CN104274198B - 对检查对象进行高分辨率微分相衬成像的x射线拍摄系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对检查对象进行微分相衬成像的X射线拍摄系统，具有：至少一个产生准相干X射线的X射线发射器；带有对辐射敏感的、对X射线成像有效的输入面的和布置成阵列的像素的X射线成像探测器；布置在检查对象与射线成像探测器之间的衍射或相位光栅；为衍射或相位光栅对应配设的检偏器光栅；和用于控制X射线成像探测器与接收以及处理X射线成像探测器的图像信号的图像系统。相位光栅和检偏器光栅的尺寸为，使得它们遮盖X射线成像探测器的输入面的仅一部分，图像系统构造为使读出并处理X射线成像探测器的输入面的由光栅遮盖的部分作为用于相衬成像的部分区域，并且读出并且处理X射线成像探测器的其余区域以便基于X射线的吸收成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对检查对象进行微分相衬成像的X射线拍摄系统，其具有：至少一个用于产生准相干的X射线的X射线发射器；带有辐射敏感的、对射线成像有效的输入面的和布置成阵列的像素的X射线成像探测器；布置在检查对象与X射线成像探测器之间的衍射或相位光栅；为该衍射或相位光栅对应配设的检偏器光栅；和用于控制X射线成像探测器与接收以及处理X射线成像探测器的图像信号的图像系统。
背景技术
对于微分相衬成像(PCI)，通常将三个光栅引入X射线源的光路。在作者为M.Bech等人发表在Phys.Med.Biol.54(2009)，第2747至2753页中的文章“Soft-tissue phase-contrast tomography with an X-ray tube”中，记载这一种下文还将进一步阐述的用于PCI的实施例。
粒子，如X射线量子的波动性允许借助复折射率来描述现象，如折射和反射。
n＝1-δ+iβ
在此虚部β表示吸收，该吸收基于当前的临床X射线成像，例如计算机断层成像、血管造影、放射性透视、荧光透视或乳房X光检查，而实部δ表示在微分相位成像中观察到的相位移动。
从DE102010018715A1中已知一种X射线拍摄系统，其中，为定性高质量X射线图像使用对检查对象进行相衬成像的X射线拍摄系统，该X射线拍摄系统具有至少一个带有多个用于发送相干X射线的场发射X射线源的X射线发射器、X射线成像探测器、布置在检查对象与X射线成像探测器之间的衍射光栅G1和布置在衍射光栅G1与X射线成像探测器之间的另一个光栅G2。
可以执行开头所述类型的微分相衬成像的X射线拍摄系统从例如US7，500，784B2中已知，结合图1对其进行了阐述。
图1示出用于带有由六轴的工业或多关节机器人形式的机座1固定的C弓臂2的介入性套件的X射线拍摄系统的典型的主要特征，在C弓臂2的端部上安设有X射线源(例如带有X射线管和准直器的X射线发射器3)以及安设有作为图像拍摄单元的X射线成像探测器4。
借助例如从US7，500，784B2中已知的具有优选六根旋转轴线并因此具有六个自由度的多关节机器人，C弓臂2可以任意在空间上调节，例如方式是它围绕旋转中心在X射线发射器3与X射线成像探测器4之间旋转。按本发明的血管造影的X射线系统1至4尤其是能围绕旋转中心和旋转轴线在X射线成像探测器4的C弓臂平面中旋转，优选能围绕X射线成像探测器4的中点和围绕与X射线成像探测器4的中点相交的旋转轴线旋转。
已知的多关节机器人具有固定地安装在地板上的基本框架。在其上围绕第一旋转轴线以可旋转的方式固定有旋转台。在该旋转台上围绕第二旋转轴线可转动地安设有机器人翼，在该机器人翼上，围绕第三旋转轴线可旋转地固定有机器人臂。在机器人臂的端部上，围绕第四旋转轴线以可旋转的方式安设机器人手。机器人手具有用于C弓臂2的固定元件，该固定元件可围绕第五旋转轴线转动并且可围绕与之垂直延伸的第六旋转轴线旋转。
X射线诊断装置的实现不依赖于工业机器人。也可以使用普通的C弓臂装置。
X射线成像探测器4可以是矩形或方形、扁平的半导体探测器，它优选由非晶硅(a-Si)制成。也可以采用集成的且必要时计数的CMOS探测器。
在X射线发射器3的光路中，在患者卧榻的台板5上具有作为检查对象的待检查患者6。在X射线诊断装置上，连接有带有图像系统8的系统控制单元7，该图像系统接收并且处理(操作元件例如未示出)X射线成像探测器4的图像信号并且处理。然后，在监控信号灯9的显示器上可以观察到X射线照片。监控信号灯9可以借助天花板安装的可纵向移动的、可枢转、旋转且高度可调节的支架系统10以悬臂和可下降的支承臂固定。
代替图1中例如所示的、带有六轴的工业或多关节机器人形式的基座的X射线系统，血管造影的X射线系统也可以具有垂直的天花板或地板安装的用于C弓臂2的紧固装置。
代替例如所示的C弓臂2，血管造影的X射线系统也可以具有分开的天花板和/或地板安装的用于X射线发射器3和X射线成像探测器4的紧固装置，它们例如直接电气耦合。
相衬成像原理根据图2进一步阐述。由不相干的X射线发射器3发出的X射线穿透吸收光栅13(G0)以便产生相干的X射线12，吸收光栅引起X射线源的位置相关性以及穿透检查对象14，例如患者6。通过检查对象14，相干的X射线12的波前通过相位移动这样地偏转，如这表示无相位移动，亦即，无对象的波前的法线15，并且表示具有相位移动的波前的法线16。然后相位移动的波前通过衍射或相位光栅17(G1)，该光栅具有与X射线谱的典型能量适配的光栅常数以便产生干涉线，并且又通过正在吸收的检偏器光栅18(G2)以便读出所产生的干涉图案。检偏器光栅18的光栅常数与相位光栅17的光栅常数和该布置的其余几何形状和尺寸匹配。检偏器光栅18例如以第一或第n个泰伯(Talbot)距离布置。检偏器光栅18在此将干涉图案转换成可由探测器测得的强度图案。
也就是说吸收光栅13(G0)布置得靠近X射线发射器3的管焦点11，两个另外的光栅，即相位光栅17(G1)和检偏器光栅18(G2)布置在X射线成像探测器4之前附近并且在X射线12的光路中在待检查对象14的后方。因为使用在医学成像中的X射线成像探测器4的面积为20cm×20cm至43cm×43cm，所以光栅G1和G2必须具有几乎相同的尺寸。
所使用的光栅G0，G1和G2必须具有几微米范围内的网格尺寸以便适合于具有根据应用为25kV至140kV的管电压的诊断X射线光谱。光栅G0，G1和G2的高度取决于所使用的材料和设计能量并因此应当为至少20μm至200μm。因此，在此出现的高宽比可以达到100或更多。
制造这种光栅G0，G1和G2，根据现有技术仅借助LIGA方法可实现并因此是耗费的且昂贵。
若X射线源的管焦点11足够小并且所产生的辐射功率仍然足够大，则必要时省掉第一光栅G0，即吸收光栅13，如在设置例如多个场发射X射线源作为X射线发射器3时所给定那样，如这从下列描述的DE102010018715A1中已知。
现在对于X射线成像探测器4的每个像素，微分相位移动确定的方式是，通过由箭头表示的所谓“相位-步进”19，检偏器光栅18(G2)在多个步骤(k＝1，K，例如K＝4至8，)中垂直于相干的X射线12的辐射方向和横向于光栅结构的布置移动一个光栅常数相应的分数并且按照X射线成像探测器4的像素测得在拍摄时为该结构产生的信号Sk并因此扫描产生的干涉图案。然后，对于各像素，描述该调制的函数(例如正弦函数)的参数通过合适的拟合方法，匹配或补偿方法确定这样测得的信号Sk。能见度，亦即，由最大和最小信号构成的归一化差(或更准确地说：幅值相对平均信号归一化)，是表征泰伯-劳(Talbot-Lau)干涉仪的质量的量度。它定义为扫描的调制的衬度。
此外，在该等式中表示了幅值A和平均强度ī。能见度可以在零和1之间取值，因为所有量是正的并且Imax＞Imin。在实际的干涉仪中，还满足Imin＞0，因此V的值域合理地穷尽。最小强度大于零，干涉仪的所有不理想的特性和缺点导致能见度的减小。作为可以通过能见度定义且通过该测量方式产生的第三信息表示为暗场。暗场指定由带有对象和不带对象的测量的能见度构成的比。
然后，从由用于各像素的拟合函数导出的带对象和不带对象(或患者)的特定尺寸的比较中可以产生三个不同的图像：
(i)吸收图像，
(ii)微分相衬图像(DPC)，和
(iii)暗场图像(dark-field image).
上述的光栅，即吸收光栅13(G0)、衍射或相位光栅17(G1)和可通过相位步进19移动的检偏器光栅18(G2)在硅中通过蚀刻产生，其中，光栅G0和G2中各个单独的薄片之间的间隙以强烈吸收的材料(通常是金)来电镀地填充，如这例如记载在Franz Pfeiffer等人发表于Nature Physics2(2006)，第258至261页的文章“Phase retrieval and differentialphase-contrast imaging with low-brillance x-ray sources”中。
图3示意性示出具有薄片20和间隙21的序列的相位光栅17(G1)的横截面，其中，网格尺寸22此处为4μm。薄片的高度23为22μm，以便为设计能量(此处例如约14keV)的X射线引起适合的相位移动。
在图4中，示出具有多个薄片20的检偏器光栅18(G2)，其中，间隙21以电镀引入的金24填充。网格尺寸22此处为2μm。薄片的高度23为12μm，以便足够强烈地吸收X射线。
这种制造的光栅G0，G1和G2具有约2cm至5cm的横向尺寸。然后，按X射线成像探测器4的规格定向的各光栅G0至G2的总面积由一些单个的小块光栅拼铺而成。该方法是耗费的。尤其是整个布置所需的均质性对制造具有较高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，设计按开头所述类型的X射线拍摄系统，使得可以实现具有高分辨率的实时相衬成像，同时整个布置具有良好的均质性以及低的用于光栅G0，G1和G2的成本。
该技术问题按本发明通过一种X射线拍摄系统解决，相位光栅和检偏器光栅的尺寸为，使得它们遮盖X射线成像探测器的输入面的仅一部分，并且图像系统构造为，使得它读出和处理由光栅遮盖的、X射线成像探测器的输入面的部分作为用于相衬成像的部分区域，并且读出和处理X射线成像探测器的其余区域以便基于X射线的吸收进行成像。
由此，只需要小型光栅来相衬成像，从而显著地减小耗费的成本。也只需要X射线成像探测器的部分区域具有必要时需要的高分辨率。
已证实有利的是，相位光栅和检偏器光栅可移动地布置成，使得它们可引入光路和/或通过X射线成像探测器的成像的输入面定位在不同的部分区域上。
按本发明，相位光栅和检偏器光栅可以作为一个单元共同地刚好在X射线成像探测器之前引入或定位。
以有利的方式，X射线成像探测器的部分区域可以具有比其余区域更高的分辨率。
在PCI探测器作为用于相衬成像的X射线成像探测器在用于常规的吸收成像的X射线成像探测器之前引入光路并且PCI探测器具有与光栅相似的尺寸时，获得特别灵活的布置。
按本发明，PCI探测器和光栅的尺寸可以为5cm×5cm。
已证实有利的是，相位光栅，检偏器光栅和PCI探测器可手动地和/或电机驱动地共同地引入光路或定位，其中，适宜的是，PCI探测器与相位光栅和检偏器光栅在结构上连接。
PCI探测器可以按本发明通过电缆和/或通过无线的接口与图像系统连接。
以有利的方式，PCI-探测器可以具有比更大的X射线成像探测器按面积更小的像素，以便能够实现更高的位置分辨率。
在PCI探测器设计成量子计数探测器时，可以确定探测到的X射线量子的能量。
为了根据所使用的光栅较大的高宽比能够实现光栅布置朝X射线源的焦点的精确定向，可以给相位光栅、检偏器光栅和/或PCI探测器配备设备。
为此，按本发明可以在PCI探测器上安设致动器，该致动器使PCI探测器能够在两个空间方向上倾斜，其中，致动器可以布置在PCI探测器的角上。
为了使所述倾斜达到期望自由度，可以提供至少三个致动器。
已证实有利的是，设置测量系统，该测量系统检测是否达到正确的斜度或定向。
因为相衬布置的失调导致拍摄到的X射线照片较强的光晕，所以测量系统可以检测在拍摄到的X射线照片中的光晕，该测量系统这样操作致动器以便正确定向，使得观察到的光晕最小。
备选地，PCI探测器和/或光栅的正确定向也借助光学方法实现。
在PCI探测器和/或光栅的正确定向根据借助激光或光学导航系统进行的测量实现时可以计算PCI探测器必须被致动器移动多少来达到需要的斜度。
附图说明
下列根据附图中所示的实施例进一步阐述本发明。附图中：
图1是已知的介入性套件的C弓臂血管造影系统，具有作为支撑设备的工业机器人，
图2是已知的用于微分相衬成像的泰伯-劳干涉仪示意性的结构，具有延长的管焦点，三个光栅G0，G1和G2和像素探测器，
图3是相位光栅结构的示意图，
图4是检偏器光栅G2的结构的示意图，具有其间隙填充以金的薄片，
图5是按本发明的实施例，具有正常大小的X射线成像探测器和小型PCI探测器，
图6是备选的实施例，具有刚好安设在X射线成像探测器之前的更小的光栅单元，
图7是布置在X射线成像探测器上的PCI探测器，具有用于使PCI探测器倾斜的致动器以及
图8是拍摄到的X射线照片朝图像边缘通过光晕的示例阴影。
具体实施方式
在图5中现在示出按本发明的实施例，其中，除了正常大小的X射线成像探测器4外还使用小型PCI探测器25，该PCI探测器25的尺寸例如可以为5cm×5cm。在该PCI探测器25上并且与PCI探测器25结构上连接地设有尺寸相似的(此图中未示出的)光栅G1和G2。该小型PCI探测器25在需要的情况下引入相干的X射线12的光路中并且在此布置在用于常规吸收成像的更大的X射线成像探测器4之前。小型PCI探测器25可以手动地或电机驱动地借助未示出的设备移入大型X射线成像探测器4之前的X射线12的光路中并且通过大型X射线成像探测器4的输入面在双箭头26的方向上移动。通过电缆27或通过无线的接口可以将小型PCI探测器25连接在X射线系统上。
为了小型PCI探测器25能够实现更高的位置分辨率，它具有比按面积更大的X射线成像探测器4更小的像素。
在另一种按本发明的实施形式中，小型PCI探测器25可以设计成量子计数探测器，以便以这种方式实现确定探测到的X射线量子的能量。
在图6中所示的备选实施形式中，光栅G1和G2的仅一个单元28引入相干的X射线12的光路中并且直接布置在更大的X射线成像探测器4的前方。在此，更大的X射线成像探测器4通过其面积用作吸收探测器；仅在由光栅G1和G2遮盖的区域内，X射线成像探测器4用作相衬探测器。
对于PCI探测器25或光栅G1和G2的单元28按图5或图6的布置存在的问题是，所使用光栅17(G1)和18(G2)的较大的高宽比需要光栅布置朝X射线源的管焦点11精确定向。这至少在手动放置小型PCI-探测器25时几乎不可能。因此，按本发明提供一种设备，该设备使小型PCI探测器25或光栅17(G1)和18(G2)能够朝管焦点11定向。图7示出布置在大型吸收衬度X射线成像探测器4上的小型相衬探测器25。在PCI探测器25上安设致动器29，该致动器29能够实现PCI探测器25在两个空间方向(相对PCI探测器25的纵向和横向)上的斜度30。致动器29在此有利地布置在PCI探测器25的角上。
为了实现倾斜30期望的自由度，需要至少三个致动器29。在图7中所示的布置中提供四个致动器29。
为了将PCI探测器25按本发明朝X射线源的管焦点11定向，操作测量系统，借助该操作系统可以确定何时达到正确的斜度30。因为相衬布置以已知的方式的失调导致拍摄到的X射线照片强的光晕31，如在图8中所示，所以朝图像边缘示出阴影。该光晕31现在应当用于实现正确定向。致动器29应当这样操作，使得观察到的或测得的光晕31最小。
另一种确定PCI探测器25的正确定向的可能性是光学的方法。借助激光或通过光学导航系统(例如Northern Digital Inc.(www.ndigital.com)公司的Polaris)测量PCI探测器25和X射线发射器3的精确的位置和定向。由此算出PCI探测器25必须被致动器29移动多少才能达到需要的斜度30。
小型PCI探测器25或光栅17(G1)和18(G2)可以布置在固定的位置上。但它们也可以固定在移动设备(未示出)上，以便它可以手动地和/或电机驱动地例如从相干X射线12的光路外部的停止位置移动到X射线成像探测器4之前的任意位置中。该位置由患者的解剖结构，感兴趣区域(ROI)的特别关注的细节确定。
按本发明的布置基于的思想是，省掉用光栅G1和G2对整个辐射敏感的、X射线成像探测器4的输入面的遮盖。而按泰伯-劳方法的相衬成像仅应用在更小的面积上。该更小的面积应当这样地布置在患者后方以便相衬成像，使得可以由患者的解剖结构的关注的细节制作相衬图像和暗场图像。
尤其是，使用在该更小面积上的探测器可以具有比整个探测器输入面更高的位置分辨率，因为已知，在按泰伯-劳方法的相衬成像中，衬度/噪音比随着位置分辨率的提高而显著改善。
附加地，可以为该更小的探测器使用量子计数探测器，该量子计数探测器的优点是，在X射线剂量少时不产生噪音并且附加地实现对探测到的X射线的能谱的确定。
按本发明的步骤在于，将相衬成像的区域限定为与射线成像相关的区域的一部分。传统的基于X射线吸收的成像在更大的面积上实现，而按本发明的相衬成像限制在具有较高分辨率的特别关注的区域上。
虽然例如从DE19524858A1中已知这些布置，所述布置例如能够在探测面的一部分上实现更高的位置分辨率。上述的X射线图像产生系统限定为，在X射线成像探测器的分区上通过不同的子探测器实现更高的位置分辨率，而按本发明在传统的X射线成像探测器4的分区上实现完全新式的成像方式，即，相衬成像。
因为光栅G0，G1和G2是对于按泰伯-劳方法的相衬成像重要的成本因素，所以具有按本发明的布置的用于相衬成像系统的制造成本明显更低廉。
此外，通过量子计数的高分辨率的PCI探测器25可以实现更好的衬度/噪音比，而不必在具有这样高的分辨率的大面积上实现耗费的X射线成像探测器4。
Claims (19)
1.一种用于对检查对象(6)进行微分相衬成像的X射线拍摄系统，该X射线拍摄系统具有：至少一个用于产生准相干的X射线(12)的X射线发射器(3)；带有辐射敏感的、对射线成像有效的输入面的和布置成阵列的像素的X射线成像探测器(4)；布置在所述检查对象(6)与所述X射线成像探测器(4)之间的衍射或相位光栅(17)、为所述衍射或相位光栅(17)对应配设的检偏器光栅(18)和用于控制X射线成像探测器(4)且接收以及处理所述X射线成像探测器(4)的图像信号的图像系统(8)，其特征在于，所述衍射或相位光栅(17)和所述检偏器光栅(18)的尺寸为，使得它们遮盖X射线成像探测器(4)的输入面的仅一部分，所述图像系统(8)构造为，使得读出并处理所述X射线成像探测器(4)的输入面的、由所述衍射或相位光栅(17)和检偏器光栅(18)遮盖的部分作为用于相衬成像的部分区域并且读出并且处理所述X射线成像探测器(4)的其余区域以便基于吸收X射线的成像。
2.按权利要求1所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述衍射或相位光栅(17)和所述检偏器光栅(18)可移动地布置成，使得它们能引入所述X射线(12)的光路中和/或通过所述X射线成像探测器(4)的成像的输入面能定位在不同的部分区域上。
3.按权利要求1或2所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述衍射或相位光栅(17)和所述检偏器光栅(18)能作为一个单元共同地在所述X射线成像探测器(4)之前直接引入或定位。
4.按权利要求1或2所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述X射线成像探测器(4)的部分区域具有比其余区域更高的分辨率。
5.按权利要求1或2所述的X射线拍摄系统，其特征在于，PCI探测器(25)作为用于相衬成像的X射线成像探测器能在用于吸收成像的X射线成像探测器(4)之前引入所述X射线(12)的光路，所述PCI探测器(25)具有与所述衍射或相位光栅(17)和检偏器光栅(18)相似的尺寸。
6.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述PCI-探测器(25)和所述衍射或相位光栅(17)和检偏器光栅(18)的尺寸为5cm×5cm。
7.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述衍射或相位光栅(17)、检偏器光栅(18)和所述PCI探测器(25)能手动地和/或电机驱动地共同地引入所述光路(12)或定位。
8.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述PCI探测器(25)与所述衍射或相位光栅(17)和所述检偏器光栅(18)在结构上连接。
9.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述PCI探测器(25)通过电缆(27)和/或通过无线的接口与所述图像系统(8)连接。
10.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述PCI探测器(25)按面积具有比更大的X射线成像探测器(4)更小的像素，以便能实现更高的位置分辨率。
11.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述PCI探测器(25)设计成量子计数探测器。
12.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，为所述衍射或相位光栅(17)、所述检偏器光栅(18)和/或所述PCI探测器(25)配设有允许所述衍射或相位光栅(17)和检偏器光栅(18)和/或所述PCI探测器(25)朝所述X射线发射器(3)的管焦点(11)定向的设备。
13.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，在所述PCI探测器(25)上安设致动器(29)，其能够实现所述PCI探测器(25)在两个空间方向上倾斜(30)。
14.按权利要求13所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述致动器(29)布置在所述PCI探测器(25)的角上。
15.按权利要求13所述的X射线拍摄系统，其特征在于，设置至少三个致动器(29)。
16.按权利要求13所述的X射线拍摄系统，其特征在于，设置测量系统，该测量系统检测是否达到正确的斜度(30)或定向。
17.按权利要求16所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述测量系统检测拍摄到的X射线照片中的光晕，该测量系统为正确定向这样地操作所述致动器(29)，使得观察到的光晕(31)最小。
18.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述PCI探测器(25)和/或所述衍射或相位光栅(17)和检偏器光栅(18)的正确定向借助光学方法实现。
19.按权利要求5所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述PCI探测器(25)和/或所述衍射或相位光栅(17)和检偏器光栅(18)的正确定向根据借助激光或光学导航系统的测量实现。
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