；A：路径A；B：路径B；D₁、D₂：检测器；d₁、d₂：相位光栅-分析光栅的距离；E1：第一能量区域；E2：第二能量区域；E_i：第i检测器元件；F₁、F₂：焦点；G₀、G₀₁、G₀₂：源光栅；G₁₁、G₁₂：相位光栅；G₂、G₂₁、G₂₂：分析光栅；h₀、h₁₁、h₁₂、h₂：栅条的高度；I_ph：相位对比拍摄；I_A：吸收拍摄；I(E_i(x_G))：光栅偏移x_G时在检测器元件E_i上测量的强度；K_α、K_β：特性的X射线峰值；l₁、l₂：源光栅-相位光栅的距离；P：患者；p₀₁、p₀₂、p₁₁、p₁₂、p₂：光栅刻线的周期；Prg_x：程序；S：系统轴；x_G：分析光栅的偏移；w：焦点的延伸；x、y、z：笛卡儿坐标；v：体素的延伸；u((E1)，(E2))：CT图像数据组体素的相移的差异函数；：相移；(Ex)：具有能量Ex的辐射的相移；λ：所观察的X射线辐射的波长。

附图具体所示为：

图1示出X射线CT的一个焦点/检测器系统的3D示意图；

图2是穿过焦点/检测器系统的纵剖面，示出了源光栅、相位光栅和分析光栅以及它们的光栅结构；

图3示出穿过CT的焦点/检测器系统连同用于显示干涉现象的源光栅、相位光栅和检测器的纵剖面；

图4示出在不同加速电压和使用硬化滤波器情况下带有特性曲线的钨阳极的制动频谱(Bremsspektrum)；

图5示出具有不同光栅组CT的两个错开90°的焦点/检测器系统的剖面示意图；

图6示出带有分开的不同光栅组的CT分开的焦点/检测器系统的剖面示意图；

图7示出另一个带有分开的不同光栅组的CT分开的焦点/检测器系统的剖面示意图；

图8示出依据本发明的CT系统的3D图。

具体实施方式

图1示出X射线CT的一个焦点/检测器系统连同作为检查对象处于射线路径内的患者P的示意3D图。焦点F₁和检测器D₁被设置在一个这里未详细示出的支架上并环绕系统轴S圆形运动。如果在焦点/检测器系统的旋转期间还进行患者P在系统轴方向上的线性运动，那么产生对患者P的一种本身公知的螺旋形扫描。在焦点/检测器系统的射线路径上设置三个光栅G_0x、G_1x和G₂，其中，也被称为源光栅的第一光栅G_0x被安装在紧靠焦点F₁的附近并由X射线辐射透射。在X射线辐射的扩展方向上其后面为实际的检查对象或者患者P。在处于系统轴S另一面上的检测器D₁前面的首先是被称为相位光栅的第二光栅G_1x。其后在辐射方向上的是称为分析光栅的第三光栅G₂，其具有优点地被设置在紧靠检测器D₁的前面。检测器D₁具有至少一行的多个检测器元件，检测器D₁优选地作为这样多行检测器构成，即，其具有多个分别配备多个检测器元件的平行设置的检测器行。焦点F₁与各检测器元件之间的连接线代表着在扫描时分别一条其强度变化由各自的检测器元件检测的、在空间上设置的X射线射束。

需要指出的是，在级别低于这里所述CT系统的所谓C形臂设备的情况下，检测器D₁不是如图所示作为环绕焦点F₁的圆柱体片段构成，而是具有一个平面的形状。在扫描期间不环绕检查对象进行运动的投影X射线系统情况下，检测器D₁一般情况下同样是平面构成的。

光栅G_0x至G₂的线性定向(Linienorientierung)是这样的：使所有三个光栅的光栅刻线彼此平行分布并此外与系统轴S平行定向，其中，光栅G_0x至G₂大多平面构成并与焦点中心与检测器中心之间的中心线垂直地定向。不过，原则上也存在着这种可能性，即，光栅的表面与射束圆锥的射束分布这样配合，使得在每个位置上光栅均由焦点与各自检测器元件之间的射束连接垂直切割，由此光栅产生一种相应的曲率。

迄今所介绍的设置仅用于在针对光栅装置的一个确定能量区域内测量相移。因此，存在这样的可能性：在一个支架上角度错开地设置多个这种焦点/检测器装置，其中，每个单个的焦点/检测器系统然后就其光栅装置而言针对不同的能量区域。不过，作为替换也存在这样的可能性：使用唯一的焦点/检测器系统(如图1所示)并且仅仅可更换地构成源光栅和相位光栅(在这里为光栅G₀₁、G₀₂和G₁₁、G₁₂)，其中，两个光栅与根据其调谐的能量相应地具有不同的位置或不同的周期，其中，分别满足光栅组的此前所描述的几何条件。图1示出这种方案，其中无论是第二源光栅G₀₁还是第二光栅G₁₁均设置在射线路径的外面，从而为了利用所希望的第二能量进行测量将源光栅G₀₂和相位光栅G₁₂从射线路径中取出并且装入源光栅G₀₁和相位光栅G₁₁。

图2再次示意地示出了带有两个光栅组G₀₁、G₁₁、G₂和G₀₂、G₁₂、G₂的依据本发明的焦点/检测器系统。处于第一光栅G₀₂前面的是焦点F₁，其最大延伸采用w标注。第一光栅G₀₂具有线性距离或者光栅周期p₀₂和栅条的高度h₀₂。相应地光栅G₀₁、G₁₂和G₂也具有高度h₁₂或h₂以及周期p₀₁、p₁₁或p₂。

对于依据本发明方法的功能重要的是，源光栅与相位光栅之间的距离以及相位光栅与分析光栅之间的距离彼此处于一种确定的关系中。在此适用：

对第一光栅组：

$P_{11}=2\×\frac{P_{01}\×P_2}{P_{01}+P_2}$

$P_{01}=P_2\×\frac{l_1}{d_1},$

$d_1=\frac{l_1\×d_1^{\≡}}{l_1-d_1^{\≡}}$ 以及 $d_1^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{{p_1}^2}{4{\mathrm{\λ}}_1}\right),$

$h_{11}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2(n-1)},$

而对第二光栅组：

$P_{12}=2\×\frac{P_{02}\×P_2}{P_{02}+P_2}$

$P_{02}=P_2\×\frac{l_2}{d_2},$

$d_2=\frac{l_2\×d_2^{\≡}}{l_2-d_2^{\≡}}$ 以及 $d_2^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{{p_2}^2}{4{\mathrm{\λ}}_2}\right),$

$h_{12}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2(n-1)},$

其中：

P_x＝光栅G_x的光栅周期，

P_xy＝光栅G_xy的光栅周期，

l_x＝源光栅G₀到用于能量区域E_x的相位光栅G_1x的距离，

d_x＝在扇形射束几何中用于能量区域E_x的相位光栅G_1x到分析光栅G₂的距离，

d₁ ^≡＝在平行几何中用于能量区域E_x的相位光栅G_1x到分析光栅G₂的距离，

λ_x＝在能量区域E_x内辐射的波长，

h_1x＝在辐射方向上用于能量区域E_x的光栅G_1x的栅条高度，

n＝光栅材料的折射率。

图中示出这样一种情况：其中实际利用第二相位光栅G₁₂进行测量并且将第一相位光栅G₁₁从射线路径中取出。在实践中，各自所使用的焦点/检测器系统具有一个将相位光栅根据需要自动装入射线路径内或者将不希望的光栅取出的装置。在此，也可以在射线路径中在与焦点分别不同的距离上设置两个以上的相位光栅。

检测器D₁连同其检测器元件E₁至E_n与各自分析光栅G₂的距离是非临界的，但该光栅应尽可能被设置为靠近检测器。

在一种具有优点的方案中，将相位光栅G₁₁和G₁₂调谐在与所使用的阳极的X射线光谱中的特性曲线相应的能量上。在目前常用的钨阳极中，例如具有优点地利用K_α线和处于旁边的K_β线。在选择其他阳极材料时，相应地需要其他能量以及因此需要相位光栅的其他尺寸。

分析光栅的高度h₂必须足以在由X射线辐射透射的栅条与光栅的广泛的自由位置之间产生有效的吸收差，以便在背面上产生相应的莫阿干涉条纹。

为更好理解，图3再次以仅使用唯一分析光栅G₁₁的情况为例示出了来自光栅G₀透射患者P的个性化相干辐射，其中，在透射患者P后出现相移现象。由此，在透射通过光栅G₁₁时产生通过灰色阴影显示的干涉图形，它借助光栅G₂在连接的检测器光栅D₁及其检测器元件上导致各检测器元件不同的辐射强度，其中，在那里构成所谓的莫阿干涉条纹。如果根据分析光栅G₂偏移x_G观察例如检测器元件E_i，并且将强度I(E_i(x_G))作为偏移x_G的函数通过强度I得出，那么在该检测器元件E_i上得到强度I的正弦形上升和下降。如果将所测量的该辐射强度I为每个检测器元件E_i或E_j根据偏移x_G描绘，那么为最终显示焦点与各自的检测器元件之间空间X射线射束的不同检测器元件得出结果，这样可以为每个检测器元件彼此相对确定相移。适用：

其中，υ相当于在检查对象中一个体素或像素的大小，n为其折射率和λ表示X射线辐射的波长。

也就是说，按照这种方式可以为空间上的每个射束通过利用分别偏移的分析光栅的至少三次测量，确定每个射束和对于辐射的紧密能量区域的相移。如果类似地借助被调谐在另一个能量区域上的另一个光栅装置对于空间上的每个射束实施这一点，那么可以为每个射束从对不同能量情况下的两个不同相移(E1)和(E2)的认识中确定差值函数u((E1)，(E2))，从中可以或者在投影X射线拍摄的情况下直接计算投影拍摄的像素值，或者在CT检查的情况下建立其像素值相当于按射束计算的差值函数的投影。从中可以借助本身公知的重建方法计算检查对象中的哪些体素对应于所测量的差值函数的多大比例。因此，从中计算出反映检查对象对差值函数的局部影响的或者剖面图像或者体数据。

作为优选的差值函数可以使用表示取决于能量的标准化相移梯度的函数

相应地函数

也适用，其区别仅在于数值的线性换算

因为在该组成上很小的差别就已经对相移产生了很大影响，所以由此可以显示相对类似的物质，特别是软组织的非常细腻和高对比的体数据。

取代上述的差值函数例如也可以形成简单的商或者差。

如果现在为确定相移通过在一个检测器的各检测器元件上的强度检测的总和还需要附加建立吸收图像，那么存在这种可能性：通过将在不同错开的分析光栅的情况下单个测量的合计(Aufsummation)产生分析光栅影响的平均值，并因此得到对各自射束吸收值的直接量度，也就是说，在相移测量数据的基础上也可以计算反映每个射束吸收值的数据组，从而这些吸收值可以按照本身公知的方式被转换成直接的投影吸收图像，或者借助公知的重建转换成断层造影的吸收图像。在这种情况下应当注意的是，在两次测量时使用相同的能量光谱情况下能量依赖关系消失。不过，如果使用不同的能量光谱，那么仍可以观察到吸收的能量依赖关系并且在需要时也形成相应的差值函数和用于显示。

因为用于确定X射线射束经过对象相移的上述方法具有很强的能量选择性，所以相位光栅就其尺寸应该被设置在其中存在尽可能高光子数的所使用的辐射能量区域上。

如果例如使用钨阳极，那么如图4所示根据加速电压产生能量光谱。这里在左侧和右侧的能量光谱中分别示出很强的峰值，它说明这里所使用的钨材料的特性辐射。左侧和右侧分别示出钨的K_α线和K_β线。依据本发明特别有利的是，相位光栅就其栅条高度被准确地根据该特性曲线定向。

图5以横截面示意示出一个示例性构成的带有两个焦点/检测器系统F₁、D₁和F₂、D₂的CT系统。两个焦点/检测器系统处于一个公共的支架上并相应地以相同的速度环绕这里为患者P的检查对象旋转，同时，优选地将患者P在系统轴S的方向上进给，从而形成一种螺旋式的扫描。在两个焦点/检测器系统F₁、D₁和F₂、D₂上分别设置了不同的光栅组G₀₁、G₁₁、G₂和G₀₂、G₁₂、G₂，它们也具有不同的距离d₁、l₁和d₂、l₂。不言而喻，相位光栅组的栅条高度同样也相应地与用来测量相移所希望的不同辐射能量相配合。按照这种方式，可以对患者P同时针对取决于能量的不同相移进行扫描，其中，在两个焦点/检测器系统F₁、D₁和F₂、D₂上不存在针对使用不同加速电压的限制。

图6示出具有焦点F₁和检测器D₁的CT的依据本发明的焦点/检测器系统的另一方案。在这里唯一的焦点/检测器系统配有两个特定能量的光栅装置G₀、G₁₁、G₂₁和G₀、G₁₂、G₂₂，它们也具有不同的距离d₁、l₁和d₂、l₂，其中，每个光栅装置仅覆盖焦点/检测器系统扇形角的一半。在该例中，为了与应该用来测量相移的不同能量相配合，不是使用的源光栅和相位光栅不同，而是使用不同的相位光栅和分析光栅，其中，源光栅与分析光栅的距离相同，但具有不同的周期。为射束圆锥使用一个公共的源光栅。

图7示出具有焦点F₁和检测器D₁的CT的依据本发明的焦点/检测器系统的另一方案。在这里唯一的焦点/检测器系统也配有两个特定能量的光栅装置G₀、G₁₁、G₂₁和G₀、G₁₂、G₂₂，其中，每个光栅装置同样仅覆盖焦点/检测器系统扇形角的一半。在该方案中，为与应该用来测量相移的不同能量相配合而使用了不同的相位光栅，其中，两个分析光栅就其周期而言是相同的，不过与相位光栅的距离不同。在此，源光栅也保持不变。作为补充在该实施例中建议同样划分检测器并且以尽可能短的至分析光栅距离来设置。

在图6和7的方案中，虽然可测量的投影数量以相应的后果分辨率和“信噪比”降低一半，但按照这种方式具有唯一焦点/检测器系统的传统CT也可以一次在两个同时不同的能量情况下测量相移并省去了更换光栅。

图8示出了一种用于实施依据本发明方法的完整的计算机CT系统。该图示出了CT系统1，它具有带有设置在支架外壳6内的一个未详细示出的支架上的X射线管2和相对的检测器3的第一焦点/检测器系统。在第一焦点/检测器系统2、3的射线路径内设置了一个依据图1至3的光栅系统，从而可以将处于可沿系统轴9纵向移动的患者卧榻8上的患者7移动到第一焦点/检测器系统的射线路径内并在那里进行扫描。通过计算和控制单元10对CT系统进行控制，在该单元中在一个储存器内储存程序Prg₁至Prg_n，用于执行此前所述依据本发明的方法并且从所测量的取决于射束的相移和吸收中重建相应的断层造影图像。在虚线所示的方框12内表示依据本发明这种方法的实施。

取代唯一的焦点/检测器系统可以选择在支架外壳内设置两个焦点/检测器系统。这点在图8中通过虚线所示的X射线管4和虚线所示的检测器5表示。

方框12内示出了依据本发明方法的示意流程图。左侧所示具有两个X射线特性曲线的钨阳极能量光谱表示这里所使用的能量光谱。在第一路经A中，在利用该特性曲线和那里出现的大量光子情况下实施相移测量，而在下部的路径B中实施相同的测量，但是在其他特性辐射的区域内实施。只要在两个能量区域E1和E2中为每个透射患者P的射束确定特定能量的相移(E1)和(E2)，就通过上述的差值函数u((E1)，(E2))计算出投影并且引入到断层造影拍摄的重建中。按照这种方式借助X射线辐射产生在例如像软组织这种类似成分的区域内也非常清晰地显示结构的断层造影的拍摄。

需要明确指出的是，所介绍的技术在更简单的实施中也可以用于建立投影拍摄。在建立投影拍摄时可以放弃检查对象的旋转扫描以及从投影数据中的重建。

作为补充还要指出的是，利用所示的焦点/检测器系统不仅可以测量X射线辐射的相移，而且该系统因此也适用于辐射吸收的常规测量以及相应吸收拍摄的重建。需要时还可以产生组合的吸收拍摄和相位对比拍摄。

此外需要指出的是，在用于改善对比度的光栅的实际构成中可以采用高吸收的材料填充光栅刻线之间的空隙。例如为此可以使用金。原则上至少起到吸收光栅作用的源光栅和分析光栅应这样构成，使其达到至少e^-1的对比系数。

总之，本文描述了一种用于利用X射线系统产生检查对象、优选为患者的投影的和断层造影的相位对比拍摄的方法以及一种用于实施该方法的相应的X射线系统，其中，将调谐在不同的能量区域上的X射线光学光栅组用于确定透射检查对象时取决于能量的相移，从这些取决于能量的相移中形成差值并且从中产生断层造影的或者投影的图像。

不言而喻，本发明的上述特征不仅可以分别所介绍的组合，而且也可以其它组合或者单独应用，而不会脱离本发明的范围。

Claims (39)

1.一种用于利用X射线系统或者X射线CT系统(1)、利用借助于对透射检查对象的X射线辐射(S₁)相移()的测量的局部拍摄值产生检查对象、优选为患者(P)的投影的或者断层造影的拍摄的方法，其特征在于，测量针对至少两个不同的能量区域(E1，E2)的特定能量的相移((E1)，(E2))，以及作为特定能量的相移((E1)，(E2))的函数来构成拍摄值。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，确定对于恰好两个能量区域(E1，E2)的特定能量的相移((E1)，(E2))。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在特定能量的相移((E1)，(E2))的函数中使用数值

4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在特定能量的相移((E1)，(E2))的函数中使用数值

5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在特定能量的相移((E1)，(E2))的函数中使用数值(E1)-(E2)。

6.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从所测量的特定能量的相移((E1)，(E2))中计算出特定能量的折射率(n(E1)，n(E2))，并且用于拍摄值。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，依据公式

确定特定能量的折射率(n(E1)，n(E2))，其中，λ表示所观察的能量区域X射线辐射的波长，而υ表示一个体素的延伸。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，在特定能量的折射率(n(E1)，n(E2))的函数中使用数值

9.按权利要求7所述的方法，其特征在于，在特定能量的折射率(n(E1)，n(E2))的函数中使用数值

10.按权利要求7所述的方法，其特征在于，在特定能量的折射率(n(E1)，n(E2))的函数中使用数值n(E1)-n(E2)。

11.按权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，为了产生断层造影的X射线相位对比拍摄至少实施下列方法步骤：

11.1利用至少一个焦点/检测器系统(2，3)对检查对象(P)进行圆形或者螺旋形扫描，其中，检测器系统(3)具有多个并排设置的检测器元件(E_x)，它们形成一个、优选为多个检测器行，

11.2为进行测量在至少一个焦点(F₁)与至少一个检测器(D₁)之间设置一组由X射线辐射(S₁)透射的X射线光学光栅(G_xy)，其中，

11.2.1利用至少一个源光栅(G_0x)在焦点(F₁)与检查对象(P)之间产生一个具有个性化相干辐射(S₁)的放射源的场，

11.2.2检查对象(P)由X射线辐射(S₁)透射并且X射线辐射根据透射的物质受到不同的相移()，

11.2.3利用被调谐在第一能量区域(E1上的第一相位光栅(G₁₁)产生该能量区域辐射的一个干涉图形，

11.2.4利用至少一个被调谐在另一能量区域(E2)上的第二相位光栅(G₁₂)产生该能量区域辐射的至少另一干涉图形，

11.2.5通过分析光栅(G_2x)将辐射导向检测器，以及在分别不同错开的分析光栅(G_2x)条件下通过对相同空间射束的至少三次强度测量确定射束透射检查对象(P)时的相移()，以及

11.3从所测量的射束的相移()中或者从由此测定的折射率(n)中重建检查对象(P)断层造影的相位对比数据。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，为了测量相移()在每个能量区域(Ex)上使用具有分别特定能量的配合光栅组(G_0x，G_1x，G_2x)的适用的焦点/检测器系统(2，3；4，5)，其中，优选地将焦点/检测器系统(2，3；4，5)角度错开地设置在支架上。

13.按权利要求11所述的方法，其特征在于，为了测量相移(；Ex)在每个能量区域上使用相同焦点/检测器系统(2，3)中的另一个相位光栅(G_1x)。

14.按权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于，对于至少一个分析光栅(G_2x)被调谐在其上的至少一个能量区域(E_x)，利用所使用的阳极材料特性辐射峰值的能量。

15.按权利要求14所述的方法，其特征在于，对于两个能量区域(E1，E2)利用阳极材料的、优选为作为阳极材料钨的K_α线和K_β线。

16.按权利要求14所述的方法，其特征在于，利用不同的阳极材料为至少两个不同能量区域(E1，E2)产生X射线辐射。

17.按权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，为了产生投影的相位对比拍摄至少执行下列方法步骤：。

17.1利用从X射线管(2)的焦点(F₁)发出的射线束透射检查对象(P)，

17.2利用检测器(D₁)测量所接收的辐射强度，其中，在至少一个X射线管(2)与检测器(D₁)之间设置一组由至少一个源光栅(G_0x)、至少两个交替移入射线路径内的不同相位光栅(G₁₁，G₁₂)和一个分析光栅(G₂)组成的X射线光学光栅，

17.3对于在焦点(F₁)与检测器(D₁)之间的空间上的、透射检查对象(P)的每条射束，利用分别不同错开设置的分析光栅(G₂)的至少三个强度测量确定该射束透射对象(P)时的相移，

17.4为每条射束从对于每条射束的不同能量区域((E1)，(E2))所测量的相移中计算作为特定能量的相移((E1)，(E2))的函数的像素值。

18.按权利要求17所述的方法，其特征在于，对于至少一个分析光栅(G_2x)被调谐在其上的至少一个能量区域(Ex)，利用所使用的阳极材料特性辐射峰值的能量。

19.按权利要求18所述的方法，其特征在于，对于两个能量区域(E1，E2)利用阳极材料、优选为作为阳极材料钨的K_α线和K_β线。

20.按权利要求18所述的方法，其特征在于，利用不同的阳极材料为至少两个不同能量区域(E1，E2)产生X射线辐射。

21.一种用于产生断层造影的相位对比拍摄的X射线CT系统(1)，具有：

21.1至少一个可环绕检查对象(P)旋转地设置在支架或者C形臂上的焦点/检测器系统(2，3)，以及

21.2在焦点(F₁)与检测器(D₁)之间的一组透射的X射线光学光栅，其由至少一个源光栅(G₀)、至少两个可交替移入射线路径内的相位光栅(G₁₁，G₁₂)和一个分析光栅(G₂)组成。

22.一种用于产生断层造影的相位对比拍摄的X射线CT系统(1)，具有：

22.1至少两个可环绕检查对象旋转地设置在支架或者C形臂上的焦点/检测器系统(2，3；4，5)，以及

22.2每个焦点/检测器系统(2，3；4，5)在焦点(F₁)与检测器(D₁)之间具有一组特定于能量配置的透射X射线光学光栅，由一个源光栅(G_0x)、一个相位光栅(G_1x)和一个分析光栅(G_2x)组成。

23.按权利要求21或22所述的X射线CT系统，其特征在于，具有一个用于将分析光栅(G_2x)相对于相位光栅(G_1x)与射束方向垂直并与光栅刻线纵向垂直地相对移动的装置。

24.按权利要求21至23之一所述的X射线CT系统，其特征在于，至少另一个焦点/检测器系统(4，5)角度错开地设置在支架上，该焦点/检测器系统无X射线光学光栅并且仅用于吸收测量。

25.按权利要求21至24之一所述的X射线CT系统，其特征在于，光栅装置满足下列几何条件：

对于第一光栅组：

$P_{11}=2\×\frac{P_{01}\×P_2}{P_{01}+P_2}$

$P_{01}=P_2\×\frac{l_1}{d_1},$

$d_1=\frac{l_1\×d_1^{\≡}}{l_1-d_1^{\≡}}$ 以及 $d_1^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{{p_1}^2}{4{\mathrm{\λ}}_1}\right),$

$h_{11}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2(n-1)},$

而对于第二光栅组：

$P_{12}=2\×\frac{P_{02}\×P_2}{P_{02}+P_2}$

$P_{02}=P_2\×\frac{l_2}{d_2},$

$d_2=\frac{l_2\×d_2^{\≡}}{l_2-d_2^{\≡}}$ 以及 $d_2^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{{p_2}^2}{4{\mathrm{\λ}}_2}\right),$

$h_{12}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2(n-1)},$

其中适用：

P_x  ＝光栅G_x的光栅周期，

P_xy ＝光栅G_xy的光栅周期，

l_x  ＝源光栅G₀到用于能量区域E_x的相位光栅G_1x的距离，

d_x  ＝在扇形射束几何中用于能量区域E_x的相位光栅G_1x到分析光栅G₂的距离，

＝在平行几何中用于能量区域E_x的相位光栅G_1x到分析光栅G₂的距离，

λ_x ＝在能量区域E_x内辐射的波长，

h_1x ＝在辐射方向上用于能量区域E_x的光栅G_1x的栅条高度，

n   ＝光栅材料的折射率。

26.按权利要求25所述的X射线CT系统，其特征在于，光栅装置额外地满足几何条件l₁+d₁＝l₂+d₂并因此p₀₁≠p₀₂。

27.按权利要求25所述的X射线CT系统，其特征在于，光栅装置额外地满足几何条件p₀₁＝p₀₂并因此l₁+d₁≠l₂+d₂。

28.按权利要求25所述的X射线CT系统，其特征在于，光栅装置既满足几何条件p₀₁≠p₀₂也满足几何条件l₁+d₁≠l₂+d₂。

29.按权利要求21至28之一所述的X射线CT系统，其特征在于，CT系统具有一个计算和控制单元(10)，其包括在运行中执行根据前述方法权利要求1至16至少之一所述的方法的程序代码(Prg_x)。

30.一种CT系统的或者用于CT系统的存储介质，其特征在于，该存储介质(11)包括CT系统(1)在运行时执行根据前述方法权利要求中至少之一所述的方法的程序代码(Prg_x)。

31.一种X射线装置的焦点/检测器系统，至少如下组成：

31.1一个具有焦点(F₁)的放射源和一个带有多个检测器元件(E_x)的相对的扇形检测器(D₁)，

31.2一组被设置在焦点(F₁)与检测器(D₁)之间的、具有平行定向的透射X射线光学光栅(G_0x，G_1x，G_2x)，通过其可以按射束分辨地测量辐射透射检查对象(P)时的相移()，其中，光栅组具有：

31.3至少一个被设置在至少一个焦点(F₁)与检查对象(P)之间的源光栅(G_0x)，

31.4至少两个被设置在检查对象(P)与检测器(D₁)之间并可以交替移入射线路径内的相位光栅(G_1x)，

31.5一个被设置在检测器前面的分析光栅(G₂)，以及

31.6一个用于垂直于射束方向垂直并垂直于光栅刻线的纵向、相对于相位光栅相对移动分析光栅的装置。

32.一种具有至少一个按权利要求31所述焦点/检测器系统的X射线系统。

33.按权利要求32所述的X射线系统，其特征在于，提供了用于利用不同错开的相位光栅从对相同射束的多次强度测量中计算相移的装置、优选为计算单元。

34.按权利要求31至33之一所述的X射线系统，其特征在于，光栅装置满足下列几何条件：

对于第一光栅组：

$P_{11}=2\×\frac{P_{01}\×P_2}{P_{01}+P_2}$

$P_{01}=P_2\×\frac{l_1}{d_1},$

$d_1=\frac{l_1\×d_1^{\≡}}{l_1-d_1^{\≡}}$ 以及 $d_1^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{{p_1}^2}{4{\mathrm{\λ}}_1}\right),$

$h_{11}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2(n-1)},$

对于第二光栅组：

$P_{12}=2\×\frac{P_{02}\×P_2}{P_{02}+P_2}$

$P_{02}=P_2\×\frac{l_2}{d_2},$

$d_2=\frac{l_2\×d_2^{\≡}}{l_2-d_2^{\≡}}$ 以及 $d_2^{\≡}=\frac{1}{2}\×\left(\frac{{p_2}^2}{4{\mathrm{\λ}}_2}\right),$

$h_{12}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2(n-1)},$

其中适用：

P_x  ＝光栅G_x的光栅周期，

P_xy ＝光栅G_xy的光栅周期，

l_x  ＝源光栅G₀到用于能量区域E_x的相位光栅G_1x的距离，

d_x  ＝在扇形射束几何中用于能量区域E_x的相位光栅G_1x到分析光栅G₂的距离，

＝在平行几何中用于能量区域E_x的相位光栅G_1x到分析光栅G₂的距离，

λ_x ＝在能量区域E_x内辐射的波长，

h_1x ＝在辐射方向上用于能量区域E_x的光栅G_1x的栅条高度，

n   ＝光栅材料的折射率。

35.按权利要求34所述的X射线系统，其特征在于，光栅装置额外地满足几何条件l₁+d₁＝l₂+d₂并因此p₀₁≠p₀₂。

36.按权利要求34所述的X射线系统，其特征在于，光栅装置额外地满足几何条件p₀₁＝p₀₂并因此l₁+d₁≠l₂+d₂。

37.按权利要求34所述的X射线系统，其特征在于，光栅装置既满足几何条件p₀₁≠p₀₂也满足几何条件l₁+d₁≠l₂+d₂。

38.按权利要求32至37之一所述的X射线系统，其特征在于，该系统具有一个计算和控制单元(10)，其包括在运行中执行根据前述方法权利要求1至10或者17至20之一所述的方法的程序代码(Prg_x)。

39.一种X射线系统的或者用于X射线系统的存储介质，其特征在于，所述存储介质(11)包括X射线系统在运行时执行按前述方法权利要求1至10或者17至20之一所述的方法的程序代码(Prg_x)。

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