CN112533537A - 用于生成x射线成像数据的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生成X射线成像数据的装置(10)。它描述了第一光栅被定位(210)在X射线源与第二光栅之间。所述第二光栅被定位(220)在所述第一光栅与第三光栅之间。第三光栅被定位(230)在所述第二光栅与X射线探测器之间。对象被定位(240)在所述第一光栅与所述第三光栅之间。这三个光栅中的至少一个光栅具有光栅间距恒定的间距属性。这三个光栅中的至少一个光栅具有光栅间距变化的间距属性。一对相邻的光栅中的两个光栅都是弯曲的，使得这两个相邻的光栅之间的距离根据扇形角是恒定的。一对相邻的弯曲的光栅中的两个光栅都具有相同的间距属性。X射线探测器探测(250)由这三个光栅和所述对象透射的X射线中的至少一些X射线。
Description
技术领域
本发明涉及用于生成X射线成像数据的装置、用于生成X射线成像数据的方法以及计算机程序单元和计算机可读介质。
背景技术
差分相衬成像(DPCI)和暗场成像(DFI)是很有前途的技术，它们有望提高X射线仪器计算机断层摄影(CT)系统和放射摄影系统的诊断质量。例如，暗场X射线(DAX)成像是一种新的模态，它在诊断如COPD、肺纤维化、肺癌等肺部疾病方面具有巨大潜力。DAX成像的基本构思是使用Talbot-Lau型干涉仪，即，将三个光栅G0、G1和G2添加到X射线束中。能够将对象放置在G0光栅与G1光栅之间或者G1与G2之间。
US 2016/0135769 A描述了用于X射线相衬成像(PCI)的系统和方法。它描述了准周期性相位光栅能够被定位在被成像对象与探测器之间，并且分析器光栅能够被设置在相位光栅与探测器之间。它还描述了使用近轴Fresnel-Kirchhoff衍射理论进行X射线相位恢复的二阶近似模型。它描述了能够使用迭代方法来重建相衬图像或暗场图像。
DAX系统构建中的主要挑战之一是分析器光栅G2。在理想情况下，它必须覆盖整个探测器区(例如，43cm×43cm)并且必须高度衰减(例如＞90％)。同时，对间距的要求仍然很高(周期在15至40μm的范围内)。综合所有这些要求，很显然，必须将光栅薄片聚焦到源。
最新的光栅制造基于“光刻、电镀和成型”LIGA技术，然而，它具有若干限制和缺点，例如，需要访问同步加速器或需要利用光栅片来工作，因为光栅尺寸是有限的。
另一方面，当前已经建立了成熟的箔堆叠技术来生产防散射网格。该领域的最新进展表明：利用该技术可能实现所期望的光栅周期。
虽然箔堆叠的最新进展可能为将这种技术用于G2开辟了道路，但是将这种技术用于G0(因为间距更小)和G1(因为这是相位光栅)是不可行的。用LIGA制造的光栅与箔堆叠的组合提出了聚焦问题。如果使用LIGA工艺来制造光栅，则光栅固有地是平坦的并且聚焦到无穷远，即，所有薄片彼此平行。光栅的聚焦是通过弯曲基板来实现的。然而，另一方面，通过箔堆叠制造的光栅是平坦的并且直接聚焦到预定义距离。这些光栅非常坚硬，并且在制造后无法改变焦点。特别地，无法制造焦点在无穷远处并稍后被弯曲到距X射线管的焦斑的期望距离的光栅。
需要解决这些问题。
发明内容
具有改进的用于相衬成像和/或暗场成像的装置、方法和系统将是有利的。
通过独立权利要求的主题解决了本发明的目的，其中，在从属权利要求中并入了其他实施例。应当注意，以下描述的本发明的各个方面和示例也适用于用于生成X射线成像数据的装置、用于生成X射线成像数据的方法以及计算机程序单元和计算机可读介质。
根据第一方面，提供了一种用于生成X射线成像数据的装置，包括：
X射线源；
第一光栅；
第二光栅；
第三光栅；以及
X射线探测器。
所述X射线源被配置为产生X射线。所述第一光栅被定位在所述X射线源与所述第二光栅之间。所述第二光栅被定位在所述第一光栅与所述第三光栅之间。所述第三光栅被定位在所述第二光栅与所述X射线探测器之间。所述第一光栅与所述第三光栅之间的区域的至少部分形成用于容纳对象的检查区域。所述第一光栅或所述第三光栅具有光栅间距恒定的间距属性。一对相邻的光栅中的两个光栅都具有光栅间距变化的间距属性。一对相邻的光栅中的两个光栅都是弯曲的，使得两个相邻的光栅之间的距离根据扇形角是恒定的。所述X射线探测器被配置为探测由三个光栅透射的所述X射线中的至少一些X射线。
换句话说，利用了暗场布置和/或相衬布置的G0光栅、G1光栅和G2光栅，但是这些光栅中彼此相邻的两个光栅是弯曲的。因此，G0光栅和G1光栅是弯曲的，或者G1光栅和G2光栅是弯曲的。然后，G0光栅和G1光栅都具有变化的光栅间距(啁啾)，而G2光栅具有恒定的间距，或者G1光栅和G2光栅都具有变化的间距，而G0具有恒定的光栅间距。由此，
G0和G1能够是弯曲的并且是啁啾的，而G2具有恒定的间距并且是平面的，或者
G0和G1能够是弯曲的并且G1和G2利用具有恒定的间距的G0进行啁啾，而G2是平面的，或者
G1和G2能够是弯曲的并且G0和G1利用具有恒定的间距的G2进行啁啾，而G0能够是平面的，或者
G1和G2能够是弯曲的并且是啁啾的，而G0能够具有恒定的间距并且是平面的。
以这种方式，例如通过利用LIGA而简化了光栅的制造。
此外，这种全新的布置确保了干涉测量设计的正确操作，其中，由G0光栅的个体狭缝生成的条纹图案在G2的位置处正确对齐，否则将无法真正满足上述条件。
应当注意，弯曲的光栅各自在具有所要求的曲率半径的圆柱形表面上弯曲。
在示例中，未弯曲的光栅是平面光栅。
在示例中，一对相邻的弯曲的光栅是所述第一光栅和所述第二光栅。
换句话说，G0光栅和G1光栅是弯曲的，而G2光栅能够是平面的。
在示例中，所述第一光栅和所述第二光栅具有光栅间距变化的间距属性。
换句话说，G0光栅和G1光栅是弯曲的并且是啁啾的，而G2光栅具有恒定的间距。
在示例中，所述第二光栅和所述第三光栅具有光栅间距变化的间距属性。
换句话说，G0光栅和G1光栅是弯曲的，而G1光栅和G2光栅利用具有恒定的光栅间距的G0进行啁啾。
在示例中，一对相邻的弯曲的光栅是所述第二光栅和所述第三光栅。
换句话说，G1光栅和G2光栅是弯曲的，而G0光栅能够是平面的。
在示例中，所述第一光栅和所述第二光栅具有光栅间距变化的间距属性。
换句话说，G1光栅和G2光栅是弯曲的，而G0光栅和G1光栅是chi的，而G2具有恒定的光栅间距。
在示例中，所述第二光栅和所述第三光栅具有光栅间距变化的间距属性。
换句话说，G1光栅和G2光栅是弯曲的并且具有变化的光栅间距，而G0光栅具有恒定的光栅间距。
在示例中，所述成像数据包括暗场成像数据或相衬成像数据。
根据第二方面，提供了一种用于对对象进行X射线成像的系统，包括：
根据第一方面的用于生成X射线成像数据的装置；
处理单元；以及
输出单元。
所述处理单元被配置为控制所述装置，并且被配置为控制所述输出单元。所述X射线探测器被配置为向所述处理单元提供与X射线的所述探测有关的数据。所述输出单元被配置为输出表示所述对象的数据。
在示例中，所述系统是放射摄影系统或CT系统。
根据第三方面，提供了一种用于生成X射线成像数据的方法，包括：
a)将第一光栅定位在X射线源与第二光栅之间；
b)将所述第二光栅定位在所述第一光栅与第三光栅之间；
c)将第三光栅定位在所述第二光栅与X射线探测器之间；
d)将对象定位在所述第一光栅与所述第三光栅之间；
其中，所述第一光栅或所述第三光栅具有光栅间距恒定的间距属性；
其中，一对相邻的光栅中的两个光栅都具有光栅间距变化的间距属性；
其中，一对相邻的光栅中的两个光栅都是弯曲的，使得两个相邻的光栅之间的距离根据扇形角是恒定的；并且
e)由X射线探测器探测由三个光栅和所述对象透射的X射线中的至少一些X射线。
根据另一方面，提供了一种控制如前所述的装置的计算机程序单元，如果所述计算机程序单元由处理单元执行，则所述装置适于执行如前所述的方法的步骤。
根据另一方面，提供了一种存储有如前所述的计算机单元的计算机可读介质。
计算机程序单元能够例如是软件程序，但是也能够是FPGA、PLD或任何其他适当的数字单元。
有利地，由以上任何方面提供的益处同样适用于所有其他方面，反之亦然。
参考下文描述的实施例，上述方面和示例将变得显而易见并且将得到阐明。
附图说明
下面将参考以下附图来描述示例性实施例：
图1示出了用于生成X射线成像数据的装置的示例的示意性设置；
图2示出了用于生成X射线成像数据的系统的示例的示意性设置；
图3示出了用于生成X射线成像数据的方法；
图4示出了DAX/相衬系统的示意图；
图5示出了具有G0光栅、G1光栅和G2光栅的光栅布置的示例的示意图；
图6示出了在图1-2的装置和系统中使用的光栅布置的示例的示意图；并且
图7示出了在图1-2的装置和系统中使用的光栅布置的示例的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于生成X射线成像数据的装置10的示例。装置10包括X射线源20、第一光栅30、第二光栅40、第三光栅50和X射线探测器60。X射线源20被配置为产生X射线。第一光栅30被定位在X射线源20与第二光栅40之间。第二光栅40被定位在第一光栅30与第三光栅50之间。第三光栅50被定位在第二光栅40与X射线探测器60之间。第一光栅与第三光栅之间的区域的至少部分形成用于容纳对象的检查区域。第一光栅或第三光栅具有光栅间距恒定的间距属性。一对相邻的光栅中的两个光栅都具有光栅间距变化的间距属性。一对相邻的光栅中的两个光栅都是弯曲的，使得这两个相邻的光栅之间的距离根据扇形角是恒定的。X射线探测器被配置为探测由三个光栅透射的X射线中的至少一些X射线。
在示例中，弯曲的光栅的曲率半径延伸回到X射线源的位置。
而且，扇形角涉及X射线束远离中心线取向的角度。
根据示例，未弯曲的光栅是平面光栅。
根据示例，一对相邻的弯曲的光栅是第一光栅和第二光栅。
根据示例，第一光栅和第二光栅具有光栅间距变化的间距属性。
根据示例，第二光栅和第三光栅具有光栅间距变化的间距属性。
根据示例，一对相邻的弯曲的光栅是第二光栅和第三光栅。
根据示例，第一光栅和第二光栅具有光栅间距变化的间距属性。
根据示例，第二光栅和第三光栅具有光栅间距变化的间距属性。
根据示例，成像数据包括暗场成像数据和/或相衬成像数据。
图2示出了用于对对象进行X射线成像的系统100的示例。该系统包括如关于图1所描述的用于生成X射线成像数据的装置10。系统10还包括处理单元110和输出单元120。处理单元110被配置为控制装置10，并且被配置为控制输出单元120。装置10的X射线探测器60被配置为向处理单元110提供与X射线的探测有关的数据。输出单元120被配置为输出表示对象的数据。
根据示例，该装置是放射摄影装置或CT装置。
根据示例，该系统是放射摄影系统或CT系统。
图3以基本步骤示出了用于生成X射线成像数据的方法200。方法200包括：
在定位步骤210(也被称为步骤a))中，将第一光栅定位在X射线源与第二光栅之间；
在定位步骤220(也被称为步骤b))中，将第二光栅定位在第一光栅与第三光栅之间；
在定位步骤230(也被称为步骤c))中，将第三光栅定位在第二光栅与X射线探测器之间；
在定位步骤240(也被称为步骤d))中，将对象定位在第一光栅与第三光栅之间；
其中，第一光栅或第三光栅具有光栅间距恒定的间距属性；
其中，一对相邻的光栅中的两个光栅都具有光栅间距变化的间距属性；
其中，一对相邻的光栅中的两个光栅都是弯曲的，使得这两个相邻的光栅之间的距离根据扇形角是恒定的；并且
在探测步骤250(也被称为步骤e))中，由X射线探测器探测由三个光栅和对象透射的X射线中的至少一些X射线。
在示例中，未弯曲的光栅是平面光栅。
在示例中，一对相邻的弯曲的光栅是第一光栅和第二光栅。
在示例中，第一光栅和第二光栅具有光栅间距变化的间距属性。
在示例中，第二光栅和第三光栅具有光栅间距变化的间距属性。
在示例中，一对相邻的弯曲的光栅是第二光栅和第三光栅。
在示例中，第一光栅和第二光栅具有光栅间距变化的间距属性。
在示例中，第二光栅和第三光栅具有光栅间距变化的间距属性。
在示例中，成像数据包括暗场成像数据或相衬成像数据。
现在参考图4-7来更详细地描述用于生成X射线成像数据的装置、系统和方法。
图4示出了具有被插入到光路中的三个光栅的DAX装置的示意图。通常，G0和G2是吸收光栅，而G1是相位光栅。然而，对象可能被定位在G0光栅与G1光栅之间。
图5示出了一种光栅布置，其中，G0和G1是通过LIGA制造的(通过弯曲而聚焦到源)并且G2是通过箔堆叠制造的(在平面光栅的至少期间进行聚焦)。光轴由虚线表示，其中，处于不同扇形角的两条示例性射线以实线表示。注意，在这种布置中，从G0到G1的距离不随扇形角而变化，但是从G1到G2的距离却随扇形角而变化。然而，这样的布置的这种特征不符合标准的Talbot-Lau干涉仪设计，直到某些光栅进行啁啾为止，这将在下面更详细地讨论。
图6示出了处于扇形角α处的示例性射线。关于解决上述问题的设计，为了简单起见，假定G1是π/2相位光栅或吸收光栅。通过考虑G2的位置处的干涉图案的倍频，该构思能够轻松地针对π相位光栅进行调整。现在返回到G1是π/2相位光栅或吸收光栅的情况，光栅G0、G1和G2的周期能够分别被表示为p0、p1和p2，并且从G0到G1的距离和从G1到G2的距离分别被表示为l和d。为了使系统正常操作，必须满足以下关系：
和
注意，这些关系是正确操作所必需的，因为这些关系确保了由G0的个体缝隙生成的条纹图案在G2的位置处正确对齐。请注意，通常还存在与系统设计能量有关的另一种关系，即：
其中，λ是系统设计能量的波长。如背景技术部分所述，使用用LIGA制造的光栅是现有技术，并且所有光栅都具有固定的周期。这些光栅要么全部是平坦的，要么全部通过弯曲聚焦。请注意，公式1和2在这两种情况下均成立。然而，在图6所示的场景下，这种情况不成立。考虑到如图6所示的射线。请注意，在这种几何形状中，l和g，从焦斑到G0的距离独立于α，而d取决于α，如下式所示：
然后，以啁啾周期制造光栅G0和G1。根据上述公式，G0的周期应为：
并且G1的周期应为：
请注意，光栅结构以及因此使用LIGA制造的光栅的周期是在光刻步骤中产生的，该光刻步骤容易进行对周期的这种调制。
返回图6，不是使G0和G1成为弯曲且啁啾的并且使G2成为平面的并具有恒定的光栅间距，而是能够使G0和G1成为弯曲的并且能够使G2成为平面的并且G0能够具有恒定的光栅间距，并且G1和G2能够成为啁啾的。
然后，以上公式能够用于根据扇形角α来确定所要求的周期p1和p2。
此外，如图7所示，不是使G0和G1成为弯曲的并使G2成为平面的，而是能够使G0成为平面的并使G1和G2成为弯曲的。然后，以G0和G1啁啾并且G2具有恒定的间距的情况为例，为了计算必要的变化光栅间距，适用以下条件：
p2应是恒定的
然而，再次参考图7，G0能够具有恒定的间距，并且G1和G2能够是啁啾的。在这种情况下，以下公式适用于计算变化的光栅间距：
p0应是恒定的
在另一示例性实施例中，提供了一种计算机程序或计算机程序单元，其特征在于，其被配置为在适当的系统上执行根据前述实施例之一的方法的方法步骤。
因此，计算机程序单元可以被存储在计算机单元中，该计算机程序单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以被配置为执行或引起对上述方法的步骤的执行。此外，该计算单元可以被配置为操作上述装置和/或系统的部件。该计算单元能够被配置为自动操作和/或执行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。因此，可以装备数据处理器来执行根据前述实施例之一的方法。
本发明的该示例性实施例覆盖从一开始就使用本发明的计算机程序，以及借助于将现有程序更新转换为使用本发明的程序的计算机程序这两者。
另外，计算机程序单元能够提供所有必要步骤以完成如上所述的方法的示例性实施例的流程。
根据本发明的另外的示例性实施例，提出了一种计算机可读介质(例如，CD-ROM、USB棒等)，其中，该计算机可读介质具有被存储于其上的计算机程序单元，所述计算机程序单元由前面的章节所描述。
计算机程序可以被存储和/或分布在合适的介质上，例如，与其他硬件一起或作为其他硬件的部分而供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统进行分布。
然而，计算机程序也可以存在于网络(如万维网)上，并且能够从这样的网络被下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另外的示例性实施例，提供了用于使计算机程序单元可用于下载的介质，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的先前描述的实施例之一的方法。
必须注意，本发明的实施例是参考不同主题来描述的。特别地，一些实施例是参考方法型权利要求来描述的，而其他实施例是参考装置型权利要求来描述的。然而，除非另有说明，本领域技术人员将从以上和以下的描述中推断出：除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也被认为在本申请中得到公开。然而，所有的特征都能够被组合以提供多于特征的简单加合的协同效应。
虽然已经在附图和前面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图示性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (14)
1.一种用于生成X射线成像数据的装置(10)，包括：
X射线源(20)；
第一光栅(30)；
第二光栅(40)；
第三光栅(50)；以及
X射线探测器(60)；
其中，所述X射线源被配置为产生X射线；
其中，所述第一光栅被定位在所述X射线源与所述第二光栅之间；
其中，所述第二光栅被定位在所述第一光栅与所述第三光栅之间；
其中，所述第三光栅被定位在所述第二光栅与所述X射线探测器之间；
其中，所述第一光栅与所述第三光栅之间的区域的至少部分形成用于容纳对象的检查区域；
其中，所述第一光栅或所述第三光栅具有光栅间距恒定的间距属性；
其中，一对相邻的光栅中的两个光栅都具有光栅间距变化的间距属性；
其中，一对相邻的光栅中的两个光栅都是弯曲的，使得两个相邻的光栅之间的距离根据扇形角是恒定的；并且
其中，所述X射线探测器被配置为探测由三个光栅透射的所述X射线中的至少一些X射线。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，未弯曲的光栅是平面光栅。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的装置，其中，一对相邻的弯曲的光栅是所述第一光栅和所述第二光栅。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一光栅和所述第二光栅具有光栅间距变化的间距属性。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第二光栅和所述第三光栅具有光栅间距变化的间距属性。
6.根据权利要求1-2中的任一项所述的装置，其中，一对相邻的弯曲的光栅是所述第二光栅和所述第三光栅。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一光栅和所述第二光栅具有光栅间距变化的间距属性。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第二光栅和所述第三光栅具有光栅间距变化的间距属性。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的装置，其中，所述成像数据包括暗场成像数据或相衬成像数据。
10.一种用于对对象进行X射线成像的系统(100)，包括：
根据任一前述权利要求所述的用于生成X射线成像数据的装置(10)；
处理单元(110)；以及
输出单元(120)；
其中，所述处理单元被配置为控制所述装置，并且被配置为控制所述输出单元；
其中，所述X射线探测器被配置为向所述处理单元提供与X射线的所述探测有关的数据；
其中，所述输出单元被配置为输出表示所述对象的数据。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统是放射摄影系统或CT系统。
12.一种用于生成X射线成像数据的方法(200)，包括：
a)将第一光栅定位(210)在X射线源与第二光栅之间；
b)将所述第二光栅定位(220)在所述第一光栅与第三光栅之间；
c)将第三光栅定位(230)在所述第二光栅与X射线探测器之间；
d)将对象定位(240)在所述第一光栅与所述第三光栅之间；
其中，所述第一光栅或所述第三光栅具有光栅间距恒定的间距属性；
其中，一对相邻的光栅中的两个光栅都具有光栅间距变化的间距属性；
其中，一对相邻的光栅中的两个光栅都是弯曲的，使得两个相邻的光栅之间的距离根据扇形角是恒定的；并且
e)由X射线探测器探测(250)由三个光栅和所述对象透射的X射线中的至少一些X射线。
13.一种用于控制根据权利要求1至9中的任一项所述的装置和/或用于控制根据权利要求10至11中的任一项所述的系统的计算机程序单元，所述计算机程序单元当由处理器执行时被配置为执行根据权利要求12所述的方法。
14.一种存储有根据权利要求13所述的程序单元的计算机可读介质。
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