CN111107787B - X射线成像参考扫描 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及获取用于X射线相衬成像和/或X射线暗场成像的参考扫描数据。因此，X射线探测器(26)在X射线源(12)与X射线探测器之间布置光栅布置(18)的情况下跨检查区域(30)与X射线源(12)相对地布置。在没有对象处在检查区域(30)中的成像操作期间，光栅布置(18)在扫描运动中被移动到相对于X射线探测器(26)的多个不同位置(α)，同时X射线探测器(26)相对于检查区域(30)保持固定，使得在扫描运动中由X射线探测器(26)探测一系列条纹图案。针对不同系列条纹图案来重复所述扫描运动。这允许以较少的扫描运动来获取用于校准X射线成像设备(10”')所需的参考扫描数据。

Description

X射线成像参考扫描
技术领域
本发明涉及X射线相衬成像和暗场成像。具体地，本发明涉及一种X射线成像设备、一种用于操作所述X射线成像设备的方法以及一种计算机程序。
背景技术
EP 1731099 A1示出了一种针对用于获得定量相衬图像的X射线的干涉仪，所述干涉仪包括X射线源、透射几何结构的衍射元件以及具有空间调制的探测灵敏度的位置敏感探测器。一维或二维相位步进扫描能够通过衍射元件或探测器灵敏度调制掩模相对于X射线源的横向移动来实施。此外，能够针对相位步进扫描数据来实施分析流程，所述分析流程包括以下步骤：针对探测器的每个元件将在所述元件中测量到的强度曲线拟合到单独建模或测量的强度曲线，而无需研究射束畸变。拟合参数中的至少一个拟合参数是曲线沿着扫描位置轴的移动。
WO 2017/001294 A1公开了一种X射线成像装置，所述X射线成像装置包括：X射线源，其用于发射X射线辐射束；X射线探测器，其跨用于容纳待成像的对象的检查区域与所述X射线源相对地布置；以及干涉仪，其被至少部分地布置在所述X射线辐射束中。至少一个光栅的覆盖区(footprint)小于所述X射线探测器的辐射敏感区的覆盖区，其中，所述装置被配置为在成像操作期间实现所述至少一个光栅在扫描运动中相对于所述X射线探测器移动，同时所述X射线探测器相对于所述检查区域保持固定。
发明内容
能够看到，本发明的目的是提供一种X射线成像设备、一种用于操作所述X射线成像设备的方法、一种计算机程序以及一种计算机可读介质，其允许使用较少的扫描运动来导出用于X射线相衬成像和暗场成像的参考扫描数据。
在本发明的第一方面中，提出了一种X射线成像设备。所述X射线成像设备包括X射线源、X射线探测器和光栅布置。所述X射线源被配置用于发射X射线辐射束。所述X射线探测器跨用于容纳待成像的对象的检查区域与X射线源相对地布置。所述光栅布置被布置在所述X射线源与所述X射线探测器之间。所述光栅布置被配置为将能由所述X射线探测器探测到的条纹图案调制到所述X射线辐射上。光栅布置在所述X射线探测器上的覆盖区小于所述X射线探测器的辐射敏感区。所述X射线成像设备被配置为在成像操作期间在检查区域中没有对象的情况下通过以下操作来获取参考扫描数据：在扫描运动中将所述光栅布置移动到相对于X射线探测器的多个不同位置，同时所述X射线探测器相对于所述检查区域保持固定，使得在所述扫描运动中由所述X射线探测器探测到一系列条纹图案；并且在扫描运动中将所述光栅布置移动到相对于所述X射线探测器的相同位置以获得不同系列条纹图案。
如上文所提到的，X射线探测器被包括在所述X射线成像设备中，所述X射线探测器所具有的辐射敏感区大于所述光栅布置在所述X射线探测器上的覆盖区。所述X射线探测器的所述辐射敏感区是所述X射线探测器的对X射线辐射敏感的区域，即，被所述X射线探测器的允许探测X射线辐射的像素xy占据的区域。所述光栅布置在所述X射线探测器上的覆盖区是所述光栅布置到所述X射线探测器的投影，即，所述X射线探测器上被由所述光栅布置生成的条纹图案占据的区域。因此，为了向所述X射线探测器的整个辐射敏感区提供条纹图案，使用扫描方法，其中，所述光栅布置被相对于X射线探测器移动。所述扫描运动允许对尺寸大于所述光栅布置的覆盖区的对象进行成像，因为所述光栅布置能够相对于对象和X射线探测器移动。所述扫描运动还允许克服用于对大的对象(诸如患者的身体或身体的部分)进行成像的足够大的X射线光栅的不足。
如上文所提到的，所述X射线成像设备被配置为在成像操作期间在没有对象处在检查区域中的情况下获取参考扫描数据，尤其是针对若干不同系列条纹图案通过在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的相同位置若干次。在本文中，相同位置应当被理解为覆盖精确相同位置以及与精确相同位置有微小偏差的位置，例如，在光栅布置围绕延伸通过X射线源的焦斑的轴并且相对于固定X射线探测器旋转的情况下，与精确相同位置的微小偏差能够在毫弧度量级或更低，诸如在X射线探测器具有例如150μm的像素尺寸并且X射线源与X射线探测器之间的距离为2m的情况下为0.075mrad。与精确相同位置的微小偏差可能是由于扫描运动与X射线探测器的读取同步问题而引起的。具体地，可能有问题的是相邻像素是否已经被照射。因此，例如，对于在与精确相同位置有微小偏差的相同位置获取的参考扫描数据，X射线成像设备能够被配置为通过在精确相同位置的相邻位置之间进行插值来处理所述参考扫描数据，以确定在完全相同的位置处的条纹图案。所述X射线成像设备能够例如包括用于处理所述参考扫描数据的处理单元。
所述光栅布置包括一个、两个、三个或更多个光栅。能够例如通过以下操作来生成不同系列条纹图案：改变光栅布置的一个或多个光栅相对于光栅布置的其他光栅的相对横向位置；改变X射线源的焦斑相对于光栅布置和X射线探测器的位置；或者围绕延伸通过所述一个或多个光栅的轴并且垂直于在X射线源与X射线探测器之间的X射线辐射的中心射束方向上延伸的光轴相对于所述X射线探测器来旋转所述光栅布置的一个或多个光栅。所述光栅布置的光栅能够沿着光栅布置轴来布置。能够通过垂直于光栅布置轴移动光栅来改变光栅布置的光栅相对于光栅布置的其他光栅的相对横向位置。这意味着，如果光栅布置轴例如与光轴对准，则光栅能够被水平地或垂直地移动以便生成不同的条纹图案。通过改变光栅相对于其他光栅的相对横向位置，光栅的狭缝垂直于光栅布置轴相对地移位，从而生成不同的条纹图案。
由于所述X射线成像设备被配置为尤其针对不同系列条纹图案通过在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的相同位置来获取参考扫描数据，因此在减少不同位置数量和减少不同系列条纹图案数量的情况下，能够针对X射线探测器的每个像素xy来获取参考扫描数据以及对应完整的相位步进曲线。所获取的参考扫描数据能够被用于校准X射线成像设备。基于参考扫描数据校准的X射线成像设备可能增加诊断价值，特别是在胸部成像方面，因为暗场信号通道对肺组织的微观结构的变化非常敏感。例如，可以使用X射线成像设备准确地识别和量化肺部疾病，如慢性阻塞性肺病(COPD)和纤维化。此外，例如能够通过X射线成像设备来探测软组织上的异物和骨骼中的小裂缝。
所述X射线源能够是提供X射线辐射束的任何X射线源，诸如同步加速器或者密封管型或旋转阳极型的X射线源。同步加速器能够产生固有相干X射线辐射。能够使密封管型或旋转阳极型X射线源的X射线辐射至少部分地相干，例如，通过在X射线源与检查区域之间布置源光栅，使得源光栅生成能够彼此不相干的多个个体相干的X射线辐射束。所述源光栅能够是光栅布置的光栅。X射线源的发射谱能够在25kVp至160kVp的范围内，其中，kVp是峰值千伏电压，即，跨X射线源所施加的电压。发射谱能够是多色谱，例如，多色钨韧致辐射谱。
所述光栅布置的光栅能够具有在10mm乘10mm至500mm乘500mm之间、例如在426mm乘100mm至426mm乘200mm之间或者在10mm乘10mm至200mm乘200mm之间的尺寸。所述光栅布置的每个光栅能够具有与其他光栅相同或相似的尺寸或者不同的尺寸。光栅布置在所述X射线探测器上的覆盖区能够具有与光栅布置的光栅的尺寸相似的尺寸，并且取决于光栅布置的光栅的放大率和尺寸。所述光栅布置的覆盖区能够例如在10mm乘10mm至500mm乘500mm之间，例如426mm乘200mm或426mm乘100mm，使得第一光栅的覆盖区在一个维度上等于X射线探测器的辐射敏感区。优选地，所述光栅布置的覆盖区在垂直于扫描运动方向的方向上等于X射线探测器的整个辐射敏感区。
所述X射线探测器能够是具有像素xy的二维探测器。像素xy能够以阵列来布置。至少一个像素xy能够被配置用于探测X射线辐射。在没有缺陷像素的情况下，优选地，所述X射线探测器的像素xy中的每个像素被配置用于探测X射线辐射。像素xy是所述X射线探测器阵列的在x轴上的第x个像素和在y轴上的第y个像素。所述X射线探测器阵列能够是二维阵列，或者能够由彼此平行布置的多个线探测器阵列组成，以便形成二维X射线探测器阵列。在本文中，由于制造和安装引起的容差，平行应当被理解为包括与完美平行布置的微小偏差，例如毫弧度量级或以下，诸如0.3mrad或0.075mrad。
在成像操作期间，所述X射线源提供X射线辐射，所述X射线辐射从X射线源穿过所述光栅布置而传播到所述X射线探测器。通过穿过光栅布置，在X射线辐射上调制条纹图案。如果光栅布置相对于X射线探测器被移动到不同位置，则在X射线探测器处探测到的条纹图案会改变。因此，在扫描运动期间，不是针对光栅布置相对于X射线探测器的不同位置在X射线探测器处探测相同条纹图案，而是针对不同位置在X射线探测器处探测一系列条纹图案，使得X射线探测器的整个辐射敏感区在扫描运动期间沿着不同位置被提供有条纹图案。例如，如果由于光栅布置相对于X射线探测器的旋转扫描运动而使光栅布置的光栅相对于X射线探测器倾斜并且X射线探测器是平面的，则条纹图案将在一定角度下撞击到X射线探测器。因此，对于不同的像素，X射线探测器的不同像素与光栅布置的光栅之间的距离是不同的。光栅布置的光栅与X射线探测器的像素xy之间的较大距离导致条纹图案的较大放大率。因此，如果光栅布置相对于X射线探测器被移动到不同位置，则在X射线探测器处探测到一系列条纹图案。针对不同位置中的每一个位置，所述一系列条纹图案中的条纹图案仅撞击X射线探测器的像素的子集。因此，在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的不同位置允许在像素的子集处接收所述一系列条纹图案的部分，其然后允许组合所接收到的一系列条纹图案以便获取针对X射线探测器所有像素的参考扫描数据。
生成不同系列条纹图案，例如通过改变两个光栅相对于彼此的相对位置或者改变X射线源相对于光栅布置和X射线探测器的焦斑的位置，以及在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的相同位置，允许获取针对X射线探测器的像素的完整相位步进曲线。例如，能够通过使用电磁场或磁场来改变X射线源的焦斑相对于第一光栅和X射线探测器的位置。因此，为了在成像操作期间在检查区域中没有对象的情况下获取参考扫描数据，重复扫描运动，但是在扫描运动的重复中具有不同系列条纹图案，以便获取另外的信息，诸如在X射线探测器处的相位信息。例如，能够针对多个不同系列条纹图案来重复扫描运动，直到针对X射线探测器的每个像素xy可获得针对完整相位步进曲线的参考扫描数据为止。此外，能够重新整理所获取的参考扫描数据，使得对于光栅布置相对于X射线探测器的每个位置，针对X射线探测器的像素xy，可获得完整的相位步进曲线。例如，能够通过将针对在相应的扫描运动中所使用的每个系列条纹图案在相应的像素xy处获取的参考扫描数据与针对相应的像素xy的经重新整理的数据相关联，来重新整理所述参考扫描数据。因此，针对像素xy的经重新整理的数据包括来自光栅布置相对于X射线探测器的各个位置以及各种系列条纹图案的完整的相位步进曲线。然而，如果仅针对X射线探测器的像素的子集需要参考扫描数据，则针对不同系列条纹图案的扫描运动的数量以及在扫描运动中所述光栅布置相对于X射线探测器的不同位置的数量能够被限制以仅针对X射线探测器的像素的子集来获得参考扫描数据。
所述X射线成像设备能够被配置为：针对一系列条纹图案之一，通过在扫描运动中将光栅布置移动到相对于被用于获取参考扫描数据的X射线探测器的相同位置，来在对象处在检查区域中的成像操作期间获取对象扫描数据。
此外，所述参考扫描数据能够被用于获得能够在后续步骤中用于拟合对象扫描数据的参数，以便获得对象的图像。如果在用于获取参考扫描数据的相对于X射线探测器的光栅布置的相同位置扫描对象的情况下，这允许在扫描运动中仅使用一系列条纹图案之一来获得对象的图像。因此，能够减少对所述对象的所需扫描的数量。
优选地，导致仅一系列条纹图案之一的仅一次扫描运动被用于获取对象扫描数据。备选地，能够使用导致两个或更多个不同系列条纹图案的两次或更多次扫描运动来获取对象扫描数据。
所述X射线成像设备能够被配置为基于从参考扫描数据获得的参数来拟合对象扫描数据，以便获得对象的图像。所述X射线成像设备能够例如包括处理单元，所述处理单元被配置用于基于从参考扫描数据获得的参数来拟合对象扫描数据，以便获得对象的图像。备选地或额外地，诸如个人计算机的外部单元能够被提供有参考扫描数据和对象扫描数据，以用于基于从参考扫描数据获得的参数来拟合对象扫描数据，以便获得对象的图像。
在一个实施例中，所述光栅布置包括两个光栅。所述光栅布置还能够包括三个光栅或更多个光栅。优选地，在扫描运动中的每次扫描运动期间，所述光栅相对于彼此保持固定的空间关系。所述光栅能够例如是相位光栅或吸收光栅。在一个实施例中，所述光栅布置包括两个吸收光栅。在另一实施例中，所述光栅布置包括相位光栅和分析器光栅，例如吸收光栅，所述吸收光栅使得能够软化对X射线探测器的空间分辨率的要求以用于当在成像操作期间与X射线辐射束相互作用时足够地分辨由所述光栅布置所生成的条纹图案的目的。
所述X射线成像设备能够包括被布置在X射线源与检查区域之间的源光栅。优选地，所述源光栅被布置为使得所述源光栅生成能够彼此不相干的个体相干X射线辐射的多个射束。所述源光栅能够是所述光栅布置的光栅中的一个光栅。在X射线源与检查区域之间的源光栅的布置允许使X射线辐射至少部分地相干。如果X射线源不能够产生足够相干以允许生成条纹图案的固有相干X射线辐射，则X射线成像设备优选包括源光栅。所述X射线成像设备还能够包括超过一个源光栅，并且特别是源光栅的阵列，所述源光栅的阵列被布置为使得在扫描运动期间将至少部分地相干的X射线辐射提供给在所述光栅布置的不同位置中的每个位置处的光栅布置的光栅。
所述X射线成像设备能够被配置为通过在后续扫描运动之间改变光栅布置的各光栅相对于彼此的相对横向位置来生成不同系列条纹图案。为了生成不同系列条纹图案，例如，能够改变所述光栅中的任何一个或多个光栅相对于其他光栅的相对横向位置，例如，能够改变相位光栅相对于分析器光栅的相对横向位置、相位光栅相对于源光栅的相对横向位置、源光栅相对于相位光栅和分析器光栅的相对横向位置或者吸收光栅中的一个吸收光栅相对于其他吸收光栅的相对横向位置等。所述光栅相对于彼此的相对横向位置例如能够在后续扫描运动之间由致动器等来改变。所述X射线成像设备能够包括致动器，例如压电致动器，其被配置为将所述光栅中的一个或多个光栅移动到与所述光栅布置的其他光栅相比不同的相对横向位置。
所述X射线成像设备能够包括处理单元。所述处理单元能够被配置用于通过将第一函数拟合到所述参考扫描数据以便获得参数并且通过使用从所述参考扫描数据获得的参数将第二函数拟合到对象扫描数据来处理参考扫描数据和对象扫描数据。所述处理单元能够备选地被配置用于处理参考扫描数据或对象扫描数据。
所述处理单元能够被配置用于将第一函数Jxyα(z)＝Ixyα(1+Vxyαcos(φxyα+2πz/p))拟合到所述参考扫描数据，其中，Jxyα(z)是根据光栅相对于彼此的相对横向位置z、平均通量Ixyα、条纹可见度Vxyα、条纹相位φxyα和光栅周期p针对光栅布置相对于X射线探测器的位置α在X射线探测器的像素xy处获取的参考扫描数据。
平均通量Ixyα是与相位步进曲线的平均强度相对应的拟合参数，并且能够被定义为其中，n是不同位置的整数数量，并且z1,…,zn是针对z的采样值，即相位步进曲线的在算术平均值的意义上的平均强度值，其中，采样值的总和除以样本中的项目的数量，其中，所述采样值是针对光栅布置相对于X射线探测器的位置α在X射线探测器的像素xy处获取的参考扫描数据，并且样本中的项目的数量取决于由相对于彼此的多个不同横向位置z的光栅所生成的不同条纹图案的数量。
条纹可见性相位Vxyα和条纹相位φxyα是另外的拟合参数。
条纹可见性Vxyα被定义为Jxyα(z)的振幅与其平均值Ixyα的比率。其能够通过执行对测量强度Jx′yα(z)与模型Jxyα(z)＝Ixyα(1+Vxyαcos(φxyα+2πz/p))的拟合来取回。条纹可见性Vxyα近似等于其中，J′xyα,max＝maxz(J′xyα(z))是函数Jxyα(z)的最大探测值，并且J′xyα,min＝minz(J′xyα(z))是函数Jxyα(z)的最小探测值，例如在光栅布置相对于X射线探测器的位置α和像素xy处的最大探测强度和最小探测强度。
条纹相位φxyα被定义为Jxyα(z)的探测值与cos(2πz/p)相关性的移位量。
光栅周期p是光栅相对于其他光栅被移动的周期，以便实现光栅彼此之间具有相对横向位置z的配置，其允许在扫描运动期间生成不同系列条纹图案。
所述处理单元能够例如被配置为使用最小二乘拟合或者任何其他拟合方法，例如，加权最小二乘拟合，用于将第一函数拟合到参考扫描数据。使参考扫描数据拟合到第一函数Jxyα(z)＝Ixyα(1+Vxyαcos(φxyα+2πz/p))允许获得参数平均通量Ixyα、条纹可见性Vxyα和条纹相位φxyα，其随后能够被用于拟合对象扫描数据。因此，所述参考扫描数据以及从所述参考扫描数据获得的参数能够被用于校准所述X射线成像设备。能够针对X射线探测器的像素xy获得参数，因为能够从参考扫描数据获得针对X射线探测器的像素xy的完整相位步进曲线。
备选地或额外地，所述处理单元能够被配置用于使第二函数Kxyα＝IxyαTxy(1+VxyαDxycos(ψxy+φxyα+2πz0/p))拟合到对象扫描数据，其中，Kxyα是针对光栅布置相对于X射线探测器的位置α、暗场Dxy、微分相位ψxy、和对象透射率Txy的图像针对光栅相对于彼此的相对横向位置z0在X射线探测器的像素xy处获取的对象扫描数据。所述处理单元能够例如被配置为使用最小二乘拟合或任何其他拟合方法，例如，加权最小二乘拟合，用于将第二函数拟合到对象扫描数据。此外，能够使用通过使用第一函数拟合参考扫描数据而获得的参数。使第二函数Kxyα＝IxyαTxy(1+VxyαDxycos(ψxy+φxyα+2πz0/p))拟合到对象扫描数据允许获得暗场Dxy、微分相位ψxy和对象透射率Txy的图像。
对象透射率Txy被定义为在将对象布置在检查区域中时在像素xy处的X射线探测器信号被衰减的因子，而参数z和α保持恒定：平均X射线探测器信号从给定值Jxyα减小到Jxyα·Txy，其中，0＜Txy＜1。因此，Txy是针对由被布置在检查区域中的对象对X射线辐射的衰减程度的量度。
暗场Dxy被定义为在将对象布置在检查区域中时可见度Vxyα被降低的因子。在对象处在检查区域中的情况下执行成像操作将所有测得的可见度Vxyα降低至Dxy·Vxyα，其中，0＜Dxy＜1。可见性的降低归因于X射线在对象中的小角度散射以及射束硬化效应。
微分相位ψxy被定义为在将对象布置在检查区域中时函数Jxyα(z)的横向移位的变化。在对象处在检查区域中的情况下执行成像操作将(共)正弦振荡的横向移位从φxyα改变为φxyα+ψxy，其中，-π＜ψxy＜π。所述横向移位是由X射线辐射在对象内的折射引起的。
因此，能够在对象处在检查区域中的情况下在成像操作中获得暗场Dxy、微分相位ψxy和对象透射率Txy的图像，其中，沿着光栅布置用于获取参考扫描数据的相对于X射线探测器的相同位置仅进行一次扫描运动。因为仅必须使用光栅相对于彼此的一个相对横向位置z0。
所述X射线成像设备能够包括扫描臂，诸如可旋转扫描臂或可移动扫描臂。所述扫描臂能够被配置用于在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的多个不同位置，同时X射线探测器相对于检查区域保持固定，使得在扫描运动中由X射线探测器来探测一系列条纹图案。所述扫描臂此外能够被配置用于针对不同系列条纹图案在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的相同位置。因此，能够通过使用光栅相对于彼此的不同相对横向位置执行对可旋转扫描臂的若干次次摆动来获取参考扫描数据，其中，仅所述光栅中的一个光栅的位置被改变。
所述可旋转扫描臂能够备选地或额外地被配置用于在成像操作期间在扫描运动中相对于X射线探测器围绕延伸通过X射线源的轴来旋转X射线源，同时X射线探测器相对于检查区域保持固定。所述X射线源能够备选地相对于检查区域和/或X射线探测器是固定的。在X射线源不与光栅布置一起旋转的情况下，则在扫描期间，在X射线探测器的辐射敏感区上，创建条纹图案的X射线源的发射谱和强度会发生变化，因为X射线源通常不提供球对称的X射线辐射。
所述X射线成像设备能够被配置为在成像操作期间在没有对象处在检查区域中的情况下通过在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器至少四个(例如，4至50个或者4至100个)不同位置来获取参考扫描数据，同时X射线探测器相对于检查区域保持固定，使得在扫描运动中由X射线探测器并且针对至少三个(例如，3至12个、3至30个或者3至50个)不同系列条纹图案通过在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的相同位置来探测一系列条纹图案。具有不同系列条纹图案的扫描运动的较低数量降低了获取时间和图像质量两者。能够选取具有不同系列条纹图案的扫描运动的数量，使得优化针对相应应用的获取时间与图像质量之间的折衷。在扫描运动中光栅布置相对于X射线探测器的不同位置的较少数量会降低图像质量、图像覆盖范围、机械精度问题、提供给被成像对象的X射线辐射的剂量以及获取时间。能够选取在扫描运动中光栅布置相对于X射线探测器的不同位置的数量，使得优化在图像质量、图像覆盖范围、机械精度问题、提供给被成像对象的X射线辐射的剂量以及获取时间之间的折衷。为了覆盖特定的视场，例如，X射线探测器的整个辐射敏感区、在扫描运动中光栅布置相对于X射线探测器的不同位置的数量必须等于或大于视场除以X射线探测器上的光栅布置的覆盖区，使得在成像操作期间，例如整个辐射敏感区都被提供有条纹图案。优选地，所述X射线成像设备被配置为在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的多个不同位置，使得特定的视场，例如X射线探测器的整个辐射敏感区被覆盖了3至10次。
在成像操作期间，所述光栅布置被至少部分地布置在X射线辐射束中。所述X射线成像设备能够被用于执行X射线相衬成像和/或暗场成像。
在一个实施例中，所述光栅布置包括相位光栅和吸收光栅。能够调谐光栅之间的距离以适应Talbot距离的要求，使得光栅布置形成Talbot-Lau型干涉仪。Talbot距离的要求例如在EP 1731099A1中被公开，特别是在其第[0053]至[0058]段中。Talbot-Lau型干涉仪能够包括源光栅、相位光栅以及吸收光栅。所述吸收光栅能够用作分析器光栅。
备选地，所述光栅布置也能够包括两个吸收光栅，并且所述光栅能够被布置为使得X射线成像设备允许执行X射线相衬成像和/或暗场成像。所述光栅能够例如被布置在Huang等人的“Alternative method for differential phase-contrast imaging withweakly coherent hard x rays”(Phys.Rev.A 79，013815(2009)，特别是在II.B和II.C部分在)一文所公开的光栅布置之一中。这些光栅布置包括两个吸收光栅。在所述X射线成像设备的一个实施例中，调节光栅布置的两个吸收光栅的周期p1和p2，使得其中，X射线源与第一吸收光栅之间的距离为L，并且第一吸收光栅与第二吸收光栅之间的距离为D。在包括源光栅和两个吸收光栅的X射线成像设备的另一实施例中，调节光栅布置的两个吸收光栅的周期p1和p2，使得/>并且调节光栅布置的源光栅的周期p0，使得其中，源光栅与第一吸收光栅之间的距离为LS，并且第一吸收光栅与第二吸收光栅之间的距离为D，并且m为正整数。与具有Talbot-Lau干涉仪的X射线成像设备相比，包括两个吸收光栅的X射线成像设备允许获得针对光栅具有较不严格的距离要求的相衬图像。
备选地，所述X射线成像设备还能够包括允许执行X射线相衬成像和/或暗场成像的任何其他光栅布置。
所述扫描运动的不同位置能够被布置在圆形路径、直线路径、弯曲路径、弓形路径、多边形路径或者任何其他路径上。能够布置不同位置，使得能够执行基本水平或垂直的扫描运动。在本文中，水平意指垂直于重力的方向。类似地，在本文中，垂直意指平行于重力的方向。能够在站立位置或躺卧位置对诸如患者的对象进行成像，即，能够使用水平或垂直扫描运动沿着不同位置沿其布置的路径中的任意一条路径对处在站立位置中的对象进行成像，并且能够使用水平或垂直扫描运动沿着不同位置沿其布置路径中的任意一条路径对处在躺卧位置中的对象进行成像。
所述X射线成像设备能够例如在诸如医院的临床环境中用于医学成像。特别是诸如乳房X线摄影和胸部成像的医学成像能够使用所述X射线成像设备来执行。所述X射线成像设备也能够被用在工业环境中。特别是在无损探测和安全扫描中，诸如对行李、容器等的扫描。
在本发明的另外的方面中，提出了一种操作根据权利要求1或X射线成像设备的任意实施例的X射线成像设备的方法。所述方法包括以下步骤：
在扫描运动中将所述光栅布置移动到相对于X射线探测器的多个不同位置，同时使X射线探测器相对于检查区域保持固定，使得在扫描运动中由X射线探测器来探测一系列条纹图案，并且针对不同系列条纹图案在扫描运动中将所述光栅布置移动到相对于X射线探测器的相同位置，以便在成像操作期间在对象处在检查区域中的情况下获取参考扫描数据。
所述光栅布置能够例如被移动到相对于X射线探测器的至少四个(例如，4至50个或者4至100个)不同位置。优选地，所述光栅布置在扫描运动中被移动到相对于X射线探测器的多个不同位置，使得特定的视场(例如，X射线探测器的整个辐射敏感区)被覆盖3至10次。例如能够针对至少三个(例如，3至12个、3至30个或者3至50个)不同系列条纹图案来执行在扫描运动中对光栅布置的移动。
所述方法还能够包括以下步骤：
针对一系列条纹图案之一，在扫描运动中将所述光栅布置移动到用于获取参考扫描数据的相对于X射线探测器的相同位置，以便在成像操作期间在对象处在检查区域中的情况下获取对象扫描数据。
优选地，导致仅一系列条纹图案之一的仅一次扫描运动被用于获取对象扫描数据。备选地，导致两个或更多个不同系列条纹图案的两次或更多次扫描运动能够被用于获取对象扫描数据。
所述方法能够被用于执行X射线相衬成像和/或X射线暗场成像。能够布置和配置所述光栅布置的光栅，以便允许执行X射线相衬成像和/或X射线暗场成像。
所述方法能够被用于操作X射线成像设备，所述X射线成像设备在光栅布置中包括两个光栅、三个光栅或更多个光栅。所述方法能够包括在每次扫描运动期间将光栅相对于彼此保持在固定的空间关系中。所述方法还能够被用于操作X射线成像设备，其中，在X射线源与检查区域之间布置了源光栅。所述源光栅能够是光栅布置的光栅之一。能够例如通过在后续扫描运动之间改变光栅相对于彼此的相对横向位置来生成不同系列条纹图案。能够例如由致动器(例如，压电致动器等)在后续动作之间改变光栅相对于彼此的相对横向位置。
所述方法能够包括将第一函数拟合到参考扫描数据以便获得参数的步骤。所述第一函数例如能够是Jxyα(z)＝Ixyα(1+Vxyαcos(φxyα+2πz/p))，其中，Jxyα(z)是根据所述光栅相对于彼此的相对横向位置z、平均通量Ixyα、条纹可见度Vxyα、条纹相位φxyα和光栅周期p针对光栅布置相对于X射线探测器的位置α在X射线探测器的像素xy处获取的参考扫描。
所述方法还能够包括使用从参考扫描数据获得的参数来拟合对象扫描数据以便获得对象的图像的步骤。
所述方法能够包括将第二函数拟合到对象扫描数据以便获得对象的图像的步骤。第二函数能够例如是Kxyα＝IxyαTxy(1+VxyαDxycos(ψxy+φxyα+2πz0/p))，其中，Kxyα是针对光栅相对于彼此的相对横向位置z0、暗场Dxy、微分相位ψxy和对象透射率Txy的图像针对光栅布置相对于X射线探测器的位置α在X射线探测器的像素xy处获取的对象扫描数据。
在本发明的另外的方面中，提出了一种用于操作根据权利要求1或X射线成像设备的任意实施例的X射线成像设备的计算机程序。所述计算机程序包括程序代码模块，当所述计算机程序在处理器上被运行时，所述程序代码模块用于使所述处理器执行根据权利要求13或者方法的任意实施例所限定的方法。
所述计算机程序也能够被用于操作X射线成像设备，以便执行X射线相衬成像和/或X射线暗场成像。在这种情况下，所述计算机程序包括程序代码模块，当所述计算机程序在处理器上被运行时，所述程序代码模块用于使所述处理器执行根据权利要求14或方法的任意实施例所限定的方法。
此外，提出了一种用于操作根据权利要求9所述的X射线成像设备的计算机程序。所述计算机程序包括程序代码模块，当所述计算机程序在所述处理单元上被运行时，所述程序代码模块用于使所述处理单元执行根据权利要求13、14或所述方法的任意实施例所限定的方法。
在另外的方面中，提出了一种存储有根据权利要求15所述的计算机程序的计算机可读介质。备选地或额外地，所述计算机可读介质能够具有根据所存储的计算机程序的任意实施例的计算机程序。
应当理解，根据权利要求1所述的X射线成像设备、根据权利要求13所述的方法、根据权利要求15所述的计算机程序以及所述计算机可读介质具有相似和/或相同的优选实施例，特别是如在从属权利要求中所限定的。
应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或以上实施例与各个独立权利要求的任意组合。
参考下文所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
在以下附图中：
图1示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第一实施例；
图2A以侧视图示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第二实施例；
图2B以俯视图示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第二实施例；
图2C以前视图示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第二实施例；
图3A以俯视图示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第三实施例；
图3B以侧视图示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第三实施例；
图4示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第四实施例，其中，扫描臂处在第一位置中，并且光栅处在相对于彼此的第一相对横向位置中；
图5示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第四实施例，其中，扫描臂处在第二位置中；
图6示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第四实施例，其中，扫描臂处在第三位置中；
图7示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第四实施例，其中，扫描臂处在第一位置中，并且光栅处在相对于彼此的第二相对横向位置中；
图8示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第四实施例，其中，扫描臂处在第二位置中，并且光栅处在相对于彼此的第二相对横向位置中；
图9示意性并且示范性示出了X射线成像设备的第四实施例，其中，扫描臂处在第一位置中，光栅处在相对于彼此的第一横向位置中，并且对象处在检查区域中；
图10示出了用于操作X射线成像设备的方法的实施例。
具体实施方式
图1示意性并且示范性示出了X射线成像设备10的第一实施例。X射线成像设备10能够例如被用于X射线相衬成像和/或暗场成像。
X射线成像设备10包括X射线源12、源光栅14、准直器16、具有相位光栅20和分析器光栅22的光栅布置18、防散射栅格24以及X射线探测器26。X射线成像设备10允许对被布置在检查区域30中的对象28进行成像，检查区域30位于X射线源12与X射线探测器26之间。
由于在利用X射线成像设备10的成像操作期间，X射线探测器26上的光栅布置18的覆盖区小于X射线探测器26的辐射敏感区，因此仅针对X射线探测器26的被提供有示出条纹图案的X射线辐射的辐射敏感区中的像素xy来获取对象扫描数据。因此，X射线成像设备10包括用于使源光栅14、准直器16和光栅布置18在扫描运动中相对于X射线探测器26围绕旋转轴32旋转的扫描臂(未示出)。这允许获取针对整个辐射敏感区并且因此针对X射线探测器26的所有像素xy的对象扫描数据。
在其他实施例中，源光栅14能够是光栅布置18(未示出)的部分。在又其他实施例中，如果X射线探测器具有足够小的像素的空间周期以用于探测由相位光栅生成的条纹图案以用于X射线相衬成像和/或暗场成像的目的，则X射线成像设备10能够包括仅具有一个光栅的光栅布置。为此目的，所述X射线探测器能够例如是具有5μm的空间分辨率或者甚至更好的空间分辨率的高分辨率X射线探测器。
X射线源12从焦斑36开始沿着光轴34发射X射线辐射束。光轴34是假想的线，其限定了在成像操作期间中心X射线束从X射线源12的焦斑36向X射线探测器26沿着其传播并且X射线辐射束沿着其展现出某种形式的对称性的路径。
在该实施例中，旋转轴32穿过X射线源12的焦斑36。
在该实施例中，X射线源12是密封管型的。备选地，X射线源12也可以是旋转阳极类型的。X射线源12的发射谱可以在25kVp至160kVp的范围内，并且在该实施例中为多色钨谱。
源光栅14被布置在X射线源12的密封X射线管的壳体的出口窗口处，使得源光栅14生成能够是彼此不相关的个体相干的X射线辐射的多个射束。在其他实施例中，源光栅14能够被布置在X射线源12中或X射线源12处，使得其允许生成至少部分相干的X射线辐射。在又其他实施例中，所述X射线源，例如同步加速器(未示出)，生成足够相干的X射线辐射的固有相干射束，使得不需要源光栅来确保X射线辐射的空间相干性以便生成条纹图案。在该实施例中，源光栅14具有60μm的周期。源光栅14能够具有在1μm与500μm之间的周期。在该实施例中，源光栅具有4mm乘40mm的尺寸。源光栅14的尺寸能够在2mm乘2mm与500mm乘500mm之间、例如在4mm乘40mm与10mm乘100mm之间。在X射线探测器26的辐射敏感表面的平面中的源光栅14的覆盖区能够与X射线探测器26的尺寸一样大。源光栅14的覆盖区能够例如在20mm乘20mm与1000mm乘1000mm之间，因为源光栅14的覆盖区取决于X射线源12与源光栅14之间的距离以及源光栅14与X射线探测器26之间的距离。在该实施例中，源光栅14具有矩形形状。在其他实施例中，源光栅14也能够具有二次形式或任何其他形式，例如圆形形式。
在该实施例中，X射线探测器26是平面二维X射线探测器，其具有用于探测X射线辐射的2900乘2900像素xy。备选地，能够使用具有任何其他数量的像素的平面或弯曲的X射线探测器，例如在500乘500像素与10000乘10000像素之间。在该实施例中，X射线探测器26具有426mm乘426mm的尺寸。备选地，能够使用具有任何其他尺寸的X射线探测器，所述X射线探测器具有的辐射敏感区大于光栅的覆盖区，例如在20mm乘20mm与1000mm乘1000mm之间，诸如在300mm乘300mm与500mm乘500mm之间。在该实施例中，X射线探测器26的像素大小是148μm乘148μm。针对其他X射线探测器，所述像素尺寸还能够例如在5μm乘5μm与500μm乘500μm之间，诸如在100μm乘100μm与500μm乘500μm之间。在该实施例中，X射线探测器26具有二次形式。在其他实施例中，所述X射线探测器能够具有任何其他形式，例如圆形形式或矩形形式。所述X射线探测器还能够由多个线探测器制成，即，彼此平行布置的一维X射线探测器以形成像素xy的二维阵列。
准直器16是任选的。准直器16具有一个狭槽并且由铅形式的辐射致密材料制成。在其他实施例中，所述准直器能够由其他辐射致密材料制成。当准直器16被布置在X射线源12与检查区域30之间时，能够使X射线辐射束与光栅20和22的尺寸或者与光栅布置18的覆盖区相一致。
相位光栅20是相移光栅，并且在其他实施例中可以由吸收光栅来替代。相位光栅20将条纹图案调制到X射线辐射上。分析器光栅22是吸收光栅。因此，分析器光栅22充当针对X射线探测器26的透射掩模，并且将局部条纹位置转换成能由X射线探测器26探测到的信号强度变化。探测到的强度信号包含关于由被布置在检查区域30中的对象28诱发的相移的定量信息。因此，使用分析器光栅22允许X射线探测器26具有较低的分辨率来分辨条纹图案。能够通过对合适的基板(诸如硅晶片)进行光刻处理来制造光栅。能够在基板中形成图案或周期性格线(ruling)。所述周期性格线能够被填充有诸如金的吸收材料。在该实施例中，相位光栅20具有9μm的周期。所述相位光栅也能够具有在1μm与50μm之间的周期。在该实施例中，分析器光栅22具有10μm的周期。所述分析器光栅还能够具有在1μm与100μm之间的周期。分析器光栅22所具有的周期能够小于X射线探测器26的像素大小。在该实施例中，相位光栅20和分析器光栅22具有相同的尺寸。在其他实施例中，相位光栅和分析器光栅的尺寸能够彼此不同。光栅20和22的尺寸能够在10mm乘10mm与500mm乘500mm之间。选取光栅20和22的尺寸，使得光栅20和22在X射线探测器26上的覆盖区至少覆盖X射线探测器26的整个长度或高度，以便允许在扫描运动期间将条纹图案提供给X射线探测器26的整个辐射敏感区。在该实施例中，光栅20和22的尺寸为10mm乘426mm。在该实施例中，光栅20和22具有矩形形式。光栅20和22也能够具有任何其他形式，例如二次形式或圆形形式。
防散射栅格24是任选的。在该实施例中，防散射栅格24包括铅形式的辐射致密材料与塑料形式的辐射透性材料的一系列交替条带。在其他实施例中，铅能够由另一种辐射致密材料来替代，而塑料能够由另一种辐射透性材料来替代。当主要的X射线束辐射基本上平行于辐射透性材料条带行进时，其穿过所述辐射透性材料条带。偏离于平行射束路径的散射辐射被辐射致密材料条带衰减。因此，防散射栅格24允许限制散射辐射的量。
在该实施例中，被布置在检查区域30中的对象28是患者。备选地，对象28也可以是一件行李、微芯片、蔬菜或用户想要检查的任何其他对象。
为了获取对象28的图像，必须执行成像操作。因此，首先在没有对象28处在检查区域30中的情况下执行参考扫描。
在参考扫描中，通过激活发射X射线辐射束的X射线源12来执行成像操作，由源光栅14使得所述X射线辐射束至少部分地相干。该部分相干的X射线辐射穿过准直器16，准直器16使射束变窄，以便与光栅布置18在X射线探测器26上的覆盖区相一致。所述X射线辐射束在没有对象28的情况下通过检查区域30并且与相位光栅20相互作用，相位光栅20将条纹图案调制到X射线辐射上。所述条纹图案撞击分析器光栅22，分析器光栅22充当针对X射线探测器26的透射掩模，并且将局部条纹位置转换成信号强度变化，所述信号强度变化随后由X射线探测器26在其像素xy处探测。
为了获取针对X射线探测器26的所有像素的参考扫描数据，光栅布置18在扫描运动中被移动到相对于X射线探测器26的多个不同位置。在该实施例中，通过利用扫描臂(未示出)旋转光栅布置18来将光栅布置18移动到50个不同位置。在备选实施例中，光栅布置18还能够被移动到4至100个不同位置之间的任意数量的不同位置，例如10、20或100个不同位置。因此，扫描臂(未示出)相对于X射线探测器26的辐射敏感表面围绕旋转轴32来旋转光栅布置18的相位光栅20和分析器光栅22、准直器16、源光栅14，以针对光栅布置18相对于X射线探测器26的不同位置来获取一系列条纹图案。
为了允许将待成像对象28的相位信息与对由X射线探测器26探测到的信号的其他贡献(诸如对象28中的吸收、光栅的容差或者由X射线源12的不均匀照射)分离，在参考扫描中，在光栅布置18相对于X射线探测器26的相同位置处获取多个不同系列条纹图案。在该实施例中，所获取的不同系列条纹图案的数量是8。在该实施例中，不同系列条纹图案的数量能够例如是3与50之间、3与30之间或者3与12之间的任何数量。能够通过改变光栅14、20和22相对于彼此的相对横向位置或者改变X射线源12的焦斑36相对于光栅14、20、22以及X射线探测器26的位置，例如通过在垂直于光轴34的方向上移动X射线源12的焦斑36，来生成不同系列条纹图案。X射线源12的焦斑36例如能够通过电磁场或磁场(未示出)来移位。在该实施例中，改变了分析器光栅22相对于相位光栅20和源光栅14的相对横向位置(未示出)。因此，压电致动器(未示出)沿着垂直于光栅线的横向方向相对于相位光栅20来移动分析器光栅22，以便在分析器光栅22的一个周期上获取图像。在其他实施例中，光栅20和22也可以围绕沿着光栅线的方向取向的轴一起旋转一角度(未示出)。替代压电致动器，可以提供任何其他致动器等。
分析器光栅22仅在后续扫描运动之间被相对于光栅14和20移动。在一次扫描运动期间，其中，源光栅14以及光栅布置18的光栅20和22被移动到不同位置，光栅14、20和22相对于彼此保持固定的空间关系。
所述参考扫描数据被用于获得参考参数。在该实施例中，拟合函数被用于拟合所述参考扫描数据以获得参考参数。所述参考参数随后能够被用于拟合在成像操作期间在对象28处在检查区域30中的情况下获取的对象扫描数据，以便获得对象28的图像。
通过将对象28布置在检查区域30中并且激活X射线源12来获取所述对象扫描数据。至少部分相干的X射线辐射束由准直器16缩窄、穿过检查区域30并且与对象28相互作用。对象28由于其结构和材料而将衰减信息、折射信息和小角度散射信息调制到X射线辐射上，所述X射线辐射能够通过对相位光栅20和分析器光栅22的操作来提取，其中，相位光栅20将条纹图案调制到X射线辐射上，所述条纹图案在穿过分析器光栅22之后作为莫尔图案的条纹能够随后由X射线探测器26来探测。莫尔图案对应于在参考扫描期间所获取的参考图案的受干扰版本。与参考图案的差异能够被用于计算衰减、相位对比和暗场的图像。在处理单元(未示出)中执行信号处理。
为了获取针对X射线探测器26的所有像素的对象扫描数据，针对仅一系列条纹图案之一，光栅布置18在扫描运动中被移动到用于获取参考扫描数据的相对于X射线探测器26的相同位置。因此，X射线成像设备10在对象28处在检查区域30中的情况下的成像操作期间获取对象扫描数据。
X射线探测器26在整个成像操作期间是固定的，而扫描臂在扫描运动期间移动准直器16以及光栅14、20和22。
在该实施例中，在源光栅14、相位光栅20和分析器光栅22之间的距离被调谐以适应Talbot距离的要求，Talbot距离是光栅格线的空间周期的函数，也被称为各个光栅的间距。因此，光栅用作Talbot-Lau型干涉仪。例如，在EP 1731099 A1中公开了用于配置光栅以用作Talbot-Lau型干涉仪的要求。在其中相位光栅由吸收光栅来替代的其他实施例中，使得X射线成像设备包括两个吸收光栅，其他要求也适用，诸如在Huang等人的“Alternativemethod for differential phase-contrast imaging with weakly coherent hard xrays”(Phys.Rev.A 79,013815(2009))一文中所公开的。在一个实施例中，所述光栅周期在投影几何结构上相匹配。
在该实施例中，所述扫描臂跨X射线探测器26的辐射敏感表面执行类似钟摆的运动。因此，光栅14、20和22也执行这种类似钟摆的运动。该运动类似于针对图2A中的X射线成像设备10'的第二实施例所呈现的运动。备选地，所述运动可以沿着与针对图3B中的X射线成像设备10”的第三实施例所执行的扫描运动相似的直线路径。
在图1中所呈现的X射线成像设备10的第一实施例中，X射线源12不与扫描臂一起旋转。在如在图4至图9中所示的X射线成像设备的第四实施例中，X射线源12与扫描臂38一起旋转。这允许增加通量。
在图1中所呈现的X射线成像设备10的第一实施例中，对象28处在躺卧位置中。对象28被放置在对象支撑体(未示出)上。所述对象支撑体能够在垂直于扫描运动方向的方向上移动，使得能够以曲折的轨迹来扫描对象。
在其他实施例中，所述源光栅和所述相位光栅也能够被布置在所述X射线源的侧面，使得所述检查区域被夹置在相位光栅与分析器光栅(未示出)之间，这种布置被称为逆几何结构。所述相位光栅也能够由吸收光栅来替代，所述源光栅能够被去除，或者所述相位光栅能够由吸收光栅来替代并且所述源光栅能够被去除。所述逆几何结构允许灵活地调节暗场灵敏度，因为能够通过减小对象与分析器光栅之间的距离来降低灵敏度。
图2A、2B和2C示意性并且示范性示出了X射线成像设备10'的第二实施例。
X射线成像设备10'包括X射线源12、源光栅14、具有相位光栅20和分析器光栅22的光栅布置18以及X射线探测器26。源光栅14也能够是光栅布置18的部分，或者源光栅14也能够被去除。在其他实施例中，所述相位光栅和所述分析器光栅能够由两个吸收光栅来替代。
对象28，在这种情况下为直立的患者，被布置在检查区域30中。在该实施例中，将患者的胸部布置在检查区域30中以用于X射线相衬成像。
X射线辐射被从X射线源12的焦斑36提供到X射线探测器26。
在该实施例中，源光栅14以及具有相位光栅20和分析器光栅22的光栅布置18被布置在扫描臂38处。扫描臂38允许相对于X射线探测器26来旋转源光栅14和光栅布置18。因此，在扫描运动期间，三个光栅14、20和22相对于彼此保持固定的空间关系。在该实施例中，相位光栅20和分析器光栅22具有与X射线探测器26的辐射敏感表面相同的水平尺寸(参见图2B)，而光栅布置18的光栅20和22的垂直尺寸小于X射线探测器26的辐射敏感区的垂直尺寸(参见示意性图2A和示意性图2C)。因此，光栅布置18也具有与X射线探测器26的辐射敏感表面相同的水平尺寸，而光栅布置18的垂直尺寸小于X射线探测器26的辐射敏感区的垂直尺寸。
图2A以侧视图示出了X射线成像设备10'，图2B以俯视图示出了X射线成像设备10'，并且图2C以前视图示出了X射线成像设备10'。
X射线成像设备10'的第二实施例对于患者的胸部成像特别有用。
图3示意性并且示范性示出了X射线成像设备10”的第三实施例。
与X射线设备10'的第二实施例相比，X射线成像设备10”具有弯曲的源光栅14、弯曲的相位光栅20以及弯曲的分析器光栅22，如在图3A中能够看到的。所述光栅的弯曲形式允许光栅的格线与X射线源12的焦斑36对准，使得光栅14、20和22的格线沿着垂直扫描方向被对准。在其他实施例中，弯曲的源光栅、相位光栅和分析器光栅能够由两个弯曲的吸收光栅或弯曲的源光栅和两个弯曲的吸收光栅来替代。
针对成像操作，具有光栅20和22的光栅布置18在扫描运动中沿着相对于X射线探测器26的直线路径移动到不同位置。由于光栅14、20和22的格线平行于扫描方向延伸，因此，如在图3B中能够看到的，能够在扫描运动期间保持源光栅14固定。另外地，X射线源12和X射线探测器26是固定的。
在WO 2017/001294 A1中，特别是在WO 2017/001294 A1的图11以及其对应的描述中，能够找到与沿着线性路径的扫描运动相关的更多细节。
图4至图9示意性并且示范性示出了X射线成像设备10”'的第四实施例，其中，扫描臂38处在不同位置α，并且光栅14、20和22在相对于彼此不同相对横向位置z。
X射线成像设备10”'包括X射线源12、源光栅14、具有相位光栅20和分析器光栅22的光栅布置18、X射线探测器26以及处理单元40。
在其他实施例中，源光栅14是光栅布置18的部分或者被移除(未示出)。在其他实施例中，相位光栅20和分析器光栅22能够由两个吸收光栅来替代。
X射线辐射束从X射线源12的焦斑36来提供，其中，中心射束沿着穿过源光栅14、能够在其中布置对象28的检查区域30、具有相位光栅20和分析器光栅22的光栅布置18的光轴34传播，并且撞击X射线探测器26。X射线探测器26将根据探测到的X射线辐射生成的信号提供给处理单元40。在该实施例中，X射线探测器26通过线与处理单元40相连接。备选地，处理单元40可以被无线地连接到X射线探测器26。
X射线源12、源光栅14和光栅布置18被布置在扫描臂38处。扫描臂38是可旋转的。在该实施例中，扫描臂38能够围绕延伸通过X射线源的焦斑36的旋转轴32来旋转。在其他实施例中，所述X射线源可以被布置在扫描臂(未示出)的外部。
在图4中，扫描臂38以及被布置在扫描臂38处的具有光栅20和22的光栅布置18被移动到相对于X射线探测器26的第一位置。在图5中，旋转扫描臂38，使得具有光栅20和22的光栅布置18被移动到相对于X射线探测器26的第二位置α。在图6中，扫描臂38的另一旋转允许将具有光栅20和22的光栅布置18移动到相对于X射线探测器26的第三位置α。旋转扫描臂38允许将具有光栅20和22的光栅布置18移动到相对于X射线探测器26的不同位置，并且因此执行对检查区域30的成像。此外，其允许对X射线探测器26的像素xy中的每个像素提供条纹图案。
X射线成像设备10”'执行与针对X射线成像设备10的第一实施例所描述的基本上相同的成像操作。然而，X射线成像设备10”'不具有准直器并且不具有防散射栅格。因此，如在图4至图8中所示的，X射线成像设备10”'在没有对象28处在检查区域中的情况下执行参考扫描以获取参考扫描数据。随后，如图9所示，能够在对象28处在检查区域中的情况下执行对象扫描以获取对象扫描数据。
通过以下操作来获取参考扫描数据：在扫描运动中将光栅布置18旋转到相对于X射线探测器26的50个不同位置α，即在该实施例中旋转角为α，同时X射线探测器26相对于检查区域30保持固定，使得在扫描运动中由X射线探测器26来探测一系列条纹图案；并且针对七个不同系列条纹图案通过在扫描运动中将光栅布置18重复旋转到相对于X射线探测器26的相同位置α。在其他实施例中，所述参考扫描数据也能够通过在扫描运动中将光栅布置18旋转到相对于X射线探测器26的另外多个不同位置α(例如，在4与100个之间或者在20与100个之间的多个不同位置、例如10、20或100个不同位置)来获取。光栅布置18在扫描运动中到相对于X射线探测器26的相同位置α的旋转也能够针对另一数量的不同系列条纹图案(例如，针对2个或更多个不同系列条纹图案，或者在2与50个之间、在2与30个之间或者在2与12个之间的任意数量，诸如2、4、7或11个不同系列条纹图案)来重复。增加的条纹图案数量增加了所导出的参考参数的精度，并且因此以用于获取参考扫描数据的成像操作更长获取时间为代价改善了最终图像质量。
在X射线成像设备10”'的该实施例中，通过改变光栅14、20和22相对于彼此的相对横向位置z来生成一系列条纹图案。具体地，图7示出了X射线成像设备10”'，其中，扫描臂38处在第一位置中，并且光栅14、20和22相对于彼此处在第二相对横向位置z中，即，相位光栅20相对于其他两个光栅14和22移位。因此，所述条纹图案改变，并且因此由X射线探测器26获取的信号也改变。相位光栅20由压电致动器(未示出)相对于源极光栅14和分析器光栅22沿着垂直于光栅线的横向方向移动，以便在相位光栅20的一个周期上获取图像。相位光栅20仅在后续扫描运动之间移动。因此，通过经由扫描臂38将光栅布置18移动到相对于X射线探测器26的不同位置来执行扫描运动。然后，相位光栅20相对于其他光栅14和22移动。随后，通过将光栅布置18移动到相对于X射线探测器26的与前一扫描运动相同的位置，来执行下一扫描运动。这允许获取参考扫描数据，所述参考扫描数据能够被重新整理获得针对X射线探测器26的每个像素xy的完整相位步进曲线。所述参考扫描数据被提供给处理单元40以用于重新整理和处理。
处理单元40通过将第一函数拟合到参考扫描数据来处理参考扫描数据，以便获得参考参数。处理单元40使用最小二乘拟合法。在其他实施例中，处理单元40还能够使用任何其他拟合方法，诸如加权最小二乘法。在该实施例中，处理单元40使用第一拟合函数Jxyα(z)＝Ixyα(1+Vxyαcos(φxyα+2πz/p))来拟合参考扫描数据以便获得参考参数，其中，Jxyα(z)是根据光栅14、20和22相对于彼此的相对横向位置z、平均通量Ixyα、条纹可见度Vxyα、条纹相位φxyα和相位光栅20的光栅周期p针对光栅布置18相对于X射线探测器26的旋转角α在X射线探测器26的像素xy处获取的参考扫描数据。
在对象28处在检查区域30中的情况下的成像操作期间，针对一系列条纹图案之一通过在扫描运动中将具有光栅20和22的光栅布置18旋转到用于获取参考扫描数据的相对于X射线探测器26的相同位置，来获取对象扫描数据。所述对象扫描数据被提供给处理单元40以进行处理。
处理单元40使用从参考扫描数据获得的参考参数将第二函数拟合到对象扫描数据。因此，处理单元40使用第二函数Kxyα＝IxyαTxy(1+VxyαDxycos(ψxy+φxyα+2πz0/p))来拟合对象扫描数据，其中，Kxyα是针对光栅14、20和22相对于彼此的横向位置z0、暗场Dxy、微分相位ψxy和对象透射率Txy的图像针对光栅布置18相对于X射线探测器26的旋转角α在X射线探测器26的像素xy处获取的对象扫描数据，因此，能够通过拟合第二函数来获取暗场、微分相位和对象透射率的图像。X射线成像设备10”'允许减少用于获取参考扫描数据和对象扫描数据的扫描运动的数量以及因此需要更少的时间用于成像。
图10示出了用于操作X射线成像设备的方法的实施例。所述X射线成像设备如下地提供。
提供了一种用于发射X射线辐射束的X射线源。在该实施例中，所述X射线源是X射线管并且具有源光栅，所述源光栅用于生成能够彼此不相干的个体相干的X射线辐射束的多个射束。备选地，能够提供固有相干X射线源，诸如同步加速器。在其他实施例中，源光栅也能够与X射线源分离。在又其他实施例中，不提供源光栅。
X射线探测器跨用于容纳待成像对象的检查区域与X射线源相对地布置。
在X射线源与X射线探测器之间布置光栅布置。此外，所述光栅布置被配置为将能由X射线探测器探测的条纹图案调制到X射线辐射上。此外，所述光栅布置被配置为使得光栅布置在X射线探测器上具有的覆盖区小于X射线探测器的辐射敏感区。为了配置所述光栅布置，提供了两个吸收光栅，并且吸收光栅被布置为使得X射线探测器上的覆盖区小于X射线探测器的辐射敏感区，并且使得能由X射线探测器探测的条纹图案被调制到X射线辐射上。在其他实施例中，所述光栅布置包括用于将条纹图案调制到X射线辐射上的相位光栅以及支持用于探测条纹图案的X射线探测器的分析器光栅。备选地，可以提供仅一个光栅或者三个或更多个光栅。所述光栅中的一个或多个光栅也能够是吸收光栅。所述源光栅也能够被提供作为光栅布置的光栅。应当理解，所述光栅布置的覆盖区取决于光栅布置的一个或多个光栅的尺寸以及光栅布置与X射线探测器之间的距离。因此，配置所述光栅布置以使得光栅布置在X射线探测器上具有的覆盖区小于X射线探测器的辐射敏感区，既包括提供特定尺寸的光栅布置，又包括将光栅布置布置在距X射线探测器的特定距离，以使得光栅布置在X射线探测器上具有的覆盖区小于X射线探测器的辐射敏感区。
为了获取参考扫描数据，所述方法执行具有步骤110和120的第一模块100。
在步骤110中，所述光栅布置在扫描运动中被移动到相对于X射线探测器的多个不同位置。在扫描运动期间，所述光栅相对于彼此被保持在固定的空间关系中。在该实施例中，所述光栅布置围绕旋转轴旋转，以用于将其移动到不同位置，所述不同位置在该实施例中是相对于X射线探测器的50个不同位置。在另一实施例中，所述不同位置能够例如是相对于X射线探测器在4与100个不同位置之间的任意数量的不同位置(例如，10、20或100个不同位置)。所述X射线探测器在扫描运动期间相对于检查区域保持固定，使得在扫描运动中由X射线探测器探测一系列条纹图案。因此，当条纹图案的位置在X射线探测器的辐射敏感区上移动时，X射线探测器的不同像素xy能够探测到不同的条纹图案。在该实施例中，随着光栅布置的旋转在X射线探测器的辐射敏感表面与生成条纹图案的光栅布置的光栅之间生成角度，探测到一系列条纹图案，使得由于放大，在扫描运动中针对不同位置的条纹图案略微不同。
在步骤120中，针对多个不同系列条纹图案，重复地在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的相同位置，以便在没有对象处在检查区域中的情况下在成像操作期间获取参考扫描数据。在该实施例中，通过在后续扫描运动之间改变光栅相对于彼此的相对横向位置来生成不同系列条纹图案。在后续运动之间，光栅相对于彼此的相对横向位置能够例如由压电致动器等来改变。因此，在该实施例中，所述相位光栅相对于分析器光栅被移动。在该实施例中，不同系列条纹图案的数量是8。不同系列条纹图案的数量也能够是例如高于3的任意数量或者是在3与50个之间、在3与30个之间、或者在3与12个之间的任意数量(例如，3、5、8或12个)。因此，能够针对X射线探测器的每个像素xy来获取参考扫描数据。这允许针对X射线探测器的每个像素xy来获得完整的相位步进曲线。
在获取参考扫描数据之后，能够执行用于执行X射线相衬成像和/或X射线暗场成像的任选第二模块200。
在执行步骤210之前，将对象布置在检查区域中。
在步骤210中，针对一系列条纹图案之一，所述光栅布置在扫描运动中被移动到用于获取参考扫描数据的相对于X射线探测器的相同位置，以便在对象处在检查区域中的情况下在成像操作期间获取对象扫描数据。备选地，能够使用导致两个或更多个不同系列条纹图案的两次或更多次扫描运动来获取对象扫描数据。
步骤110和120对于获取参考扫描数据是必不可少的。步骤210是任选的，并且能够被用于执行X射线相衬成像和/或X射线暗场成像以便获得对象的图像。
在备选实施例中，模块200还包括将第一函数拟合到参考扫描数据以便获得参数的步骤。所述第一函数例如能够是Jxyα(z)＝Ixyα(1+Vxyαcos(φxyα+2πz/p))，其中，Jxyα(z)是根据光栅相对于彼此的相对横向位置z、平均通量Ixyα、条纹可见度Vxyα、条纹相位φxyα和光栅周期p针对光栅布置相对于X射线探测器的位置α在X射线探测器的像素xy处获取参考扫描数据。备选实施例还包括使用从参考扫描数据获得的参数来拟合对象扫描数据以便获得对象的图像的步骤。因此，所述备选实施例包括将第二函数拟合到对象扫描数据以便获得对象的图像的步骤。所述第二函数例如能够是Kxyα＝IxyαTxy(1+VxyαDxycos(ψxy+φxyα+2πz0/p))，其中，Kxyα是针对光栅相对于彼此的相对横向位置z0、暗场Dxy、微分相位ψxy和对象透射率Txy的图像针对光栅布置相对于X射线探测器的位置α在X射线探测器的像素xy处获得的对象扫描数据。
尽管已经在附图和前文的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。例如，能够在以下实施例中操作本发明：其中，X射线源和相位光栅或吸收光栅具有与X射线探测器的辐射敏感区相同尺寸的覆盖区，而分析器光栅的覆盖区小于X射线探测器的辐射敏感区。在这种情况下，仅分析器光栅必须在扫描运动中移动，同时其他组件能够是固定的。
通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
单个单元、处理器或设备可以实现权利要求中所记载的若干项的函数。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施的事实并不指示不能够有利地使用这些措施的组合。
由一个或若干个单元或设备执行的操作，如：在扫描运动中将光栅布置移动到相对于X射线探测器的多个不同位置、使X射线探测器相对于检查区域保持固定、在扫描运动中由X探测器探测一系列条纹图案、在没有对象处在检查区域中的情况下针对多个不同系列条纹图案在扫描运动中将光栅布置相对于X射线探测器移动到相同位置、在对象处在检查区域中的情况下针对一系列条纹图案之一在扫描运动中将光栅布置移动到用于获取参考扫描数据的相对于X射线探测器的相同位置等，能够由任何其他数量的单元或设备来执行。这些操作和/或方法能够被实施为计算机程序的程序代码模块和/或被实施为专用硬件。
可以将计算机程序存储/分布在与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的部分而提供的合适介质(诸如光存储介质或固态介质)上，但是也可以以其他形式来分布，诸如经由Internet、以太网或者其他有线或无线电信系统。
权利要求中的任何附图标记都不应当被解读为限制范围。
本发明涉及获取用于X射线相衬成像和/或X射线暗场成像的参考扫描数据。因此，X射线探测器在光栅布置被布置在X射线源与X射线探测器之间的情况下跨检查区域与X射线源相对地布置。在没有对象处在检查区域中的成像操作期间，所述光栅布置在扫描运动中被移动到相对于X射线探测器的多个不同位置，同时X射线探测器相对于检查区域保持固定，使得在扫描运动由X射线探测器探测一系列条纹图案。针对不同系列条纹图案来重复所述扫描运动。这允许以较少的扫描运动来获取用于校准X射线成像设备所需的参考扫描数据。

Claims (15)

1.一种X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，包括：
X射线源(12)，其用于发射X射线辐射束，
X射线探测器(26)，其跨用于容纳待成像对象(28)的检查区域(30)与所述X射线源(12)相对地布置，
光栅布置(18)，其被布置在所述X射线源(12)与所述X射线探测器(26)之间，并且被配置为将能由所述X射线探测器(26)探测的条纹图案调制到所述X射线辐射上，
其中，所述光栅布置(18)在所述X射线探测器(26)上的覆盖区小于所述X射线探测器(26)的辐射敏感区，并且
其中，所述X射线成像设备(10、10'、10”、10”')被配置为通过以下操作在所述检查区域(30)中没有所述对象(28)的情况下进行成像操作期间获取参考扫描数据：
在扫描运动中将所述光栅布置(18)移动到相对于所述X射线探测器(26)的多个不同位置(α)，同时所述X射线探测器(26)相对于所述检查区域(30)保持固定，使得在所述扫描运动中，由所述X射线探测器(26)探测一系列条纹图案；并且
针对不同系列条纹图案，在所述扫描运动中将所述光栅布置(18)移动到相对于所述X射线探测器(26)的相同位置(α)，使得所述待成像对象(28)的相位信息与对由所述X射线探测器(26)探测到的信号的其他贡献相分离。
2.根据权利要求1所述的X射线成像设备，其中，所述X射线成像设备(10、10'、10”、10”')被配置为：针对所述一系列条纹图案之一，通过在所述扫描运动中将所述光栅布置(18)移动到用于获取所述参考扫描数据的相对于所述X射线探测器(26)的相同位置(α)，在所述对象(28)处在所述检查区域(30)中的情况下在成像操作期间获取对象扫描数据。
3.根据权利要求2所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述X射线成像设备(10、10'、10”、10”')被配置为：基于从所述参考扫描数据获得的参数来拟合所述对象扫描数据，以便获得所述对象(28)的图像。
4.根据权利要求3所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述光栅布置(18)在所述成像操作期间被至少部分地布置在所述X射线辐射束中，以用于执行相衬成像和/或暗场成像。
5.根据权利要求4所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述光栅布置(18)包括两个光栅(20、22)，并且其中，所述光栅(20、22)在所述扫描运动中的每次扫描运动期间保持在相对于彼此的固定空间关系中。
6.根据权利要求5所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述X射线成像设备(10、10'、10”、10”')包括源光栅(14)，所述源光栅被布置在所述X射线源(12)与所述检查区域(30)之间，使得所述源光栅(14)生成能够彼此不相干的个体相干的X射线辐射的多个射束。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述X射线成像设备(10、10'、10”、10”')被配置为通过以下操作在所述检查区域(30)中没有所述对象(28)的情况下进行成像操作期间获取参考扫描数据：在扫描运动中将所述光栅布置(18)移动到相对于所述X射线探测器(26)的至少四个不同位置(α)，同时所述X射线探测器(26)相对于所述检查区域(30)保持固定，使得在所述扫描运动中由所述X射线探测器(26)探测一系列条纹图案；并且针对至少两个不同系列条纹图案，在所述扫描运动中将所述光栅布置(18)移动到相对于所述X射线探测器(26)的相同位置(α)。
8.根据权利要求5或6所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述X射线成像设备(10、10'、10”、10”')被配置为通过在后续扫描运动之间改变所述光栅(14、20、22)相对于彼此的相对横向位置(z)来生成不同系列条纹图案。
9.根据权利要求8所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述X射线成像设备(10、10'、10”、10”')包括处理单元(40)，所述处理单元用于通过以下操作来处理参考扫描数据和对象扫描数据：将第一函数拟合到所述参考扫描数据以便获得所述参数；并且使用从所述参考扫描数据获得的所述参数将第二函数拟合到所述对象扫描数据。
10.根据权利要求9所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述处理单元(40)被配置用于将第一函数Jxyα(z)＝Ixyα(1+Vxyαcos(φxyα+2πz/p))拟合到所述参考扫描数据，其中，Jxyα(z)是根据所述光栅(20、22)相对于彼此的相对横向位置z、平均通量Ixyα、条纹可见度Vxyα、条纹相位φxyα和光栅周期p针对所述光栅布置(18)相对于所述X射线探测器(26)的位置α在所述X射线探测器(26)的像素xy处获取的所述参考扫描数据。
11.根据权利要求10所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')，其中，所述处理单元(40)被配置用于将第二函数Kxyα＝IxyαTxy(1+VxyαDxy cos(ψxy+φxyα+2πz0/p))拟合到所述对象扫描数据，其中，Kxyα是针对所述光栅(20、22)相对于彼此的相对横向位置z0、暗场Dxy、微分相位ψxy和对象透射率Txy的图像针对所述光栅布置(18)相对于所述X射线探测器(26)的所述位置α在所述X射线探测器(26)的所述像素xy处获取的所述对象扫描数据。
12.根据权利要求11所述的X射线成像设备(10)，其中，所述光栅布置(18)的所述两个光栅是相位光栅(20)和吸收光栅(22)，并且其中，所述光栅(14、20、22)之间的距离被调谐以适应Talbot距离的要求，使得所述光栅布置(18)形成Talbot-Lau型干涉仪。
13.一种用于操作根据权利要求1所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')的方法，包括以下步骤：
通过以下操作在所述检查区域(30)中没有所述对象(28)的情况下进行成像操作期间获取参考扫描数据：
在保持所述X射线探测器(26)相对于所述检查区域(30)固定的同时在扫描运动中将所述光栅布置(18)移动到相对于所述X射线探测器(26)的多个不同位置(α)，使得在所述扫描运动中由所述X射线探测器(26)探测一系列条纹图案；并且
针对不同系列条纹图案在所述扫描运动中将所述光栅布置(18)移动到相对于所述X射线探测器(26)的相同位置(α)，使得所述待成像对象(28)的相位信息与对由所述X射线探测器(26)探测到的信号的其他贡献相分离。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
针对所述一系列条纹图案之一，在所述扫描运动中将所述光栅布置(18)移动到用于获取所述参考扫描数据的相对于所述X射线探测器(26)的相同位置(α)，以便在所述对象(28)处在所述检查区域(30)中的情况下在成像操作期间获取对象扫描数据。
15.一种用于操作根据权利要求1所述的X射线成像设备(10、10'、10”、10”')的计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码模块，当所述计算机程序在处理器上运行时，所述程序代码模块用于使所述处理器执行根据权利要求13所述的方法。
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