CN102428522A

CN102428522A - 用于相衬成像的光栅

Info

Publication number: CN102428522A
Application number: CN2010800216913A
Authority: CN
Inventors: T·克勒; E·勒斯尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2012-04-25
Also published as: EP2433288A1; EP2433288B1; US20120057676A1; US9805834B2; RU2011151625A; RU2539333C2; JP2012527293A; JP5587985B2; WO2010134012A1

Abstract

本发明涉及用于X射线微分相衬成像的光栅，用于生成对象的相衬图像的聚焦探测器布置和X射线系统，以及用于检查感兴趣对象的相衬成像方法。为了提供具有高纵横比但低成本的光栅，提出一种用于X射线微分相衬成像的光栅，其包括第一子光栅(112)和至少第二子光栅(114；116；118)，其中所述子光栅各自包括以一节距(a)周期性布置的、具有棒状物(122)和间隙(124)的主体结构(120)，其中所述子光栅(112；114；116；118)在X射线束的方向上连续布置，并且其中，所述子光栅(112；114；116；118)垂直于所述X射线束彼此移位定位。

Description

用于相衬成像的光栅

技术领域

本发明涉及用于X射线微分相衬成像的光栅，用于生成对象的相衬图像的探测器布置和X射线系统，以及用于检查感兴趣对象的相衬成像方法。

背景技术

使用X射线的相衬成像例如用于与常规幅值对比图像相比增强低吸收样本的对比度。这允许使用更少的向例如患者的对象施加的辐射。为了能够使用与相衬成像相关的波相位，该波需要在时间和空间上具有良好定义的相位关系。通过施加单色X射线辐射能够提供时间相干性。另外，已知从同步加速源获得具有足够相干性的X射线。由于这些方法涉及较高成本和复杂性的缺点，因此在WO 2004/071298A1中提出提供一种用于生成相衬X射线图像的设备，包括在光路中的非相干性X射线源、第一分束器光栅、第二束重组器光栅、光分析器光栅和图像探测器。最近已经进一步地提出在微分相衬成像(DPC)中使用更高的X射线能量。在这一转换中的严重障碍是制造相位光栅和具有高纵横比的吸收光栅。如果第一光栅的Talbot距离以及因而的两个光栅的距离保持不变，那么相位光栅的纵横比R按照E^3/2增加，其中E是X射线能量。术语Talbot涉及在归因于衍射光栅的横向周期波分布的情况下，图像在离光栅平面的固定距离处重复，该固定距离被称为Talbot长度。在光栅的最高制造水准(例如由硅制造)中纵横比R的限制，取决于如节距(在几微米的区域中)、表面粗糙程度等很多因素，通常是15到20的范围。已经示出对于微分相衬成像的可使用能量的范围通常终止于大约30-40keV。

发明内容

因此，需要提供具有高纵横比的光栅。

根据本发明的示例性实施例，提供一种用于X射线微分相衬成像的光栅，该光栅包括第一子光栅和至少第二子光栅。该子光栅各自包括以一节距周期性布置的、具有棒状物和间隙的主体结构。该子光栅在该X射线束的方向上连续布置。进一步地，该子光栅垂直于该X射线束彼此移位定位。

优点之一在于提供其功能是子光栅的组合的光栅。通过将该功能分布于多个子光栅，便于该子光栅的制造。

在示例性实施例中，该子光栅的投影得到具有比该子光栅的节距更小的有效节距的有效光栅。

例如，为了提供具有所确定的有效节距的光栅，可以提供两个子光栅，每个子光栅具有的节距是所述光栅的预定有效节距的两倍量。换言之，只由一个光栅组成的等价光栅将需要小得多的间隙来提供与根据本发明的具有多个子光栅的光栅相同的纵横比。

纵横比由间隙的高/宽比来定义。子光栅的组合所得到的光栅具有的纵横比是子光栅纵横比的有效组合。

在示例性实施例中子光栅具有相同的节距。

因此可能提供一种类型的子光栅，换言之，只需要生产或者制造单一类型的子光栅，然后以第一和至少第二子光栅的形式来添加子光栅以形成本发明的光栅。

在另一示例性实施例中，子光栅之一的节距是子光栅中另一个的节距的倍数。

这提供了根据，例如构造或者另外的方面来制造不同子光栅的可能性。

例如，可以将具有中等节距的第一子光栅与具有更大节距的第二和第三子光栅相组合。该第二和第三子光栅具有的节距可以是该第一光栅节距的两倍大。在一例子中，该第一子光栅被布置在该第二和第三子光栅之间而形成三明治类型。然后有效光栅具有的有效节距例如是该第一光栅的中等节距的一半量。当然该第二和第三光栅两者相对于彼此并相对于该第一光栅的节距偏移。

在另一示例性实施例中，该子光栅具有相等的棒状物/间隙比率。

换言之，间隙的宽度与排列成行的棒状物的宽度相同。例如，棒状物/间隙比率(s/t)大约是1/1。这允许简单的制造过程并且提供子光栅相对于彼此的定位和移位以形成本发明的光栅。

在另一示例性实施例中该移位的偏移量是节距的一部分。

在另一示例性实施例中该移位的偏移量是节距的一半。

在另一示例性实施例中该移位的偏移量是节距的一半的一部分。

例如，可以将具有相同的节距并具有1/1的棒状物/间隙比率的第一和第二子光栅相组合以形成具有远小于该子光栅的节距的有效节距的有效光栅。

在另一示例性实施例中，由在X射线束方向中的侧壁来定义有效光栅。这意味着，由棒状物的边缘来定义节距，而该边缘是定义间隙的侧壁形式。这得到例如从具有相等节距并具有1/1的间隙/棒状物比率的子光栅开始的有效节距，该有效节距是该第一或者第二子光栅的节距的四分之一。

例如，针对具有大约1/1的棒状物/间隙比率(s/t)的子光栅给出了以下的结果。在定义了子光栅的数量(n)并且也预定了有效节距(由z代表)的情况下，子光栅的节距由以下等式得到：a＝2*n*z。因而，当准备好具有所计算出节距的子光栅时，必须将该两个子光栅按以下偏移量彼此移位定位：d＝1/2*1/n*a＝z。

在另一示例性实施例中，在棒状物/间隙比率(s/t)小于1的情况下，出现以下情形。在已知子光栅的数量(n)和有效节距(z)，并且棒状物的宽度(s)等于有效节距(s＝z)的情况下，该节距如下：a＝2*n*z。

另外，必须以以下偏移量：d＝1/n*a＝2*z来将子光栅彼此移位定位。

另外，应注意在已经计算出节距并且已知棒状物宽度为与有效节距相同尺寸的情况下，可能确定间隙的宽度。在间隙的宽度仍然造成制造子光栅的阻碍的情况下，可以增加子光栅的数量从而增加节距，这也导致适于制造的更大间隙宽度。

在另一示例性实施例中每个子光栅的高度在设计波长处引起π相移。

这提供了确保适合于相衬图像的正确波长相移的优点。

在另一示例性实施例中，根据光栅所应用设备的目的来预定设计波长。

在另一示例性实施例中，将子光栅布置在单晶片上。

这允许对于进一步的制造和组装步骤的简单处理。另一优点在于在制造期间进行了对齐，以便于正确的定位。

在可选的示例性实施例中，将每个子光栅布置在单独的晶片上。

这提供了更加简单的制造过程并允许提供可以根据个人需要被组合的不同类型的光栅。

在另一示例性实施例中，用硅制造子光栅并且在棒状物和间隙上覆盖额外的金层。例如，这种子光栅能够用作吸收光栅。

在另一示例性实施例中，不应用金层以便提供相位光栅。

根据本发明的示例性实施例，提供一种用于生成对象的相衬图像的X射线系统的探测器布置，包括X射线源、源光栅、相位光栅、分析器光栅和探测器，其中该X射线源适于生成X射线的多色谱，并且其中，该光栅中的至少一个是根据前述实施例之一的光栅。

这提供的探测器布置的光栅具有小的有效节距，但是由于光栅由至少两个子光栅组合形成，这些子光栅可以由更大节距的光栅来制造。

在示例性实施例中该探测器布置是聚焦探测器布置。

另外，在示例性实施例中提供一种用于生成对象的相衬数据的X射线系统，该X射线系统包括前述示例性实施例的探测器布置。

另外，在示例性实施例中，提供一种用于检查感兴趣对象的相衬成像方法，该方法包括以下步骤：将常规X射线源的X射线辐射束施加到源光栅以将该辐射束分束；将经分束的辐射束施加到相位光栅以将该经分束的辐射束在分析器平面中重组；将经重组的辐射束施加到分析器光栅；在将该分析器光栅在该分析器光栅的一个周期上横向步进的同时用传感器记录原始图像数据；并且其中该光栅中的至少一个是前述实施例之一的光栅。

在该方法的示例性实施例中，源光栅、相位光栅和分析器光栅包括根据前述示例性实施例之一的具有第一子光栅和至少第二子光栅的光栅。

优点在于提供具有小的有效节距的光栅的可能性，但是该光栅包括具有更大节距的子光栅。换言之，可以提供适合于更高X射线能量的光栅，但是该光栅更加容易制造，因为该光栅具有比有效节距更大的节距。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种计算机可读介质，其中存储着用于检查感兴趣对象的计算机程序，当被X射线系统的处理器执行时，该计算机程序令该系统执行上述方法步骤。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种用于检查感兴趣对象的程序单元，当被X射线系统的处理器执行时，该程序单元令该系统执行上述方法步骤。

附图说明

通过以下参考图描述的示例性实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的。

图1示意性示出了X射线系统的例子；

图2示意性示出了具有不同光栅的X射线系统的探测布置；

图3示意性示出了包括两个子光栅的光栅的第一实施例；

图4示意性示出了具有三个子光栅的另一实施例；

图5示意性示出了具有两个子光栅的另一实施例；

图6示意性示出了具有三个子光栅的另一示例性实施例；

图7示意性示出了具有四个子光栅的另一示例性实施例；

图8示意性示出了具有三个子光栅的另一示例性实施例；以及

图9示意性示出了具有三个子光栅的另一示例性实施例；

图10示意性示出了具有布置在单晶片上的两个子光栅的另一示例性实施例；

图11示意性示出了具有两个子光栅的另一示例性实施例；

图12示意性示出了图2作为用于X射线系统的探测器布置的相位光栅的布置；

图13示意性示出了图5作为用于X射线系统的探测器布置的相位光栅的布置；

图14示出了针对图12和图13的两个子光栅的等价单个光栅；

图15示意性示出了图2作为用于探测器布置的吸收光栅的布置；

图16示意性示出了图5作为用于探测器布置的吸收光栅的布置；

图17示出了针对图15和图16的两个子光栅的等价单个光栅；以及

图18示出了根据本发明用于生成相衬X射线图像的方法。

具体实施方式

图1示意性示出了X射线成像系统10，其具有用于生成对象的相衬图像的检查设备。该检查设备包括具有X射线辐射源12的X射线图像采集装置，该X射线辐射源12用于使用常规的X射线源来生成X射线辐射束。床14用于容纳被检查的受试者。另外，X射线图像探测模块16位于X射线辐射源12的对面，也即在辐射程序期间受试者位于X射线辐射源12和探测模块16之间。后者发送数据给数据处理单元或者计算单元18，该计算单元与探测模块16和辐射源12两者连接。计算单元18位于床14之下以节省检查室的空间。当然，其也可以位于不同的地点，例如不同的实验室中。

此外，显示装置20布置在床14附近以给操作X射线成像系统的人，其例如可以是临床医师，显示信息。显示装置优选可移动地安装以允许根据检查情况进行单独的调整。同样，接口单元22布置为由使用者输入信息。基本上，图像探测模块16通过将受试者暴露于X射线辐射而生成图像数据，其中所述图像数据在数据处理单元18中被进一步处理。应注意的是所示的例子是所谓的C型X射线图像采集装置。该X射线图像采集装置包括C形臂，其中图像探测模块16布置在C臂的一端而X射线辐射源12位于C臂的相对端。该C臂可移动地安装并且可以绕着位于床14上的感兴趣对象旋转。换言之，可能以不同的观察方向来采集图像。

图2示意性示出了用于生成对象26的相衬图像的X射线系统的聚焦探测器布置24。提供常规的X射线源28来给源光栅32施加X射线辐射束30以将辐射束30分束。然后将经分束的辐射束进一步应用于相位光栅34以将经分束的辐射束在分析器平面中重组。对象26，例如在图2中示出的患者或者样本，布置在源光栅32和相位光栅34之间。在将经分束的辐射束在相位光栅34之后重组以后，将经重组的辐射束30施加于分析器光栅36。最后提供探测器38以在将分析器光栅36在分析器光栅一个周期上横向步进的同时用传感器记录原始图像数据。以下描述包括创造性子光栅的光栅34、36中的至少一个的布置。应注意的是根据本发明的子光栅也能够应用于源光栅32。

在图3到9中根据本发明的光栅的不同示例性实施例示出为包括至少两个子光栅。

在图3中示出了第一子光栅112a和第二子光栅114a。子光栅112a、114a各自包括以节距a_a周期性布置的、具有棒状物122a和间隙124a的主体结构120a。子光栅112a、114a在X射线束的方向上连续布置(图3至9中未示出)。为了更加容易地理解，水平地示出了子光栅，其中图2中的子光栅垂直地布置。简言之，在图3至17中X射线束的方向是从页面的顶部至页面的底部。

子光栅112a、114a在X射线束的垂直方向上以位移d_a相对彼此定位。换言之，子光栅114a相对于子光栅112a以偏移量d_a布置，从而子光栅114a相对于子光栅112a向右移动。

图3的子光栅112a、114a具有相同的节距a_a。

另外，子光栅112a、114a具有相等的棒状物/间隙比率(s_a/t_a)。因而，棒状物122a的宽度s_a等于间隙124a的宽度t_a。

位移d_a是节距a_a的一半的一部分。

子光栅112a、114a的投影得到具有比子光栅112a、114a的节距a_a更小的有效节距z_a的有效光栅130a(由线131a描绘)。在图3中位移d_a等于有效节距z_a。

在另一示例性实施例中光栅包括三个子光栅112b、114b、116b。

应注意的是不同示例性实施例的类似特征具有添加了字母以表示不同的实施例的相同附图标记。为了更加容易地阅读权利要求，在权利要求中的附图标记示出为不具有字母索引。

图4的子光栅具有相同的节距a_b。同样，棒状物/间隙比率(s_b/t_b)是1/1。

子光栅112b、114b、116b也包括具有棒状物122b和间隙124b的主体结构120b。虽然间隙124b和棒状物122b具有与图3的相应宽度相比更大的宽度，但是所实现的有效光栅130b具有的有效节距z_b与图3中的有效节距z_b相同。

在图5中光栅包括两个子光栅112c和114c。该子光栅也包括具有棒状物122c和间隙124c的主体结构120c。间隙124c的宽度大于棒状物122c的宽度，因而棒状物/间隙比率(s_c/t_c)小于1。该两个子光栅112c和114c被布置为使得有效光栅130c和有效节距z_c与以上论述的图中的相同。在图5中棒状物s_c的宽度等于有效节距z_c。间隙t_c的宽度是棒状物s_c宽度的3倍。对于两个子光栅而言是相同的子光栅节距z_c可以通过等式：a＝2*n*z来计算，其中n是子光栅的数量并且z是有效节距。

在另一示例性实施例中以与以上论述类似的方式来提供三个子光栅112d、114d、116d。相比图5的子光栅，间隙的宽度可以更大，尽管归因于更多数量的子光栅而提供了相同的有效光栅130d。

这也在图7中示出，其中示出了四个子光栅112e、114e、116e和118e。这里的子光栅具有相同的节距z_e并且布置为具有d_e＝2*z_e的偏移量；z_e是有效节距，为了更好的理解在每个子光栅的示意性描记之下将该有效节距相对于有效光栅130e图示。

在图8中的另一示例性实施例中，提供三个子光栅112f、114f、116f，其中光栅之一，在图8中的中间子光栅114f与其他子光栅112f和116f的节距a_f1相比具有不同的节距a_f2。实际上，第一和第三子光栅112f、116f的节距a_f1是中间子光栅114f的节距a_f2的倍数。实际上子光栅节距的比率是1/2。因而，上部子光栅112f的节距a_f1是第二子光栅114f的节距a_f1的两倍。同样，实现具有与以上论述实施例类似的有效节距的有效光栅130f。

虽然在图8中所有三个子光栅的棒状物的宽度具有相同的尺寸，但在图9所示的另一示例性实施例中子光栅的棒状物的宽度是不同的。在图9中三个子光栅112g、114g和116g被布置为使得中间子光栅114g具有的节距a_g2是上部和下部子光栅112g、116g的节距a_g1的一半量。该三个子光栅彼此偏移从而有效光栅130g具有的有效节距(在底部通过线示出)与以上论述实施例的有效节距相同。

提供被布置为彼此偏移的子光栅允许更加容易地制造子光栅，因为例如被蚀刻至主体结构的物质中的间隙更宽，并且因而在制造期间更加容易应用。然而，子光栅的投影得到具有小于子光栅的节距的有效节距的有效光栅。

在另一示例性实施例中，图10示出了子光栅112h、114h被布置在单晶片111h上。在这里以偏移量d_h提供具有偏移节距a_h的两个子光栅并具有有效节距z_h。

在另一示例性实施例中，两个子光栅被布置为使得它们以它们的封闭侧或者平坦侧彼此邻近来布置(图11)。这提供的优点在于可以制造两个单独的子光栅然后将其彼此附接，从而不需要该两个子光栅相对彼此的进一步定位或者对齐步骤。

在图12中示出的用于相位光栅的光栅包括两个子光栅112k和114k。子光栅各自具有相同的节距和棒状物/间隙比率，也即，s/t＝1/1。图14示出了当只设置一单独的光栅以便实现与两个子光栅112k、114k的有效节距相同的节距时的等价光栅132。可以看出子光栅的节距a_h大于等价光栅132的节距z_e。

具有相同有效节距的相同有效光栅也可以如此实现：提供用于相位光栅的具有相同节距a_l的子光栅112l、114l，但是与图12的子光栅不同，棒状物/间隙比率(s/t)小于1，在图13的示例性实施例中棒状物/间隙比率是1/3。等价物与针对图12的是相同的(见图14)。

在图15和16中针对具有高纵横比的吸收光栅提供类似的布置。在图15中示出了具有相同节距的两个子光栅112m、114m，其具有1/1的棒状物/间隙比率；然而在图16中两个子光栅112n、114n具有小于1的棒状物/间隙比率。子光栅包括硅主体结构134j，其具有额外的金层136m、136n。这得到在子光栅之下出于图示目的示出的有效金光栅138。

图17示出了当只提供单独光栅时的等价光栅140和由于金层而得到的节距142。可以看出为了提供具有高纵横比的光栅，必须提供具有更小间隙的光栅以提供与图12、13、15和16所示的两个子光栅组合相同的有效光栅。因而，与图14和17所示的等价单独光栅相比，可以以更加简单以及因而更便宜和更加经济的方式来制造根据本发明的子光栅。

子光栅可以代替单独的光栅来使用，例如在相衬X射线成像中。

图18示出了方法的示例性实施例的步骤。在第一步骤中将常规X射线源28的X射线辐射束施加52于源光栅32，在那里辐射束被分束54。源光栅32包括在X射线束的方向上连续布置并垂直于X射线束彼此移位定位的两个子光栅(在图18中未示出)。

然后经分束的辐射束被朝着感兴趣的对象26发射56，其中该辐射束穿过对象26并在那里发生吸收和折射58。还将该辐射束施加到相位光栅34，在那里经分束的辐射束在分析器平面62中被重组60。同样，相位光栅34包括两个子光栅(图18中未示出)。然后，将经重组的辐射束施加64于也示出为两个子光栅的分析器光栅36(图18中未示出)。进一步地，传感器38在分析器光栅36在分析器光栅的一个周期上横向步进70的同时记录66原始图像数据68。最后，将原始数据68传输72至控制单元18，在那里将数据计算74成显示数据76以在显示器20上示出78图像。

虽然已经在图中和前述描述中图示和详细描述了本发明，但是这种图示和描述被认为是说明性的或者示例性的并且是非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

应该注意的是术语“包括”不排除元件或者步骤，并且“一”或者“一个”不排除多个。同样，在不同实施例中描述的元件是可组合的。

Claims

1.一种用于X射线微分相衬成像的光栅，包括

-第一子光栅(112)；和

-至少第二子光栅(114；116；118)；

其中，所述子光栅各自包括以一节距(a)周期性布置的、具有棒状物(122)和间隙(124)的主体结构(120)；

其中，所述子光栅(112；114；116；118)在X射线束的方向上连续布置；并且

其中，所述子光栅(112；114；116；118)垂直于所述X射线束彼此移位定位。

2.如权利要求1所述的光栅，其中，所述子光栅(112；114；116；118)的投影得到具有比所述子光栅的节距更小的有效节距(z)的有效光栅(130)。

3.如权利要求1或2所述的光栅，其中，所述子光栅(112；114；116；118)具有相同的节距。

4.如权利要求1或2所述的光栅，其中，所述子光栅之一的节距是所述子光栅中另一个的节距的倍数。

5.如前述权利要求之一所述的光栅，其中，所述子光栅具有相等的棒状物/间隙比率(s/t)。

6.如权利要求4所述的光栅，其中，所述移位的偏移量是所述节距(a)的一半的一部分。

7.如前述权利要求之一所述的光栅，其中，每个子光栅的高度在设计波长处引起π相移。

8.如前述权利要求之一所述的光栅，其中，所述子光栅布置在单晶片(111)上。

9.一种用于生成对象的相衬图像的X射线系统(10)的探测器布置(24)，其具有

-X射线源(12；28)；

-源光栅(32)；

-相位光栅(34)；

-分析器光栅(36)；和

-探测器(16；38)；

其中，所述X射线源(28)适于生成X射线的多色谱；并且其中，所述光栅(32，34，36)中的至少一个是根据前述权利要求之一所述的光栅。

10.一种用于生成对象(26)的相衬数据的X射线系统(10)，其包括根据前一权利要求所述的探测器布置(24)。

11.一种用于检查感兴趣对象的相衬成像方法，所述方法包括以下步骤：

-将常规X射线源(28)的X射线辐射束施加(52)到源光栅(32)以将所述辐射束分束(54)；

-将经分束的辐射束施加(56)到相位光栅(34)以将经分束的辐射束在分析器平面(62)中重组(60)；

-将经重组的辐射束施加(66)到分析器光栅(38)；

-在将所述分析器光栅在所述分析器光栅(36)的一个周期上横向步进(70)的同时用传感器(38)记录原始图像数据(66)；

其中，所述光栅中的至少一个是根据权利要求1-8之一所述的光栅。

12.一种计算机可读介质，其中存储用于检查感兴趣对象的计算机程序，当被X射线系统的处理器执行时，所述计算机程序令所述系统执行以下步骤：

-将经重组的辐射束施加(66)到分析器光栅(38)；

13.一种用于检查感兴趣对象的程序单元，当被X射线系统的处理器执行时，所述程序单元令所述系统执行以下步骤：

-将经重组的辐射束施加(66)到分析器光栅(38)；