CN102047344B - 用于x射线的源光栅、用于x射线相衬图像的成像装置和x射线计算层析成像系统 - Google Patents

Abstract

提供用于X射线等的源光栅，所述用于X射线等的源光栅可增强空间相干性并且被用于X射线相衬成像。用于X射线的源光栅被放置在X射线源和被检对象之间，并被用于X射线相衬成像。用于X射线的源光栅包含由以恒定的间隔(A′)周期性地布置的突出部分形成的多个子光栅(130、120)，所述突出部分各自具有屏蔽X射线(110)的厚度(140)。通过使多个子光栅进行偏移(1/2A′)来多层地层叠所述多个子光栅。

Description

用于X射线的源光栅、用于X射线相衬图像的成像装置和X射线计算层析成像系统

技术领域

本发明涉及用于X射线相衬(phase contrast)成像的用于X射线的源光栅、用于X射线相衬图像的成像装置和X射线计算层析成像(tomography)系统。

背景技术

自二十世纪九十年代以来，已主要在同步加速器(synchrotron)辐射设施中进行关于使用X射线的相位差的相衬方法的研究。

并且，还进行了关于在实验室中使用X射线管的相衬成像的研究，并且，大体上可执行将在下面描述的传播方法、Talbot干涉方法。

传播方法是这样的方法，在该方法中，用从微焦点X射线源产生的X射线照射对象，并且，通过与被检对象相距足够距离的检测器检测被检对象中折射的X射线。通过该方法，通过增强常规的吸收衬度(contrast)图像的轮廓，可以获取较清楚并且较容易观察的图像，但是，难以使被检对象内部的软组织成像。

同时，Talbot干涉方法是通过使用透射型衍射光栅从在一定的干涉条件下表现的干涉图案恢复相位图像的方法，如美国专利No.5812629中描述的。

对于通过Talbot干涉方法的成像来说，至少需要空间相干的X射线源、用于周期地调制X射线的相位的相位光栅、以及检测器。

为了具有足够的空间相干性，需要λ×(R/s)满足相对于相位光栅的间距d足够大的条件。

这里，λ代表X射线的波长，R代表X射线源和相位光栅之间的距离，s代表所述源的尺寸。在本说明书中，相位光栅的间距指的是布置光栅的周期。

如图8的相位光栅的示意图所示，它可以是某光栅和与其相邻的光栅之间的中心部分之间的距离C，或者，可以是这些光栅的端面之间的距离C′。

在Talbot干涉中，在与相位光栅相距一定距离处出现反映相位光栅的形状的干涉图案。这被称为自图像(self image)。

自图像产生的位置为距离相位光栅(d²/λ)×n或(d²/λ)×(1/m)处，并且该位置被称为Talbot位置。在这种情况下，n和m为整数。

这里，如果被检对象被放置在相位光栅的前面，那么被照射的X射线由被检对象折射。如果检测通过透射通过被检对象的X射线而形成的相位光栅的自图像，那么可以获得被检对象的相位图像。

但是，为了检测以足够衬度出现的自图像，需要具有高的空间分辨率的X射线图像检测器，因此，通过使用吸收光栅来执行成像，所述吸收光栅是由吸收X射线并具有足够厚度的材料制成的衍射光栅。

也就是说，如果吸收光栅被放置在作为透射通过相位光栅的X射线形成自图像的位置的Talbot位置处，那么相位偏移的信息可被检测作为莫尔条纹(moiréfringe)的变形，因此，如果用X射线图像检测器检测莫尔条纹，那么被检对象可被成像。

顺便说一句，在Talbot干涉中，为了满足相干性条件，使用高相干的同步加速器辐射和包括具有微焦斑尺寸的源的微焦点X射线管。

但是，从实用的观点看，同步加速器辐射具有问题。微焦点X射线管虽然可被用于实验室系统中，但是它具有小的焦斑尺寸，因此具有小的亮度。因此，微焦点X射线管具有不能依据成像的目的而获得充分的亮度的问题。

由于这些原因，“Phase retrieval and differential phase-contrastimaging with low-brilliance X-ray sources”(F.Pfeiffer等，April2006/Vol.2/NATURE PHYSICS)提出把源光栅直接放置在X射线源后面并且通过使用普通的X射线管来观察Talbot干涉的X射线Talbot-Lau型干涉计。

这里，源光栅意指在一个方向或两个方向上具有周期性结构的衍射光栅，并且通过透射X射线的区域和屏蔽X射线的区域而被配置。

并且，需要Talbot-Lau型干涉计满足以下的条件。

g＝G·l/L

这里，g代表用于X射线的吸收光栅的间距，G代表用于X射线的源光栅的间距，l代表用于X射线的相位光栅和用于X射线的吸收光栅之间的距离，L代表用于X射线的源光栅和用于X射线的相位光栅之间的距离。

根据上面的X射线Talbot-Lau型干涉计，即使使用低相干的普通X射线管，也能够观察Talbot干涉。

发明内容

在Talbot干涉计中导致图像模糊的X射线的空间相干性λ×(R/s)需要满足相对于用于X射线的相位光栅的间距d足够大的条件。

因此，为了增加空间相干性，X射线源的尺寸需要小。

X射线源的尺寸与源光栅的孔径宽度对应，因此，源光栅的孔径宽度优选是小的。

本说明书中源光栅的孔径宽度指的是由上述图8中的A′示出的突出部分之间的间隔。

并且，突出部分的宽度由上述图8中的A表示。

同时，源光栅需要具有用于屏蔽X射线的恒定厚度。本说明书中的突出部分的厚度(高度)指的是由图8中的B所示的厚度(高度)。

因此，当要生产具有小的孔径宽度的源光栅时，纵横比(源光栅的突出部分的高度/孔径宽度)变大，并且变得难以制成这样的源光栅。因此，在“Phase retrieval and differential phase-contrast imaging withlow-brilliance X-ray sources”(F.Pfeiffer等，April 2006/Vol.2/NATURE PHYSICS)的用于X射线的源光栅中，由于生产过程中的限制，X射线透射区域变大，空间相干性减小，并且，相衬图像会出现模糊。

特别地，为了使用医用的高能量X射线(即具有长波长λ的X射线)以高衬度实现成像，在“Phase retrieval and differentialphase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources”(F.Pfeiffer等，April 2006/Vol.2/NATURE PHYSICS)的用于X射线的源光栅中不总是获得足够的空间相干性，因此，需要进一步改进。

由于因上面的纵横比的关系而导致空间相干性减小的问题不限于Talbot干涉计。例如，传播方法、X射线显微镜、荧光镜等同样有这个问题。

鉴于上述的问题，本发明具有以下这样的目的：提供可提高空间相干性并被用于X射线相衬成像的用于X射线的源光栅、用于X射线相衬图像的成像装置和X射线计算层析成像系统。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1A和图1B是示出在实施例1中描述的用于X射线的一维源光栅的配置例子和X射线透射区域的图。

图2A、图2B和图2C是在实施例1中描述的用于X射线的一维源光栅的配置例子。

图3A和图3B是在实施例1中描述的用于X射线的二维源光栅的配置例子。

图4是示出实施例1中的透射通过由相互正交的两个层的线状子光栅形成的用于X射线的源光栅的X射线的强度的图。

图5是实施例1中的用于X射线的二维源光栅的配置例子。

图6是实施例3中的由三层子光栅形成的用于X射线的源光栅。

图7是示出实施例2中的Talbot干涉计的图。

图8是用于示出用于X射线相衬成像的相位光栅中的间距、突出部分的厚度(高度)、突出部分的宽度和孔径宽度的示意图。

根据本发明，可以提供可提高空间相干性并被用于X射线相衬成像的用于X射线的源光栅、用于X射线相衬图像的成像装置和X射线计算层析成像系统。

具体实施方式

接着将描述本发明的实施例。

(实施例1)

在实施例1中，将描述X射线源光栅。X射线源光栅具有这样的结构：通过借助于使两个层的线状子光栅相对于入射的X射线在周期性方向上偏移来层叠两个层的线状子光栅，使得由突出部分之间的间隔形成的、作为X射线的透射区域的孔径宽度比子光栅中的每一个的孔径宽度窄。

这里，子光栅意指通过在通过多层地层叠而被配置的用于X射线的源光栅中以恒定的间隔周期地布置突出部分而制成的一个层部分的衍射光栅。

此外，线状子光栅指的是其中周期地布置相互平行的线性突出结构(突出部分)的一个层部分的衍射光栅结构。

图1A示出本实施例的配置例子。

在本实施例中，上述线状子光栅中的上述突出部分在与X射线透射的方向垂直的方向上具有“宽度”，并且在与X射线透射的方向相同的方向上具有“厚度”。该厚度被形成为屏蔽上述透射的X射线的厚度140。

当上述两个层的线状衍射光栅被层叠时，第二层的子光栅(第二子光栅130)通过在第一层的子光栅(第一子光栅120)的周期性方向上相对于入射的X射线110被偏移来进行层叠。

图1B是示出X射线透射通过的区域的图。区域150被第一子光栅120和第二子光栅层130屏蔽，并且，区域151被第一子光栅120和第二子光栅130两者屏蔽。X射线透射通过区域152。通过借助于以这种方式在周期性方向上偏移这些子光栅来层叠两层的线状子光栅，可使得作为X射线的透射区域的孔径宽度在整个光栅的范围上变窄。由上述方式，在通过多层地层叠由屏蔽X射线的区域和部分透射X射线的区域形成的线状子光栅而获得的用于X射线的源光栅中，可使得孔径宽度比各单个子光栅的孔径宽度窄。

例如，在图1A所示的结构，通过在第一层的线状子光栅120的周期性方向上层叠和偏移线状子光栅130，孔径宽度减小为子光栅中的每一个的孔径宽度的一半。

例如通过把金镀层施加到在基板的表面上或基板的内部形成的凹陷和突出的线状结构上，或者把金的纳米膏(paste)填充于所述凹陷和突出的线状结构中，制成用于配置用于X射线的源光栅的子光栅中的每一个。

就此而言，如例如图2A所示，可用与基板220的材料不同的材料配置子光栅210。并且，如图2B所示，可通过制造基板本身来配置子光栅230。

并且，图2B所示的子光栅230具有非贯穿结构，但它可被配置为贯穿的。如果它是贯穿的，那么不吸收X射线，因此，X射线的利用效率得到提高。

为了获得具有多个层的衍射光栅，如图2C所示，多于两个子光栅被多层地层叠(这里，各个子光栅230被多层地层叠)。

对于层叠来说，子光栅可被层叠为相互接触，但是，两个子光栅的突出部分可被配置为不相互接触。就此而言，基板可保持为相互平行。

对于基板220来说，可以使用在照射X射线时吸收很少的X射线的材料。对于基板220的形状来说，可以采用薄板形状。并且，如果基板220的前面和后面具有镜面，那么有利的衬度被获得。作为材料，可以使用晶片(例如Si、GaAs、Ge和InP)和玻璃基板等。可以使用聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚酰亚胺(polyimide，PI)或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)的树脂基板。

为了形成子光栅，可以使用光刻方法、干法蚀刻方法、各种淀积方法(例如溅射、气相淀积、CVD、无电镀和电镀)和纳米压印方法。

特别地，在通过光刻方法形成抗蚀剂图案之后，可通过干法蚀刻或湿法蚀刻来制造基板，或者，可通过剥离方法将子光栅设置到基板上。可通过纳米压印方法制造基板或沉积在基板上的材料。

为了在形成于基板上的凹陷和突出图案中填充金，可施加电解Au镀层，或者，可填充Au纳米膏。

图3A示出二维子光栅300。在二维子光栅300中，在与一个线状衍射光栅310的周期性方向正交的方向上、在该线状衍射光栅310上层叠另一个线状衍射光栅320。

图3B示出没有以层叠结构制成的二维子光栅330。可以像这样使用具有矩形孔径360的子光栅，所述矩形孔径360在第一方向340和与第一方向340正交的第二方向350上被二维地布置。

图4示出在X射线从与子光栅垂直的方向入射到图3A或图3B所示的子光栅上的情况下X射线透射通过的区域420和X射线不透射通过的区域410。

图5示出多层地层叠二维子光栅510和520的结构。当以这种方式多层地层叠二维子光栅时，通过使子光栅相对于纵向周期性方向和横向周期性方向(第一方向和第二方向)偏移，制成多层的二维子光栅。特别地，二维子光栅520通过在方向540上偏移而被层叠于二维子光栅510上。

由此，形成比二维子光栅中的每一个的孔径小的X射线透射区域530。

根据本实施例的用于X射线的源光栅与普通的X射线管和检测器组合，并且可被用作Talbot-Lau型干涉计。

可以使用用于X射线的相位光栅和具有高的空间分辨率的X射线图像检测器，并且，可在用于X射线的相位光栅和检测器之间进一步放置用于X射线的吸收光栅，并且，可以在使用用于X射线的图像检测器形成的莫尔条纹后面执行成像。

这里，用于X射线的相位光栅意指用于调制透射通过用于X射线的源光栅的X射线的相位的衍射光栅。用于X射线的吸收光栅意指通过屏蔽区域和X射线透射区域而被配置的衍射光栅，所述屏蔽区域吸收透射通过相位光栅的X射线，所述X射线透射区域透射X射线。

并且，可通过将本实施例的X射线相衬图像的成像装置结合到用于常规的计算层析成像系统中的台架(gantry)中，获得患者的X射线相衬层析照片(tomogram)。

(实施例2)

在实施例2中，将描述可变X射线透射区域型源光栅的配置例子。在可变X射线透射区域型源光栅中，通过将各单个层叠子光栅中的至少一个配置为可移动的，使得作为X射线透射区域的孔径的宽度是可变的。

图7示出具有使子光栅可移动的可移动单元的X射线成像装置720。第一子光栅721和第二子光栅722被设置在X射线源710和被检对象730之间。并且，相位光栅740和吸收光栅750被设置在被检对象730和检测器760之间。

通过可移动单元725，使得第一子光栅721和第二子光栅722中的至少一个可移动，由此使得X射线透射区域可变。

例如，在实施例1中的用于X射线的一维源光栅中，相互层叠的线状子光栅中的至少一个沿周期性方向被移动，由此使得X射线透射区域可变。

此外，在图5所示的多层地层叠的用于X射线的二维源光栅中，相互层叠的子光栅中的至少一个沿对角线方向540移动，由此使得X射线透射区域可变。

通过这种配置，可以将由于源尺寸导致的空间相干性和X射线通量调节到最佳值。

特别地，当使得源光栅的X射线透射区域小时，空间相干性得到增强，并且，相衬图像的衬度可得到增强，但是，当使得X射线透射区域太小时，X射线通量减少，导致检测灵敏度下降。

就此而言，X射线透射区域被配置为可通过如在本实施例的上述配置中那样移动多层地层叠的子光栅中的至少一个而被调整，由此可将由于源尺寸导致的空间相干性和X射线通量调节到最佳值。由此，可以用最小所需X射线通量使高衬度图像被成像。

在本实施例中，作为可移动单元725，可以使用可沿纵向和横向两个轴向以μm为单位移动的微致动器，或者，可以使用步进电机。

对于X射线透射区域的调整，可以使用在基板上预先构成的对准标记，或者，当照射X射线并用离子室或X射线图像检测器测量X射线强度时，调整X射线透射区域。

就此而言，可以配置下述这样的X射线通量和图像衬度的调整方法，该方法使用例如本实施例中的用于X射线的源光栅、相位光栅740、吸收光栅750和检测器760并包括以下步骤：

(1)从X射线源向用于X射线的源光栅照射X射线的步骤；

(2)通过上述用于X射线的源光栅仅透射上述X射线的一部分并且仅用该部分X射线照射上述用于X射线的相位光栅740的步骤；

(3)用通过被用于X射线的相位光栅740衍射而产生Talbot效应的X射线照射上述用于X射线的吸收光栅750的步骤，所述用于X射线的相位光栅740被上述X射线的一部分照射；

(4)通过在光栅表面上使上述用于X射线的吸收光栅750旋转而产生莫尔条纹的步骤；

(5)通过使用X射线图像检测器760测量莫尔条纹并且通过莫尔条纹形成图像的步骤；和

(6)在观察通过上述莫尔条纹形成的图像时，通过借助于移动多层地层叠并被配置为可移动的子光栅而调整作为X射线的透射区域的孔径的宽度，来优化透射通过透射区域的X射线通量和莫尔条纹的衬度的步骤。

此外，在本实施例中，当用X射线图像检测器观察通过借助于照射X射线产生的Talbot效应而获得的自图像时，X射线透射区域被调整以能够尽可能多地消除图像的模糊，并且，子光栅被调整，此后，子光栅可被固定，并且X射线相衬图像可被直接观察。作为替代方案，子光栅可以在观察期间被重新调整。

如在实施例1中那样，可通过将本发明的X射线相衬图像的成像装置结合到用于常规的计算层析成像系统中的台架中，获得患者的X射线相衬层析照片。

(实施例3)

在实施例3中，将描述源光栅的配置例子。在源光栅中，通过使子光栅沿它们的周期性方向相对于下层的子光栅进行偏移，多层地层叠三个或更多个子光栅。

图6示出由子光栅610、620和630形成的三层配置的用于X射线的源光栅600的断面结构。通过多层地层叠三个或更多个子光栅，与两层的配置相比，可以使得用于透射X射线的区域更窄。

例子

下面将描述本发明的例子。

例子1

在例子1中，将描述用于X射线的一维源光栅。通过借助于使两层的线状子光栅相互偏移来层叠所述线状子光栅而形成用于X射线的一维源光栅，并将该用于X射线的一维源光栅用于X射线相衬成像。

在将抗蚀剂涂层施加到直径为4英寸、厚度为200μm的双面抛光硅晶片的表面上之后，通过光刻方法在60mm²的面积上制成线宽度为30μm、间隙为50μm的抗蚀剂图案。

然后，通过深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching)来执行下面的加工。特别地，在制成线宽度为30μm、间隙为50μm、深度为40μm的狭缝结构之后，去除抗蚀剂。

在基板上形成钛金的溅射膜，并将其用作电镀的种子层(seedlayer)，并且，执行电镀。在去除附着于基板表面上的金之后，提供具有周期性结构的子光栅，在所述周期性结构中，以50μm的间隔布置各自具有30μm的孔径宽度的X射线透射区域。

接着，通过沿周期性方向使子光栅偏移子光栅的孔径宽度的一半以及使子光栅具有的周期性结构沿相同的方向对准，使用环氧树脂等使由此制成的两个子光栅相互接合，以使得光栅表面取向为相互平行。

使用下述这样的用于X射线的相位光栅：在该用于X射线的相位光栅中，在硅晶片中形成线宽度为2μm、间隙为2μm、深度为29μm的狭缝结构。使用下述这样的用于X射线的吸收光栅：在该用于X射线的吸收光栅中，在硅晶片上形成线宽度为2μm、间隙为2μm、深度为9μm的狭缝结构，并且通过镀金在间隙部分中进一步填充金。

例如，当用17.7kev(0.7埃)的X射线能量进行实验时，Talbot距离对于第三Talbot条件为3d²/2λ＝343mm。

当用于X射线的相位光栅和用于X射线的吸收光栅均为一维衍射光栅时，用于X射线的吸收光栅沿一维衍射光栅的周期性方向偏移衍射光栅的间距宽度的1/5，并且，通过用于X射线的CCD检测器来获取图像。

以这种方式获得的微分相衬图像可通过沿一维衍射光栅的周期性方向被积分而被转换成相位恢复图像(phase retrieval image)。

例子2

在例子2中，将描述可变X射线透射区域型源光栅的配置例子。

在本实施例中，使用与例子1中相同的方法制成四个一维子光栅。但是，在60mm²面积的四个角处制成10μm的圆形抗蚀剂图案。

通过使用圆形图案，借助于使用环氧树脂等使两个一维子光栅相互接合，以使得子光栅具有的周期性方向相互正交。

通过制成上面的两组，制备两个二维子光栅。

接着，两个二维子光栅逐个被安装在装有高精度步进电机的工作台(stage)上，以使得子光栅的周期性结构充分地彼此重叠并且X射线透射区域变为最大。使用与例子1相同的X射线相位光栅和X射线吸收光栅。

使用装有高精度步进电机的工作台，所述高精度步进电机沿作为子光栅表面的纵向和横向的至少两个轴向操作。

两个二维子光栅被放置为物理上不相互干涉并且尽可能地相互接近。二维子光栅中的任一个通过步进电机沿纵向和横向中的每一个移动2μm，即沿45°方向移动2.8μm。

虽然用离子室监视X射线强度并测量通量，但是，通过用于X射线的CCD检测器，尽可能地减少Talbot图像的模糊。

所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的这些变更方式和等同的结构及功能。

本申请要求在2008年4月15日提交的日本专利申请No.2008-105355的权益，在此以引用方式将其全部内容并入本文。

Claims (8)

1.一种用于X射线相衬成像的源光栅，其中

所述源光栅包括多个子光栅，所述多个子光栅是通过以恒定的间隔周期性地布置各自具有屏蔽X射线的厚度的突出部分而被形成的；以及

所述多个子光栅被多层地层叠，

其特征在于

所述多个子光栅在层平面中被相互地偏移；以及

所述源光栅具有这样的结构：在该结构中，使得作为由周期性地布置的突出部分之间的间隔形成的X射线透射区域的孔径的宽度比子光栅中的每一个的孔径宽度窄。

2.根据权利要求1的源光栅，还包括：

可移动单元，所述可移动单元用于使多层地层叠的子光栅中的至少一个可移动，并且用于使作为X射线透射区域的孔径的宽度可变。

3.根据权利要求1的源光栅，其中，

所述多个子光栅包括均等地取向的线状第一和第二子光栅，在所述均等地取向的线状第一和第二子光栅中，直线地形成所述突出部分并且以恒定的间隔周期性地布置所述突出部分，以及

使第二子光栅相对于第一子光栅沿周期性布置的方向进行偏移。

4.根据权利要求1的源光栅，其中，

所述多个子光栅包括第一子光栅和第二子光栅，所述第一子光栅和第二子光栅具有矩形孔径，沿第一方向和与第一方向正交的第二方向二维地布置所述矩形孔径，以及

使第二子光栅相对于第一子光栅沿第一方向和第二方向进行偏移。

5.根据权利要求4的源光栅，其中，

由被直线地形成的第一和第二突出部分形成具有矩形孔径的子光栅，以及

第二突出部分层叠在第一突出部分上并且与第一突出部分正交。

6.根据权利要求1的源光栅，其中，

所述多个子光栅包括多层地层叠的三个或更多个线状子光栅，在所述三个或更多个线状子光栅中，直线地形成所述突出部分并且以恒定的间隔周期性地布置所述突出部分，以及

使上层的子光栅相对于下层的子光栅进行偏移。

7.一种用于X射线相衬成像的成像装置，包括：

根据权利要求1～6中的任一项的源光栅；

相位光栅，所述相位光栅用于调制透射通过所述源光栅的X射线的相位；以及

吸收光栅，所述吸收光栅包括屏蔽区域和X射线透射区域，所述屏蔽区域用于吸收透射通过所述相位光栅的X射线，所述X射线透射区域用于透射X射线。

8.一种X射线计算层析成像系统，包括：

用于常规的计算层析成像系统中的台架；以及

根据权利要求7的成像装置。

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