CN102365687B - 消色差的相衬成像 - Google Patents

Abstract

提供用于检查感兴趣对象的消色差的相衬成像装置，该装置包括具有不同间距的两个不同的相位光栅。因而，成像装置产生关于两个不同的能量的相衬信息。因而，能够使用遍及更宽的能带的相位信息。

Description

消色差的相衬成像

技术领域

本发明涉及消色差的相衬成像。具体而言，本发明涉及用于检查感兴趣对象的相衬成像装置、用于相衬成像装置的相位光栅模块以及用于检查感兴趣对象的相衬成像的方法。

背景技术

基于光栅的相衬成像系统，例如硬X射线(15至30keV)的X射线相衬成像系统，的严格限制是，系统一般必须针对某个平均能量E_M而设计。结果，这样的系统将使用具有设计能量的大约10％的带宽的大致窄带中的相位信息。对于乳腺摄影系统而言，典型的能谱带宽宽得多，并且，设计能量的必要的选择可能显著地限制有助于相衬成像过程的能谱中的x射线功率的组分。

发明内容

可以期望，提供使用更大量的可得到的功率的成像系统和方法。

本发明涉及根据独立权利要求的特征的用于检查感兴趣对象的相衬成像装置、用于相衬成像装置的相位光栅模块以及用于检查感兴趣对象的相衬成像的方法。在从属权利要求中陈述本发明的示范性实施例的进一步的特征。

应当注意到，以下例如关于成像装置或模块描述的特征也可以实现为根据本发明的示范性实施例的方法中的方法步骤，反之亦然。

根据本发明的示范性实施例，提供一种用于检查感兴趣对象的相衬成像装置，该装置包括源、探测器、第一相位光栅(G1)以及第二相位光栅(G1’)。源设计为用于生成辐射束，尤其是多色X射线束。探测器适于在辐射通过感兴趣对象以及第一和第二相位光栅之后探测辐射。第一相位光栅定位在源和探测器之间，并且，具有第一间距，第二相位光栅也定位在源和探测器之间，并且，具有第二间距，其中，第一间距不同于第二间距。

换句话说，可以提供一种消色差的相衬成像装置，该装置使用至少两个不同的相位光栅。这允许例如在基于X射线的微分相衬成像(DPCI)中使用遍及更宽的能带上的相位信息。

此外，两个相位光栅可以具有不同的高度、即不同的厚度和/或不同的深度的沟。

根据本发明的另一个示范性实施例，第二相位光栅定位成与第一相位光栅相邻。例如，两个相位光栅形成相位光栅模块的组成部分。

根据本发明的另一个示范性实施例，第二相位光栅定位成距第一相位光栅预定的距离。这也可以有助于使用遍及比通常的10％更大的带宽的相衬信息。

应当注意到，可以提供相应的间距和/或高度均不同的另外的相位光栅。

根据本发明的另一个示范性实施例，提供第三光栅，其中，第三光栅是形成探测器的一部分或定位在探测器的正前方的吸收光栅。第三光栅具有不同于第一和第二相位光栅的第一间距和第二间距的第三间距和/或高度。

根据本发明的另一个示范性实施例，成像装置还包括定位在源和感兴趣对象之间的第四光栅，其中，第四光栅是吸收光栅，并且，具有不同于第一间距和第二间距的第四间距。

该光栅用于生成相干X射线。来自管的X射线(甚至每个单色分量)由于缺乏相干性而不能用于干涉。该光栅通过将源分成较小的块(线源)而生成“相干”射线。

根据本发明的另一个示范性实施例，第一间距与由源发射的辐射的第一能量对应。第二间距与辐射的第二能量对应。此外，第一相位光栅具有针对第一能量的Talbot距离，而第二相位光栅具有针对第二能量的相同的Talbot距离。

因而，两个不同的设计能量(第一能量和第二能量，E₁、E₂)的强度在具有相同的Talbot距离值d_T的探测器的位置处叠加。

根据本发明的另一个示范性实施例，吸收光栅G2具有第三间距，该第三间距等于两个光栅的间距的调和平均数：2×(第一间距*第二间距)/(第一间距+第二间距)。

两个强度调制的叠加因此出现在探测器处。这将导致具有大频率分量和小频率分量的差拍现象。相位恢复过程必须考虑差拍效应。在常规的系统(Pfeiffer等人)中，调制具有三角形式。具有不同频率的两个这样的分布的叠加出现于在此描述的更通常的情况范围中，如果在差拍的整个周期期间执行相位步进，那么，两个这样的分布仍然可探测。

根据本发明的另一个示范性实施例，第一能量是第二能量的两倍。

根据本发明的另一个示范性实施例，成像装置适于作为用于检查女性乳腺的乳腺摄影成像装置。

根据本发明的另一个示范性实施例，该源是X射线源，其中，装置适于作为基于X射线的微分衬度成像装置。

根据本发明的另一个示范性实施例，成像装置适于作为光学成像装置，其中，用于探查对象的能量束是具有例如400至1400nm的范围内的波长的光学辐射束。

根据本发明的另一个示范性实施例，提供一种用于相衬成像装置的相位光栅模块，该相衬成像装置用于检查感兴趣对象，该模块包括：第一相位光栅，其用于定位在成像装置的源和成像装置的探测器之间，其中，第一相位光栅具有第一间距；以及第二相位光栅，其用于定位在源和探测器之间，其中，第二相位光栅具有第二间距，其中，第一间距不同于第二间距。

可以将相位光栅模块设计为使得能够由控制单元电子地调整第一和第二相位光栅之间的距离。此外，可以由不同的相位光栅代替这两个相位光栅，或者，可以将另外的相位光栅添加至模块。根据本发明的另一个示范性实施例，该模块包括三个不同的相位光栅，这三个不同的相位光栅均能够由控制单元移动，以便调整彼此的距离。

根据本发明的另一个示范性实施例，提供一种用于检查感兴趣对象的相衬成像的方法，该方法包括下列步骤：由源生成辐射束；使用具有第一间距并定位在源和探测器之间的第一相位光栅，以在距第一相位光栅Talbot距离处创建与辐射的第一能量对应的第一Talbot图像；使用具有第二间距并定位在源和探测器之间的第二相位光栅，以在距第一相位光栅相同的Talbot距离处创建与辐射的第二能量对应的第二Talbot图像；在射束通过感兴趣对象以及第一和第二光栅之后，由探测器探测射束，其中，第一间距不同于第二间距。

根据本发明的另一个示范性实施例，该方法还包括下列步骤：使用具有第三间距并定位在源和探测器之间的第三相位光栅，以在距第一相位光栅相同的Talbot距离处创建与辐射的第三能量对应的第三Talbot图像，其中，第三间距不同于第一间距和第二间距。

吸收光栅G0可以用于生成相干性，并且，另一个吸收光栅G2可以用于探测全部条纹。常规的探测器可能不提供足够高的空间分辨率，以直接探测条纹。

根据本发明的另一个示范性实施例，方法还包括下列步骤：使用吸收光栅，该吸收光栅具有等于两个光栅的间距的调和平均数的间距：2×(第一间距*第二间距)/(第一间距+第二间距)，其中，吸收光栅是探测器的一部分。

根据本发明的示范性实施例，将另一相位光栅G1’以不同于G1的间距的间距放置在第一相位光栅G1的正前方或后方可以被看作是主旨。思路是，将针对两个不同的设计能量E₁和E₂的强度在具有相同的Talbot距离值的探测器的位置处叠加。

本发明基于给定的板材料的相移与(X射线的)辐射能量成反比的观察。因此，设计为生成设计能量E₂下的高度π的常规的相移模式的相位光栅将导致一半的设计能量下的2π的相移。因而，不存在对具有能量E₁＝E₂/2的单色波分量的可测量的影响。为了设计还产生E₁的相衬的系统，将另一个光栅G1’放在G1的正后方(或前方)。

如果去除第二相位光栅G1’，那么，能够采集另外的图像，然后，能够将该图像从通过使用两个相位光栅生成的原始的图像中减去，以便分解E₂。应当注意到，在光栅G1和G1’这两者存在的情况下，也可能在相位步进期间区分来自两个能量的贡献。

参考下文所描述的实施例，本发明的这些及其他方面将变得显而易见并得以阐明。

在下文中，参考下列附图而描述本发明的示范性实施例。

附图说明

图1显示8cm的乳腺组织之后的两个X射线能谱；

图2显示根据本发明的示范性实施例的光栅和探测器设置；

图3显示根据本发明的示范性实施例的成像系统；

图4显示根据本发明的示范性实施例的方法的流程图。

具体实施方式

附图中的图解说明为示意性的，并且，不按比例尺绘制。在不同的附图中，相似的或相同的元件提供有相同的附图标记。

图1显示在X射线通过乳腺组织的8cm之后的两个X射线能谱。X射线源是具有13μm的Mo过滤的处于35keV的Mo(钼)。

水平轴112显示在10keV至35keV的范围内的X射线的能量。垂直轴113显示任意单位的计数的数量。

上方曲线114显示在乳腺组织含有33％的水和67％的脂质的情况下的计数的数量，而下方曲线115显示当乳腺组织含有50％的水和50％的脂质时的计数的数量。

能够看出，两个特征峰116、117相应地处于大约17,3keV和17,4keV以及19,7keV和20,0keV。

如能够从图1中描绘的能谱所看出的，根据本发明的装置可以有利地将峰116、117这两者用于成像，从而将可得到的大量功率用于相衬成像过程。

图2显示根据本发明的示范性实施例的包括四个光栅和辐射探测器109的测量设置。

例如由X射线源(未在图2中描绘)发射的电磁能110的X射线或其他射线首先通过初始光栅107(G0)。然后，射线通过感兴趣对象103，例如将被检查的乳腺或另一种类的组织。然后，射线通过布置在探测器109和第四光栅106之前的第一和第二相位光栅104、105(G1、G1’)，该第四光栅104是吸收光栅(G2)。两个相位光栅G1、G1’和探测器109之间的距离与对应于不同的设计能量的每个相位光栅的相应Talbot距离对应。

根据本发明的成像方法基于Pfeiffer等人的″Phase retrieval anddifferential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray source″，NaturePhysics，2006的方法，使用三个不同的光栅G0、G1以及G2，以便通过利用探测器上的吸收光栅G2来观察干涉条纹，从而探测由对象引入的相移。

另一块硬件包括相位光栅G1’，该相位光栅G1’以不同于G1的间距p₁的间距p₂放置在标准相位光栅G1的正后方(或前方)。该设置使得探测器位置处的两个不同的设计能量E₁和E₂的Talbot图像在相同的位置处，即，(差不多)相同的Talbot距离值d_T，叠加。

该设置基于给定的板材料的相移与X射线能量成反比的观察。因此，设计为生成设计能量E₂下的高度π的常规相移模式的相位光栅将得到一半的设计能量下的2π的相移。因而，不存在对具有能量E₁＝E₂/2的单色波分量的可测量的影响。然而，由于另一个光栅G1’放在G1的正后方(或前方)，因而成像系统还产生第一能量E₁的相衬信息。

将在由探测器测量的强度中观察到差拍现象，但是，Talbot距离d_T对于设计能量E₁和E₂这两者而言相同。

在下文中，假设，通过使用分别具有间距p₁和p₂的两个相位光栅G1和G1’，从而对于E₁＝E₂/2和E₂，成像系统均具有Talbot距离d_T。G1针对能量E₂生成的相移π导致能量E₁下的2π的移动。可在距离d_T＝p₂ ²/8λ₁处观察到能量E₁的Talbot效应。G1’的高度设计为给予能量E₁下的π的相移。单个位置处的两个不同的相位网格的叠加将产生具有与p_eff＝2p₁p₂/(p₁+p₂)的间距相对应的高频的相移中的差拍效应。如果

$\frac{p_2}{p_1}=\sqrt{\frac{E_2}{E_1}-1}.$

那么，将在相同距离d_T观察到该周期性结构的Talbot图像。

对于E₁＝E₂/2，给出且吸收光栅可以以p_eff/2的间距制作，以步进个别地由E₁和E₂下的波场生成的条纹。还可以修改相位恢复程序，以便说明两个单色分量的差拍现象。换句话说，由于叠加与两个能量对应的两个调制的信号，因而必须从强度调制确定两个相位。

尽管该方法对于设计能量的比为2而言，可以最好地起作用，但原则上，该方法还能够应用于其他比而稍微减小条纹能见度。

最后，通过使用多于一个的另外的相位光栅而在距第一相位光栅同一个距离处叠加多于两个相干单色分量的Talbot图像也是可能的。

图3显示根据本发明的示范性实施例的成像系统300。在图3中描绘的成像系统300可以适于作为光学成像系统或X射线成像系统，例如乳腺摄影成像系统。感兴趣对象103可以是患者的乳腺，该乳腺设置在用于向患者的乳腺施加压力的两个压力板301、302之间。

源101可以是X射线源或例如光能源。

由源101发射的辐射首先通过光栅107，然后通过将被成像的感兴趣对象103。之后，辐射通过两个或更多个相位光栅104、105。可以将两个或更多个相位光栅104、105集成在相应的壳体310中，并且，因而可以形成模块。该模块连接至控制单元303，从而能够将光栅105、104沿着箭头308、309向上和向下移动。

此外，提供具有吸收光栅106的探测器102，以便探测辐射。源101和探测器102这两者相应地经由线304、305而连接至控制单元303。

探测器102包括Talbot干涉仪311。

此外，数据线307将控制单元303连接至输入和输出设备306，该设备能够用于输入用于控制成像系统300的控制信息，并且，还能够用于输出与最终图像有关的视觉信息。

在图3中描绘的成像系统的优点是，能够通过使用一个或多个另外的相位光栅而将X射线能谱的相对较高的部分用于相衬成像过程。

图4显示根据本发明的示范性实施例的方法的流程图。在步骤401中，辐射束由例如X射线源的源生成。然后，在步骤402中，两个相位光栅用于在距第一相位光栅Talbot距离处创建与不同的辐射能量对应的两个Talbot图像。然后，在步骤403中，探测到通过感兴趣对象和两个相位光栅之后的最终射束。

应当注意到，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且，“一”或“一个”不排除多个。还可以组合与不同的实施例相关联而描述的元件。

还应当注意到，权利要求书中的附图标记不应当被解释为限制权利要求书的范围。

Claims (14)

1.一种用于检查感兴趣对象的相衬成像装置，所述装置(100)包括：

源(101)，其用于生成辐射束；

探测器(102)；

第一相位光栅(104)，其定位在所述源(101)和所述探测器(102)之间，并且，具有第一间距；

第二相位光栅(105)，其定位在所述源(101)和所述探测器(102)之间，并且，具有第二间距；

其中，所述第一间距不同于所述第二间距，

其中，所述探测器(102)用于在所述辐射束通过所述感兴趣对象(103)、所述第一相位光栅(104)和所述第二相位光栅(105)之后探测所述辐射束。

2.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述第二相位光栅(105)定位成与所述第一相位光栅(104)相邻。

3.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述第二相位光栅(105)定位成距所述第一相位光栅(104)预定的距离。

4.如权利要求1所述的成像装置，

其中，所述第一间距与所述辐射束的第一能量对应；

其中，所述第二间距与所述辐射束的第二能量对应；并且

其中，所述第一相位光栅(104)具有针对所述第一能量的Talbot距离；并且

其中，所述第二相位光栅(105)具有针对所述第二能量的相同的Talbot距离。

5.如权利要求4所述的成像装置，其中，所述第一能量是所述第二能量的两倍。

6.如权利要求1所述的成像装置，还包括：

第三光栅(106)；

其中，所述第三光栅(106)是定位在所述探测器(102)的前方的吸收光栅；并且

其中，所述第三光栅(106)具有不同于所述第一间距和所述第二间距的第三间距。

7.如权利要求6所述的成像装置，其中，所述吸收光栅(106)具有第三间距，该第三间距等于所述第一相位光栅的所述第一间距和所述第二相位光栅的所述第二间距的调和平均数：

2×(第一间距*第二间距)/(第一间距+第二间距)。

8.如权利要求1所述的成像装置，还包括：

初始光栅(107)，其定位在所述源(101)和所述感兴趣对象(103)之间；

其中，所述初始光栅(107)具有不同于所述第一间距和所述第二间距的间距。

9.如权利要求1所述的成像装置，

其中，所述源(101)是X射线源；并且

其中，所述装置适于作为基于X射线的微分相衬成像装置。

10.如权利要求1所述的成像装置，其适于作为光学成像装置。

11.一种用于相衬成像装置(300)的相位光栅模块(104、105)，该相衬成像装置用于检查感兴趣对象，所述模块(104、105)包括：

第一相位光栅(104)，其用于定位在所述成像装置的源(101)和所述成像装置的探测器(102)之间，其中，所述第一相位光栅具有第一间距；

第二相位光栅(105)，其用于定位在所述源(101)和所述探测器(102)之间，其中，所述第二相位光栅具有第二间距；

其中，所述第一间距不同于所述第二间距，

其中，所述源生成的辐射通过所述感兴趣对象、所述第一相位光栅(104)和所述第二相位光栅(105)之后由所述探测器探测。

12.一种用于检查感兴趣对象的相衬成像的方法，所述方法包括下列步骤：

由源生成辐射束；

使用具有第一间距并定位在所述源(101)和探测器(102)之间的第一相位光栅(104)，以在距所述第一相位光栅Talbot距离处创建与所述辐射束的第一能量对应的第一Talbot图像；

使用具有第二间距并定位在所述源(101)和所述探测器(102)之间的第二相位光栅(105)，以在距所述第一相位光栅相同的Talbot距离处创建与所述辐射束的第二能量对应的第二Talbot图像；

在所述辐射束通过所述感兴趣对象(103)、所述第一相位光栅和所述第二相位光栅之后，由探测器探测所述辐射束；

其中，所述第一间距不同于所述第二间距。

13.如权利要求12所述的方法，还包括下列步骤：

使用具有第三间距并定位在所述源(101)和所述探测器(102)之间的第三相位光栅(108)，以在距所述第一光栅相同的Talbot距离处创建与所述辐射束的第三能量对应的第三Talbot图像；

其中，所述第三间距不同于所述第一间距和所述第二间距。

14.如权利要求12所述的方法，还包括下列步骤：

使用吸收光栅，该吸收光栅具有等于所述第一相位光栅的所述第一间距和所述第二相位光栅的所述第二间距的调和平均数的间距：

2×(第一间距*第二间距)/(第一间距+第二间距)；

其中，所述吸收光栅定位在所述探测器之前。