CN101873828B

CN101873828B - 用于x射线相位对比成像的探测装置

Info

Publication number: CN101873828B
Application number: CN2008801176189A
Authority: CN
Inventors: T·克勒
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-11-19
Also published as: CN101873828A; EP2214558A1; EP2214558B1; JP2011504395A; JP5438022B2; US8306183B2; US20100272230A1; WO2009069040A1

Abstract

本发明涉及用于生成对象(1)的相位对比度X射线图像的方法和设备。该设备包括X射线源(10)，其例如可由光栅(G₀)之后的空间延伸发射器(11)实现。衍射光学元件(DOE)，例如相位光栅(G₁)，从已经经过该对象(1)的X辐射中生成干涉图样(I)，并且谱分辨X射线探测器(30)用于测量该DOE之后的这一干涉图样。使用在不同波长/能量的X辐射下获得的信息，可以重建由该对象引起的相移。

Description

用于X射线相位对比成像的探测装置

技术领域

本发明涉及用于生成对象的相位对比X射线图像的X射线设备和方法。

背景技术

当传统的X射线成像测量由对象引起的X射线吸收时，相位对比成像旨在探测当X射线穿过对象而其经受的相移。根据已经在文献(T.Weitkamp等人，″X-ray phase imaging with a grating interferometer″，Optics Express13(16)，2005)中描述的设计，当对象受(相干)X射线辐照时，相位光栅放置在对象后面以生成强度最大值和最小值的干涉图样。由对象在X射线波中引入的任意相移引起干涉图样中一些特性位移。因而测量这些位移允许重建感兴趣对象的相移。

所描述方法的问题在于，现有X射线探测器的可行像素尺寸(远远)大于干涉图样的最大值和最小值之间的距离。因而这些图样不能被直接空间分辨。为了解决这一问题，已经提出了使用紧靠探测器像素之前的吸收光栅，因而使用探测器像素只观看干涉图样的小分区。相对于像素移动吸收光栅允许恢复干涉图样的结构(即，从无对象的默认图样的偏离)。在US2007/183560A1中，通过使用两组具有能量特定周期和距离的光栅的这种方法来生成针对两个不同X射线光子能量的相位对比度图像。然而光学元件的必要移动是很重要的机械任务，尤其在其必须以高准确度且很快完成的情况下，正如在相位对比成像应用于医学环境的情况下所要求的。

基于这一背景，本发明的目的在于提供用于生成对象的X射线相位对比图像的装置，其尤其适于在医学成像，例如在计算机断层摄影(CT)中应用。

发明内容

这一目的通过如权利要求1所述的X射线设备、如权利要求9所述的方法、如权利要求10所述的计算机程序产品、如权利要求11所述的记录载体、以及如权利要求12所述的传输过程实现。优选实施例在从属权利要求中公开。

根据本发明的X射线设备用于生成于对象的相位对比图像，即该图像中的图像点的值与由在透射X射线中对象引起的相移相关，同时图像点的位置与对象空间相关(例如，经由投影或者剖面绘图)。X射线设备包括以下部件：

-用于生成X射线的X射线源。为了允许干涉图样的生成，所生成的X射线应具有足够大的空间和时间相干性。

-衍射光学元件，其在以下将缩写为“DOE”。该DOE暴露于X射线源，即它如此设置以使得它在X射线源被激活的情况下被后者的发射撞击。

-谱分辨X射线探测器，其用于探测由DOE生成的干涉图样。

所描述的X射线设备具有的优点在于随着以谱分辨地方式检查由DOE生成的干涉图样，从这一图样中提取最大量的信息。这使得以快速方式获得相位对比图像成为可能，这在由于各种原因使得可用于进行曝光的时间受限制的医学成像中是尤其有利的。

此外，所描述的X射线设备允许(或者甚至要求)在医学成像中是标准源的多色X射线源的应用。具体而言，可以使用具有相对于光子能量大于10％，优选是大约20-40％的发射带宽的X射线源(意味着X射线光子的能量分布的一半最大值的全宽是在最大值处能量的大约20-40％)。

衍射光学元件DOE可是当用X射线辐照时能够生成期望干涉图样的任意设备。优选的，DOE包括相位光栅，即其狭缝具有可忽略吸收但大量相移的光栅，因而将X射线光子的损失最小化。

原则上，X射线探测器可具有一个单独的允许在相对应的敏感区域中进行测量的敏感元件。然而，该探测器优选包括具有多个X射线敏感元件(像素)的阵列，具体是一维或者二维阵列。然后可以在多个位置处同时进行测量，例如允许在一个步骤中采样空间分辨的二维投影图像。

在本发明的另一实施例中，X射线探测器包括调制器，其用于以与DOE的周期具有固定关系(例如，具有DOE的周期基本两倍的周期)的周期来调制其空间敏感度。这种调制器的应用在与普通X射线敏感元件(例如，包括具有相关联光电探测器的闪烁体的像素，或者包括直接转换材料的像素)的结合中是尤其有用的，因为后者具有的尺寸典型地远远大于干涉图样的间距。在这种情况下，调制器可以用于将X射线探测器的空间分辨率提高至干涉图样周期所给定的界限。该调制器例如可由如US2007/0183580A1中所描述的吸收光栅或者闪烁体结构来实现。

X射线设备优选还包括评估单元，其用于确定由安置在X射线源和DOE之间的X射线路径上的对象引起的相移。评估单元可任选地由专用电子硬件、具有相关联软件的数字化数据处理硬件或者两者的混合来实现。评估单元利用这个事实：在由对象引起的相移和因而得到的可以在DOE之后观察到的干涉图样改变之间具有定义明确的关系；将这一关系颠倒允许计算对象的期望相位对比图像。

在前述实施例的进一步发展中，评估单元另外包括重建模块，其用于从所述对象的从不同方向获得的相位对比投影重建对象的横截面相位对比图像。重建模块可应用对于吸收X射线成像领域的技术人员是公知的计算机断层摄影(CT)的算法。

已经提及X射线源应具有对于DOE之后的干涉图样的生成是必需的时间和空间相干性。X射线源可任选地包括设置在光栅之后的空间延伸的发射器，其中术语“之后”涉及X射线源的发射方向(即，发射X射线经过光栅)。该延伸发射器可以是在常规X射线源中使用的标准阳极，并且它自身可是空间非相干的。在光栅的帮助下，发射器被有效地分为多个线发射器，其每一个都是空间相干的(在垂直于其长度的方向上)。

X射线源可任选地包括至少一个滤波器，例如抑制由X射线源发射的X射线谱的特定波带的滤波器。因而X射线谱中对于期望的相位对比成像是无用的或者甚至会扰乱这种成像的部分可以被融合。这帮助将对象对X辐射的暴露最小化，这在医学应用中是尤其重要的。

本发明还涉及用于生成对象的X射线相位对比图像的方法，所述方法包括以下步骤：

-用多色X辐射辐照该对象。

-用设置在该对象之后的衍射光学元件(DOE)生成干涉图样，其中术语“之后”涉及所应用X辐射的传播方向。

-以谱分辨的方式来探测该干涉图样，即相对于至少一个阈值(例如，“低于70keV”或者“高于70keV”)来鉴别该X射线的光子能量。

-基于所探测的干涉图样来确定由该对象引起的相移。

本发明还涉及一种用于生成对象(1)的X射线相位对比图像的装置，包括：

-用于利用多色X辐射辐照所述对象的模块；

-用于利用设置在所述对象之后的被称为DOE的衍射光学元件(G₁)生成干涉图样(I)的模块；

-用于以谱分辨的方式来探测所述干涉图样的模块；

-用于基于所探测的干涉图样来确定由所述对象引起的相移(Φ)的模块。

X射线设备将典型地是可编程的，例如，其可包括微处理器或者FPGA。因此，本发明还包括计算机程序产品，当在计算设备上执行时其提供根据本发明的任意方法的功能。

此外，本发明包括例如软盘、硬盘或者光盘(CD-ROM)的数据载体，其以机器可读形式存储计算机产品，并且当存储在数据载体上的程序在计算设备上执行时，数据载体执行本发明的至少一个方法。

现今，这种软件常常提供在因特网或者公司内部网上用于下载，因而本发明也包括在局域网或者广域网上传输根据本发明的计算机产品。计算设备可包括个人计算机或者工作站。计算设备可包括微型处理器和FPGA中的一个。

以上方法、计算机程序产品、数据载体和传输过程包括作为主要部件的以上描述X射线设备的设想。因此为了关于这些元件的细节、优点和修改的更多信息，参照了以上描述。

附图说明

通过参考以下描述的(各)实施例本发明的这些和其它方面将变得显而易见并且得以阐明。通过举例的方式在单一附图的帮助下将描述这些实施例，该附图示意性图示了根据本发明的用于生成对象的相位对比图像的X射线设备。

具体实施方式

相位对比X射线成像旨在测量当X射线穿过对象时其相移。相位敏感测量的益处在于相位对比度的可能数量级高于吸收对比度(参阅：A.Momose，″Phase sensitive imaging and phase tomography using X-rayinterferometers″，Optics Express 11(19)，2003；T.Weitkamp等人，″X-ray phaseimaging with a grating interferometer″，Optics Express 13(16)，2005)。最初，相位敏感方法的主要缺点是需要具有很窄带宽的X射线源。然而这一缺点可通过使用具有特殊滤波器的标准X射线管以实现10％-20％的带宽来解决(参阅：F.Pfeiffer等人，″Phase retrieval and differential phase contrastimaging with low-brilliance X-ray sources″，Nature Physics 2，pp258-261，2006)。

为了用已知装置来测量X射线的相位，需要每个几何射线的至少三个独立测量，其中几个栅格中的至少一个必须垂直于光轴移动其栅格常数的一部分。在这些方法中，断层摄影可使用旋转对象来执行，其中测量在测量装置的相对固定位置进行。然而，对于医学断层摄影系统，必须使用连续绕着对象(患者)旋转的系统来执行数据采集。此外，在医学断层摄影系统中，栅格的移动不仅需要精确地，还需要很快地执行，这是很难执行的。

附图1图示了解决以上问题的X射线设备100。X射线设备100包括用于生成多色X辐射的X射线源10。X射线源10包括在壳体中空间延伸的发射器11，其例如可以由标准“宽带”X射线源的焦点(阳极)实现，并典型地具有垂直于光轴(z-轴)几个毫米的延伸。在发射器11之前设置光栅G₀，以将发射细分为其每个在横向方向上空间相干的线。关于这一方法的更多细节可以在文献(例如，以上的Pfeiffer等人)中找到。

出于清楚的目的，在图1中只图示了在光栅G₀的一个狭缝后在z-方向上传播的一个柱面波。该柱面波经过将被设备100成像的对象1，例如患者的身体。对象1的材料在X射线波中引起相移，导致对象1后面变化(扰乱)的波阵面。对于垂直于光轴的每个位置x，相移Φ(x)因而与作为沿着相应X射线路径的材料性质的特性的波阵面相关联。Φ的完整函数是感兴趣对象1的相位对比投影图像。

为了确定相移函数Φ，在对象1之后设置衍射光学元件(DOE)。在所示的例子中，这一DOE由垂直于光轴延伸的相位光栅G₁(其狭缝平行于源光栅G₀的狭缝)实现。光栅G₁在传输几何结构中，即与对象侧相反的空间中生成干涉图样。这一干涉图样可以在固定的y和z坐标中由函数表示

I＝I(x，λ，Φ(x))，

其中λ是X射线波长，在该波长处观察到干涉图样的谱强度I。

在与DOE光栅G₁的给定距离d处，并针对特定的波长λ，干涉图样将如图1示意性图示的相应于强度最大值和最小值的周期性图样。然后使用X射线探测器30来测量这一干涉图样将允许推断由对象1引入的相移Φ(x)。

然而，实际上，在离栅格G₁距离d处的干涉图样I的测量仍然是重要的任务，因为由两个邻近的最大值或最小值之间的距离决定的所要求的空间分辨率远远小于普通X射线探测器的敏感元件或者像素31的尺寸。为了解决这一问题，在文献中已经提出将吸收光栅G₂紧靠探测器像素31之前放置，所述光栅与对象之后的栅格G₁具有基本相同的周期性。吸收光栅G₂的作用是提供小窗口，探测器经过所述小窗口“观看”周期性干涉图样I的相应分区，例如环绕最大值的小区域，因而有效测量了在这些分区中的强度。通过将光栅G₂在x-方向上移动，可以在几个位置上对干涉图样进行取样，这允许将其完全重建。

所描述光栅-步进方法的问题在于其要求复杂而精确的机械制造方法。此外，步进意味着测量在不同时间下顺序做出，这在对象移动或者应将旋转装置用于计算机断层摄影(CT)重建的情况下是不利的。

为了避免这些问题，在此提出只针对光栅G₂的一个位置使用能量分辨X射线探测器30来同时在不同能量或者波长λ下测量干涉图样I(x，λ，Φ)。这种能量分辨探测器在现有技术中是公知的。它们可例如应用于脉冲计数和脉冲鉴别，即将被像素31吸收的每个X射线光子转换为其高度与光子能量相对应的电脉冲P。脉冲P可以容易地由鉴别器32关于多个不同能量水平E₁，……E_n进行计算和分类。

X射线探测器30的测量可以由评估40(例如具有适当软件的数字化数据处理单元(工作站))进行评估。这一单元可具体包括用于从对象1的相位对比投影中执行CT重建的重建模块41，该投影从环绕对象的不同旋转方向上生成。

所描述的方法具有几个优点，例如：

-淘汰了光栅的机械调制。

-更有效地使用了X射线源10的管功率，因为可以使用更宽的X射线谱(因为在探测侧实现了10％量级的窄带宽)。

-对于每个能量的干涉图样在同一几何结构中真实地测量。

最后指出，在本申请中术语“包括”不排除其它元件或者步骤，“一”或者“一个”不排除多个，并且单一的处理器或者其它单元可实现几个装置的功能。本发明属于每一个和每个新颖的特性特征和特性特征的每一个和每个组合。此外，权利要求中的附图标记不应解释为限制它们的范围。

Claims

1.一种用于生成对象(1)的相位对比图像的X射线设备(100)，包括

-X射线源(10)；

-衍射光学元件(G₁)，称为DOE，其暴露于所述X射线源(10)；

-谱分辨X射线探测器(30)，其用于探测由所述DOE(G₁)生成的干涉图样(I)。

2.如权利要求1所述的X射线设备(100)，

其特征在于，所述X射线源(10)具有大于10％的发射带宽。

3.如权利要求2所述的X射线设备(100)，

其特征在于，所述X射线源(10)具有20-40％的发射带宽。

4.如权利要求1所述的X射线设备(100)，

其特征在于，所述DOE包括相位光栅(G₁)。

5.如权利要求1所述的X射线设备(100)，

其特征在于，所述X射线探测器(30)包括X射线敏感元件(31)的阵列。

6.如权利要求1所述的X射线设备(100)，

其特征在于，所述X射线探测器(30)包括调制器(G₂)，所述调制器用于以与所述DOE(G₁)的周期相对应的周期来调制所述X射线探测器的空间敏感度。

7.如权利要求1所述的X射线设备(100)，

其特征在于，其包括评估单元(40)，所述评估单元用于确定由在从所述X射线源(10)到所述X射线探测器(30)的X射线路径上的对象(1)引起的相移(Φ)。

8.如权利要求7所述的X射线设备(100)，

其特征在于，所述评估单元(40)包括重建模块(41)，所述重建模块用于从所述对象的从不同方向获得的相位对比投影重建对象(1)的横截面相位对比图像。

9.如权利要求1所述的X射线设备(100)，

其特征在于，所述X射线源(10)包括设置在光栅(G₀)之后的空间延伸发射器(11)。

10.一种用于生成对象(1)的X射线相位对比图像的方法，包括以下步骤：

-利用多色X辐射辐照所述对象；

-利用设置在所述对象之后的被称为DOE的衍射光学元件(G₁)生成干涉图样(I)；

-以谱分辨的方式来探测所述干涉图样；

-基于所探测的干涉图样来确定由所述对象引起的相移(Φ)。