CN102753935A

CN102753935A - 相位信息的分析方法、相位信息的分析程序、存储介质和x射线成像装置

Info

Publication number: CN102753935A
Application number: CN201180009110.9A
Authority: CN
Inventors: 长井健太郎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-10-24
Also published as: JP5538936B2; RU2526892C2; EP2534440A1; RU2012138453A; JP2011163937A; US20120294420A1; WO2011099377A1

Abstract

一种用于通过分析云纹的周期性图案导出相位信息的分析方法包括以下的步骤：通过窗口函数使云纹的周期性图案的至少一部分经受窗口傅立叶变换；基于经受窗口傅立叶变换的云纹解析地计算承载相位信息的第一光谱的信息和在第一光谱的信息上叠加的第二光谱的信息；和使第一光谱的信息与第二光谱的信息分离，以导出相位信息。

Description

相位信息的分析方法、相位信息的分析程序、存储介质和X射线成像装置

技术领域

本发明涉及相位信息的分析方法、相位信息的分析程序、存储介质和X射线成像装置。

特别地，本发明涉及用于计算原入射波的相位波前或来自诸如云纹（干涉图案或强度图案）的周期性图案的相位波前的微分的技术，所述周期性图案是通过与具有任何相位波前的诸如光的入射波干涉而产生的。

背景技术

已知存在用于被检测的被检体的形状测量的用于通过使用包含光和X射线的具有各种波长的波引起干涉的技术。

根据以上的测量技术，具有恒定的相位波前的（相干）入射光被照射到被检体上并且被反射或透射。

已知反射光或透射光根据被检体的形状或成分改变波前。

鉴于此，通过引起干涉的一些方法，将变化转换成云纹图像（也称为干涉图案，但是，这里使用云纹），并且分析其图案。因此，可以计算通过其改变的相位信息（相位波前或相位波前的微分图像（微分相位图像））。

该技术的典型的例子是用于测量透镜等的形状的波前测量技术。

并且，近年来，X射线相位成像技术也被已知作为医疗领域中的使用X射线的技术。

根据该技术，当入射的X射线透过被检体时，通过使用诸如云纹的周期性图案导出由被检体的折射率的差异引起的相位差。

被检体中的各成分材料具有不同的折射率，因此，波前的变化表现相应的特性。鉴于此，通过干涉等检测相位波前。

用于从通过干涉获得的强度图案计算入射光的原波前或相位波前的变化的技术称为相位复原方法。

存在几种类型的相位复原方法，并且，其中一种是窗口傅立叶变换方法（参见“Windowed Fourier transform method for demodulationof carrier fringes,”Opt,Eng.43（7）1472～1473（July 2004）以下，称为非专利文献1）。

该方法允许通过使用通过向强度图案施加窗口函数执行傅立叶变换的窗口傅立叶变换方法，通过图案分析计算相位波前形状。

引文列表

非专利文献

NPL 1：Windowed Fourier transform method for demodulationof carrier fringes,”Opt,Eng.43（7）1472～1473（July 2004）

NPL 2：A.Momose,et al.,Jpn.J.Appl.Phys.42,L866（2003）

发明内容

与常规使用的一般的傅立叶变换方法相比，以上的在非专利文献1中公开的窗口傅立叶变换方法具有改善图像的耐噪声性的优点但是具有以下的缺点。

对于相位波前形状的变化相对平滑的被检体，窗口傅立叶变换方法基本上有效的，但是，导出的相位波前图像可根据要使用的窗口函数的尺寸畸变（常使用半峰全宽作为其指标）。

特别地，当窗口函数的半峰全宽较小时，在相位波前恢复图像上叠加恒定的图案，并因此不能导出精确的相位波前图像。

与此相对，当窗口函数的半峰全宽较大时，图像难以畸变，但是牺牲总体分辨率。

出于这种原因，窗口傅立叶变换方法具有不能根据被检体形状导出精确的相位波前的精细形状的问题。

这是窗口傅立叶变换方法的基本问题，因此，即使可以忽略原图像的噪声，噪声也限制分辨率。

本发明提供能够通过使用窗口傅立叶变换方法在分析中进一步提高其分辨率的相位信息的分析方法等。

根据本发明的一个方面，一种用于通过分析云纹的周期性图案导出相位信息的分析方法包括以下的步骤：通过窗口函数使云纹的周期性图案的至少一部分经受窗口傅立叶变换；基于经受窗口傅立叶变换的云纹解析地计算承载相位信息的第一光谱的信息和在第一光谱的信息上叠加的第二光谱的信息；和使第一光谱的信息与第二光谱的信息分离，以导出相位信息。

参照附图，从示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是示出描述本发明的实施例的从云纹计算波前变化的过程的流程图。

图2是示出用于描述本发明的实施例的Talbot干涉计的示图。

图3A是描述通过窗口傅立叶变换的云纹图案的光谱的示意图。

图3B是描述通过窗口傅立叶变换的云纹图案的光谱的示意图。

图4是示出在本发明的第一实施例中使用的被检体的结构的示图。

图5A是示出在第一实施例中使用的条带图案的示图。

图5B是示出在第二实施例中使用的棋盘图案的示图。

图6是示出在描述本发明的第一实施例时使用的云纹的示图。

图7A是示出现有技术中的波前恢复的结果的示图。

图7B是示出第一实施例中的波前恢复的结果的示图。

图8是示出在描述本发明的第二实施例时使用的云纹的示图。

图9A是示出现有技术中的沿Y轴的相位波前微分图像的示图。

图9B是示出第二实施例中的沿Y轴的相位波前微分图像的示图。

图10A是示出第二实施例中的沿X轴的相位波前微分图像的示图。

图10B是示出现有技术中的沿X轴的相位波前微分图像的示图。

具体实施方式

根据本发明的相位信息分析方法，当通过窗口傅立叶变换方法分析云纹的周期性图案时，关于预定的光谱的信息（例如，1阶光谱承载相位信息）与在关于预定的光谱的信息上叠加的关于另一光谱（例如，0阶光谱、或2阶或更高阶光谱）的信息解析地分离。

这里，“解析地”指的是通过求解方程从两个或更多个数据计算具有0阶分量和1阶和更高阶分量的光谱数据的方法。

即，由于使用预定的窗口函数，因此本发明的分析方法可预测傅立叶变换之后的光谱形状。因此，当具有0阶分量的光谱数据与1阶和更高阶分量分离时，可通过求解方程来计算各光谱数据形状。

例如，当使用高斯（Gaussian）作为窗口函数时，形成云纹，以使得0阶光谱和1阶和更高阶光谱通过高斯变换被近似为高斯叠加形式。

然后，通过假定各光谱为高斯的，可解析地使0阶光谱与1阶和更高阶光谱分离。

然后，从被分离的1阶和更高阶光谱计算波前形状。因此，与不解析地执行峰分离的情况相比，可导出更精细的波前数据。

因此，根据本实施例的配置可进一步提高分辨率。相反，常规的窗口傅立叶变换方法可根据使用的窗口函数的尺寸来产生导出的相位波前的畸变图像。以下，描述其细节。

在此之前，首先，描述窗口傅立叶变换方法的概要。根据窗口傅立叶变换方法，通过窗口傅立叶变换提取的一部分的傅立叶变换通过云纹图案被分成1阶和更高阶光谱以及背景的0阶光谱。

可从1阶和更高阶光谱导出通过窗口函数提取的范围中的相位波前信息。可通过偏移窗口函数的位置来连接各位置的相位波前信息。因此，可以形成导出的画面中的相位波前形状。

通过使用这种窗口傅立叶变换方法增加分辨率的方法中的一种是减小窗口函数的提取半径。

但是，当使用小窗口函数时，0阶光谱和1阶和更高阶光谱通过窗口傅立叶变换在波数空间中相互叠加，并且相位波前信息被相互影响。因此，恢复的波前形状畸变。一般地，诸如云纹图案的周期性条带图案在例如一维情况下展开为以下的方程：

I (x) = a_{0} + Σ_{n = 1}^{\infty} a_{n} \cos (\frac{2 πnx}{T}) + Σ_{n = 1}^{\infty} b_{n} \sin (\frac{2 πnx}{T})

（等式1），

其中，第一项（n＝0）表示0阶光谱，第二项（n＝1）表示1阶光谱，并且，第二项、第三项和随后的项（n＝2和3…）表示更高阶的光谱。并且，“n”表示阶数。“X”表示一维中的坐标。“T”表示云纹周期。具体地，术语“a₀”表示0阶光谱。“a_n”和“b_n”表示形成更高（第n）阶光谱的因子。如方程所示，上述的更高阶光谱可具有任意无限阶数。在以下的描述中，出于简化解释的目的，假定使得只有0阶光谱和1阶光谱被描述为基本上促成云纹波形，并且更高阶光谱小到可以忽略。

图3A和图3B分别示出通过窗口函数进行窗口傅立叶变换的云纹图案的示意图。

在图3A和图3B中，附图标记30表示0阶光谱，附图标记31表示1阶光谱。

图3A示出使用大的窗口函数的情况。图3B示出使用小的窗口函数的情况。

在图3A中，位于两侧的1阶光谱和位于中心的0阶光谱中的每一个基本上是独立的光谱，因此，关于1阶光谱的信息可被用作光谱的值。并且，如果以这种方式导出光谱信息，那么恢复的相位波前图像不可能畸变。与此相对，在图3B中，1阶光谱和0阶光谱中的每一个在其下部横向延伸以相互干涉。作为结果，0阶光谱数据和1阶光谱数据相互叠加，因此难以独立地导出关于1阶光谱的信息。因此，不能导出精确的相位波前形状，而是简单地通过提取1阶光谱的值来导出0阶光谱和1阶光谱的叠加的数据。

相反，不管使用的窗口函数的尺寸如何，本实施例的配置可通过从窗口傅立叶分量解析地分离0阶光谱和1阶光谱来进一步提高分辨率，从而消除0阶光谱的影响。

并且，作为本实施例的配置，这种相位信息分析方法可被配置为由计算机执行的相位信息分析程序。

并且，本实施例可被配置为存储相位信息分析程序的计算机可读存储介质。

下面，描述根据本实施例的相位信息分析方法，主要强调相位波前信息的计算。

非专利文献1引入用于计算干涉图案的使用窗口傅立叶变换方法的称为载波条纹（Carrier Fringe）的方法。

本实施例改善通过窗口函数提取云纹的周期性图案的一部分并使其进行傅立叶变换的常规的窗口傅立叶变换方法中的相位波前信息的计算；然后，依次从光谱的数据确定相位。

图1是根据本实施例的流程图，示出通过常规的窗口傅立叶变换方法的改善的计算过程。

如图1所示，首先，在步骤11中，导出云纹图像（干涉图案）。然后，在步骤12中，使导出的云纹图像进行窗口傅立叶变换。

可对于窗口傅立叶变换使用各种窗口函数。

然后，在步骤13中，从窗口傅立叶变换提取特别是1阶光谱即匹配云纹的频率的光谱的数据。

此时，如果在常规的方法中那样，则使用与导出的1阶光谱对应的部分的数据的值，而在本实施例中，解析地分离0阶光谱和1阶光谱以从1阶光谱消除0阶光谱的效应。

出于这种目的，在假定在1阶光谱的数据上叠加0阶光谱的数据的情况下，计算差值。

为了计算差值，增加用于导出与0阶光谱对应的光谱的数据并解析地计算关于在1阶光谱上叠加的0阶光谱的信息的过程。

这里，假定对于高速处理0阶光谱和1阶光谱的形状均可通过高斯而被近似，使用用于通过拟合分离两个光谱的过程。

然后，在步骤14中，通过从导出的数据计算相位角来计算相位波前的变化量。

在以上的步骤中计算的相位角是从-π到π卷绕的数据。因此，在步骤15中，执行相位解卷绕以对于校正分析其断点。

因此，使用通过从窗口傅立叶分量解析地分离0阶光谱和1阶光谱而获得的与0阶光谱的效应无关的图像，作为表示波前的变化或其微分的信息。

通过进一步积分微分信息可以获得相位波前的变化。在以上的描述中，出于简化解释的目的，描述仅包含0阶光谱和1阶光谱的实施例。实际上，根据云纹波形，可起源方程1中的更高阶（n＝2、3、…）的光谱。并且，可在本发明的范围和精神内从0阶光谱计算和分离更高阶（n＝2、3、…）的光谱，以导出希望的特性。

以下，通过使用图2，描述本实施例的X射线相位成像装置的配置例子。本实施例特别关注作为使用Talbot干涉计的干涉系统的X射线相位成像装置的配置例子。

X射线相位成像装置近年来大大关注医疗应用。在医疗应用中，人体是被检体，因此用于以良好的精度导出其精细结构的图像的技术是必不可少的。

其中，当前积极研究Talbot干涉计作为用于医疗X射线相位成像的候选。

应当注意，本发明不限于Talbot干涉计或X射线相位成像装置，而可被应用于使用云纹或周期性图案的一般测量技术。

在“A.Momose,et al.,Jpn.J.Appl.Phys.42,L866（2003）”中找到关于使用Talbot干涉计的X射线相位成像装置的细节。

图2示出使用Talbot干涉计的X射线相位成像装置（X射线成像装置）的配置例子。

在图2中，附图标记210表示X射线源，附图标记220表示被检体，附图标记230表示相位光栅（衍射光栅），附图标记240表示吸收光栅，附图标记250表示检测器，附图标记260表示计算器，附图标记261表示CPU。

以下的描述关注从X射线产生、它透过被检体、直到获取相位信息（相位波前）的使用X射线相位成像装置的处理流程。

相位光栅230构成用于调制从X射线源发射并透过被检体的X射线的相位或强度的单元。

吸收光栅240阻挡通过由相位光栅230导致的Talbot效应形成的干涉图案（Talbot图像）的一部分，并在检测器250的检测面上形成云纹。吸收光栅240和相位光栅230分开所谓的Talbot距离。

检测器250检测云纹并拍摄其图像。

计算器260构成用于基于由检测器250导出的云纹导出入射到相位光栅上的X射线的相位信息的单元，并具有使计算机执行本发明的上述的相位信息分析方法的计算机系统。

这里，将描述以上配置的操作。首先，由作为放射线产生部分的X射线源210产生的X射线透过被检体220。

当X射线透过被检体220时，X射线根据被检体220的形状等经受波前的变化和吸收。

X射线透过被检体220并然后透过相位光栅230，以形成干涉图案。X射线透过设置在形成干涉图案的位置中的吸收光栅240，并形成云纹，以匹配成像装置的分辨率。

通过检测器250检测透过吸收光栅240的X射线的云纹的强度信息。检测器250指的是能够检测放射线的干涉图案的强度信息的元件。检测器250的例子包括诸如CCD（电荷耦合器件）的成像装置。

由检测器250检测的干涉图案的强度信息由执行上述分析方法的各步骤中的算术运算的计算器260被分析，并被转换成相位微分信息，即，通过对特定轴向的波前求微分而获得的图像。

注意，计算器260包括CPU（中央处理单元）261。被检体220可被插入到相位光栅230和吸收光栅240之间。

实施例

以下，描述本实施例。

第一实施例

在本实施例中，描述通过计算机模拟的计算例子。在模拟中使用的参数如下。

首先，假定从X射线源210发射的X射线是分别具有17.7keV的能量和的波长（即，具有恒定的相位波前）的相干入射X射线。

入射的X射线通过被检体220经受相位波前的变化。如图4所示，在本实施例中使用的被检体被假定为由叠加的分别具有200μm的直径的四个钙磷球体41制成。

这里，使用4μm条带π光栅（条带图案）作为上述的相位光栅。

这里，4μm条带π光栅指的是如图5A所示的条带图案，其中入射X射线的相位经受π的变化的部分501和相位不经受变化的部分502按1:1的比率设置，并且，一对条带图案在宽度上具有4μm的周期。

由检测器250检测的云纹图像的例子如图6所示。

经受波前恢复的云纹图像如图7B所示。

出于比较目的，图7A示出现有技术的结果，并且图7B示出本实施例的结果。

注意，作为现有技术，示出基于非专利文献1的结果。

还注意，使用高斯作为窗口函数。窗口函数的半峰全宽的尺寸被假定为图像上的两个像素。

本实施例在图1所示的用于计算波前信息的过程中的步骤13上与现有技术不同。

在现有技术中，作为基准数据，当导出与1阶光谱对应的部分中的数据时，原样简单使用数据的值，而在本实施例中，向其添加用于解析地分离0阶光谱和1阶光谱的过程。该过程已在以上的实施例中被描述，并因此省略重复的描述。

图7A和图7B示出现有技术和本实施例之间的恢复的相位波前的微分图像如何不同。

在现有技术中，图像具有水平条带的图案。这是由于当执行窗口傅立叶变换时在1阶光谱图像上叠加0阶光谱图像而出现的错误图像。与此相对，在本实施例中，由于0阶光谱被分离，因此没有发现这种水平条带的图案。

这证明本发明是有效的。为了再现被检体的精细结构，窗口函数越小，本发明越有效。

第二实施例

与使用条带图案作为相位光栅的第一实施例不同，第二实施例使用4μm棋盘π光栅（棋盘图案）。

这里，4μm棋盘π光栅指的是相位经受π变化的部分511和相位不经受变化的部分512交替表现为棋盘图案的形状，如图5B所示。

与第一实施例的方式相同，窗口函数的半峰全宽的尺寸为图像上的两个像素。此时由检测器250检测的云纹图像具有图8所示的2D结构。

图9A～10B分别示出用于现有技术与本实施例之间的比较的恢复的相位波前的微分图像。图9A示出现有技术中的沿Y轴的相位波前微分图像。图9B示出第二实施例中的沿Y轴的相位波前微分图像。图10A示出第二实施例中的沿X轴的相位波前微分图像。图10B示出现有技术中的沿X轴的相位波前微分图像。

与第一实施例类似，本实施例向计算波前的步骤13添加用于解析地分离0阶光谱和1阶光谱的过程。

在不执行这种分离的现有技术中，条带图案叠加。

与此相对，在本实施例中，可以在沿X轴和Y轴的相位微分图像中导出没有不想要的叠加的条带图案的清晰图像。

这证明，不管云纹的结构是一维的还是二维的，本发明都是有效的。可以使用云纹的形状来从云纹的形状变化分析波前的变化或关于相位的信息。

以上描述了本发明的优选实施例，但是本发明不限于这些实施例，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化。

例如，本发明不限于在上述的第一实施例和第二实施例中使用的诸如X射线装置和Talbot装置的装置，而可被用于使用诸如可见光的具有比X射线长的波长范围的电磁波的一般云纹图像分析。因此，本发明可被用于通过具有包含光或X射线的波长的波的干涉的云纹图像分析。

并且，在上述的实施例中，通过使用于窗口傅立叶变换的窗口函数经受高斯来执行分析，但这仅是例子，并且不意味着将本发明的窗口函数的形状限于这些。可以使用窗口函数的任何形状和与其对应的分析方法。

注意，在说明书或附图中描述的技术要素单独地或按各种组合发挥技术有用性，并且不限于在提交时在权利要求中描述的组合。并且，在说明书或附图中示例的技术同时实现多个目标，并且简单地通过实现这些目标中的一个而具有技术有用性。

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这样的变更方式和等同的结构和功能。

本申请要求在2010年2月10日提交的日本专利申请No.2010-027214的益处，在此引入其全部内容作为参考。

Claims

1.一种用于通过分析云纹的周期性图案导出相位信息的分析方法，该方法包括以下步骤：

通过窗口函数使云纹的周期性图案的至少一部分经受窗口傅立叶变换；

基于经受了窗口傅立叶变换的云纹解析地计算承载相位信息的第一光谱的信息和在第一光谱的信息上叠加的第二光谱的信息；和

使第一光谱的信息与第二光谱的信息分离，以导出相位信息。

2.根据权利要求1的分析方法，其中，在假定第一光谱的信息和第二光谱的信息具有高斯形式的情况下以高斯为窗口函数进行计算步骤。

3.一种用于操作计算机以执行根据权利要求1的分析方法的分析程序。

4.一种存储用于操作计算机以执行根据权利要求3的分析方法的分析程序的计算机可读记录介质。

5.一种X射线成像装置，包括：

X射线源；

衍射光栅，用于衍射来自X射线源的X射线；

吸收光栅，用于屏蔽通过衍射光栅衍射的X射线的一部分；

检测器，用于检测穿过吸收光栅的X射线的云纹；和

算术运算单元，用于基于由检测器检测的云纹导出透过被检体的X射线的相位信息，其中，算术运算单元根据根据权利要求1的分析方法导出相位信息。

6.根据权利要求5的X射线成像装置，其中，

衍射光栅以条带图案或棋盘图案形成。