CN104869905B

CN104869905B - 基于微分相衬成像的医疗放射照相光栅

Info

Publication number: CN104869905B
Application number: CN201380067294.3A
Authority: CN
Inventors: P.巴图林; M.E.谢菲尔
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2019-08-06
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: WO2014100063A1; JP6411364B2; EP2934320A1; JP2016501630A; EP2934320B1; CN104869905A

Abstract

本发明公开用于获得相衬数字放射照相成像系统及其使用方法的方法和装置的实施方案，所述系统可包括：用于放射照相成像的x射线源；包括瞄准仪和源光栅的射束成形组件、包括相位光栅和分析光栅的x射线光栅干涉仪；和x射线检测器，其中所述射束成形组件、所述x射线光栅干涉仪和所述检测器位置的单一布置被配置用于提供光谱信息(例如，以不同的相对射束能量获得的至少两个图像)。

Description

基于微分相衬成像的医疗放射照相光栅

技术领域

本申请总体上涉及数字x射线成像方法/系统，并且更具体地涉及使用光栅基微分相衬成像技术来获取目标的多个图像信息(例如，医学放射照相成像)的方法和/或系统。

发明背景

常规的医学x射线成像设备是基于x射线穿透待成像目标时的光电吸收衰减。然而，对于吸收性较低的软组织(包括血管、软骨、肺和乳房组织)而言，这提供了与骨骼图像比较不良的衬度。软组织中的此低衬度问题可用相衬成像(PCI)技术来解决。

PCI的原理是基于x射线的波特性，其中需要考虑折射和衍射性质。作为电磁波，x射线通常通过其频率、振幅和相位来表征。当电磁波穿透介质时，其振幅衰减且其相位发生移动。在x射线技术中，材料的折射率n可由复数表达

n＝1-δ+iβ (1)

虚数部分β构成振幅的衰减而实数部分δ负责相移。已证实δ为β的约10³倍到10⁴倍。但在常规医学成像中，仅记录β的信息而δ的信息完全丢失。近年来，开发了若干PCI技术来利用相移形成图像，预期其提供关于目标的更多信息。此外，如果实现光谱成像技术，则可改善诊断能力。迄今为止，光谱成像(其意指在x射线光谱的不同平均能量下的x射线获得(例如双能量技术))已经主要用于常规吸收类型的成像中。

发明概述

本申请的一个方面是推进医疗放射照相成像领域。

本申请的另一方面是整体或部分地解决相关领域的至少前述和其它缺点。

本申请的另一方面是整体或部分地提供至少本文描述的优点。

本申请的另一方面是提供用于数字放射照相医学成像的方法和/或装置实施方案。本申请的另一方面是提供可实现光谱成像的相衬成像方法和/或装置实施方案。本申请的另一方面是提供可在单个平面或位置上提供能量分辨检测器并且通过单次x射线曝光收集针对两种不同平均能量的图像的方法和/或装置实施方案。本申请的另一方面是提供用于失谐的多能量狭缝扫描相衬成像的方法和/或装置实施方案，其用于大视野(FOV)(例如，大于100平方毫米)放射照相医学成像。

根据一个实施方案，本发明可提供一种数字放射照相(DR)相衬成像(PCI)系统，其可包括：用于放射照相成像的x射线源；包括源光栅G0的射束成形组件；以及包括相位光栅G1和分析光栅G2的x射线光栅干涉仪，其中射束成形组件、x射线光栅干涉仪和检测器位置的单一布置被配置用于提供以不同的相对射束能量获得的至少两个图像。

根据一个实施方案，本发明可提供一种方法，其可包括：提供用于放射照相成像的x射线发生器；提供射束成形组件，其包括射束限制装置和源光栅G0；提供x射线光栅干涉仪，其包括相位光栅G1和分析光栅G2；相对于由相位光栅G1在距离相位光栅G1规定距离处产生的干涉图案的间距来偏移分析光栅G2的间距；并且一旦其中射束成形组件、x射线光栅干涉仪和检测器的位置的布置在扫描期间不改变，则通过扫描x射线光栅干涉仪和能量分辨检测器来生成在不同的相对射束能量下获得的至少两个图像。

这些目的仅通过说明性实例来给出，且这些目的可以是本发明的一个或多个实施方案的实例。由本发明固有实现的其它所需目的和优点对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。本发明由所附权利要求限定。

附图简述

从附图所图示的本发明实施方案的以下更特定描述，本发明的以上和其它目的、特征和优点将是显而易见的。附图的元件未必相对于彼此按比例绘制。

图1是示出根据本申请的扫描狭缝相衬数字乳房X线照相成像系统的一个示例性实施方案的侧视图的图。

图2是示出如图1中所示狭缝扫描光栅基相衬数字乳房X线照相成像系统的一个示例性实施方案的功能框图的图。

图3是示出根据本申请的狭缝扫描光栅基相衬数字乳房X线照相成像系统的一个示例性实施方案的图。

图4是示出根据本申请的狭缝扫描光栅基相衬数字乳房X线照相成像系统的另一示例性实施方案的图。

图5是示出根据本申请的窄长光栅(例如，通过将两个或更多个光栅邻接在一起而形成)的一个实施方案的图。

图6A是示出示例性三光栅相衬成像系统的示意图的图，且图6B是示出另一示例性三光栅相衬成像系统的示意图的图。

图7是示出当沿着x_g扫描光栅之一(例如G2)时一个检测器像素(i,j)的强度变化和对应的傅里叶级数系数的图。

图8是示出根据本申请的用于操作狭缝扫描光栅基相衬数字乳房X线照相成像系统的方法实施方案的流程图。

图9是示出根据本申请的用于操作狭缝扫描光栅基相衬数字乳房X线照相成像系统的另一方法实施方案的流程图。

图10A至图10C是示出根据本申请的另一狭缝扫描光栅基相位PCI系统实施方案的示意性侧视图、正视图和透视图的图。

图11是图示了调谐相衬数字成像系统的示例性实施方案和失谐相衬数字成像系统的示例性实施方案的示意图的图。

图12是图示了针对相衬数字成像系统实施方案的调谐和失谐构造在检测器平面中测量的开场图像的实例的图。

图13A是示出针对不同α斜率绘制的若干MTF的图，且图13B是示出作为MTF斜率α、50％MTF降低下的空间频率f0和系统失谐度Δf的函数的衬度下降百分比的图。

图14是图示了相衬成像系统实施方案的干涉仪相对于目标(或反之)的示例性移动的图。

图15是图示根据本申请的实施方案将目标的个别切片投射到在检测器平面中测量的一周期条纹图案上的示例性目标扫描示意图的图。

图16是示出根据本申请的实施方案的成像机构的示意图的图，所述机构检索被扫描目标(如三角形、圆形和正方形)的个别切片的强度曲线。

图17(a)至图17(b)是分别示出不同示例性材料的每个单位长度的线性衰减和相移的图。

图18是示出两种示例性材料之间的吸收(左轴)和相(右轴)衬度的图。

图19是示出不同厚度的压缩乳房的腺体组织与脂肪组织之间的信噪比的图。

图20(a)至图20(b)是示出根据本申请的布置在低吸收固定器上的具有相同间距p1和不同高度的三个G1光栅的实施方案的图。

图21是示出根据本申请的设置在分析光栅G2和检测器D前面的相位光栅G1阵列的示意图的图。

图22是示出能够成像x射线源的不同平均能量的可调DR PCI系统的实施方案的功能框图。

图23是示出根据本申请的用于操作狭缝扫描光栅基相衬数字乳房X线照相成像系统的方法实施方案的流程图。

图24是示出根据本申请的使用能量分辨检测器的另一光栅基PCI系统实施方案的图。

图25A至图25B是分别示出平面单能波和平面多能波的塔尔博特量子毯(Talbotquantum carpet)的图。

图26是示出分别在单能和多能x射线束的每个z位置的预期周期图案与当前干涉图案之间的相关性的图。

图27是示出第一和第二能量仓的平面多能波的塔尔博特量子毯的图。

图28是示出(左)能量仓1和2的预期干涉图案与当前干涉图案之间的相关性；(右)在两个能量仓上以约相同计数分裂的单一kVp光谱的图。

图29是示出根据本申请的实施方案的第一和第二能量仓的平面多能波的塔尔博特量子毯的图，所述能量仓经改良以获得相等的一阶第一塔尔博特距离。

图30是示出根据本申请的实施方案的在两个能量仓上通过多重滤光片分裂的的单个kVp x射线光谱的图。

图31是根据本申请的实施方案的用于单个kVp光谱的两个能量仓的预期干涉图案与当前干涉图案之间的相关性的图。

图32是示出根据本申请的实施方案的用于两次x射线曝光的示例性光谱的图。

图33A至图33B是分别示出根据本申请的实施方案的具有由G1光栅结构引起的相移(右轴)和由相移引起的相衬(右轴)的归一化x射线光谱的叠加图的图。

图34是示出对于能量分辨检测器而言的单个双峰值x射线光谱(左轴)和相衬(右轴)的叠加图的图。第一和第二能量仓之间的能量阈值由虚线表示，而每个仓的平均能量用点断虚线示出。

示例性实施方案描述

以下是根据本申请的示例性实施方案同时参考附图的详细描述，其中在多个附图的每个图总，相同的参考数字指示相同的结构元件。

为了可用于临床成像，相衬成像系统必须满足各种要求，包括：(i)使用标准宽带x射线源；(ii)数厘米的大视野(FOV)(例如，对于典型乳房X线照相系统而言是24cm×30cm)；(iii)与当前放射照相成像系统相当的合理紧凑型设计(例如，对于典型乳房X线照相系统而言，源到检测器的距离为约65cm)；和/或(iv)合理曝光时间和剂量(例如，对于典型乳房X线照相系统而言平均曝光为约5mR)。

1.系统构造

图1是示出根据本申请的狭缝扫描相衬成像系统的示例性实施方案的图。如图1中所示，狭缝扫描相衬数字成像系统100的透视图可用于乳房X线照相。系统100可包括：用于乳房X线照相成像的常规x射线管110；包括滤光片或可调谐单色仪B、瞄准仪C和源光栅G0的射束成形组件120；包括相位光栅G1和分析光栅G2的x射线光栅干涉仪130；和x射线检测器140。滤光片或可调谐单色仪B可设置于瞄准仪C之后。三个光栅(例如G0、G1和G2)可以使得三个光栅的平面和光栅条相互平行的方式对齐。目标150(例如乳房)可由支撑板152支撑且被可移动和调整(例如垂直)的压缩叶片154压缩。

图2是示出狭缝扫描相衬成像系统的示例性实施方案的功能框图。图2示出用于乳房X线照相的成像系统100的功能框图。

如图1中所示，x射线管110、射束成形组件120、光栅干涉仪130和检测器140可按规定的三维关系移向放射源。例如，x射线管110、射束成形组件120、光栅干涉仪130和检测器140可附接到摇臂160。摇臂160可绕着与x射线管110的焦点共轴的轴枢转。x射线管110可相对于水平臂延伸部成一定的角度安装以照射关注区域。可通过瞄准仪将x射线束C瞄准覆盖干涉仪130(例如光栅)和检测器140的活性区域的狭窄扇形(例如，约24cm长和1cm宽)。x射线管110的入射束可略微宽于检测器140和/干涉仪130以减少由于在目标扫描期间检测器140的边缘无法始终与瞄准仪C完全对齐所导致的检测器移动缺陷。

2.系统部件

图3是示出根据本申请的狭缝扫描相衬数字乳房X线照相成像系统的部件的示例性实施方案的截面图示的图。图4是示出根据本申请的狭缝扫描相衬数字乳房X线照相成像系统的部件的另一示例性实施方案的图。图3的成像系统与图4的成像系统之间的一个不同点在于图4中的光栅(例如三个光栅G0、G1和G2)的光栅条的取向平行于摇臂160的扫描方向(例如x射线扇束)，而不是图3中垂直于摇臂160的扫描方向。

(a)X射线源

如图1中所示，x射线源110可以是常规x射线源。例如，x射线源110可以是用于乳房X线照相成像的多色x射线管。在这个实例中，x射线源110可具有由钨(W)、钼(Mo)、铑(Rh)或重元素材料的合金制成的旋转阳极。焦点面积可介于0.01mm²与1.0mm²之间。

(b)滤光片和单色仪

除了与x射线管110关联的固有过滤之外，额外过滤(例如，通过滤光片B)可任选地用来从光谱学上将x射线束成形成窄带宽射束，以减少或消除大部分由患者吸收且增大检查期非直接收的辐射剂量的的不必要的软x射线，和/或会降低图像质量的硬x射线。示例性典型滤光片材料是铝(Al)、钼(Mo)、铑(Rh)、银(Ag)和其它金属。

或者，滤光片B可以是可调谐单色x射线滤光片，其可与发散多色x射线源联用来产生具有集中在具有1至3keV带宽的可选择能量的窄光谱的单色x射线。

(c)光栅

如图1中所示，成像系统100可包括三个光栅。在一个实施方案中，源光栅G0可具有吸收金条，相位光栅G1可由硅制成，且分析光栅G2可由吸收金条制成。然而，可使用本领域的技术人员已知的其它材料。源光栅G0可靠近x射线源110放置。第二光栅G1和第三光栅G2之间可具有固定的距离，例如机械耦接在一起、机电连接或刚性地耦接在一起。类似地，源光栅G0和干涉仪130可耦接成在其间具有可变但已知的距离。

源光栅G0可允许使用大型不相干x射线源作为x射线源110，因为源光栅G0可创建可各自为干涉衬度提供充分空间相干性的个别线源的阵列。可将由生成线源的源光栅G0创建的图像全等叠加在检测器140的检测器平面上，从而获得强度增益(例如可控干涉)。

相位光栅G1可作为分束器操作且将入射束本质上分成±1次衍射级。这两个±1次衍射束可相干涉并通过塔尔博特自成像效应在第二光栅G2的平面中形成周期性干涉图案。当将目标插入x射线束路径中时，条纹图案的位置将变化。由于条纹位置微米级的变化无法用常见检测器测定，所以可将分析第二光栅G2放置在离相位第一光栅G1的特定塔尔博特距离处，使得用相步进技术将条纹位置转换成直接位于第二光栅G2之后的检测器140上的强度调制。

当源光栅G0靠近x射线源110和瞄准仪C，布置时，因为与x射线扇形对向的角度小，所以源光栅G0的尺寸可较小(例如，约1cm×0.5cm)。对于示例性(例如，乳房X线照相)应用，FOV可以是24cm×30cm。由于目标位于靠近由光栅G1和G2形成的干涉仪，所以这些光栅的尺寸应匹配FOV。考虑到当前标准照相平版印刷技术，可重复地制造具有高或充分产率和可接受均一性的大面积光栅G1和G2(例如24cm×30cm)并不容易。为了解决这个制造问题，标准6英寸或8英寸硅晶片可用来制造8cm×8cm正方形内的多个小光栅(例如，每个的面积是8cm×1cm)。通过将三件小光栅邻接在一起，可重复获得具可接受均匀性的窄长光栅(例如24cm×1cm)。

图5是示出根据本申请的窄长光栅(例如，通过将两个或更多个小光栅邻接在一起而形成)的实施方案的图。如图5中所示，G1光栅或G2光栅的一个实施方案可使用标准硅晶片形成。在一个实施方案中，标准的8”晶片可用来提供窄长光栅G1和G2。

图6A是示出示例性三光栅相衬成像系统(例如，干涉仪)的示意图的图。如图6中所示，使用了三个光栅，即，具有吸收金条的源光栅G0、由硅制成的相位光栅(或分束器)G1和具有吸收金条的分析光栅G2。光栅是使用标准照相平版印刷技术由硅晶片制成且随后用金(G0和G2)电镀来填充凹槽。由G1和G2形成干涉仪。这三个光栅的平面和光栅条相互平行。

源光栅G0允许使用大型不相干x射线源，因为其创建各自为干涉仪衬度提供充足空间相干性的个别线源的阵列。由每个线源创建的图像全等叠加在检测器平面上，从而获得强度增益。。相位光栅G1用作分束器且本质上将入射束分成两个一次衍射级，所述衍射级相干涉且在垂直于光轴(z)的平面上形成周期性条纹图案。基于塔尔博特效应，所述周期性条纹图案(称为相位光栅G1的自像)将在G1之后的第一塔尔博特距离d₁处具有其最高衬度。假设x射线穿过G1光栅条而发生的相移为π，则第一塔尔博特距离由以下公式给出

其中p₁是G1的周期且λ是x射线的平面波波长。放置在距G1距离为d₁处的分析光栅G2平面上的条纹图案(p₂)的周期为约G1周期的一半。分析光栅G2具有大致上相同的条纹图案周期(p₂)。

当目标放置在射束路径中时，入射x射线的波前会因目标而局部形变。当波前形变时，由相位光栅G1形成的条纹从其未扰动位置移位。通过放置在距相位光栅G1为d₁的距离处的分析光栅G2将条纹移位转变为强度变化。这允许被直接放置在分析光栅G2之后的x射线检测器使用相比于条纹的间隔要大得多的像素。使用相步进技术，扫描光栅之一在光栅(此处是分析光栅G2)的一个周期内的的横向位置x_g导致记录在每个像素的信号作为x_g的函数振荡，如图7中所示。图7是示出当沿着x_g扫描光栅之一(例如G2)时一个检测器像素(i,j)的强度变化和对应的傅里叶级数系数a、b和φ的图。每个像素中振荡的相位φ是波前相位梯度的量度，同时在光栅扫描内在每个像素中的平均检测器信号a相当于常规吸收图像。因此，可通过沿方向x的单次一维积分检索目标的总相移。

图6B是示出另一示例性三光栅相衬成像系统的示意图的图。如图6B中所示，三光栅PCI系统可包括固定G0、G1和G2光栅且可将待成像的目标相对于固定G0、G1和G2光栅移动(例如，跨过)。在图6B中，F是任选额外过滤且C是任选瞄准仪或射束成形装置。

(d)检测器

对于检测器140，可使用非直接或直接平板x射线检测器。非直接平板检测器可包括由CsI、Gd₂O₂S或其它闪烁磷光体制成的闪烁体层，其与光二极管(例如，a-Si光二极管)阵列和开关(例如薄膜电晶体(TFT)开关)耦接。闪烁体层的厚度可介于80um与600um之间。检测器的像素间距的范围在20um到200um。另一方面，直接检测器可包括光导体(如非晶硒(a-Se)或PbI₂)来在检测到x射线时产生电荷。电磁辐射检测过程被认为是直接的，因为图像信息从x射线直接转移到电荷而没有中间阶段。

作为平板检测器的替代，基于电荷随耦装置(CCD)的x射线检测器可用作为检测器140。例如，基于CCD的x射线检测器可包括闪烁屏。

对于狭缝扫描系统，优选按照时间延迟积分(TDI)模式操作的拼接CCD检测器阵列，使得在每次扫描期间能够实施连续扫描动作和x射线照射。所述检测器阵列可通过将两个或更多个CCD装置拼接在一起来形成且可耦接到闪烁体层和光纤板(FOP)。FOP用来保护CCD阵列免受辐射损坏。

具有与像素宽度相当的射束宽度的狭缝扫描系统将需要极高的管输出。CCD的TDI操作模式可允许使用显著更宽的射束。检测到的x射线首先通过闪烁体层转变成光子。随后光子通过FOP传输到CCD，在CCD中响应于当x射线吸收时发射自闪烁体的光产生电子。通过使电荷与扫描动作同步(例如，在相同速度下)但沿相反方向逐个像素地移动跨过CCD宽度(例如，列)，TDI模式可实现跨过CCD宽度的x射线整合同时维持像素分辨率。当电荷到达CCD的最后一行时，读出积聚的电荷并数字化。例如，检测器阵列可包括四个CCD，每个具有的尺寸是6cm×1cm，沿着其窄尺寸邻接而形成窄长检测器(例如，24cm×1cm)。再者，典型的像素尺寸介于20um与200um之间。

作为平板检测器的另一替代，还可将使用雪崩放大方法的线性光子计数气体检测器用作用作为检测器140。除了将气体检测器用于光子计数技术外，还可将晶形Si、CdTe和CdZnTe可用于直接转换光子计数检测器。

这种示例性的单光子计数检测技术可将检测器140中的噪声与真实x射线光子相互作用区别开来。通过计数高于预定阈值的信号，实现了单x射线光子的无电噪声且高效计数。当这种检测器类型用于根据本申请的实施方案的狭缝扫描系统中时，与积分检测器(诸如直接和非直接平板检测器和CCD装置)比较，患者剂量和散射辐射显著降低且/或图像质量的衬度和空间分辨率获得可观提高。

3.系统和光栅参数的选择

示例性实施方案中的光栅参数和几何系统参数的选择会受限于x射线源的选择、光栅制造方法的限制、系统尺寸的实用性、系统性能要求和物理定律的约束。总之，对于球形x射线波而言，系统参数和光栅参数应满足以下方程。

1.空间相干性要求

2.光栅的周期

3.相位光栅要求

硅相位光栅G1的结构高度必须使得x射线穿过发生规定相移或相移π(举实例)的光栅条，这导致射束分裂成±1次衍射级。

而且，光栅G0和G2的结构高度应足够大以针对所选或最优的系统性能提供充分x射线吸收率(例如＞75％)。

4.塔尔博特自成像条件

方程(3)到(7)中示出的参数如下。

＝相干长度

λ＝x射线辐射的平均波长

L＝G0与G1之间的距离

s＝G0的狭缝宽度

n＝整数(塔尔博特次数)

d_n＝G1与G2之间的塔尔博特距离

p₀＝G0的周期

p₁＝G1的周期

p₂＝G2的周期

h₀＝G0的结构高度

h₁＝G1的结构高度

h₂＝G2的结构高度

δ_Si＝硅的折射率衰减

首先基于系统要求和光栅制造的限制选择n、p₂、λ和L，随后可确定其它参数，即s、p₀、p₁、h₁、h₂、h₃和d_n。举例而言，表1列举了关于狭缝扫描相衬数字乳房X线照相系统的实施方案的示例性系统设计参数和光栅参数。

表1

4.示例性系统操作

图8是示出操作狭缝扫描相衬数字成像系统的方法的实施方案的流程图。图8的示例性方法实施方案将使用图1和图3中所示的系统实施方案进行描述且可通过其实现，然而所述方法并非意欲受限于此。

如图8中所示，在方法开始后，初始化检测器以备曝光且将分析光栅G2移动到规定位置和初始位置(操作块810)。随后，对于乳房X线照相医学图像，乳房可被压缩(例如，提高图像质量)(操作块820)。摇臂160被设置成起始或初始位置(操作块830)。因此，块830可定位x射线管110、射束成形组件120、x射线光栅干涉仪130和可刚性安装到摇臂160的x射线检测器140。当摇臂160沿覆盖目标的宽度(例如，约30cm)的弧形类似于钟摆般转动时，x射线束可以扫过目标，如图3中所示。当x射线束完成完全扫过目标时，由检测器140记录的图像数据可被读出且存储在计算机的存储器单元中(例如，在狭缝扫描相衬数字成像系统中或在具有处理器、显示器和存储器的无线耦接控制台。在一个实施方案中，检测器是基于窄长CCD的检测器可按照时间延迟积分(TDI)模式操作用于信号检测。随后，在操作块850中确定图像序列是否完整(例如，已经捕捉了N个图像)。当块850中确定为否定时，利用相步进技术(举例而言)，分析光栅G2(例如，安装在压电平移台上)随后横向移动预定距离(步)，然后开始下一次x射线束扫描(操作块860)且方法跳回块830，此时摇臂160返回到初始扫描前位置或原位置(或沿转动方向逆行)以准备下一次的图像序列扫描。

当块850中确定为肯定时，因为完成了预定次扫描循环N(例如，一般为5到8次)和步进，所以可以提取图像数据，处理和显示在监测器上(操作块870、880、890)。例如，可通过计算机的图像处理单元处理相同图像数据集以构建目标的多个图像，包括如本文描述的吸收衬度、微分衬度、相移衬度和暗场图像。

这些吸收衬度、微分衬度、相移衬度和暗场图像彼此互补，从而可提供使目标中的微妙细节直观化所必需的特异性。

存在实现图8的方法实施方案中描述的相步进的交替方式。示例性交替相步进实现方案包括但不限于：(i)在垂直于光轴和G1的光栅条两者的方向移动光栅G1(而不是G2)；(ii)使G1和G2成某一角度围绕沿光栅条取向的轴一起转动(例如，将两个光栅保持在相互对齐位置或通过机械方式固定在一起)；或(iii)使x射线源沿垂直于光轴和光栅的光栅条两者的方向移动。可以将这些例示性交替相步进实现方式实现于图3中所示的例示性摇臂160构造上。

图9是示出操作狭缝扫描相衬数字成像系统的方法的实施方案的流程图。图9的示例性方法实施方案将使用图1和图3至图4中所示的系统实施方案进行描述且可通过其实现，然而所述方法并非意欲受限于此。

图9示出系统操作的另一“步-颤振-步”模式，其中摇臂可采取逐步移动的方式扫过目标。每步的距离可以约为检测器的宽度。在摇臂的每个位置，可利用上述相步进技术(例如，使分析光栅G2移动p₂/N)实施一系列x射线曝光/图像捕捉操作(例如，捕捉N个图像)。随后，摇臂移动到下一个步进位置且实施另一系列x射线曝光/图像捕捉操作直至摇臂步进通过并且完成整个目标扫描。随后，提取原始图像数据集、处理和显示在监测器上。或者，当摇臂步进通过整个目标时，可在每“步”的结束时提取原始图像数据子集，且可处理捕捉的原始图像并同时或在最后一步完成时显示于监测器上。

如图9中所示，在方法开始后，检测器被初始化来为曝光做准备且分析光栅G2移动到规定位置和初始位置(操作块910)。随后，可定位目标或对于乳房X射线照相医学图像而言，可压缩乳房(例如，提高图像质量)(操作块920)。摇臂160被设置成起始或初始位置(操作块930)。

随后，使摇臂160步进到当前步位置(操作块933)，发射x射线束以曝光并捕捉目标的一部分的图像(操作块940)。随后，在操作块945中确定那一步的图像序列是否完整(例如，已捕捉N个图像)。当块945中确定为否定时，利用相步进技术(举例而言)，分析光栅G2(例如，安装在压电平移台上)随后横向移动预定距离(例如，p₂/N，诸如2mm/8＝250nm)，且方法跳回块940，在此发射x射线束以曝光和捕捉目标的一部分的图像。

当块945中确定为肯定时，因为完成了预定次数的步进和扫描循环N(例如，通常是5到8)，图像数据集可被存储且可在操作块955中确定是否完成对整个目标的扫描。当块955中确定为否定时，使摇臂160步进到下一位置(操作块933)且可重复操作块940、操作块945和操作块950。当块955中确定为肯定时，因为已扫描整个目标，所以可提取图像数据集、处理和显示在监测器上(操作块960、965、970)。例如，可通过计算机的图像处理单元处理相同图像数据集以构建目标的多个图像，包括如本文所描述的吸收衬度、微分衬度、相移衬度和暗场图像。

5.图像信息和图像检索

目标不在合适位置时，x射线束穿过相位光栅G1并形成干涉条纹。将对象置于射束路径中后，入射x射线波前因对象而局部形变，导致x射线束角偏移：

在波前形变的情况下，三个条纹从其未扰动位置移位

D(x，y)＝d_n·α(x，y) (9)

通过放置在离相位光栅G1为d_n的距离处的分析光栅G2将条纹移位转变为强度值。可使用具有比条纹的间隔大得多的像素的二维检测器记录信号。扫描光栅之一(例如，分析光栅G2)的横向位置x_g导致在每个像素中记录的信号作为x_g的函数振荡。对于每个像素(i,j)，信号振荡曲线可由傅里叶级数表达，

(存在目标)

(不存在目标)

从方程(10)和(11)中可检索以下目标图像。透射图像由以下给出

微分相衬图像由以下给出

另外，可通过沿垂直于光栅条的像素方向进行简单一维积分获得目标的相移图像，例如，

另外，暗场图像是由被目标散射的较高角度的衍射强度来形成。关于目标散射力的信息包含在第一傅里叶振幅系数中，Is(i,j,x_g)的bs(i,j)。因此，暗场图像可由以下获得

这四个不同的目标图像可从同一数据集导出且可互补以提供目标的多种信息，使得能够使目标中的微妙细节直观化。

如本文描述，相衬数字成像系统和/或其使用方法可提供根据本申请的各种优点。狭缝扫描光栅基微分相衬系统和/或方法的实施方案可显著增强低吸收组织的衬度(例如，健康组织与疾病组织之间的衬度)，其可对乳房X线照相和矫形关节特别有用。狭缝扫描光栅基微分相衬系统和/或方法的实施方案可允许使用小光栅和检测器来生产大面积的图像。实施方案可在不使用栅格的情况下减少移动污迹、散射辐射和患者剂量。

狭缝扫描光栅基微分相衬系统和/或方法的实施方案可使用弯曲光栅和圆周地围绕源的检测器，其集中来实现更紧凑的系统并且减小或消除相位光栅的阴影效果和/或图像边缘区域中发生的分析光栅的扫描效果。

狭缝扫描的相衬数字成像系统和/或其使用方法的某些示例性实施方案可使用步-颤振-步的方式，例如见图8和图9，其中光栅之一、(相位光栅G1或分析光栅G2)可相对于另一个光栅步进。例如，当移动分析光栅G2，其中N是覆盖光栅G2的一个周期所需的步数(例如，使用压电平移台)，且光栅G2的横向尺寸为l_G2时；则扫描具有横向尺寸S的目标的扫描可使用或需要S/l_G2·N次x射线曝光。对于示例性S＝20cm的乳房以及在摇臂的每个位置(或切片)处对于1cm宽的G2光栅有8个相步进的情况，使用20/1·8＝160次x射线曝光来扫描整个目标。应注意S/l_G2·N可被视为是全扫描所需的足够或最小数目。为了适当地将切片缝合成整个目标的图像，会需要切片之间的略微重叠。

图8和图9中描述的示例性扫描实施方案都使摇臂或分析光栅G2在扫描目标的一个切片之后返回到其起始(例如初始)位置。虽然这些装置的精确定位(例如，平移压电驱动)可到达nm级，但在完成目标扫描后的多次前后移动可累积显著空间误差。为了减小或避免空间误差，优选在摇臂连续移动时使分析光栅尽可能少或不步进。还优选光栅G1与光栅G2的相对位置不变化(例如，无步进)且/或摇臂连续移动经过目标，其可缩短扫描时间。

为了在固定G1和G2光栅下实现摇臂的连续移动，相衬成像系统的示例性实施方案必然是失谐的。在一个示例性实施方案中，失谐的相衬成像系统可理解成其中分析光栅G2的间距p₂被有意控制或制造成不等于在相位光栅G1之后塔尔博特距离处的干涉图案的周期p_int的成像系统。在另一示例性实施方案中，失谐的相衬成像系统可理解成其中分析光栅G2的间距p₂被控制或制造成等于在相位光栅G1之后塔尔博特距离处的干涉图案的周期p_int，但分析光栅G2定位成远离对应的塔尔博特距离的成像系统。在某些示例性实施方案中，失谐的相衬成像系统可产生周期性的条纹图案，其中所述条纹图案存在于分析光栅G2宽度或宽度的一部分内。虽然在目标的完整或部分扫描中用于失谐光栅基PCI系统实施方案的曝光数目大致相同，但位置误差和/或扫描时间可相对于调谐的光栅基PCI系统减少。图11是图示了示例性谐和失谐相衬成像系统的概念的图。分析光栅G2和干涉图案可约为频率分别是f₂＝1/p₂和f_int＝1/p_int的余弦波。随后，由放置在分析光栅之后的检测器测量的信号是：

I_s＝MTF(f)·[cos(2πf_intx)·cos(2πf₂x)]＝

(16)

MTF(f)·[cos(2π(f_int+f₂)x)+cos(2π(f_int-f₂)x)]/2.

例如，MTF检测器的调制传递函数，可如下近似：MTF(f)＝0.5·erfc[αln(f/f₀)]，其中α是MTF曲线的斜率且f₀是MTF下降50％时的空间频率。在分析光栅间距p₂＝2um下的空间频率是500cyc/mm。当与相当大的干涉图案的频率相加时，所述频率加倍，例如f_int+f₂＝1000cyc/mm。非直接电荷积分检测器中f₀的示例性值通常可介于1cyc/mm与2cyc/mm之间，而在直接光子计数检测器的情况中f₀的值可达到5cyc/mm。即，检测器在1000cyc/mm将测量不到信号。因此，仅可检测到的信号是：

MTF(f)·cos(2π(f_int-f₂)x)/2 (17)

在调谐相衬成像系统(f_int＝f₂)的情况中，信号被增大或最大。当测量这种构造中的开场时，检测器产生均匀图像。在失谐相衬成像系统的情况中，检测的图像将具有由检测器的MTF引起的较低衬度的余弦图案。衬度的损失取决于系统如何强地失谐，即，Δf＝f_int-f₂。图12是图示了在用于相衬成像系统实施方案的调谐和失谐构造的检测器平面中测量的开场图像的实例的图。如图12中所示，用于调谐相衬成像系统实施方案的开场图像可跨过分析光栅G2产生不改变或平坦的开场图像。如图12中所示，举实例，图像的横向尺寸被选择成等于条纹图案的一个周期。在一个实施方案中，相衬成像系统Δf可<5％、<1％或<0.1％。

作为空间频率函数的检测器的响应是重要的。图13A示出了针对不同α斜率绘制的若干MTF(例如，见方程16)。具有较高斜率值的MTF对于低于半值频率的空间频率而言可具有较长平稳期(例如，下降较慢)。较高斜率常见于具有较优频率响应的检测器，例如与非直接检测器相比的直接转化光子计数检测器。对于非直接检测器而言，斜率α通常接近于1和更高，而半值频率的范围介于1.5cyc/mm与2cyc/mm之间。图13B示出了作为MTF斜率α和空间频率f₀函数的衬度下降的百分比。如所预期，对于较小Δf而言，相对于最大可能(例如，Δf＝0)的衬度下降较少。同样，图13中示出的曲线在较高f₀下(例如，对于具有较高量子效率的检测器)甚至更低。较高MTF斜率α可进一步降低衬度下降。MTF斜率α通常接近于1和更高。当根据图3实现PCI系统时，可基于Δf来选择G2光栅的宽度。如果G2的宽度被设置成等于测量的条纹图案的一个周期，则对于Δf＝0.20,0.10或0.05cyc/mm，G2的宽度可分别是0.5cm、1cm或2cm。如本文描述，为了避免光栅制造时的不均匀性，优选的是使分析光栅的宽度保持较小。因此，具有对应Δf＝0.1cyc/mm的1cm宽度可能最合适，但是本申请的实施方案并非意欲受限于此。另外，当G2的宽度不等于一个而是两个或更多个干涉衬度周期时，可使用其它尺寸。

与调谐相衬成像系统的实施方案对比，失谐系统的实施方案只能根据图3所示的示意图实现。在检测器平面中的条纹图案必须加以取向以使摇臂横向跨过所述图案。虽然图4中描绘的PCI实现方式适于调谐相衬成像系统，但其无法应用到失谐PCI系统。此外，在失谐PCI系统的实施方案中，分析光栅G2和检测器D可一起移动(例如使用附接的平移压电驱动)以使它们沿x射线束的方向(例如，z轴)同时移动，从而可调整检测器平面中条纹图案的频率(Δf)。

当选择的分析光栅G2宽度例如是1cm时，精确制作具有可在检测器平面上形成预期条纹图案频率(例如，0.1cyc/mm)的间距的光栅存在挑战。在一个实施方案中，当间距G2略微偏离预期或所选尺寸时，可通过使分析光栅G2沿射束轴(例如，轴z)相对于相位光栅G1移位来微调相差成像系统。通过使分析光栅G2沿射束轴移位，分析光栅G2可在由相位光栅G1形成干涉图案的不同z位置达到峰值。换句话说，在某些示例性实施方案中，干涉图案的不同频率f_int用来在检测器平面形成所需条纹图案。

如本文描述，在调谐相衬成像系统的实施方案中，相位检索算法将需要在分析光栅的不同横向位置处进行多次x射线曝光，其允许形成图7中所示的余弦形强度曲线。当相衬成像系统失谐时，检测器已经可测量余弦形条纹图案且不再需要光栅步进。相对地，在一些示例性实施方案中，光栅G1、光栅G2和检测器D可固定在一个相对位置且移动来使目标成像，例如附接到摇臂，且摇臂可连续移动经过固定的目标。或者，在一个实施方案中，摇臂可静止且目标可横向移动经过垂直于入射x射线的平面。图14是图示了用于相衬成像系统实施方案的干涉仪相对于目标或反之的示例性移动的图。图15是图示了将目标的个别切片投射到检测器平面中测量的条纹图案的一周期条纹图案上的目标扫描的示例性示意图的图。图14至图15中示出的三角形、圆形和正方形是指示例性目标的不同部分。当目标和具有固定G1、G2和D的摇臂相对于相互移动时，这些目标部分在随后时间段投射在条纹图案的不同横向位置上。之后，完成整个目标的扫描，目标每个单独部分(诸如三角形、圆形和正方形)在不同强度下被多次测量(例如N＝8)。换句话说，示例性形状(例如三角形、圆形和正方形)中的每一个将具有类似于图7中所示的强度曲线的其个别强度曲线。图16示出了针对目标的个别切片(例如三角形、圆形和正方形)形成的强度曲线的示意图。再者，本文描述的基于傅里叶的重新建构技术可应用于每个强度曲线来形成每个切片的传输、微分相位和暗场图像。随后，切片图案可组合或缝合在一起来形成整个目标的图像。

图2中针对协调PCI系统绘制的功能图还可应用于失谐PCI系统。然而，对于失谐PCI系统实施方案，不需要压电平移台，这是因为在失谐PCI配置中光栅不再步进。

如本文描述，相衬数字成像系统和/或其使用方法的实施方案可提供根据本申请的各种优点。光栅基微分相衬数字成像系统(例如乳房X线照相系统)涉及狭缝扫描光栅基PCI系统，其失谐来使用摇臂的连续移动，其中干涉仪装备(例如，相位光栅G1、分析光栅G2和检测器D)在摇动时固定到臂。DR PCI系统和/或方法的实施方案可基于目标或乳房的厚度来调整入射光子射束的能量(例如不同kVp值、曝光等级和/或滤光片)。在一个实施方案中，DR PCI系统可具有多个G1光栅，其具有相同间距，但Si结构的不同高度优选的是针对对应平均光子能量进行选择使得由各自G1光栅产生的相移提供所需或最大衬度(例如，π相移)。

例如，DR PCI系统和/或方法的实施方案可使用摇臂的连续移动来扫描具有大于检测器尺寸的FOV的目标。另外，光栅的几何参数被设置使得对于DR PCI系统和/或方法的实施方案而言干涉系统(即G1+G2+D)失谐(例如，在检测器平面中产生条纹图案)。有益地，不会引起相步进(例如，在扫描期间相对于光栅G1、G2或G0移动)。

DR PCI系统和/或方法的实施方案可使用不同能量的光子射束和/或不同曝光等级(例如，取决于乳房厚度)。例如，可使用多个不同的曝光等级或三个kVp设置(例如25kVp、30kVp和40kVp)，其中每个kVp设置会需要其自身相位光栅(例如，三个不同相位光栅可更换地安装在布置在相位光栅G1平面中的低吸收固定器上)。在一个实施方案中，每个相位光栅(例如G1)可具有相同间距但具有不同的相移Si结构的高度，因为相移取决于能量。在一个实施方案中，当x射线管的阳极材料改变时(例如，从W到Mo)，则G1光栅固定器可对应地更换成另一个光栅固定器来匹配新光谱的平均能量(例如，Si结构高度)。

再者，折射率可以复数表达，其中n＝1-δ+iβ。虚数部分β构成振幅的衰减而实数部分δ(折射率衰减)负责相移。当x射线穿过组织或目标时，衰减和相移可计算为：

对于具有密度ρ的化合物，折射率可以原子散射因子f₁和f₂表达：

其中r_e、N_a、λ和ρ分别是电子半径、阿佛加德罗数、光子波长和化合物的有效密度。汇总离子质量A_k的每个化学元素的相对浓度x_k，包括化合物。使用方程(17)，可示出δ大于β约10³倍到10⁴倍。例如，图17示出材料的每个单位长度的线性衰减和(例如，1cm)的相移，所述材料是且对乳房而言是常用的：脂肪组织、腺体组织、皮肤和20％的羟基磷灰石水为主的混合物(例如，其可表示钙化)。如图17中所示，相移明显高于吸收(例如，较少次数)。图18示出了两种材料之间的衬度的实例，所述材料是脂肪组织和皮肤，其具有十分相似的衰减曲线且其实际上可在标准吸收图像中无法分开。如图18中所示，材料线性衰减之差可在左侧绘制，而相位差可在右侧示出。用于相移的曲线明显高于用于吸收的曲线，且因此，从材料相移的图像应提供更好地材料区别。来自图17的吸收和相移曲线在表2中针对电子能量20keV、30keV和40keV列成表。此外，来自图18的示例性两种材料的吸收和相移差在表3中示出。

表2每个单位长度的材料衰减和相变

表3衰减和两种材料之间的相位差

在常规乳房X线照相中，x射线的曝光通常可取决于乳房厚度来改变。较薄的乳房可用较低kVp和较低电流(例如，针对x射线管)来成像，而较厚乳房需要较高能量的x射线来获得具有更好衬度的图像。图19示出了不同厚度的压缩乳房的作为光子能量的函数的腺体与脂肪的信噪比。具有三角形1902、星形1904和圆形1906的曲线分别对应于3cm、5cm和8cm的乳房厚度。同样，信噪比在两个像素之间进行评估，其中一个像素含有来自脂肪组织的x射线投影且另一像素对应于来自腺体组织的投影。实例中组织的厚度(例如靠近或邻近像素)相等。如图19中示出，所需光子能量或最佳光子能量(位于峰值的最大值)可针对较厚乳房而增大。因此，用于3cm乳房厚度的较高或最大SNR可涉及约18keV的光子能量，且用于8cm乳房厚度的较高或最大SNR可涉及约26keV的光子能量。再者，在假设像素包含纯腺体和纯脂肪组织的情况下计算曲线1902、1904、1906。然而，在乳房X线照相扫描中，会存在这两种组织之间的明显重叠。在这种情况中，所需参数(例如，对于增大的SNR)可改变。例如，当具有纯腺体组织的像素与混合有脂肪和腺体组织(假设，分别是10％和90％)的另一像素之间的衬度被测量或最大化时，对于3cm厚的乳房而言，所需或最佳能量可从18.3keV至19.5keV变化，对于5cm厚的乳房而言，可从21.8ke至23.4ke变化，对于8cm厚的乳房而言，可从25.8keV至27.7keV变化。在这种情况中，对于更厚的乳房而言，所需或最佳能量设置移向更高的能量。因此，在一个实施方案中，25kVp、30kVp和40kVp的x射线光谱可经过选择分别用于成像较薄、中等和较厚的乳房。所选x射线光谱的平均能量分别是21.7keV、23.3keV和28keV，其可对应于减掉最早的能量值。这些设置是示例性的且例如，成像参数可进一步被调整来满足信噪比性能参数。

如本文描述，PCI系统的几何形态是x射线能量的函数。当x射线束的平均能量改变时，例如光谱改变；本文的实施方案可改变G0光栅与G1之间的距离(例如L)以及G1与G2之间的距离(例如d)。此外，由相位光栅G1引起的相变量还应根据h＝λ/(2*σ)来改变(见方程(6)。在一个实施方案中，相位光栅G1中硅结构的高度(h)可根据h＝λ/(2*σ)来改变。表4中描述了x射线管上不同电压设置的示例性DR PCI系统参数。

表4不同电压设置的示例性系统参数

为了使用不同高度的相位光栅结构，其可针对本领域的技术人员所已知的其它材料由Si制成，可使用三个相位光栅的阵列。光栅阵列可具有相同间距，如图20(a)至图20(b)中示出。示例性的多个相位光栅G1可附接到由低吸收材料制成的固定器(例如梯子)。如图20(a)至图20(b)中所示，三个G1光栅的示例性高度可经过选择使得入射x射线优选地经受相移π。独立、耦接或整体式平移台可附接到固定器用于移动多个相位光栅G1阵列(例如在x方向上)。取决于乳房厚度，其可由压缩叶片测量，可选择适当的管电压且对应的G1光栅可放置成与干涉仪装置成直线，如图21中所示。图21示出布置在单一光栅G2和单一检测器D前方的光栅G1相位阵列的示意图。如图21中所示，平移台2120可呈规定3D移动(诸如x方向)移动光栅G1阵列和/或任选地移动固定器2110用于在多个相位光栅G1之间交换。

图20(a)中示出的光栅的生产(例如蚀刻过程)可能很难，因为光栅构造会需要三个独立的蚀刻过程。然而，Si层的初始高度和凹部(例如蚀刻)的深度可被控制使得相移Si结构的高度在规格内且留在蚀刻区域中的Si层的高度在多个G1光栅中是相同的。因此，多个光栅的实施方案可被同时蚀刻或蚀刻成整体结构。可使用单次蚀刻。如图20(b)中所示，替代多个光栅G1实施方案可使用单个Si梯，其可分裂成两个或更多个部分，其中每个部分可被单独蚀刻来形成具有大体一致的相应深度的沟槽。

图22是示出能够使不同源的不同平均能量成像的可调DR PCI系统的实施方案的功能框图。在典型应用中，计算机或用于获得、处理和存储图像数据的其它类型的专用逻辑处理器是DR PCI系统的一部分，连同用于查看图像结果的一个或多个显示器。还提供了计算机可存取存储器，其可以是用于较长期存储的非易失性存储器存储装置，诸如使用磁性、光学或其它数据存储介质的装置。此外，计算机易失性存储器可包括电子存储器，诸如用作为用于较短期数据存储的易失性存储器的随机存取存储器(RAM)，诸如用作为用于操作数据或与临时存储图像内容的显示装置结合用作为显示缓冲器的存储器，或用来存储计算机程序的存储器，所述计算机程序用于控制一个或多个计算机来实行根据本发明的方法和/系统实施方案。

如图22中所示，PCI成像系统可包括或耦接到计算机2210。受到计算机2210的控制，摇臂旋转马达可附接到摇臂2220，其可安装或固定x射线单元(I)和干涉仪单元(III)。x射线单元(I)可包括x射线管、滤光片、瞄准仪和源光栅G0，而干涉仪单元(III)可包括相位光栅G1、分析光栅G2和检测器D。目标可定位或放置在单元(II)中，所述单元可包括用于乳房X线照相或相似照相的压缩叶片和支撑板。全部三个单元(I、II和III)可由支撑结构支撑，诸如放置在内部的C形臂2220。例如，单元II可具有到C形臂的受控制或硬性连接件，而摇臂2222可相对于单元II移动x射线单元I和干涉仪III。因此，C形臂2220可旋转使得可采用乳房的不同示例性投影(例如头尾投影(CC)和侧斜位(MLO))。在一个实施方案中，当压缩叶片启动时，乳房厚度可由乳房厚度测量单元进行测量。随后，查找表(LUT)可用来下载对应的PCI几何形态，且平移台1、2和3提供必要的改变来基于LUT输出实现对应的PCI几何形态。平移台1可基于用来成像的x射线光谱交换相位光栅G1。平台2可调整分析光栅G2和检测器D相对于相位光栅G1的相对位置。分析光栅G2和检测器D可硬性地连接在一起或可具有额外平移台，其可调整其它之间的距离。平移台3可沿着射束传播轴(例如，z轴)移动干涉仪单元(III)。用户界面2230可允许操作人员使用计算机2210控制PCI系统2200。因此，用户界面2230可包括设置用于检查程序的参数的能力。连接到计算机2210的x射线管控制器可控制由x射线管的发射使其与摇臂2222的移动同步。由检测器D)输出的原始数据(或处理数据)可存储在数据存储单元2242中，接着由图像处理器2244处理且接着作为图像在显示器2246上显示给操作人员。在一个实施方案中，阳极和滤光片选择器单元2250可改变阳极材料和滤光片，例如从钨(W)到钼(Mo)阳极以及从铝(Al)滤光片到Mo或铷(Rd)。因此，阳极材料和/或滤光片材料可包括在LUT中。

在一个实施方案中，DR PCI系统可响应于一系列一次或多次诊断曝光的厚度确定和/或检查程序而针对x射线源的不同平均能量进行自动调整。因此，一旦目标厚度输入用于DR PCI系统，则至少包括相位光栅选项、相位光栅与检测器之间的第一距离以及相位光栅与源光栅之间的第二距离的构造可自动调整。随后，一旦DR PCI熊几何形态和/或构造对应于目标厚度，就可由操作人员或自动启动曝光。

图23是示出用于操作狭缝扫描相衬数字成像系统的一个方法实施方案的流程图。图23的示例性方法实施方案将参考图10A至图10C中所示的系统实施方案描述且可被实现，然而所述方法并非意欲受限于此。

如图23中所示，在方法开始后，可实施初始化(操作块2310)。示例性初始化可包括初始化检测器来为曝光做准备。随后，C形臂移动到具有所需投影(例如CC或MLO)的位置。另外，压缩被乳房，这对于乳房X线照相医学成像而言是必要的，且测量乳房厚度。取决于乳房厚度，可决定适当的PCI配置(操作块2320)。在一个实施方案中，PCI配置可从查找表(LUT)读出。响应于PCI配置，平移台1可将适当的相位光栅G1移动到位置，例如在连接G0、G1和D的x射线轨迹中心。随后，平移台2可将G2与D之间的距离d设置成等于第一塔尔博特距离，且G0与G1之间的距离L可由平移台3进行调整。在设置PCI几何形态之后，适当的kVp和mAs值被加载到x射线管控制器中。随后，摇臂被设置成“中立”位置，例如，摇臂可在C形臂内垂直对齐(操作块2330)。

在下一步骤中，可实施图像检索(操作块2340)。操作块2340可包括将摇臂设置到起始(初始)位置。在这个位置，目标主要部分的至少一部分在C形臂的视野(FOV)外。在一个实施方案中，在C形臂的初始FOV中可设置与目标没有重叠或略微重叠。随后，臂连续的移动跨过目标，其中x射线管与臂移动同步开始，且检测器可整合、输出和/或存储对应的图像数据。同步x射线曝光的次数可取决于目标的横向尺寸和图像重新建构所期望或需要的一个目标切片中的数据点N的数目(操作块2350中，否)。例如，一个目标切片的尺寸可等于条纹图案或检测器的宽度。

获得可继续直至摇臂完全处理目标FOV(操作块2350，是)。随后，可实施图像处理和/或显示(操作块2360)。图像处理可包括存取由检测器记录的数据(例如，存储在计算机的存储器单元中)。另外，数据被重新配置来形成每个目标切片的强度曲线。随后，可应用基于傅里叶的重新建构程序。因此，可确定和/或显示吸收、微分相位和暗场图像。另外，微分相位图像可被整合且相移图像可另外呈现给操作人员。

在一个实施方案中，数字放射照相(DR)相衬成像(PCI)系统可包括多个相位光栅G1，其可由不同或多种材料制成。例如，多个相位光栅G1可以是不同材料，其各对应于可切换x射线源的不同阳极材料(例如W或Mo)。或者，基于额外特性，诸如可蚀刻形或成本，多个相位光栅G1可以是不同材料。在一个实施方案中，多对光栅G1和G2或光栅G0、G1、G2组可针对不同x射线成像参数切换，诸如但不限于kVp设置，平均射束能量、目标尺寸、检查类型或其组合。因此，第一队光栅G1a、G2a可切换成第二对光栅G1b、G2b。或者，第一组光栅G0c、G1c、G2c可基于目标厚度或其它成像参数切换成第二组光栅G0d、G1d、G2d。

在一个实施方案中，数字放射照相(DR)相衬成像(PCI)系统可包括多个相位光栅G1，其可调整由此产生的干涉图案的周期频率(例如在分析光栅G2的位置)。因此，多个光栅G1可各具有不同各自间距。例如，一组多个相位光栅G1可在相对周期1x、2x和2.5x产生各自反射图案来与一个或多个分析光栅G2相互作用。

常规的基于单图像吸收的成像可提供骨骼状和软组织材料之间的相对良好衬度。然而，当成像目标包含具有类似吸收特性的材料时，可靠地材料微分会变得困难或不可能，这是因为这些材料之间的低相对衬度。材料微分限制可通过在每次曝光时使用不同平均能量的x射线束来使目标多次成像而解决。这种成像方式被称为光谱成像。光谱成像可使用取决于能量的各自吸收率来更容易地实施材料分解。

相衬成像系统和/或方法的实施方案可通过添加相移图像来解决或简化材料分解问题，其中材料之间的衬度大于吸收图像中可用的衬度。虽然具有相位和吸收信息可显著有助于材料微分，但多种材料(例如，尤其是两种以上)之间的区别仍是困难的。相衬成像系统和/或方法的实施方案可将光谱成像与衬度成像组合增强材料识别。

某些示例性实施方案可将光子计算能量分辨检测器(例如CZT检测器)用于光谱相衬成像。例如，当使用2仓能量分辨检测器时，本文描述的实施方案可得到光谱信息，包括但不限于1)用于第一能量仓的三个图像(例如，吸收、微分相衬、暗场)和2)用于第二能量仓的另外三个图像。

如本文描述，为了获得所需和最佳衬度，分析光栅G2必须放置在塔尔博特距离(例如，第一塔尔博特距离)处。塔尔博特距离取决于能量。因此，多个x射线束中每一个的不同平均能量将产生或使用不同塔尔博特距离。因此，在相关领域中，为了获取两种不同平均能量下的图像，检测器或分析光栅G2检测器组合应放置在两个不同位置。

数字放射射线相衬成像系统和/或方法的实施方案可在使用单次(例如，一连串曝光)目标期间使用能量分辨检测器和在单一位置的分析光栅来针对至少两个能量提供单独数据/图像。另外，数字放射射线相衬成像系统和/或方法的实施方案可提供对目标的两次不同能量曝光来针对两种不同能量曝光中的每一个获得诊断上可接受的SNR数据/图像而无需调整DR PCI配置。数字放射照相相衬成像系统和/或方法的某些示例性实施方案可实现x射线干涉仪的调谐或失谐布置。

图24是示出使用能量分辨检测器的光栅基相衬成像系统的实施方案的图。如图24中所示，光栅基相衬成像系统的实施方案可包括三个光栅(G0、G1、G2)塔尔博特-劳(Talbot-Lau)干涉仪装置和放置在分析光栅G2之后的能量分辨检测器(例如，光子计数)2410。在一个实施方案中，成像阵列或检测器像素中的能量比较器(例如，脉冲高度分析)可允许能量分解。

分别在相衬成像中实现双能量或光谱成像的两个示例性系统和/或方法实施方案包括在不同曝光下(例如，kVp值)使用两次x曝光的第一实施方案，和当(至少)使用两仓能量分辨检测器时仅包括一次x射线曝光的第二实施方案。优选地，第二实施方案的相衬成像是使用来自单次曝光(x射线曝光)的两种能量实施。对于这第二实施方案，能量分辨检测器可仅放置在一个位置且相衬成像系统可被调谐来获取在两个所选或最佳衬度下的光谱图像。

对于第一实施方案，可使用常规(例如，非直接或直接检测)平板检测器(例如，面积(例如24×30))。或者，可使用单个能量光子计数检测器。示例性的DR PCI系统可包括多个平移台，其可单独或组合地改变：a)多狭缝光栅(源光栅G0)与相位光栅G1之间的距离L；b)光栅G1与G2(例如，通常设置在第一塔尔博特距离处)之间的距离d；和/或c)在多个G1光栅中选择用于定位(例如，在光栅G2之前)。对于每次检查，x射线管可启动一次。在每次曝光时，kVp值可改变且PCI系统几何形态(例如L和d)可调整使得测量图像具有增强的衬度或最高衬度。此外，相位光栅G1中的相移或硅(Si)高度可这样设计使得穿过的x射线经历相移π。再者，相位光栅G1的高度取决于能量：h(λ)＝λ/2δ_Si，其中δ_Si是硅的折射率衰减。在不同kVp值(例如双值)的曝光会需要两个G1光栅的阵列，其具有相同间距但具有不同Si结构高度。两个G1光栅可附接到低吸收固定器(或梯)，其可通过平移台移动来将各自不同G1光栅放置在适当位置用于适当的x射线光谱。表5示出了可分别用于在30kVp和40kVpx射线光谱下的双能量成像的示例性PCI系统参数。

表5示例性双能量PCI系统参数

在示例性双曝光模式中，两次扫描中的目标移动或不对齐会造成缺点且会使材料分解复杂化(例如，移动工件)。使用一次曝光可造成各种优点，同时仍提取光谱信息。

可收集用于相衬成像的光谱信息的单次曝光配置有能力分辨检测器。图25A示出用于平面单色波的XZ平面中的干涉图案的强度(还被称为塔尔博特量子毯)，其中x射线束的平均能量是28keV。如图25A中所示，垂直轴表示由G1光栅的间距测量的横向尺寸，而水平轴对应于波传播方向z。垂直线2512、2514、2516表示塔尔博特距离d₁、d₂和d₃。相位光栅G1在–z方向上偏移用于视觉表示，然而，相位光栅G1实际位置是处于z＝0。在图25A中，塔尔博特量子毯被绘制到第三塔尔博特距离，且p₁/2周期的干涉图案在每个塔尔博特距离级别都重复。当使用多能量x射线束时，重复图案的最大值可在z方向上拉伸且最大强度可针对较高塔尔博特距离级别降级。图25B示出在用于多能量波的XZ平面中的干涉图案的强度(还被称为塔尔博特量子毯)，其中产生的光谱是40kVp光谱。垂直线2522、2524、2526表示塔尔博特距离d₁、d₂和d₃，但对于较高级别的塔尔博特距离而言不再是最佳。

为了识别位置(例如最佳位置)，其中吸收光栅G2可放置用于多能x射线束，产生预期的具有p₁/2间距的周期图案且与z方向上每个点的横向轮廓比较。这种比较是使用交叉相关性分析来进行。确定交叉相关性的一种方法可使用相关性因数R²且可使用回归分析。图26示出了作为波传播距离z的函数的相关性因数R²。虚线去电2610是单能波的结果，而实线曲线2620是多能波的结果，其中每个曲线包括三个突峰。如图26中所示，最大值对应于预期位置或最佳位置，其中可放置吸收光栅G2。图25A至图26对应于单次能量获得，其中能量分辨能力不存在且检测器将测量整个能量光谱中的数据。当进行能量选择(例如，使用能量分辨检测器)时，针对每个能量仓评估量子毯。图27示出40kVp x射线光谱的两个能量仓中每一个的量子毯。在这种情况中，干涉图案的先前较宽点(见图25B)扩展开，留下如图27中所示的所需或最佳位置的良好界定的区域。图28中(左侧)示出的R²相关性图具有两个第一塔尔博特级别的峰值(实线2810和虚线2820)，其与在没有能量区别(图26)的情况比较，在中心处更窄。如图27中所示，G2的所选或最佳位置在每个能量仓中是不同的(例如，对于仓1(2712)d₁＝4.2cm且对于仓2(2722)d₁＝5.0))，其与示出塔尔博特距离是取决于能量的方程(7)一致。然而，当从单能变成多能x射线束时，量子毯上的所选或最佳位置明显加宽。因此，当开始能量选择时，来自每个能量仓的个别贡献造成最佳位置的重新分配，如图27中所见。图29是示出根据某些示例性实施方案的所选能量进仓和x射线光谱的图，其可实现用于至少两个或两者能量仓的相同塔尔博特距离。本文某些示例性实施方案可使用额外过滤来获得这种能量进仓。在图28(右侧)所示的实施方案中，通过添加额外的锡(Sn)过滤来解决最佳或所选能量进仓，其可有效地将一个峰值的光谱转变成两个峰值的光谱，这是由于锡的k边缘(又见图30)。第一和第二仓之间的能量阈值被调整且添加了额外Al过滤使得相关性图中的第一级塔尔博特峰值的最大值如图31中所示对齐。另外，如图28(右侧)中所示，对辐射光谱、能量阈值和/或滤波的控制可产生在两个能量仓上分裂的光谱，其分别具有大致相等数目的计数。通过针对两个能量仓将塔尔博特距离调整成相同，可允许将能量分辨检测器放置在单个位置或仅在一个平面上。在图31中所示的实例中，滤波是6mm的Al和82um的Sn，但实施方案并非意欲受限于此，因为预期了滤光片的其它厚度和组合，且其也可以用作为不同多个平均能量。另外，实施方案可调整第一能量仓与第二能量仓之间的能量阈值。因此，某些示例性实施方案可最初调整一个峰值的x射线光谱使其分成至少两个子峰值，其可具有对应于子峰值的能量仓的同时对齐的塔尔博特距离。可进步进一步分析(例如，交叉相关性)用于其它滤波和能量阈值来控制或最佳化衬度。

如本文描述，当不进行能量分辨能力时，需要具有不同PCI几何形态的两次x射线曝光来获得目标光谱信息(例如，见表5)。在某些示例性实施方案中，类比信号曝光能量分辨模式，可确定两次x射线曝光(其单独产生的光谱类似于用单次曝光创建的两个波峰的光谱)使用单个PCI配置或几何形态。图32是示出实线光谱3210(其对应于第一次曝光)和虚线光谱3220(其对应于第二次曝光)的图。在一个实施方案中，光谱3210、3220的平均能量可匹配在单次曝光能量选择模式的情况中(例如，见图30)在每个能量仓测量的平均能量。当来自两次不同能量级曝光的光谱被调整或最佳化，PCI几何形态可被固定(例如L和d)。光栅G0、G1和G2可附接到摇臂。相位检索可通过使用相步进技术或通过使用失谐模式的PCI系统来进行，其中光栅的相对位置被固定且使用摇臂的连续移动。

如本文描述，由相位光栅G1(例如Si结构)引起的相移取决于x射线光谱。因此，相位光栅G1中Si结构的所需高度取决于能量。例如，为了得到增强的衬度或最大衬度，x射线波(例如，平均能量)应在相位光栅G1处经受π相位。在一个实施方案中，当使用能量分辨检测器且PCI系统仅启动x射线管一次时，可使用单一相位光栅G1。以下是分析由Si结构引起的相移如何取决于x射线光谱的形状。图33A示出具有由G1光栅Si结构(右轴)引起的相移3310的40kVp归一化x射线光谱的叠加图，且图33B示出具有由相移引起的波振幅或衬度3320(右轴)的40kVp归一化x射线光谱的叠加图。图33A至图33B中所示的点虚线3305对应于光谱的平均能量。为了实现增强的或最大衬度，x射线波应经受π相位，其造成将射束分裂成±1衍射级(或波振幅2)。如图33A中所示，低能量的x射线经受较高相移，而较高能量的相移较小。对于大能量范围的x射线光谱，可存在一个以上π相移。图33A示出40kVp归一化x射线光谱的大于3π相移。每次发生π相移时，相位干涉的振幅3320可示出最大值与最小值之间的改变，如图33B中所示。由于属于能量范围的光子(其中波振幅较高或最大)可产生改进或最佳的衬度，所以期望具有的x射线光谱中低波振幅区域的作用减小或最小。例如，40kVp光谱3340的左边缘或总数属于非最佳相衬区域。根据一个实施方案，光谱3340的左边缘被偏移朝向较高能量(例如通过添加额外过滤)。图34示出叠加有由相位光栅G1相移引起的波振幅3320的40kVp归一化x射线光谱3340’。图34中示出两个能量仓的情况，其中点虚线3350-1、3350-2分别对应于第一和第二能量仓的平均能量。第一和第二能量仓之间的滤波参数和能量阈值可与图30相同。如图34中所示，较低能量图像的衬度可比较高能量仓高，其可通过调整滤波(例如较小滤波可略微向左移位光谱)和/或调整/减小施加到x射线管的电压来进一步调整或等化(例如，最佳化光谱)。

狭缝扫描光栅基微分相衬系统和/或方法的实施方案可提供大范围的潜在应用，包括医学成像、小型动物成像、安保检查、工业无损检测和食品检验。根据本申请的实施方案还可用于使用其它辐射形式(诸如中子和原子束)的相衬应用。根据本申请的实施方案可提供用于临床应用的具有高效率和大视野的可靠且低成本的相衬乳房X线照相系统。

另外，当根据本申请的实施方案(例如，光栅基PCI)与断层照相扫描结合时，目标的x射线折射率的三维分布以及在吸收断层照相中共同获得的吸收率的分布可被重新建构。在一个实施方案中，多个G1光栅可整体式形成，同时形成，使用单个共同平版印刷掩膜形成，由单独多个件形成，独立形成或由不同的各自材料形成。

虽然已针对一个或多个实现方式说明本发明，但在不脱离随附权利要求的精神和范围下可对图示实例进行替换和/或修改。此外，虽然已针对几种实现方式之一公开本发明的特定特征，但对于任何指定或特定功能有需要且有利时，这种特征可与其它实现方式的一个或多个其它特征组合。术语“至少一个”是指可选择所列项目中的一个或多个。术语“约”指示列举值可一定程度变化，条件是所述变化不会造成不符合所示实施方案的方法或结构。最后，“示例性”指示描述用作为实例，而不是暗示这是理想的。本领域的技术人员将通过说明书的考量和本文公开发明的实践明白本发明的其它实施方案。预期只将说明书和实例视为示例性内容，本发明的真实范围和精神是由以下权利要求指示。

Claims

1.一种数字放射照相相衬成像系统，其包括：

用于产生X射线束的x射线源；

包括在所述x射线束的路径中的第一固定位置处的源光栅G0的射束成形组件；

x射线光栅干涉仪，其包括：

多个相位光栅G1，附接到由低吸收材料制成的光栅固定器，多个相位光栅G1中的一个在x射线束的路径中的第二固定位置处；

平移台，附接到所述固定器，用于在x方向移动所述多个相位光栅G1以在所述多个相位光栅G1之间交换，所述多个相位光栅G1各自具有相同的间距尺寸，并且每个具有不同的高度尺寸；和

在所述X射线束的路径中的第三固定位置处的分析光栅G2；以及

在所述X射线束的路径中的第四固定位置处的能量分辨检测器，以捕获要由所述数字放射照相相衬成像系统成像的目标的图像，

其中在由所述数字放射照相相衬成像系统单次通过所述目标期间所述源光栅G0，所述多个相位光栅G1中的一个，所述分析光栅G2和所述能量分辨检测器的固定位置相对于彼此固定，以及

其中所述射束成形组件、所述x射线光栅干涉仪和所述能量分辨检测器的布置被配置用于提供以不同的相对射束能量获得的至少两个图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个图像为待成像的目标提供光谱相衬成像。

3.根据权利要求1所述的系统，其中使用所述能量分辨检测器和单次x射线曝光来获得所述至少两个图像，其中由所述系统相对于所述目标的所述单次通过产生的图像数据集用来构建所述目标的多个图像，包括吸收衬度图像、微分相衬图像、相移衬度图像和暗场图像中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述数字放射照相相衬成像系统失谐，其中分析光栅G2间距与由所述多个相位光栅G1中的一个在所述分析光栅G2处产生的干涉图案间距的差值足以产生大于0.1cm的条纹图案，或所述条纹图案覆盖所述分析光栅G2的大部分，其中可从在所述单次通过中获得的图像数据集获得相位项、峰值振幅项中的至少一个的测量值。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述数字放射照相相衬成像系统被调谐，其中所述分析光栅G2的间距和由所述多个相位光栅G1中的一个在处于塔尔博特距离的所述分析光栅G2处产生的干涉图案的间距大致相等。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述数字放射照相相衬成像系统失谐，其中所述分析光栅G2的间距与由所述多个相位光栅G1中的一个在处于所述塔尔博特距离的所述分析光栅G2处产生的干涉图案的间距不相等，其中所述分析光栅G2间距与由所述多个相位光栅G1中的一个在所述分析光栅G2处产生的所述干涉图案间距的差值足以产生大于0.1cm的条纹图案，或所述条纹图案覆盖所述分析光栅G2的大部分，且其中可从在所述单次通过中获得的图像数据集获得相位项、峰值振幅项中的至少一个的测量值。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述源光栅G0与所述多个相位光栅G1中的一个之间的L距离或所述多个相位光栅G1中的一个与所述分析光栅G2之间的d距离针对每次使用所述X射线束的不同平均能量而变化。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述数字放射照相相衬成像系统被调谐，其中所述分析光栅G2的间距和由所述多个相位光栅G1中的一个在塔尔博特距离处产生的干涉图案的间距大致相等，其中由所述数字放射照相相衬成像系统系统通过所述系统在目标上的所述单次通过而生成的图像数据集用来构建所述目标的多个图像，包括吸收衬度图像、微分相衬图像、相移衬度图像和暗场图像中的至少一个。

9.一种数字x射线成像方法，其包括：

提供发射X射线束的x射线发生器以用于放射照相成像；

提供射束成形组件，其包括射束限制装置和源光栅G0并固定所述射束成形组件和所述源光栅G0就位；

提供x射线光栅干涉仪，其包括附接到由低吸收材料制成的光栅固定器的多个相位光栅G1，并且提供附接到所述光栅固定器的平移台，用于在x方向移动所述多个相位光栅G1以在所述多个相位光栅G1之间交换，并且其中所述多个相位光栅G1各自具有相同的间距尺寸，并且每个具有不同的高度尺寸；和

固定就位的分析光栅G2；

相对于由所述多个相位光栅G1中的一个在距离所述多个相位光栅G1中的一个规定距离处产生的干涉图案的间距来偏移所述分析光栅G2的间距；和

一旦其中所述射束成形组件、所述x射线光栅干涉仪和能量分辨检测器位置的布置在扫描期间由于被固定就位而相对于彼此不改变，则通过扫描所述x射线光栅干涉仪和所述能量分辨检测器来生成在不同的相对X射线束能量下获得的至少两个图像。