CN103575750A

CN103575750A - 用于反向的x射线-相位对比成像的装置和方法

Info

Publication number: CN103575750A
Application number: CN201310330331.7A
Authority: CN
Inventors: G.萨弗特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2014-02-12
Also published as: US20140037059A1; US9269469B2; DE102012213876A1

Abstract

本发明涉及一种用于反向的X射线-相位对比成像的装置和相关的方法。该装置包括对光子进行计数的X射线探测器（5）；多射束X射线管（4），这样准直其焦点（8），使得可以分别产生狭长的X射线束（7），其对准该装置的光学轴（6）以及对准X射线探测器；在X射线管和X射线探测器之间布置的源光栅（G0），其尺寸为可以透射多射束X射线管的所有X射线束；在源光栅和X射线探测器之间布置的衍射光栅（G1），其尺寸为可以透射穿过源光栅的所有X射线束；和在衍射光栅和X射线探测器之间布置的吸收光栅（G2），其尺寸为可以透射穿过衍射光栅的所有X射线束。本发明的优势为生产麻烦的吸收光栅具有三种光栅中最小光栅面积且在成像时不必移动。

Description

用于反向的X射线-相位对比成像的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种借助多射束X射线管和对光子进行计数的X射线探测器来进行反向的X射线-相位对比成像的装置和方法。

背景技术

X射线-相位对比成像是一种新颖的X射线法，其不同于常规的X射线设备仅仅将穿过对象的吸收作为信息源。它综合了在穿过对象的通路中X射线的吸收与相位偏移。信息量是不一样高的，因为一方面吸收提供了吸收性强的骨骼的准确图像，另一方面相位对比还提供了软组织结构的清晰图像。这提供了如下可能性：可以比目前更早的发现病变，诸如肿瘤的形成、血管变窄或软骨组织的病变。

借助复数形式的折射系数来描述X射线穿过物质的通路。折射系数的虚部说明吸收强度，而折射系数的实部说明穿过物质的X射线波的相位偏移。在相位对比成像中确定经过对象的波前的局部相位或相位的局部梯度的相位信息。类似于X射线断层造影，相位偏移断层造影图像也可以基于大量的图像而被重建。

还有更多的可能性来实现X射线-相位对比成像。在公知的解决方案中涉及的是，通过特别的装置和方法，使得X射线在穿过对象时的相位偏移作为强度波动可见。一个很有前途的方法是光栅-相位对比成像，也被称为Talbot-Lau干涉测量法，如其再三在文献中描述的那样，例如欧洲专利申请文件EP1879020A1。Talbot-Lau干涉仪的主要部件是三个X射线光栅，其被布置在X射线管和X射线探测器之间。

这种干涉仪可以在典型吸收图像以外以其它图像的形式展示两个附加的测量参数：相位对比图和暗场图。在此，通过使用干涉仪的光栅装置通过与参考波的干涉来确定X射线波的相位。

文献EP1879020A1公开了一种根据图1具有X射线管1和像素化的X射线探测器2的装置，在这二者之间布置待透射的对象3。源光栅G0，也被称为相干光栅，被布置在X射线管1的焦斑和对象3之间。它被用于仿真具有X射线空间部分相干性的多个线源，这也是干涉仪成像的先决条件。

衍射光栅G1，也被称为相位光栅或Talbot光栅，被布置在对象3和X射线探测器2之间。所述衍射光栅G1向波前的相位施加了Pi的相位偏移。

位于衍射光栅G1和X射线探测器2之间的吸收光栅G2用于测量穿过对象3产生的相位偏移。在对象3之前的波前被称为W0。通过对象3“弯曲”的波前被称为W1。源光栅G0、G1和G2必须相互平行地布置并且相互保持精确的距离。

X射线探测器2用于取决于位置地探测X射线量子。因为一般来说X射线探测器2的像素化不足以辨析Talbot样本的干涉条纹，故通过光栅G0、G1、G2中的一个的移动来扫描强度样本（“相位-步进”）。扫描垂直于X射线束方向且垂直于吸收光栅G2的缝隙方向逐步地或者连续地进行。拍摄或重建三幅不同类型的X射线图像：吸收图像、相位对比图像和暗场图像。

在图2中示意性示出按照文献EP1879020A1的光栅装置的几何关系。在X射线管1和平面的X射线探测器2之间布置光栅G0、G1和G2。源光栅G0面积最小，因为其被定位于X射线管1附近。吸收光栅G2面积最大，因为其直接位于X射线探测器2之前。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是，提供用于X射线-相位对比成像的另外的装置及相关的方法。

本发明的基本思路在于，与公知的X射线-相位对比成像不同，使用扩展的多焦点-X射线源代替单个的X射线源，它们的射束被准直到相对较小的对光子进行计数的X射线探测器上。从而可以颠倒射束路径上需要的光栅的尺寸关系：源光栅和X射线源一样大，衍射光栅更小而吸收光栅仅仅和有效探测器面积一样大。多焦点-X射线管，也被称为多射束X射线管，在专利申请文献DE102010011661A1中示例性地描述。

本发明要求保护一种用于反向的X射线-相位对比成像的装置，具有对光子进行计数的X射线探测器和多射束X射线管，这样准直其焦点，使得可以分别产生狭长的在方向上对准所述装置的光学轴以及对准X射线探测器的X射线束，其中X射线探测器的有效面积至少和狭长的X射线束的横截面面积一样大。此外，所述装置包括在X射线管和X射线探测器之间布置的源光栅，其尺寸大小为可以由多射束X射线管的所有狭长的X射线束透射；在源光栅和X射线探测器之间布置的衍射光栅，其尺寸大小为可以由穿过所述源光栅的所有狭长X射线透射束；以及在衍射光栅和X射线探测器之间布置的吸收光栅，其尺寸大小为可以由穿过所述衍射光栅的所有狭长X射线束透射。

本发明具有如下优点，即技术上高要求的吸收光栅具有最小的光栅面积。而在常规的装置中吸收光栅具有最大面积，其中按照现有技术对于常规几何形状（在常见的图像区中伸展的探测器）所需要的大的光栅无法制造或者需要很高的技术开销制造。源光栅占用最大面积，但是因为其较大的光栅周期而在技术上更加容易生产。源光栅和准直仪也可以组合。

在本发明的改进方案中，吸收光栅的可透射面积可以大于或等于X射线探测器的接收光子的有效面积。

在本发明的另一种实施方式中，吸收光栅的可透射面积可以小于衍射光栅的可透射面积并且衍射光栅的可透射面积可以小于源光栅的可透射面积。

在另一种构造方案中，源光栅、衍射光栅和吸收光栅相互平行地布置并且垂直于装置的光学轴。

优选地，X射线探测器的有效面积的宽度和长度可以大于1cm并且小于10cm。

此外，焦点连续可控。从而取消“相位-步进”，也就是说不需要移动吸收光栅，由此能实现吸收光栅的固定安装并且不需要用于移动的机械装置。此外，可以更准确地确定相位偏移，因为没有通过机械移动来定位而产生的不确定性。

本发明还要求保护一种用于反向的X射线-相位对比成像的方法：

-借助多射束X射线管产生多个狭长的X射线束，这样准直其焦点，使得所述狭长的X射线束对准所述装置的光学轴以及对准对光子进行计数的X射线探测器，

-透射在X射线管和X射线探测器之间布置的源光栅，

-透射在源光栅和X射线探测器之间布置的衍射光栅，并且

-透射在衍射光栅和X射线探测器之间布置的吸收光栅。

在本方法的改进方案中可以顺序控制所述焦点。

附图说明

本发明的其它特征和优点借助示意性的附图由下面对实施例的描述给出。附图中：

图1示出了根据现有技术的用于X射线-相位对比成像的装置，

图2示出了根据现有技术的用于X射线-相位对比成像的装置的几何关系的图示，和

图3示出了用于反向的X射线-相位对比成像的装置的几何关系的图示。

具体实施方式

图3示出了根据本发明具有多射束X射线管4的装置，该多射束X射线管4具有多个焦点8。每个焦点8都被准直以便产生狭长的X射线束7，其对准具有更小有效面积的X射线探测器5。可以单独地、以固定次序地或者顺序地控制所述X射线管4的焦点8。在用于反向的X射线-相位对比成像的装置中使用伸展的多射束X射线管4，然而X射线探测器5仅仅占用较小的有效面积。所述焦点8平面地和/或成行地布置。

X射线探测器5是对光子进行计数的并且具有很快的读出率，因为对于每个有效焦点8的X射线探测器5必须紧接着在曝光或者辐照之后被读出。对光子进行计数的X射线探测器5优选地比集成的探测器具有更好的量子效率。

狭长的X射线束7在方向上被准直到所述装置的光学轴6。在X射线束7的光路上其首先透射穿过源光栅G0，其仿真多个具有X射线辐射的空间的部分相干性的线源。在透射对象3之后，在击中X射线探测器5之前，X射线束7透射衍射光栅G1并且紧接着穿过吸收光栅G2。

在这种反向的装置中，源光栅G0优选地占有最大面积。一般而言，源光栅G0是具有最大周期长度的光栅，因而以最不麻烦的技术实现。源光栅G0如有可能也可以被集成在未示出的准直仪中。

技术上最麻烦的具有最小周期长度和最大长宽比的光栅是吸收光栅G2。它在反向几何特征中占用最小面积并且因而更简单和更低成本地生产。衍射光栅G1布置在对象3之后以及吸收光栅G2之前，并且小于源光栅G0。

所使用的光栅G0、G1、G2在光学轴方向上的距离可以例如借助印刷出版物“T.Donath et al.,Inverse geometry for grating-based x-ray phase-contrastimaging,J.Appl.Phys.106,054703(2009)”来确定。多射束X射线管4的尺寸取决于待检查对象3的尺寸。X射线探测器5的尺寸取决于被准直的X射线束7的尺寸、必要的读出率以及单个焦点8的辐射强度。常见的尺寸大小是1到10cm，其中X射线探测器5的有效面积不必绝对是方形的。

通过单个焦点8的连续控制可以取消惯常X射线-相位对比成像所需的“相位-步进”。强度样本或者说穿过对象3产生的相位偏移可以在根据本发明的反向的X射线-相位对比成像中直接通过探测器响应来重建。

用于成像的反向几何特征具有如下优点，即在射束进入侧的平均皮肤剂量可以通过进入侧较大的面积而被减小。通过探测器中的更小的散射辐射可以减少辐射剂量。附加地，数字断层合成借助重建方法实现了对象的附加的层显示。

附图标记列表

1 X射线管

2 X射线探测器

3 对象

4 多射束X射线管

5 对光子进行计数的X射线探测器

6 光学轴

7 狭长的X射线束

8 焦点

G0 源光栅

G1 衍射光栅

G2 吸收光栅

W0 波前

W1 被弯曲的波前

Claims

1.一种用于反向的X射线-相位对比成像的装置，其特征在于：

-对光子进行计数的X射线探测器（5），

-多射束X射线管（4），这样准直其焦点（8），使得可以分别产生狭长的X射线束（7），其在方向上对准所述装置的光学轴（6）以及对准X射线探测器（5），

-其中所述X射线探测器（5）的有效面积至少和狭长的X射线束（7）的横截面面积一样大，

-在X射线管（4）和X射线探测器（5）之间布置的源光栅（G0），这样设置其尺寸大小，使得其可以由多射束X射线管（4）的所有狭长的X射线束（7）透射，

-在源光栅（G0）和X射线探测器（5）之间布置的衍射光栅（G1），这样设置其尺寸大小，使得其可以由穿过源光栅（G0）的所有狭长的X射线束（7）透射，和

-在衍射光栅（G1）和X射线探测器（5）之间布置的吸收光栅（G2），这样设置其尺寸大小，使得其可以由穿过衍射光栅（G1）的所有狭长的X射线束（7）透射。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸收光栅（G2）的可透射面积大于或等于X射线探测器（5）的、接收光子的有效面积。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述吸收光栅（G2）的可透射面积小于所述衍射光栅（G1）的可透射面积，并且所述衍射光栅（G1）的可透射面积小于所述源光栅（G0）的可透射面积。

4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述源光栅（G0）、所述衍射光栅（G1）和所述吸收光栅（G2）相互平行布置并且与光学轴（6）垂直。

5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述X射线探测器（5）的有效面积的宽度和长度大于1cm而小于10cm。

6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述焦点（8）顺序可控。

7.一种用于反向的X射线-相位对比成像的方法，其特征在于：

-借助多射束X射线管（4）产生狭长的X射线束（7），这样准直其焦点（8），使得所述狭长的X射线束（7）对准X射线管（4）的光学轴（6）以及对准对光子进行计数的X射线探测器（5），

-透射在X射线管（4）和X射线探测器（5）之间布置的源光栅（G0），

-透射在源光栅（G0）和X射线探测器（5）之间布置的衍射光栅（G1），以及

-透射在衍射光栅（G1）和X射线探测器（5）之间布置的吸收光栅（G2）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，顺序地控制多个焦点（8）。

9.根据权利要求7或8所述的方法，借助根据权利要求1到5中任一项所述的装置来执行。