CN102472823A - X射线成像设备和x射线成像方法 - Google Patents

Abstract

提供X射线成像设备和用于X射线成像设备的X射线成像方法。X射线成像设备包括被配置为空间分离由X射线产生器单元产生的X射线的分离元件和包含布置于其中的多个第一闪烁体的闪烁体阵列，这里，使得分离的X射线入射到第一闪烁体上。第一闪烁体中的每一个被配置为根据X射线的入射位置改变由X射线引起的荧光的强度。X射线成像设备还包括被配置为检测从闪烁体阵列发射的荧光的强度的检测器。

Description

X射线成像设备和X射线成像方法

技术领域

本发明涉及使用X射线的X射线成像设备和X射线成像方法。

背景技术

使用X射线的非破坏性测试技术被广泛用于工业乃至医疗中。X射线是具有在约1pm～10nm(约10^-12～10^-8m)的范围内的波长的电磁波。具有短波长的X射线(大于约2keV)为称为“硬X射线”。相反，具有长波长的X射线(约0.1keV～2keV)为称为“软X射线”。

吸收对比方法被用于例如钢材料的内部裂纹检查和诸如行李检查的安全应用。与此相反，对于低密度的要被检查的物体，由于X射线的吸收导致的衬度小至可忽略不计。因此，对于这种物体，检测由检测物体导致的相位的变化的X射线相位成像方法是有利的。

多种X射线相位成像方法中的一种是在PTL1中描述的折射对比方法。折射对比方法利用由检测物体引起的X射线的相位偏移所导致的折射效果。在折射对比方法中，使用具有微焦点的X射线源，并且，检测物体和检测器之间的距离被设为大。因此，图像被捕获。根据折射对比方法，通过使用由检测物体导致的X射线的折射效果增强检测物体的图像的轮廓。另外，由于折射对比方法利用折射效果，因此，与其它的X射线相位成像方法不同，折射对比方法不必须需要诸如同步放射线的具有高干涉特性的X射线。

引文列表

专利文献

PTL 1日本专利公开No.2002-102215

发明内容

技术问题

但是，在PTL1所描述的折射对比方法中，由检测物体导致的折射效果中的X射线的折射角度明显小。因此，为了获得具有增强的轮廓的图像，检测物体和检测器之间的距离需要足够大。作为结果，当使用在PTL1中描述的方法时，设备的尺寸增加。

因此，本发明提供了能够解决折射对比方法的问题的X射线成像设备和X射线成像方法。

问题的解决方案

根据本发明的实施例，X射线成像设备包括：被配置为空间分离由X射线产生器单元产生的X射线的分离元件；包含布置于其中的多个第一闪烁体的闪烁体阵列，这里，使得分离的X射线入射到第一闪烁体上；和被配置为检测从闪烁体阵列发射的荧光的强度的检测器。第一闪烁体中的每一个被配置为具有荧光发射强度梯度，其中由X射线引起的荧光的强度根据X射线的入射位置改变。

本发明的有利效果

根据本发明，可以提供能够解决折射对比方法的问题的X射线成像设备和X射线成像方法。

附图说明

图1示出根据本发明的第一实施例的X射线成像设备的示例性配置。

图2是根据本发明的第一实施例的闪烁体阵列的一部分的示意图。

图3示出根据本发明的第二实施例的X射线成像设备的示例性配置。

图4是根据本发明的第二实施例的闪烁体阵列的一部分的示意图。

图5是根据本发明的第二实施例的计算过程的流程图。

图6是根据本发明的第三实施例的闪烁体阵列的一部分的示意图。

图7示出根据本实施例的第四实施例的计算断层照相法(CT)。

图8是根据本实施例的第四实施例的计算过程的流程图。

图9是根据本发明的第五实施例的闪烁体阵列的一部分的示意图。

图10根据本发明的第五实施例的检测物体的吸收效果的示意图。

图11是根据本发明的第五实施例的计算过程的流程图。

图12是根据本发明的第六实施例的闪烁体阵列的一部分的示意图。

图13是根据本发明的第六实施例的计算过程的流程图。

图14示出根据本发明的第一例子的X射线成像设备的示例性配置。

图15示出根据本发明的第二例子的X射线成像设备的示例性配置。

图16是根据本发明的第三例子的闪烁体阵列的一部分的示意图。

图17是在X射线透过物质时出现的X射线的折射的示意图。

具体实施方式

根据本发明的实施例，通过使用具有多个具有荧光发射强度梯度的闪烁体的闪烁体阵列，获取关于由折射效果导致的强度分布变化和位置变化的信息。如这里使用的那样，术语“具有荧光发射强度梯度的闪烁体”指的是其荧光发射强度根据X射线的入射位置以连续的方式改变的闪烁体(第一闪烁体)。这种闪烁体可通过使得其形状以连续的方式或以阶段(stepwise)的方式改变而被制成。作为替代方案，可通过使单位体积的荧光发射强度以连续或阶段的方式改变，制成这种闪烁体。注意，以下，在一些情况下，术语“连续方式”包含“阶段方式”的意思。

另外，如果考虑检测物体的吸收需要相位偏移的更精确的信息，则可以使用沿入射X射线移动的方向具有恒定的荧光发射强度的闪烁体(第二闪烁体)。在下文参照第五实施例更详细地描述这种闪烁体。

作为替代方案，如果考虑检测物体的吸收需要相位偏移的更精确的信息，则可以使用沿入射X射线的移动方向具有荧光发射强度的不同的变化或荧光发射强度的不同的增加和减小趋势的闪烁体(第三闪烁体)。在下文参照第六实施例更详细地描述这种闪烁体。

以下描述根据本发明的示例性实施例的X射线成像设备和X射线成像方法。

第一实施例

根据第一实施例，描述通过使用X射线的相位偏移捕获图像的X射线成像设备的示例性配置。

图17是在X射线透过物质时出现的X射线的折射的示意图。关于物质的X射线的折射率比1稍低。因此，在图17所示的情况下，在物质1702与空的空间之间的边界处进入物质1702的X射线1706沿离开物质1702向外的方向折射。此时，在物质的边界处折射的X射线1706与在物质1702外侧行进的X射线1701重叠，并且X射线的强度在检测器1704上增加。相反，折射的X射线的沿入射X射线的延长线的部分的强度降低。作为结果，如图17所示，获得的透过X射线强度分布1703具有物质1702的增强轮廓。

在这种情况下，X射线的折射角度θ明显小。因此，由于检测器的小的像素尺寸，因此，除非物质与检测器之间的距离被设为大，否则，难以检测到轮廓的增强。因此，在PTL1描述的折射对比方法中，为了检测到轮廓的增强，检测物体和检测器被设置使得其间的距离足够大，并且图像被放大。因此，设备的尺寸增加。

即，如果检测物体和检测器之间的距离小，则检测器1704的像素1705的尺寸比透过X射线强度分布1703的强弱图案大。因此，在像素内，强图案和弱图案的强度抵消。因此，不能获得具有增强的轮廓的图像。

因此，为了即使在检测物体和检测器之间的距离被设为小时也充分地获得X射线的相位偏移信息，本实施例使用具有荧光发射强度梯度的闪烁体。

图1示出根据本实施例的X射线成像设备的示例性配置。

通过X射线源101产生X射线。X射线的相位由检测物体104改变。结果，X射线被折射。使得折射的X射线入射到闪烁体阵列105上。闪烁体阵列105由于入射的X射线产生荧光。检测器106检测从闪烁体阵列105的闪烁体中的每一个发射的荧光的强度。关于通过检测器106获得的X射线的信息被输出到诸如监视器的显示单元108。

检测物体104的例子包括人体、非有机材料和非有机/有机复合材料。注意，为了移动检测物体104，可附加地设置移动单元(未示出)。由于可通过移动单元适当地移动检测物体104，因此可获得检测物体104的希望的部分的图像。

作为检测器106，可以使用各种光检测器。例如，对于紫外光或可见光选择诸如使用Si的CCD图像传感器或CMOS图像传感器的固态成像元件。另外，对于红外光选择使用诸如InSb或CdHgTe的化合物半导体的固态成像元件。检测器106可被设置成接近闪烁体阵列105。作为替代方案，检测器106可被设置成与闪烁体阵列105分开预定的距离。作为另一替代方案，闪烁体阵列105可被集成到检测器106中。

注意，当使用单色X射线时，可在X射线源101和检测物体104之间设置单色化单元2。作为单色化单元2，可以使用与狭缝或X射线多层反射镜组合的单色仪。

下面描述闪烁体阵列105。图2是闪烁体阵列105的一部分的示意图。闪烁体阵列105包含布置在其中的多个闪烁体204。多个闪烁体204中的每一个具有沿与入射的X射线垂直的方向(-X方向)具有增加的厚度的三角柱形状。闪烁体204的这种结构提供了导致荧光发射强度根据X射线的入射位置沿X方向改变的荧光发射强度梯度。注意，可通过将平面的闪烁体加工成布置的闪烁体204来制成闪烁体阵列105。

在图2中，示出基准X射线强度分布201。基准X射线强度分布201是当不设定检测物体104时入射到闪烁体204上的X射线的强度分布。另外，示出X射线强度分布202。X射线强度分布202是由于折射而改变的X射线的强度的分布，当设定检测物体104时该X射线的强度入射到闪烁体204上。

只要积分强度相同，不管入射到检测器的任一个像素上的X射线的强度分布如何，检测到的荧光发射强度都相同。但是，如果设置具有根据X射线的入射位置沿X方向改变的荧光发射强度的闪烁体204，则由于由检测物体104导致的X射线的折射所导致的X射线强度分布的变化可被转换成荧光发射强度分布的变化。例如，在图2中，如果X射线强度分布202的具有增加的强度的一部分向上偏移，则荧光强度降低。相反，如果X射线强度分布202的具有增加的强度的一部分向下偏移，则荧光强度增加。因此，通过比较当不设定检测物体104时所检测到的荧光强度与当设定检测物体104时所检测到的荧光强度，即使轻微的折射效果也可被检测到。

由于通过使用这种配置即使检测器106的像素中的荧光发射强度分布的轻微变化也可被检测，因此，可使得检测物体104和检测器106之间的距离小。因此，可实现设备的小型化。另外，如果使用检测物体104和检测器106之间的距离大的配置，则由更轻微的折射效果导致的荧光发射强度分布的变化可被检测到。并且，由于该方法为了检测相位偏移而使用X射线折射效果，因此可不需要具有高的相干性的X射线。

虽然参照分别具有相同的有效荧光发射强度并具有以连续的方式改变的形状的闪烁体描述了以上的配置，但是，可以使用具有荧光发射强度梯度使得由X射线导致的荧光发射强度沿给定的方向改变的任何闪烁体。例如，如图4所示，在根据本实施例的X射线成像设备中可以使用具有每单位面积改变的荧光发射强度分布(照射相同的量的X射线时出现的荧光发射强度)的闪烁体。可通过改变闪烁体的密度分布或闪烁体中的掺杂剂的密度分布获得这种荧光发射强度分布。注意，图2所示的沿X方向的荧光发射强度分布也被称为“沿与入射的X射线垂直的方向的荧光发射强度分布”。

荧光发射强度梯度不需要如图2所示的那样是连续的，而可以阶段式改变。例如，闪烁体的形状可以以阶段的方式改变，或者，闪烁体的荧光发射强度分布可以阶段式改变。

另外，闪烁体的荧光发射强度梯度可具有多个方向。例如，如果在单个闪烁体中提供X方向的荧光发射强度梯度和Y方向的荧光发射强度梯度，则可以测量两个维度的方向的相位梯度。这种形状的例子包括角锥形或圆锥。

作为替代方案，可通过使用这样的闪烁体阵列测量两个维度的方向的相位梯度，在该闪烁体阵列的平面上交替布置具有X方向的梯度的闪烁体和具有Y方向的梯度的闪烁体。

作为又一替代方案，可以使用在具有X方向的梯度的闪烁体上层叠具有Y方向的梯度的闪烁体的闪烁体阵列。即，可以在第一层中设置具有X方向的梯度的闪烁体阵列，并且，可以在第二层中设置具有Y方向的梯度的闪烁体。作为又一替代方案，为了防止图像由于从检测物体104输出的散射X射线变模糊，可以在闪烁体阵列105和检测器106之间设置用于X射线机的格栅。

第二实施例(包括分离元件的配置的例子)

在本发明的第二实施例中，描述了从X射线的相位偏移获得相位图像的X射线成像设备和方法。第二实施例与第一实施例的不同在于，第二实施例包括分离X射线的元件。

图3示出根据本实施例的X射线成像设备。

从X射线源301发射的X射线在空间上通过分离元件303被分离。即，已穿过分离元件303的X射线形成X射线的射束。分离元件303可具有带有线和空间的狭缝阵列形状或二维配置的孔。另外，在分离元件303中形成的狭缝不需要完全穿过基板。分离元件303的材料可选自具有高的X射线吸收系数的Pt、Au、Pb、Ta和W。作为替代方案，可以使用这些材料中的任一种的合金。

通过分离元件303分离的X射线的线和空间的周期大于等于检测器306的像素的尺寸。即，检测由于X射线而发射的荧光的强度的检测器306的像素的尺寸小于等于通过分离元件303分离的X射线的周期。

通过分离元件303空间分离的X射线通过检测物体304被折射。经折射的X射线中的每一个入射到闪烁体阵列305上。X射线通过闪烁体阵列305被转换成荧光，并且，各荧光的强度通过检测器306被检测到。通过计算单元307数学处理关于通过检测器306获得的荧光的信息，并且在诸如监视器的显示单元308上显示结果。

另外，希望检测器306通过使用诸如透镜或反射镜的光学部件与闪烁体阵列305连接。通过组合这些光学部件与闪烁体阵列305和检测器306，可以防止透过闪烁体阵列305的X射线和散射的X射线入射到检测器306上。因此，可以增加检测数据的S/N比。注意，为了精确地测量由检测物体304的存在导致的X射线的位置的变化，可通过使用纤维板将闪烁体和检测器集成在一起。

另外，由例如步进马达形成分别用于移动分离元件303、检测物体304和闪烁体阵列305的移动单元309、310和311。因此，可以根据需要移动检测物体304。因此，可以捕获检测物体304的特定部分的图像。注意，单色化单元302、检测物体304、闪烁体阵列305、检测器306和格栅可由在第一实施例中使用的那些形成。

下面更详细地描述闪烁体阵列305。

图4示出根据本实施例的闪烁体阵列。在图4中，示出基准X射线401(当不设定检测物体304时行进的X射线)的光路和被检测物体304折射的X射线402的光路。另外，示出闪烁体阵列403、闪烁体404和由于X射线而从闪烁体404发射的荧光405。

闪烁体404由当闪烁体404被X射线照射时发射荧光405的材料形成。闪烁体404具有沿图4所示的元件内的X方向连续改变的荧光405的荧光发射强度分布。图4的右侧表示闪烁体404沿X方向具有连续的荧光发射强度分布。

例如，可以使用NaI(Tl掺杂)、CsI(Tl或Na掺杂)、LSO(Ce掺杂)、YAP(Ce掺杂)或GSO(Ce掺杂)作为发光材料。通过改变闪烁体404的荧光发射材料的浓度，可以提供具有梯度的荧光发射强度分布。作为替代方案，通过改变有助于荧光发射的掺杂剂的量，可以提供荧光发射强度梯度。以这种方式，如图4所示，可以产生关于X射线的入射位置的荧光405的荧光发射强度(J(X))。

如果闪烁体404的荧光发射强度梯度是已知的，则可通过使用关于基准X射线401和X射线402的荧光强度之间的关系计算由折射导致的X射线的位置的变化(ΔX)。

为了计算位置的变化(ΔX)，可以在计算单元307或存储单元中预存储表示闪烁体404上的X射线的入射位置(X)与荧光发射强度(J(X))之间的相应关系的数据表。然后，可通过使用测量的荧光强度计算位置的变化(ΔX)。可从通过在不设定检测物体304时扫描分离元件303或闪烁体阵列305、即改变入射到闪烁体404上的X射线的位置所获取的数据产生这种数据表。当产生数据表时，可通过使用具有与分离元件303的狭缝宽度相同的宽度的单个狭缝而不是移动分离元件303，检测闪烁体404的各位置处的荧光发射强度。

下面描述根据本实施例的用于由计算单元307执行的计算的示例性方法。图5是计算过程的流程图。

首先，在步骤S100中，获取关于从闪烁体阵列305发射的荧光的强度信息。

随后，在步骤S101中，通过使用关于由于各X射线而发射的荧光的强度信息，计算各X射线关于基准X射线401的位置的变化(ΔX)。例如，通过参照预先产生的闪烁体404的各位置处的荧光发射强度(J(X))的数据库和实际测量的强度信息，计算位置的变化(ΔX)。

在步骤S102中，计算各X射线的折射角度(Δθ)。通过使用位置的变化(ΔX)和检测物体304与闪烁体阵列305之间的距离Z，各X射线的折射角度(Δθ)可被表达如下。

[数学1]

$\mathrm{\Δ\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\ΔX}}{Z}\right)---\left(1\right)$

另外，折射角度(Δθ)与微分相位

之间的关系被表达如下。

[数学2]

$\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dx}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\θ}---\left(2\right)$

这里，λ表示X射线的波长(使用连续X射线时的有效波长)。

在步骤S103中，通过使用式(2)计算各X射线的微分相位

因此，可以获得微分相位信息。

在步骤S104中，关于X方向积分获得的微分相位

因此，获得相位信息

注意，在步骤S105中，可以在显示单元308上显示以这种方式获得的微分相位图像和相位图像。

根据上述的配置，即使X射线的位置的轻微的变化也可被检测到，因此，可以减少检测物体304和检测器306之间的距离。即，与在PTL1中描述的使用折射对比方法的设备相比，可以实现设备的小型化。

另外，通过使用分离元件303，可以量化微分相位的量和相位的量。与此相对，如果使用检测物体304和检测器306之间的距离被设为大的配置，则可以测量由更轻微的折射导致的X射线的位置的变化。并且，由于该方法为了检测相位偏移而使用X射线折射效果，因此，可以不再需要具有高的相干性的X射线。

第三实施例

在本发明的第三实施例中，描述使用与在第二实施例中使用的闪烁体阵列不同的闪烁体阵列的X射线成像设备。但是，根据第三实施例，X射线成像设备的基本配置与图3所示的第二实施例相同。

图6示出图3所示的闪烁体阵列305的一部分。闪烁体阵列305与图4所示的闪烁体阵列403不同。

在图6中，示出基准X射线601(在不设定检测物体304时行进的X射线)的光路和由检测物体304折射的X射线602的光路。闪烁体阵列603包括布置于其中的闪烁体604，每个闪烁体604具有三角柱形状。闪烁体604由当照射X射线时发射荧光605的材料形成。

希望闪烁体604中的每一个的最大厚度被确定为使得使用的X射线可充分地通过闪烁体604。这是由于，如果行进的X射线停在闪烁体的中间，则不能保持入射的X射线的强度与荧光的强度之间的关系，并因此出现误差。因此，为了防止X射线直接入射到检测器306，希望在闪烁体604和检测器306之间设置允许荧光通过的X射线遮蔽材料(参见图3)。例如，可以使用光纤板作为X射线遮蔽材料。由于闪烁体604具有三角柱形状，因此，荧光发射强度根据闪烁体604上的X射线的入射位置改变。当使得基准X射线601入射到闪烁体604上时，荧光605的强度J被表达如下：

J＝k·I₀(1-exp(-μ_enl₀)  (3)

这里，I₀表示通过分离元件203空间分离的X射线的强度，μ_en表示闪烁体604的材料的有效线性能量吸收系数，l₀表示闪烁体604中的基准X射线601的光路长度，并且，k表示系数。即，式(3)表示已透过闪烁体604的X射线以外的X射线被转换成荧光。

与此相对，当X射线602照射闪烁体604时，闪烁体604的光强度J′被表达如下：

J′＝k·I₀(1-exp(-μ_enl)    (4)

这里，l表示X射线602的光路长度。通过使用式(3)和(4)以及闪烁体604的顶角(α)，闪烁体阵列305上的位置的变化(ΔX)可被表达如下：

[数学3]

$\mathrm{\ΔX}=\frac{\tan \mathrm{\α}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{en}}}\ln [(1-J^{\′}/{\mathrm{kI}}_0)/(1-J/{\mathrm{kI}}_0)]---\left(5\right)$

如果吸收的效果不是可忽略的，则可通过使用不根据X射线的位置的变化而改变荧光强度的闪烁体，计算透过在X射线行进通过检测物体304时的X射线的透射率。例如，闪烁体604的形状可从三角柱变为方形柱，并且，图像被捕获。以这种方式，可以获得X射线的透射率。另外，由于闪烁体604的线性能量吸收效率μ_en是已知的，因此，可通过使用测量荧光发射强度J并通过使用式(3)计算kI₀。作为替代方案，可通过沿X方向扫描闪烁体阵列603、获得根据X射线的位置变化的荧光发射强度并且使式(3)适于荧光发射强度，计算有效的kI₀和μ_en。

即，通过使用基准X射线601和折射的X射线602的荧光强度之间的关系，由检测物体304中的折射导致的位置的即使轻微的变化也可被计算。作为替代方案，与第二实施例类似，根据本实施例，可通过使用荧光605的荧光发射强度和事先通过测量荧光605的荧光发射强度(J(X))产生的数据表，计算X射线的位置变化(ΔX)。

通过根据图5所示的流程图通过使用以上述的方式获得的数据执行计算，可以计算微分相位

和相位然后，可在显示单元308上显示微分相位图像和相位图像。

通过这种配置，即使X射线的位置的轻微变化也可被检测到。因此，不必在检测物体304和检测器306之间存在长的距离。作为结果，可以实现设备的小型化。另外，通过使用分离元件303，可以量化微分相位的量和相位的量。与此相对，如果使用检测物体304和检测器306之间的距离被设为大的配置，则可以测量由更轻微的折射导致的X射线的位置变化。并且，由于该方法为了检测相位偏移而使用X射线折射效果，因此，可以不需要具有高的相干性的X射线。

第四实施例(计算断层照相法)

在本发明的第四实施例中，描述使用计算断层照相(CT)技术并获得三维相位分布的设备的示例性配置。

图7示出根据本实施例的CT设备的示例性配置。

如图7所示，CT设备包括X射线源701、分离元件703、检测物体704、闪烁体阵列705、检测器706、计算单元707和显示单元708。

在根据本实施例的CT设备中，可通过移动单元移动X射线源701、分离元件703、闪烁体阵列705和检测器706中的每一个。因此，X射线源701、分离元件703、闪烁体阵列705和检测器706可在检测物体704周围同步移动。

X射线在空间上通过分离元件703被分离。分离的X射线被发射到检测物体704。使得透过X射线入射到闪烁体阵列705上。通过使用闪烁体阵列705，可以获得由检测物体704的折射导致的分离的X射线的位置的轻微变化。X射线通过闪烁体阵列705被转换成荧光。通过检测器706检测已从闪烁体阵列705发射的荧光。在检测物体704周围同步移动分离元件703、闪烁体阵列705和检测器706的同时，捕获荧光的图像。因此，可以获得检测物体704的投影数据。作为替代方案，分离元件703、闪烁体阵列705和检测器706可被固定，并且，检测物体704可以旋转。因此，可以获得投影数据。

下面描述根据本实施例的用于执行计算的方法。图8是计算过程的流程图。首先，在步骤S200中，获取来自闪烁体阵列705的荧光发射强度信息。随后，在步骤S201中，计算各X射线关于基准X射线401的位置变化(ΔX)。在步骤S202中，通过使用位置的变化(ΔX)和检测物体704与闪烁体阵列705之间的距离Z计算各X射线的折射角度(Δθ)。随后，在步骤S203中，通过使用折射角度(Δθ)计算各X射线的微分相位

在步骤S204中，关于X方向积分所获得的微分相位

因此，获得相位信息

对于所有的投影数据项重复步骤S201～S204。最终，在步骤S205中，通过使用计算断层照相法的图像重构方法(例如，过滤逆投影方法)从所有的投影数据项的相位图像计算用于相位

的断面图像。注意，在步骤S206中，可在显示单元708上显示相位图像的断面图像。

通过这种配置，可实现设备的小型化。另外，由于该设备使用X射线折射效果，因此，可以不需要具有高的相干性的X射线。因此，通过使用该CT设备，可以以非破坏性的方式获取检测物体的三维图像。

第五实施例(用于获得吸收信息的闪烁体阵列A)

在本发明的第五实施例中，描述用于获得具有X射线的高吸收性的检测物体的正确的微分相位图像和正确的相位图像的设备和方法。根据本实施例，X射线成像设备的基本配置与图3所示的第二实施例相同。

根据本实施例，闪烁体阵列包括用于检测由折射效果导致的X射线的位置变化的闪烁体(第一闪烁体)和用于检测由检测物体的吸收效果导致的透过X射线的强度的闪烁体(第二闪烁体)。不管X射线的入射位置如何，第二闪烁体的荧光发射强度都是恒定的。这里，不管入射位置如何，都可通过基本上恒定的荧光发射强度获得关于检测物体的吸收信息。即，荧光发射强度不需要是严格恒定的。通过检测从闪烁体阵列发射的荧光的荧光发射强度，可以获得吸收图像、微分相位图像和相位图像。以下更详细地描述设备和方法。

图9示出根据本实施例的闪烁体阵列。在图9中，示出基准X射线901(当不设定检测物体304时行进的X射线)的光路和被检测物体304折射的X射线902的光路。另外，闪烁体阵列903包括用于将X射线的位置变化转换成荧光发射强度的闪烁体904和905。在平面中以预定的间隔布置闪烁体904和905。闪烁体904具有以连续的方式沿X方向改变的荧光发射强度分布。但是，闪烁体905具有不沿X方向改变的荧光发射强度分布。闪烁体904由于X射线而发射荧光906。图9的右侧部分表示闪烁体904沿X方向具有连续的荧光发射强度分布。因此，闪烁体904发射具有根据在检测物体304中折射的X射线的位置变化和吸收的X射线强度的强度的荧光。注意，作为例子，图9的右侧的闪烁体904具有线性荧光发射强度分布。另外，如在第二实施例中那样，可以事先测量闪烁体904的关于X射线入射位置(X)的变化的荧光发射强度分布(J(X))。

另外，如图9的右侧部分所示，闪烁体905具有均匀的荧光发射强度分布。因此，可以获得与由检测物体304吸收的X射线的强度对应的荧光。在元件中，荧光发射强度分布可以是均匀的。但是，希望执行控制，使得荧光发射强度分布与闪烁体904的基准X射线位置处的荧光发射强度相同。另外，为了防止X射线直接入射到检测器306上，希望在检测器306与闪烁体904和905中的每一个之间设置允许穿过荧光的X射线遮蔽材料。

可通过测量闪烁体904和905的荧光发射强度并将它们相互比较，计算X射线在行进通过检测物体时X射线关于基准X射线的位置变化以及X射线的吸收量。以下参照图10所示的X方向的闪烁体的荧光发射强度的示意图和图11所示的计算过程的流程图描述该处理。

当X射线不被检测物体304吸收时，穿过检测物体304的X射线的强度I基本上与在X射线透过检测物体304之前获得的强度I₀相同(即，I≈I₀)。因此，在由于检测物体304导致的位置变化(ΔX)的位置处，如图10所示的点A所示的那样获得荧光发射强度J_A。但是，当X射线被检测物体304吸收时，通过检测物体304的X射线的强度I低于强度I₀(即，I＜I₀)。因此，如图10所示的点C所示的那样获得荧光发射强度J_C。在这种情况下，如果使用事先获得的荧光发射强度分布J(X)，则获得位置变化ΔX′。即，获得不正确的信息。因此，它使用具有均匀的荧光发射强度分布(J₁＝J(0))的相邻闪烁体的信息。如果事先在不设定检测物体时测量在图10所示的点B处获得的荧光发射强度J_B，则当出现吸收可计算荧光发射强度之间的差值ΔJ(＝J_B-J_D)。由于荧光发射强度J_A＝J_C+ΔJ，因此可通过使用J(X)获得正确的ΔX。注意，荧光发射强度的差值ΔJ与由检测物体304吸收的X射线的量相同。

以下参照图11所示的流程图描述用于执行计算过程的方法。首先，在步骤S300中，事先在不设定检测物体时获取具有荧光发射强度分布的闪烁体的荧光发射强度分布J(X)和不具有荧光发射强度分布的闪烁体的荧光发射强度J_B。随后，在步骤S301中，测量检测物体，使得获取具有荧光发射强度分布的闪烁体的荧光发射强度J_C和不具有荧光发射强度分布的闪烁体的荧光发射强度J_D。然后，在步骤S302中，计算作为由检测物体吸收的吸收量的荧光发射强度之间的差值ΔJ＝(J_B-J_D)。在步骤S303中，计算使用由检测物体吸收的吸收量进行校正的荧光发射强度J_A(＝J_C+ΔJ)。最终，在步骤S304中，通过使用具有荧光发射强度分布的闪烁体的荧光发射强度分布J(X)和在步骤S303中获得的J_A计算ΔX。

因此，通过使用闪烁体904和905的荧光发射强度，获得X射线902的入射位置的变化(ΔX)和吸收量(荧光发射强度之间的差值ΔJ)。然后，可获得由检测物体304导致的折射率的轻微变化。

应当注意，计算方法不限于上述的方法。例如，可从通过使用闪烁体905获得的荧光发射强度获取吸收信息，并随后可通过使用该吸收信息计算位置变化。

注意，当获得闪烁体904和905的区域中的荧光强度的信息时，沿X方向的空间分辨率减小1/2。因此，除了上述的测量，还可通过用移动单元311沿X方向移动闪烁体阵列305提高空间分辨率。作为替代方案，通过用移动单元310沿X方向移动检测物体304，可以提高空间分辨率。在上述的配置中，通过使用闪烁体904和905，可以获得X射线吸收效果和折射效果作为独立的信息项。

通过根据图5所示的流程图处理以上述的方式获得的数据，计算微分相位

和相位并因此可以在显示单元308上显示吸收图像、微分相位图像和相位图像。注意，吸收图像、差分相位图像和相位图像可同时在画面上显示或者可被单独地显示。

参照控制荧光发射材料的浓度分布或掺杂剂量分布的情况进行本实施例的描述。但是，如以下描述的例子3中所述，用于测量折射的X射线的位置变化的闪烁体的形状可以为例如三角柱，并且，用于测量吸收(透射率)的闪烁体的形状可以为方形柱。即，可以使用沿与入射的X射线垂直的方向具有均匀厚度的闪烁体。

第六实施例(用于获得吸收信息的闪烁体阵列B)

如第五实施例那样，在本发明的第六实施例中，描述用于获得甚至具有X射线的高吸收性的检测物体的正确的微分相位图像和正确的相位图像的设备和方法。根据本实施例，X射线成像设备的基本配置与图3所示的第二实施例相同。

根据本实施例的闪烁体阵列的特征在于，闪烁体的关于入射X射线的移动方向的增减趋势或荧光发射强度的变化与相邻的闪烁体不同。例如，闪烁体阵列被配置，使得当X射线的入射位置改变时，第一闪烁体的荧光发射强度增加，而同时第二闪烁体的荧光发射强度减小。通过使用这样的闪烁体，可以独立地获取吸收入射和相位信息。然后，通过使用获取的吸收信息，可以获得更精确的微分相位图像或相位图像。以下更详细地描述闪烁体阵列。

图12示出根据本实施例的闪烁体阵列。在图12中，示出基准X射线1201和1205(不设定检测物体304时的基准X射线)的光路、在检测物体304中折射的X射线1202和1206的光路、闪烁体阵列1203和在闪烁体阵列1203中周期性地布置的闪烁体1204和1207。闪烁体1204和1207中的每一个具有三角柱形状。由于X射线，从闪烁体1204和1207发射荧光1208。

如图12的右侧部分示意性地表示的那样，闪烁体1204和1207沿与X射线的入射方向垂直的X方向具有荧光发射强度梯度。

在闪烁体1204和1207之中，具有更长的光路的一个闪烁体发射荧光。另外，闪烁体1204和1207的荧光发射强度分布的变化趋势相反。注意，可以在检测器306与闪烁体1204和1207中的每一个之间设置允许荧光穿过的X射线遮蔽材料。

设ΔX₁表示闪烁体1204中的折射X射线的位置变化、J′₁表示闪烁体1204的荧光发射强度、ΔX₂表示闪烁体1207中的折射X射线的位置变化，并且J′₂表示闪烁体1207的荧光发射强度。在这种情况下，由于相邻的闪烁体的荧光发射强度分布(J(X))中的每一个是对称的，因此，用于荧光发射强度的X射线的位置变化具有以下的关系：

ΔX₁＝-ΔX₂         (6)

另外，通过使用式(4)中的检测物体304中的透射率A，J′₁和J′₂可被表达如下：

J′＝k·I₀A(1-exp(-μ_enl)     (7)

并且，通过使用式(7)，位置变化ΔX可被表达如下：

[数学4]

$\mathrm{\ΔX}=\frac{\tan \mathrm{\α}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{en}}}\ln [(1-J^{\′}/{\mathrm{kI}}_{0}A)/(1-J/{\mathrm{kI}}_0)]---\left(8\right)$

通过将J′₁和J′₂代入式(8)中的ΔX₁和ΔX₂并且通过使用式(6)，A可被计算如下：

[数学5]

$A=[n({J^{\′}}_1+{J^{\′}}_2)+\sqrt{n^2{({J^{\′}}_1+{J^{\′}}_2)}^2-4(2\mathrm{nJ}-J^2)*{J^{\′}}_1*{J^{\′}}_2}]/(2\mathrm{nJ}-J^2)---\left(9\right)$

这里，n＝kI₀。

这里，由于闪烁体的线性能量吸收系数μ_en是已知的，因此，可通过测量基准X射线的荧光发射强度J并通过使用式(3)计算n(即，kI₀)。作为替代方案，通过沿X方向扫描闪烁体阵列1203、获取根据X射线的位置变化的荧光发射强度并且使式(3)适于该荧光发射强度，可以计算有效的kI₀和μ_en。

因此，可通过使用当基准X射线1201入射到闪烁体上时获得的荧光发射强度J、来自闪烁体1204的荧光的荧光发射强度J′₁、来自闪烁体1207的荧光的荧光发射强度J′₂和kI₀计算透射率A。

另外，通过将预定的α和μ_en以及通过测量获得的kI₀、A、J′和J代入式(8)中，可以计算位置变化(ΔX)。

虽然已参照对称的闪烁体1204和1207的荧光发射强度分布描述了本实施例，但是，荧光发射强度分布不需要是对称的。如式(6)所示，如果两个闪烁体之间的荧光发射强度梯度的关系是已知的，则可以计算X射线透射率和位置变化。即，可以使用沿X射线的移动方向具有荧光发射强度的不同的变化的任何相邻的闪烁体。根据这种方法，在从两个闪烁体计算透射率之后获得位置变化。因此，即使对于充分地吸收X射线的检测物体，也可获得高度精确的微分相位图像或相位图像。

以下参照图13所示的流程图描述计算过程。首先，在步骤S400中，获取闪烁体阵列的荧光发射强度数据J′。随后，在步骤S401中，通过使用在步骤S400中获得的相邻的闪烁体的荧光发射强度J′₁和J′₂以及事先在不设定检测物体时获得的kI₀计算透射率A。随后，在步骤S402中，通过将在步骤S400中获得的J′、在步骤S401中获得的透射率A、事先在不设定检测物体时获得的μ_en、kI₀和J、以及α代入式(8)，计算位置变化(ΔX)。在步骤S403中，通过将位置变化(ΔX)和检测物体与闪烁体阵列之间的距离(Z)代入式(1)，计算各X射线的折射角度(Δθ)。在步骤S404中，通过将在步骤S403中计算的Δθ代入式(2)，计算各X射线的微分相位

然后，在步骤S405中，通过关于X方向积分在步骤S404中计算的微分相位

计算相位信息

注意，在步骤S406中，可以根据需要在显示单元308上显示以这种方式获得的吸收图像、微分相位图像和相位图像。

注意，当获得闪烁体1204和1207中的荧光强度的信息时，X方向上的空间分辨率减小1/2。因此，除了上述的测量以外，通过用图3所示的移动单元311沿X方向移动闪烁体阵列1203，可以提高空间分辨率。作为替代方案，通过用移动单元310沿X方向移动检测物体304，可以提高空间分辨率。

如上所述，通过使用闪烁体1204和1207，可以独立地获取X射线吸收效果和折射效果。另外，即使小于等于检测器306的像素尺寸的X射线的位置变化也可被检测到。因此，可以减小检测物体和检测器之间的距离，并因此可以实现设备的小型化。

参照例子更详细地描述本发明。但是，本发明不限于此。可以使用能够将由于折射导致的X射线的位置变化转换成荧光的任意类型的闪烁体阵列、任意形状的闪烁体和任意闪烁体荧光发射强度。

例子

以下描述本发明的例子。

例子1

以下描述根据本发明的例子1的X射线成像设备的示例性配置。本例子与上述的第二实施例对应。

图14示出本例子的示例性配置。在图14中，示出X射线源1401、单色仪1402、分离元件1403、检测物体1404、闪烁体阵列1405、检测器1406、计算单元1407和显示单元1408。注意，可分别通过移动单元1409、1410和1411移动分离元件1403、检测物体1404和闪烁体阵列1405。移动单元1409、1410和1411中的每一个包含步进马达。

使用示为X射线源1401的MO靶旋转阳极X射线产生器单元作为X射线产生器单元。使用高定向热解石墨(HOPG)单色仪1402作为X射线单色仪。单色仪1402提取MO特征X射线。通过单色仪1402单色化的X射线在空间上通过分离元件1403被分离，该分离元件1403被设置在与X射线源1401分开约100cm的位置处。

分离元件1403由W制成，并具有100μm的厚度。分离元件1403具有布置于其中的分别具有40μm的狭缝宽度的狭缝。在闪烁体阵列1405上，狭缝的周期为150μm。注意，作为W的替代，对于材料使用Au、Pb、Ta或Pt。

通过分离元件1403分离的X射线被照射到检测物体1404。X射线透过检测物体1404并入射到闪烁体阵列1405上，该闪烁体阵列1405被设置在与检测物体1404分开50cm的位置处。

闪烁体阵列1405具有布置有分别具有顶角为约80°的三角柱形状的CsI(Tl掺杂)闪烁体的结构。X方向的周期为150μm。闪烁体阵列1405与使用具有25μm的像素尺寸的CCD的检测器1406通过光纤板耦合。包括集成的闪烁体阵列1405和检测器1406的器件检测荧光发射强度。

使得通过分离元件1403分离的X射线入射到三角柱的沿周期性方向的中点。注意，在本例子中，对于通过分离元件1403分离的一个X射线，三角柱的周期性方向上的六个像素的荧光发射强度值被求和。该和被定义为一个闪烁体的荧光发射强度。

通过使用计算单元1407从包含检测强度和位置变化(ΔX)之间的关系的数据表获得位置变化(ΔX)。然后，通过使用式(2)计算折射率(Δθ)。通过使用折射率(Δθ)和式(3)计算微分相位。随后，通过积分所获得的微分相位来获得相位分布图像。在用作PC监视器的显示单元1408上显示由计算单元1407获得的微分相位图像或相位图像。

例子2

以下描述根据本发明的例子2的X射线成像设备的示例性配置。本例子与上述的第一实施例对应。

图15示出本例子的示例性配置。在图15中，示出X射线源1501、检测物体1504、闪烁体阵列1505、X射线检测器1506和显示单元1508。

在本例子中，使用示为X射线源1501的MO靶旋转阳极X射线产生器单元作为X射线产生器单元。由X射线源1501产生的X射线被照射到设定于与X射线源1501离开100cm的位置处的检测物体1504上。X射线透过检测物体1504并入射到设置在与检测物体1504离开65cm的位置处的闪烁体阵列1505上。

闪烁体阵列1505具有布置有分别具有顶角为约80°的三角柱形状的CsI(Tl掺杂)闪烁体的结构。X方向的周期为150μm。闪烁体阵列1505与使用具有25μm的像素尺寸的CCD的检测器1506通过光纤板耦合。包括集成的闪烁体阵列1505和检测器1506的器件检测荧光发射强度。在用作PC监视器的显示单元1508上显示从在不设定检测物体1504时捕获的图像获得的计算图像。

例子3

下面描述根据本发明的例子3的X射线成像设备的示例性配置。本例子与上述的第五实施例对应。

本例子的基本结构与图14所示的例子1类似。但是，闪烁体阵列1405和计算单元1407的配置与例子1不同。

即，通过处理在光纤板上形成的CsI(Tl掺杂)，使得如图16所示的那样具有三角柱形状的杆和具有方形柱形状的杆被交替配置于其中，制成例子3的闪烁体阵列1405。具有三角柱形状的闪烁体1604和具有方形柱形状的闪烁体1605的周期为150μm。闪烁体1604的三角柱的顶角为约80°。三角柱的最大厚度为约13μm。包含在其上形成的闪烁体1604和1605的光纤板与包含具有25μm的像素尺寸的CCD的检测器1406被集成到一起。包括集成的闪烁体阵列1405和检测器1406的器件检测荧光发射强度。

通过分离元件1403分离的X射线入射到相应的闪烁体的沿周期性方向的中点上。

设置成紧接在闪烁体阵列1405的下游的用作检测器的检测器1406检测由X射线引起的荧光的强度。注意，在本例子中，对于通过分离元件1403分离的一个X射线，三角柱的周期性方向上的六个像素的荧光发射强度值被求和。该和被定义为一个闪烁体的荧光发射强度。然后，通过使用移动单元1411沿三角柱和四角柱的周期性方向将闪烁体阵列1405移动150μm(一个周期)。随后，以相同的方式执行测量。通过两次测量，可以获得由已透过检测物体704的X射线引起的具有三角柱和四角柱的闪烁体的荧光发射强度。

通过使用计算单元1407，从事先测量的三角柱的荧光发射强度(J(X))和位置变化(ΔX)的数据表获得吸收量(ΔJ)和位置变化(ΔX)。然后，通过使用位置变化(ΔX)和式(2)计算折射率(Δθ)。通过使用折射率(Δθ)和式(3)计算微分相位。随后，通过积分所获得的微分相位获得相位图像。

根据需要在用作PC监视器的显示单元1408上显示通过计算单元1407获得的X射线吸收图像、X射线微分相位图像和X射线相位图像。

例子4

以下描述根据本发明的例子4的X射线成像设备的示例性配置。本例子与上述的第六实施例对应。

本例子的基本结构与图14所示的例子1和3类似。但是，闪烁体阵列1405和计算单元1407的配置与例子1和3不同。

如图12所示，通过处理在光纤板上形成的CsI(Tl掺杂)，使得分别如下这样的杆被交替布置于其中，该杆具有三角柱形状和与相邻的杆的斜面相反的斜面，制成例子4的闪烁体阵列1405。闪烁体1204和闪烁体1207的周期为150μm。三角柱的顶角为约80°。包含在其上形成的闪烁体1204和1207的光纤板与包含具有25μm的像素尺寸的CCD的检测器1406被集成在一起。包括集成的闪烁体阵列1405和检测器1406的器件检测荧光发射强度。通过分离元件1403分离的X射线入射到相应的闪烁体的沿周期性方向的中点。设置成紧接在闪烁体阵列1405的下游的用作检测器的检测器1406检测由X射线引起的荧光的强度。注意，在本例子中，对于通过分离元件1403分离的一个X射线，闪烁体的周期性方向上的六个像素的荧光发射强度值被求和。该和被定义为一个闪烁体的荧光发射强度。

然后，通过使用移动单元1411沿三角柱的周期性方向将闪烁体阵列1405移动150μm(一个周期)。随后，以相同的方式执行测量。通过两次测量，可以获得由已透过检测物体1404的X射线引起的闪烁体的荧光发射强度。

通过使用计算单元1407，从具有三角柱形状的闪烁体的荧光发射强度和当不设定检测物体1404时获得的测量数据(J(X))计算位置变化(ΔX)和透射率A。然后，通过使用式(2)计算折射率(Δθ)。随后，通过使用折射率(Δθ)和式(3)计算微分相位。通过积分所获得的微分相位来计算相位图像。

根据需要，在用作PC监视器的显示单元1408上显示通过计算单元1407获得的X射线吸收图像、X射线微分相位图像和X射线相位图像。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的这样的变更方式、等同的结构和功能。

本申请要求在2009年7月24日提交的日本专利申请No.2009-173452的权益，在此通过引用将其全文并入此。

附图标记列表

301X射线源

302单色化单元

303分离元件

304检测物体

305闪烁体阵列

306检测器

307计算单元

308显示单元

309移动单元

310移动单元

311移动单元

Claims (12)

1.一种用于获取由检测物体导致的X射线的相位偏移信息的X射线成像设备，包括：

分离元件，被配置用于在空间上分离由X射线产生器单元产生的X射线；

闪烁体阵列，包含布置于其中的多个第一闪烁体，经分离的X射线入射到第一闪烁体上；以及

检测器，被配置用于检测从闪烁体阵列发射的荧光的强度，

其中，每一个第一闪烁体被配置成使得由X射线引起的荧光的强度根据X射线的入射位置而改变。

2.根据权利要求1的X射线成像设备，还包括：

计算单元，被配置用于通过使用由所述检测器检测到的荧光发射强度信息计算所述检测物体的微分相位图像和相位图像中的一个。

3.根据权利要求1或2的X射线成像设备，其中，每一个第一闪烁体具有沿与入射的X射线垂直的方向连续改变的厚度。

4.根据权利要求1～3中的任一项的X射线成像设备，其中，对于每一个第一闪烁体，该第一闪烁体的每单位体积的荧光发射强度沿与入射的X射线垂直的方向连续改变。

5.根据权利要求1～4中的任一项的X射线成像设备，其中，所述闪烁体阵列包含沿同一面内方向的第一闪烁体和第二闪烁体，并且，不管X射线的入射位置如何，每一个第二闪烁体具有恒定的荧光发射强度。

6.根据权利要求5的X射线成像设备，其中，每一个第二闪烁体沿与入射的X射线垂直的方向具有均匀的厚度。

7.根据权利要求5的X射线成像设备，其中，每一个第二闪烁体沿与入射的X射线垂直的方向具有恒定的每单位体积的荧光发射强度。

8.根据权利要求1～4中的任一项的X射线成像设备，其中，闪烁体阵列包含第一闪烁体和第三闪烁体，所述第一闪烁体和第三闪烁体均被配置为使得其的由X射线引起的荧光发射强度根据X射线的入射位置改变，并且，第一闪烁体和第三闪烁体关于入射的X射线的移动方向具有不同的荧光发射强度的变化或不同的荧光发射强度的增减趋势。

9.根据权利要求1～8中的任一项的X射线成像设备，还包括：

移动单元，被配置用于以同步的方式移动闪烁体阵列和检测器。

10.一种用于X射线成像设备的X射线成像方法，包括以下的步骤：

空间分离X射线；和

通过使用闪烁体阵列从荧光发射强度分布获取由检测物体导致的X射线的相位偏移信息，所述闪烁体阵列包含布置于其中的多个闪烁体，由X射线引起的每一个闪烁体的荧光发射强度根据X射线的入射位置改变。

11.一种X射线成像设备，包括：

闪烁体阵列，包含布置于其中的多个闪烁体，每一个闪烁体根据当X射线透过检测物体时导致的X射线的强度分布的变化而改变由X射线引起的荧光的强度；和

检测器，被配置用于检测从闪烁体阵列发射的荧光的强度。

12.一种用于X射线成像设备的X射线成像方法，包括以下的步骤：

通过使用闪烁体阵列检测从所述闪烁体阵列发射的荧光的强度，所述闪烁体阵列包含布置于其中的多个闪烁体，对于每一个闪烁体，由X射线引起的荧光的强度根据X射线透过检测物体时的X射线的强度分布的变化而改变。

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