CN102625910A - 用于使用多射束成像从具有多色分布的x射线射束检测对象的图像的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于使用多射束成像系统从具有多色能量分布的X射线射束检测对象的图像的系统和方法。根据一个方面，一种方法可以包括生成具有多色能量分布的第一X射线射束。此外，该方法可以包括将多个单色仪晶体定位在预定位置以直接截断第一X射线射束使得产生具有预定能量级别的多个第二X射线射束。此外，可以将对象定位在第二X射线射束的路径中用于使第二X射线射束透射通过对象并且将其从对象发射作为透射的X射线射束。透射的X射线射束中的每个可以被以一入射角指向到一个或多个晶体分析器上。此外，可以从由分析器晶体衍射的射束检测对象的图像。

Description

用于使用多射束成像从具有多色分布的X射线射束检测对象的图像的系统和方法

相关申请

本非临时专利申请要求2008年12月1日提交的美国临时专利申请No.61/200,593的权益，并且涉及2007年1月24日提交的美国专利申请No.11/657,391，通过参考将这两个专利申请的全部公开内容并入本文。

政府利益

该当前公开的主题是在美国能源部授予的合同号为DE-AC02-98CH10886的美国政府支助下进行的。于是，在当前公开的主题方面，美国政府具有一定的权利。

技术领域

这里公开的主题涉及X射线成像。更具体而言，这里所公开的主题涉及用于使用多射束成像从具有多色能量分布的X射线射束检测对象的图像的系统和方法。

背景技术

X射线成像已经用在用于对对象成像的各种领域。例如，X射线成像已经广泛地用在医疗领域，以用于无创检验和X射线计算机断层摄影(CT)。各种其他类型的技术也已经用于医学成像。下面，在本节中概括了一些当前可用的医学成像技术的概要。

使用X射线吸收的X射线照相术

常规X射线照相术测量对象对透射的X射线的吸收或者衰减。对象中不同衰减提供了能够显示为图像的内在特征的对比度。例如，癌性组织通常出现在常规射线照相术中，因为这些组织比周围非癌性组织密度更大。通常在吸收高的X射线能量处获得最佳吸收对比度。常规射线照相术典型地以较高剂量使用较低X射线能量来执行以允许较大吸收，并且因此允许更好的对比度和图像。使用具有较高能量的X射线通常需要使用较低剂量，因为，这关系到患者的安全性。通常，随着X射线能量级别增加和X射线剂量减小，常规射线照相术图像的质量降低。

用于当前一代射线照相成像系统的X射线源使用基于标准阴极/阳极X射线管的设计。X射线管的能量谱和大体输出特性主要是由阳极材料和构造确定的。合适阳极材料的选择主要基于应用，尤其是要进行成像的模态和结构。

对于乳房摄影术，最常用的阳极材料是钼，但是也使用铑。钼的大约18keV的平均能量提供了用于成像软组织的合适光谱。对于乳房摄影术系统，阳极通常是静止的并且安装在铜块中以减少热量。主要的工程学问题是在阳极中由聚焦电子射束产生的热量。具有静止阳极的X射线管更易于被加热，因为热量移除的主要手段是周围的铜阳极，即使其具有高的热导率。X射线管发展中的进步已经带来了旋转阳极的使用，其旋转使得来自阴极的电子射束不撞击阳极上的相同区域。一直到最近数字检测器的出现，用于射线照相术的主要采集检测方法都是X射线胶片。

用于筛查(screening)乳房摄影术的X射线成像已经用于识别早期的乳癌。众所周知，与未经筛查控制的情况相比，在筛查控制下的女人的乳癌死亡率显著降低。当与由乳房物理检查或乳房自我检查所发现的癌变相比时，乳房摄影术趋向于识别更小且更少发展阶段的癌变。更小和更少发展阶段的乳癌的处置带来更好的存活率。很明显地，增强的放射学方法甚至能够用于检测更小和更早期的乳癌。大约10％的临床明显乳癌在由常规乳房摄影术方法产生的图像中是不可见的。此外，典型地，难以使用常规放射学在良性病变和恶性病变之间进行区分。

具体而言，利用常规乳房摄影术技术不可见的乳癌更频繁发生在具有相对大量乳腺组织的患者中。乳腺组织的密度趋向于模糊下层病理。为了检测早期癌变，期望增加乳房摄影术的灵敏度以便能够检测更小和更早期的乳癌。更早检测到乳癌可以带来死亡率的显著降低。

在过去的几十年中，乳房摄影技术已经极大地改进。例如，现在存在精细乳房摄影术装备，其具有合适的X射线射束质量、平均乳房压缩和自动曝光控制。然而，常规乳房摄影技术仍然依赖于对X射线吸收的描绘来限定正常和异常组织之间的差异。

常规放射学的限制在软骨成像中也是明显的，例如在损伤或退化性关节疾病(例如，骨关节炎)的检测和处置期间。更好的成像技术对于更早，例如在不可逆性损伤点之前，检测这种退化性疾病将是有益的。

衍射增强成像(DEI)

DEI是一种X射线成像技术，其显著地扩展了常规X射线成像的性能。DEI技术是一种能够从X射线吸收、X射线折射和超小角度散射抑制(消光)生成对比的X射线成像模态。相比之下，常规X射线成像技术仅测量X射线吸收。DEI吸收图像和峰值图像示出了与常规射线照片相同的信息，只是其实际上不受散射退降影响。基于X射线衍射布拉格定律，nλ＝2dsin(θ)，DEI利用完美晶体衍射的布拉格峰来将角度改变转换成强度改变，对于小的角度改变提供大的强度改变。于是DEI非常适合于软组织成像，并且非常有希望用于乳房摄影术。

DEI技术已经表现出与常规X射线成像技术相比在对象可视化方面的改进，但是还没有解决扩展可用能量范围以及减小或消除对X射线吸收的需要的可能性。减少或消除X射线吸收在医疗领域中具有重要意义。

在X射线射束的路径中使用硅分析器晶体，产生了两个额外形式的图像对比度，X射线折射和消光(超小角度散射抑制)。DEI利用从完美单晶硅通过X射线衍射得到的高度准直的X射线，在此以前，其曾需要高通量和能量范围的同步加速器来生成图像。这些准直的X射线具有单一X射线能量，实际上是单色的，并且用作对对象成像的射束。

具有非常小吸收对比度的对象可以具有相当大的折射和消光对比度，于是改进了可视化并扩展了X射线成像的功用。DEI技术在生物学和材料科学中的应用在对比度和分辨率两个方面已经产生了显著的收益，表明了其用于主流医学成像的可能性。DEI可能尤其有效的医学领域是用于癌变诊断的乳房成像中，其中，感兴趣的诊断结构通常具有低吸收对比度，使得他们难以看见。诸如从恶性主体延伸的毛刺征的具有低吸收对比度的结构，具有高折射和超小角度散射对比度。期望提供一种具有增加基于X射线的乳房成像的灵敏度和特异性的能力的DEI系统。

多种研究已经表明在DEI的医学和工业应用中成像对比度的改进。DEI系统相对于在医疗领域中的常规X射线成像系统的优点包括患者辐射剂量的显著减少和改进的图像质量。剂量减少是由于DEI系统在较高X射线能量工作的能力。X射线吸收是由光电效应Z²/E³控制的，其中，Z是原子序数并且E是光子能量。

直到现在，DEI系统已经要求使用同步加速器来产生初始辐射射束，该射束由用于对对象成像的其他系统部件操控。同步加速器提供了跨宽能量范围的高度准直、高通量X射线射束。同步加速器通过带电粒子在环形轨道中的运动生成辐射，具体地，生成电子，导致光子的释放。同步加速器辐射的独特属性产生了在宽能量范围上的高通量X射线，其能够用于宽范围的应用。

DEI的核心理论是基于X射线衍射的布拉格定律。布拉格定律是通过下列公式限定的：

nλ＝2dsin(θ)

其中，λ是入射X射线射束的波长，θ是入射角，d是晶体中的原子层之间的距离，并且n是整数。

单能量射线照片包含若干能够影响图像对比度和分辨率的若干分量：相干散射分量I_c，不相干散射分量I_I，和透射分量。X射线通过存在密度变化的对象或介质能够被折射，导致角度偏差。具体地，X射线范围中的偏差源自于沿着射束路径的ρt变化，其中ρ是密度而t是厚度。入射光子的一部分也可能被对象中的结构衍射，这通常在毫弧度的量级并且被称为小角度散射。这些相互作用的总和构成在射线照片中所记录的强度I_N，其能够通过如下公式表示：

I_N＝I_R+I_D+I_C+I_I

系统空间分辨率和对比度将由于相干和不相干散射二者的贡献而退化。抗散射光栅通常用在医学成像中以减少散射的贡献，但是它们的性能是受限的并且使用光栅通常需要较高剂量以补偿强度损失。

DEI技术利用在对象后的X射线射束路径中的硅分析器晶体来实际上消除相干和不相干散射二者的影响。硅分析器晶体的窄角度接收窗被称为其摆动曲线，并且对于用在DEI中的X射线能量是在微弧度量级。分析器用作强烈敏感的角过滤器，其能够被用于测量折射和消光对比度二者。消光对比度被定义为由于散射从入射射束损失的强度，其在对比度和分辨率方面能够带来大量改进。

达尔文宽度(Darwin width(DW))用于描述反射率曲线，并且大约是反射率曲线的半高全宽。在-1/2DW和+1/2DW处的点是曲线上具有陡峭斜率、对于特定分析器反射和射束能量产生每微弧度最大光子强度变化的点。分析器晶体摆动曲线的峰值处的对比度受X射线吸收和消光控制，导致接近无散射的射线照相。在摆动曲线的斜率最大处，即在-1/2和+1/2DW位置折射对比度最高。一种基于DEI的图像处理技术使用这些点来从这些图像对提取折射和表观吸收的对比度分量。

下面的段落描述从图像对提取折射和表观吸收的对比度分量的这种技术。当分析器晶体被设定成表示对于给定反射和射束能量的+/-1/2DW时，摆动曲线的斜率相对连贯并且能够被表示为由下列公式所表示的两项泰勒级数近似：

$R({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Z)=R\left({\mathrm{\θ}}_0\right)+\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}\left({\mathrm{\θ}}_0\right)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Z.$

如果分析器晶体被设定到摆动曲线的低角度侧(-1/2DW)，所得的图像强度能够由下列公式表示：

$I_L=I_R\left((R\left({\mathrm{\θ}}_L\right)+\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}{|}_{\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_L}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_z)\right).$

对于利用设定到高角度位置(+1/2DW)的分析器晶体所采集的图像，所记录的强度能够由下列公式表示：

$I_H=I_R\left(R\left({\mathrm{\θ}}_H\right)+\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}\left({\mathrm{\θ}}_H\right)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_z\right).$

能够对这些公式进行求解，得到由于表观吸收(I_R)的强度改变和在z方向观察到的角度折射(Δθ_Z)，其能够由下列公式表示：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_z=\frac{I_{H}R\left({\mathrm{\θ}}_L\right)-I_{L}R\left({\mathrm{\θ}}_H\right)}{I_L\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}\right)\left({\mathrm{\θ}}_H\right)-I_H\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}\right)\left({\mathrm{\θ}}_L\right)}$

$I_R=\frac{I_L\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}\right)\left({\mathrm{\θ}}_H\right)-I_H\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}\right)\left({\mathrm{\θ}}_L\right)}{R\left({\mathrm{\θ}}_L\right)\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}\right)\left({\mathrm{\θ}}_H\right)-R\left({\mathrm{\θ}}_H\right)\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{d\θ}}\right)\left({\mathrm{\θ}}_L\right)}.$

能够将这些公式逐像素地应用到高和低角度图像以将两种对比度元素分成所谓的DEI表观吸收和折射图像。然而，重要的是，要注意到用于生成DEI表观吸收和折射图像的单点摆动曲线图像中的每个是有用的。

如上所述，当前的DEI系统包括用于产生X射线射束的同步加速器。基于同步加速器的DEI系统许多年来已经提供了令人瞩目的成就。然而，同步加速器是庞大并且昂贵的装置，而且用于医学或工业应用并不实际。假若对比度显著增加并且剂量显著减小，增大DEI系统对于广泛临床使用的可用性是有益的。

临床DEI成像器的发展对于女性健康和医学成像具有重大意义大体是因为如下原因：(1)DEI已经显示出对于检测和表征乳癌最重要的特征产生非常高的对比度；(2)DEI允许比仅利用吸收以更高X射线能量成像的物理性质；以及(3)DEI不需要光子被吸收就能够产生对比度的能力显著减少了离子化并且因此减少了吸收剂量。

此外，在过去的40年中，屏幕胶片乳房摄影术已经被广泛地研究了，并且因为许多大的随机筛查试验，已经知道其减少了乳癌死亡率大约18-30％。在过去的几年中乳癌死亡率已经开始下降，很可能部分是由于这种成像测试的广泛使用。然而，标准的屏幕胶片乳房摄影术既没有完美的灵敏度又没有高度的特异性。密集乳房组织和具有肿瘤的乳房的散射介入趋向于降低筛查乳房摄影术的灵敏度。对于具有密集乳房的女人，难以看到病变的发展，因为它们吸收光子的能力比周围脂肪组织不是大很多，生成了低对比度用于可视化。通过自我检查或物理检查检测的乳癌的大约10-20％通过屏幕胶片乳房摄影术不可见。另外，当通过乳房摄影术和活组织检查检测病变时，仅5-40％的病变被证明是恶性的。此外，乳癌的大约30％在回顾现有的乳房X线照片时是可见的。

当前DEI和DEI成像处理技术主要基于常规成像理论，并且至少部分依赖于用于生成图像的X射线吸收。于是，使用这些技术被成像的对象吸收辐射。这种辐射曝光在关注于剂量的情况下的医学成像应用中是不期望的，并且这种原因给临床和工业转化挑战带来了相当大的工程方面限制。于是，期望提供一种这样的DEI和DEI技术，其产生高质量图像并且更少依赖于吸收、却产生具有同等诊断质量和特征可视化。

因此，鉴于与DEI和DEI系统相关联的期望的改进，存在一种用于检测对象的图像的改进的DEI和DEI系统以及相关方法。

这里所描述的主题包括用于使用具有多色能量分布的X射线射束检测对象的图像的系统和方法。根据一个方面，这里所描述的主题可以包括一种检测对象的图像的方法。该方法可以包括生成具有多色能量分布的第一X射线射束。此外，该方法可以包括将单一单色仪晶体定位在预定位置中以直接地截断第一X射线射束使得产生具有预定能量级别的第二X射线射束。此外，可以将对象定位在第二X射线射束的路径中，用于使第二X射线射束透射通过对象并且从对象发射，作为透射的X射线射束。透射的X射线射束能够以一入射角被指向到分析器晶体。此外，能够从由分析器晶体衍射的射束检测对象的图像。

根据另一方面，根据这里所描述的主题的方法可以包括生成具有多色能量分布的第一X射线射束。此外，第一X射线射束的一部分能够被阻挡使得第一X射线射束是准直的扇形射束。可以将单色仪晶体定位在预定位置以截断准直的扇形射束使得产生具有预定能量级别的第二X射线射束。该方法可以包括将对象定位在第二X射线射束的路径中用于使第二X射线射束透射通过对象并且从对象发射透射的X射线射束。此外，该方法可以包括将透射的X射线射束以一入射角指向到分析器晶体上。该方法还可以包括从由分析器晶体衍射的射束检测对象的图像。

根据另一方面，根据这里所描述的主题的方法可以包括通过生成以不同方向从X射线点源扇形发出的多个X射线射束来生成具有多色能量分布的第一X射线射束。该方法还可以包括将单色仪晶体定位在预定位置以截断第一X射线射束使得产生具有预定能量级别的第二X射线射束。此外，该方法可以包括将对象定位在第二X射线射束的路径中以使第二X射线射束透射通过对象并且从对象发射透射的X射线射束。将透射的X射线射束以一入射角指向到分析器晶体上。此外，该方法可以包括从由分析器晶体衍射的射束检测对象的图像。

根据另一方面，根据这里所描述的主题的方法可以包括生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束。该方法还可以包括将单色仪晶体定位在预定位置以截断第一X射线射束使得产生具有第一和第二特征发射线的第二X射线束。此外，该方法可以包括选择性地阻挡第二X射线射束的第一和第二特征发射线中的一个并且允许第二X射线射束的第一和第二特征发射线中未被阻挡的一个通过。还可以将对象定位在第二X射线射束的第一和第二特征发射线中的未被阻挡的一个的路径中以使第二X射线射束的未被阻挡的特征线透射通过对象并且从对象发射透射的X射线射束。该方法可以包括将透射的X射线射束以一入射角指向到分析器晶体。此外，该方法可以包括从由分析器晶体衍射的射束检测对象的图像。

根据另一方面，根据这里所描述的主题的方法可以包括生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束。可以将单色仪晶体定位在预定位置以截断第一X射线射束使得产生具有第一和第二特征发射线的第二X射线束。此外，该方法可以包括将对象定位在第二X射线射束的第一和第二特征发射线的路径中以使第二X射线射束的第一和第二特征发射线透射通过对象并且从对象发射透射的X射线射束。可以将透射的X射线射束以一入射角指向到分析器晶体上。该方法可以包括从由分析器晶体衍射的射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种检测对象图像的方法。该方法可以包括生成至少一个具有多色能量分布的第一X射线射束，将两个或多个单色仪定位在预定位置以直接地截断第一X射线射束，使得产生多个第二X射线射束，每个第二X射线射束具有预定能量级别，其中，每个单色仪包括一个或多个晶体，将对象定位在第二X射线射束的路径中用于使第二X射线射束透射通过对象并且从对象发射多个对应的透射的X射线射束，将透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体阵列中的一个或多个对应分析器晶体，并且从由该一个或多个分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统。该系统可以包括：X射线源，其被配置成生成具有多色能量分布的第一X射线射束；两个或多个单色仪，其被定位在预定位置以直接地截断第一X射线射束并且其中能够产生每个具有预定的能量级别的多个第二X射线射束用于透射通过对象，每个单色仪包括一个或多个晶体；多个分析器晶体，每个被定位成以分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及图像检测器，其被配置成从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种检测对象的图像的方法。该方法可以包括：生成具有多色能量分布的第一X射线射束；阻挡第一X射线射束的一部分使得第一X射线射束变成准直的扇形射束的阵列；将两个或多个单色仪定位在预定位置以截断准直的扇形射束使得产生其中每个具有预定能量级别的多个第二X射线射束，其中，每个单色仪包括一个或多个晶体；将对象定位在第二X射线射束的路径中以使第二X射线射束透射通过对象并且从对象发射多个透射的X射线射束，将透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列，并且从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统。该系统可以包括：X射线源，其被配置成生成具有多色能量分布的第一X射线射束；阵列准直器，其被定位成阻挡第一X射线射束的一部分使得第一X射线射束变成准直的扇形射束的阵列；两个或多个单色仪，每个包括一个或多个晶体，将每个单色仪定位在预定位置以截断准直的扇形射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二X射线射束，用于透射通过对象；多个分析器晶体，每个被定位成以分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及图像检测器，其被配置成从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种检测对象的图像的方法。该方法可以包括：通过从X射线点源生成以不同方向扇形发出的多个X射线射束来生成具有多色能量分布的第一X射线射束；将两个或多个单色仪定位在预定位置以截断第一X射线射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二X射线射束，其中，每个单色仪包括一个或多个晶体；将对象定位在第二X射线射束的路径中用于使第二X射线射束透射通过对象并且从对象发射多个透射的X射线射束；将透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列；并且从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统。该系统可以包括：X射线管，其被配置成通过从X射线点源生成以不同方向扇形发出的多个X射线射束来生成具有多色能量分布的第一X射线射束；两个或多个单色仪，每个包括一个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断第一X射线射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二X射线射束用于透射通过对象；多个分析器晶体，每个被定位成以分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及图像检测器，其被配置成从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种检测对象图像的方法。该方法可以包括：生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束；将每个包括一个或多个晶体的两个或多个单色仪定位在预定位置以截断第一X射线射束使得产生每个具有第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束；选择性地阻挡第二X射线射束中的每个的第一和第二特征发射线中的一个，并且允许第二X射线射束中的每个的第一和第二特征发射线中未被阻挡的一个通过；将对象定位在第二X射线射束的第一和第二特征发射线的未被阻挡的那些的路径中以使第二X射线射束的未被阻挡的特征线透射通过对象并且从对象发射多个透射的X射线射束；将透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列；并且从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统。该系统可以包括：X射线源，其被配置成生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束；两个或多个单色仪，每个包括一个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断第一X射线射束使得产生每个具有第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束；准直器，其具有可调整的狭缝，以选择性地阻挡第二X射线射束中的每个的第一和第二特征发射线中的一个并且允许第二X射线射束中的每个的第一和第二特征发射线中的未被阻挡的一个通过，用于透射通过对象；多个分析器晶体，每个被定位成以分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及图像检测器，其被配置成从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种用于检测对象的图像的方法。该方法可以包括：生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束；将多个单色仪在预定位置以截断第一X射线射束使得产生每个具有第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束，其中每个单色仪包括一个或多个晶体；将对象定位在第二X射线射束的第一和第二特征发射线的路径中，以使第二X射线射束的第一和第二特征发射线透射通过对象并且从对象发射多个透射的X射线射束；将透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列；并且从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统。该系统可以包括：X射线源，其被配置成生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束；多个单色仪，每个包括一个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断第一X射线射束使得产生每个具有第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束，用于透射通过对象；多个分析器晶体，每个被定位成以分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及图像检测器，其被配置成从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种检测对象的图像的方法。该方法可以包括：生成具有特征线Kα1和Kα2的第一X射线射束；将多个单色仪定位在预定位置以直接地截断第一X射线射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二X射线射束，其中每个单色仪包括一个或多个晶体；将对象定位在第二X射线射束的路径中用于使第二X射线射束透射通过对象并且从对象发射多个透射的X射线射束；将透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列；以及从由分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

根据另一方面，公开了一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统。该方法可以包括X射线源，其被配置成生成具有特征线Kα1和Kα2的第一X射线射束；多个单色仪，每个单色仪包括一个或多个晶体，每个单色仪被定位成直接地截断第一X射线射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二X射线射束，其中，单色仪晶体中的每个被定位成在朝向对象的路径中直接对应第二X射线射束，用于使第二X射线射束透射通过对象从而从对象发射多个透射的X射线射束；多个分析器晶体，每个被定位成在分析器晶体上以一入射角截断透射的X射线射束；以及图像检测器，其配置成从由分析器晶体衍射多个射束检测对象的图像。

根据本公开，提供了用于使用多射束成像从具有多色分布的X射线射束检测对象的图像的新颖系统和方法。

因此，本公开的一个目的是提供用于使用多射束成像从具有多色分布的X射线射束检测对象的图像的新颖系统和方法。这一目的和其他目的可以通过这里所描述的主题而全部，或至少部分实现，如本公开中所明显呈现的那样。

附图说明

现在将参考附图描述这里所描述的主题的优选实施例，其中：

图1A-1C是DEI系统的示意图、顶部透视图、以及侧顶部示意视图，该DEI系统包括单一单色仪晶体，并且可以根据这里所描述主题的实施例进行操作以便生成对象的图像；

图1D和1E是图1A-1C中所示的DEI系统在根据这里所描述主题的实施例的不同操作模式中的示意图；

图2是根据这里所描述主题的实施例的基于阴极/阳极管设计的X射线管的示意图；

图3是根据这里所描述主题的实施例的图1A-1E的DEI系统的顶部示意视图；

图4是根据这里所描述主题的实施例、用于通过使用图1A-1E的DEI系统对对象进行成像的示例性过程的流程图；

图5是根据这里所描述主题的实施例的图1A-1E和3中所示的DEI系统的分析器晶体的侧视图；

图6A和6B分别是DEI系统的示意图和顶部透视图，该DEI系统包括不匹配的单色仪晶体并且可以根据这里所描述主题的实施例进行操作以便生成对象的图像；

图7是根据这里所描述主题的实施例、用于通过使用图6A和6B的DEI系统对对象进行成像的示例性过程的流程图；

图8-10是锗[333]和硅[333]晶体在不同波长的Dumond图的曲线图；

图11是根据这里所描述主题的实施例的、图6A和6B中所示的DEI系统的锗单色仪晶体和硅单色仪晶体的侧视图；

图12是DEI系统的示意图，该DEI系统包括不匹配的单色仪晶体并且可以根据这里所描述主题的实施例进行操作以便生成对象的图像；

图13-16是根据这里所描述主题的实施例的、X射线管和具有在支架上的单一单色仪晶体的单色仪仓的示例性布置的示意图；

图17是根据这里所描述主题的实施例的X射线管的X射线射束出口部分的图像；

图18是图17中所示的X射线管的X射线射束出口部分的另一个图像；

图19是根据这里所描述主题的实施例的铝滤光器和准直器的图像；

图20是根据这里所描述主题的实施例的屏蔽罩的图像，该屏蔽罩被拆卸并且切割而不是为了适应X射线管的末端而弯曲；

图21是根据这里所描述主题的实施例的、为了防止X射线射束从X射线管的末端不期望的发射出去的目的、在X射线管的末端上的屏蔽罩的图像；

图22是根据这里所描述主题的实施例的单色仪仓的图像，该单色仪仓包括用于防止X射线射束从该单色仪仓不期望的发射的铅屏蔽；

图23是根据这里所描述主题的实施例的单色仪仓的图像，该单色仪仓包括用于防止X射线射束从该单色仪仓不期望的发射的铅屏蔽；

图24是根据这里所描述主题的实施例的另一部分屏蔽的图像，该另一部分屏蔽被置于X射线管末端附近，用于防止X射线射束从X射线管一侧不期望的发射；

图25是根据这里所描述主题的实施例的、在关于彼此的操作位置的X射线管和单色仪仓的图像；

图26是根据这里所描述主题的实施例的单色仪仓内部部件正视图的图像；

图27是根据这里所描述主题的实施例的示例性DEI系统的顶部透视图；

图28是根据这里所描述主题的实施例的示例性单色仪晶体的示意图，包括侧视图、顶部视图和正视图；

图29是根据这里所描述主题的实施例的单色仪晶体的透视图，其示出了仓内/仓外区域以及χ(chi)和θ(theta)旋转角；

图30是在使用硅[111]、[333]、[444]和[555]晶体衍射平面的国家同步加速器光源X 15A箱中的单色射束通量的曲线图；

图31是对FWHM的减少增大了摆动曲线的斜率进行说明的曲线图；

图32是根据这里所描述主题的实施例的、使用同步加速器X射线射束的DEI系统的实验装置的示意图；

图33是根据这里所描述主题的示例性铝滤光器热沉的图像；

图34是通过热敏电阻在24小时周期上所测量的温度曲线图；

图35是根据这里所描述主题的实施例的、示例性第二改型单色仪底座和支撑板的俯视图的图像，其具有用于降低温度的水冷却线路；

图36是18keV系统稳定性测试的曲线图，其示出了在一段时间上的分析器峰值位置；

图37是国家同步加速器光源(NSLS)X射线环电流在18keV稳定性测试期间的曲线图；

图38是40keV系统稳定性测试的曲线图，其示出了在一段时间上的分析器峰值位置；

图39是NSLS X射线环电流在40keV稳定性测试期间的曲线图；

图40A-40C是根据这里所描述主题的实施例的、在18keV采集的示例性CD体模的图像；

图41A-40C是根据这里所描述主题的实施例的、在30keV采集的示例性CD体模的图像；

图42A-42C是在采用根据这里所描述主题的系统和方法所获得的峰值分析器晶体位置中、在30keV、布拉格[333]采集的MISTY体模的三个不同区域的图像；

图43是在乳房中的吸收、非相干散射和相干散射的贡献相对于能量的曲线图；

图44是在常规射线照相系统上成像的示例性乳房标本的图像；

图45A-45F是使用根据这里所描述主题的技术、分别在18keV、25keV、30keV、40keV、50keV和60keV的射束能量上的相同样本的同步加速器射线照片；

图46A-46F分别是使用18keV、25keV、30keV、40keV、50keV和60keV的MIR射束能量的乳房标本的图像；

图47A-47F分别是对于18keV、25keV、30keV、40keV、50keV和60keV的射束能量的平均腺体剂量和分布的曲线图；

图48是根据这里所描述主题的X射线射束能量相对于用于MIR的能量的曲线图；

图49是指示使用MIR的纤维直径估计的图像；

图50是对采用根据这里所描述主题的技术所获得的尼龙纤维折射剖面进行说明的曲线图；

图51是MIR折射拟合的直径校准的曲线图；

图52A-52C是采用根据这里所描述主题的技术所获得的乳癌标本的MIR折射图像；

图53是通过根据这里所描述主题的DEI系统所获得的局部乳癌块和毛刺征的MIR集合的图像；

图54A-54E是与常规射线照片相比、采用DEI可视化的原纤维的图像；

图55A-55C是根据这里所描述主题的实施例的、使用计算机仿真软件进行仿真的DEI系统的示意图；

图56是根据这里所描述主题的实施例的、耦合到DEI单色仪晶体的对数螺旋聚焦元件的透视图；

图57是对具有在焦散面处的源的对数螺旋聚焦元件的聚焦效果进行说明的透视图；

图58A和58B分别是用于实验研究的表征系统的俯视图和正视图；

图59是直接X射线到电荷转换检测器的示意图；

图60A和60B是根据这里所描述主题的、分别通过基于同步加速器的系统和基于X射线管的系统所产生的相同尼龙原纤维体模的图像；

图61是使用根据这里所描述主题的技术的、图44和45A-45F中所示的相同乳房标本的同步加速器折射图像；

图62A和62B是根据这里所描述主题的、分别使用X射线管和同步加速器所获得的乳房组织标本的相同区域的图像；

图63是根据这里所描述主题的、使用X射线管所获得的乳癌乳房切除标本的图像；以及

图64和65是根据这里所描述主题的实施例的、用于使用多射束成像从具有多色分布的X射线射束中检测对象的图像的成像系统的实施例的示意图。

具体实施方式

这里所描述的主题包括用于使用多射束成像从具有多色分布的X射线射束中检测对象的图像的系统和方法。具体而言，这里所描述的主题公开了用于检测对象的图像的改进的DEI和DEI系统以及相关方法。根据一个方面，这里所描述的主题可以包括用于检测对象的图像的方法。该方法可以包括生成具有多色能量分布的第一X射线射束。此外，该方法可以包括将单色仪晶体定位在预定位置以截断第一X射线射束，使得产生具有预定能量级别的第二X射线射束。此外，可以将对象定位在第二X射线射束的路径中用于使第二X射线射束透射通过对象并且作为透射的X射线射束从对象发射。可以将透射的X射线射束以一入射角指向到晶体分析器上。此外，可以从由分析器晶体衍射的射束检测对象的图像。例如，因为这些系统和方法可以在医疗应用中提供极低剂量、快扫描时间、高分辨率、以及相对较低的操作和构建成本，所以它们可以是有利的。此外，例如，可以将这些系统构造在紧凑单元中，并且可以很容易在临床和工业应用中使用。

使用根据这里所描述主题的DEI的成像处理技术可以使用在摆动曲线的对称点处采集的图像生成对象的表观吸收和折射图像。DEI表观吸收图像与常规射线照相图像类似，但是由于散射抑制而呈现大得多的对比度。DEI折射图像可以描述由大量值折射率特征造成的小射束偏转的幅度。在摆动曲线的点上DEI消光图像，其中对比度的主要机制归因于被对象在微弧度数量级上散射的光子。另一种基于DEI的成像处理技术被称为多图像射线照相术(MIR)，其使用摆动曲线上的多个点产生代表对象的X射线吸收、折射和超小角度散射的定量图像。根据这里所描述主题的系统和方法可以生成在分析器摆动曲线上的任何点处的图像，并且因此，可以用于生成：(1)在任何分析器位置处的单一DEI图像；(2)DEI表观吸收和折射图像；(3)MIR吸收、折射和散射图像；以及(4)质量密度图像。产生对于这些过程以及任何其它基于DEI的处理技术所需的原始图像数据的能力对于所有基于DEI的处理技术是有用的。另外，这里所描述的系统和方法可适用于在计算机断层扫描中使用，并且可以提供用于在任何基于DEI的计算机断层扫描算法中使用的原始数据。

光子与物质的相互作用

该章节提供了X射线生成、光子学、以及光子与物质相互作用的概述。此外，该章节对X射线吸收、折射和散射的物理机制以及它们如何与DEI和DEI图像处理方法相关进行了解释。还讨论了能量沉积、剂量测量、以及与辐射曝光相关的健康影响的主题。

在射线照相术中最重要的基础物理相互作用之一是光电效应。该理论对X射线成像的应用有助于解释如何在常规射线照相术中获得对比度。穿过诸如乳房组织的对象的X射线可以击中电子，并且将其能量提高到轨道束缚能之上的级别。如果发生这种情况，电子将具有足够克服原子核吸引力的能量，并且以等于入射光子能量减去电子束缚能的总能量离开原子。在生物组织中，入射X射线可以导致直接或者间接自由基形成，其可以与DNA和其它细胞结构相互作用导致突变和其它有害影响。该相互作用的积极方面是将X射线光子的能量转移到电子，这意味着它将不遇到成像系统的胶片或者检测器。将减少透射通过对象的X射线的数量称为X射线衰减，并且该过程在常规成像中的主要分量是通过经光电效应的吸收。

每单位质量发生光电吸收的概率与Z³/E³成正比，其中，Z是原子数，并且E是入射光子的能量。对于医疗成像，通常将公式简化为反映射束能量的效果，使光电吸收的概率与1/E³成正比。由于常规射线照相术中的对比度是基于吸收的，所以吸收对比度在更高能量水平处将迅速减小。该趋势的一个例外出现在原子K吸收边缘处，即，特异于每种元素的特征能量。当入射光子能量恰好低于K吸收能量或者K边缘时，将要发生光电相互作用的概率明显增大。

由于光电吸收随着更高原子序数和更低射束能量而增大，所以对乳房组织进行成像成为具有挑战性的努力。在软组织中的大多数主要元素由氢、碳、氮和氧组成，所有这些元素都具有相对较低的原子序数和低于1keV的吸收边缘。组成乳房组织实质的主要元素相对较低的平均原子序数和相对较低的吸收边缘都使得确定良性和恶性特性之间的差异具有挑战性(特别是在疾病早期)。

常规X射线生成固有的物理相互作用是轫致辐射，这是“破坏辐射”的德语。经过电压对在成像系统中使用的非相对论速度的电子进行加速，并且该电子具有通过下列公式所定义的动能：

$\mathrm{KE}=\frac{1}{2}m{v}^2$

当发射入诸如X射线管阳极的金属中的电子经过密集的原子核时，它们可能被偏转并且迅速减速。电子可以释放从0到其总KE范围的能量，能量损失取决于正在经过的电子离原子核有多近。导致低能量释放的偏转具有比导致大能量释放的那些偏转高得多的概率。在高电势加速并且与原子核具有强相互作用、导致速度明显减小的电子可能导致释放出在能量谱的X射线频带中的光子。从诊断X射线管生成的主要X射线源来自轫致辐射。

加速后的电子与原子相互作用可以产生主要基于对象原子属性的、称为特征X射线的另一种类型的X射线。如果加速后的电子遇到原子轨道中的电子，就可以转移其部分能量，并且将所撞击电子提高到更高的能级。如果所转移的能量等于或者大于电子束缚能，就能够发生所撞击电子的射出。如果发生射出这些电子之一的相互作用，来自更高能级的电子将下降以填补空隙。由于这些电子正在从高能级到更低能级，所以能级变化伴随着能量释放。从第二能级到第一能级跃迁(n＝2到n＝1)的电子被称为K_αX射线。从第三能级到第一能级的跃迁(n＝3到n＝1)被归类为K_βX射线。存在许多可以基于该电子碰撞发生的跃迁，但是通过在更低原子能级中的跃迁产生了生成特征X射线的相互作用。

X射线对阴极的能量输出谱将取决于所使用金属的属性。确定对特定成像应用所需的平均能量在选择对阴极中是重要的。对于利用单色X射线的应用，由对阴极生成的特征X射线特别重要。

关于X射线吸收，当X射线光子遇到物质时，相互作用导致入射X射线的衰减，一部分X射线被吸收并且一部分被透射。X射线衰减是基于电子密度和对象的平均原子序数的光子强度损失。当光子穿过物质时，还可以发生X射线的散射，并且导致强度损失，但是在常规射线照相中很难测量该分量。通过与入射射束中的光子数目(I_o)相比透射了多少光子(I_t)来确定当光子穿过厚度X的对象时被吸收的光子总数的数量。光子穿过物质时衰减的程度是可以测量的材料属性，并且在术语上称为衰减系数(μ)，单位是cm^-1。线性衰减系数中的差异带来X射线图像对比度，最高对比度在高和低衰减区域之间。

线性吸收系数与所穿过的材料密度成正比，并且通常将列表显示的值表达为μ/ρ。将该值称为质量吸收系数，并且它不依赖于材料的物理状态(固态、液态或者气态)。

Willebrord Snell首先发现了当光线从一种介质穿越到另一种介质时的折射，并且定义了该过程的定律称为Snell定律。从数学上看，根据下式定义该关系：

n₁sin(θ₁)＝n₂sin(θ₂)

其中，入射介质是介质1，而折射介质是介质2。

从一种介质穿透到另一种介质的电磁波的通路与可见光穿过介质类似，偏转取决于折射率差异。使用可见光的经典例子，从一种折射率移动到具有更高折射率的介质的光线可以折射。该例子通常用于示范可见光的折射，但是定律也适用于X射线。然而，对于X射线，复折射率的实部小于单位1，并且可以通过下式表达：

n＝1-δ

当使用高能X射线和具有低平均原子序数的材料时，通过下式提供对δ的近似：

$\mathrm{\δ}\≅\frac{N{\mathrm{\λ}}^2{r}_e}{2\mathrm{\π}}$

其中，N是样本材料每单位体积的电子数，r_e是经典电子半径，并且λ是X射线波长。使用这些公式，可以示出：对于具有不同折射率的两个区域之间的线性界面，入射光子将以通过下式进行近似的角度Δθ偏转：

$\mathrm{\Δ\θ}\≅(n_1-n_2)\tan {\mathrm{\θ}}_1$

当光子遇到对象时，它们主要可以经历三种事件：它们可以穿过而无相互作用、它们可以通过光电效应被吸收、或者它们可以经历散射事件。在它最一般的定义中，散射是归因于与另一个对象相互作用的光子路径中的角度偏移。光子的特性、它在其中传播的介质、以及它遇到的对象的属性对相互作用的结果具有深刻影响。

不损失或者转移能量而发生的相互作用是弹性的，并且将在入射光子中没有相关能量损失发生的X射线相互作用称为弹性散射、或者相干散射。在相干散射事件中，初级X射线光子的能量首先被完全吸收，并且随后被单一原子的电子重新发射。在相互作用中不存在净能量损失，但是光子重新发射的方向完全是任意的。对于医疗成像，相干散射相互作用明显远小于光电相互作用或者称为非相干散射的、发生时带有能量损失的散射事件。

在诊断成像中所使用的能量范围中，散射相互作用是占优势的，并且通常有问题的是非相干散射。已知该效应为康普顿散射。可以将康普顿散射相互作用描述为X射线光子与原子外层能级中的电子之间的碰撞。束缚外层电子的能量是最小的，并且将在光子和电子之间相互作用中损失的所有能量作为动能转移给电子。该能量转移导致具有减少能量、或者增大波长的光子，并且导致从原子射出所撞击的电子。能量和动量在碰撞中都是守恒的，因此，散射光子的能量和角度偏转将取决于转移给电子的能量的量。通过下式提供用于描述波长改变的康普顿散射公式：

$\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^{\′}=\frac{h}{\mathrm{mc}}(1-\cos \mathrm{\θ})=\frac{2h}{\mathrm{mc}}{\sin }^2\left(\frac{1}{2}\mathrm{\θ}\right)$

其中，λ是入射光子波长，并且λ′是散射光子波长。

典型地，高能量X射线光子转移少量能量，使得散射角相对于光子初始轨迹更小。相反地，较低能量X射线光子的散射本质上就更加各向同性。常规射线照相术中的问题是：虽然在诊断成像中使用的较低能量的X射线是各向同性散射的，但是所检测的那些光子方向是向前的。当与所期望的用于生成图像的光子相比较时，这些散射光子可能具有相似的能量和方向。能量和方向方面的相似性使得通过抗散射光栅和能量滤光片难以移除它们。由于这个原因，康普顿散射能够通过对所得到的图像进行模糊降低分辨率和对比度。已经使用有独创性的方法减少了康普顿散射在射线照相术上的影响，但是没有任何常规X射线成像技术在消除该影响中是完全成功的。

通过用于可视化对象或者患者内部结构的电磁辐射使得能够进行使用电离辐射的成像系统的开发和使用并且为其打下了基础。将电离辐射定义为有足够能量使原子失去电子并且成为离子的辐射。X射线成像是最常使用的电离成像模态，但是其它解剖和功能成像模态利用电离辐射获得诊断信息。使用电离辐射的不可避免的结果是与其使用相关的剂量，并且理解如何对剂量以及相关健康影响进行测量是必要的。随着采用其它测量系统，辐射曝光的量化演变并且改变，产生了许多单位和方法。

将剂量定义为曝光给受试者或者对象或者被受试者或者对象所吸收的辐射的量。伦琴是用于测量通过X射线或者伽马辐射在空气中产生的电离的曝光的单位。按照伦琴确定曝光包括：确定当空气的体积单元中被光子释放的所有电子在空气中完全停止时所有离子上在空气中产生的具有一种符号的所有离子的电荷总数，除以体积单元中空气的质量。将一伦琴(R)定义为每千克空气通过X射线或者伽马射线产生的2.58x10^-4库仑电荷。还将伦琴定义为在标准温度和压力下在1cc干燥空气中产生1esu(2.08x10⁹离子对)电荷的X和/或伽马辐射的量。伦琴的使用被限制于测量X和伽马辐射，并且更重要的是，它不是吸收剂量的度量。它的使用在医疗成像装置中是不常见的，但是因为空气电离的测量仍然在其它领域中广泛使用，所以它的使用确实在持续。

对于生物成像应用更有用的辐射测量考虑了受试者或者对象所吸收的辐射剂量，以rad为单位表达。1rad等于100erg(1erg＝10^-7J)，1erg是1克组织所吸收的能量。国际所采用的吸收辐射的单位是gray，其等于100rad。rad或者gray不是总能量的度量，它是每克组织吸收了多少剂量的度量。为了确定递送了多少总能量，必须知道受曝光的组织数量。rad和gray都提供了对吸收剂量的度量，但是它仍然仅仅是对组织中遗留能量的量的一种度量。

除了确定辐射的特定影响类型之外，受曝光的组织类型也对总体效果有影响。某些类型的组织对于辐射比其它组织更敏感，最敏感的一些组织快速地分裂细胞，诸如造血干细胞、肠上皮和精原细胞的细胞。根据下式表达的、通过将被辐射组织类型的等效剂量与它们加权因子的乘积相加计算称为有效剂量的项：

生物系统依靠超复杂的分子和结构系统执行生命所必须的功能。电离辐射可能破坏细胞工作，其可能导致细胞功能损失或者死亡。身体中的分子通过化学键联合，并且通常由酶和其它生物结构辅助以良好定义的次序相互作用。从电离中释放的能量能够打破化学键，可能改变这些分子的形状和功能。对细胞的影响取决于细胞哪部分被破坏以及在给定量的时间中发生了多少事件。

细胞最敏感和关键的成分之一是其DNA(脱氧核糖核酸)，其参与细胞复制、转录和随后的转化。如果DNA中发生的电离事件导致电子射出，就能够在DNA中形成电荷。由于电离事件直接出现在DNA中或者来自邻近分子，所以将以这种方式发生的相互作用称为直接作用。将大约2/3来自X射线的自由基生成分类为间接作用，该间接作用当射出电子击中水分子时出现。这使水分子电离，并且可以通过一系列步骤导致创造出自由基。一旦生成了自由基，它就能够与其它分子发生非常强烈的反应，以恢复稳定的电子构型。如果自由基与DNA分子相互作用，它可能创造出什么也不做的错误，造成临时功能异常，或者使细胞不稳定，导致细胞最终死亡。

过度的辐射曝光能够导致细胞死亡，这可以在两种基本形式中证明。电离能够将细胞功能破坏到细胞不能维持其自身的程度，导致细胞死亡。还可能出现有丝分裂抑制，这允许细胞工作，但是不再复制。对细胞级别的影响的效果可以按比例放大到器官、系统、或者有机体级别。对整个身体100gray的剂量能够导致在24至48小时内死亡。整个身体2.5至5gray的剂量能够导致在数周内死亡。对器官和其它身体部分的局部辐射曝光能够导致病灶细胞死亡和功能异常，损伤的影响部分由组织类型的敏感性确定。

细胞死亡仅仅是曝光给电离辐射的一种结果，DNA改变可以导致DNA蓝图中的错误。癌症的发展是DNA损伤对体细胞的可能结果。DNA中的错误能够导致细胞调节中的缺陷，其能够导致癌症不受控制的增生和发展。生殖细胞的DNA中的错误诱导能够导致遗传缺陷，其可能几代不显示出来。

DEI和DEI系统以及相关方法

根据这里所描述主题的一个实施例的DEI系统可以包括用于抑制由X射线管发射的特定X射线的单一单色仪晶体。图1A-1C是DEI系统(大体标记为100)的示意图、顶部透视图、以及侧顶部示意视图，该DEI系统包括单一单色仪晶体并且可以根据这里所描述主题的实施例进行操作以便产生对象O的图像。此外，图1D和1E是根据这里所描述主题的实施例的不同操作模式中的DEI系统100的示意图。参考图1A和1B，大体标记为100的DEI系统可以包括X射线管XT，其可操作用于产生大体标记为XB的多色X射线射束、或者在不同方向从X射线管XT的点源呈扇形发出的多个X射线射束。X射线射束XB可以包括具有不同能量的光子。在一个例子中，X射线管XT是具有可以从其发射X射线射束XB的点源的钨X射线管。

图2是根据这里所描述主题的实施例的基于固定X射线管设计的X射线管XT的示意图。参考图2，X射线管XT包括配置为生成大体标记为EB的电子束的阴极C。阴极C由钨制成。跨阴极C和阳极A施加高电压，其在X射线管XT的真空内部V上创建了高电势差。可以经阳极连接ANC将电势施加给阳极A。X射线管XT可以包括配置为加热阴极C的灯丝F。可以通过灯丝连接FC将灯丝F连接到电源。

将真空内部V定义在X射线管框架XTH内。可以通过加热阴极C从阴极C热射出电子。静电聚焦杯EFC围绕电子射出点，其有助于使电子流朝向阳极A聚集。此外，从阴极C发射的电子跨真空内部V聚集到阳极A，通过施加到电路上的电压确定在间隙之间的速度。

从阴极C射出的电子可以指向并且入射到阳极A的钨对阴极T上。作为电子在对阴极T上影响的结果，生成X射线射束XB。X射线射束XB经X射线窗口XW离开真空内部V。X射线射束XB可以包括特征发射线和轫致辐射。

X射线发生器的一个例子是可从德国亚伦斯堡通用电气检查技术购买的ISOVOLT TITAN 160。其它示例性X射线管包括COMET MXR-160系列X射线管，例如可从瑞士Flamatt的Comet AG购买的MXR-160HP/20X射线管。其它示例性X射线管可以包括那些使用除了钨之外、包括钼、铁和铜阳极的X射线管。其它合适类型的对阴极包括六硼化钡对阴极和钐对阴极。六硼化钡对阴极可以产生大约在30keV的X射线。钐的Kα1线是在大约40keV。在一个例子中，X射线管的阳极可以是可以从其发射X射线射束的旋转阳极。在另一个例子中，X射线管的阳极可以是可以从其发射X射线射束的固定阳极。

再次参考图1A和1B，可以定位准直器C1用于阻挡X射线射束XB落在单色仪晶体MC的角度接受窗口之外的部分。系统100还可以包括定位在X射线管XT和单色仪晶体MC之间、用于阻挡X射线射束XB落在单色仪晶体MC的角度接受窗口之外的部分的额外的准直器。准直器可以定义狭缝或者孔，X射线射束XB的一部分可以穿过该狭缝或者孔到达单色仪晶体MC。此外，准直器可以由用于阻挡X射线射束的、诸如铅的任何合适的材料制成。X射线管XT和准直器C1之间的距离X可以是大约100毫米(mm)。

可以将单色仪晶体MC配置为选择入射到其上的X射线射束XB的一部分预定能量。在一个例子中，单色仪晶体MC是适合于抑制X射线射束XB的大多数不具有期望能量的光子的硅[333]单色仪晶体。对于钨X射线管的情况，可以存在由硅单色仪晶体反射的射束能量的范围。在该情况下，X射线射束的特征发射线是59.13keV(Kα1)和57.983(Kα2)，并且轫致辐射落在单色仪晶体的窄角度接受窗内。轫致辐射的亮度小于两条Kα发射线的幅度几个数量级。

通过单色仪晶体MC在几个不同方向中对X射线射束XB进行散射。可以定位准直器C2用于阻挡X射线射束XB落在分析器晶体AC角度接受窗之外的部分。准直器C2可以定义狭缝或者孔，X射线射束XB的一部分可以穿过该狭缝或者孔朝向分析器晶体AC，用于被分析器晶体AC截断。在一个例子中，单色仪晶体MC和分析器晶体AC之间的距离Y可以是大约500mm。

为了测量在特定方向中传播的辐射的量，可以旋转分析器晶体AC。晶体系统的角灵敏度函数称为本征摆动曲线，并且该属性被用于生成图像折射对比度。如果X射线光子朝向摆动曲线的峰偏移，其反射率以及该强度将增大。如果对象特性使得光子向摆动曲线下偏转，或者远离峰值反射率位置，就将造成强度的减少。

可以在空气中对样本或者对象进行成像，或者将其浸入到诸如水的耦合介质中。使用耦合介质可以用于减小空气和待成像对象之间的折射率梯度，因此允许入射X射线进入样本内，而不在空气-对象分界面处经历明显折射。这对于大多数对象不是必须的，但是它是DEI方法的一种应用，并且可以用于改进对象的内部对比度。

在一个例子中，单色仪晶体MC是对称晶体，其一个维度窄。对称晶体的晶格面(对X射线射束衍射有贡献的原子层)平行于晶体的表面。对称晶体维持入射射束的发散和大小。相比之下，不对称晶体更改了入射射束的发散和大小。在该例子中，单色仪晶体MC是对称晶体，可以通过对样本对象进行扫描和使用对称晶体的检测器实现大成像场(例如，大约100mm*100mm的成像场)的二维成像。对称晶体比不对称晶体的一个示例性优势是不对称晶体需要大的单色仪晶体准备成像射束(例如，对X射线进行选择和准直)，这强加了在大晶体完美度方面的严格限制。此外，不对称晶体的大小随着X射线射束能量的增大而增大，于是使得它对于大约59.13keV的X射线是不能实现的。相比之下，例如，在根据这里所描述主题中使用的对称单色仪晶体可以利用59.13keV的X射线，其采用在长度上大约30mm的适度大小的晶体。

再次参考图1A和1B，可以根据用于对对象O进行成像的扫描台ST将对象O定位在X射线射束XB的路径中。如通过箭头所指示的，可以垂直于X射线射束XB的方向对对象O进行扫描。在对象O扫描期间，X射线射束XB可以穿过对象O，并且可以通过分析器晶体AC对其进行分析，该分析器晶体AC可以是与单色仪晶体MC匹配的硅[333]晶体。入射到分析器晶体AC上的X射线射束XB可以衍射，以被数字检测器(或者图像板)DD截断。数字检测器DD可以对所截断的X射线射束XB进行检测，并且生成表示所截断的X射线射束的电信号。

在一个例子中，可以利用线源扫描系统。在一个例子中，扫描系统可以具有在对象和检测器之间1:1的相关性。

可以将电信号传送到计算机C用于图像分析并且显示给操作者。电信号所代表的图像可以包括来自所得图像中Kα1和Kα2能量的贡献。在一个例子中，感兴趣的能量是具有59.319keV的Kα1能量。在该例子中，可以经图像处理移除由Kα2能量产生的图像特征。如果由X射线射束的Kα2部分所创建的特征低于所期望的分辨率一段距离，那么就可以一起使用这两个并且减少所需的整体成像时间。对于高分辨率应用，Kα2能量部分可以造成阴影效应，并且可以经图像处理移除。可以将计算机C配置为生成吸收图像、示出折射效果的图像以及描述了超小角度散射的图像，下面对其类型进行更详细描述。

特别参考图1B，单色仪晶体MC可以将X射线射束XB作为扇形射束传播。可以采用准直器对扇形射束进行准直，以便屏蔽不期望的X射线，这导致清晰的DEI图像和低受试者剂量。与二维射束相比，为了屏蔽不期望的X射线，可以更容易对扇形射束进行控制。

参考图1C，示出了从X射线管XT(在图1A和1B中所示)发射的X射线辐射的源S到单色仪晶体MC、对象O、分析器晶体AC和检测器DD之间的示例性距离。根据应用，各部件可以以其它合适距离彼此间隔。在该例子中，将DEI系统100配置用于乳房射线照相。

现在参考图1D和1E，如上所述，这些图示出了在不同操作模式中的DEI系统100。通过X射线管XT生成X射线射束的特征发射线Kα1 K1和Kα2 K2。发射线Kα1 K1和Kα2 K2源于同一个点源PS。如上所述，单色仪晶体MC抑制X射线射束中不具有期望能量的大多数光子。在该情况下，发射线Kα1 K1和Kα2 K2和轫致辐射穿过单色仪晶体MC，并且如所示重新指向分析器晶体AC。

可以将准直器C2定位在发射线Kα1 K1和Kα2 K2的路径中。准直器C2定义了可调节的狭缝，发射线可以经该狭缝有选择地通过，以朝向分析器晶体AC。在图1D中所示的第一操作模式中，对于距离点源PS大约400mm的情况，将狭缝的孔径X调整为0.6mm，并且放置该狭缝使得发射线Kα1 K1通过准直器C2，而Kα2 K2被阻挡。这样，准直器C2移除除了来自发射线Kα1 K1的X射线以及非常窄范围的轫致辐射之外的所有X射线。在该模式中，射束不发散，并且因此以相同扫描速度、在相对方向中对对象O和检测器DD进行扫描。该模式产生最大可能面外分辨率(DEI对比度的方向)，但是以从X射线射束移除了部分X射线为代价，因而必然增大了曝光时间。将对于对象O的虚拟点源指定为VPS。

现在参考图1E，在第二操作模式中，发射线Kα1 K1和Kα2 K2以及在邻近能量的轫致辐射穿过准直器C2。在与点源PS大约400mm的距离处，将准直器C2的狭缝的孔径X调整为2.0mm，并且定位该狭缝使得发射线Kα1 K1和Kα2 K2以及轫致辐射穿过准直器C2。在该模式中，考虑射束发散。为了避免图像模糊，可以以相同的角速度对对象O和检测器DD进行扫描。可以根据源到对象的距离和源到检测器的距离(其中，这些距离沿着射束路径)确定检测器DD和对象O所放置于的样品台的相对扫描速度。在该模式中的射束发散可能导致更低的面外分辨率，但是该模式具有通过更多X射线的优势，并且因此允许更快的曝光时间。将用于检测器DD的虚拟点源指定为DVPS。圆圈部分CP1和CP2分别以用于对象O和检测器DD的虚拟源点为中心。

此外，在使用第二模式的一个实施例中，可以获取具有与K阿尔法线不同的X射线能量的轫致辐射。于是，在该实施例中，系统在X射线能量上是可调的，并且不限制于特征发射能量。可以通过改变单色仪晶体和分析器晶体的入射角度来实现该功能。在一个例子中，可以遵循布拉格定律通过将入射角改变到11.4度、并且采用铝滤光器代替铜滤光器来实现该功能。在该例子中，成像可以发生在30keV X射线能量处。可以使用低于钨发射线能量的X射线能量用于相对薄的对象。

在一个例子中，为了减少或者消除不需要的晶体反射和谐波，可以将铜滤光器配置为移除大约19keV轫致辐射。没有该滤光，图像具有降级的可能性。

图3是根据这里所描述主题的实施例对图1A-1E的DEI系统100进行说明的顶部示意视图。参考图3，通过X射线管XT源生成X射线射束XB。准直器C1和C2阻挡X射线射束XB中通过分析器晶体AC与X射线管XT源有大约5.7度的角度的部分传播。X射线射束XB的通过准直器C1和C2的部分是X射线射束通过准直器中狭缝的部分。

系统100可以分别包括右和左分析器碘化钠检测器D1和D2，并且分别包括右和左单色仪碘化钠检测器D3和D4。将检测器D1-D4配置用于分析器校准。使用这些检测器测量从单色仪晶体MC或者分析器AC发射的衍射X射线射束的强度。为了系统校准，将检测器D1和D2放置在分析器晶体AC后的X射线射束XB中。如果没有将分析器晶体调整到所期望的角度，通过检测器D1和D2所测量的强度将对此进行显示，并且能够对系统进行调整。对于单色仪晶体MC后的X射线射束XB中的检测器，情况相同。另外，可以使用检测器D1-D4实时测量X射线射束XB，并且调整分析器晶体、D1和D2、chi(关于沿着X射线射束路径的轴所测得的角度)或者单色仪晶体chi、D3和D4。使用这些检测器设置、测量并且调整分析器晶体AC和单色仪晶体MC对于成功的DEI图像采集可以是重要的。

图4是根据这里所描述主题的实施例、用于通过使用图1A-1E中所示的DEI系统100对对象O进行成像的示例性过程进行说明的流程图。参考图4，在方框400中，可以生成具有多色能量分布的第一X射线射束。例如，通过X射线管XT生成的X射线射束XB可以具有多色能量分布。此外，例如，为了生成X射线射束，可以将X射线管XT设置为具有至少50kW的功率。备选地，例如，对于一些医疗应用、研究和开发、小动物成像等，可以将X射线管XT的功率设置为小于50kW(例如，大约30kW)。使用较小功率的优势是降低成本。第一X射线射束可以具有从大约10keV到大约60keV范围的射束能量。在一个例子中，可以通过同步加速器产生第一X射线射束。

在方框402中，将单色仪晶体MC定位在预定位置以截断第一X射线射束，使得产生具有预定能量级别的第二X射线射束。例如，可以将单色仪晶体MC的表面定位在X射线射束XB的路径中用于截断射束。如上所述，单色仪晶体MC可以适合于抑制X射线射束XB中不具有所期望能量的大多数光子。于是，能够产生所得的、具有预定能量级别的第二X射线射束。在一个例子中，可以以在关于X射线射束XB入射到单色仪晶体MC表面的路径大约5度和20度之间的角度定位单色仪晶体MC的表面。在该例子中，这些角度可以用于[333]反射。备选地，可以在单色仪晶体MC表面的定位中使用其它合适的角度。在另一个例子中，可以以在关于X射线射束XB入射到单色仪晶体MC表面的路径大约1度和20度之间的角度定位单色仪晶体MC的表面。在另一个例子中，可以以在关于X射线射束XB入射到单色仪晶体MC表面的路径大约1度和20度之间的角度定位单色仪晶体MC的表面。如果使用[333]和[111]两种反射，对于10至70keV的能量范围，角度范围可以是在大约1度和大约40度之间。

在方框404中，可以将对象O定位在第二X射线射束的路径中用于使第二X射线射束透射通过对象O并且从对象O发射透射的射束。例如，可以将对象O定位在扫描台ST上，用于将对象O移动到X射线射束的路径中。

在方框406中，可以将透射的X射线射束以一入射角指向分析器晶体AC上。例如，可以将分析器晶体定位在透射的X射线射束的路径中并且其角度使得以一入射角截断X射线射束。可以将至少一部分截断分析器晶体AC的射束朝向检测器DD衍射。

在方框408中，可以从由分析器晶体AC衍射的射束检测对象O的图像。例如，检测器DD可以检测从分析器晶体AC衍射的射束。可以通过下列示例性检测器之一检测衍射射束：配置为对所检测图像进行数字化的检测器、射线照相胶片、以及图像板。在一个例子中，可以从由晶体分析器衍射的射束、在晶体分析器摆动曲线的峰值处和/或接近晶体分析器摆动曲线峰值处检测对象的图像。为了呈现给用户，可以经计算机C对所检测的图像进行处理并且呈现给用户。

在检测对象的图像的另一个例子中，可以从位于第一角度位置的分析器晶体AC发射的第一衍射射束检测对象O的第一角度图像。可以在分析器晶体AC的低摆动曲线角度设置处检测到对象O的第一角度图像。此外，可以从位于第二角度位置的分析器晶体AC发射的第二衍射射束检测对象O的第二角度图像。可以在分析器晶体AC的高摆动曲线角度设置处检测到对象O的第二角度图像。可以通过计算机C对第一和第二角度图像进行组合，从而得到折射图像。此外，计算机C可以从折射图像中导出对象O的质量密度图像。可以经计算机C的显示器将质量密度图像呈现给用户。

图5是根据这里所描述主题的实施例的图1A-1E和图3中所示的DEI系统100的分析器晶体AC的侧视图。参考图5，示出了特征发射线Kα1和Kα2从分析器晶体AC表面的衍射。多于一种X射线能量的调节可能带来改进的X射线通量。

在另一个实施例中，根据这里所描述主题的DEI系统可以包括用于抑制由X射线管发射的特定X射线的不匹配晶体设计。在该设计中，可以在单色仪处消除X射线射束的Kα2发射谱线。图6A和6B分别是大体标记为600的DEI系统的示意图和顶部透视图，该DEI系统600包括不匹配的单色仪晶体，并且可以根据这里所描述主题的实施例进行操作以便产生对象O的图像。参考图6A和6B，DEI系统600包括X射线管XT，其可操作用于产生X射线射束XB。可以放置准直器C1用于阻挡X射线射束XB落在单色仪晶体MC1角度接受窗之外的部分。X射线射束XB未被阻挡的部分可以与第一单色仪晶体MC1相交，后者使未被阻挡的部分折射到用于被第二单色仪晶体MC2截断的方向中。为了得到指向第二单色仪晶体MC2的衍射单色射束，可以使用布拉格定律将第一单色仪晶体MC1调整到特定角度，以便选择非常窄的光子能量范围。由于来自X射线管XT的X射线射束XB发散，所以第一单色仪晶体MC1可以衍射一能量范围，该能量范围可以包括特征发射线Kα1和Kα2以及在附近能量上的轫致辐射。第二单色仪晶体MC2的功能是将射束重新指向平行于入射射束并且与分析器晶体AC对准的方向。当针对特定能量调整系统时，首先对准第一单色仪晶体，并且随后调整第二晶体，以便找到射束的位置。

随着第二单色仪晶体MC2的对准，对分析器晶体AC进行扫描，以便找到射束在晶体上的位置。摆动晶体以找到射束位置类似于扫描无线电转盘以找到特定台，当分析器的角度位置与第二单色仪晶体精确对准时在强度上形成快速上升。一旦分析器晶体AC对准，系统调整好了并且准备好使用。

为了抑制从X射线管发射的特定X射线，可以分别将第一和第二单色仪晶体MC1和MC2配置在不匹配晶体设计中。可以使用单色仪晶体MC1和MC2消除X射线射束XB的Kα2发射谱线，其可以通过利用对不同晶体的角度接受比能量来实现。在一个例子中，单色仪晶体MC1和MC2分别可以是锗[333]和硅[333]单色仪晶体。

图7是根据这里所描述主题的实施例对用于通过使用图6A和6B所示的DEI系统600对对象O进行成像的示例性过程进行说明的流程图。参考图7，在方框700中，可以生成具有多色能量分布的第一X射线射束。例如，通过X射线管XT生成的X射线射束XB可以具有多色能量分布。此外，例如，为了生成X射线射束，可以将X射线管XT设置为具有至少50kW的功率。第一X射线射束可以具有从大约10keV到大约60keV范围的射束能量。在一个例子中，可以通过同步加速器生成第一X射线射束。

在方框702中，可以将单色仪晶体MC1定位在预定位置中以截断第一X射线射束，使得产生具有预定能量级别的第二X射线射束。例如，可以将单色仪晶体MC1的表面定位在X射线射束XB的路径中，用于截断射束。如上所述，单色仪晶体MC1可以适于抑制X射线射束XB中不具有所期望能量的大多数光子。于是，可以产生所得到的、具有预定能量级别的第二X射线射束。在一个例子中，可以以在关于X射线射束XB入射到单色仪晶体MC1表面的路径大约5度和20度之间的角度放置单色仪晶体MC1的表面。

在方框704中，可以放置单色仪晶体MC2以截断第二X射线射束，并且使第二X射线射束指向分析器晶体AC。在一个例子中，可以放置第二单色仪晶体MC2，使得第二X射线射束指向沿着平行于X射线射束XB经过准直器C1的部分的路径的路径。在另一个例子中，单色仪晶体MC1和MC2可以是不匹配的。在另一个例子中，可以选择单色仪晶体MC1和MC2以抑制X射线射束XB的预定部分。在另一个例子中，单色仪晶体MC1和MC2可以是锗[333]和硅[333]单色仪晶体之一。

在方框706中，可以将对象O定位在第二X射线射束的路径中，用于使第二X射线射束透射通过对象O并且从对象O发射透射的射束。例如，可以将对象O定位在扫描台上，用于将对象O移动到X射线射束的路径中。

在方框708中，可以将透射的X射线射束以一入射角指向分析器晶体AC上。例如，可以将分析器晶体AC放置在透射的X射线射束的路径中并且放置在这样的一角度，该角度使得以一入射角截断X射线射束。可以将与至少一部分分析器晶体AC相交的射束衍射到检测器DD。

在方框710中，可以从由分析器晶体AC衍射的射束检测对象O的图像。例如，检测器DD可以检测从分析器晶体AC衍射的射束。可以通过下列示例性检测器之一检测衍射射束：配置为对所检测图像进行数字化的检测器、射线照相胶片、以及图像板。在一个例子中，可以从由晶体分析器衍射的、在晶体分析器摆动曲线的峰值处和/或接近晶体分析器摆动曲线峰值处的射束检测对象的图像。在该例子中，峰值可以出现在摆动曲线的大约一半达尔文宽度内。为了呈现给用户，可以经计算机C对所检测的图像进行处理并且呈现给用户。

在检测对象的图像的另一个例子中，可以从放置在第一角度位置的分析器晶体AC发射的第一衍射射束检测对象O的第一角度图像。可以在分析器晶体AC的低摆动曲线角度设置处检测到对象O的第一角度图像。此外，可以从放置在第二角度位置的分析器晶体AC发射的第二衍射射束检测对象O的第二角度图像。可以在分析器晶体AC的高摆动曲线角度设置处检测到对象O的第二角度图像。可以通过计算机C对第一和第二角度图像进行组合，从而导出折射图像。此外，计算机C可以从折射图像中导出对象O的质量密度图像。可以经计算机C的显示器将质量密度图像呈现给用户。

图8-10是锗[333]和硅[333]晶体在不同波长的Dumond图的曲线图。具体而言，图8是锗[333]和硅[333]晶体在对应于钨的Kα1和Kα2的波长范围内的Dumond图的曲线图。图9是锗[333]和硅[333]晶体在对应于钨的Kα1波长范围内的Dumond图的曲线图。在对应于钨的Kα1波长上(59.319keV)，存在锗[333]和硅[333]的完全重叠，于是指示当Kα1能量在第一截断晶体(即，锗单色仪晶体)和第二截断晶体(即，硅单色仪晶体)上衍射时不存在对Kα1能量的抑制。然而，在更高波长上，存在对每种晶体在给定角度上可接受的波长的分离。参考图10，在对应于钨的Kα2的波长上(57.982keV)，在锗[333]和硅[333]波长接受区中不存在重叠。将该波长应用到如关于图6A和6B中所示的例子所描述的基于钨的源，可以将锗和硅单色仪晶体定位在平行几何中，以便允许对Kα1波长的几乎无损反射，并且完全抑制Kα2波长。

图11是根据这里所描述主题的实施例的、在图6A和6B中所示的DEI系统600的锗单色仪晶体MC1和硅单色仪晶体MC2的侧视图。参考图11，示出了在平行几何中的单色仪晶体MC1和MC2，以提供对钨X射线管的Kα1波长的几乎无损反射，并且完全抑制Kα2波长。

再次参考图6A和6B，在几个不同方向中对X射线射束XB经过单色仪晶体MC1和MC2的部分进行散射。准直器C2可以包括狭缝或者孔，放置该狭缝或者孔用于阻挡X射线射束XB落到分析器晶体AC的角度接受窗之外的部分。

为了通过扫描台ST成像，可以将对象O定位在X射线射束XB的路径中。在对象O的扫描期间，X射线射束XB可以通过对象O，并且可以通过分析器晶体AC对其进行分析，该分析器晶体AC可以是与单色仪晶体MC2匹配的硅[333]晶体。入射到分析器晶体AC上的X射线射束XB可以衍射以被数字检测器DD截断。数字检测器DD可以对所截断的X射线射束XB进行检测，并且生成代表截断的X射线射束的电信号，用于传送到计算机C。计算机C可以对信号表示进行分析，并且将对象O的图像显示给操作者。具体而言，可以将计算机C配置为生成吸收图像、示出折射效果的图像、以及描述超小角度散射的图像，下面将更详细描述这些类型。

图12是大体标记为1200的DEI系统的示意图，该DEI系统包括不匹配的单色仪晶体并且其可以根据这里所描述主题的实施例进行操作以便产生对象O的图像。参考图12，DEI系统1200可以包括钨X射线管XT，可以对其进行操作以便生成大体指向在通过箭头A所指示的方向中的X射线射束XB。可以将铍(Be)窗口BW定位在X射线管XT的射束出口端BE处，用于截断X射线射束XB。Be窗口BW的功能包括滤除低能量X射线，并且密封X射线管XT的真空内部。可以将Be窗口BW保持在配置为用于接附到射束出口端BE的外壳H1中。

为了截断通过Be窗口BE的X射线射束XB，可以在Be窗口BW下游放置铝(Al)滤光器AF。可以将Al滤光器AF保持在配置为用于接附到Be窗口BW的外壳H1的外壳H2中。使用Al滤光器AF衰减不期望的更低能量X射线。

为了截断通过Al滤光器AF的X射线射束XB，可以在Al滤光器AF下游放置单色仪仓MT。单色仪仓MT可以分别包括不匹配的第一和第二单色仪晶体MC1和MC2，以及各自定义了X射线射束XB可以通过的狭缝的一对准直器C1和C2。单色仪仓MT可以分别包括X射线射束XB的用于进入和离开的末端E1和E2。准直器C1和C2可以准直X射线射束XB的一部分。可以将第一和第二单色仪晶体MC1和MC2配置在不匹配晶体设计中用于抑制由X射线管发射的特定X射线。可以使用单色仪晶体MC1和MC2消除X射线射束XB的Kα2发射线。在一个例子中，单色仪晶体MC1和MC2可以分别是锗[333]和硅[333]单色仪晶体。单色仪仓MT可以容纳用于如这里所述为了选择X射线射束XB的能量而旋转单色仪晶体MC1和MC2的机械装置。

系统1200可以包括另一个准直器C3、离子室IC以及定位在单色仪仓MT下游的开关组件SA。在单色仪仓MT的出口端E2上，X射线射束XB的至少一部分可以通过在准直器C3内所定义的狭缝，为了X射线射束准直并且为了阻挡X射线射束XB的一部分，将准直器C3定位在单色仪仓MT下游。使用穿过离子室的X射线光子可以进行离化并且产生电压的原理，使用离子室IC测量X射线通量。可以操作开关组件SA有选择地阻挡和通过X射线射束XB，从而提供对象O对X射线射束XB有选择的曝光。

为了在成像期间在X射线射束XB的路径上进行扫描，扫描台组件SSA可以支撑对象O。在对对象O的扫描期间，X射线射束XB可以穿过对象O，并且可以通过分析器晶体AC对其进行分析，该分析器晶体AC可以是可以与第二单色仪晶体MC2匹配的硅[333]晶体。如这里所述，可以将分析器晶体AC旋转到关于单色仪晶体MC2的合适的角度。入射到分析器晶体AC上的X射线射束XB可以衍射，以便被可移动的数字检测器DD截断。数字检测器DD可以对截断的X射线射束XB进行检测，并且生成代表截断的X射线射束的电信号，用于传送到计算机C。计算机C可以对信号表示进行分析，并且将对象O的图像显示给操作者。具体而言，可以将计算机C配置成生成吸收图像以及示出折射效果的图像，下面将更详细描述这些类型。为了显示示出超小角度散射效果的图像，还可以根据DEI技术对DEI系统1200进行修改。

工作台T可以包括花岗岩顶部GT，其具有可以将单色仪仓MT、准直器C3、离子室IC、以及开关组件SA定位在其上的顶部表面。工作台T可以包括多个腿L，如下更详细描述的，其各自包括定位在底端和地板F之间为了稳定系统1200以减震的橡胶垫RP。工作台T可以包括配置为在垂直方向上下移动分析器晶体AC的切向臂(tangent arm)TA。

图13-16是根据这里所描述主题的实施例的、X射线管XT和在大体标记为SC的支架上具有单一单色仪晶体MC的单色仪仓MT的示例性布置的示意图。具体而言，图13是示例性布置侧视图的示意图。参考图13，支架SC包括多个平台PL和彼此连接的杆RD，用于对X射线管XT关于单色仪仓MT进行定位(将其一部分定位在通过参考标记XT所指示的孔内)。可以关于彼此精确定位X射线管XT和单色仪仓MT，使得从X射线管XT发射的X射线射束XB可以通过孔径A1进入单色仪仓MT，并且使得X射线射束XB落入单色仪晶体MC的角度接受窗内。从单色仪晶体MC衍射的X射线射束XB可以通过孔径A2离开单色仪仓MT。除非另有说明，否则用图13-16中的数字所指示的距离以英寸为单位。

图14是图13中所示的示例性布置的顶部视图的示意图。参考图14，示出X射线射束XB形成从在X射线管XT内的点P延伸的扇形。

图15和16分别是图13和14中所示的示例性布置的另一个侧视图和另一个顶部视图的示意图。参考图15和16，为了说明屏蔽S，分别示出了没有侧板和顶板的布置。屏蔽S可以起防止X射线射束XB在不期望方向中的发射的作用。为了保护，可以使用额外的屏蔽。此外，可以如所需在临床装置中提供合适的屏蔽。

图17-26是根据这里所描述主题的实施例的DEI系统示例性部分的图像。具体而言，参考图17，示出了X射线管XT的X射线射束出口部分的图像。X射线射束可以从X射线管XT发射并且通过Be窗口BW，将Be窗口BW接附到X射线管XT并且定位用于截断X射线射束。给Be窗口BW填充两层内部铅(Pb)屏蔽PS。

图18是图17中所示的X射线管XT的X射线射束出口部分的另一个图像。在该图像中，将Al滤光器AF和准直器C1接附到X射线管XT，并且定位用于截断X射线射束。Al滤光器AF大约2mm厚。准直器C1包括用于通过X射线射束的狭缝SL。在该例子中，准直器C1由钽(Ta)制成，并且大约1/8英寸厚。在一个例子中，该狭缝具有比X射线管上的光斑尺寸稍大的尺寸。在一个例子中，该狭缝是1.0mm，并且X射线管上的光斑尺寸是0.4mm。该狭缝可以提供经垂直准直的扇形射束。

图19是Al滤光器AF、准直器C1以及另一个准直器C2的图像。在该图像中，为了说明的目的，对部件进行了拆分。在装配状态中，可以将这些部件互相邻近组装在一起。

图20和21是屏蔽罩和X射线管的图像。图20是拆卸并且切割的屏蔽罩S1的图像，没有为了适应X射线管XT的末端而弯曲。图21是为了防止X射线射束从X射线管XT的末端不期望的发射的目的、在X射线管XT的末端上的屏蔽罩S1的图像。屏蔽罩S1是为了适应X射线管XT的末端切割并且弯曲成盖子形状的1/8英寸铅片。

图22是单色仪仓MT的图像，该单色仪仓MT包括用于防止X射线射束从单色仪仓MT不期望的发射的铅屏蔽S3。屏蔽罩S3是大约1/2英寸厚的铅片，并且包括用于发射X射线射束的所期望部分的狭缝SL。从X射线管发射的X射线射束经屏蔽S3的狭缝SL离开单色仪仓MT。

图23是单色仪仓MT的图像，该单色仪仓MT包括用于防止X射线射束从单色仪仓MT不期望的发射的铅屏蔽S3。屏蔽S3是大约1/4英寸厚的铅片，并且包括用于发射X射线射束的所期望部分的狭缝SL。从X射线管发射的X射线射束经屏蔽S3的狭缝SL进入单色仪仓MT。

图24是另一部分屏蔽S2的图像，该另一部分屏蔽S2定位于X射线管ST末端附近，用于防止X射线射束从X射线管XT一侧不期望的发射。屏蔽S2是1/16英寸的铅片，其切割并且弯曲成适应X射线管XT的侧面的形状。1/8英寸的铅片可以按照因子1000减小150keV的X射线。

图25是在关于彼此的操作位置中的X射线管XT和单色仪仓MT的图像。

图26是单色仪仓MT的内部部件正视图的图像。具体而言，示出了单色仪晶体MC。此外，将屏蔽S定位在单色仪仓MT的侧面上。

图27是根据这里所描述主题的实施例的大体标记为2700的示例性DEI系统的顶部透视图。参考图27，DEI系统2700可以包括X射线管XT，其具有用于产生多个X射线射束XB的钨阳极。可以定位准直器C1用于阻挡X射线射束XB落在单色仪晶体MC的角度接受窗之外的一部分。在该例子中，单色仪晶体MC是硅晶体。可以定位准直器C2用于阻挡X射线射束XB落在分析器晶体AC的角度接受窗之外的一部分。

可以通过铜滤光器FTR截断X射线射束XB穿过准直器C2的部分，铜滤光器FTR配置为热绝缘，并且同样重要的是将X射线管XT所产生的轫致辐射X射线衰减20keV。对于给定的布拉格角，可能存在能够穿过单色仪的不需要的晶体反射。使用大约5.7度的布拉格角以便选择59.13keV[333]反射的一个例子也是允许19.71keV[111]X射线穿过的角度。如果这些X射线在单色仪晶体MC上衍射，它们将引起模糊、图像伪影，并且因此减小整体图像质量。使用铜滤光器FTR衰减较低能量的X射线(尤其是19.71keV轫致辐射)、从X射线射束XB发射并且在单色仪MC上衍射的X射线光子。

可以定位分析器晶体AC用于截断穿过滤光器FTR的X射线射束XB的至少一部分。此外，可以通过扫描台ST将对象定位在X射线射束XB的路径中，用于对对象的成像。在对象O扫描期间，X射线射束XB可以穿过对象O，并且可以通过分析器晶体AC对其进行分析，该分析器晶体AC可以是与单色仪晶体MC匹配的硅[333]晶体。入射到分析器晶体AC上的X射线射束XB可以衍射，以被数字检测器DD截断。数字检测器DD可以对所截断的X射线射束XB进行检测，并且生成代表所截断X射线射束的电信号。可以将电信号传送到计算机用于图像分析并且显示给操作者。可以将计算机配置为生成吸收图像和示出折射效果的图像，下面更详细描述这些类型。

图28是根据这里所描述主题的实施例的示例性单色仪晶体MC的示意图，包括侧视图、顶部视图和正视图。参考图28，单色仪晶体MC的侧视图、顶部视图和正视图分别指定为SV、TV和FV。在图中示出了单色仪晶体MC的维度，并且其维度可以是大约±0.5mm。备选地，单色仪晶体可以具有其它合适的维度，该维度部分由成像应用确定。单色仪晶体MC的表面取向可以是平行于晶体大表面的晶格平面。当组装时，可以注释其它较小正交表面的取向用于参考。示例性单色仪晶体可以是锗[111]单色仪晶体和硅[111]单色仪晶体。

单色仪晶体MC可以包括在晶体顶部部分内定义的应力释放切口，大体标记为C。切口C的宽度是大约1/16英寸厚。备选地，宽度可以是任何其它合适的维度。切口C移除了晶体用于接附的部分，并且允许分析器晶体AC和单色仪晶体MC的剩余部分无应力。如果在分析器晶体AC或者单色仪晶体MC的成像部分中引起任何压力或者应力，它将改变衍射属性，并且不利地影响系统性能。

多射束DEI和DEI系统

根据这里所描述主题的另一个实施例的成像系统可以使用多个X射线射束。系统可以包括两个或多个单色仪，每个单色仪由一个或多个晶体组成，用于抑制由X射线管发射的特定X射线。图64和65是大体标记为200的多射束系统实施例的示意图，该多射束系统包括多个单色仪晶体并且可以根据这里所描述主题的实施例对其进行操作以便产生对象O的图像。类似于上述单一单色仪的系统，大体标记为200的成像系统可以包括X射线管XT，可以对X射线管XT进行操作以产生大体标记为XB的多色X射线射束、或者从X射线管XT的点源在不同方向扇形发出的多个X射线射束。在一个例子中，X射线管XT可以是钨X射线管，其具有可以从其发射X射线XB的点源。X射线管XT仍然可以是单一管状源，但是该源可以将光线发射到大角度区域中。

可以将该构造本质上视为上述成像系统的“按比例缩放”。该构造可以提供用于减少成像时间的唯一路径。可以提供诸如多个单色仪晶体MC的两个或多个单色仪(每个单色仪由一个或多个晶体组成)而不是单一晶体单色仪或者双晶体单色仪。例如，在图64中所说明的一个特定实施例中，多个单色仪晶体MC可以包括第一单色仪晶体MC-1、第二单色仪晶体MC-2、……第n单色仪晶体MC-n。在图65中所说明的另一个特定实施例中，多个单色仪晶体MC可以包括多个两晶体单色仪。具体而言，单色仪晶体MC可以包括第一单色仪晶体对MC1-1和MC2-1、第二单色仪晶体对MC1-2和MC2-2、……第n单色仪晶体对MC1-n和MC2-n。这些两晶体单色仪可以是匹配的(例如，两个硅晶体)或者不匹配的(例如，一个硅晶体、一个锗晶体)。

在另一个布置中，多射束系统可以使用单一X射线管XT、单一检测器DD，并且多个单色仪晶体MC可以共享同一个振动绝缘基座VIM。多射束设计可以截断更多可以由X射线管XT生成的X射线射束XB。作为结果，对于给定数目n的射束，相对于单一射束结构成像时间可以以因子n减小。元件的特定布置可以类似于用于上述成像的多个构造之一。例如，可以将每个单色仪晶体MC定位在预定位置中以直接截断X射线射束XB，使得产生多个第二X射线射束，每个第二X射线射束具有预定的能量级别。具体而言，可以将每个单色仪晶体MC定位在合适的角度上，并且每个单色仪晶体MC具有足够大的晶体表面以利用[333]或者[111]反射对钨Kα1和Kα2线进行反射。

可以定位阵列准直器CA用于阻挡X射线射束XB落在单色仪晶体MC的角度接受窗之外一部分，从而允许对于来自X射线管XT的X射线射束XB的多射束路径。阵列准直器CA1可以代替上文关于单一射束成像系统所公开的准直器C1(例如，单一狭缝钽准直器)工作。此外，如上所述，系统200还可以包括额外的准直器CA2，可以将其定位在X射线管XT和单色仪晶体MC之间，用于阻挡X射线射束XB落在单色仪晶体MC的角度接受窗之外的一部分，或者用于有选择地阻挡X射线射束XB的特征发射线(例如，特征线Kα1和Kα2)之一并且允许未被阻挡的一个特征发射线穿过。备选地，可以将额外的准直器CA2定位在单色仪晶体MC和对象O之间，用于有选择地阻挡特征发射线之一。换言之，将额外的准直器定位成在通过单色仪晶体MC截断X射线射束XB之后而不是之前，阻挡一个特征发射线。

再次参考图64和65，可以将对象O定位在X射线射束XB的路径中。在对象O扫描期间，X射线射束XB可以穿过对象O，并且可以指向在要被分析器晶体AC(例如，第一分析器晶体AC-1、第二分析器晶体AC-2、……第n分析器晶体AC-n)分析的入射角。每个分析器晶体AC可以是可以与对应的单色仪晶体MC匹配的硅晶体。入射到分析器晶体AC上的X射线射束XB可以衍射，以被数字检测器(或者图像板)DD截断。数字检测器DD可以对所截断的X射线射束XB进行检测，并且生成代表所截断的X射线射束的电信号。在一些实施例中，数字检测器DD可以是这里的大面积检测器。在另一些实施例中，数字检测器DD可以是狭缝检测器阵列。

使用如上所述的成像系统和方法可以允许增大通量并且减少成像时间，以便在临床成像典型需要的预定范围内。可以使用更多的扇形射束减少成像时间，对于n个单色仪的阵列其可以因子n大致减少成像时间。

用于使用DEI和DEI系统的成像过程和质量控制

使用根据这里所描述主题的不匹配晶体设计配置的DEI系统的图像采集可以从为给定实验选择合适的射束能量开始。在一个例子中，可以从大约10keV和大约60keV之间的范围中选择射束能量。可以通过使用布拉格定律计算对于所期望波长的合适角度来实现为成像选择特定的能量。在一个例子中，单色仪中的第一晶体可以仅具有一个移动轴，可以将其调整到特定角度，以便从入射X射线射束中移除除了所选择的射束能量之外的所有能量。下表1示出了为了在18keV和60keV之间采集图像、第一单色仪晶体的示例性角度。使用布拉格定律λ＝2dsin(θ)所计算的对于硅的这些角度定义了当X射线射束在单色仪晶体MC上衍射时它的入射角theta(θ)和衍射角theta(θ)。将检测器以两倍于在第一晶体中用于选择X射线射束能量所使用的布拉格角度的角度2θ放置。

能量(keV)	θ(度)	2θ(度)
			18	19.23	38.46
19	18.19	36.38
			20	17.25	34.50
21	16.41	32.82
			22	15.64	31.28
23	14.94	29.88
			24	14.30	28.60
25	13.72	27.44
			26	13.18	26.36
27	12.69	25.38
			28	12.23	24.46
29	11.80	23.60

30	11.40	22.80
			31	11.03	22.06
32	10.68	21.36
			33	10.35	20.70
34	10.05	20.10
			35	9.76	19.52
36	9.48	18.96
			37	9.22	18.44
38	8.98	17.96
			39	8.75	17.50
40	8.53	17.06
			41	8.32	16.64
42	8.12	16.24
			43	7.93	15.86
44	7.75	15.50
			45	7.57	15.14
46	7.41	14.82
			47	7.25	14.50
48	7.10	14.20
			49	6.95	13.90
50	6.81	13.62
			51	6.68	13.36
52	6.55	13.10
			53	6.43	12.86
54	6.31	12.62
			55	6.19	12.38
56	6.08	12.16
			57	5.97	11.94
58	5.87	11.74

59	5.77	11.54
			60	5.67	11.34

表1：为了采集图像用于第一单色仪晶体的硅[333]反射的示例性角度

采用不匹配晶体设计配置的DEI系统包括应该被调整并且仔细对准的三个晶体，即单色仪中的两个晶体和分析器晶体。例如，DEI系统600包括可以被调整和对准的单色仪晶体MC1和MC2以及分析器晶体AC。可以将第一晶体(例如，图6A和6B中所示的单色仪晶体MC1)和分析器晶体(例如，图6A和6B中所示的分析器晶体AC)调整到为每种能量所计算的角度(theta角)。例如，为了将系统调整到25keV，将第一单色仪晶体设置到13.17度，并且将分析器晶体设置到13.72度。可以将数字检测器组件设置为两倍于分析器晶体角度的角度，在该例子中，其为27.44度。

可以在被称为χ(chi)角度的水平方向中调整第二单色仪晶体(例如，图6A和6B中所示的单色仪晶体MC2)。如果在这些晶体之间的水平对准出现偏差，在图像中就可能存在从左到右的亮度偏移。可以使用两个离子室测量从单色仪和分析器发射的通量，将其都划分成内侧和外侧区域。如果从源到检测器组件的X射线射束来观测，内侧区域在右边，而外侧区域在左边。可以对内侧和外侧区域进行采样，以确保摆动曲线峰值是对准的；如果不是对准的，可以对χ角度进行调整。图29是单色仪晶体的透视图，其示出了内侧/外侧区域以及χ和θ旋转角。

可以以许多方式对通过DEI系统施加的剂量进行调整。例如，可以通过改变铝滤光器厚度以及/或者在X射线射束的路径中放置吸收体来调整剂量。如果需要，还可以通过使第二单色仪晶体远离摆动曲线的峰值解谐来减小剂量，这显著减小了衍射强度。在一个例子中，可以用同步加速器代替X射线管，在该情况下，由同步加速器的环形电流确定第一单色仪晶体上的入射通量。

可以根据入射通量确定样本采集时间，以级/秒为单位测量样本台的平移速率。可以通过调节剂量来增大或者减小扫描速度，其是以级/秒为单位测量的。当使用噪声量是固定的图像板时，扫描速度可能不是关键因素，但是当使用集成数字检测器时，由于噪声的量部分由采集时间确定，所以必须考虑扫描速度。当使用数字检测器时，应该对DEI系统进行调整，使得扫描速度尽可能接近最大值。

一旦将DEI或者DEI系统调整为合适的能量和剂量，就可以将待成像的对象放置在样本台上并且对准。在一个例子中，X射线射束的最大宽度是120mm，其在物理上限制了所得图像的宽度。使用宽度小于120mm的数字检测器或者图像板可能进一步限制视场。在一个例子中，样本台具有大约200mm的最大垂直位移。然而，对样品高度不存在物理限制。为了对对象的特定区域进行成像，必须确定该区域是否位于对于系统的200mm的范围内。X射线射束的位置可以是固定的，所以可以通过其与射束的相对位置确定对象的垂直感兴趣区域。

认为在DEI系统中使用的晶体在给定晶体区域上衍射光子的能力是均匀的，但是晶体结构使得存在具有增大或者减小强度的较小区域。由于将要通过具有固定维度的射束扫描对象，所以可以在图像的垂直维度上抹去这些“缺陷(glitch)”。术语“缺陷”通常应用于这些垂直线，但是这些影响是所期望的，并且应该视为系统的已知和期望属性。

关于系统性能特征的实验

在构建如这里所描述的包括X射线管的DEI和DEI系统之前，为了测试的目的，使用同步加速器作为X射线源执行实验。作为最初的说明，模拟基于钼和钨的X射线源，计算使用18keV和59keV X射线的成像时间和通量需求。此外，关于诸如像素尺寸和每像素光子数目的系统构造做出了若干假设。由于可以如所需对这些值进行缩放，在该例子中将使用100微米的像素尺寸，每像素1000光子穿过5cm组织(水)。

可以通过每像素期望光子数目除以光子经过对象的衰减来计算每100微米方形像素(micron square pixel)所需的光子数目，在该情况下对象是5cm水。

这样，对于18keV X射线源，每100平方微米像素将需要大约1.6x10⁵个入射光子。59keV X射线的衰减远小于18keV，其导致减小的每100微米方形像素2.9x10³个入射光子的需求。

使用发射谱线源将X射线通量入射到立体角

在DEI和DEI系统中使用的晶体光学器件充当高选择性角度缺陷过滤器，其将消除来自X射线射束的、不具有合适能量或者角发散的光子。对于基于X射线管的源，期望光子或多或少辐射到所有立体角内。为了确定通量需求，必须基于由检测器和X射线晶体光学器件包在其内的立体角计算通量。任何X射线管将具有多色能量分布，并且晶体系统将如通过布拉格定律所定义的那样选择发射线之一。

采用完美晶体，期望对于给定反射的峰值反射率非常接近单位1，使得综合反射率接近在布拉格法向方向中的固有反射宽度或者达尔文宽度。假定具有布拉格[333]反射的硅晶体，18keV和59keV的达尔文宽度如下：

18keV Si[333]达尔文宽度＝2.9x10^-6弧度

59.3keV Si[333]达尔文宽度＝0.83x10^-6弧度

在平行于晶体晶格平面的方向中传播的X射线称为布拉格平行的，并且布拉格平行方向中的角度接受区不是由晶体而是由检测器分辨率设置。如果待成像的对象距离X射线源1米并且需要100微米的空间分辨率，那么布拉格平行接受角是100微弧度。对于100微弧度布拉格平行接受角，在18keV和59keV上每立体弧度所需的光子数目如下：

X射线管通量

基于X射线管的源对它们的X射线谱可以具有两种成分：特征发射线和轫致辐射。DEI和DEI系统的晶体光学器件允许仅选择一个极窄的能量带，其应该位于管对阴极的特征发射线的中心。在该情况下，可以使用钼的Kα1(17.478keV)和钨的Kα1(59.319keV)确定来自每个源的这些发射线的通量。

生成在多种电压和电流设置下对钼和钨X射线管的蒙特卡洛仿真，以便确定在现实成像条件下可以生成的通量。对于使用具有75kV加速电压、10kW功率的钼对阴极，发射入Kα1内的通量如下：

使用具有150kV加速电压和50kW功率的钨对阴极的Kα1发射如下：

所估计的图像采集时间

如果使分析器失谐到距离峰值位置(80％)的值，就可以采集包含折射对比度和某些消光对比度的一次曝光。这些计算假定DEI系统具有单一单色仪晶体和分析器晶体。该仿真的几何结构与在国家同步加速器光源(NSLS)X15A射束线处(位于纽约阿普顿布鲁克海文国家实验室)使用的一致，其使用线源X射线，在其中通过射束对对象进行扫描。对于高10cm的对象以及100微米的像素大小(0.1mm)，将需要1000条扫描线。

对于75kV、10kW、钼对阴极情况(大约18keV)：

对于150kV、50kW、钨对阴极情况(大约59.3keV)：

对于在摆动曲线上具有最大反射率的80％的点处的单一图像，使用钼对阴极、使用上述参数所需的时间是大约1.1小时。对于钨管，使用相同反射率所需的时间是大约4.6分。通过对诸如每像素所需光子的变量进行成像并且改变从对象到源的距离可以进一步减小成像时间。

基于使用布拉格[333]反射所计算的数据，源到对象的距离是1000mm，可以使用其它反射和距离对成像时间进行估计。存在可以用于DEI的两种晶体反射，布拉格[333]和布拉格[111]反射。DEI中的折射和消光对比度和DEI大部分由分析器反射率曲线所确定，其具有更陡峭的斜率，为给定的角度变化提供更大对比度。在折射和消光对比度方面，布拉格[333]反射可以优于布拉格[111]反射，但是来自[333]反射的衍射通量大约小于[111]反射一个数量级。图30是对在使用硅[111]、[333]、[444]和[555]晶体衍射平面的NSLS X 15A箱中的单色射束通量进行说明的曲线图。通量的10倍增大可以以因子10减少成像时间，使得对于某些应用[111]反射有优势。可以通过减小源到对象的距离实现成像时间的进一步减少，如所述的这里使用1000mm距离来进行计算。从源到被成像对象的光子强度与1/r²成正比例。如果对象距离从1000mm减少到500mm，强度就可以增大4倍。存在许多可以决定源-对象距离的因素，最显著的之一是对象尺寸。取决于应用，可以如所需将分析器/检测器组件移动至更接近源或者更远离源。

分析器摆动曲线的半高全宽(FWHM)随着能量增大变窄(例如，在18keV上是3.86微弧度，并且在60keV上是1.25微弧度)。在下表2中示出了摆动曲线宽度比能量的例子。具体而言，下表2示出了在18、30和60keV上[333]分析器摆动曲线的测得的和理论的FWHM。将[333]双布拉格单色仪调整到布拉格峰值。

表2：在18、30和60keV上[333]分析器摆动曲线的测得的和理论的FWHM

FWHM的减小增大了摆动曲线的斜率，进一步增大了折射和消光对比度。图31是对FWHM的减小增大了摆动曲线的斜率进行说明的曲线图。如下表3中所示，使用对于50kW、布拉格[333]反射以及1000mm源到对象距离的通量计算，可以对各种距离和晶体反射所需的成像时间进行估计。具体而言，表3示出了基于晶体反射和源-对象距离所估计的成像时间。

表3：基于晶体反射和源-对象距离所估计的成像时间

基于同步加速器的DEI和DEI系统实验

如上所述，使用同步加速器执行DEI和DEI系统实验。具体而言，为这里所述的DEI和DEI实验使用NSLS X-15A射束线。用于如这里所述实验的同步加速器X射线源可以代替根据这里所描述主题的X射线管，用于生成DEI或者DEI图像。

在NSLS处的X射线环是能够产生从10至60keV高通量X射线的2.8GeV同步加速器。图32是根据这里所描述主题的实施例的、使用同步加速器X射线射束的大体标记为3200的DEI系统的实验装置的示意图。参考图32，以大约0.2毫弧度的垂直发散对从同步加速器发射的X射线射束XB进行高度准直。长度16.3米的射束线管(未示出)将实验箱连接到同步加速器X射线环。高强度多色X射线射束XB进入实验箱，并且通过使用双晶体单色仪仓MT使其呈现单色。单色仪仓MT包括两个单色仪晶体MC1和MC2(每个150mm宽x90mm宽x10mm高)，这两个单色仪晶体都是水冷的以降低热负载。射出单色仪仓MT的X射线射束XB是单色的。

随后，单色X射线射束行经离子室IC和高速开关组件SA继续到样本台组件SSA，创建具有120mm宽和3mm高最大维度的线源X射线射束。射束位置固定，使用由步进电机驱动的平移台将组件SSA上的样本对象O移动经过X射线射束。

可以通过将检测器D1(在射线照相构造中)直接放置在射束路径中的样本对象O之后来获得常规射线照相，移除了分析器晶体AC的任何影响。由于吸收是主要对比度机制，所以在该构造中所采集的图像类似于常规X射线系统，但是已经显示：当与使用常规X射线系统所采集的图像相比时，同步加速器射线照相具有更好的对比度。在这里所提供的实验期间获得的常规射线照相用于与DEI图像进行比较。

可以通过将检测器D2(在DEI构造中)以两倍于所计算的布拉格角的角度放置在分析器晶体AC之后来采集DEI图像。在上表1中呈现了用于在18-60keV范围中进行成像的角度的汇总。使用线源X射线使得必须在与对于DEI的样本相反的方向中移动检测器，并且在用于获得同步加速器射线照相相同的方向中移动检测器。在该实验中，使用富士HR V图像板、使用富士BAS2500图像板读取器(可以从康涅狄格州斯坦福的富士医疗系统购买)采集DEI图像。板大约0.5mm厚，由涂有与有机粘合剂组合的光激励荧光物质(BaFBR:Eu²⁺)的软塑料板构成。使用富士BAS2500以50微米分辨率和16位灰度级对图像进行扫描。

此外，在另一个实验中，将数字检测器添加到系统以使能使用图像板不实际也不可能的DEI应用，包括衍射增强计算机断层摄影和多图像射线照相(MIR)。可以使用的示例性检测器包括Shad-o-Box 2048(可以从加利福尼亚州Santa Clara的Rad-icon成像公司购买)，其具有50x100mm的有效区域和12位输出。该检测器利用光电二极管阵列，其包含1024x2048个像素，在与Gd₂O₂S闪烁屏幕的直接接触中具有48微米像素间隔。另一个示例性检测器包括Photonic Science VHR-150X射线照相机(可以从英国东苏塞克斯的Robersbridge够买)，其具有120mmx80mm的FOV和30微米像素尺寸。可以都以与图像板相同的方式在射线照相术或者DEI构造中安装这些示例性检测器。

射束中没有对象时，在分析器晶体摆动曲线上采集图像可以生成本征摆动曲线，其代表单色仪和分析器晶体在分析器反射率不同级别上的卷积。本征摆动曲线将不因吸收、折射或者超小角度散射改变，这可以使它成为极好的参考点。当把对象放置在射束中时，可以使用摆动曲线在逐像素基础上的改变来确定哪种X射线相互作用导致给定像素中的对比度。

在ERA方法中使用的模型将摆动曲线建模为高斯分布，由于摆动曲线是单色仪和分析器的卷积并且是三角形的，所以这是一种近似。通过下式提供用于该模型的公式：

$R\left({\mathrm{\θ}}_A\right)=e^{-{\mathrm{\μ}}_{T}t}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\{e^{-{\mathrm{\χ}}_{x}t}\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_s}(1-e^{-{\mathrm{\χ}}_{x}t})e^{\frac{-{\mathrm{\θ}}^2}{e^{2{{\mathrm{\ω}}_s}^2}}}\}\×R_{\mathrm{int}}(\mathrm{\θ}-({\mathrm{\θ}}_A-{\mathrm{\θ}}_Z))\mathrm{d\θ}$

其中，μ_T是线性吸收系数，χ_s是消光系数，t是对象厚度，θ_z是折射角度，并且ω_s是散射分布的高斯宽度。

MIR是ERA方法的更精细的版本。MIR解决了在之前处理技术中出现的许多问题，并且允许对图像对比度分量更加完整的描述。如上所述，使用MIR技术处理的图像不仅可以生成吸收和折射图像，还可以生成超小角度散射图像。MIR还显示出对DEI装置表观吸收和折射图像中存在的大量错误的校正，并且其更不易受噪声影响。

由于采用ERA方法，MIR使用分析器晶体摆动曲线生成代表对象吸收、折射和超小角度散射的图像。如果本征摆动曲线是基线，那么由于光子吸收将降低整体强度，所以可以把减小曲线下面积的改变解释为吸收自身。对于纯粹的折射事件，将移动摆动曲线的图心，但是摆动曲线的宽度将保持不变。导致超小角度散射的相互作用将在摆动曲线的角度分布上对光子进行散射，其将导致曲线变宽。假定光子没有被散射到摆动曲线接受窗之外，散射效应将不影响曲线下的面积，仅影响曲线的形状。如果假定摆动曲线是本质上是高斯的，那么可以使用曲线的变化代表所存在散射的量。

摆动曲线宽度随着能量增大而减小，其可以使得必须修改采样过程，以便计入该变化。在18keV，摆动曲线FWHM是3.64微弧度，并且在60keV减小到1.11微弧度。随着摆动曲线变窄，折射对比度显著的角度范围减小。为了对此进行补偿，可以减小角度采样范围和增量。60keV摆动曲线增大的斜率是有益的，因为它产生每微弧度的强度的更大变化。当使用通量对诸如X射线管的x源进行限制时，可以使这些属性最大化，以便生成对给定通量最大的折射可能。

DEI系统稳定性

使用分析器晶体将角度变化转换成强度允许异常的对比度，但是在该技术中的一种假设是分析器晶体摆动曲线位置随着时间保持不变。实际上，情况不是这样的，并且对于这样的窄摆动曲线宽度，分析器峰值位置中甚至很小的变化都可以在所采集的图像中产生明显的误差。诸如DEI外观吸收和折射图像、MIR和MIR-CT的处理算法的应用需要系统的高度稳定性。实现确定乳房组织中吸收、折射和散射参数的对象需要对NSLS X-15A射束线的系统工程分析，以便隔离出造成不稳定的因素。

在该例子中，将对于DEI系统的稳定性定义为在延长时间周期上维持分析器晶体摆动曲线的恒定峰值位置的能力。为了回顾，将多色X射线射束入射到单色仪中的第一晶体上，使用布拉格定律将其调整到特定角度以选择单一光子能量。随后，衍射单色射束遇到第二单色仪晶体，其功能是将射束重新指向平行于入射射束并且与分析器晶体对准的方向。当调整系统以用于特定能量时，首先对第一单色仪晶体进行对准，并且随后调整第二晶体以便找到射束的位置。单色仪仓一直充满氦，以便减少臭氧的生成，臭氧可以迅速氧化和损坏仓内的关键部件。

对准第二单色仪晶体，对分析器进行扫描以找到射束在晶体上的位置。摆动晶体以找到射束位置类似于扫描无线电转盘以找到特定台，当分析器的角度位置与第二单色仪晶体精确对准时在强度上产生快速上升。一旦分析器对准，系统就调整好了并且准备好用于使用。

可能在DEI系统中造成偏移的因素分为三类：振动、机械和热。由于即使晶体上很小的振动也可能造成微小的角度变化、导致对比度变化，所以DEI系统的光学部分对振动敏感。在NSLS X-15A射束线处使用大的花岗岩厚板减弱来自外部环境的振动。使用示波器对分析器后的X射线射束进行监控的测量指示存在大约2-3％的强度变化，其归因于在射束线处来自外部驱动风扇和泵的振动。

使用多个马达对晶体进行对准、对样品台和检测器组件进行平移。可以对第一单色仪晶体、第二单色仪晶体、以及分析器晶体使用微微马达驱动，以便调整θ角。第二单色仪晶体和分析器晶体使用第二微微马达调整χ角度。这些驱动马达中的任何不稳定性都可能造成系统对准中的较大偏差，并且最初认为机械偏离是DEI系统不稳定性的主要原因。用于驱动样品台和检测器装置的马达对于图像质量是重要的，但是它们对X射线射束的稳定性没有贡献。

对系统不稳定性的第三个贡献因素是热，起因于从入射X射线射束产生的热以及系统驱动马达和放大器所产生的热。虽然已知系统中的热变化对系统稳定性有一些影响，但是不将其视为主要不稳定因素。当进行严格观察时，热变化和系统不稳定性之间的关联变得明显，分析器中的偏移相对一致并且是周期性的。在该例子中，DEI系统中仅存在一个周期性变量，并且那是由于打开和关闭主X射线开关生成和损失的热量。

所获得的对源的不稳定性进行隔离的实验测试和观察指出硅晶体结构的膨胀和压缩作为主要的源偏移。使用布拉格定律(λ＝2dsin(θ))可以找到对这些实验观察的简单解释。考虑将一个晶体设置到给定角度以便衍射期望的能量，晶格结构间距d中的任何改变都能够改变衍射射束的角度。从单色仪中的X射线射束生成的热能够造成硅晶体按照其线性膨胀系数膨胀，Δd/d＝3x10^-6ΔT(℃)。

使用布拉格定律并且求解d，获得下列公式：

λ＝2dsinθ

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}}$

对上式取导数，得到：

$\mathrm{\Δd}=-\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2}\right)\left(\frac{1}{{\sin }^2\mathrm{\θ}}\right)\left(\cos \mathrm{\θ}\right)\mathrm{\Δ\θ}$

代入d并且重新整理，得到：

$\frac{\mathrm{\Δd}}{d}=-\left(\frac{\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\right)\mathrm{\Δ\θ}=\frac{-\mathrm{\Δ\θ}}{\tan \mathrm{\θ}}$

可以重新整理为：

$\mathrm{\Δ\θ}=-\tan \mathrm{\θ}\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d}\right)$

将硅线性膨胀系数代入

得到下式：

Δθ＝-3×10^-6tanθΔT

分别为18keV和40keV使用布拉格角度19.2和8.4度，可以预期见到在18keV上每摄氏度1.05微弧度的角度改变以及在40keV上每摄氏度0.44微弧度的角度改变。使用该计算作为理论膨胀偏移，可以预期见到随着增大射束能量整体射束线稳定性增大以及分析器偏移减小。

最初的分析器稳定性测试指示系统是高度不稳定的，峰值分析器位置的稳定性平均小于60秒。虽然这对于单独一次图像扫描可能是可接受的，但是对于MIR和CT应用是不可接受的。测量分析器位置从冷启动经过12小时连续操作的变化的多次偏移评估在50和100微弧度之间。随着意识到温度在系统稳定性上的重要性，执行对所有系统部件的综合评估，以便确定可以节制或者消除哪个热源。

在温度上经历了较大改变的一个系统部件是铝滤光器组件，其功能是衰减不需要的低能量X射线。当曝光给同步加速器白射束时，这些0.5毫米厚的铝片迅速升温，并且当关闭射束时快速冷却。铝滤光器组件与邻近单色仪仓中热敏感的晶体的接近使得这成为不稳定性的主要来源。需要热沉移除由滤光器产生的热，并且对铝滤光器组件进行热隔离。图33是根据这里所描述主题的示例性铝滤光器热沉的图像。参考图33，指示了铝滤光器插入端口和冷却水输入/输出管。

在系统中配置铜滤光器组件，以便对铝滤光器产生的热量进行热隔离并且将该热量传递到循环的、高流量冷却水导管。还可以减小铝滤光器的尺寸，以限制辐射表面面积并且增大与铜热沉的接触。在灌注水冷滤光器组件之后获得的稳定性测试指示整体系统偏移减小大约一个数量级，从冷启动开始的12小时连续操作偏移测量平均是负6微弧度。

在添加了水冷滤光器热沉之后整个系统偏移的显著减小表明为分析器和单色仪晶体维持等温环境是重要的。然而，对于本领域的技术人员，应该预期到，为了进一步减少热量，可以实现对其它源的改变。进行每个系统部件的系统分析和外部环境中的周期性改变，以便隔离剩余源的热偏移。

为了减少热量，可以从实验箱中移除放大器和控制系统。还可以移除驱动马达。然而，在本实验中，不可以移除控制样品台和检测器组件的驱动马达。另外，可以关闭箱门，以帮助维持恒定的周围空气温度。对分析器晶体温度、周围空气温度、以及重力冷却水温度的十二小时测量不指示温度的任何实质变化。连续实验指示在单色仪晶体的铝底座中存在明显的热变化，该铝底座与第二单色仪晶体直接接触并且被其加热。

第二单色仪晶体的功能是衍射来自第一单色仪晶体的单色X射线射束，并且将射束与分析器晶体进行水平对准。理论上，X射线与晶体的相互作用是弹性的，因此应该没有热量生成。对于第一单色仪晶体，由于在第一晶体的内部结构中吸收了许多高强度、多色同步加速器白射束，所以情况不是这样的。为了减小振动，将重力驱动水冷却系统被安装到系统内用于从第一单色仪晶体移除额外的热。对于第二单色仪晶体，不需要主动冷却，但是在24小时周期上采集的温度测量指示修改是有必要的。

将热敏电阻放置在铝支撑板上，并且在24小时的典型操作周期上每5秒测量其温度。图34是对通过热敏电阻在24小时周期上所测量的温度进行说明的曲线图。从打开和关闭射束的周期中，支撑板的温度增大了大约1.3℃。同步加速器存储环的电流随着时间缓慢下降，并且必须对其进行清空和重新填充，这在温度曲线图中是显而易见的。在12小时连续操作之后，关闭射束线以便确定温度返回基线需要花费多长时间。对数据的分析指示在第二晶体上存在足够热量以证明为主动水冷却改装支撑板是必要的。给图34的曲线图注释了标准射束线操作如何影响晶体温度的文本。对于该所识别的热不稳定性来源，提供具有用于水流动和热交换的内部导管的铜支撑板。图35是示例性的改装的第二单色仪底座和支撑板的俯视图的图像，其具有用于降低温度的水冷却线。

在大约2000小时射束线操作之后，其中1000小时采用升级的单色仪，对射束线稳定性的可预测趋势进行测量和评估。如所预测的，在光学器件中维持稳定性的压倒性因素是温度。温度的绝对值不如温度随着时间的改变重要。如果维持等温环境，那么系统到达平衡，并且在单色仪和分析器晶体中存在很少或者不存在偏移。由于存储环中的环电流缓慢减少但是随着时间可预测，所以在NSLS处的成像提出了独特的问题。入射到第一单色仪晶体上的X射线的强度将与环电流成比例减少，造成第一晶体的温度随着时间降低。如果没有主动反馈控制放置在晶体系统上，第一分析器晶体就可以随着时间收缩，缓慢改变d间距和衍射的能量。在第一晶体上布拉格角度的变化将改变射束在第二晶体上的位置，减少从第二晶体发射的衍射单色光子通量。这将减小入射到分析器晶体上的X射线射束的强度，并且改变X射线射束的位置，导致分析器偏移。

在射束线冷启动期间，分析器偏移的效果最明显展示，冷启动的情况下，关闭X射线开关，所有射束线组件在室温下至少24小时。执行一系列稳定性测试，以便测试在启动之后的前100分钟内分析器如何偏移，实际目的是确定系统花费多长时间到达平衡。通过在开启X射线开关并且将分析器位置重新设置为零之后立即对系统进行对准来实现分析器的短期稳定性测试。随后，在-10至10微弧度的范围上每100秒以0.2微弧度的西塔增量对分析器进行扫描。随后，对每条摆动曲线进行分析，以确定对于每条摆动曲线的重心，将其记录为峰值位置并且沿着其对应的分析器位置进行记录。一旦对系统进行初始调整并且开始实验，就不进行进一步调整或者调节。

为测试选择两种光子能量，18keV和40keV，将所有其它射束线参数和铝过滤件设置为在正常成像条件下使用的级别。更高能量的X射线比更低能量的X射线穿透远得多，并且需要更多的单色仪前滤光器将通量减少到期望级别，并且对出现在多色同步加速器白射束中的较低能量X射线进行衰减。增大过滤量增大了在X射线进入单色仪之前发生的吸收量，从而减少了在第一单色仪晶体上的热负载。通过添加水冷热沉，移除了从在滤光器组件中发生的X射线吸收所生成的热量，晶体经历了来自同步加速器白射束更少的热效应。减少在较高能量上每摄氏度的角度改变并且通过增加过滤减少在单色仪上的热负载二者的组合导致稳定性随着射束能量增大按比例增大。

从射束线冷启动执行的稳定性实验证明了该效果，分析器偏移紧跟在环电流减少之后。当前理论假设强大的入射同步加速器白射束几乎立即深度加热第一单色仪晶体，快速到达最大温度。由于环电流随着时间消散，所以温度缓慢降低，导致偏移。系统最终加热了周围环境空气和系统部件，造成每单位时间的偏移量稳定。在40keV上增大的过滤量有助于减小热负载的影响，减少了系统到达热平衡的时间量。一旦射束线连续操作5-7小时，热负载在每个晶体上的影响就最小化，并且射束线变为具有很少或者无分析器偏移的超稳定状态。

图36-39是稳定性测试结果的曲线图。具体而言，图36是18keV系统稳定性测试的曲线图，其示出了在一段时间上的分析器峰值位置。图37是NSLS X射线环电流在18keV稳定性测试期间的曲线图。图38是40keV系统稳定性测试的曲线图，其示出了在一段时间上的分析器峰值位置。图39是NSLS X射线环电流在40keV稳定性测试期间的曲线图。

该实验的结果证明可以通过保持光学器件中的晶体等温来控制光学器件中的偏移，这可以通过使用精确加热系统维持恒定温度，在基于同步加速器和基于非同步加速器的DEI系统上实现。通过系统工程分析，已经将分析器/单色仪不稳定的问题从基本限制降低到较小干扰。采用进一步改进，可以完全消除该问题，允许完全利用所有基于计算机断层摄影的DEI和MIR方法。

乳房X射线照相术体模的读取者研究分析以确定

对于DEI和DEI系统的最佳成像参数

如上所述，DEI是一种从X射线吸收、折射和超小角度散射(消光对比度)获得对比度的射线照相技术。DEI是一种从X射线吸收和折射获得对比度的类似的射线照相技术。常规射线照相术系统、平面和CT都基于X射线在通过物质时的衰减产生图像。由于X射线吸收是基于电子密度和平均原子序数的，所以基于对象或者患者中的衰减差异获得对比度。X射线光子与物质的相互作用可以提供与仅从入射射束移除的光子数目相比更多的结构信息。DEI将硅分析器晶体并入到X射线射束的路径中，作为精致灵敏的角度滤光器，有助于X射线折射和超小角度散射的测量。由于对象属性或其局部环境，拥有标称吸收对比度的对象可以具有高折射和超小角度散射对比度。

只要乳房组织中感兴趣的结构典型地具有低吸收对比度，尤其是在疾病早期，DEI在乳房成像中就具有极大潜力。恶性乳房组织的DEI研究表明当与常规乳房X射线照相术相比时，乳房肿瘤中毛刺征可视化的大量增加。乳房中感兴趣结构的主要诊断包括钙化、块和纤维，所有这些当与周围脂肪和腺体组织进行比较时，可以具有明显的折射和散射特征。为了正确研究将DEI用于乳房X射线照相，必须对独特的系统参数和构造进行优化，以便检测出对于乳房成像诊断上很重要的特征。该研究的必要部分是确定使用吸收、折射和超小角度散射抑制(消光)可以实现的辐射剂量的可能减少。为了设计和构造临床上有用的乳房X射线照相系统，必须指定的主要DEI成像分量是射束能量、分析器晶体反射、以及在分析器晶体摆动曲线上的位置。

在NSLS处在X-15A射束线上执行对该研究的实验。为了理解所分析的参数，依次对系统进行简要说明。用于这些实验的X射线源是在NSLS处的X射线环，是2.8GeV的同步加速器，能够产生从10至60keV的高通量X射线。使用双晶体硅单色仪从入射X射线射束中选择特定能量。通过将硅分析器晶体放置在对象之后获得DEI图像，对对象进行调整以选择特定角度。分析器是具有微弧度十分之一数量级的分辨率的角过滤器，其有助于X射线折射和超小角度散射的测量。将分析器调整到其反射率曲线上的不同位置可以在X射线分布中选择离散角，以及为对象和病变检测提供有用信息的一些位置。

存在可以在DEI中使用的、诸如布拉格[111]和布拉格[333]反射的多种晶体反射。DEI折射对比度随着分析器晶体摆动曲线的斜率而增大，布拉格[333]反射具有比布拉格[111]反射陡峭得多的斜率。布拉格[333]反射可以提供更好的对比度，但是可以通过布拉格[333]反射中的晶体从入射多色X射线射束中选择的X射线光子的数目大致小于布拉格[111]反射一个数量级。确定在这些反射之间可视化方面的相对差异可能是在设计基于临床的DEI系统中的重要因素。

X射线管可以使用阴极/阳极配置产生X射线，输出谱和幅度是阳极材料、电压和电流强度的函数。乳房X射线照相术系统可以包括具有在从28至32kVp的电压范围的钼对阴极的X射线源，用于产生X射线射束。该构造产生多色、发散X射线射束，具有以18keV钼K_α为中心的能量谱。为了对软组织进行成像，将基于吸收的X射线系统设置到这些相对较低能量的X射线。虽然18keV X射线提供了软组织中更大的对比度，但是一个缺点是增大了患者所吸收的与更低能量X射线有关的剂量。一些之前的DEI乳房成像研究是基于与常规乳房X射线照相系统可比的X射线能量。虽然这些技术可能在对X射线吸收进行测量中具有可能使用，但是不能充分利用折射和超小角度散射的额外DEI对比度机制的优势。

存在可以应用于DEI的若干图像处理技术，包括创建表观吸收和折射图像。另一种演进的基于DEI的图像处理方法是MIR，这是一种对对比度分量更加精确和详细的分离。使用MIR的初步研究证实该方法能够在低光子计数级别上工作，并且可能使用常规X射线源。若干采用DEI工作的小组正在将DEI方法应用到CT，其将DEI的额外对比度机制与CT的空间分辨能力相结合。虽然该研究集中于平面成像，但是也可以将用于平面成像的系统参数应用于基于同步加速器和基于非同步加速器的CT应用。

在这里将要描述的实验包括在标准乳房X射线照相体模成像期间仔细改变采集参数。为研究采集的图像代表在每种系统构造上采集的原始图像数据，而没有任何次级图像处理。为了辅助理想DEI乳房X射线照相单元的技术规范，专业读取者得到已知体模特征在所有实验条件下的可见性。

从工程和医疗角度，最重要的系统参数之一是射束能量。为了获得对结构可视化如何作为DEI中能量的函数改变的理解，为研究选择下列能量：18keV、25keV、30keV和40keV。通过将单色仪调整到对于期望波长合适的布拉格角度实现从入射同步加速器射束选择期望的能量。

在用于获得诊断上有价值的信息的分析期间，可以使用在分析器晶体摆动曲线上的三个代表性点。为每种射束能量/晶体反射组合选择-1/2达尔文宽度(DW)、峰值和+1/2DW位置。为了进行比较，获得相应的同步加速器射线照片。

在该实验中使用标准化乳房成像体模来模拟乳房组织和乳房癌症的结构特征。最初的努力包括实际乳房组织标本，但是存在于生物组织中的变化和对恶性特征的主观评估使得使用体模对于该研究更合适。由于根据这里所描述主题的DEI系统能够从多个机制中获得对比度，所以选择具有彼此相容特征的体模。在该实验中，选择由透明合成树脂制成的、具有加工到表面中的一系列不同直径和深度的圆形凹痕的对比度细节(contrast-detail(CD))体模(可以向加拿大安大略省多伦多的森尼布鲁克和妇女研究机构购买)。直径和深度的改变造成了在评估对比度和空间分辨率中有用的梯度。更深的压痕导致更大的衰减差异，并且因此导致增大的对比度。压痕的圆形边缘提供了有益于X射线折射的界面。采用已知的半径和高度，计算每个圆柱的体积以确定总可见体积。

图40A-40C和图41A-40C分别是在18keV和30keV采集的示例性CD体模的图像。具体而言，图40A-40C分别示出了18keV同步加速器射线照相的图像、在+1/2达尔文宽度(DW)分析器晶体位置处采集的18keV DEI图像、以及在峰值分析器晶体位置处采集的18keV DEI图像。在DEI例子中使用的晶体反射是布拉格[333]反射。

图41A-41C分别示出了30keV同步加速器射线照相的图像、在-1/2达尔文宽度(DW)分析器晶体位置处采集的30keV DEI图像、以及在峰值分析器晶体位置处采集的30keV DEI图像。在DEI例子中使用的晶体反射是布拉格[333]反射。与18keV同步加速器射线照相相比，对比度在30keV同步加速器射线照相中减小。

为实验使用第二体模。第二体模是为国际数字乳房X射线照相发展组(IDMDG)设计的用于测试数字乳房X射线照相系统。具体而言，为数字乳房X射线照相成像拍摄试验(Digital Mammography Imaging Screening Trail)(DMIST)开发了该体模，并且称为MISTY(可向森尼布鲁克和妇女研究机构购买)。MISTY体模包含可以用于对乳房X射线照相图像质量进行量化的多个区域。从结构上看，体模由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成，其具有包含若干高分辨率细节的水银强化覆盖，可以用于对系统对比度和分辨率进行量化。

为了在实验中使用从MISTY体模中选择了三个区域。图42A-42C是在峰值分析器晶体位置处、在30keV、布拉格[333]采集的MISTY体模的三个不同区域的图像。具体而言，图42A是一系列线耦簇的图像，每簇包含4条线，线之间的距离减小直到不可以再对它们进行辨识为止。

图42B是一系列星形簇的图像，其模仿了乳房组织中的钙化。使用具有七个簇的一列，每个包含六个星，每簇星具有存在丢失点的一个星。随着分辨率和对比度降低，星不再可见，并且仅呈现为斑点。为了在该实验中使用，使钙化模拟反向。

图42C是步进式光楔的图像。使用步进式光楔测量吸收对比度。步进式光楔包括6个良好定义的界面。

在该实验中，使用富士BAS2500图像板读取器和富士HR V图像板采集DEI图像。如上所述，图像板是软塑料片，大约0.5mm厚，涂有与有机粘合剂结合的光可激励的荧光物质。此外，使用50μm像素尺寸和16位灰度级对所有图像进行扫描。用于图像采集的表面剂量基于能量改变，但是为在每个能量设置上的X放射线照相和DEI图像使用相同的表面剂量。为在30keV采集的图像使用3.0mGy的表面剂量，为在25keV采集的图像使用1.5mGy的表面剂量，并且为在40keV采集的图像使用0.2mGy的表面剂量。

为了分析CD和MISTY体模图像结果，两个研究读取者(reader)参与到实验中。结合大多数DEI构造之间的显著差异使用标准化体模指示两个读取者对于实现合适的统计功效级别是足够的。一个专业乳房成像者和一个医疗物理学家参与到研究中。为了最优化观测环境，在专门设计的暗室中使用具有500cd/m²峰值照度的5兆像素CRT监视器执行读取者研究。允许读取者调整每个图像的灰度级，并且给读取者提供放大镜用于最大可视化。

可以显现病变整个周长的能力在乳房X射线照相中具有重要诊断意义，一个例子是具有良好界限的边界的良性纤维腺瘤和具有不太好限定的边界具有或不具有毛刺征的可能恶性块之间的差异。另外，钙化和它们形态的可视化可以提供对潜在病理的洞察。将表明诊断应用对临床乳房X射线照相的问题集成到读取者研究设计，将任务适当分隔成不同的可信度。

在确定哪个因素给出了最高性能时，为了读取者使用建立了八个性能度量：

1、可以在CD体模中看见整个周长的圆圈的体积；

2、可以在CD体模中可见至少一半周长的圆圈的体积；

3、可以在CD体模中可见任何一部分周长的圆圈的体积；

4、在MISTY体模中观测到的线耦组的数目；

5、在MISTY体模的钙化模拟中可见的星的数目；

6、具有在MISTY体模的钙化模拟中所有点可见的最后簇号；

7、在MISTY体模的钙化模拟中可见的斑点的数目；以及

8、在MISTY体模的步进式光楔中清楚定义的界面的数目。

为了有助于整理图像中的数据，给每个读取者提供每个体模关于对应性能任务的图解描述，以便给图像评分。对于CD体模，要求读取者指示哪些圆圈在图像的每行和每列中都是可见的。为了评价MISTY体模线耦区域，要求读取者确定可以清楚看见所有四条线的最高簇。给钙化模拟评分包括首先对可以看见的星的总数目进行计数，随后对29个可能点之外在每簇中看见的星点的数目进行计数。另外，要求读取者对可以看见的斑点的总数目进行计数。对于感兴趣的步进式光楔区域，要求读取者标记可以清楚看见6个界面中的哪个界面。对于每个读取者，用于评分的图像呈现次序是随机的。

使用多路方差分析拟合所有8个输出。在分析中包括的是在射束能量、晶体反射、曲线位置、以及读取者之间的所有相互作用。将Box-Cox变换应用于一些输出，以便确保正态假设的有效性。由于当对所有因素进行比较时考虑多个输出，所以使用Bonferroni测试、通过将0.05/8(0.00625)设置为显著水平对全部类型I错误进行调节。在该显著性水平上，我们使用Tukey测试对所有因素组合之间的性能差异进行比较。

CD体模结果

对于具有周长任何部分可见的圆圈的体积，在两个读取者之间(p值＝0.0185)和不同能级之间(p值＝0.0176)不存在明显差异。然而，晶体反射和摆动曲线位置以及它们的相互作用是明显的(所有三个p值＜0.001)。Tukey测试分析指示可以采用布拉格[333]反射看见更多体积。射线照相具有最少的可见体积，并且在-1/2DW、+1/2DW和峰值分析器晶体位置之间几乎不存在差异。

当输出是至少一半周长可见的圆圈的体积时，具有小于0.001的p值，所有因素的主要影响是显著的。Tukey测试分析指示25keV性能最好，并且25keV和30keV比18keV和40keV产生更多可见的体积。数据指示在晶体反射和分析器位置之间存在明显的相互作用(p值＜0.001)。虽然没有足够证据支持布拉格[333]反射和峰值分析器位置的组合比布拉格[333]、+1/2DW位置组合和布拉格[333]、-1/2DW位置组合执行得更好，但是布拉格[333]反射和峰值分析器位置的组合产生了最多的可见体积。同步加速器射线照相产生了最少的可见体积。

对于整个周长可见的圆圈的体积，仅读取者、射束能量和摆动曲线位置的主要影响是明显的，p值分别小于0.001、等于0.0027和小于0.001。Tukey测试分析没有找到射束能量中所有级别之间的差异，但是数据中的趋势指示25keV比30keV执行得更好，并且后者比40keV和18keV执行得更好。关于其它性能测量，同步加速器射线照相产生最少的可见体积。

MISTY体模

对线耦组的分析指示：射束能量、晶体反射和分析器摆动曲线位置的主要影响是明显的，所有p值小于0.001。此外，在晶体反射和摆动曲线位置之间看起来存在明显的相互作用(p值＜0.001)。数据指示18keV、布拉格[333]、在峰值分析器位置处的组合或者25keV、布拉格[333]、在峰值或+1/2DW分析器位置处的组合执行得很好。对于线耦区域的最佳性能是30keV、布拉格[333]、在+1/2DW摆动曲线位置处。

伪影存在于通过使用这样的体模生成的许多星簇图像中，该体模设计用于使系统中的X射线以高度准直的X射线射束发散。为了完整并且示范常规体模的整体结构设计可以如何影响可视化而给出数据。对可视化的星的数目的分析指示仅射束能量是明显的，具有0.0026p值。测试结果指示25keV是最佳选择，但是与30keV无明显区别。所有因素对于所有点可见的最后簇数目都是不明显的。来自可见斑点数目的数据指示最好组合是18keV和布拉格[111]、18keV和布拉格[333]、以及采用布拉格[111]或[333]反射的30keV。

对于步进式光楔区域，在射束能量的不同级别和不同摆动曲线位置之间看起来存在明显差异。数据指示18keV、25keV和30keV的射束能量大致上是等价的，但是都比在40keV上所采集的图像执行得更好。对摆动曲线位置的性能结果指示-1/2DW、峰值、以及+1/2DW的位置是等价的，并且等于同步加速器射线照相的性能。

对所有性能测量的分析指示最佳DEI系统配置是25或者30keV、使用布拉格[333]反射、在-1/2DW或者峰值分析器晶体位置中。表4-6示出了读取者研究数据的汇总。具体而言，表4示出了关于X射线射束能量的读取者研究数据汇总。下表5示出了关于晶体反射的读取者研究数据汇总。下表6示出了根据摆动曲线位置分组的读取者研究数据的汇总。

表4：关于X射线射束能量的读取者研究数据汇总

表5：关于晶体反射的读取者研究数据汇总

表6：根据摆动曲线位置分组的读取者研究数据的汇总

关于射束能量，用于两种体模的读取者研究数据指示大于18keV的能量对于DEI可能是最优的。由于吸收对比度随着1/E³减小，对于常规X射线系统软组织吸收对比度随着能量增大而快速减小。读取者研究结果指示对于更高的射束能量，从吸收损失的信息被来自DEI专有对比度的信息补偿。对于主要是折射的结构，DEI灵敏度与1/E成正比，其可能在40keV或者40keV之上的能量上在软组织中进行图像采集。对消光有贡献的散射光子抑制是独立于能量的，但是散射强度将随着能量增大而减小。由于认为乳房组织中的大多数关键诊断结构具有显著的折射和散射属性，所以可以通过移除吸收并且集中在折射和超小角度散射对比度上促进在更高能量上的成像。

在CD体模尤其是在更高性能级别上对于布拉格[333]的可视化的增强是显而易见的。布拉格[333]反射在大多数性能测量中是占优势的，但是该反射和布拉格[111]之间的差异比预期的小。虽然这可以指示在给定工程学通量考虑情况下布拉格[111]反射是可接受的，但是更可能的解释是体模的设计不适合测量基于X射线折射和消光的对比度机制。

可以将相同的推理应用到分析器晶体位置，其中，峰值分析器位置在大多数性能测量中是占优势的。当不偏转的光子的强度最大(这是在分析器摆动曲线的峰值处)时，吸收对比度和分辨率将最高。在到摆动曲线尾部的散射光子将被消除，导致额外的对比度的结构中，消光效果也在峰值位置处起作用。由于将这些体模设计为对基于X射线吸收的成像系统进行测试，所以预期峰值位置在该类型研究中将执行得最好。折射对比度不存在于摆动曲线峰值处，并且一般情况下-1/2DW和+1/2DW的等价或者降低的性能指示体模中缺乏的结构是高折射率的。

设计该研究以便获得对每个系统部件对成像质量、而不是最有用的图像处理方法的影响的深刻理解。作为在缩小总成像参数空间中的第一个步骤，于是在每种构造对原始数据进行分析比对DEI图像对进行处理以得到表观吸收和折射图像更合适。

最鼓舞人心的结果之一是使用可能高达40keV的更高能量的X射线。在更高能量上光电效应的快速减少对应于患者吸收光子数目的减少，导致辐射剂量的显著减少。对于到达检测器的相同数目的光子(10⁷ph/cm²)，经过5cm水的表面吸收的剂量在18keV是3.3mGy，在30keV是0.045mGy，并且在40keV是0.016mGy。这代表与18keV相比，在30keV剂量减小73倍，以及在40keV剂量减小206倍。由于吸收随着组织厚度而增大，所以该剂量减小对于更厚的标本甚至更大。

使用多图像射线照相术对乳癌对比度机制的分析

当与常规乳房X射线照相术相比较时，使用DEI和MIR技术的乳房成像研究已经证实了在可视化方面的改善。具体而言，使用DEI技术对乳癌原纤维中潜在对比度机制进行分析的研究证实X射线消光在图像对比度中起很大作用。此外，乳癌毛刺征的研究证实了当与相应的射线照片相比时DEI峰值图像中8至33倍的增大。MIR通过添加代表对象的超小角度散射的图像允许对这些属性更完整和严格的评估。

该研究致力于扩展X射线源的可用能量范围以及减小或者消除对X射线吸收的需求。由于软组织中的吸收对比度随着光子能量增大快速减小，所以乳房组织中潜在的X射线对比度机制成为严格的基于非同步加速器的DEI系统。利用更高能量的X射线通过增大到达检测器的入射光子的数目增大了DEI系统的效率，并且减少X射线吸收减小了表面和吸收的辐射剂量。然而，如果吸收是对于乳房组织可视化关键的对比度机制，那么任何DEI系统可以使用在类似于常规X射线系统的范围内的较低能量的X射线。该实验对在18keV和60keV上的系统特征进行比较。

为了评估在乳房组织中吸收、折射和散射的能量依赖，在多个X射线能量上对具有特性特征的4个乳房组织标本进行成像，并且使用MIR进行处理，以便分隔出单独的对比度分量。基于在常规钼和钨X射线管中使用的能量(分别是18keV和60keV)来确定在研究中使用的能量范围。还选择25keV、30keV、40keV和50keV的射束能量，紧跟对于每种MIR对比度机制的对比度的减小。

在一个实验中，为在NSLS X-15A射束线处进行成像选择3个乳房癌症标本。在NSLS使用X-15A射束线采集MIR图像集和同步加速器射线照片。使用Photonic Science VHR-150X射线照相机采集图像，其具有120mmx80mm的FOV和30微米像素尺寸。

与X射线折射和散射有关的光电效应的快速减少使得维持恒定表面剂量具有挑战性。例如，由于光子吸收的减少，使用对在18keV的X射线吸收最优的表面剂量所采集的图像在诸如60keV的更高射束能量上将是严重过度曝光的。通过将单色仪调整到用于MIR成像的能量范围的中间，即40keV，并且选择使平均曝光大约是检测器动态范围一半的表面剂量来找到平衡。为在18keV、25keV、30keV和40keV的MIR和射线照相成像选择350mrad的表面剂量。由于在50keV和60keV能量上来自弯曲磁体X射线源的光子通量的急剧减小，所以在这些能量上使用的表面剂量减小，在50keV上是20mrad的表面剂量并且在60keV上是4mrad。分析器晶体摆动曲线的半高全宽(FWHM)随着能量增大而减小。折射对比度在摆动曲线的肩部是起支配作用的，需要对每种能量采样参数中的微小修改。与摆动曲线宽度无关，对每种MIR设置采集21幅图像，并且在更高能量上减小角度范围和θ角增量，以便对FWHM中的减小进行调节。图43是对在乳房中的吸收、非相干散射和相干散射的贡献相对于能量进行说明的曲线图。

为在NSLS处进行成像选择了4个乳房标本。在距离峰值-5至5微弧度的范围上、每0.5微弧度进行采样对在18keV和25keV上采集的图像进行采集。对于在30keV和40keV上的MIR成像，采样范围减小至±4微弧度，具有0.4微弧度的θ角增量。在50keV上使用±3微弧度的角度范围，具有0.3微弧度的θ角增量，并且在60keV上为MIR成像使用±2微弧度的角度范围，具有0.2微弧度的θ角增量。在每种能量和剂量上采集对应的同步加速器射线照片。另外，使用通用电气Senographe 2000D(可向康涅狄格州费尔菲尔德的通用电气公司购买)对乳房标本进行成像。使用热发光检测器对在每种能量上用于单一图像的剂量进行测量，以便确定平均腺体剂量、经过样本的分布、以及生成图像所需的通量。

为了与常规技术进行比较的目的，图44是在常规射线照相术系统上成像的示例性乳房标本的图像。使用GE Senographe 2000D以100微米像素分辨率在空气中对该标本成像。图45A-45F是使用根据这里所描述主题的技术、分别在18kev、25keV、30keV、40keV、50keV和60keV射束能量对相同样本的同步加速器射线照片。以与在NSLS处用于成像的压缩级别可比较的压缩级别在空气中采集这些图像。

图46A-46F分别是使用18keV、25keV、30keV、40keV、50keV和60keV的MIR射束能量的乳房标本的图像。具体而言，图46A是使用在18keV的MIR的乳房标本图像，采样参数为±5微弧度、0.5微弧度的θ角增量。图46B是使用在25keV的MIR的乳房标本图像，采样参数为±5微弧度、0.5微弧度的θ角增量。图46C是使用在30keV的MIR的乳房标本图像，采样参数为±4微弧度、0.4微弧度的θ角增量。图46D是使用在40keV的MIR的乳房标本图像，采样参数为±4微弧度、0.4微弧度的θ角增量。图46E是使用在50keV的MIR的乳房标本图像，采样参数为±3微弧度、0.3微弧度的θ角增量。图46F是使用在60keV的MIR的乳房标本图像，采样参数为±2微弧度、0.2微弧度的θ角增量。

使用热发光检测器测量平均腺体剂量和分布。图47A-47F分别是对于18keV、25keV、30keV、40keV、50keV和60keV的射束能量的平均腺体剂量和分布进行说明的曲线图。

图48是对X射线射束能量比用于根据这里所描述主题的MIR的能量进行说明的曲线图。使用在每种能量上获得的剂量测定数据，计算用于采集每个射线照片的通量和DEI集合的分量，并且呈现在图中。

上面的实验结果证实了使用MIR的乳房成像如何在宽能量范围上执行。如果只考虑吸收，将预期软组织中的对比度随着能量增大显著下降，在40keV或者40keV以上的能量上具有很少吸收对比度。在每种能量上的同步加速器射线照片说明了对比度的减小，尤其是在60keV上，在软组织中存在实质上为零的吸收对比度。

基于使用钼源的常规X射线管的图像采集时间可以高达10,000秒，大大超过了临床成像所需时间窗口的范围。钼X射线管具有固定的阳极，其限制了热消散并且在每单位时间可以生成的通量方面给予了明显的工程限制。钨X射线管具有大的旋转阳极，并且可以容忍高得多的电压和安培数。虽然钨X射线管在通量和热消散方面提供了许多优势，但是通过钨生成的特征X射线太高以致于不能在软组织中生成吸收对比度。然而，该实验证实折射和散射的MIR专有对比度机制可以生成非常好的软组织对比度而无需X射线吸收。

在更高能量上光子的减少在剂量分布曲线中是显而易见的，其中，在18keV和60keV的分布之间存在被标记的差异。在18keV，由于组织中的吸收，在通量中存在很大下降。该通量下降随着能量增大而减小，光子最高透射出现在50keV和60keV。吸收的减少转化成效率的增加，这在图48中呈现的通量测量中是显而易见的。

为了对用于实验的适合算法进行校准，选择多种具有已知直径和折射率的尼龙单丝纤维和透明合成树脂杆用于分析。选择更小的尼龙纤维对乳癌毛刺征的直径和几何形状进行近似。使用40keV X射线射束能量和350mrad表面剂量采集每个标本和相应的同步加速器射线照片。对于MIR，选择±4微弧度的角度分布、以0.4微弧度的θ角增量产生21幅图像。使用MIR方法对这些图像进行处理以生成代表从X射线吸收、折射和散射生成的对比度的图像。

从二维图像提取三维信息提出了重大挑战，尤其是对于非均匀的对象。乳癌毛刺征本质上是圆柱形的，其允许关于它们的材料属性进行近似。为了提取与乳癌毛刺征有关的信息，首先必须设计和校准分析方法。可以使用合适的基于MIR的分析方法确定尼龙和透明合成树脂纤维以及乳癌毛刺征的直径和折射率。根据这两个重要属性，可以对纤维和毛刺征的许多其它方面进行分析和建模。虽然在MIR图像中存在三个对比度分量，但是折射图像将最可能是对于临床成像系统最重要的。如果为成像利用更高能量的X射线，那么当与折射图像相比较时吸收图像将会变差。对于在摆动曲线尾部上通量的较大减少，散射图像也将起相对于折射图像的次要作用。对多个乳癌标本上的折射率进行计算和比较可以提供某种级别的保证，保证生成折射对比度的材料属性是一致的并且不是不规则的。

使用具有不同直径的尼龙和透明合成树脂纤维执行方法的校准。使用MIR在40keV上以-4至4微弧度的采样范围和0.4微弧度的θ角增量对直径200微米、300微米和560微米的尼龙纤维进行成像。选择这些原纤维对临床上明显的毛刺征的几何形状和直径进行近似。选择具有13,000微米和19,000微米直径的更大的透明合成树脂杆对用于更大直径对象的算法进行评估。图49是指示使用MIR的纤维直径估计的图像。尼龙纤维是弱吸收的，并且因此是用于评估DEI和MIR对比度的完美体模材料。将图49中的体模设计为使用具有逐渐减小直径的尼龙纤维对MIR和DEI的对比度和分辨率进行测量。直径越小，成像挑战就越困难。

诸如尼龙纤维和乳癌毛刺征的圆柱形对象呈现出如图50中所示的特性折射轮廓，图50是对尼龙纤维折射轮廓进行说明的曲线图。在杆的边缘上折射将最高，并且在中间为零。如果假定对象是圆柱形的，那么可以使用来自MIR或者DEI折射图像的折射标识来推断直径。对于已知直径的圆柱体，可以推断纤维或者原纤维的折射率。

下表7和8包括尼龙和透明合成树脂直径和折射率信息。

表7：MIR直径校准

表8：MIR折射率校准

图51是对拟合MIR折射的直径校准进行说明的曲线图。对具有已知维度的原纤维进行成像，并且使用算法计算折射率和直径。原因是乳癌中见到的毛刺征具有与尼龙纤维类似的属性，所以为系统校准使用尼龙体模。

在该实验中，将用于为尼龙和透明合成树脂纤维提取直径和折射率的相同方法应用到3个单独的乳癌标本中的5个感兴趣区域。图52A-52C是乳癌标本的MIR折射图像。下表9示出了计算的毛刺征直径和折射率。

表9：纤维折射率

图53是通过根据这里所描述主题的DEI系统所获得的局部乳房癌块和毛刺征的MIR集合的图像。

图54A-54E是对与常规射线照片相比、采用DEI的原纤维可视化进行说明的图像。具体而言，图54A是包含侵入性肺葉癌的乳房组织标本常规射线照相的图像。样本经历了组织逻辑评估，以确认1cm白盒中的原纤维对应于从肿瘤表面延伸出来的肿瘤的分支。图54B是对图54A中用1cm白盒指定的区域的放大视图进行说明的常规射线照相图像。图54C-54E是对图54A中用1cm白盒指定的区域的放大视图进行说明的DEI图像。在这些放大视图中，DEI图像中的组织对比度比常规射线照片中的组织对比度更高，这是显然的，其中，仅仅可见感兴趣的结构。

为了对DEI改进的对比度进行量化，沿着在图54B-54E中的垂直白线所示的图像剖面计算原纤维的对比度测量。对于其它组织样本区域重复该计算。统计分析显示DEI折射图像具有比常规射线照片8-14倍多的对比度，而峰值图像具有比常规射线照片12-33倍多的对比度。

潜在的X射线折射和散射成像的物理现象仍然是在调查的早期，当与100多年历史的基于吸收的X射线成像相比时尤其如此。给定生物组织的内在不均匀性，对大致上是圆柱形的乳癌毛刺征的分析提供了在诊断上有用的、与多个组织标本相比可能是可靠的特征。

使用在空气中成像的多个标准化的各向同性圆柱体允许对基于折射的拟合算法的精确校准。为分析生物组织使用该算法可以将由于生物组织非各向同性性质造成的误差引入到计算中，但是乳房组织和诊断应用的属性减小了这些误差在绝对计算中的重要性。

采用常规乳房X射线照相术的基本问题是可视化浸入脂肪组织的高吸收背景中的低对比度对象很困难。瘤病变的尺寸和密度随着时间增大，最终变得足够大和密以至于上升到背景之上，并且成为使用常规方法可见的。由于乳癌死亡率与病变的尺寸和进展直接相关，所以减小恶性病变生成和检测之间的时间是所有新型乳房成像模态的目标。

DEI和MIR通过利用多种X射线对比度机制中的差异帮助在良性和恶性结构之间作出区分，来对常规射线照相术上作出改进。脂肪组织可能具有类似于小的恶性病变的X射线衰减，但是它们不具有相同的折射标识。脂肪组织具有非常小的折射和散射对比度，但是乳癌病变的小的圆柱形毛刺征具有大折射率和散射标识。在40keV，软组织中的吸收对比度最小，进一步增大了感兴趣病变和背景组织之间的总体对比度梯度。

对于毛刺征，折射对比度的进一步增长来自它们的几何形状，这对于X射线的折射是理想的。对于入射到圆柱形对象上的经准直的X射线射束，在圆柱体的顶部和底部折射对比度将最大，在中间具有最小折射对比度。随着圆柱体直径减小，由于对象的几何形状，折射对比度可以保持，甚至在吸收对比度级别渐渐融入背景中之后。在多个乳癌标本上所获得的折射率值指示材料属性是类似的，并且应该在最类似的癌症标本中观测到对比度的增大。

确定提供乳房组织中的增强的可视化的潜在对比度机制是在设计基于非同步加速器的DEI/MIR系统中最重要的步骤。该研究证实MIR专有折射和散射对比度机制在结构可视化中起主要作用，进一步降低了病变可视化对X射线吸收的依赖性。X射线吸收的减少转化成患者所吸收剂量的减少，当考虑到常规乳房X射线照相术所需的相对较高剂量时，这是极其有益的。

在这些实验中使用尼龙指示可能使用于未来建模和仿真实验。采用类似的几何形状、直径和折射率，尼龙单丝纤维可以提供对这些在诊断上重要的结构为什么产生高对比度的深刻理解。

计算机仿真

为了测试DEI设计的目的开发了计算机仿真软件。所开发的软件使用光学射线追踪，基于源、晶体、对象和检测器的特定布置和技术规格来计算患者剂量并且追踪经过DEI系统的X射线通量。因为晶体光学器件抑制X射线在不期望的方向中的传播，所以DEI的主要可行性障碍是获得足够数目的残存光子到达检测器板。

在下表10和11中分别提供了对于一种设计的系统参数规范和仿真结果的列表。

表10：系统参数规范

^*最差情况估计，其假定所有衰减都导致组织中的能量沉积

表11：系统参数结果

图55A-55C是根据这里所描述主题的实施例的、使用计算机仿真软件进行仿真的、大体标记为5500的DEI系统的示意图。具体而言，图55A-55C是DEI系统的透视图、侧视图、以及顶部视图。参考图55A-55C，通过具有线源的X射线管XT生成X射线射束。在一个仿真中，将X射线管XT仿真为西门子DURA

Akron B X射线管(可向宾夕法尼亚州马尔文的西门子医疗解决方法美国公司购买)。西门子X射线管包括钨对阴极，从而它在59.3keV产生Kα1X射线。因此，对X射线管XT进行仿真，以产生在59.3keV的Kα1 X射线。对于DEI，可能需要功能强大的管实现所需的通量，以便在射束击中患者之前克服晶体光学系统中的损失。西门子X射线管具有一旋转角，其消散热量，并且允许管以高功率(60kW)运行。所仿真的DEI系统在管上使用线源端口。

图56是根据这里所描述主题的实施例的、耦合到DEI单色仪晶体5602的对数螺旋聚焦元件5600的透视图。参考图56，元件5600可以是配置用于提升光子通量的弯曲衍射晶体。元件5600为X射线源提供了大的对阴极面积，其可以实现高功率，并且对所发射的辐射聚焦以形成薄的、虚拟的线源。虚拟线源可以是小并且非常明亮的。此外，弯曲衍射晶体5600具有这样的表面，其是对数螺旋的一部分。

图57是对在焦散面处具有源的对数螺旋聚焦元件的聚焦效果进行说明的透视图。表面形状使得布拉格衍射元件表现为聚焦装置。对数螺旋聚焦元件具有下列属性：(1)它在亮度最大的固定出射角收集从大的对阴极区域发射的光线；(2)它对射束进行单色化；并且(3)它对辐射进行聚焦以形成高亮度的虚拟线源。图58A和58B分别是用于实验研究的表征系统的俯视图和正视图。参考图58A和58B，这些图说明了对辐射进行聚焦以形成高亮度的虚拟线源的对数螺旋聚焦元件。

DEI系统5500包括三个晶体：单色仪前、单色仪以及分析器。所有这三个晶体都是硅，并且调整用于[440]反射级。通过沿着该方向切割可以制成大的晶体。这种晶体是方便可用的。

将DEI系统5500的仿真中的扫描协议设置为对于检测器D是6秒。在一个例子中，检测器D可以是单线装置，每图像线读出一次。在另一个例子中，检测器D可以是全场装置，其跨X射线射束与对象O的运动同步进行扫描。在单线检测器或者全场检测器的任何一个中，一次采集一条线或者带的图像数据。

在另一个例子中，检测器D可以是直接X射线到电荷转换检测器，其允许使用厚吸收体实现在更高能量的高效率，而没有明显的空间分辨率损失。图59是直接X射线到电荷转换检测器的示意图，大体标记为5900。检测器5900可以在诸如由钨X射线管产生的高X射线能量上提供好的空间分辨率和停止功率。可以采用诸如CZT、IbI₂或者HgI₂的具有更高Z和密度的检测器材料，以改善高能量性能。

仿真结果指示在检测器处的通量是大约600光子每像素，其为常规乳房X放射线照相的大约1/3至1/9。于是，仿真结果指示所仿真MIR系统的噪声级别将大于常规乳房X放射线照相大约1.7至3倍。然而，在低噪声级别上，折射对比度可以高于常规乳房X放射线照相8-33倍。

此外，对于所仿真的DEI系统，平均腺体剂量是大约0.004mGy，在5cm压缩上其低于常规乳房X放射线照相大约250-750倍。在10cm压缩上，MIR中所吸收的剂量将是0.019mGy，其比在相同压缩上在常规乳房X放射线照相中所获得的剂量低上千倍。

示例性成像结果

如上所述，同步加速器和X射线管是用于根据这里所描述的主题生成DEI图像的两种合适类型的X射线源。为了比较的目的，图60A和60B是根据这里所描述主题的、分别通过基于同步加速器的系统和基于X射线管的系统所产生的相同尼龙纤维体模的图像。图60A的图像由同步加速器在60keV上生成的X射线射束产生，并且在+0.4微弧度的分析器摆动曲线位置上采集，具有4.0mrad的剂量。图60B的图像在+0.4微弧度的分析器摆动曲线位置上产生，具有0.4mrad的剂量，并且具有160kV和6.2mA管设置。所成像的尼龙纤维具有560微米(顶部纤维)、360微米(中部纤维)和200微米(底部纤维)的直径。尼龙纤维吸收非常弱，因此，这些图像示出了使用折射成像观测这种弱吸收材料的优势的例子。具体而言，例如，重要的是注意到这些结果指示可以采用使用160kV电压的X射线管根据这里所描述的主题获得软组织的图像。

图61是使用根据这里所描述主题的技术的、图44和45A-45F中所示的相同乳房标本的同步加速器折射图像。在该例子中，射束能量是60keV，具有4mrad剂量。

为了比较的目的，图62A和62B是根据这里所描述主题的、分别使用X射线管和同步加速器所获得的乳房组织标本的相同区域的图像。使用X射线管以0.4mrad剂量采集图62A中所示的图像。使用40keV同步加速器、在+0.4微弧度的分析器位置和以350mrad剂量采集图62B中所示的图像。乳房组织标本浸入4.5cm水中。

图63是根据这里所描述主题的、使用X射线管所获得的乳癌乳房切除标本的图像。以0.4mrad的剂量经过7.0cm、完整厚度、最低限度压缩的乳房采集图像。为了实现合适的图像，可以将小于或者等于大约0.5mrad应用到其它对象或者组织。该图像以比常规乳房X放射线照相中小数百倍的剂量示出了在完整厚度乳房组织中的诊断特征。因为它可以获得高厚度软组织对象的图像，所以这里所描述的主题是有利的。之前基于同步加速器的装置不能获得这种图像。此外。例如，可以使用这里所描述的主题采集这种高质量图像，同时给诸如软组织对象的对象施加非常低的剂量。这里所描述的主题可以使用比常规乳房射线照相术具有更高能量的X射线射束，因此，因为关心患者安全，所以这里所描述的主题可以要求使用更低的剂量。

示例性应用

可以将根据这里所描述主题的系统和方法应用到多种医疗应用。如上所述，可以将这里所描述的系统和方法应用于乳房成像。此外，例如，可以将这里所描述的系统和方法应用于软骨成像、神经成像、心脏成像、血管成像(有或者没有对比度)、肺部(肺)成像、骨成像、生殖泌尿成像、肠胃成像、一般软组织成像、造血系统成像、以及内分泌系统成像。除了成像时间和剂量之外，使用更高能量X射线的主要改进是对象的厚度可以被成像。对于诸如乳房成像的应用，所描述的系统允许以在临床上现实的成像时间对完整厚度的乳房组织进行成像。对诸如头部、颈部、四肢、腹部和骨盆的身体其它区域来说也是一样。没有X射线吸收的限制，利用具有更高能量的X射线的DEI显著增加了X射线的穿透能力。对于软组织，仅吸收入射到对象上的一小部分X射线光子，这大大增加了从X射线管发射到达检测器的光子的效率。

关于肺部成像，如这里所描述的DEI技术可以产生在肺中极好的对比度，并且可以大量用于诊断诸如肺炎的肺部情况。肺部中的液体聚集产生可以被DEI轻易检测到的标记密度梯度。密度梯度、周围组织的特性、以及正常肺组织和具有肿瘤的组织之间的几何形状差异可能很大，产生了良好的对比度。此外，可以将这里所描述的DEI技术应用于肺癌筛查和诊断。

关于骨成像，如这里所描述的DEI技术一般可以产生极好的骨图像。DEI的高折射和消光对比度对于骨内骨折和病变的可视化可以是特别有用的。

此外，可以将根据这里所描述主题的系统和方法应用于多种检查和工业应用。例如，可以将系统和方法应用于诸如家禽检查的肉类检查。例如，可以将系统和方法应用于观测肉类中需要筛查和/或移除的锋利的骨头、羽毛、以及其它低对比度对象。这里所描述的系统和方法可以应用于这种筛查。

这里所描述的系统和方法还可以应用于制造检查。例如，该系统和方法可以用于检查诸如在航空生产中的焊接点。如这里所描述的DEI技术可以用于检查诸如喷射式涡轮叶片的经历繁重磨损和撕扯的关键结构部件。此外，例如，这里所描述的系统和方法可以用于检查电路板和其它电子产品。在另一个例子中，这里所描述的系统和方法可以用于轮带检查，例如钢带和胎面完整性检查。

此外，根据这里所描述主题的系统和方法可以用于安全性筛查的目的。例如，该系统和方法可以用于在机场和港口的筛查。这里所描述的DEI技术可以用于对诸如塑料刀、难采用常规X射线检测的复合材料枪、以及塑料炸药的塑料和低吸收对比度对象的筛查。为了对更大的对象成像，这用于机场行李检查，可以增大X射线管和检测器之间的距离以便允许射束发散。为了适应更大的扇形射束，更大的分析器晶体将是必须的。

所描述设备提供了可以转移到计算机断层摄影成像系统或者DEI-CT中的机制。像第三代常规计算机断层摄影成像系统的DEI-CT系统将使用相同的装置，但是为了围绕中心点旋转而进行修改。备选地，系统可以保持固定，并且可以在射束中旋转对象、样本、或者患者。该设计的DEI-CT系统将产生代表X射线吸收、折射和超小角度散射抑制(消光)的图像，但是将在三维中对它们进行解析。

将理解，可以改变这里所描述主题的各个细节，而不脱离这里所描述主题的范围。此外，由于通过下文中给出的权利要求定义了这里所描述的主题，所以前述说明书仅仅是为了说明的目的，并且不是为了限制的目的。

Claims (30)

1.一种用于检测对象的图像的方法，所述方法包括：

(a)从非同步加速器X射线源生成第一发散X射线射束，所述第一X射线射束具有多色能量分布；

(b)将两个或多个单色仪定位在预定位置以直接截断所述第一X射线射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二发散X射线射束，其中，每个所述单色仪包括一个或多个晶体；

(c)将对象定位在所述第二X射线射束的路径中用于使所述第二X射线射束透射通过所述对象并且从所述对象发射多个透射的X射线射束；

(d)将所述透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体阵列内的对应分析器晶体上；并且

(e)从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测所述对象的图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一X射线射束具有特征线Kα1和Kα2，并且定位两个或多个单色仪以直接截断所述第一X射线射束包括定位两个或多个单色仪以选择并产生多个第二X射线射束，每个所述第二X射线射束包含包括特征线Kα1和Kα2的窄能量带。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述第一X射线射束包括生成以不同方向从X射线点源扇形发出的多个第一X射线射束。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，定位两个或多个单色仪包括将所述两个或多个单色仪定位在单一隔震基座上。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，将对象定位在所述第二X射线射束的路径中包括将所述对象移动通过第一弓形路径；并且

其中，检测所述对象的图像包括通过将检测器移动通过第二弓形路径来在所述检测器接收从所述分析器晶体衍射的多个射束，其中，所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。

6.一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统，所述系统包括：

(a)非同步加速器X射线源，其被配置成生成具有多色能量分布的第一发散X射线射束；

(b)两个或多个单色仪，其被定位在预定位置以直接截断所述第一X射线射束并产生每个具有预定能量级别的多个第二发散X射线射束用于透射通过对象，其中，每个所述单色仪包括一个或多个晶体；

(c)多个分析器晶体，每个被定位成以所述分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及

(d)图像检测器，其被配置成从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一X射线射束具有特征线Kα1和Kα2，并且定位所述两个或多个单色仪以选择并产生多个第二X射线射束，每个所述第二X射线射束包含包括特征线Kα1和Kα2的窄能量带。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述X射线源被配置成生成以不同方向从X射线点源扇形发出的多个第一X射线射束。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述两个或多个单色仪被定位在单一隔震基座上。

10.根据权利要求6所述的系统，其包括扫描台，待成像的所述对象被定位在所述扫描台上，所述扫描台是可移动的，以将所述对象移动通过第一弓形路径；

其中，所述图像检测器可移动通过第二弓形路径使得所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。

11.一种用于检测对象的图像的方法，所述方法包括：

(a)通过生成以不同方向从非同步加速器X射线点源扇形发出的多个X射线射束来生成具有多色能量分布的第一发散X射线射束；

(b)将两个或多个单色仪定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并产生每个具有预定能量级别的多个第二发散X射线射束，其中，每个所述单色仪包括一个或多个晶体；

(c)将对象定位在所述第二X射线射束的路径中用于使所述第二X射线射束透射通过所述对象并且从所述对象发射多个透射的X射线射束；

(d)将所述透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列上；并且

(e)从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测所述对象的图像。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一X射线射束具有特征线Kα1和Kα2，并且将两个或多个单色仪定位在预定位置包括定位两个或多个单色仪以选择并产生多个第二X射线射束，每个所述第二X射线射束包含包括特征线Kα1和Kα2的窄能量带。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，定位两个或多个单色仪包括将所述两个或多个单色仪定位在单一隔震基座上。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，将对象定位在所述第二X射线射束的路径中包括移动所述对象通过第一弓形路径；并且

其中，检测所述对象的图像包括通过以与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同的角速度移动检测器通过第二弓形路径来在所述检测器接收从所述分析器晶体衍射的多个射束。

15.一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统，所述系统包括：

(a)X射线管，其被配置成通过生成以不同方向从所述X射线管的X射线点源扇形发出的多个X射线射束来生成具有多色能量分布的第一发散X射线射束；

(b)两个或多个单色仪，每个包括一个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断所述第一X射线射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二发散X射线射束用于透射通过对象；

(c)多个分析器晶体，每个被定位成以所述分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及

(d)图像检测器，其被配置成从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一X射线射束具有特征线Kα1和Kα2，并且所述两个或多个单色仪被定位成选择和产生多个第二X射线射束，每个所述第二X射线射束包含包括特征线Kα1和Kα2的窄能量带。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述两个或多个单色仪被定位在单一隔震基座上。

18.根据权利要求15所述的系统，其包括扫描台，待成像的所述对象被定位在所述扫描台上，所述扫描台是可移动的以将所述对象移动通过第一弓形路径；

其中，所述图像检测器可移动通过第二弓形路径使得所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。

19.一种用于检测对象的图像的方法，所述方法包括：

(a)从非同步加速器X射线源生成第一X射线射束，所述第一X射线射束具有第一和第二特征发射线；

(b)将两个或多个单色仪定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并且选择和产生每个具有所述第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束，其中，每个所述单色仪包括一个或多个晶体；

(c)选择性地阻挡所述第二X射线射束中的每个的所述第一和第二特征发射线中的一个并且允许所述第二X射线射束中的每个的所述第一和第二特征发射线中未被阻挡的一个通过；

(d)将对象定位在所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线的未被阻挡的那些的路径中用于使所述第二X射线射束的未被阻挡的特征线透射通过所述对象并从所述对象发射多个透射的X射线射束；

(e)将所述透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列上；并且

(f)从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测所述对象的图像。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，定位两个或多个单色仪包括将所述两个或多个单色仪定位在单一隔震基座上。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，将对象定位在所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线的未被阻挡的一个的路径中包括移动所述对象通过第一弓形路径；并且

其中，检测所述对象的图像包括通过以与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同的角速度移动检测器通过第二弓形路径来在所述检测器接收从所述分析器晶体衍射的多个射束。

22.一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统，所述系统包括：

(a)非同步加速器X射线源，其被配置成生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束；

(b)两个或多个单色仪，每个包括一个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并且选择和产生每个具有所述第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束；

(c)准直器，其具有可调节的狭缝，用于选择性地阻挡所述第二X射线射束中的每个的所述第一和第二特征发射线中的一个并且允许所述第二X射线射束中的每个的所述第一和第二特征发射线的未被阻挡的一个通过，用于透射通过对象；

(d)多个分析器晶体，每个被定位成以所述分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及

(e)图像检测器，其被配置成从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述两个或多个单色仪被定位在单一隔震基座上。

24.根据权利要求22所述的系统，其包括扫描台，待成像的所述对象被定位在所述扫描台上，所述扫描台是可移动的，以移动所述对象通过第一弓形路径；

其中，所述图像检测器可移动通过第二弓形路径使得所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。

25.一种用于检测对象的图像的方法，所述方法包括：

(a)从非同步加速器X射线源生成第一X射线射束，所述第一X射线射束具有第一和第二特征发射线；

(b)将多个单色仪定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并且选择和产生每个具有所述第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束，其中每个所述单色仪包括一个或多个晶体；

(c)将对象定位在所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线的路径中用于使所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线透射通过所述对象并且从所述对象发射多个透射的X射线射束；

(d)将所述透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列；以及

(e)从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测所述对象的图像。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，定位多个单色仪包括将所述多个单色仪定位在单一隔震基座上。

27.根据权利要求25所述的方法，其中，将对象定位在所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线的路径中包括移动所述对象通过第一弓形路径；并且

其中，检测所述对象的图像包括通过以与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同的角速度移动检测器通过第二弓形路径来在所述检测器接收从所述分析器晶体衍射的多个射束。

28.一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统，所述系统包括：

(a)非同步加速器X射线源，其被配置成生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束；

(b)多个单色仪，每个包括一个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并且选择和产生每个具有所述第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束，用于透射通过对象；

(c)多个分析器晶体，每个被定位成以所述分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及

(d)图像检测器，其被配置成从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。

29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述多个单色仪被定位在在单一隔震基座上。

30.根据权利要求28所述的系统，其包括扫描台，待成像的所述对象被定位在所述扫描台上，所述扫描台可移动，以移动所述对象通过第一弓形路径；

其中，所述图像检测器可移动通过第二弓形路径使得所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。

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