CN102551759A - 放射线成像系统和放射线照相图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图像处理器，包括：位置偏离量计算部、位置偏离量校正部、微分相位图像产生器和减法处理部。位置偏离量计算部通过检测根据初步放射线照相中获得的图像数据产生的强度调制信号与根据实际放射线照相中获得的图像数据产生的强度调制信号之间的差值，计算初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的位置偏离量。位置偏离量校正部使用计算出的位置偏离量，校正由微分相位图像产生器在实际放射线照相中产生第一微分相位图像时使用的扫描位置数据。减法处理部从实际放射线照相中产生的第一微分相位图像中减去在初步放射线照相中产生的第二微分相位图像。

Description

放射线成像系统和放射线照相图像处理方法

技术领域

本发明涉及使用条纹扫描方法的放射线成像系统，及其放射线照相图像处理方法。

背景技术

由于X射线的衰减取决于构成对象的元素的原子数和对象的密度和厚度这一特性，X射线用作用于无创地对对象内部进行成像的探头。使用X射线的放射线照相术变为在医疗诊断、非破坏性检查等等领域中广泛使用。

在用于捕捉对象的放射线照相图像的传统X射线成像系统中，被检体置于用于发射X射线的X射线源与用于检测X射线的X射线图像检测器之间。在这种情况下，从X射线源发射至X射线图像检测器的X射线根据在通向X射线图像检测器的X射线路径中存在的物质的特性(原子数、密度和厚度)而衰减(吸收)。此后，X射线入射在X射线图像检测器的像素上，因此，X射线图像检测器检测到对象的X射线吸收对比图像。作为X射线图像检测器，除了X射线增光屏和胶片的组合以及辉尽性荧光体之外，广泛使用由半导体电路组成的平板检测器(FPD)。

构成物质的元素的原子数越小，物质所具有的X射线吸收率越低。因此，存在以下问题：由于较低的X射线吸收率，活体软组织、柔软物质等等的X射线吸收对比图像不能具有足够的图像对比度。以人体关节的情况为例，关节软骨及其周围的滑液均具有水作为主要成分，其间的X射线吸收率的差别很小。因此，关节的X射线吸收对比图像不能具有足够的对比度。

以这一问题为背景，近年来对X射线相位成像进行了有效研究。在X射线相位成像中，基于由对象的折射率的差异而导致的X射线的相位改变(角度改变)，而不是基于对象对X射线的强度改变，来获得图像(以下称为相位对比图像)。当X射线入射在对象上时，X射线的相位改变大于强度改变。相应地，即使对象由具有低X射线吸收率的物质构成，使用相位改变的X射线相位成像也允许获得具有高对比度的图像。

采用X射线相位成像，提出了一种使用Talbot效应来捕捉相位对比图像的放射线成像系统(例如参见与日本专利No.4445397相对应的美国专利No.7,180,979和C.David等人于2002年10月编写的AppliedPhysics Letters Vol.81，No.17，page 3287)。在这种系统中，第一和第二栅格平行布置，其间具有预定距离。利用Talbot效应，在第二栅格的位置形成第一栅格的本身图像。第二栅格对该本身图像应用强度调制，并产生条纹图像。在通过对本身图像进行强度调制而获得的条纹图像中，反映对象的相位信息。

存在各种方法来从条纹图像获得对象的相位信息，如条纹扫描方法、莫尔干涉方法和傅立叶变换方法。美国专利No.7,180,979使用条纹扫描方法。在条纹扫描方法中，只要第二栅格沿与栅格方向近似垂直的方向相对于第一栅格平移(扫描)小于栅格间距的预定量，则捕捉图像，从而获得多个条纹图像。根据多个条纹图像，基于每个个体像素值的强度改变，获得与X射线的相位改变量相对应的微分相位值。基于微分相位值的二维图像(微分相位图像)，产生相位对比图像。条纹扫描方法可用于使用激光而不是X射线的成像系统中(参见例如Hector Canabal等人于1998年9月编写的Applied Optics Vol.37，No.26，page 6227)。

然而，在条纹扫描方法中，如果在第一和第二栅格中出现制造误差、失真、未对准等等，则将与对象无关的值添加到每个像素的微分相位值。为了解决这一问题，美国专利No.7,180,979公开了在存在对象情况下执行的实际放射线照相和在不存在对象的情况下执行的初步放射线照相中的每一个中捕捉微分相位图像。通过从在实际放射线照相中获得的第一微分相位图像中减去在初步放射线照相中获得的第二微分相位图像，获得归因于对象本身的微分相位图像。

这种校正方法在校正初步放射线照相与实际放射线照相之间共有的因子(如第一和第二栅格的制造误差以及失真)时是有效的。然而，在校正初步放射线照相与实际放射线照相扫描位置的偏离时，这种校正方法是无效的。美国专利No.7,180,979描述了利用相同表达式来计算第一微分相位图像和第二微分相位图像。因此，美国专利No.7,180,979显然未考虑扫描位置的偏离。

发明内容

本发明的目的是提供一种放射线成像系统和放射线照相图像处理方法，可以校正由于初步放射线照相与实际放射线照相之间扫描位置的偏离而导致的伪像。

为了实现上述和其他目的，根据本发明的一种放射线成像系统包括：第一和第二光栅；扫描装置；放射线照相图像检测器；微分相位图像产生装置；位置偏离量计算装置；位置偏离量校正装置；以及减法处理装置。第一和第二光栅相对布置，同时光栅方向一致。扫描装置将第一和第二光栅之间的相对位置改变为与光栅方向垂直的方向，从而依次将所述相对位置设置在多个扫描位置处。当所述相对位置设置在每个扫描位置处时，放射线照相图像检测器捕捉从放射线源施加的穿过第一和第二光栅的放射线的图像，并产生图像数据。微分相位图像产生装置通过获得强度调制信号的相移量来产生微分相位图像。强度调制信号表示图像数据中包含的每个像素值的与扫描位置相关的改变。微分相位图像产生装置根据在存在样本的情况下执行的实际放射线照相中获得的图像数据产生第一微分相位图像，并根据在不存在样本的情况下执行的初步放射线照相中获得的图像数据产生第二微分相位图像。位置偏离量计算装置通过检测在初步放射线照相中获得的强度调制信号与在实际放射线照相中获得的强度调制信号之间的差值，计算初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的位置偏离量。位置偏离量校正装置基于位置偏离量，校正微分相位图像产生装置在产生第一和第二微分相位图像之一时使用的扫描位置数据。减法处理装置从第一微分相位图像中减去第二微分相位图像。

优选地，放射线照相图像检测器具有多个像素，位置偏离量计算装置利用每个像素的强度调制信号，统计计算每个扫描位置的位置偏离量。此外，优选地，放射线照相图像检测器具有非样本检测区域，在所述非样本检测区域上，从放射线源发射的放射线入射而不穿过样本，在计算位置偏离量时使用的多个像素属于所述非样本检测区域。优选地，位置偏离量计算装置逐像素地计算每个扫描位置的位置偏离量，并通过检测与位置偏离量相关的像素数目的频率分布的峰值、均值或中值，来确定每个扫描位置的位置偏离量。

优选地，位置偏离量计算装置对在从实际放射线照相和初步放射线照相之一中的像素之一获得的强度调制信号中的彼此相邻扫描位置之间的像素值执行内插，并参照内插后的强度调制信号来计算从实际放射线照相和初步放射线照相中的另一个中的相同像素获得的强度调制信号的每个扫描位置处的位置偏离量。位置偏离量计算装置可以执行彼此相邻扫描位置之间的像素值的线性内插，或者可以执行在实际放射线照相或初步放射线照相中获得的强度调制信号中的像素值的外推，以使得强度调制信号成为多于一个周期的周期波。

优选地，微分相位图像产生装置使用基于最小二乘(least square)的计算表达式来计算强度调制信号的相移量。

放射线成像系统还可以包括：相位对比图像产生装置，用于沿改变相对位置的方向对微分相位图像产生装置所产生的微分相位图像进行积分，以产生相位对比图像。

第一光栅可以是吸收光栅，并且可以以几何光学的方式，将从放射线源入射的放射线投影至第二光栅上。在另一情况下，第一光栅可以是相位光栅，并且可以导致在放射线源入射的放射线中的Talbot效应，以在第二光栅的位置形成本身图像。

一种放射线照相图像处理方法，包括以下步骤：通过检测在不存在样本的情况下执行的初步放射线照相中获得的强度调制信号与在存在样本的情况下执行的实际放射线照相中获得的强度调制信号之间的差值，计算初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的位置偏离量；利用位置偏离量，校正微分相位图像产生装置在产生第一和第二微分相位图像之一时使用的扫描位置数据；利用校正后的扫描位置数据，由微分相位图像产生装置根据在实际放射线照相中获得的图像数据来产生第一微分相位图像，根据在初步放射线照相中获得的图像数据来产生第二微分相位图像；以及从第一微分相位图像中减去第二微分相位图像。

根据本发明，通过检测在初步放射线照相中获得的强度调制信号与在实际放射线照相中获得的强度调制信号之间的差值，计算初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的位置偏离量。然后，使用计算出的位置偏离量来校正在产生微分相位图像时使用的扫描位置数据，使得在实际和初步放射线照相中扫描位置一致。此后，从在实际放射线照相中产生的第一微分相位图像中减去在初步放射线照相中产生的第二微分相位图像。因此，可以校正由于初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的偏离而导致的伪像。

附图说明

为了更完整地了解本发明及其优点，现在参考结合附图做出的以下描述，附图中：

图1是X射线成像系统的示意图；

图2是成像单元的盒的示意立体图；

图3是X射线图像检测器的示意图；

图4是用于解释透过对象的X射线的折射角和偏移量的解释图；

图5是条纹扫描方法的解释图；

图6是图像处理器的框图；

图7是示出在实际放射线照相和初步放射线照相期间，从非样本检测区域中的像素输出的强度调制信号的示例的图；

图8是解释了用于计算与扫描位置之间的位置偏离量的方法的图；

图9是示出了由位置偏离量计算部计算的位置偏离量的示例的图；以及

图10是示出了像素数目相对于位置偏离量的频率分布的示例的图。

具体实施方式

如图1所示，X射线成像系统10由以下构成：X射线源11、成像单元12、存储器13、图像处理器14、图像存储器15、成像控制器16、控制台17、以及系统控制器18。X射线源11具有旋转阳极类型的X射线管和用于例如限制X射线的辐照场并向样本H发射X射线的准直仪。

成像单元12由以下各项构成：X射线图像检测器20、第一光栅21、以及第二光栅22。第一和第二光栅21和22是吸收光栅，在作为X射线传播方向的Z方向上与X射线源11相对。在X射线源11与第一光栅21之间提供了用于在其中布置样本H的空间。例如，X射线图像检测器20是使用半导体电路的平板检测器(FPD)。X射线图像检测器20布置在第二光栅22之后，使其检测面与Z方向垂直。

X射线图像检测器20的检测面被划分为样本检测区域20a和非样本检测区域20b。在样本检测区域20a上，已经穿过样本H的X射线主要通过第一和第二光栅21和22入射。另一方面，已经通过样本H周围的空间传播而未穿过样本H本身的X射线通过第一和第二光栅21和22入射在非样本检测区域20b上。

第一光栅21具有沿Y方向延伸的多个X射线吸收部21a和X射线透射部21b，Y方向是与Z方向垂直的平面中的一个方向。X射线吸收部21a和X射线透射部21b沿与Z和Y方向均垂直的X方向交替布置，以形成条形图案。类似地，第二光栅22具有沿Y方向延伸并沿X方向交替布置的多个X射线吸收部22a和X射线透射部22b。X射线吸收部21a和22a由具有X射线吸收率的金属(如金(Au)或铂(Pt))制成。X射线透射部21b和22b由具有X射线透射性的物质(如硅(Si)或树脂)制成。

存储器13临时存储从成像单元12读出的图像数据。图像处理器14基于存储器13中存储的多个帧的图像数据来产生相位对比图像。图像存储器15记录图像处理器14产生的相位对比图像。成像控制器16控制X射线源11和成像单元12。

控制台17包括：操作单元17a，用于输入初始放射线照相和实际放射线照相的成像条件和执行命令(如下所述)；以及监视器17b，用于显示放射线照相信息和所捕捉的图像。系统控制器18根据从操作单元17a输入的信号来执行每个部件的集中控制。

成像单元12包括：扫描机构(扫描装置)23，沿X方向平移第二光栅22，以相对于第一光栅21改变第二光栅22的位置。例如，扫描机构23由如压电元件之类的致动器组成。在执行条纹扫描期间，成像控制器16驱动扫描机构23。在执行条纹扫描期间，将X射线图像检测器20在每个扫描位置捕捉的图像数据写至存储器13，以后将描述细节。

具有上述结构的成像单元12包含在矩形盒30中，如图2所示。在盒30的X射线入射面31中，印制了中心线32和33以及矩形框线34。中心线32和33分别指示相对于X和Y方向的中心。框线34指示X射线图像检测器20的样本检测区域20a与非样本检测区域20b之间的边界。框线34的外部对应于非样本检测区域20b。

如图3所示，X射线图像检测器20由以下各项构成：成像部41、扫描电路42和读出电路43。成像部41具有在有源矩阵衬底上沿X和Y方向二维布置的多个像素40。每个像素40将X射线转换为电荷，并蓄积电荷。扫描电路42控制从像素40读出电荷的读出定时。读出电路43从像素40读出电荷，将电荷转换为图像数据，并输出图像数据。扫描电路42通过扫描线44逐行连接至每个像素40。读出电路43通过信号线逐列连接至每个像素40。在X和Y方向中的每一个上，像素40的布置间距都在100μm量级。

像素40是直接转换类型X射线检测元件，其中由非晶硒等制成的转换层(未示出)将X射线直接转换为电荷，所转换的电荷蓄积在电容器(未示出)中，该电容器连接至转换层之下的电极。每个像素40具有TFT开关(未示出)。TFT开关的栅电极连接至扫描线44，其源电极连接至电容器，其漏电极连接至信号线45。当来自扫描电路42的驱动脉冲导通TFT开关时，将电容器中蓄积的电荷读出至信号线45。

每个像素40可以是间接转换类型的X射线检测元件，其中由氧化钆(Gd₂O₃)、碘化铯(CsI)等制成的闪烁体(未示出)将X射线转换为可见光，光电二极管(未示出)将可见光转换为电荷。X射线图像检测器20不限于基于TFT板的FPD，而是还可以使用基于固态图像传感器(如CCD或CMOS图像传感器)的另一类型的放射线照相图像检测器。

读出电路43包括积分放大器、A/D转换器、校正部等等(均未示出)。积分放大器通过积分将通过信号线45从像素40输出的电荷转换为作为电压信号的图像信号。A/D转换器将积分放大器产生的图像信号转换为数字图像数据。校正部对组成图像数据的每个像素值应用暗电流校正、增益校正、线性校正等等，并将校正后的图像数据输入至存储器13。

系统控制器18经由成像控制器16来控制扫描电路42和读出电路43。如上所述，成像部41被划分为样本检测区域20a和非样本检测区域20b。样本检测区域20a和非样本检测区域20b具有相同结构的像素40。系统控制器18根据指示每个扫描线44和每个信号线45的地址，将布置在样本检测区域20a中的像素40与布置在非样本检测区域20b中的像素40进行区分。

在图4中，从X射线源11发射的X射线是从X射线焦点11a发散的锥形束。因此，由穿过第一光栅21的X射线所产生的第一周期图案图像(以下称为G1图像)被按照到X射线焦点11a的距离成比例地放大。第二光栅22的X射线吸收部22a沿X方向的布置间距p₂和宽度d₂由以下表达式(1)和(2)来确定，其中利用了：X射线焦点11a与第一光栅21之间的长度L₁、第一和第二光栅21和22之间的长度L₂、以及第一光栅21的X射线吸收部21a的布置间距p₁和宽度d₁。

$p_2=\frac{L_1+L_2}{L_1}{p}_1...\left(1\right)$

$d_2=\frac{L_1+L_2}{L_1}{d}_1...\left(2\right)$

例如，布置间距p₂为5μm，宽度d₂是布置间距p₂的一半，即2.5μm。考虑到从X射线源11发射的X射线的锥形束的渐晕(vignetting)，X射线吸收部21a沿Z方向的厚度在例如100μm量级。

第一和第二光栅21和22以几何光学的方式对穿过X射线透射部21b和22b的X射线进行投影。更具体地，由于X射线透射部21b和22b沿X方向的宽度(等于宽度d₁和d₂)被设置为与从X射线源11发射的X射线的峰值波长相比足够大，因此第一和第二光栅22直接透过几乎所有X射线而无衍射。当使用钨作为X射线源11中的X射线管的旋转阳极并且管电压为例如50kV时，X射线的峰值波长近似为

在这种情况下，X射线透射部21b和22b的可允许宽度在1至10μm量级。

在Talbot干涉仪的情况下，长度L₂受限于Talbot距离。然而，在该实施例中，可以不考虑Talbot距离来确定长度L₂，因为第一和第二光栅21和22以几何光学方式来投影X射线。

如上所述，根据本实施例的成像单元12不构成Talbot干涉仪。然而，在第一光栅21衍射X射线并带来Talbot干涉的假设下，使用布置间距p₁和p₂、X射线的波长λ以及正整数m，利用以下表达式(3)来表示Talbot距离Z_m：

$Z_m=m\frac{p_1{p}_2}{\mathrm{\λ}}...\left(3\right)$

表达式(3)表示在X射线源11发射X射线的锥形束时的Talbot距离，并且通过Atsushi Momose等人于2008年10月编写的Japanese Journal ofApplied Physics Vol.47，No.10，page 8077已知。

在本实施例中，可以不考虑Talbot距离Z_m来设置长度L₂。因此，为了使成像单元12尺寸较小，将长度L₂设置为短于在m＝1时定义的最小Talbot距离Z₁。换言之，长度L₂满足以下表达式(4)：

$L_2<\frac{p_1{p}_2}{\mathrm{\&lambda;}}...\left(4\right)$

在具有上述结构的成像单元12中，第一光栅21产生G1图像。然后，第二光栅22通过叠加来对G1图像应用强度调制，并产生第二周期图案图像(以下称为G2图像)。X射线图像检测器20捕捉G2图像。如果由于定位误差等，在第二光栅22的位置形成的G1图像的图案周期与第二光栅22的光栅周期(布置间距p₂)之间存在微小差异，则在G2图像中出现莫尔条纹。即使在莫尔条纹出现时，如以下所述，如果莫尔条纹的周期不同于像素40的X射线接收区域的大小，则在获得强度调制信号方面不会出现问题。

当样本H置于X射线源11和第一光栅21之间时，样本H对G2图像进行调制。该调制量取决于由于折射而偏转的X射线的角度。

接下来描述条纹扫描方法。图4示出了根据样本H相对于X方向的相移量分布Φ(x)而折射的X射线的路线示例。引用标号X1指示在不存在样本H的情况下沿直线行进的X射线的路线。沿该路线X1行进的X射线穿过第一和第二光栅21和22，并且入射在X射线图像检测器20上。另一方面，引用标号X2指示在存在样本H的情况下，由样本H折射的X射线的路线。沿该路线X2行进的X射线穿过第一光栅21，然后被第二光栅22的X射线吸收部22a吸收。

样本H的相移量分布Φ(x)由以下表达式(5)表示：

$\mathrm{\&Phi;}\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\&Integral;[1-n(x,z)]\mathrm{dz}...\left(5\right)$

其中n(x，z)表示样本H的折射率分布。为了简单，在表达式(5)中省去Y坐标。

由于X射线穿过样本H时的折射，在第二光栅22的位置处，由第一光栅21形成的G1图像沿X方向发生与折射角φ相对应的量的位移。在折射角φ充分小的条件下，该由于折射导致的位移Δx由以下表达式(6)近似表示：

$\mathrm{\&Delta;x}\&ap;L_2\mathrm{\&phi;}...\left(6\right)$

使用X射线的波长λ和相移量分布Φ(x)，利用以下表达式(7)来表示折射角φ：

$\mathrm{\&phi;}=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}\left(x\right)}{\&PartialD;x}...\left(7\right)$

从上述表达式显而易见，位移Δx与样本H的相移量分布Φ(x)相关。此外，位移Δx和折射角φ与样本H对每个像素40的强度调制信号的相移量ψ相关，如以下表达式(8)所表示。强度调制信号是表示像素值的与第二光栅22相对于第一光栅21的扫描位置相关的改变的波形信号，以后将描述细节。

$\mathrm{\&psi;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{p_2}\mathrm{\&Delta;x}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{p_2}{L}_2\mathrm{\&phi;}...\left(8\right)$

因此，确定每个像素40的强度调制信号的相移量ψ使得使用表达式(8)获得折射角φ，还使得使用表达式(7)获得相移量分布Φ(x)。

在条纹扫描方法中，第一和第二光栅21和22中的一个相对于另一个沿X方向平移(扫描)。当第一和第二光栅21和22设置在每个个体预定扫描位置处时，捕捉G2图像。在本实施例中，第一光栅21是固定的，而利用扫描机构23沿X方向移动第二光栅22。随着第二光栅22的移动，在G2图像中出现的莫尔条纹改变。当移动距离达到第二光栅22的光栅周期(布置间距p₂)时，莫尔条纹返回原始位置。

图5示意性示出了将第二光栅22移动扫描间距p₂/M的状态，其中布置间距p₂除以M(2或更大整数)。扫描机构23逐步将第二光栅22移至由k＝0，1，2，...，M-1表示的M个扫描位置中的每一个。

在k＝0的位置，未被样本H折射的X射线主要穿过第二光栅22。当第二光栅22依次移至k＝1，2，...时，在通过第二光栅22检测到的X射线中，非折射X射线分量(未被样本H折射的X射线)减少，折射X射线分量(被样本H折射的X射线)增加。特别地，在k＝M/2的位置，通过第二吸收光栅22实质上仅检测到折射X射线分量。相反，在位置M/2之后，在通过第二吸收光栅22检测到的X射线中，折射X射线分量减少，非折射X射线分量增加。

由于X射线图像检测器在k＝0，1，2，...，M-1的每个扫描位置捕捉G2图像，因此将M个图像数据记录至存储器13。逐像素获得的M个像素值组成强度调制信号。在存在样本H的情况下执行的实际放射线照相和在不存在样本H的情况下执行的初步放射线照相中的每一个中，执行通过条纹扫描来获得M个图像数据，并将所获得的图像数据记录至存储器13。

接下来将描述图像处理器14的配置。如图6所示，图像处理器14由以下各项构成：微分相位图像产生器(微分相位图像产生装置)50、校正数据存储器51、减法处理部(减法处理装置)52、相位对比图像产生器(相位对比图像产生装置)53、非检测区域数据提取部54、非检测区域数据存储器55、位置偏离量计算部(位置偏离量计算装置)56、以及位置偏离量校正部(位置偏离量校正装置)57。在图6中，附着至箭头的“A”指示在实际放射线照相期间操作的组件中流动的各种类型数据的路线。“B”指示在初步放射线照相期间操作的组件中流动的各种类型数据的路线。“A/B”指示在实际放射线照相和初步放射线照相中均操作的组件中流动的各种类型数据的路线。

将在实际和初步放射线照相期间通过条纹扫描获得并记录至存储器13的M个图像数据读出至微分相位图像产生器50。微分相位图像产生器50根据M个图像数据来产生微分相位图像。在实际放射线照相期间产生的第一微分相位图像输入至减法处理部52。在初步放射线照相期间产生的第二微分相位图像输入至校正数据存储器51作为校正数据。校正数据存储器51存储输入的第二微分相位图像，并在实际放射线照相中将第二微分相位图像输入至减法处理部52。

减法处理部52执行校正过程，通过校正过程，从第一微分相位图像中减去第二微分相位图像，并将校正后的微分相位图像输入至相位对比图像产生器53。相位对比图像产生器53沿X方向对校正后的微分相位图像进行积分，以产生相位对比图像。所产生的相位对比图像输入至图像存储器15。

非检测区域数据提取部54从记录至存储器13的M个图像数据中的每一个中提取与非样本检测区域20b相对应的数据(以下称为非检测区域数据)。在实际放射线照相期间提取的第一非检测区域数据输入至位置偏离量计算部56。另一方面，在初步放射线照相期间提取的第二非检测区域数据输入至非检测区域数据存储器55。非检测区域数据存储器55记录输入的第二非检测区域数据，并在实际放射线照相中将第二非检测区域数据输入至位置偏离量计算部56。

位置偏离量计算部56基于输入的第一和第二非检测区域数据，统计计算实际放射线照相中的扫描位置k与初步放射线照相中的扫描位置k的位置偏离量α_k，并将计算出的位置偏离量α_k输入至位置偏离量校正部57，以下将描述细节。位置偏离量校正部57通过将偏离量α_k与实际放射线照相中的扫描位置数据k相加来进行校正，并将校正后的扫描位置数据k+α_k提供给微分相位图像产生器50。

在初步放射线照相期间，微分相位图像产生器50基于具有规则间隔(布置间距p₂除以M)的扫描位置数据k来计算强度调制信号的相移量ψ，以产生第二微分相位图像。另一方面，在实际放射线照相期间，微分相位图像产生器50基于具有不规则间隔的校正后的扫描位置数据k+α_k来计算强度调制信号的相移量ψ，以产生第一微分相位图像。

将描述一种用于通过位置偏离量计算部56来计算位置偏离量α_k的方法。图7示出了基于在实际和初步放射线照相中获得的第一和第二非检测区域数据的单一像素40的强度调制信号的示例。图4示出了M＝10的情况，假定扫描位置k的位置具有规则间隔，在图上绘出了强度调制信号的像素值。在图4中，实际放射线照相与初步放射线照相之间强度调制信号的偏离主要由实际放射线照相与初步放射线照相之间扫描位置k的偏离引起。

位置偏离量计算部56通过计算实际放射线照相期间每个像素值相对于初步放射线照相的强度调制信号的偏离，来确定扫描位置k的偏离量α_k。更具体地，如图8中所示，基于在初步放射线照相中获得的第二非检测区域数据中包含的每个像素40的M个像素值，在邻接扫描位置之间线性内插像素值，以产生连续的强度调制信号。此后，对于在实际放射线照相中获得的第一非检测区域数据中包含的每个像素40的M个像素值，在每个扫描位置k确定与线性内插之后的强度调制信号的偏离量α_k。注意，可以使用曲线内插来代替线性内插。

优选地，位置偏离量α_k在-1至1的范围内。然而，由于初步放射线照相中的强度调制信号在范围0≤k≤M-1之外不存在，因此在扫描位置k＝0处的位置偏离量α₀或在扫描位置k＝M-1处的位置偏离量α_M-1在-1至1的范围之外。在图7中，位置偏离量α₉在-1至1的范围之外，因此仅通过图7所示的内插不能精确确定位置偏离量α₉。因此，位置偏离量计算部56使用直线或曲线，对初步放射线照相中在0≤k≤M-1的范围之外的强度调制信号进行外推，以使得强度调制信号成为多于一个周期的周期波。此后，确定位置偏离量α_k。

在图9中，箭头表示位置偏离量计算部56使用图7所示的强度调制信号确定的位置偏离量α_k。在本示例中，初步放射线照相中的强度调制信号相对于实际放射线照相中的强度调制信号向k的正向偏移。因此，在将初步放射线照相中的强度调制信号的外推至k≥M-1的范围外的情况下，将位置偏离量α₉计算为0至1的范围内的值。注意，取代外推，可以针对多于一个周期执行扫描操作，可以通过试验获得0≤k≤M-1范围之外的强度调制信号。此外，位置偏离量计算部56计算非样本检测区域20b中的每个像素40的位置偏离量α_k，并统计确定位置偏离量α_k的集合。这是由于，针对非样本检测区域20b中的每个像素40，不是始终计算相同的位置偏离量α_k。更具体地，如图10所示，创建像素数目相对于位置偏离量α_k的频率分布，以检测峰值(模式)。该峰值设置在位置偏离量α_k处。在每个扫描位置k执行该操作。注意，取代峰值，可以检测频率分布的均值或中值。

接下来将描述使用校正后的扫描位置数据k+α_k来计算强度调制信号的相移量ψ(x)的方法。首先，在扫描位置k+α_k处的像素值I_k(x)由以下表达式(9)表示：

$I_k\left(x\right)=A_0+\underset{n>0}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_n\exp \left[\mathrm{ni}\right\{\mathrm{\&psi;}\left(x\right)+{\mathrm{\&delta;}}_k\left\}\right]...\left(9\right)$

其中，“x”表示像素40的X坐标。“A₀”表示入射X射线的强度，“A_n”表示与强度调制信号的幅度相对应的值。“n”表示正整数，“i”是虚数单位。“δ_k”由以下表达式(10)表示：

${\mathrm{\&delta;}}_k=2\mathrm{\&pi;}\frac{k+{\mathrm{\&alpha;}}_k}{M}...\left(10\right)$

在上述表达式(9)中，忽略n≥2的高阶项，通过以下表达式(11)将像素值I_k(x)表示为正弦波：

I_k(x)＝A₀+A₁ cos[ψ(x)+δ_k]    ... (11)

满足上述表达式(11)的像素值I_k(x)是理论值。X射线图像检测器20实际获得的测量值包括误差。为了根据像素值I_k(x)的测量值来计算相移量ψ(x)，首先将上述表达式(11)变换为以下表达式(12)：

I_k(x)＝a₀+a₁ cosδ_k+a₂ sinδ_k    ...(12)

这里，参数a₀，a₁和a₂由以下表达式(13)至(15)表示：

a₀＝A₀    ...(13)

a₁＝A₁cosψ(x)     ...(14)

a₂＝-A₁sinψ(x)    ...(15)

使用最小二乘方法，确定使像素值I_k(x)的理论值与测量值之间的差值最小的参数a₀，a₁和a₂。因此，将相移量ψ(x)计算为以下表达式(16)：

$\mathrm{\&psi;}\left(x\right)=-{\tan }^{-1}\frac{a_2}{a_1}...\left(16\right)$

在Toyohiko Yatagai编写，由Maruzen Publishing Co.，Ltd.于2005年2月15日发布的“The second edition of Applied Optics，Introduction toOptical Measurement”的196至198页上，描述了使用最小二乘方法来计算相移量的计算方法。通过求解从最小二乘方法得到的行列式(17)，确定参数a₀，a₁和a₂。

a＝A^-1(δ_k)B(δ_k)    ...(17)

这里，矩阵a，A(δ_k)和B(δ_k)分别由以下表达式(18)至(20)表示：

$a=\left(\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right)...\left(18\right)$

$A\left({\mathrm{\&delta;}}_k\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\cos {\mathrm{\&delta;}}_k& \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sin {\mathrm{\&delta;}}_k\\ \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\cos {\mathrm{\&delta;}}_k& \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\cos }^2{\mathrm{\&delta;}}_k& \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\cos {\mathrm{\&delta;}}_k\sin {\mathrm{\&delta;}}_k\\ \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sin {\mathrm{\&delta;}}_k& \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\cos {\mathrm{\&delta;}}_k\sin {\mathrm{\&delta;}}_k& \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\sin }^2{\mathrm{\&delta;}}_k\end{array}\right)...\left(19\right)$

$B\left({\mathrm{\&delta;}}_k\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_k\left(x\right)\\ \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_k\left(x\right)\cos {\mathrm{\&delta;}}_k\\ \frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_k\left(x\right)\sin {\mathrm{\&delta;}}_k\end{array}\right)...\left(20\right)$

尽管在以上描述中未考虑每个像素40的Y坐标，但是关于像素40的Y坐标执行类似计算允许获得沿X和Y方向的相移量的二维分布ψ(x，y)。该分布ψ(x，y)对应于微分相位图像。

在以上描述中，忽略n≥2的高阶项，将表达式(9)变换为表达式(11)。然而，如果涉及n≥2的项，上述表达式(16)至(20)类似地成立，因为n≥2的高阶项是要以线性组合添加的项。

在实际放射线照相中，微分相位图像产生器50基于上述表达式(16)至(20)来计算第一微分相位图像ψ₁(x，y)。在初步放射线照相中，微分相位图像产生器50可以在α_k＝0的条件下，以类似方式基于上述表达式(16)至(20)来计算第二微分相位图像ψ₂(x，y)，但是在α_k＝0的情况下，可以使用更简单的表达式。

以下将描述在α_k＝0的情况下的计算方法。在α_k＝0的情况下，由于δ_k以等间隔取值，表达式(19)右侧的矩阵的所有非对角线元素变为0，将表达式(19)变换为表达式(21)。

$A\left({\mathrm{\&delta;}}_k\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \frac{1}{2}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{2}\end{array}\right)...\left(21\right)$

将A(δ_k)代入表达式(17)，通过以下表达式(22)和(23)来表示参数a₁和a₂：

$a_1=\frac{2}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_k\left(x\right)\cos {\mathrm{\&delta;}}_k...\left(22\right)$

$a_2=\frac{2}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_k\left(x\right)\sin {\mathrm{\&delta;}}_k...\left(23\right)$

从而，在初步放射线照相中，微分相位图像产生器50可以基于上述表达式(16)、(22)和(23)来计算第二微分相位图像ψ₂(x，y)。注意，第二微分相位图像ψ₂(x，y)归因于在初步放射线照相和实际放射线照相之间不改变的第一和第二光栅21和22的制造误差和失真。

减法处理部52从第一微分相位图像ψ₁(x，y)中减去第二微分相位图像ψ₂(x，y)。校正扫描位置数据可以消除初步放射线照相与实际放射线照相之间的扫描位置的偏离的影响。因此，减法处理部52获得的校正后的微分相位图像仅包含样本H的相位信息，改进了图像质量。

接下来将描述具有上述结构的X射线成像系统10的操作。当在不存在样本H的情况下从操作单元17a输入初步放射线照相命令时，扫描机构23将第二光栅22平移预定扫描间距(p₂/M)。当第二光栅22到达每个扫描位置k时，X射线源11发射X射线，X射线图像检测器20检测G2图像。相应地，产生M个图像数据并记录至存储器13。

然后，图像处理器14从存储器13中读出M个图像数据。在图像处理器14中，微分相位图像产生器50产生第二微分相位图像ψ₂(x，y)，并将图像ψ₂(x，y)输出至校正数据存储器51作为校正数据。同时，从M个图像数据中的每一个中提取与非样本检测区域20b相对应的第二非检测区域数据，并将其记录至非检测区域数据存储器55。初步放射线照相中的操作现在完成。

此后，在存在样本H的情况下，从操作单元17a输入实际放射线照相命令，扫描机构23以如上相同方式平移第二光栅22。当第二光栅22到达每个扫描位置k时，X射线源11发射X射线，X射线图像检测器20检测G2图像。相应地，产生M个图像数据并记录至存储器13。

然后，图像处理器14从存储器13中读出M个图像数据。在图像处理器14中，非检测区域数据提取部54从M个图像数据中的每一个中提取与非样本检测区域20b相对应的第一非检测区域数据，并将第一非检测区域数据输入至位置偏离量计算部56。同时，将记录至非检测区域数据存储器55的第二非检测区域数据输入至位置偏离量计算部56。

位置偏离量计算部56统计计算实际放射照相中的扫描位置k相对于初步放射线照相的偏离量α_k，并将偏离量α_k输入至位置偏离量校正部57。位置偏离量校正部57通过添加偏离量α_k来对实际放射线照相中的扫描位置数据k进行校正。校正后的扫描位置数据k+α_k输入至微分相位图像产生器50。

微分相位图像产生器50使用校正后的扫描位置数据k+α_k来产生第一微分相位图像ψ₁(x，y)，并将第一微分相位图像ψ₁(x，y)输入至减法处理部52。同时，将记录至校正数据存储器51的第二微分相位图像ψ₂(x，y)输入至减法处理部52，并且减法处理部52从第一微分相位图像ψ₁(x，y)中减去第二微分相位图像ψ₂(x，y)。然后，将校正后的微分相位图像输入至相位对比图像产生器53。相位对比图像产生器53沿X方向对校正后的微分相位图像进行积分，以产生相位对比图像。将该相位对比图像记录至图像存储器15，然后显示在监视器17b上。

在上述实施例中，相对于初步放射线照相中的强度调制信号来计算实际放射线照相中扫描位置的偏离量。当产生第一微分相位图像时，使用偏离量来校正扫描位置数据。然而，与此相反，可以相对于实际放射线照相中的强度调制信号来计算初步放射线照相中扫描位置的偏离量。在这种情况下，当产生第二微分相位图像时，基于位置偏离量来校正扫描位置数据。

在上述实施例中，使用非样本检测区域20b中包含的像素40的数据来统计计算扫描位置的偏离量。然而，可以根据所有像素40(包括属于样本检测区域20a的像素40)的数据来统计计算位置偏离量。如果像素数目较大，则样本H的影响较小，并且位置偏离量的计算精度在可允许范围内。

在上述实施例中，当扫描机构23平移第二光栅22时，扫描位置的初始位置设置在k＝0。初始位置可以设置在k＝0，1，2，...，M-1中的任一个。

在上述实施例中，将相位对比图像记录至图像存储器15，并显示在监视器17b上。然而，可以取代相位对比图像，或者除了相位对比图像之外，将校正后的微分相位图像记录至图像存储器15并显示在监视器17b上。

在上述实施例中，将微分相位图像定义为强度调制信号的相移量的二维分布。然而，可以将微分相位图像定义为任何物理量(如折射角φ)的二维分布，只要该物理量与相移量分布Φ(x)的微分值成正比。

在上述示例中，将样本H置于X射线源11与第一光栅21之间，但是可以将其置于第一和第二光栅21和22之间。

尽管在本实施例中，在X射线源11之后未布置源光栅(多缝)，但是可以在X射线源11之后提供源光栅以分散X射线焦点。

在上述实施例中，第一和第二光栅21和22对穿过其X射线透射部的X射线进行线性投影，但是本发明不限于这种结构。本发明可以应用于X射线透射部对X射线进行衍射的结构，并产生Talbot效应(参见与日本专利No.4445397相对应的美国专利No.7,180,979)。然而，在这种情况下，第一和第二光栅之间的距离必须被设置在Talbot距离。此外，在这种情况下，相位光栅可用作第一光栅，以替代吸收光栅。用作第一光栅的相位光栅在第二光栅的位置形成其本身图像，该本身图像由Talbot效应产生。

本发明适用于用于医疗诊断、工业应用、非破坏性检查等等的各种类型的放射线成像系统。除了X射线，γ射线等可用作放射线。

尽管参照附图通过本发明的优选实施例完整描述了本发明，但是各种改变和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，除非这些改变和修改脱离本发明的范围，否则其应当被认为包括在本发明中。

Claims (12)

1.一种放射线成像系统，包括：

第一和第二光栅，相对布置，同时光栅方向一致；

扫描装置，将所述第一和第二光栅之间的相对位置改变为与所述光栅方向垂直的方向，从而依次将所述相对位置设置在多个扫描位置处；

放射线照相图像检测器，当所述相对位置设置在每个所述扫描位置处时，捕捉从放射线源施加的穿过所述第一和第二光栅的放射线的图像，并产生图像数据；

微分相位图像产生装置，通过获得强度调制信号的相移量来产生微分相位图像，所述强度调制信号表示所述图像数据中包含的每个像素值的与所述扫描位置相关的改变，所述微分相位图像产生装置根据在存在样本的情况下执行的实际放射线照相中获得的所述图像数据来产生第一微分相位图像，并根据在不存在所述样本的情况下执行的初步放射线照相中获得的所述图像数据来产生第二微分相位图像；

位置偏离量计算装置，通过检测在所述初步放射线照相中获得的所述强度调制信号与在所述实际放射线照相中获得的所述强度调制信号之间的差值，计算所述初步放射线照相与所述实际放射线照相之间每个所述扫描位置的位置偏离量；

位置偏离量校正装置，基于计算出的所述位置偏离量，校正由所述微分相位图像产生装置在产生所述第一和第二微分相位图像之一时使用的扫描位置数据；以及

减法处理装置，从所述第一微分相位图像中减去所述第二微分相位图像。

2.根据权利要求1所述的放射线成像系统，

其中，所述放射线照相图像检测器具有多个像素；以及

其中，所述位置偏离量计算装置利用每个所述像素的所述强度调制信号，统计计算每个所述扫描位置的所述位置偏离量。

3.根据权利要求2所述的放射线成像系统，

其中，所述放射线照相图像检测器具有非样本检测区域，在所述非样本检测区域上，从所述放射线源发射的所述放射线入射而不穿过所述样本；以及

其中，在计算所述位置偏离量时使用的所述多个像素属于所述非样本检测区域。

4.根据权利要求2所述的放射线成像系统，

其中，所述位置偏离量计算装置逐像素地计算每个所述扫描位置的所述位置偏离量，并通过检测像素数目相对于所述位置偏离量的频率分布的峰值、均值或中值，来确定每个所述扫描位置的所述位置偏离量。

5.根据权利要求1所述的放射线成像系统，

其中，所述位置偏离量计算装置对在从所述实际放射线照相和所述初步放射线照相之一中的所述像素之一获得的所述强度调制信号中的彼此相邻的所述扫描位置之间的所述像素值执行内插，并参照内插后的所述强度调制信号来计算从所述实际放射线照相和所述初步放射线照相中的另一个中的所述相同像素获得的所述强度调制信号的每个所述扫描位置处的所述位置偏离量。

6.根据权利要求5所述的放射线成像系统，

其中，所述位置偏离量计算装置对彼此相邻的所述扫描位置之间的所述像素值执行线性内插。

7.根据权利要求5所述的放射线成像系统，

其中，所述位置偏离量计算装置对在所述实际放射线照相或所述初步放射线照相中获得的所述强度调制信号中的所述像素值执行外推，以使得所述强度调制信号成为多于一个周期的周期波。

8.根据权利要求1所述的放射线成像系统，

其中，所述微分相位图像产生装置使用基于最小二乘的计算表达式来计算所述强度调制信号的所述相移量。

9.根据权利要求1所述的放射线成像系统，还包括：

相位对比图像产生装置，用于沿改变所述相对位置的方向对由所述微分相位图像产生装置所产生的所述微分相位图像进行积分，以产生相位对比图像。

10.根据权利要求1所述的放射线成像系统，

其中，所述第一光栅是吸收光栅，并且以几何光学的方式将从所述放射线源入射的所述放射线投影至所述第二光栅上。

11.根据权利要求1所述的放射线成像系统，

其中，所述第一光栅是相位光栅，并且导致从所述放射线源入射的所述放射线中的Talbot效应，以在所述第二光栅的位置形成本身图像。

12.一种在放射线成像系统中使用的放射线照相图像处理方法，所述放射线成像系统包括：第一和第二光栅，相对布置，同时光栅方向一致；扫描装置，将所述第一和第二光栅之间的相对位置改变为与所述光栅方向垂直的方向，从而依次将所述相对位置设置在多个扫描位置处；放射线照相图像检测器，当所述相对位置设置在每个所述扫描位置处时，捕捉从放射线源施加的穿过所述第一和第二光栅的放射线的图像；以及微分相位图像产生装置，通过获得强度调制信号的相移量来产生微分相位图像，所述强度调制信号表示所述图像数据中包含的每个像素值的与所述扫描位置相关的改变，所述放射线照相图像处理方法包括以下步骤：

通过检测在不存在样本的情况下执行的初步放射线照相中获得的所述强度调制信号与在存在所述样本的情况下执行的实际放射线照相中获得的所述强度调制信号之间的差值，计算所述初步放射线照相与所述实际放射线照相之间每个所述扫描位置的位置偏离量；

利用所述位置偏离量，校正所述微分相位图像产生装置在产生第一和第二微分相位图像之一时使用的扫描位置数据；

利用校正后的所述扫描位置数据，由所述微分相位图像产生装置根据在所述实际放射线照相中获得的所述图像数据来产生所述第一微分相位图像，根据在所述初步放射线照相中获得的所述图像数据来产生所述第二微分相位图像；以及

从所述第一微分相位图像中减去所述第二微分相位图像。

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