CN112739264A - 用于x射线成像的系统和方法以及造影剂 - Google Patents

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Abstract

x射线设备和方法能够以多种方式改进x射线成像。例如，改进的x射线设备可以减少来自由二维检测器获取的x射线图像的散射。改进的2D x射线设备可以提供用于医学和/或工业应用的3D成像。改进的2D x射线设备和方法可以生成单个对象内的单独组件或单独材料的分开的材料成像，以及表征用组成分析和图像相关性、密度测定和组成信息。将2D或3D全场x射线成像和高分辨率2D或3D x射线显微术或光谱吸光测定和光谱学相结合的非旋转3D显微术可以在3D和实时的x射线成像和定量分析中实现更高的分辨率和更宽的视场。所述x射线设备可以改进时间和/或空间中的追踪和/或手术指导。

Description

用于X射线成像的系统和方法以及造影剂
通过引用任何优先权申请并入
本申请要求2018年8月2日提交的美国临时专利申请第62/713,554号、2019年2月11日提交的美国临时专利申请第62/803,613号；2019年5月26日提交的美国临时专利申请第62,853,050号；2018年7月30日提交的美国临时专利申请第62/712,058号；2018年10月14日提交的美国临时专利申请第62/745,369号；2018年9月11日提交的美国临时专利申请第62/729,433号以及2018年11月3日提交的美国临时专利申请第62/755,425号的权益，所述专利申请中的每一个的全部公开内容在此通过引用并入并构成本说明书的一部分。
与本申请一起提交的申请数据表中确定了外国或国内优先权要求的任何和所有申请在此根据37CFR 1.57通过引用并入。
本申请与2019年1月20日提交的国际专利申请第PCT/US19/14391号、2019年3月18日提交的国际专利申请第PCT/US2019/022820号以及美国专利第5,648,997号、第5,771,269号、第6052433A号、第6134297A号和第6173034B1号有关，所述专利中的每一个的全部公开内容在此通过引用并入并构成本说明书的一部分。
背景
领域
本公开内容总体上涉及数字x射线成像。
相关技术的描述
当x射线(光子)光束穿透正被成像的对象时，该光束的光子可以(1)以直线(称为初级光束)穿透对象并由成像检测器收集，该成像检测器产生x射线二维(2D)图像的较暗部分；(2)被对象吸收，产生图像的较亮部分(例如，骨显示为白色，然而空气填充的肺显示为黑色)；或者(3)在对象内散射，但仍离开对象并由成像检测器收集。由检测器收集的散射信号很难定量地与对象内部存在的不同密度的内容物关联，并且散射的测量不容易与产生散射信号的对象的内部内容物的精确3D空间位置关联，并且会降低由初级x射线测量形成的图像的清晰度。随着散射辐射量的增加，图像变得不太清晰，并且图像对比度可能降低。
散射与初级光束比(SPR)是散射辐射的能量除以撞击成像设备上同一点的初级光束的能量。对于使用用于人体成像的二维检测器的大多数成像系统，SPR可以高达50％至100％。随机散射的x射线倾向于降低图像对比度，产生模糊，并降低信噪比。
对于诊断、检查、图像指导和追踪、安全应用，可能需要定量的成像数据。旋转计算机断层摄影(CT)可以提供定量的成像数据，但可能是耗时的，通常不是便携式的，需要高辐射，和/或通常具有大约10-1-10-3摩尔的低摩尔灵敏度。与旋转CT相比，非旋转CT和2D成像更便宜，更快和/或需要更低的辐射，但通常不是定量的。
在临床x射线成像中，为了诊断包括但不限于骨的应力性骨折、肺栓塞和其它疾病在内的疾病，在骨或组织的目的区域处的断裂图像的关联性和密度在密度计和x射线成像系统中分别进行。
使用常规旋转CT中使用的方法生成三维(3D)x射线显微图像，其中对象或源和检测器绕轴旋转。需要以180°拍摄整个对象的多个图像以重建对象的3D图像。因此，该过程是耗时的。然而，随着物镜的发展，可以达到单数位纳米(nm)分辨率或甚至更高的分辨率的X射线显微术通常针对具有小形状因子(例如范围为1mm)的对象进行。
通常，在不增加扫描和移动能力的情况下，光子计数检测器、能量敏感检测器、硅漂移检测器、光谱仪和/或光谱吸光测定系统仅能够测量小尺寸的对象。
由于常规3D CT扫描仪的高辐射水平，这样的成像方法的频率(尤其是在诊断和治疗过程中)受到限制。
临床x射线成像通常涉及与骨折有关的病例，其中患者必须佩戴石膏铸件支撑件(plaster cast support)。当前的x射线成像技术由于石膏铸件的重叠图像而不具有获得人体和内部器官的清晰的二维投影x射线图像的能力。因为石膏铸件或玻璃纤维的化学组成接近骨材料的化学组成，并且由于铸件的厚度和不规则结构，实际上不能获得关于铸件内部受伤的骨头或组织的状态的图像信息。因此，在可以拍摄每个x射线图像以监测恢复之前需要去除该铸件，并且不能更及时地个性化或管理患者的治疗和/或手术后护理。
出于临床和/或科学目的，单个细胞或小颗粒、分子和/或有机体可能需要在体内或离体诊断、筛选、治疗监测期间可视化、定量和/或追踪。然而，当前的成像模态，如x射线成像，不能实现所需的灵敏度。
在工业和安全x射线成像中，需要分析(例如，在机场的)有危险的爆炸物和安全威胁，并且可能需要表征和鉴定成像对象中的材料和组件。这些任务可以用本公开内容的进展来执行。
发明内容
x射线成像设备和方法可以以多种方式改进x射线成像。
在一些配置中，x射线测量系统可以包括x射线源，其被配置为发射指向成像对象的一个或多个x射线光束；以及在所述成像对象下游的二维(2D)x射线检测器，其中所述系统的控制器可以被配置为通过在3D空间的至少两个轴上移动或操纵x射线发射位置或x射线源以及获得2D x射线测量来获得所述对象的多维和/或三维(3D)图像，所述3D空间包括在x-y-z轴上的位置。
在一些配置中，所述检测器可以被配置为进行用于所述对象的诊断、检查、追踪和/或监测的第一测量和/或实况或第二测量。x射线源可以被配置为发射具有可控能量的x射线光束。x射线源可以被配置为发射单个锥形光束或多个细光束。所述系统可以包括光束选择器或光束吸收板，其被配置为选择性地允许某些光束到达x射线检测器的预定位置。处理器可以被配置为去除x射线测量中的散射。所述系统可以包括第二2D x射线检测器。2D x射线检测器可以是系统中唯一的x射线检测器。相邻x射线发射位置之间的距离可以是第三轴中所需的分辨率的尺寸和/或使得两个位置产生一组x射线光束且每组照射目的区域中的不同体素路径所需的最小距离。相邻x射线发射位置之间的距离可以是1像素间距、像素间距的整数倍或小于1像素间距。发射位置的总数或为构建3D图像拍摄的2D图像的总数可以是第三轴的深度除以第三轴的分辨率。当在x和y维度上移动时，相距最远的发射位置的总移动角可以小于0.1度、或是0.1度，或是0.1至1度。当在x、y和z轴上移动时，相距每个轴最远的发射位置的总移动角可以小于0.0008度、或是0.0008度、或是0.0008度至0.5度、或是0.5度至1度。
在一些配置中，使用二维x射线检测器实时监测接受x光检查的对象的方法可以包括：在第一时间点获得所述对象的多个第一x射线测量；在比第一时间点晚的第二时间点获得所述对象的多个第二x射线测量，所述对象或其一部分在第一时间点与第二时间点之间已经移动或没有移动；将多个第二x射线测量与多个第一x射线测量进行匹配；以及输出第一时间点与第二时间点之间所述对象的至少一个靶标、组件和/或目的区域的6D定位。
在一些配置中，所述方法还可以包括使用x射线源发射x射线，所述x射线以单个脉冲发射，每个脉冲处于不同的能量或波长。所述方法还可以包括使用x射线源发射x射线，所述x射线以在不同能级或波长的一个或多个脉冲发射。第一和/或第二测量可以包括点、1D和/或2D x射线测量和/或3D和/或4D成像。第二x射线测量可以包括实况测量(livemeasurement)。所述方法还可以包括确定组件与靶标、目的区域、对象和目的区域中的其它组件的6D相对位置。第一和/或第二测量可以包括定量图像。可以在1D和/或2D中从第一和/或第二测量去除散射。为了获得第一和/或第二测量而发射的x射线可以被配置为通过准直器。准直器可以是可移动的或可旋转的，以在用于获得第一和/或第二测量的x射线检测器上产生不同的透射区域。所述方法还可以包括发射多个x射线细光束以获得第一和/或第二测量。所述方法可以包括在动态移动期间对第一和/或第二测量进行多于一次的取样。所述方法可以包括以相同的频率或不同的频率对第一测量和第二测量进行取样。第一测量还可以包括模拟的或合成的数据和/或预定的数据。匹配可以包括基于空间结构、尺寸、形状因子、解剖标志物、流动特性、组件之间的相对距离和/或组件的相对空间位置、3D体积、6D定向、组成、和/或密度的匹配。对象可以包括手术工具、导管、活检尖端、机器人探头和/或患者体内的植入物。所述方法可以应用于机器人辅助的手术中，包括追踪机器人手术工具的组件、或引导探头或基准标志物。所述方法还可以包括从其它成像模态中获得另外的成像数据。其它成像模态可以包括具有不同帧速率的检测器、具有不同光谱分辨率或不同数量的能量敏感检测器单元的检测器、单个检测器阵列或线性检测器阵列或多个检测通道、光谱测量、吸光测定、x射线显微术、干涉测定、光谱学和/或基于非x射线的成像模态。其它成像模态可以被配置为与x射线测量同步地或者在与x射线测量不同的时间帧进行并置或测量。所述方法还可以包括基于分量图像来进行第一和第二x射线测量以及另外的成像数据的共定位，所述分量图像基于任何特定组件的可测量特性和/或相对空间位置和/或可见性是可区分的。在第一时间点与第二时间点之间，对象或其一部分可以在多个维度上移动。多个维度可以包括多达六个自由度和/或具有时间参照。所述方法还可以包括校准x射线源、x射线检测器和/或光束选择器之间的相对距离和位置。所述方法还可以包括在多种能级下对第一测量进行取样，以及提取目的区域中的独特物质、材料和组件以及靶标的能量分解图像，以及在不同能级下的组件、靶标和目的区域的选定点数据区域、2D、3D、4D、5D、6D和7D呈现。
在一些配置中，被配置为产生包括两种或更多种材料的对象的图像的x射线成像系统可以包括：x射线源，其被配置为发射具有多个能级并且指向对象的一个或多个x射线光束；成像对象下游的x射线检测器或检测器组装件，所述检测器包括光谱敏感检测器；滤波器；以及准直器，其被配置为选择性地允许或禁止预选光束的通过，其中所述系统的处理器可以被配置为基于在所述x射线检测器或检测器组装件处接收的一维和/或二维数据对所述对象中的目的区域进行三维成像。
在一些配置中，滤波器可以包括编码孔径。编码孔径可以包括K边缘编码孔径。编码孔径可以位于对象与检测器或检测器组装件之间，或者位于x射线源与对象之间。准直器可以位于滤波器与x射线源之间。检测器或检测器组装件可以包括平板检测器，和光谱测量检测器或者具有变化的帧速率的检测器或者在平板检测器后面的检测组装件。检测器或检测器组装件可以包括平板检测器，以及在平板检测器后面的较小的2D检测器或者1D或点检测器。滤波器可以提高系统的能量和/或光谱敏感测量的速度。
在一些配置中，具有改进的散射去除和/或降低的辐射水平的x射线成像系统可以包括：x射线源，其被配置为发射指向成像对象的一个或多个x射线光束；成像对象下游的第一二维x射线检测器；以及光谱测量、x射线显微术、吸光测定组装件或快速帧速率检测器，其中所述系统的处理器可以被配置为接收和处理来自x射线检测器的成像对象的全视图x射线信号以及来自显微光谱学或吸光测定组装件的成像对象内的目的区域的较高空间或光谱分辨率信号。
在一些配置中，x射线源可以被配置为发射具有可控能量的x射线光束。x射线源可以被配置为针对每次成像操作发射具有可控能量的至少两个连续的x射线脉冲，所述两个连续的x射线中高能量脉冲后接发射低能量脉冲；或者所述x射线源被配置为发射没有能量峰、具有一个能量峰或具有多个能量峰的宽带x射线光谱。x射线源可以是单色的。x射线源可以被配置为发射单个锥形光束或扇形光束或多个光束。x射线源可以包括光束操纵装置以控制多个光束的发射位置。多个光束的移动可以包括x射线检测器的像素间距的整数倍或分数。x射线源可以包括衍射组件，其将x射线光束分裂并衍射成具有不同能量或波长的多个x射线光束。显微术或吸光测定或光谱x射线测量、或快速成像组装件可以包括光谱敏感检测器、或硅位移检测器、或光子计数检测器、或光电二极管、或光电倍增管和快速帧速率2D检测器。所述系统可以包括光束选择器，其被配置为选择性地允许某些光束到达x射线检测器的预定位置。光束选择器可以包括2D阵列。光束选择器上的孔可以相隔x射线检测器的像素间距的整数倍。x射线检测器可以包括被配置为仅接收初级图像的区域和被配置为仅接收散射图像的区域，并且其中处理器被配置为基于x射线检测器上接收的信号来去除散射。处理器可以被配置为去除多能量系统在每个能级下的散射。
在一些配置中，具有改进的散射去除和/或降低的辐射水平的x射线成像系统可以包括：x射线源，其被配置为发射彼此间隔一定距离的多个x射线光束，其中穿过成像对象的某些x射线光束可以包括初级光束和散射光束；成像对象下游的二维x射线检测器；以及光束选择器，其被配置为选择性地允许初级光束到达检测器的预定位置，使得检测器的某些其它位置没有初级光束，其中系统的处理器可以被配置为通过从检测器的某些其它位置中的信号插值高分辨率散射信号来获得高分辨率初级信号。
在一些配置中，距离可以包括检测器上的一个像素。光束选择器可以被配置为使得检测器的预定位置和某些其它位置形成棋盘图案。光束选择器可以包括多个光束吸收颗粒。x射线源可以被配置为发射单能量x射线光束、双能量x射线光束或光谱能量x射线光束。检测器可以包括光谱敏感检测器。处理器可以被配置为去除多能量系统在每个能级下的散射。处理器可以被配置为输出具有两种或更多种材料的成像对象的材料分解分析。材料分解分析可以至少部分地基于不同材料的x射线测量特性的数据库。
在一些配置中，具有改进的散射去除和/或降低的辐射水平的x射线成像系统可以包括：x射线源，其被配置为发射一个或多个x射线光束，其中穿过成像对象的一个或多个x射线光束可以包括初级光束和散射光束；成像对象下游的前部二维x射线检测器；光束选择器，其被配置为选择性地允许某些光束到达检测器的预定位置；以及后部二维x射线检测器，所述光束选择器位于前部检测器与后部检测器之间，其中所述系统的处理器可以被配置为部分地基于由后部检测器接收的x射线信号来确定高分辨率散射信号，以及通过从在前部检测器处接收的高分辨率信号中减去高分辨率散射信号来输出高分辨率初级信号。
在一些配置中，x射线源可以被配置为发射单能量x射线光束、双能量x射线光束或光谱能量x射线光束。光束选择器可以包括多个堆叠的板。多个堆叠的板中的孔可以对齐以形成照射路径。孔的尺寸从更靠近前部检测器的板朝向更靠近后部检测器的板可以逐渐增大。光束选择器可以在一个或多个维度和/或焦点上是可移动的。检测器可以包括光谱敏感检测器。处理器可以被配置为去除多能量系统在每个能级下的散射。处理器可以被配置为输出具有两种或更多种材料的成像对象的材料分解分析。材料分解分析可以至少部分地基于不同材料的x射线测量特性的数据库。
在一些配置中，被配置为产生包括两种或更多种材料的对象的图像的x射线成像系统可以包括：x射线源，其被配置为发射具有多个能级并且指向对象的一个或多个x射线光束；成像对象下游的x射线检测器或检测器组装件，所述检测器包括光谱敏感检测器或光谱非敏感检测器、或硅位移检测器、或包括能量色散光学元件的光谱敏感检测组装件、或空间敏感检测器；以及光束选择器，其被配置为选择性地允许或禁止预选光束的通过，其中所述系统的处理器可以被配置为输出关于成像对象中的两种或更多种不同材料的材料分解信息。
在一些配置中，可以至少部分地基于不同材料的x射线测量特性的数据库来获得材料分解信息。与对象的两种或更多种不同材料相同或类似的材料或者对象的实际材料可以用于校准以便建立数据库，或者可以在未知材料与其已知的等效材料之间的测量数据之间得出定量的数值关系。x射线测量特性可以包括具有不同原子序数z、密度流动动力学、流体学、流动方向、移动特点、空间特点、尺寸、形状、体积、化学、能量或机械诱导的变化和/或状态转换的材料或造影剂。x射线源可以被配置为发射彼此间隔一定距离的多个x射线细光束。距离可以至少是所述检测器的像素间距的整数倍。
在一些配置中，经配置以标记包含表位的成像靶标的造影剂复合物可以包含：第一分子，其包含被配置为结合表位的结构域，所述分子与第一造影剂缀合，其中所述结构域与所述表位的结合可以引起所述第一分子从所述第一分子的第一构象变为所述第一分子的第二构象，所述第一分子的第二构象包含第二表位，其中所述第二表位可以被配置为与第二分子的第二结构域结合，所述第二分子与第二造影剂缀合。
在一些配置中，第一分子可以是抗体或纳米抗体、或小分子或肽、或蛋白质。第一造影剂可以选自基于有机物的造影剂、基于离子的造影剂、基于非离子的造影剂、基于非金属的造影剂、基于固有的造影剂、基于内源性的造影剂或基于金属的造影剂。造影剂可以选自钙、锌、空气、氩、氮、二氧化碳、二氧化氮、甲烷、氦、氧、钆、铁、镁、锰、铜、铬、金、银、铥(thulenium)和钡。基于内源性的造影剂可以选自钠、镁、钾、钙、磷、硫、氯、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、硒、碘和铬。第一分子还可以包含抗原特异性分子标记物。第一造影剂可以是基于脂质体的分子。第一造影剂可以是基于碘的化合物。基于金属的造影剂可以选自基于钡的造影剂、基于钽的造影剂、基于钨的造影剂、基于金的造影剂、基于银的造影剂、基于铋的造影剂、基于钆的造影剂或基于镱的造影剂。造影剂复合物在内部组装时可以具有小于300nm或更大的有效粒度。第一造影剂的有效量可以是10-12摩尔至10-3摩尔。第二造影剂可以选自基于有机物的造影剂、基于离子的造影剂、基于非离子的造影剂、基于非金属的造影剂、基于固有的造影剂、基于内源性的造影剂或基于金属的造影剂。造影剂可以选自钙、锌、空气、氩、氮、二氧化碳、二氧化氮、甲烷、氦、氧、钆、铁、镁、锰、铜、铬和钡。基于内源性的造影剂可以选自钠、镁、钾、钙、磷、硫、氯、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、硒、碘和铬。第一造影剂可以是阴性造影剂。第二造影剂可以是阴性造影剂。阴性造影剂可以天然存在于成像靶标中。阴性造影剂可以包含钙离子或钙离子复合物。第二结构域与第二表位的结合可以引起第二分子从第二分子的第一构象变为第二分子的第二构象，第二分子的第二构象包含被配置为结合第三分子的第三表位。所述复合物可以是自组装的。第一分子和第二分子可以是重复单元。自组装复合物可以包含笼形结构、由笼形结构封闭的一种或多种造影剂，或者封闭在一个或多个微泡中或与一个或多个微泡连接的造影剂。复合物可以包括具有在网格中交错的一种或多种造影剂的网格。第一分子可以包含被配置为结合多于一种造影剂的多于一个的结构域。第一造影剂和第二造影剂可以是相同的。第一造影剂和第二造影剂可以是不同的，以便适应不同的成像模态。结构域与第一表位之间的键可以被配置为基于成像所需的时间而解离。结构域与第一表位之间的键的解离可以使复合物崩解。造影剂复合物可以在细胞内环境或细胞外环境中形成。
以上公开的系统和/或方法可以包括具有上述造影复合物的任何特征的造影复合物。
在一些配置中，使用x射线成像来监测用多种造影剂复合物标记的靶标内的细胞事件或酶促事件的方法可以包括：从x射线源发射x射线光束或多个x射线细光束，所述光束或细光束穿透位于x射线源与x射线检测器之间的靶标；在x射线检测器处接收x射线信号，其中来自所述靶标的信号部分相对于背景信号被多种造影剂复合物放大，每种造影剂复合物包含多于一种的造影剂分子；以及至少部分地基于接收的x射线信号来检测所述细胞事件或酶促事件。
在一些配置中，造影剂复合物可以标记靶标的标志物分子而不干扰所监测的细胞事件或酶促事件。造影复合物可以是选自胶束、纳米胶束、聚合胶束、纳米悬浮液、纳米胶囊或纳米乳液的形式。所述方法还可以包括在第一时间点施用第一造影剂以及在第二时间点施用第二造影剂。所述方法还可以包括在第一时间点检测第一造影剂的进展以及在第二时间点检测第二造影剂的进展。所述方法还可以包括向对象施用多种造影剂复合物。可以口服或静脉内施用造影剂复合物。造影剂复合物还可以包含药学上可接受的载体。造影剂复合物还可以包含稳定剂。多于一种的造影剂分子可以天然存在于靶标所处的生物体中。多于一种的造影剂分子可以包括钙离子或钙离子复合物。造影剂复合物可以选自基于有机物的造影剂、基于离子的造影剂、基于非离子的造影剂、基于非金属的造影剂、基于固有的造影剂、基于内源性的造影剂或基于金属的造影剂。造影剂复合物可以选自钙、锌、空气、氩、氮、二氧化碳、二氧化氮、甲烷、氦、氧、钆、铁、镁、锰、铜、铬和钡。基于内源性的造影剂可以选自钠、镁、钾、钙、磷、硫、氯、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、硒、碘和铬。造影剂复合物可以是基于脂质体的分子。造影剂复合物可以是基于碘的化合物。基于金属的造影剂可以选自基于钡的造影剂、基于钽的造影剂、基于钨的造影剂、基于金的造影剂、基于铋的造影剂、基于钆的造影剂或基于镱的造影剂。造影剂复合物可以具有小于300nm的有效粒度。第一造影剂的有效量可以是10-9摩尔至10-3摩尔。第一造影剂可以是阴性造影剂。造影剂复合物可以包含：第一分子，其包含被配置为结合表位的结构域，所述分子与第一造影剂分子缀合，其中结构域与表位的结合可以引起第一分子从所述第一分子的第一构象变为所述第一分子的第二构象，所述第一分子的第二构象包含第二表位，其中第二表位可以被配置为与第二分子的第二结构域结合，所述第二分子与第二造影剂分子缀合。造影剂复合物可以是自组装的。结构域与第一表位之间的键可以被配置为基于成像所需的时间而解离。结构域与第一表位之间的键的解离可以分解造影剂复合物。造影剂复合物可以在细胞内环境或细胞外环境中形成。x射线源可以包括单源、双源或光谱源。x射线成像可以包括全视图x射线、x射线显微术、吸光测定、x射线光谱测量和/或与全场x射线成像系统相比在以下域中的至少一个中具有差异的检测器的测量：灵敏度、帧速率、空间分辨率或光谱分辨率相比的灵敏度、帧速率、空间分辨率或光谱分辨率。
上述方法和/或系统的x射线测量系统可以包括以下特征中的一个或多个：x射线源或x射线发射位置在三维空间的三个轴中的至少两个轴上移动以构建目的区域的多维或3D或4D图像，相邻x射线发射位置之间的距离是第三轴所需的分辨率的尺寸和/或使得两个位置产生涉及目的区域中的不同组合或不同数量的体素的一组照射路径所需的最小距离；相邻x射线发射位置之间的距离是1个像素间距、像素间距的整数倍或小于1个像素间距；发射位置的总数或为构建3D图像所拍摄的2D图像的总数是第三轴的深度除以第三轴的分辨率；当在x y平面内移动x射线发射位置或x射线源时，距离最远的发射位置的总移动角小于0.1度、或是0.1度、或是0.1度至1度；当在x，y和/或z轴上移动x射线发射位置或x射线源时，距离每个轴最远的发射位置的总移动角小于0.0008度、或是0.0008度、或是0.0008度至0.5度、或是0.5度至1度；x射线发射位置或x射线源不移动，并且使用多个x射线发射位置或多个x射线源；两组或更多组x射线发射位置或x射线源被放置在与相应的一个或多个检测器相对的彼此远离的空间位置处，每组包括产生不同于其余组的一个或多个能级的x射线的x射线源；和/或材料分解方法被配置为分离组件或材料，使得能够相对于其它组件或目的区域进行3D成像，和/或与背景或外部空间标志物或传感器相比，在空间和时间上得出6D或7D图像。
附图简述
为了说明的目的，在附图中描述了各种实施方案，并且决不应被解释为限制实施方案的范围。此外，可以组合公开的不同实施方案的各种特征以形成作为本公开内容的一部分的另外的实施方案。相应的数字表示相应的部件。
图1A示意性地示出了本公开内容的示例性x射线成像设备。
图1B示意性地示出了具有两个平板检测器的示例性2D x射线成像设备。
图2示意性地示出了具有准直器的示例性x射线设备，该准直器用于包括多个板在内的初级x射线的选择性透射。
图3示意性地示出了示例性2D x射线成像设备，其中通过在两个图像步骤过程中使用多个x射线细光束来去除散射。
图4示出了基于图3所示的x射线源的示例性成像方法的流程图。
图5示出了使用如本文所述的双层检测器系统来去除多能量系统的散射的示例性方法的流程图。
图6示意性地示出了去除包括光束吸收颗粒的散射的示例性光束阻挡器的俯视图。
图7示意性地示出了去除散射的示例性光束选择器的侧视图。
图8示意性地示出了示例性数据库，其包括在不同时间从一个或多个x射线成像设施得出的同一对象的数据。
图9示出了在用于多维和3D成像获取的成像获取期间新引入的未知区域。
图10示出了x射线源与对象之间的像素化K边缘编码孔径的使用。
图11示意性地示出了被配置为提供定量测量的示例性2D x射线成像设备。
图12A示出了所选目的区域的x射线光谱测量和光谱吸光测定以及全场x射线成像的混合系统的示意图。
图12B和12C示出了x射线显微术和全场x射线成像的混合系统的示意图。
图13A示出了3D显微成像的示例性流程图。
图13B示出了与x射线显微术、吸光测定和/或光谱测量组合的2D全场x射线成像的示例性流程图。
图13C示出了与2D和3D x射线显微术、光谱测量和/或吸光测定组合的3D全场x射线成像的示例性流程图。
图14示出了使用多个微光束的散射去除。
图15A示出了使用磁板的示例性x射线光束偏转。
图15B示出了准直器的示例性构建。
图15C示出了准直器和2D x射线检测器的示例性组装件。
图15D示出了通过作为准直器的示例性全内反射管的x射线光束投影。
图15E和15F示出了通过调制控制系统如微电子装置，即可调谐的mem x射线光学器件(如图15E中的x射线镜子)或者如图15F中的栅格或声音调制器如超声系统对x射线光束进行衍射或操纵的实例。这种设备和相关方法可以用于在多维成像中或在干涉图生成中或在散射和初级x射线分离或结构照射光束测量中生成x射线发射位置。
图15G示出了2D初级和散射图像分离中的方法和设备的总结。
图15H是2D功能成像的总结。
图16示意性地示出了与治疗设备结合使用的x射线设备的实例，所述治疗设备具有在微创手术中与对象中的目的区域成像的导管导丝和植入物。
图17示意性地示出了用于追踪和监测的x射线细光束设备的示例。
图18示意性地示出了图17中的准直器24，如x射线设备中的501、502、503的不同实施方式的俯视图，其中这样的准直器被放置在x射线源12与对象2之间。
图19示意性地示出了图17中的准直器24在具有x射线透射区域的旋转盘中的实施方式。
图20示意性地示出了图17的设备中的示例性准直器24，其中透射区域200在2D平面上形成图案。
图21示意性地示出了用于图17的设备的准直器24的另一个实例，其具有用于透射和不透明区域的示例性图案和形状。
图22示意性地示出了用于图17的设备的准直器24的另一个实例，其具有用于透射和不透明区域的示例性图案和形状。
图23示意性地示出了图17所示的x射线设备中的准直器24的实例，其中透射区域200与不透明区域201交错。
图24示意性地示出了组合x射线源和x射线光束操纵硬件用于针对任何特定区域的组织的减少辐射剂量的实例。
图25示出了定量x射线图像与非x射线成像模态的共定位的示例性流程图。
图26和图27A-27C示出了目的区域中的多个组件和靶标的各种配置的实例。
图28示出了用于基于目的区域中的组件和靶标的数据点、1D、2D图像的第一测量来定位和追踪目的区域中的组件和靶标以及与目的区域中的组件和靶标的相同的单个能量实况测量相匹配的示例性流程图。
图29A示出了处于它们的初生状态的示例性多阶nanoXgens。
图29B示出了形成靶标的一级、二级和三级结合的图29A的多阶nanoXgens。
图30示出了引入级联反应以放大目的信号的示例性过程。
图31示出了针对靶标处增加的Ca++密度的各种形状的示例性自组装3D封闭结构或笼。
图32A和32B示出了Ca2+胶束样结构。
图33示出了示例性3D成像方法，其中x射线源发射位置可以在3D空间中至少两个轴上的位置组合中移动(描述的x射线发射位置沿着x、y、z轴线性移动)，以及同时减少或最小化在目的区域之外的区域中引入完全新的未知量，以及减少或最小化重建完整3D图像所需的图像数量。
图34示出了被放置在x射线源12下游和成像对象2上游的x射线光束吸收板P1。
图35A和35B示出了由各种x射线能量的不同x射线源照射的x射线对象中的目的区域或组件的实例，其中x射线对象中的目的区域或组件可以由至少两个x射线源同时或以不同的时间帧照射，每个x射线源能够发射不同能量的x射线。来自目的区域的x射线信号可以被投影到一个或多个检测器。
图36A和36B示出了分别被放置在x射线对象的上游和下游的如图7中的光束吸收板。这种配置可以用于生成快速的低分辨率的初级x射线测量和成像，当与单个能量以及光谱测量和成像组合时，可以用于实时密度计或追踪系统。这种板用作散射被去除的初级x射线测量和成像装置时，其可以在断层摄影测量中在x-y平面中稍微移动或静止。由于阻断初级x射线而导致的丢失数据可能足够小，以至于在断层摄影应用中不相关。在需要高的空间分辨率完整3D成像的情况下，可以相对于对象或板24移动x射线源，使其距离其原始位置足够远，从而可以通过随后的测量来捕获丢失的数据。任选地，板可以在3D空间中移动，从而可以在随后的测量中捕获丢失的数据。
详述
参考附图和各种实施方案提供了本公开内容的方面。然而，本领域的技术人员将理解，即使未与一些其它实施方案相同地详细描述，本文公开的设备和方法的其它实施方案和配置仍将落入本公开内容的范围内。所讨论的各种实施方案的方面不限制本文的公开内容的范围，而是由本说明书后部权利要求书来限定。
概述
本文公开的设备、方法和材料可以用于组件的x射线测量，尤其在以下一些情况下：当接受x光检查的对象的各种组件由于散射噪声而导致使用常规2D射线照相术的x射线测量不容易区分时，和/或当常规CT扫描仪由于高辐射而导致不能常规使用时，和/或CT扫描仪过于耗时、不实时和/或不可行时。
如图1A所示，示例性2D x射线成像设备10可以包括x射线源12、光束选择器或准直器或光束阻挡器24以及x射线检测器或检测器组装件14。检测器或检测器组装件14可以包括单个平板检测器，或者前部二维x射线检测器22和后部二维x射线检测器26的组装件(参见图1B)。x射线辐射和/或x射线源和/或x射线源的相对位置可以被配置为在空间上一至六个维度上移动。可选地，x射线源可以具有两个或更多个x射线发射位置，或者可以有多个x射线源放置在3D或2D空间中。
对象2位于x射线源12与检测器14之间。x射线源12可以向对象2发射x射线光束30。x射线光束30可以是宽带光谱，在一些情况下是具有单个能量峰、双能量峰或多个能量峰的宽带光谱。对象2或对象2中的目的区域4可以包括靶标内部具有不同x射线测量特性的两种以上的材料或两种以上的组件，如图1A所示。x射线光束30也可以是单色的。每个光束可以是脉冲的。x射线光束30包括初级x射线光束32和散射x射线光束34，初级x射线光束32通过与对象2的相互作用使它们的行进方向不变，散射x射线光束34通过与对象2的相互作用使它们的行进方向改变。检测器14可以接收初级x射线光束32和散射x射线光束34。
光束选择器24(也称为准直器)可以位于检测器14与对象2之间，或者位于检测器14与吸光测定组装件11，或者光谱测量组装件15、快速检测器或不同于检测器14的检测器以及相关组件和/或显微组装件15之间，或者位于前部检测器与后部检测器之间。光束选择器24可以被放置在x射线源12与对象2之间。光束选择器24可以允许初级光束32的一部分通过，并且防止或阻挡x射线光束30的其余部分。可选地，光束选择器24(类似于图7所示的光束吸收板105)可以仅将散射光束34传递到第二检测器(其可以是吸光测定检测器、光谱敏感检测器、显微检测器或后部检测器)的某些位置，阻挡初级x射线光束32到那些位置，并将初级光束32和散射光束34两者传递到第二检测器的其余位置。在进行全场x射线成像之后，可以在选定区域上进行光谱测量、x射线显微术和其它类型的检测器的x射线相关测量。用户通过一个或多个标准选择区域或者数字程序通过一个或多个标准选择区域。通常，这样的选定的区域比全视场小得多，并且选定的区域的尺寸可以以μm或mm计。使用所选择的模态，可以在选定的区域上实现高的空间分辨率和高的光谱分辨率。这种成像系统可以移入和移出位置以实时测量选定的区域。模态可以被放置在x射线全场检测器的下游或上游。模态可以具有其自己的源和检测器组装件，可以将它们与x射线源和平板检测器对成一定角度放置，但仍然能够访问选定的区域。基于非x射线的模态可以与x射线测量和成像同步地或在不同的时间帧上进行并置或测量。
x射线检测器被配置为在被对象2衰减之后检测x射线辐射并提供所检测到的x射线的指示。设备10还可以包括处理器13，其被配置为接收检测到的x射线的信号并将检测到的x射线辐射分解为图像。
光束选择器24允许在第二检测器上进行结构照射，其可以用于，例如，通过基于由第二检测器接收的信号获得高分辨率散射信号去除散射以接收对象2的高分辨率初级信号(如下面将更详细描述的)，从而可以在第一检测器处从高分辨率图像中减去高分辨率散射信号以获得高分辨率初级信号。
光束选择器24可以允许通过对象2的目的区域4对第二检测器进行结构照射。通过使用结构照射技术聚焦于比整个对象更小的区域，可以减少对对象的总辐射暴露量。从本文公开的x射线设备获得的图像可以在空间、光谱和/或时间上具有改进的分辨率和/或灵敏度，包括另外的信息，如材料分解和/或手术器械的追踪，改进的设备移动性和/或可用性，和/或时间、辐射水平、毒性和/或费用的降低。
改进的x射线设备还可以在静态位置和动态移动位置中提供对内部靶标或目的区域的组件的定位和追踪。对象中的目的区域和/或其在时间和空间上的分量，由此通过形成4D图像。在目的区域中的组件或靶标的空间分辨率可以具有六个自由度，即，在x轴、y轴、z轴、俯仰、航向和横滚中的平移。可以通过获得关于对象的靶标、组件和/或目的区域的第一组测量以及关于对象的靶标、组件和/或目的区域的一组实况测量，以及将第一组测量与实况测量或第二测量进行匹配来进行追踪。
本公开内容提供了用于对具有至少两种不同材料(其可以彼此重叠)的对象的单个组件进行成像和测量的使用具有2D检测器的较低或无毒造影剂进行双能量和/或多能量、显微或光谱x射线测量和/或K边缘或A空间x射线成像的静态和/或实时x射线成像的示例性材料、设备和/或方法。
本公开内容可以包括与改进的x射线成像系统和方法一起使用的造影剂。本文公开的分子造影剂可以与2D平板检测器以及光谱材料分解改进的2D和3D成像系统及方法的组合进行组合。对于在CT或2D射线照片中可见的造影剂，改进的x射线成像系统，如在小面积的目的区域上添加光谱吸光测定和x射线显微术，以及本文公开的光子计数检测器或PMT，可以降低造影剂的所需浓度，从而降低毒性。任选地，体内的内源性元素，尤其是Ca2+和其它自然量高的元素在大范围的浓度下是无毒的，并且可以使用。任选地，内源性元素可以是自组装的成适于增加造影剂在成像中的浓度的结构，如在利用2D射线照片和本文公开的任何其它成像系统的情况下。
2D x射线成像设备可以被配置为产生对象的各种组件在六个自由度和/或时间上的3D成像和/或追踪。可以使用点测量、1D测量、2D测量、3D测量和/或4D测量(包括动态移动、流动方向和/或速度的基于时间的表征等)来产生6D成像。成像可以使用x射线光谱测量、x射线显微术、光谱学和/或光谱吸光测定、各种帧速率和/或光谱分辨率和/或空间分辨率的检测器，在全视图和聚焦的选定的目的区域中进行。成像可以通过例如使用滤波器利用单、双和/或其它多能量系统和/或包括K边缘测量进行。
本文公开的材料、设备和/或方法的优点可以包括以下中的一个或多个。1)将分辨率提高到如纳米范围，包括如追踪大样品中的小组件。2)改进的检测器速度和/或追踪速度，其可以在10-15秒、或太赫兹、或yota赫兹(1×1024Hz)范围内尽可能快，或者高达最高速度检测器，如单个光电二极管或光电计数检测器或PMT允许。3)在能谱测量中改进光谱解决方案，如用于表征对象的材料和/或组件。4)由于空间分辨率、光谱分辨率和/或时间分辨率的改进而提高的灵敏度，如与常规2D x射线测量相比更加灵敏，并且接近PET和MRI或光声成像、光学成像和超声的灵敏度或者与其相当。由于追踪速度的增加，单个或少量的光电二极管可能足以追踪或测量小的目的区域，其中检测器速度快至一yota赫兹。可以基于x射线测量来测量或表征物理现象，例如原子物理学或量子力学现象，和/或超快激光诱导的分子、原子、电子和/或细胞中的变化。(5)通过分子机制(如复合物和结构的形成)增强信号的放大。(6)更好地检测是否存在信号，尤其是内源性物质，如钙、锌和镁的信号。(7)通过能量、化学、电、电磁和声学方法改进物质或组件的状态的活化和/或失活或者组件的转化的检测。例如，在RF消融期间，心脏组织经历坏死，将组织的分子和细胞组成从活组织转变为死细胞和死组织。可以测量在这种转化过程中分子复合物和细胞结构的积累或分解。作为另一个实例，诸如目的区域的超声干扰的另外的能量可以引起不同的x射线测量，其可以导致对对象中的目的区域或组件的改进的区分和监测或追踪。(8)通过用内源性分子(如钙、锌和镁)作为造影剂来标记标志物(其可以是不同的分子配体、蛋白质、小分子寡聚物、有机和/或无机分子)以靶向目的区域或目的组件的标志物来降低和/或消除毒性。(9)改进石膏铸件中骨组织的成像。代替分子标记，造影剂可以与目的材料或目的组件混合以定量或分离这样的组件，如碘与石膏水泥或混合物的混合，或者手术、活检和/或治疗设备和/或引导工具与造影剂或x射线测量敏感材料的混合。
可以通过独立地和/或同时地实现低毒或无毒造影剂的任何组合，包括两种或更多种材料的对象的多能量系统的散射去除，将全视图x射线与光谱测量、x射线显微术、光谱吸光测定和/或光谱仪组合，使用各种维度的x射线测量进行手术指导以模块化方式实现本文公开的方法和/或设备。例如，本文公开的低毒或无毒造影剂可以以常规2D x射线或其它常规成像模态实施。在本公开内容中，光谱学是指x射线光谱测量；显微术是指x射线显微术；并且吸光测定是指x射线吸光测定。
本文公开的x射线设备可以是便携式形式，如与电池供电的x射线源组合的手持式或随身携带形式。例如，x射线源可以包括紧凑的脉冲x射线源，其给出单次x射线脉冲，所述单次x射线脉冲具有对应于每个脉冲100焦耳至1000焦耳之间的存储电能，并且典型的脉冲持续时间是0.1ms至10ms的x射线输出。也可以使用飞行时间x射线源，脉冲持续时间在ps范围内。也可以使用基于冷阴极场发射器的x射线源。这种x射线源可以是轻量的、紧凑的，并且需要非常低的电源。所述设备可以适用于人体成像、其它类型的生物组织成像和/或工业应用(如半导体、建筑、环境应用等)。便携式版本可以包括电池供电的可折叠系统。可折叠系统可以用于现场检查，诊断，图像指导和/或材料表征。
多能量散射减少的实例
临床x射线成像可以使用Bucky栅格来减轻不利的散射效应。然而，Bucky栅格可能是低效且粗糙的设备，最多将散射降低到其总强度的30％或20％，患者的x射线暴露增加了2至4倍。还开发了各种其它方法来减少散射辐射，如通过使用空间频率调制器或飞行时间源。然而，每种方法都有其主要的缺点。例如，射束硬化技术在2D检测器上引入超快测量的测量误差或要求，这在大多数临床应用中是不实际的。
光束选择器还可以与单能量、双能量和/或多能量方法一起使用，其中光束选择器夹在双检测器布置之间。由于设计用于嵌入在x射线吸收板(即，光束选择器)中的初级x射线透射的选择性透射通道，因此前部检测器测量散射图像和初级图像，并且后部检测器仅测量初级x射线。可以以高准确性从x射线图像中基本上消除散射。这种光束选择器和双检测器布置描述在美国专利第5,648,997号、第5,771,269号、第6052433A号、第6134297A号和第6173034B1号以及国际专利申请号PCT/US2019/022820中。
本公开内容提供了对光束选择器和双检测器布置如在改进可制造性、降低成本和/或保持散射去除准确性的改进，包括通过提供例如初级和散射x射线的更精细的分离。本文公开的示例性2D x射线成像设备可以从对象的目的区域中的对象的各种组件的一个或多个x射线测量中区分图像或者得出事实和结构化结果，所述对象通常沿着x射线投影光束路径重叠。所述设备可以通过体内和离体成像中的解剖标志物和/或时间指示器来改进对各种组织或组织区域的鉴定和表征，和/或改进对包括两种或更多种材料的对象的材料组成的测量、图像质量、鉴定和分析。用该设备获得的2D x射线图像可以具有基本上或几乎完全去除的散射干扰。
本文公开的2D x射线成像设备还可以允许先前在计算机断层摄影(CT)扫描仪、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层摄影(PET)和单光子发射计算机断层摄影SPECT以及其它现有的定量断层摄影和成像方法(其都比2D射线照相术昂贵和/或耗时)上进行的可视化和/或定量数据分析。本文公开的在2D x射线成像设备上进行的可视化和/或定量数据分析可以通过运行针对诊断和鉴定和表征开发的算法使用人工智能、深度机器学习、人工神经网络、卷积神经网络和/或深度神经网络来完成。
本公开内容提供了经配置以减少和/或去除散射x射线的2Dx射线成像设备和方法的实例。
本文公开的2D x射线成像装置和方法可以是单能量、双能量或多能量。示例性2Dx射线成像设备可以允许多个能量散射去除。本文公开的设备的x射线源可以发射单个能谱、两个不同能谱和/或多个能谱的x射线。使用单能量法、双能量法和/或用于在每个能级的多能量系统的扩展的多能量法(也称为光谱成像，如果应用需要使用多能量x射线成像和材料分解的分析的话)，可以分别去除散射。
在并入了图1A的任何特征的图1B中的设备10中，对象2位于x射线源12与前部检测器22之间。x射线源12可以向对象2发射x射线光束30。x射线光束40可以是单能谱、双能谱或多能谱。x射线光束30包括初级x射线光束32和散射x射线光束34，初级x射线光束32通过与对象2的相互作用使它们的行进方向不变，散射x射线光束34通过与对象2的相互作用使它们的行进方向改变。前部检测器22可以接收初级x射线光束32和散射x射线光束34。光束选择器24可以允许初级光束32的一部分通过以到达后部检测器26，并且防止或阻挡x射线光束30的一部分到达后部检测器26。后部检测器26可以基本上仅接收通过的初级x射线光束32。可选地，光束选择器24(类似于图7所示的光束吸收板105)可以仅将散射光束34传递到后部检测器24的某些位置，阻挡初级x射线光束32到那些位置，并将初级光束32和散射光束34都传递到后部检测器24的其余位置。后部检测器26可以包括多检测器或二极管组装件，而不是单个2D检测器。
此外，图2显示了设备20，除了下面所述之外，设备20还并入了图1A-1B中的设备10的任何特征。为了将光束选择器24的透射通道与x射线源的x射线发射位置对齐，使得初级x射线32可以到达后部检测器26上的选定区域52，光束选择器24可以包括多个x射线吸收板p1，p2，p3，p4，其中透射区域或孔排成行以允许初级x射线32穿过选定的照射路径。每个板可以具有一定的厚度。间隔物可以被放置在板之间以减少到达后部检测器26的散射x射线的量。间隔物可以是机械间隔物，例如，包括两个或更多个间隔物。可选地，前部检测器22和光束选择器24可以连接到一个或多个第一对象，后部检测器26可以连接到一个或多个第二对象，第一对象与第二对象之间具有固定的距离。板的x射线吸收区域的总厚度可以被设计成完全吸收x射线光束，而每个板可以足够薄以用于板的可制造性，例如，以优化可制造性所需的纵横比。具有多个板还可以允许设计每个板上的用于x射线透射的孔，使得板上更靠近后部检测器26的每个孔略大于板上更远离后部检测器26的相应孔。
本公开内容中的定量成像和3D成像方法通常需要最小的散射干扰或不需要散射干扰。对于空间和谱域中的大视场高分辨率测量，涉及通过对象的初级x射线和散射x射线的测量的散射去除方法通常是最准确的和实用的。通常，当散射干扰小于初级x射线的1％时，成像方法被认为是定量的，这意味着可以准确地确定可测量的属性，如原子z、密度、组成和其它特性。以下是对象特异性的散射去除方法的实例。
在校准情况下的散射去除
本公开内容和前述PCT中的定量成像和3D成像方法通常需要最小的散射干扰或不需要散射干扰。
在一些配置中，可以使用以下过程来确定前部高分辨率初级x射线图像。计算机或处理器可以首先根据通过的x射线光束32的图像在后部检测器处确定后部低分辨率初级x射线图像，然后根据所确定的后部低分辨率初级x射线图像计算前部低分辨率初级x射线图像。计算机或处理器还可以根据计算的前部低分辨率初级x射线图像计算前部低分辨率散射x射线图像。然后，计算机或处理器可以根据计算的前部低分辨率散射x射线图像的插值来计算前部高分辨率散射x射线图像，并且因此根据从前合成图像中减去前部高分辨率散射x射线图像来得出前部高分辨率初级x射线图像。通常，术语“分辨率”可以用于描述图像空间分辨率和/或单个像素的信号幅度分辨率。在本公开内容中，除了在“光谱分辨率”或“时间分辨率”的情况中之外，“分辨率”仅指图像空间分辨率。
本文公开了散射去除方法的实例。例如，在一个实例中，所述方法可以包括以下步骤：(a)用来自x射线源12的x射线光束30照射对象2；(b)基于通过前部检测器22上的位置58的初级x射线光束32穿过光束选择器24的透射通道56产生低分辨率初级x射线图像DrPl,(i’,j’)，并落在后部检测器26的区域52处；(c)沿着选定的投影线在前部检测器22上的相应区域58处计算低分辨率初级图像DfPl(i,j)；(d)测量来自前部检测器的高分辨率图像Dfh；(e)在前部检测器Dfl(i,j)处从Dfh产生低分辨率合成图像；(f)从Dfl(i,j)中减去前部检测器DfPl(i,j)上的低分辨率初级图像，以确定低分辨率散射分量DfSl(i,j)；(g)通过去除高空间频率分量来平滑低分辨率散射分量DfSl；(h)通过在前部检测器处插值平滑的低分辨率散射分量DfSl来计算前部检测器高分辨率散射图像DfSh；以及(i)从前部检测器高分辨率合成图像Dfh中减去前部检测器上的高分辨率散射图像DfSh以得到前部检测器高分辨率初级x射线图像DfPh。上述光束选择器24的不同阻挡类型之间的差异是如何在后部检测器DrPl处产生低分辨率初级图像。
上述用于散射去除的过程可以包括使用校准光束的校准步骤。校准光束可以用于通过在前部检测器上的初级x射线测量与投影细光束路径上的后部检测器上的初级x射线测量之间建立数值关系来得出在投影细光束路径处的检测器上的前部低分辨率初级x射线图像。前部低分辨率散射x射线图像可以沿着投影的校准细光束路径从检测器上的测量的前图像中提取，所述投影的校准细光束路径包括前部低分辨率初级x射线和前部低分辨率散射图像。可以从前部低分辨率散射图像插值前部高分辨率散射x射线图像，并从包括初级x射线和散射x射线在内的实际x射线图像中减去前部高分辨率散射x射线图像，以产生前部高分辨率初级x射线图像。
光束选择器可以是可调整的。光束选择器可以在一维或多维和/或焦点上移位和移动。可以手动和/或自动(例如，利用致动器和电子控制或其它方式)进行调整。可调整性可以允许x射线源或x射线发射位置的灵活性。灵活性可以用于校准x射线源相对于检测器的定位。当源和/或检测器在测量期间移动时，校准可以允许更快速地调整x射线源和检测器的相对位置。当对象移动时，该调整可以用于确保在后部检测器上的选定位置处测量初级x射线。
涉及校准步骤的方法可以包括使用两个或更多个图像的结构化照射散射去除方法。本文公开的2D x射线成像设备可以包括单个检测器(参见图3)而不是双检测器布置。本文公开的设备中的x射线源可以发射在相邻细光束之间具有一定距离的多个细光束。当在检测器上收集时，该距离可以是至少一个像素或其它。这种收集的测量可以包括主信号和散射信号。当主信号区域较小时，例如一个或几个像素，可以从直接相邻的区域(例如，仅具有散射信号的周围区域中的一个或多个像素)插值这些区域上的散射x射线。
图4示出了使用结构照射的示例性方法，该结构照射使用x射线细光束在每个能级下进行散射去除。如图4所示，在框(a)处，x射线源可以用具有光束选择器24的结构照射设备(如图3所示)照射对象2中的目的区域4。x射线可以具有H的能级。在框(b)处，该设备可以从检测器获取图像Dh(x,y)。Dh1(x(i),y(j))可以是来自沿着路径的投影线的初级x射线的图像文件。在框(c)处，x射线源可以用能量为H的x射线细光束照射对象，相邻光束之间具有间隔。在框(d)处，设备可以从检测器获取图像D1c(x(i),y(j))。可以调换框(a)-(b)和框(c)-(d)的顺序。在框(e)处，设备可以使用等式Dsl(x(i),y(j))＝Dhl(x(i),y(j))-Dlc(x(i),y(j))获得图像Dsl(x(i),y(j))。设备可以将低分辨率图像Dsl(x(i),y(j))插值到检测器的剩余部分，以在框(f)处使用等式Dhp(x,y)＝Dh(x,y)–Dsh(x,y)获得高分辨率初级图像Dhp(x,y)之前，得出图像Dsh(x,y)。
结构光束可以包括如图3所示的具有间隔的低剂量细光束32。光束32可以用作校准光束，以通过光束选择器24在检测器14上的选定区域(i,j)处获得初级光束信号。该区域可以具有一个或多个像素。一些水平的散射x射线34仍然可以到达检测器14上的选定区域。散射x射线34是从其它校准光束散射的光束。在这样的情况下，如下面在图4所示的散射去除过程的步骤1中的等式(1)-(3)中所描述的，可以通过插值紧邻选定区域(i,j)的像素的散射信号来得出(i,j)处的散射信号。
如果校准光束32之间的间隔增加，则在与来自校准光束的初级光束相同的位置处到达检测器14的散射量减小。在一些实例中，可以在不同位置处同时发射宽间隔的校准光束，以确保当校准光束到达在检测器14上得出低分辨率初级x射线信号和低分辨率散射信号所需的密度时，在校准光束之间存在足够的间隔。为了减少由x射线细光束形成初级x射线图像的检测器区域上的散射量，也可以发射两次或更多次细光束。每次，细光束的位置可以彼此远离。组合的校准光束图像可以达到计算散射x射线图像所需的初级x射线图像的密度，可以提取该散射x射线图像以获得最终的高分辨率初级x射线图像。下面在图4的等式(4)中描述了数学方法，其中初级信号是在(i',j')处测量的。
图4的方法中的计算可以包括几个步骤。在步骤1，可以由最小所需的细x射线光束的数量来确定x射线细校准光束的数量，以允许将在照射路径上的实际x射线散射测量插值到整个图像。因此，所确定的光束数量可以产生提取的高分辨率初级图像p(i,j)。可以选择光束的数量以减少在照射路径中到达检测器的散射x射线。可以选择细光束的数量，使得与初级x射线相比小到小于1％的散射x射线可以到达照射路径中的检测器。可选地或另外地，可以在不同的时间发射更宽的间隔光束组，以达到计算散射的x射线所需的密度和获得更高分辨率的初级x射线图像所需的插值，这是在没有使用结构化照射散射去除方法的情况下获得的。也可以使用本文公开的散射去除方法在每个能级下进行散射去除过程。
可以通过直接测量照射检测器上目的区域的x射线光束减去同一区域中散射的x射线来提取照射路径上的初级x射线信号。可以通过在围绕该照射路径中的像素的相邻像素中插值x射线信号而得出照射路径中的散射x射线，该相邻像素在每个方向相邻区域中可以是一个或几个。计算总结在下面的等式(1)-(3)中。
Dsl(x(i),y(j))＝插值(Dsl(x(i+1),y(j)),Dsl(x(i+1),y(j+1)),Dsl(x(i-1),y(j-1)),Dsl(x(i),y(j+1),Dsl(x(i-1),y(j),Dsl(x(i),y(j-1))). (1)
Dlc(x(i),y(j))＝Dhl(x(i),y(j))+Dsl(x(i),y(j)) (2)
Dhl(x(i),y(j))＝Dlc(x(i),y(j))–Dsl(x(i),y(j)) (3)
在一些情况下，可以省略对来自相邻像素的散射信号的插值，并且来自x射线细光束的测量信号可以是具有最小散射干扰或没有散射干扰的初级x射线信号，例如，在x射线细光束具有小直径的情况下，在微米或纳米范围内，如在微光束或纳米光束中，有时在毫光束中，导致下面的等式(4)。
Dhl(x(i),y(j))＝Dlc(x(i),y(j)) (4)
在步骤2。x射线锥形光束可以照射目的区域，并且可以应用等式(5)-(7)。
Dsl(x(i),y(j))＝Dh(x(i),y(i))–Dhl(x(i),y(j)) (5)
Dsh(x,y)＝Dsl(x(i),y(j))的插值 (6)
Dhp(x,y)＝Dh(x,y)-Dsh(x,y) (7)
其中，Dsl(x(i),y(j))是在检测器的x-y 2D平面上的选定区域(i,j)处的细光束照射路径中的检测器上的散射信号；Dsl(x(i+1),y(j))、Dsl(x(i+1),y(j+1))、Dsl(x(i-1),y(j-1))、Dsl(x(i),y(j+1)、Dsl(x(i-1),y(j)、Dsl(x(i),y(j-1)))是在(i,j)的一些紧邻区域中的像素的实例的代表。
Dlc(x(i),y(j))是在检测器上的选定区域(i,j)处沿着x射线细光束的照射路径测量的x射线信号。Dhl(x(i),y(j))是在检测器上的选定区域(i,j)处沿着x射线细光束的照射路径的x射线细光束的初级x射线信号。
Dsl(x(i),y(j))是由于在来自步骤2的检测器上的x射线锥形光束照射而在选定区域(i,j)处的散射x射线。
Dsh(x,y)是来自步骤2的检测器上的x射线锥形光束照射的测量的x射线信号的散射x射线分量。
Dh((x,y))是来自步骤2的检测器上的对象的x射线锥形光束照射的测量的x射线信号。
Dhp(x,y)是来自步骤2的检测器上的对象的x射线锥形光束照射的初级x射线信号。
可以通过使用准直器24或具有允许从100％透射到小百分比透射范围的x射线透射的区域以及完全阻挡或吸收x射线的区域的光束选择器来实现多个x射线细光束或结构化照射图案的产生。光束选择器24可以被放置在x射线源的下游，但在对象2的上游。在一些情况下，可以使用如图2中的光束选择器24的多板版本p1-p4。在一个实例中，当x射线源能够提供多种能量或广谱发射时，这样的配置使得能够在低辐射水平下对目的区域中的组件或靶标进行光谱测量和/或密度测定。诸如K边缘滤波器或K边缘编码孔径的能量滤波器可以被放置在准直器24的透射区域的下游。
对于低散射和高空间分辨率成像，可以通过机械驱动的移动器或通过能量调制方法或电驱动的移动器来移动光束选择器24。
具有稀疏分布的图案的x射线细光束可以由针对来自阴极的电子束的阳极上的图案化靶标产生，以仅在靶标的选定区域产生x射线光束。图案化的靶标可以旋转或者移入和移出用于x射线源的电子靶标区域，以使用常规靶标或者x射线结构化照射或图案化照射或者空间分布的x射线细光束来产生x射线扇形光束。
任选地，可以修改x射线源的阳极靶标，使得所产生的x射线锥形光束可以具有选定区域，该选定区域没有发射的初级x射线。使用修改的x射线源可能导致用照射路径稀疏分布的分布式x射线光束来照射通过对象的x射线。例如，当由平板检测器收集时，x射线测量可以具有多个没有初级x射线信号的区域。每个区域可以具有一个或多个像素。
任选地，在光源(如激光器或LED源)是产生电子束的源的情况下，光束操纵设备(如微机电(MEM)设备)或者光吸收器或调制器可以用于阻挡或调制某些区域处的光信号，从而产生具有结构化轮廓的电子束，其中电子束不会到达阳极靶标上的某些区域。光束操纵设备或者光吸收器或调制器可以被放置在固定位置或可以是可移动的。产生的x射线光束可以以编程的路径穿过对象，使得当光束到达检测器时，存在没有初级x射线的区域。
在本公开内容中描述的结构光束方法对于其中不能实现光束选择器的堆叠检测器方法特别有用，并且堆叠检测器被用于与散射去除不同的功能，如用于使用一个x射线脉冲的材料分解的双能量成像或x射线显微术，其中初级x射线的x射线图像在下游用于通过显微硬件设置和分析的进一步处理。
这种校准光束方法的一个益处可以包括这种方法可以用于任何材料类型，而不需要上述现有的材料校准或模拟步骤。这对于大多数材料类型或厚度或组成(包括两种或更多种重叠材料)的定量分析是有用的。另一个益处是这种方法通过减少检测器或检测器平面的数量，和/或分离散射和初级图像所需的检测器平面的尺寸来降低成本。
图3中的准直器24或光束选择器24也可以被放置在x射线源与对象之间。类似地，图2中堆叠的板p1至p4配置可以被放置在x射线源与对象之间或者对象与检测器之间。
任选地，当对初级x射线测量的分辨率要求低时，可以在单个步骤中使用准直器24和堆叠的板P1-P2用于散射去除的初级x射线成像。在一个实例中，在准直器的下游和对象的上游或者在准直器与x射线源之间使用波长或能量滤波器，可以获得光谱测量和低分辨率密度计。
多能量散射去除
可以在每个x射线能级下完成本文公开的关联。为了对定量成像和3D断层摄影或应用要求进行更彻底的散射去除，使用上述类似的数学方法，可以将这样的校准光束方法扩展到用于双或三或更多能量x射线散射去除处理中。当对象包括三种不同的组件或物质时，多能量散射去除方法可以用于双能量x射线系统，每种组件或物质可以具有不同的x射线测量特性，例如，不同的原子序数z、不同的复合材料、不同的时间和/或空间标志物。如果进行四个或更多个能级测量，则可以使用在四个能级中的每一个的类似或实际材料和对象的校准，并且在一些情况下，可以使用至少四种不同的组件以及包括两种或更多种组件的它们的复合材料来校准，每种组件具有不同的x射线测量特性，如不同的原子序数z。
在使用多个x射线细光束照射的情况下，可以通过对拍摄x射线图像的每个能级进行图5所示的示例性方法来实现在每个能级下的散射图像的去除。在框502处，多能量x射线源可以用每个能级照射包含两种或更多种组件的对象。在框504处，设备可以接收关于在每个能级下在后部检测器上的低分辨率初级x射线图像的测量，DrEnPl,(x(i’),(y(j’))，其中n是整数。在框506处，设备可以得出对象中每种组件的密度，t1,t2,...,tn。在框508处，设备可以通过使用每种组件的得出密度来计算前部检测器上的低分辨率初级x射线信号DrEnPl,(x(i),(y(j))。在框510处，设备可以通过从低分辨率前部检测器测量中减去低分辨率初级x射线信号来得出前部检测器上的低分辨率散射x射线信号DrEnSl,(x(i),(y(j))。在框512处，设备可以插值低分辨率散射x射线信号DrEnSl,(x(i),(y(j))以得出前部检测器上的高分辨率散射x射线信号DrEnSH,(x(i),(y(j))。在框514处，设备可以通过从前部检测器DfEnH上测量的高分辨率图像中减去前部检测器上的高分辨率散射x射线信号DrEnSH,(x(i),(y(j))来得出前部检测器上的高分辨率初级x射线信号DrEnPH,(x(i),(y(j))。
代替使用后部检测器图像文件，图像文件可以包含在单个检测器中，使得不需要校准关系的缩放或推导来将前部检测器上的计算图像与后部检测器上的测量图像数据关联。在仅拍摄单个图像以去除散射以及为了得到高分辨率图像，可以利用光束颗粒吸收器。在每个能级下进行散射去除方法以提供在每个能级下的高分辨率初级x射线。
如上所述，可以通过对具有初级x射线信号的区域进行插值来得出散射x射线数据，并从测量的数据中减去散射x射线数据。然后，提取的初级x射线数据可以用于2D和/或多维图像构建和组件或目的区域或样品的定量分析，例如，使用下面的等式(8)和(9)。
Dsh(x,y)＝Dsl(x(i),y(j))的插值 (8)
D hp(x,y)＝D h(x,y)-Dsh(x,y) (9)
其中Ds1(x(i),y(j))是选定的检测器区域(i,j)，其中由于沿着x射线照射路径的初级x射线被光束吸收器或光束吸收器颗粒(如图6所示的)阻挡的事实，仅存在散射x射线信号。Dsh(x,y)是在检测器上测量的x射线的高分辨率散射x射线分量。Dhp(x,y)是在检测器上测量的x射线的高分辨率初级x射线分量。Dh(x,y)是在检测器上测量的x射线信号，其可以包括初级x射线信号和散射的x射线信号。
对于由于照射路径上没有x射线初级光束以在区域(i,j)处产生信号而没有检测到的初级x射线信号的区域(i,j)，Dhp(x,y)的区域(i,j)处的初级x射线信号可以通过下面的等式(10)得出。
Dpl(x(i),y(j))＝紧邻(i,j)的区域的Dpl的插值 (10)
这种方法对于大多数应用会是足够的。在诸如本文公开的追踪或手术指导应用中，当拍摄两个或更多个图像时，其中可以移动光束吸收器，或者可以调整x射线发射位置，每次光束吸收器阻挡不同的照射路径，并且成像间隙从一个图像到下一个图像变化时，可以通过从序列中的一个或多个不同的测量中提取区域(i,j)中的测量来提供足够的信息以追溯地填充图像间隙。
可选地或另外地，在需要超高分辨率图像和/或需要确保目的区域的所有区域都被照射，因此在检测器上没有对象的缺失数据或对象的少得多的缺失数据的情况下，可能需要沿着相同的照射路径从同一对象拍摄两个或更多个图像，其中光束吸收器阻挡初级x射线移动，使得来自最后一个图像的区域(i,i)可以接收初级x射线。可选地，区域(i,j)上的这样的图像可以从仅照射区域(i,j)的结构化光束中得出，在所述区域(i,j)中，光束吸收器被调整远离其原始位置。
对于具有多个光束吸收板以测量具有多种组件的对象的双能量系统或者三个或更多个能量系统，前部检测器Df E1Pl,Df E2Pl,Df E3Pl,...,Df EnPl上的低分辨率初级图像和散射图像可以通过等式(11)-(18)计算：
(a)求解区域密度t1,t2,t3,...,tn的低分辨率初级x射线成像集，其中
DrE1l(i,j)＝∫[Φ0E1(E)×exp(-(μ1(E)×t1(i,j)+μ2(E)×t2(i,j)+μ3(E)×t3(i,j)+…+μn(E)×tn(i,j))]×Sr(E)dE (11)
Dr E2l(i,j)＝∫[Φ0E2(E)×exp(-(μ1(E)×t1(i,j)+μ2(E)×t2(i,j)+μ3(E)×t3(i,j)+…+μn(E)×tn(i,j))]×Sr(E)dE；15 (12)
Dr E3l(i,j)＝∫[Φ0E3(E)×exp(-(μA(E)×t1(i,j)+μB(E)×t2(i,j)+μC(E)×t3(i,j)+…+μn(E)×tn(i,j))]×Sr(E)dE (13)
以及Dr Enl(i,j)＝∫[Φ0En(E)×exp(-(μ1(E)×t1(i,j)+μ2(E)×t2(i,j)+μC(E)×t3(i,j)+…+μn(E)×tn(i,j))]×Sr(E)dE (14)
(b)将t1,t2,t3,…tn解插入到图像集的等式(15)-(19)：
DfE1Pl(x(i),y(j))＝∫[Φ0E1(E)×Sf(E)]×exp(-(μ1(E)×t1(i,j)+μ2(E)×t2(i,j)+μ3(E)×t3(i,j)+…+μn(E)×tn(i,j))dE (15)
Df E2Pl(x(i),y(j))＝∫[Φ0E2(E)×Sf(E)]×exp(-(μ1(E)×t1(i,j)+μ2(E)×t2(i,j)+μ3(E)×t3(i,j)+…+μn(E)×tn(i,j))dE (16)
Df E3Pl(x(i),y(j))＝∫[Φ0E3(E)×Sf(E)]×exp(-(μ1(E)×t1(i,j)+μ2 15(E)×t2(i,j)+μ3(E)×t3(i,j))+…+μn(E)×tn(i,j)))dE (17)
Df EnPl(x(i),y(j))＝∫[Φ0En(E)×Sf(E)]×exp(-(μ1(E)×t1(i,j)+μ2(E)×t2(i,j)+μ3(E)×t3(i,j))+…+μn(E)×tn(i,j)))dE (18)
其中(x(i),y(j))是也与后部检测器单元(i,j)相交的投影线相交的前部检测器单元的坐标，Φ0E1(E)是能量E1的x射线的能谱，Φ0E2(E)是能量E2的x射线的能谱，μ1(E)是具有区域密度t1的材料的质量吸收系数，μ2(E)是具有区域密度t2的材料的质量吸收系数，以及Sf(E)是前部检测器的光谱灵敏度，Φ0E3(E)是能量为E3的x射线的能谱，μ3(E)是所述具有区域密度t3的材料的质量吸收系数，Φ0En(E)是所述能量为En的x射线的能谱，以及μn(E)是具有区域密度tn的材料的质量吸收系数。
在一种实施方式中，可以得出在具有三种或更多种不同组件的对象的每个能级处在前部检测器上的初级x射线信号。当对象的四种或更多种组件的密度要通过在四个或更多个能级下在后部检测器中的初级x射线测量来解析时；插入来自多个能量测量的每种组件的密度的解可以基于在前部检测器上的区域和在后部检测器上的区域的校准的或已知的对应关系，在每个能级处引起前部初级x射线低分辨率信号的推导。进而，可以通过从前部检测器上的高分辨率测量的合成图像中减去前部检测器的得出的低分辨率初级x射线图像来得出前部检测器处的低分辨率散射图像。计算可以在等式(19)-(24)中进行。
DfE1Sl(x(i),y(j))＝DfE1l(x(i),y(j)-DfE1Pl(x(i),y(j))(19)
DfE1SH((x,y))＝插值(DfE1Sl(x(i),y(j))) (20)
DfE1PH((x,y))＝DfE1H((x,y))-DfE1SH((x,y)) (21)
DfEnSl(x(i),y(j))＝DfEnl(x(i),y(j)-DfEnPl(x(i),y(j)) (22)
DfEnSH((x,y))＝插值(DfEnSl(x(i),y(j))) (23)
DfEnPH((x,y))＝DfEnH((x,y))-DfEnSH((x,y))10 (24)
其中DfE1Sl(x(i),y(j))是在区域(i,j)处在能级E1下拍摄的前部检测器上的低分辨率散射图像，DfEnl(x(i),y(j)是由前部检测器在区域(i,j)处测量的低分辨率图像，DfEnSl(x(i),y(j))是在区域(i,j)处在能级En下在前部检测器上的低分辨率散射图像，其从在前部检测器DfEn1上的合成图像中减去区域(i,j)处的低分辨率初级图像而得到。
然后，还可以将低分辨率散射图像插值到高分辨率散射图像中，从测量的高分辨率图像中减去所述高分辨率散射图像，以在每个能级上产生高分辨率初级图像。
因此，单能量法，即使用针对每个能量测量的如上所述的单能量系统的散射去除，可以用于去除每个选定能级下的散射。
在本文公开的所有散射去除方法中，可以呈现插值的或测量的散射图像用于视觉分析。
基于本文的公开内容，在各种能量下的散射去除的其它实施方式是可能的。
在前部检测器和后部检测器相同或非常类似的情况下，简单的缩放因子可以用于关联测量数据。使用简单的缩放因子，可以将前部检测器上的初级x射线信号与后部检测器上的初级x射线信号关联。可以基于相关数据和/或测量来模拟一个实施方式中的这种关系。
优选地，前部检测器被设计成使得从对象出来的一些x射线可以由前部检测器测量，并且一些x射线可以穿过，用于进一步分析，如用于散射去除的后部检测器和光束选择器组装件和/或使用硬件，如快速检测器、动态检测器或高分辨率光谱或多能量检测器的其它检测和测量方法，其细节在下面公开。因此，前部检测器可以是透射的或部分透射的。优选地，没有或具有最小的光束硬化，并且没有或具有最小的任何x射线修改特征。优选地，检测器的电子设备可以被放置在检测器的侧面而不是下游。任选地，检测器可以对x射线完全透明，或者在一些情况下，对可见光完全透明。可以校准和去除前部检测器对x射线的影响，用于分析对象和检测器下游的测量。
在活的对象或生物组织(体内和/或离体)的x射线成像中，除了骨和软组织之外，还可以有组织或材料，如外来对象，包括但不限于手术工具、植入物、对比标记物或造影剂，和/或成像对象中的第三组件，如血管。在工业x射线成像中，可能需要表征复杂混合物或多组件对象中的各种组件。各种材料可以用于校准或建立用于具有独特x射线可测量特性的不同材料和复合材料或区域的数据库。数据库中的材料类型可以包括多于骨和软组织。
各种空间复杂度和/或组成复杂度的材料可以用于校准或建立数据库(这将在下面更详细地描述)。例如，在校准步骤中，可以在x射线测量中使用与对象内部的目的区域中的组件的那些材料类似的材料，使得对于那些材料类型，在前部检测器上的初级x射线信号和它们在后部检测器上的相应信号关联。在一个实例中，在校准步骤中，对于在检测器上接收的每个能级图像，引入能够不同地扰动x射线能谱的各种空间复杂度和尺寸以及组成复杂度的显微结构，例如，这些显微结构类似于在成像对象中预期的那些显微结构。例如，在胸部成像中，类似于骨、心脏组织、血管内组织和血液的显微结构，以及诸如导管和手术工具的其它组件可以用于校准。
为了校准的目的，装置可以调整或保持光束选择器与前部检测器之间，光束选择器与后部检测器之间，和/或前部检测器与后部检测器之间的相对位置和/或对齐。调整可以通过机械结构，如一个或多个侧框架来完成。例如，装置可以包括多个螺钉，以连接所有组件并用作间隔件；也可以使用诸如胶水的化学物质。也可以使用磁性间隔件。
设备可以例如，机械地和/或使用软件来确定前部检测器和后部检测器上对应于相同的初级x射线投影路径的像素的位置，其中检测器和光束选择器几何形状的设计作为输入。在成像过程之前，可以选择相关像素的位置作为机械设计的一部分，并且可以将其存储并登记到软件中。
软件还可以任选地基于可以用作检测器和/或光束选择器的位置的参照和设计参数的组件(如靶标或对象的一部分)的成像信号在算法上确定相关的像素位置。
软件可以促进x射线源位置相对于对象、相对于检测器或检测器和光束选择器上的标志物的空间位置的测量，以及校准每个硬件、对象、对象上的基准标志物和/或对象内的相关组件的几何形状和空间位置。
数据库可以包括关系数据，其包括基于一些不同选项的初级x射线信号的得出的关系算法。基于由检测器或相同类型的检测器对材料或类似材料的先前测量或者某些材料的任何已知的已建立的x射线测量特性的模拟的材料x射线信号或合成的x射线信号可以用于关联。可以使用模拟数据来完成前部检测器测量和后部检测器测量的关联。
关系也可以从不同类型、物理组成和/或尺寸的材料在前部检测器和相应的后部检测器上的一个或多个能量下的先前测量的数据中得出。该关系也可以从特定的前部检测器和后部检测器的特性以及基于这样的特性的预测信号电平中得出。例如，如果前部检测器和后部检测器相同，则对于某些材料可能存在线性关系。在一些实例中，基于本文所述的两个因素来关联这样的相关算法。也可以基于每个单独的因素以及组合的因素从库中关联算法，所述库包含由历史上相同类型或类似的检测器在一个或多个能级下对各种材料类型和厚度的积累的检测器测量。
本文公开的x射线设备可以包括算法软件操作，其中存储在计算机中的校准数据库可以使不同检测器的成像特性关联。对于沿着投影的x射线光束路径的某些材料或对象，来自前部检测器上的一个或多个像素的信号可以与后部检测器上的相应区域关联。材料和能级可以用于校准来自前部检测器上的区域和沿着后部检测器上的投影路径的相应区域的初级x射线信号。根据应用需要，校准数据库的建立可以是可选的。当已知并且限定了要成像或测量的对象的材料时，可以预测x射线测量特性。
在复杂性、组成和厚度方面的结构的简化形式和/或材料等效物可以用于校准以及实际材料。校准材料选择的复杂性可以归因于许多因素，如材料的组成，其可以是有机分子和/或无机分子的多个或混合分子、空间组成、密度、和/或材料是否是粉末形式、材料的原子序数，其是单一材料还是复合材料、材料的厚度。一些材料可以在空间上重叠。例如，在软组织和瘦肉组织的基质中可能存在微钙化。植入物，如心脏瓣膜或支架，可以与血液混合，所述血液包括血细胞和血浆、血管、骨、肌肉和血管外成像路径中的其它软组织。微芯片层可以是两种或更多种不同的金属、聚合物、或混合物或复合物。对象还可以包括金属或聚合物组件，如用在飞机或汽车中的机器部件。
可以建立用于在单能量x射线，尤其是特征在于在能谱中具有一个单能量峰的这样的x射线谱的材料和材料等效物的测量特性的数据库。优选地，使用与参照数据库组合的单能量x射线的材料分解可以用于确定x射线的照射路径中的组件密度以及鉴定x射线的照射路径中的组件。
可以包括二阶近似用于双能量的校准和从双能量和单能量到多能量的扩展。如所述，已知材料(例如，三种已知材料(例如，u、v、w))的测量可以与实际材料的测量相关，所述实际材料类似于已知材料中的每一种，如p、q和o。实际材料可能难以直接测量，因此是未知的，但u、v、w的检测器测量可以与p、q和o的检测器测量关联。因此，对于p、q、o中的每一种，在密度和其它x射线敏感的或可测量的参数方面，可以从在多能量(在这种情况下是三个能量)下的相应的u、v、w的测量中得出数学关系。这种方法可以扩展到三个以上的能量。
本文公开的x射线设备还可以包括在由光束选择器的侧面限定的外周上的一个或多个光束阻挡器，用于光束选择器与后部检测器之间的空间以阻挡不感兴趣的x射线光束到达后部检测器。
为了使前部检测器上的初级光束信号与后部检测器上的相应初级光束信号更好地关联以确定每种材料或复合材料或组件的厚度和/或以提供用于校准或参照数据库的数据，可以用变化厚度的材料进行前部检测器和后部检测器上的x射线测量，该材料可以与在目的区域中具有变化的原子序数z和/或材料组成和/或对比标记物的选定校准材料相同或类似。在示例性工业应用中，当在多种组件的对象中鉴定出或检测出一种类型的粉末状化学物质时，各种量和/或各种厚度的粉末状化学物质的测量可以用于关联前部检测器和后部检测器。
在目的区域的厚度或目的区域中各种组件的厚度是已知的情况下，例如，如果已经获得了指定对象的三维(3D)定量测量，在这种情况下，在对象或目的区域中求解了每个已知体素，或者已经进行了先前的测量以确定相关组件的厚度，或者提供了对象或组件的厚度(如具有限定的材料类型和尺寸的手术工具的厚度)，则校准步骤可以通过将所述的预先存在的数据包括到参照数据库或库中来简化。
除了双检测器组装件散射去除系统之外，图6示出了散射去除和/或可以仅使用一个检测器(其可以包括光束吸收板105)来测量每个组件的密度的密度计的实例。多个光束吸收器颗粒100可以在空间上分布在板105上。可以调整颗粒100的密度。每个颗粒可以具有至少两个状态位置：“开和关”或者“对初级x射线不透明或透射”。颗粒100所处的板105可以通过一个或多个致动器倾斜，以调整初级x射线的透射。板100还可以通过平行于检测器的平面中的一个或多个致动器在2D空间中移动。多个这样的板可以用作一个光束选择器。
在产生多个x射线光束的情况下，如图7所示，具有变化的x射线吸收特性或对x射线完全透明的图6的板105，例如聚合物板，可以用于将光束吸收颗粒100保持在适当位置。板105可以被放置在对象2与x射线源10之间，或者可以被放置在对象2与前部检测器22之间。
具有以预定图案分布的变化的光束吸收颗粒密度的两个或更多个板可以用于图7的设备中。这样的板在x、y和z方向上通过移动器或者一个或多个轴定位器等的移动可以在一个或多个移动中将板的x射线吸收特性从0％调整到100％。光束吸收颗粒100的密度可以影响对目的区域的辐射暴露和图像的分辨率。较高密度的颗粒100可导致对目的区域的较少的辐射暴露。较低的颗粒密度可以导致更多的辐射暴露，但测量的分辨率可以更高。可以以足够高的分辨率并且同时以最低的位置辐射暴露来实现平衡。
在平行于检测器14的x和y平面中，颗粒100的尺寸可以是约0.1μm到高达10mm。可以移动光束吸收颗粒100在平行于检测器14的x和y 2D平面中的位置以调整初级x射线光束被阻挡的位置，因此允许照射路径通过先前被阻挡的目的区域，并且消除目的区域内的任何孔或丢失的测量，否则将存在这些测量。
在构建对象的定量2D和3D图像以及测量时，本文所述的散射去除过程可以减少时间和辐射暴露。可以对样品进行少至一次的图像测量，以便得到高分辨率的初级x射线测量数据。对于在多次测量(每次在不同时间)中的对象中的目的区域的特定位置，可以减少x射线辐射。例如，可以使用在同一组件的不同位置(例如，紧邻)照射的x射线光束重复样品的测量。尽管由样品接收的总辐射水平可以相同，但样品在目的区域中的任何特定区域仅获得总辐射的一部分。根据所需或期望的分辨率，可以调整用初级x射线信号照射的区域的尺寸，并且在一些情况下，使其最小化，使得对于样品的任何特定位置，可以减小样品上的直接x射线辐射。在一次测量中，对于目的区域也可以减少x射线辐射暴露。例如，可以调整x射线光束(x射线细光束)以仅照射选定的目的区域。可选地或另外地，可以调整目的区域上的x射线照射区域的分布，以产生期望分辨率的测量。可选地或另外地，x射线光束可以通过诸如磁性的操纵机构来操纵，或者被激活用于电子束产生的选择区域，如在冷阴极x射线源中一样。这可以通过例如如图6和图7中的光束吸收颗粒板105，或者如图3中的具有透射孔的准直器，或者被放置在x射线源12与对象16之间或对象16与检测器14之间的如图1B中的光束选择器24，或者如图26中的具有能够产生x射线光束的阳极的选定区域的x射线源来照射具有稀疏空间分布路径的目的区域来实现。2D或多维图像和3D图像可以基于如本公开内容中所述的方法来构建。样品中的不同目的区域可能需要不同的分辨率，对于不同的区域或在一些情况下，和/或对于各种组成的不同组件、复合材料、非均匀材料、均匀材料和两种或更多种材料的界面区域、或者目的区域中的原子序数z，初级x射线照射路径的稀疏程度如何可以变化。
例如如图6中的具有光束吸收板的设备也可以用于根据应用需要来测量可调整的分辨率和/或快速可调谐的分辨率测量。例如，光束吸收颗粒可以以高密度分布，以便为较低分辨率图像提供测量。光束吸收颗粒可以更稀疏地分布，以获得更高分辨率的图像。具有光束吸收板的设备可以包括光束吸收区或光束透明区，其可以包括如铍的材料。一个或多个板可以彼此堆叠，以允许x射线，尤其是光谱x射线的完全衰减。板可以用于根据应用需要来测量可调整的分辨率和/或快速可调谐的分辨率测量。例如，光束吸收颗粒可以高密度分布，以便为较低分辨率图像提供测量。
在一个优选的实施方式中，可以调整如图6所述的配置的光束吸收颗粒的密度，以具有与密度计(如双能量密度计)的分辨率相当的分辨率，并且同时具有与基于线性检测器扫描双能量系统的密度计的辐射水平类似或更低的辐射水平。在这种情况下，光束吸收颗粒可以包括圆柱形棒，棒的每个纵轴沿着初级x射线辐射方向。
传统上，基于扫描线性检测器的双能量密度计是耗时的，分辨率低，例如，在500μm的分辨率和1/10的由平板检测器产生的2D图像的辐射下。使用图6中的配置，如果光束吸收颗粒在平行于检测器的xy维度上设置在例如50-500μm，以及厚度足够高以完全衰减来自发生器的x射线，则板可以被放置在x射线源与对象之间。如果这样的颗粒被设计成具有足够高的密度以减少辐射并足以实现500μm的分辨率用于x射线测量，则可以实现实时的低辐射密度计。此外，能量滤波器可以用于x射线透射区域中以加速双能量测量或多能量测量。可以测量其它组织类型和组件类型的骨密度和/或密度。
可选地，如图3、图2和图1B中的准直器或光束选择器板可以被放置在x射线源与对象之间。此外，透射通过光束选择器板的孔的初级x射线可以通过能量滤波器，例如k边缘编码滤波器进行过滤。
具有孔或光束选择器的光束吸收颗粒板或准直器可以各自用于组件的追踪和监测，条件是该组件可以用这些硬件元件中的每一个可实现的分辨率来表征。
为了高分辨率成像的目的，可以有最小密度的光束吸收颗粒，以便实现高分辨率初级x射线成像所需的散射去除。除此之外，可以调整初级x射线成像测量的区域。为了获得具有用于一个特定图像测量的足够信息的图像，在初级x射线区域中可以选择多少像素可以确定样品将接收的辐射量和图像的分辨率。在每两个或三个或更多个相邻像素中的一个像素或聚集像素区域上的初级x射线信号可以使用更密集或更多数量或更大不透明的光束吸收颗粒区域来接收，以阻挡初级x射线。可以将所得的测量插值到初级x射线未到达的相同簇区域中的相邻像素。包括多个这样的聚集像素区域的完整图像可以产生低分辨率以及相对高分辨率的初级x射线图像，而可以不需要由硬件实现的最高分辨率的初级x射线图像，例如，如由检测器的分辨率限制的。各种组件，如组织，例如骨、瘦肉组织或造影剂标记的组织的材料分解成像和密度计可以使用单能量方法、双能量方法或多能量方法同时实现。光束选择器或准直器或光束吸收颗粒板可以优选地被放置在对象与检测器之间，尤其是如果期望高分辨率成像。
可选地，较大一部分的区域可以被光束吸收颗粒阻挡，以便限制用于测量的目的区域中的辐射，其中对于特定应用，可能只需要靶标的小区域的图像或者包含在目的区域中的组件。这种配置可以用于3D成像或断层摄影应用中，其中光束吸收颗粒是球形的，和/或其中球体的直径确保x射线的完全衰减。当x射线发射位置/x射线源移动时，球体从任何定向或角度衰减入射的x射线。
在准直器的常规使用中，可以通过准直器来调整扇形光束x射线的输出，所述准直器限制了发射的面积或角度。在这种情况下，光束吸收颗粒可以用于实现相同的结果。任选地，可以采用准直器和/或光束吸收颗粒以在目的区域中实现期望的x射线发射。
本文公开的成像方法可以用于定位和分析样品中的组件，例如，定位患病组织区域。因此，具有低辐射水平的低分辨率图像可以首先通过使用用于定位已知存在靶标组件的目的区域和/或检测靶标组件的更密集的光束吸收颗粒来获得。然后可以测量组件的高分辨率图像，同时将对样品的辐射仅限制到组件的位置，以进一步得出组件的详细数据用于分析目的。
本文公开的成像方法可以用于追踪目的区域中的组件，例如，以扫描对比标记的组件的存在。可以获得对目的区域的高分辨率测量，以检测和定位组件，尤其是当该组件较小和/或浓度较低时。可以通过在组件的选定区域处以高分辨率和/或低分辨率测量而追踪该组件，同时在组件外部的一个或多个区域或区处以低分辨率测量以定位、追踪、分析和/或监测目的区域中的组件。
下面将参考图14进一步描述散射去除的另外实例。
附属硬件
本文公开的x射线系统可以包括对象保持器，它或者是工作台，或者是微流体芯片保持器上的微流体芯片，或者是样品保持器。微流体芯片和/或其保持器可以对x射线透明。
在一些情况下，如在C臂组装件中的检测器保持器可以包括在一端上的x射线源和通过弧形C形臂连接的在对象的相对侧上的检测器。检测器可以任选地被放置在保持器上，被支持并且能够独立于用于对象的支持器(如果有的话)和x射线源的定位器或支持器(如果有的话)移动。
测量和图像数据库
本文公开的设备可以包括如图8所示的存储器和/或数据库，其存储由本文公开的设备和/或使用本文公开的成像方法产生的图像。每个图像或者包括图像和/或数据的数据集可以与时间t＝t0、t1、t2处的时间标记相关，时间单位可以是秒、或分钟、或小时、月或年、或从亚秒到年的任何范围。这种时间标记可以与获取图像或数据的时间相关。每个图像或数据集可以在相同的设施中获取，也可以不在相同的设施中获取。时间敏感数据库可以存储来自一个或多个位置或设施或不同成像地点(如图8中的位置1或2或3)的对象的图像，所述图像可以与除了与具有相同标识符或相关标识符的对象相关的x射线图像或者具有相同标识符或相关标识符的对象的x射线图像外的非结构化和结构化数据连接。这种数据可以在时间t＝t0,t1,t2……处用时间标记来标记。这种数据库可以包含非结构化和结构化数据，其与从数据和/或图像中提取的事实有关和/或与特定时间相关。这种系统允许追踪和监测对象随时间推移的相同目的区域的图像。
本文公开的设备可以例如在材料分解之后产生时间敏感散射去除的x射线图像和它们的后处理图像。这种图像可以用时间说明符(通常是拍摄图像时的时间)来标记。可以用时间戳和/或唯一标识符来标记空间和/或时间上拍摄的对象的这种图像和有关图像集，以与每个图像或图像集的特定时间以及与对象相关的标识符相关。可以从这样的数据库中提取一个或多个事实，包括时间敏感数据。
上述标记和数据库系统可以并入DICOM标记物的任何特征，包括但不限于定制DICOM(医学数字成像和通信)标记物。在一些情况下，具有特定时间和唯一标识符的这样的标记物可以用第二ID来制成，所述第二ID例如是相对永久的对象(即，人患者)的社会安全号码，或由主体选定的标识符。这种标识符可以与随机数集成以生成加密。标识符可以是与对象有关的一个事实，或者是与对象有关的两个或更多个事实的集合。标识符可以是关于对象的第二事实或第二密钥，或者是分配给对象或由对象选定的两个或更多个事实或数字的集合，使得第一标识符或第一标识符集合可以不被公开，或者可以在访问对象的图像或图像集时被隐藏。第二密钥或第二标识符可以包括使用第二标识符的另外的安全措施，其可以使得能够在不必访问私人信息的情况下检索图像和/或链接特定对象的图像的连续性。第二标识符可以是数字或者诸如物理密钥的访问方法、或者诸如手机的设备。
数据库可以不包含对象的私人信息，而是包含分配给对象或由对象选择或与对象相关的密钥，如，对象的唯一标识符，其可以是在美国的社会安全号码。对象和/或指定实体可以具有确认或进一步验证访问许可的访问权。可以一起使用第二标识符的不同组合来增加访问的安全性。数据库可以包括与对象相关的一些或全部私人信息。在没有私人信息或有部分私人信息的情况下，加密或访问或追踪方法用于确保图像数据和与对象有关的其它数据随时间推移的连续性。可以使用以下方法中的一种或多种，如与二级密钥混合的随机数；远程和/或现场的第二访问设备；和/或来自同一设备的第二访问组件。第二密钥可以是长期的和不变的性质，如社会安全号码。第二访问设备可以是物理密钥，或者可以现场使用无线或有线设备。可选地或另外地，如果存在到数据库的因特网或内联网通信，则可以远程使用设备。
因此，数据库系统能够随时间推移连续地和/或间歇地为对象实现链接、检索和/或存储图像数据。例如，为了诊断、治疗和/或治疗后监测患者的疾病或健康状态，这样的系统允许访问和评价患者随时间推移的图像。
本文公开的设备可以包括以下软件和/或算法中的一个或多个，所述软件和/或算法用于：使前部检测器和后部检测器上的成像信号在相同的x射线光束投影路径上关联；单能量下的散射去除图像处理；和/或用两个或更多个能级进行散射去除。
改装套件
改装套件可以用于修改现有的x射线成像系统和/或增强本文公开的系统。所述套件可以包括诸如以下的任何一种或多种硬件和/或软件：
·用于集成x射线源、检测器或用于准直器和光束选择器的移动控制器的不同供应商的硬件控制的软件。
·用于集成现有硬件集和现有软件集的方法的说明手册。或使用现有方法的说明手册，其包括一个或多个硬件或软件项目，或者在所提供的改装中提供的一个或多个硬件或软件项目。
·如上所述的用于图像处理的软件
·如图6和图7所述的至少一个硬件光束吸收颗粒板，其用于用x射线源和检测器来改装现有的射线照相系统。
·如图1-3中所述的光束吸收准直器或检测器和光束吸收准直器，或者如图6中的105的光束吸收颗粒板，以改装具有x射线源和检测器的现有射线照相系统。这种改装系统还可以包括用于对测量数据进行图像处理以进行散射去除的软件。可以包括集成硬件，用于将改装套件中提供的硬件(如x射线源和检测器或检测器组装件)集成到现有硬件(如用于定位的C臂或放射学套件)中。
·本文所述的硬件和软件可以用于或适于在以下模态和方法中的一种或多种中测量：K边缘成像以及双能量和多能量(可选地称为光谱成像)、流动动态、流体相关、流动方向、动态移动、时间标志物的特点、解剖标志物、重影成像、干涉测定、相衬、暗场、x射线衍射、与x射线荧光的集成、多光子x射线、x射线散射、x射线光谱学方法和/或所有x射线可检测造影剂和能量设备诱导的测量和定量。
·在如本文所述的系统中使用的硬件和软件项目以及方法中的至少一种，例如检测器、光束颗粒吸收器、光束选择器、准直器、用于成像处理的软件。
·观察或显示软件，其包括显示用于用户所需的应用的能力，如用于矫形成像、乳房、肺、任何体内成像显示或者体外或离体成像显示，其显示密度信息以及厚度或材料分解和测量的其它可量化参数。观察者可以记录和/或显示时间信息，其可以包括基于x射线成像或其它成像模态(如MRI、PET、SPECT或光学测量)组合的x射线成像和/或基于其它能量或电或化学的测量追踪组件、鉴定对象、或者目的区域中组件的动态特点、目的区域中的流体动态和流动方向信息。
·用于用户的数据分析软件，其能够显示密度测量和定量分析信息。
·软件，其用于定量点、小2D区域、1D、3D-6D多维成像分析、单能量、双能量和多能量材料分解分析、K边缘测量分析、相衬成像分析、相干和不相干以及部分相干或不相干的x射线成像、和/或其它定量分析任务，包括确定原子序数、组件的特点、或对象、对象的鉴定、或目的区域中的组件的数据输出，用于深度机器学习的数据输出，多维断层摄影所需的数据输出，通过因特网和内联网与来自其它来源以及在同一计算机(包括其它成像模态的测量数据和分析方法)中的其它结构化和非结构化数据类型集成所需的数据输出。集成还可以包括模拟和测量的特性，基于一个或多个组件的一个或多个数据矩阵从非结构化数据和/或结构化数据得出的事实，和/或对象以及类似类型的组件和对象。
·用于与其它结构化和/或非结构化文档或从用于定量分析和相关显示的针对相同组件、相同对象或相同目的区域或相同类型的样品的这样的文件中得出的事实的软件。
·基于设备之间的测量和定量数据以及分析结果和通过因特网透射图像、非结构化和/或结构化文档，用于相同样品的分析和测量数据，追踪，以特定频率和其它时间相关参数(心震描记(seismocardiographic)(SCG)信号特征)提取的测量，门控移动监测，如基于ECG门控心脏移动的测量，和/或来自一个或多个样品的事实推导(诊断和行为表征)。例如，可以分析具有各种模态的测量的同一患者和/或来自各种患者的数据，以得到一个或多个事实或远程可视化和监测对象。
·用于定量和可视化造影剂的化学方法，通过x射线成像可鉴定的区域，如使用为CT开发的算法，包括单能量、双能量、光谱CT、PET、SPET、MRI和/或基于磁性颗粒的成像以及光声和光学成像和光谱学。
·执行任务的算法、硬件和化学方法，包括定量、鉴定、区分和表征目的区域中的能量或化学温度调制组件。化学调制可以指pH或酶功能，如蛋白酶或酶的催化功能，以分解和形成某些蛋白分子，所述蛋白分子继而具有能够结合某些造影剂缀合的配体的高亲和力表位。如果克服了在时间和辐射水平考虑方面的每个模态的限制，则任务可以是时间敏感的和/或经常性的，包括可应用于CT和潜在的CT、SPECT、PET、MRI，光学和声学方法的那些。例如，追踪内源性分子或基于离子的造影剂，或者追踪一种或多种组件的动态流动和移动，以及分子相互作用在短时差下降至超快x射线或超快激光时的动力学，可以允许例如皮秒或飞秒的测量，只要所使用的检测器，如光子计数检测器、PMT和光电二极管以及对x射线或x射线闪烁可见光敏感的1D或2D检测器，的设计或速度允许即可。定量和分析可以包括使用深度机器学习人工智能，尤其是可应用于CT或PET或MRI或光学方法的那些。
·如通过添加闪烁体屏幕以将x射线转换为可见光，改编针对具有可见光光学器件的x射线显微术的当前方法，用于在非常高的分辨率(直到纳米范围)下定量测量。还可以任选地添加x射线显微术已知的常规x射线光学器件和可见光光学器件，以进一步提高样品测量的性能和分辨率。
·具有用于存储、使用、透射测量数据的网络安全特征的软件。
·便携式硬件组装件，包括便携式x射线源、防护罩、携带的盒子和配件或移动的硬件或存储的盒子。
·一个或多个能级的x射线源。
·同步加速器、同步加速器类或线性加速器类x射线源。
·具有一个或多个能级的冷阴极x射线源。
·x射线源，包括基于冷阴极、纳米管或纳米线的类型，其可以使用例如图15A所示的诸如基于磁板或螺线管线圈的偏转设备的磁性机构而具有内置的电子束偏转器。这种磁性机构不限于操纵基于纳米管的x射线源，而是可用于操纵各种类型的x射线源中的所有电子束以产生x射线辐射，或纳米管源，其中纳米管的各个区域可以被激活或去激活以产生电子束或者操纵电子束以在不同的空间位置产生x射线光束。例如，可以通过去激活或激活用于产生电子束的场发射器区域或每个场发射器的区域而操纵或移动这样类型的纳米管源发射位置。x射线发射位置或具有多个x射线发射位置的x射线源(如像素化x射线源)的移动可以用于本公开内容中描述的多维x射线成像和3D成像。
·基于光的x射线源，包括基于PMT的阴极、冷阴极的类型，其中一些具有内置的光束位置操纵机构，例如光束操纵或光电倍增管位置移动机构。
·飞行时间x射线源，包括具有冷阴极的类型和碳纳米管，其具有内置的电子束位置操纵机构，例如光束操纵或光电倍增管位置移动机构。
·线性加速的x射线源，每次的辐射路径不同，对于每个单独的区域在靶标上的辐射减小。
·金属液体阳极x射线源，其包括具有冷阴极的类型。
·从测量数据插值散射x射线。
·用于x射线细光束照射方法的散射x射线的插值。
·从包括线性、立方、余弦和/或径向网格的测量数据插值散射x射线。
·具有在亚nm、或nm、或μm、或mm、或cm范围内的各种尺寸的x射线细光束的变化的空间密度分布的结构化照射。
·每次进行测量时具有每个光束尺寸的结构化照射可以与空间上不同分布的一个或多个光束不同。
·用于本文公开的结构化照射方法的硬件项目。
·用于推导结构化照射方法中的初级x射线、各种插值方法的软件、算法。
·在具有一个检测器的单次拍摄中获得散射去除图像和/或材料分解的硬件和方法，包括使用具有分布的透射孔的一个光束吸收器准直器，或者如图6中的一叠这样的光束吸收器准直器或光束吸收颗粒板105，其可以被放置在x射线源与对象之间，或者被放置在检测器与对象之间，包括一个或多个以下设备：彼此以一定距离分散的如图6所示的多个光束吸收器颗粒，每个吸收器可以具有不同的形状和体积或彼此类似，并且可以具有一个或多个孔或不同的厚度或吸收特性，以允许x射线在特定区域穿过。当以某种方式定向时，这种光束吸收器可以完全阻挡x射线；当以另一种方式定向时(例如，当有角度地移动时)，可以允许透射，透射水平在0-100％变化。这样的设备在空间中的至少一个轴上的位置可以移动，使得当进行多次照射或成像时，初级x射线被阻挡的位置是不同的。
·在具有一个检测器的两个图像中获得散射去除图像和/或材料分解的硬件和方法，包括使用具有分布的透射孔的一个光束吸收器准直器，或者如图6中的一叠这样的光束吸收器准直器或光束吸收颗粒板105，其可以被放置在x射线源与对象之间，或者被放置在检测器与对象之间，包括一个或多个以下设备：彼此以一定距离分散的如图6所示的多个光束吸收器颗粒，每个吸收器可以具有不同的形状和体积或彼此类似，并且可以具有一个或多个孔或不同的厚度或吸收特性，以允许x射线在特定区域穿过。当以某种方式定向时，这种光束吸收器可以完全阻挡x射线；以及当以另一种方式定向时(例如，当有角度地移动时)，可以允许透射，透射水平在0-100％变化。这样的设备在空间中的至少一个轴上的位置可以移动，使得当进行多次照射或成像时，初级x射线被阻挡的位置是不同的。每个硬件可以用于从第一图像得出高分辨率散射信号，并且可以拍摄第二高分辨率图像以在从第一图像中减去高分辨率散射图像之后产生高分辨率初级图像。
·当微粒之间的相对位置可以固定时，移动或旋转可以是基于机械或能量的，以移动整个颗粒设备。
·每个微粒单元的相对位置可以通过机械方法(如致动器)，例如在MEM样设备中，或者基于能量，如超声或激光，或者电方法，如电压或磁力在至少一个维度上移动。
·光束吸收颗粒之间的介质可以是液体或空气或半透明材料，如聚合物、铍、例如如板的结构。
·液晶设备，每个液晶单元具有x射线吸收器，其可以根据位置进行调制。
·晶体单元，其可以被调制以允许x射线透射通过或对x射线不透明。
·每个颗粒可以阻挡x射线光束或防止初级x射线到达检测器，使得完全由散射x射线信号或光信号或电信号组成的至少一个像素或多个像素可以由散射x射线信号产生。这种像素可以具有小到nm范围或0.01nm-10mm范围的尺寸。可以闪烁x射线信号并将其转换成可见光用于成像。
·如果在没有适当的光束吸收颗粒的情况下拍摄第二图像，则散射测量、插值图像和初级图像可以用于得出高分辨率散射图像，并且因此得出高分辨率初级图像。换句话说，这样的光束选择器完全移出。
·在需要拍摄相同区域的样品的相同图像的应用中，可以将光束吸收颗粒轻微移位到不同的位置，并且可以从在样品中的相同目的区域之后拍摄的一个或多个图像的提取数据中得出第一图像中的阻挡的初级图像。
2D x射线成像系统或其组件(硬件和/或软件)或使用它们的方法、或上述改装的套件可以使用每次使用付费的方法来提供。例如，使用可以被定义为以下活动中的一个或多个：获取一个患者或一个对象的一个或多个图像、或者从测量的x射线图像中得出的一个或多个图像的输出、或者从图像分析结果提取一个或多个事实、或者提供用于一个或多个诊断或治疗程序的数据。
可选地，可以将费用计算为等效系统的零售价格的一部分。2D x射线成像系统或其组件(硬件和/或软件)或使用它们的方法、或上述改装的套件可以免费提供。
将2D x射线射线照相术与x射线显微术和/或光谱x射线测量和/或光谱x射线吸光 测定和/或时间敏感和/或高空间分辨率和/或高光谱分辨率检测器组合的实例-混合定量x 射线系统
在本公开内容中，散射去除方法可以有助于将显微术和/或吸光测定与x射线射线照相技术组合用于产生3D图像和/或定量分析。
常规地，通常需要在180°中拍摄整个对象的多个图像，以使用3D x射线显微术重建对象的3D图像。由于需要旋转以及实现高分辨率和定量测量所需的硬件，3D CT和3D显微设备不仅耗时而且体积庞大。3D显微系统通常不适于可携带性，尤其是在医院、研究实验室、手术中心或移动诊断和手术站之外。对象将在基于旋转CT的系统中接收相对高剂量的辐射。
多光束2D成像可以扩展成像视场和速度以覆盖更大的区域，但仍然需要围绕对象的旋转运动中心或对象的旋转以实现x射线显微术中的3D成像。基于逆几何CT断层摄影的技术需要使用与扫描x射线源组合的具有孔的二维(2D)准直器，所述扫描x射线源在穿过对象之前通过这些孔发射。在第三轴中所得的3D图像可能不具有足够高的分辨率，并且不能提供包括精确位置信息在内的定量信息以及通常由3D CT扫描仪提供的其它定量信息。
如果单独测量记录多个x射线光束的信号，则可以在探测对象时实现增强的信噪比(SNR)。当对象位置然后被系统地扫描(例如，在x和y坐标中)同时被暴露于多个平行的x射线光束时，可以比使用单个x射线探头扫描同一区域时更快地创建x射线光束与对象相互作用的各种坐标处的特性的系统“映射”。通过在6维中移动x射线发射位置与对象的相对位置和/或根据各种方案扫描对象的更快的断层摄影和光谱测量分析可以使用锥形光束形状的辐射的初级x射线光束来实现，但初级x射线光束的每个光束可以与其相邻的初级光束具有空间间隙。该间隙可以是在检测器上检测到的一个像素或多个像素。可选地，可以产生平行的x射线光束以照射对象。
然而，在上述多个光束系统中，存在一些限制。在x射线到达对象和检测器之前，预先存在的光束掩模需要被放置在来自x射线源的光束路径中。由于旋转或三轴方法仍然用于3D成像，因此利用这种多光束方法的使用和样品库在3D成像中受到限制。对象需要薄以满足所需的x射线显微术样品尺寸，以便该多光束方法有效。此外，这样的多光束方法不与基于x射线显微检测器上游的2D检测器的全场x射线成像相组合，以定位目的区域，用于更详细的更高分辨率的显微成像。
任选地，具有比全场x射线检测器更快的帧速率和更高分辨率的检测器可以被放置在全场x射线检测器(如光子计数检测器)的下游，以及PMT被用于对所选定的目的区域进行成像，而不使用x射线显微镜所用的x射线光学器件。
x射线光谱吸光测定或x射线光谱测量也可以与x射线射线照相设备组合，用于所选目的区域中的2D和3D成像以及高光谱分辨率。通常，x射线吸光测定限于使用双能量系统的骨密度测定法。常规地，x射线吸光测定用线性扫描仪进行以扫描脊柱，以便基于与软组织不同的骨组织对x射线的吸收实现骨密度的定量。这种系统具有有限的应用，是耗时的并且在可实现的分辨率中是有限的。由于固有的硬件复杂性、所需的时间和有限的分辨率，仍未广泛采用使用双能量吸光测定来分析对象中不同组件的体内研究。
此外，由于对x射线源的限制，常规的x射线射线照相术可能不容易地与x射线显微术或吸光测定相组合，因为对于每个应用的要求是不同的。另外，散射的可能影响形成用于全场x射线成像中的定量分析的可定量的初级x射线图像。此外，在x射线全场成像以及x射线显微系统上对多维测量的旋转要求可能限制组合两者以实现大尺寸定量测量以及在x射线显微术中实现的高分辨率测量的实用性。例如，在体内测量中，x射线显微术或高分辨率光谱测量或高分辨率光电二极管、点、1D和小2D阵列检测器可以显示单细胞或分子、稀有细胞或小细胞簇以及分子相关的事件及形态和存在，而全场x射线可以覆盖较大尺寸的定量测量和成像，用于共定位和样品分析。
使用本文公开的材料分解和成像方法，可以如图1A中的4s选择对象的目的区域中的x射线射线照相，用于更详细的光谱测量、吸光测定和/或显微成像和分析和/或更快的帧速率成像。本公开内容提供了x射线成像、测量和定量分析系统，其具有一个或多个x射线光束以询问选定的目的区域4s。所述系统的功能可以包括选定的目的区域4s的2D双或光谱成像、3D全场x射线成像、3D全场和/或单能量、双能量或多能量成像、非旋转2D和3D x射线显微术、和/或点、1D、2D或3D光谱吸光测定或光谱测量，例如，用户选择或处理器中的数字程序13基于由于2D或多维或3D维度中的全场成像和/或光谱成像的结果的一个或多个标准选择4s。所述系统可以任选地使用一个检测器和/或具有2D x射线显微术或3D x射线显微术或光谱吸光测定或光谱x射线测量的多个x射线光束配置，在目的区域4的全视场中或在选定的目的区域4s上提供散射去除。可选地，散射去除可以使用在显微镜与3D显微镜组装件之间具有光束选择器准直器的双检测器。所述系统可以被认为是与在选定的目的区域4s、靶标和组件的点、1D-3D和4D维度上的高光谱分辨率光谱测量和/或详细的高空间分辨率测量或通过x射线显微成像和/或高空间分辨率检测器和/或高速光谱测量以及多维和3D测量和成像相组合的全场成像的混合系统。
可以通过如在本文公开的混合系统中的本公开内容中所述的前述硬件和方法来实现散射去除。
目的区域4可以具有一个或多个组件。每种组件可以是各种组成、或复合材料、或不均匀材料、或均匀材料和/或两种或更多种材料的界面区域、或具有变化的原子序数z或x射线可测量特性的材料。
本文公开的材料分解方法可以用于确定目的区域中每种组件的密度、厚度、组成、x射线可测量特性。可选地，也可以使用基函数光谱x射线成像方法以及在光谱CT和双或多或光谱x射线成像中使用的其它方法和算法、或现有技术的那些方法和算法。
硬件在混合系统中的放置
硬件可以在位置上是静态的，以一定角度放置，使得所有x射线测量模块可以访问对象，同时仍然保持定位目的区域，并询问来自一个或多个源的一个或多个组件的能力。用于测量混合系统中的选定目的区域的一个或多个检测器或相关硬件可以被放置在与对象相对的全场平板检测器的下游。
全场检测器可以被放置成最靠近对象。用于混合系统中的其它硬件和其它检测模块也可以相对于平板检测器以一定角度放置，用于使用在对象的相对侧上的相同x射线源或不同x射线源进行全场成像。
可选地，平板检测器可以离其它检测模块最远。
光谱吸光测定可以被放置在平板x射线检测器的下游、或者平板x射线检测器及其相关硬件与对象之间的上游。可选地，除了平板检测器之外，所有硬件可以移入和移出x射线源与对象之间，或者对象与平板检测器之间的位置，或者在平板移位到不同位置或平板检测器下游之后代替平板检测器。
单或光谱x射线显微术所需的硬件可以包括聚光器。如果使用相同的或另外的x射线源光束孔径，则可以将它们放置在x射线源与对象之间。对象和检测器或包括光子计数器、硅位移检测器和能量敏感检测器的检测器模块可以被放置在平板检测器的上游或下游，如图36a-B所示。在一些情况下，混合系统可以是彼此对角的，对象在中间。
如图12B和12C所示，2D或3D全场x射线成像可以与更快的帧速率和/或更高的光谱分辨率和/或更高数量的能量敏感检测器或检测器单元320组合，所述检测器或检测器单元320可以被放置在远离对象的全场x射线成像检测器14的下游，或者被放置在对象与全场x射线成像检测器14之间。例如，比全场x射线成像检测器14小的快速帧速率2D检测器或者点检测器或1D线性阵列可以用于捕获具有更高的空间分辨率和/或更高的光谱分辨率和/或更高的帧速率的另外的信息，用于进一步定量分析的选定区域或选定组件或选定靶标。
这种混合系统检测器3可以在6D空间中机械地移动，或者优选地，例如通过移动器在平行于检测器14的x和y平面中移动，以便在空间上动态地定位自身，以测量通过目的区域上的选定区域4s投影的x射线。
类似地，与光谱测量或光谱吸光测定的检测模块有关的硬件，或者x显微术中的物镜和检测器可以被放置在与对象和x射线源相对的全场检测器的下游，或者被放置在对象与全场x射线检测器之间，x射线显微系统的聚光器和光束孔径、或照射模块可以被放置在对象与x射线源之间。
或者，例如11，15的这样的硬件可以由移动器代替全场x射线检测器移动，因为全场x射线检测器14可以由移动器移出x射线光束的视线。任选地，混合成像硬件子模块，例如用于详细分析选定的目的区域4s的11或15，可以与全场检测器14成一定角度放置(在具有相同的源12的情况下)，例如，如果来自12的x射线光束被x射线光学器件或相关组装件操纵以从与原始路径不同的角度或使用不同的x射线源照射4s。
多能量x射线源放置
本公开内容的x射线系统可以具有多于一个的x射线源，例如，以从检测器14相对于对象2的相对侧的不同空间位置照射相同的目的区域R1。例如，如图35A所示，可以读取对应于每个x射线源的检测器区域。每个源可以产生不同于其它源的一个或多个x射线能量或波长。2D和3D图像都可以基于由每个x射线源生成的测量来生成。这可以增加用于多种能量应用的测量速度。
此外，如图35B所示，可以使用更多的检测器，使得两个或更多个检测器24收集来自相应的x射线源的目的区域R1的x射线输出。
x射线源
任何合适的x射线管可以用于使用平板x射线检测器、2D检测器、1D检测器以及光电二极管和光子计数器、或x射线显微镜或x射线光谱测量和光谱吸光测定的x射线全场成像。可以使用多色性质的x射线管。当用多色源进行x射线吸光测定时，根据全场x射线成像的结果，或者基于一个或一组标准的用户或计算机输入，确定在目的区域中的混合系统中用于详细分析的选定区域。可以将SNR与各种波长的全场x射线图像进行比较。多色x射线源可以被转换成单色源，如使用x射线单色器或x射线波长或能量滤波器或x射线光学器件，如由聚石墨制成的镜。可以使用微源、同步加速器源或同步加速器样或基于线性加速器的或类似类型的源，或激光康普顿散射源。与镜(例如热解石墨镜)一起使用的x射线管可以包括出口狭缝，其限定用于期望能量的布拉格角并用作扇形光束源。也可以使用基于纳米管或纳米线的x射线源。
可以将产生x射线微源阵列的源成像到对象上以进行结构化照射，如本文公开的。能够在空间上分裂原始x射线光束的晶体或MEM设备、折射光栅或x射线光学器件可以产生空间上分离的、稀疏分布的多个细光束。可选地，具有在选定区域选择性地透射x射线光束的孔的旋转盘可以用作微光束发生器。如果细光束在空间上以允许拼接的方式排列，则可以从由细光束产生的图像以拼接方式将对象的最终图像拼接在一起。
本文公开的x射线系统可以进行空间分辨的x射线透射分析。当入射的x射线光束被引导到对象上时，x射线可以沿着投影路径被透射。入射的x射线光束可以是锥形光束或扇形光束或点光束，或者可以包括x射线细光束的阵列。透射的x射线可以用空间分辨的x射线检测器测量。
本文公开的x射线系统也可以进行相衬分析。当入射的x射线光束被分裂成两个并且被引导到对象上时，x射线可以沿着投影路径被透射并且在下游被组合以在检测器上形成干涉图案。
本文公开的x射线系统可以包括进行相衬信息或空间分辨的x射线衍射分析的硬件和软件。入射的x射线光束可以被引导到对象上以产生衍射的x射线。入射的x射线光束可以是细光束或者可以包括x射线细光束的阵列。衍射的x射线和/或干涉图可以用空间分辨的x射线检测器测量。
本文公开的x射线系统可以进行空间分辨的x射线荧光分析。x射线激发光束可以被引导到对象上以产生荧光x射线，其中x射线激发光束包括x射线微光束的平面阵列。单独的x射线微光束可以各自具有小于低的两位数微米的直径。荧光x射线可以用包括x射线成像光学系统以及能量分辨和空间分辨x射线检测器的x射线成像系统来成像。x射线成像光学系统可以收集当对象被x射线激发光束照射时产生的荧光x射线，所述x射线激发光束被定位成使得其对象平面与x射线成像光学系统的景深内的微光束的平面阵列的平面共面。能量色散和空间分辨x射线检测器可以定位在x射线光学成像系统的图像平面上。
所公开的系统中的x射线源可以照射“光束分离”光栅，所述光栅在空间中产生一组被称为“Talbot干涉图案”的自复制光束，其可以用于照射对象。一个或多个光束中的每一个可以在对象的表面处具有高分辨率，例如，具有约低的两位数微米或更小的直径。产生对象的图像的一个或多个细光束投影可以在一维和/或二维上具有高分辨率。
可以在x射线源侧和/或x射线显微镜检测器侧上使用x射线光学组装件。当x射线全场成像检测器与显微术方法一起使用时，x射线光学器件可以优选地在x射线显微镜检测器侧上实现。
光学组装件可以包括一个或多个光学器件，其中反射表面的至少一部分是抛物面的或椭球体的。光学器件可以任选地在其反射表面上是抛物面的，然后是椭球体轮廓。x射线光学组装件可以包括双抛物面，其包括准直透镜或光学器件以及聚焦透镜或光学器件。
光学组装件可以包括一个或多个中心光束阻挡器以去除通过轴向对称的光学器件的中心透射的x射线。光学组装件可以包括本领域已知的任何合适的x射线光学元件，例如，利用共焦光学器件的询问系统。光学器件可以包括光圈元件，以从除了通过光学器件侧面透射的初级x射线(如用于初级透射的x射线显微镜配置)之外的光束路径x射线中去除x射线；或者在荧光、衍射和/或干涉仪配置中通过光学器件的侧面未反射但透射的x射线。x射线光学组装件可以包括一个或多个波带片。
与单光束形式相比，x射线光学器件可以具有更宽的视场，以适应用于适应多个x射线输入光束视场的更大的输入视角。
光谱测量或吸光测定和/或显微术配置实例
图12A-12C示出了全场x射线成像检测器和光谱吸光测定11(12A)或显微术17(12B-12C)的示例性组合。图12A-12C中的x射线系统的全视图x射线成像方面可以具有图1A和1B中的x射线设备10的任何特征。图13A-C示出了基于混合配置的测量和分析方法的几个实例。
x射线吸光测定或x射线光谱测量使用双倍能量或波长或宽带x射线来扰动包括一个或多个组件的对象，基于x射线吸收或衰减或透射特点和密度特点来分析和鉴定材料和组件。所述技术使用例如能量敏感检测器、光子计数检测器、PMT或结合能量色散光栅和空间敏感检测器或硅漂移检测器的x射线光学器件组装件来测量对象对各种x射线能量的扰动，或更具体地测量对象对初级x射线的吸收。该技术可以与本文所述的3D成像相组合，以提供材料的3D定量分析，以及这样的材料相对于对象或对象中的其它材料和组件在3D和6D空间以及时间中的定位和位置。不是像2D光谱x射线成像或3D光谱x射线成像或其中在光谱吸光测定中通常选择诸如用于骨的成像能量和用于软组织的成像能量以及一些k-边缘能级的多个光谱的光谱x射线断层摄影中那样的更大的成像区域，多个不同的离散能级可以连续地扫过或者宽带x射线光谱可以用于照射对象。光子计数器或光子检测器或者1D或2D检测器有时可以与能量色散光栅组合。多通道吸光测定或扫描x射线吸光测定可以用于实现更宽的视场，同时保持更高的灵敏度。实现的光谱分辨率可以高达0.01nm。
多通道吸光测定或扫描光谱x射线测量或扫描x射线吸光测定可以用于实现更宽的视场，同时保持高灵敏度。
各种设备和方法可以用于限制x射线光束尺寸，因此限制吸光测定的辐射水平和用于目的区域的技术的灵敏度。当选择使用的检测器具有高得多的灵敏度时，可以更容易地显示和检测目的区域的3D特点。3D成像可以用于目的区域与吸光测定数据的3D关联。例如，光束尺寸调整元件可以是固定的或可调整的孔径或者基于一种或多种x射线吸收材料的光束选择器。用于在x射线源中产生x射线光束的电子束的选定靶标区域的可调整位置或特性可以用于产生窄光束尺寸的x射线。在一些情况下，在发射的x射线源下游的可调谐x射线调制器，如MEM设备或调制晶体，可以用于限制视场以仅照射对象上的选定的目的区域。
如图12A所示，系统可以包括x射线源12、对象2、全场x射线检测器14和吸光测定组装件11。x射线源12可以是产生穿透目的对象的多色或单色x射线的任何类型的源。检测器14可以任选地为能量敏感型。全场x射线检测器14可以被放置在对象2与光谱吸光测定光学器件之间，以提供更大的视场成像。可以选择目的区域4用于光谱吸光测定分析。在光谱吸光测定测量期间，检测器14也可以被取代(displaced)或去除。如果没有去除全场x射线检测器，则未被吸收的x射线穿过全场x射线检测器。任选地，全场x射线检测器和x射线光学器件在x射线吸光测定测量期间可以被取代或可以不被取代，因为可以在测量之前进行校准步骤，以使得能够在图像处理期间提取与这样的硬件相关的干扰信号。
x射线光束30可以穿过目的区域4，并且任选地在到达衍射元件340之前穿过全场x射线检测器14，所述衍射元件340可以包括诸如晶体或衍射光栅或能量色散光栅的元件。衍射元件340可以将x射线光束分裂并衍射成具有不同能量和/或波长的多个x射线光束341。某些x射线光学器件330可以被放置在光束路径中，例如，在对象2与衍射元件340之间，以在优选方向上操作、聚焦或操纵x射线光束341，使其能量被衍射元件340分散，每个能级或波长到达不同于其它的空间位置，并被引导到检测器345用于测量。检测器345可以是空间敏感检测器。光学器件330可以是望远镜透镜，其还可以将x射线扇形光束减小到较小的光束尺寸。可选地，光学器件330可以收集从对象出来的初级x射线，并将输出x射线尺寸集中或聚焦到较小的区域，其还可以由能量色散光栅和下游检测器处理。有利的是，可以没有移动部件。可以实时测量选定的区域。
诸如孔径的光束阻挡器可以用于阻挡各种来源的干扰x射线或对目的测量无用的x射线。可选地，光栅元件340可以是透射的，并将x射线色散地分散到各种能级或离散波长的x射线光束341上。
吸光测定组装件可以包括光谱敏感检测器345，如硅漂移检测器、硅锂检测器或与x射线波长色散组件(如衍射晶体或合成多层)组合使用的任何类型的x射线检测器或检测器组装件，或x射线敏感测量元件(如光电二极管、光子计数检测器)的线性阵列，或者可以是任何类型的x射线敏感照相机或能量计数检测器或光电倍增管，其具有上游的闪烁体以将x射线信号转换为可见的光子信号。空间敏感检测器345可以测量x射线光束341、每个像素位置、或检测器345的每个区域，以收集特定的能级或波长水平处的信号。因此，空间位置敏感的x射线检测器345可以用于测量来自每个离散能级的x射线的信号。孔径可以用于对目的空间区域进行另外的完善。
可选地，目的区域下游的吸光测定组装件可以包括将x射线引导到光栅系统的球面镜，该光栅系统可以将x射线色散地分散并到达空间敏感检测器上。
任选地，可以利用具有一个或多个通道的x射线光谱仪模块，以允许在各种离散波长下进行高分辨率x射线测量。
最佳地，光谱吸光测定模块可以能够进行多通道测量，如使用光纤将来自输入的x射线运输到检测器，如线性检测器或2D检测器中的一行。该配置可以允许对象上吸光测定的更宽的视场。
具有或没有x射线光学器件(例如在x射线显微术中使用的那些)的有关吸光测定可以在空间、时间和光谱上以高分辨率在分子水平上测量化学组成，其中在x射线显微术和/或2D或3D全场x射线成像中进行3D或多维测量以确定物理特点，包括形状、厚度和/或位置。组合可以允许在具有或没有标志物，如造影剂的情况下定位和表征非常小的元素，如分子、细胞和/或异物。
如图12B和12C所示，x射线显微术或与光谱吸光测定组合的x射线显微术可以用于基于例如使用x射线全场方法的成像和定量分析的结果来缩放选定的目的区域，所述x射线全场方法具有或没有用于详细成像和分析的2D、多维或3D配置中的光谱测量。在这种情况下，x射线优选为单色源，例如，单色器修改多色x射线源，聚光器还将x射线光束聚焦到焦点，焦点的下游，x射线扇形光束照射目的区域，放大的图像进入物镜的后孔径(在一些情况下，物镜是带状板)，并将光束聚焦到2D检测器上。3D x射线显微术还可以如以上在3D成像方法中所述的那样实现。吸光测定可以与x射线显微术组合(类似于图12A中所述的配置)，而不是直接在全场x射线成像的下游。如果x射线显微术的x射线源是多色的，则吸光测定可以在x射线显微镜检测器的下游，尤其是当例如在x射线显微术中使用x射线光学器件时。
如图12B所示，x射线显微设备17可以包括高分辨率显微术所需的x射线光学器件。在图12B中，所述设备可以包括x射线源12，可以包括聚焦光学器件(如聚光器)的x射线光学器件302，以及用于照射对象2的孔径304。光学器件304可以是晶体或单色器或MEM设备或能量选择x射线滤波器或发射器。所述设备可以包括x射线光学器件310，其可以包括主观透镜和中继透镜。所述设备还可以包括2D传感器320。图像对象2可以定位在x射线光学器件304与x射线光学器件310之间。
在图12C中，x射线设备1200可以通过将全场x射线检测器14放置在对象2与x射线光学器件310之间来将2D或3D x射线显微术与全场x射线成像相组合。在图12C中，设备1200包括光束选择器或准直器24。光束选择器24可以相对于发射位置16保持固定。这是因为光束选择器24可以具有固定的焦点。光束选择器24也可以相对于发射位置16不保持固定，因为光束选择器24可以具有可调整的焦点。在图15B中示出了准直器24的示例性构建。在图15C中示出了准直器24和平板x射线前部检测器22的示例性组装件。
可选地，可以使用例如如图6所示的光束吸收颗粒板，或者嵌入有用于x射线透射的限定尺寸的孔的准直器或光束选择器，或者这样的光束选择器的堆叠，用散射去除设备来修改x射线显微术。
x射线光学器件302可以聚焦x射线光束30和/或通过滤器或单色器(如晶体和/或类似物)将多色x射线转换成单色细光束。例如，在源本质上是单色的情况下，可以不需要转换功能。
对于在多个通道上进行的x射线吸光测定，基于多个光纤或全内反射的x射线光学器件可以将来自目的区域的x射线引导到检测器。如果线性检测器用作吸光测定检测器，则可以将多个线性检测器用于多通道系统，每个线性检测器对应于每个通道。
任选地，对于多个目的区域，可以在多个通道上进行x射线吸光测定和/或显微术。例如，如图12C所示的x射线显微设备可以包括x射线检测器，其可以形成2D图像以及是能量敏感的。可选地，与上述类似的吸光测定组装件可以在x射线显微术中使用的检测器的下游。x射线显微术和吸光测定可以与全视图x射线成像相组合。x射线源可以是多色的。设备可以包括用于x射线显微术和/或分析通过x射线显微检测器的x射线的光谱敏感检测器，其可以是可选的，和/或由衍射光栅分散，以及在空间敏感检测器上产生信号。
在图15E中示出了具有MEM的可调谐阵列的示例性衍射光栅。如所示的，入射角被限制为满足MEM镜的中心位置的初级x射线角的入射角。由MEM衍射的x射线可以被收集在对应于MEM位置的第二检测器上。如将在下面讨论的，光栅也可以用于在x射线的相位对比度和吸收成像中产生干涉图案。图15F示出了使用用于晶体衍射的入射角或用于晶体表面衍射的临界角的示例性光束选择器。在静态2D成像中，当入射角在限定的角度之外时，晶体不会对高能x射线进行衍射。在动态2D成像中，例如，使用晶体结构中的声波调制，可以在不移动用于光束选择器对齐的部件的情况下实现调制。x射线可以与晶体中的声波相互作用。
可以在目的区域上扫描用于x射线光谱测量、吸光测定或显微术的输入x射线光束，以扩展视场以及用于获取构建多维和3D图像所需的图像或测量。x射线光束可以通过不同的机构移动，包括如在本文公开的在3D成像中使用的磁、电磁、电和机械方法。扫描的x射线光谱测量或吸光测定或透射显微术输入可以与多光束方法相组合，以进一步增加总视场并增加限定的目的区域的成像速度。
多光束配置
检测器的间距可以与多个x射线源的间距相匹配，使得每个像素被定位为仅检测从对象与单个微光束的相互作用而出现的x射线，并且可以减少由于相邻微光束而导致的像素之间的串扰。对象的特性的数据收集和最终重建可以在知道来自每个像素的不同信号不需要被进一步去卷积的情况下进行。如果微光束与像素之间存在串扰，则在适当校准的情况下，另外的图像分析可以用于去除一些串扰。
这种匹配可以以不同的方式实现，例如，通过与单个微光束具有1:1匹配的检测器间距，即，每个光束的图像形成在检测器中的一个像素上。也可以使用较小的检测器间距，其是微光束间距的整数倍(例如，间距减小2倍，这表示4个像素被定位以收集对应于单个微光束的x射线的2-D阵列，或者间距减小3倍，这表示9个像素被定位以检测对应于每个微光束的x射线)。如果被检测到的x射线具有一些空间结构，则这可以提供一些优点。
同样，如果使用产生放大的x射线系统的x射线光学组装件将从检查中的对象发出的x射线成像到检测器上，则也可以使用更大的检测器间距。该成像系统可以是本文公开的任何x射线光学系统。光学器件可以被实现为具有等于或大于微光束直径的视场的消色差成像光学器件。例如，利用掠入射反射来反射具有内反射表面的x射线以收集发散的x射线光束并聚焦该光束的轴向对称聚光器光学器件可以被设计成产生1:1的图像。光学器件也可以用于产生放大的图像。
检测器可以是具有闪烁体屏幕和可见光光学器件并用于形成x射线图像的多个空间分辨检测器中的任一种。检测器可以是将空间相关的x射线强度转换为电子信号的阵列x射线检测器，包括线性检测器、平板检测器、能量分辨阵列检测器、光子计数检测器、PMT、光电二极管、硅漂移检测器、双层或多层检测器、夹在其间的具有光束选择器的双检测器层等。
对于x射线显微术中的单光束和/或多光束配置，x射线检测器的实例包括荧光屏或闪烁体，其在暴露于x射线时发射可见波长的光子。荧光屏或闪烁体可以包括一层碘化铯(CsI)、铊掺杂的CsI、钇铝石榴石(YAG)或亚砜钆(GOS)。所产生的光子可以由将可见强度转换为电子信号的传感器检测，任选地添加中继光学器件组装件，其扩大和放大光子的强度图案。闪烁体和电子组件可以足够薄，使得每个检测器像素只收集对应于单个微光束的x射线。
当使用中继光学器件和放大的图像时，检测可能限于x射线光学器件的视场。为了对更大的区域进行成像，可以以如上所述的拼接方式来组合多个图像。
在每个像素内具有另外结构的检测器也可以被用于例如选择性地收集荧光信号或散射信号或衍射信号或原始照射路径中的初级x射线。
用于x射线光谱吸光测定的检测器可以是光谱敏感检测器，如硅漂移检测器、硅锂检测器，或与x射线波长色散组件(如衍射晶体或合成多层)组合使用的任何类型的x射线检测器或检测器组装件。检测器系统可以包括衍射组件，如晶体，其将x射线光束分裂并衍射成在用来测量来自每个离散能级的x射线的信号的敏感x射线检测器位置下游的不同能量和波长的多个x射线光束。在这样的情况下，孔径可以用于对目的空间区域进行另外的完善。
对于与吸光测定或x射线显微术或两者组合的全场x射线成像，x射线2D平板检测器可以被放置在对象与用于透射的下游x射线光学器件和x射线检测器之间。最终的x射线显微术图像可以通过利用图像处理以去除由在对象与x射线显微镜光学器件之间的全场检测器得到的伪像而得出的。
可选地，根据应用需要，这样的全场x射线成像检测器的平板可以被放置在x射线显微镜的成像路径之内和之外。
单光束配置
透射全场x射线显微镜可以与单光束一起使用。另外，在单光束的情况下，透射、荧光、干涉仪和衍射x射线显微镜可以与光谱吸光测定、光谱测量或光谱学组合。可以使用与在x射线显微镜中使用的相同类型的检测器。对于透射全场x射线显微镜，也可以使用用于散射去除的检测器组装件或多能量双检测器组装件或多检测器组装件。
检测器可以是用于形成x射线图像的多个线性或2D检测器中的任一种，如包括闪烁体屏幕和可见光光学器件的检测器系统。在一些情况下，检测器可以是将空间相关的x射线强度转换为电子信号的阵列x射线检测器，包括线性检测器、平板检测器、能量分辨阵列检测器、光子计数检测器、双层或多层检测器和/或散射去除检测器组装件。
如图12C所示，全场x射线检测器14可以被放置在对象2与光学器件310之间，而不干扰显微成像，因为可以从形成在检测器320上的图像中提取检测器14的图像(类似地，可以从形成在图12A中的检测器345上的图像中提取检测器14的图像)。可以首先用相同的x射线源或常规的x射线源形成全场x射线图像。可以选择目的区域以通过吸光测定或显微光学器件和吸光测定或显微术检测器成像，从而以更高的分辨率解析目的区域图像。
x射线源12可以发射具有可控能量的x射线。源12可以发射用于每次成像操作的单能的x射线。对于每个成像操作，源12可以发射具有可控能量的两个连续的x射线脉冲：平均能级为H的高能量脉冲，然后是平均能级为L的低能量脉冲。每个脉冲可以具有单个可再现的能谱，其可以由韧致辐射和离散的线发射组成。对于每个成像操作，源12还可以是具有各种能级的三个或更多个连续脉冲，例如，平均能级为H的高能量脉冲，然后是平均能级为M的中能量脉冲，然后是平均能级为L的低能量脉冲。每个脉冲可以具有单个基本上不变的能谱。
可选地，x射线源可以是单色性质的，如同步加速器或激光康普顿散射源，或者例如通过光学器件组装件304修改或滤波为单色源的如上所述的多色源。
如图12B和12C所示，x射线发射位置16可以相对于对象2移动，使得x射线光束的波前位于平行于检测器组装件14的平面202中。机构200可以有角度地、线性地或两者的组合移动发射位置16。优选地进行移动以求解对象2中的目的区域4中的第三维中的未知像素，同时最小化每次移动中新的未知像素的引入，并且最小化用于对目的区域4的第三维中的未知像素的完全得出的新的未知像素的总数的引入。对象2还可以相对于发射位置16物理地移动，特别是在诸如工业应用的应用中，其中对象2在被成像时已经在移动中。为了使总成像时间和辐射暴露最小化，每个移动(有角度的或者线性的)都可以解析第三维中的未知像素，优选地像素间距的整数倍。
为了最小化总成像时间和辐射暴露，机构200可以任选地快速移动发射位置16(以或快于检测器组装件14的帧速率)。机构200可以以像素间距(相邻检测器单元之间的距离)的整数倍的增量提供该移动。移动可以被设计成使得在移动方向上，对于检测器上的每个新测量，在目的区域移动的移动轴中只引入未知性质的整数倍或一个像素间距的最大值。
移动可以是像素间距的一部分的增量。例如，为了解析沿着第三轴的未知像素以重建多维图像，移动可以导致在检测器14上的测量，所述测量沿着投影图像没有引入的新的未知像素，但在检测器上具有用于目的区域的选定图像的不同投影路径的新测量。
机构200可以提供移动发射位置16，以及任选地提供移动检测器组装件14。例如，两个或更多个x射线源14可以定位在平面202中的不同位置，并从这些位置依次地发射脉冲。检测器组装件14可以是固定的。对于该机构200，光束选择器24具有多个固定焦点或可调整焦点。
可选地，单个x射线源12可以从平面202上的不同位置依次地发射x射线脉冲。x射线源12可以包括微米级的金属x射线发射器，其可以被调制并开启和关掉以控制发射位置16。
准直器(或光束选择器24)的2D阵列，其中每个孔是像素间距的整数倍，可以使用不同的机构来光栅扫描x射线光束。二维致动器可以物理地移动x射线源12和x射线检测器组装件14。优选地，致动器可以使x射线源12和x射线检测器组装件14以或快于检测器组装件14的帧速率移动，每个增量是平面202中像素间距的低整数倍。对于这种配置，光束选择器24(准直器)可以具有固定的焦点。二维致动器只能物理地移动x射线源12。优选地，致动器可以使x射线源12以或快于检测器组装件320的帧速率移动，每个增量是在平面202中的像素间距的低整数倍。对于这种配置，光束选择器24与发射位置16对齐。光束选择器24可以具有可调整的焦点。二维致动器只能物理地旋转x射线源12，使得发射位置16以圆弧移动。优选地，致动器可以使x射线源12以或快于检测器组装件14的帧速率旋转，每个增量是沿着圆弧的角度以模拟一个像素间距的平面移动。对于这种配置，光束选择器24必须与发射位置16对齐。在这种配置中，光束选择器24可能需要调整其焦点。在一些情况下，到每个x射线发射位置的移动可以不伴随每次焦点的调整。任选地，不是所有到x射线发射位置的移动都需要调整焦点。
对于使用多个板(例如，如图2所示的P1至P4)的散射去除，可以不需要空间上对焦点或移动进行这样的调整。此外，当两个或更多个x射线源用于光谱测量和/或混合系统时，可以使用这样的配置。
对于使用一件硬件(如图1B或图3或图9中的光束选择器，准直器24，或者如图6和图7中的光束吸收颗粒板105，或者如图2中的多个板配置的准直器或光束选择器)的散射去除方法，可以根据成像方法的要求移动或不移动这样的硬件。
x射线发射源或x射线源的移动
机械移动器可以在例如3D成像中移动x射线源的发射x射线位置或x射线源。x射线源可以具有两个或更多个x射线发射位置，如在像素化的x射线源中或在基于场发射的源中。多个x射线源可以被放置在不同的空间位置。可选地，基于场发射器的冷阴极x射线源可以激活或去激活多个发射器或每个发射器的区域，以在空间上产生变化的x射线发射位置。
机构200还可以任选地使x射线源12内的电子束偏转以撞击阳极上的不同位置，从而使x射线光束从不同的发射位置16发射。如图15所示，可以通过连接到x射线管210的外壳的螺线管线圈212(也称为磁板或转向板)产生变化的磁场。磁场可以使x射线光束211偏转。当通电时，线圈212在x射线管210中的电子束上产生磁场和相关的洛伦兹力，从而使发射x射线的阳极靶标214上的冲击点移位。图12B和12C中的发射位置16可以由于锥形光束213的焦点在阳极靶标214上的位移而移动。结果是发射位置16可以从一个位置移动到另一个位置。小心地控制线圈212可以在一维或二维中产生小至像素间距的移动。
任选地，当电子束穿过带电金属板或电光透镜时，电子束也可以偏转。偏转的方向取决于板的极性和电荷量或电光透镜的设计。
任选地，诸如发光二极管(LED)或激光器的光源可以用作产生电子束的源，该电子束可以被倍增管放大。诸如光学器件或镜子和/或声/光偏转器的光偏转器可以用于使光偏转。超快激光器可以用于产生发射紫外光的紫外发射器。光电阴极可以可操作地耦合到紫外LED并发射电子。电子倍增器可以可操作地耦合到光电阴极以倍增入射电子。阳极可以可操作地耦合到电子倍增器并且被配置为产生x射线。紫外线发射器可以以不同的角度操纵以控制电子束的输出，这继而可以控制从阳极发射的x射线光束的方向或位置。
任选地，用强飞秒激光脉冲照射金属组件(如纳米线)的阵列可以产生高亮度皮秒x射线脉冲。发射位置16可以通过使用光学转向设备来移动，以改变激光束在金属组件上的冲击位置。
超声可以在空间和时间上调制x射线光束。例如，可以通过表面声波调制的LiNbO/sub 3/晶体的YZ切口上的全外反射来完成x射线光束的时空调制。x射线衍射可以由表面声波的幅度和波长来确定。x射线的发射位置16也可以由于通过超声波或表面声波从晶体调制的衍射而移动。使用例如如图15D所示的聚毛细管的全内反射，也可以将由单光束源发射的x射线光束移动到不同的发射位置16。
换句话说，诸如晶体的光学、电、磁、x射线光学器件，诸如超声的声和/或其它转向机构可以用于快速操纵x射线光束输出位置(如在皮秒、纳秒内，或快至10-15s，在一些情况下，与超短x射线脉冲的持续时间相同或接近，或者如本文公开的其它方式)。
散射去除
具有或没有任何另外的模态(如吸光测定、光谱学或如本文公开的其它方式)的x射线显微镜可以将散射x射线与初级x射线分开。光束选择器在全场x射线成像中可以被放置在x射线源的下游和对象的上游，或者在x射线显微术中可以被放置在聚光器与x射线源之间。当采用这样的实现方式时，为了进一步获取3D成像所需的图像，可以实现下面描述的过程。
如图14所示，光束选择器的第一位置可以用于产生一个2D图像的一部分，这将在下面更详细地描述。仅区域1提供目的区域的初级x射线图像。如图14所示，光束选择器可以是棋盘设计或其它方式，以便产生区域1图像。当光束选择器被放置在其第一位置并且从x射线发射位置的第一位置发射x射线时，在检测器14上拍摄2D图像，但仅一半区域是初级x射线投影区域。如图14所示，x射线源12可以对平面202上的各个位置进行光栅扫描。在到达所有的x射线发射位置并且由检测器14或检测器320记录平面202上的每个x射线发射位置处的图像之后，光束选择器移动到平面202上的第二位置，其中来自第一扫描的检测器上的区域1可以变成在光束选择器的第二位置处与检测器的区域1相邻的区域。改变x射线的发射位置的x射线源或其它部件可以从第一位置开始光栅扫描移动，并且可以记录2D图像的第二部分。2D图像的第一和第二部分可以在相同的x射线发射位置，但在不同的光束选择器位置拍摄。可以将第一第二部分拼接在一起以形成用于重建多维图像的单个2D图像的一部分。虽然优选的是仅2D图像的第一和第二部分足以形成第一2D图像，但在一些情况下，可能需要第三部分或更多，其中x射线源可以从平面202上的第一位置到最后位置进行三次或更多次光栅扫描，以便形成重建目的区域的3D图像所需的完整2D图像。
如图14所示，通过移动调制器可以在检测器14上产生不同的图案。为了在检测器14上示出这样的图案，可以修改x射线源12以在目的区域4上产生这样的结构化照射。有多种方法可以做到这一点。
x射线源12能够发射具有选定发射位置的多个细光束，以照射对象2中的目的区域4上的空间上分开的光束路径，例如，以在检测器14上形成具有低散射干扰的初级x射线图像区域1，如图14所示。x射线源12中的电子束靶标可以是空间和/或时间可调谐的，使得靶标的某些区域在时间上以可控方式产生x射线光束。这些区域可以选择性地产生x射线光束或被关闭，从而不产生x射线。
在混合系统的一个实例中，x射线源12还能够发射照射目的区域4的全锥形光束，如在用于选定区域4s的完整显微图像的常规x射线锥形光束中一样。具有固定透射和吸收区域的准直器(如图12C中的光束选择器24或如晶体的可调谐准直器，其可以在某些位置被激活以允许透射并且在延迟的时间被去激活)可以调制x射线光束以产生多个光束。MEM镜可以允许打开和关闭开关用于在指定区域处产生x射线光束组。x射线光束可以被分裂成在同一路径上行进的两个脉冲，第一脉冲经历一个图案调制器，第二脉冲被延迟穿过第二照射调制器以产生结构照射的第二图案。第一x射线源可以由镜子开启以在目的光束路径中行进，并且当具有不同图案或互补图案的第二x射线源开启时关掉。这种开关可以是x射线镜，如双面镜。
如图14所示，可以在检测器14上形成初级图像1。初级图像1可以在一个像素或多个像素上。区域2可以是没有初级x射线的区域，但可以包含散射信号。可以从紧邻检测器14上的图像1或区域1的像素2插值初级图像1上的散射信号。图像1或区域1的形状可以是任何形状。如果散射干扰对于某些对象和/或应用是低的或是不需要被去除的，则该步骤可以是可选的。
x射线可以在检测器14上产生图14所示的“棋盘”图案或其它类型的图案。在示例性“棋盘”图案中，整个准直器或调制器可以在平行于检测器14的平面中移动。如果区域1和2的尺寸各自是检测器像素间距的尺寸，则移动可以大约为检测器像素间距范围，其可以是单数位微范围、100μm范围或单数位mm范围，这取决于检测器14的检测器像素尺寸。如果区域1和2的尺寸大于一个像素间距，则调制器的移动可以更大。
这种移动可以被设计成使得第一图像的区域1不是完全准确地位于与第二图像的区域1相同的位置，并且在边缘上的第一图像的区域1与第二图像的区域2之间存在一定程度的重叠。在准直器移动之后，重叠可以提高将来自检测器上的第一检测器图像的区域1和第二图像的区域1组合拼接图像的完整性、对齐性和/或准确性。
下面描述散射信号在初级图像1上的插值。在检测器14读取与区域1相邻的像素的区域2上的信号S2之后，该设备的处理器可以将区域2上的散射信号插值为区域1上的散射信号。处理器可以从S1得出区域1上的散射信号S1(i,j)。处理器可以通过从检测器14的区域1读取的原始LP1(i,j)信号中减去结果S1(i,j)来得出区域1的初级x射线信号P1(i,j)。然后，处理器可以通过HS1(i,j)＝H1(i,j)–P1(i,j)来得出在目的点(i,j)处的高分辨率散射图像HS1。高分辨率图像H1(i,j)可以从产生并投影以照射整个目的区域的x射线扇形光束读取区域1上的像素而得到。P1(i,j)是低分辨率初级图像的结果。然后，处理器可以将HS1(i,j)插值到投影图像的其余部分，以得出高分辨率散射图像HS。高分辨率初级x射线图像HP可以由等式HP＝H-HS得出。HS是高分辨率散射图像，H是测量的初级和散射x射线的高分辨率图像。
如上所述，如果在空间上足够远地产生x射线细光束，则来自相邻光束的极少量的散射信号或没有散射信号到达区域1。可以合理地假设P1＝LP1。
多个能量，如三个或更多个能级可以用于从初级x射线中分离散射。当使用光谱成像时，可以采用该方法来改进与初级x射线的散射分离。多能量x射线初级和散射分离方法利用三个或更多个能量的x射线源，因为在成像对象中分别存在三种或更多种不同的材料。本公开内容中公开的多能量x射线数据分解方法可以直接求解原始形式的三或更多能量x射线成像基本等式系统，而不依赖于任何线性或二阶近似。
例如，三能量方法可以包括：(1)根据原始形式的非线性三能量x射线成像基本等式系统为每个检测器构建显式定量等式系统DH＝DH(b,s,f)，DL＝DL(b,s,f)和DM＝DM(b,s,f)。DH代表高能初级x射线信号，DM代表中能初级x射线信号，以及DL代表低能初级x射线信号。b、s和f可以是组织或i有机材料或两者的混合物。f代表不同于b和s的第三材料的密度。原始形式的多能量x射线成像基本等式系统不包含任何线性化近似，也不包含任何级数展开过程。所述方法可以包括(2)通过对步骤1的等式系统进行数值反演，重建三维表面等式系统b＝b(DH,DM,DL)和s＝s(DH,DM,DL)和f＝f(DH,DM,DL)；以及(3)通过将可用数据对(DH,DM,DL)插入到步骤2的数值等式中，或者通过在每个离散检测器单元位置处确定DH、DM、DL或者它们中仅一个的期望值，来确定在每个离散检测器单元位置处的b和s和f的期望值。可用数据集(b,s,f)也可以扩展到步骤1的数值等式中。所述方法可以包括(4)在每个步骤保持准确性。
当这样的材料组b、s、f不是一直可用时，与每种未知材料或物质b、s、f类似的已知材料，如u、v、w，可以用于建立数据库。数据库可以扩展到两种以上组件或物质的材料分解。可以通过测量的数据在u、v、w和b、s、f之间建立定量的数值关系。
可选地，基于来源于诸如CT、MRI、光学测量、光声、声和PET以及机械方法的其它模态的数据和预先存在的数据的模拟和合成数据可以用于生成数据库。
事实、结构化数据、特点、来源于基于来自所有模态的测量的数据的人工智能方法和算法的结果可以是数据库的一部分。
在本文所述的散射去除方法中，光束选择器可能仅需要移动两次或几次，每次移动小的距离，如小到间距像素距离、或半毫米或一毫米。相比之下，如果光束选择器被夹在两个检测器之间用于散射去除的目的，则光束选择器可能必须以复杂得多的运动进行调整，例如，在多维中移动，并且每个光束选择区域调整到x射线发射轴并且彼此相对。在这种情况下，x射线发射位置移动可以快得多，从而减少了由其它所需运动和/或3D图像记录所产生的瓶颈。这可以减少由于较快的图像获取而导致的由对象移动所产生的图像失真。
3D成像
本文所述的3D x射线成像方法可以应用于x射线显微术、全场x射线成像和2D区域的光谱测量。图9、13和33示出了独立和混合系统中的3D成像方法的实例。
对于3D断层摄影，可以在如图9和33所示的x射线发射位置进行x射线测量。此外，可以拍摄低分辨率x射线图像，以便确定和选择用于高分辨率成像、密度测量和/或光谱测量的目的区域。例如，如图34和图10所示，可以使用放置在x射线源与对象之间的光束吸收颗粒板15拍摄图像。在选择了目的区域之后，可以使用准直器17在x射线吸收区域的较小区域上拍摄高分辨率图像，如图10所示。
x射线光束选择器或准直器，或具有x射线吸收元件的x射线板可以被放置在对象与检测器之间，如在高分辨率断层摄影测量的情况下。可以用包含光束吸收元件的一个或多个板拍摄每个x射线图像。
在不同投影路径的测量中可以解析投影路径上被阻挡的未知像素。当x射线发射位置被移位时拍摄每个x射线图像时，一个或多个光束吸收板可以在z方向或x-y方向上相对于x射线发射位置或x射线源移位，或者在拍摄多个x射线图像的同时旋转，使得可以在下一组测量中测量涉及阻挡的投影路径中的未知量的测量，并且可以解析其值。
当光束吸收颗粒在x-y维度上较小时，如在x-y维度上具有一个或两个或少量的像素间距时，未知像素可以接近相邻区域。
当实现的分辨率可以是最高的(例如，100x或更高)，并且测量速度是最高的，如在ps范围或更高时，光谱灵敏度(12x或更高)对于选定的像素可以尽可能高，并且由于改进的分辨率、速度和光谱灵敏度，总灵敏度可以增加106或更高。即使丢失了大量测量中的一个或一个测量，例如，约1000个测量，这种未知像素或体素也可以从材料分解中插值或得出。
该过程可以应用于2D单或多光束x射线显微术，透射模式是独立的或组合了至少一种模态，如衍射、干涉测定、荧光和/或散射、相衬和暗场x射线显微术。对于这些应用，发射x射线以获取多维图像构建所需的图像的每个相邻点之间的距离可以小到在nm范围内。
首先获取多个2D图像。处理器可以确定重建期望的3D图像所需的2D图像的数量。处理器还可以确定产生比常规3D成像更少的图像层是否可行。如果2D检测器阵列具有m×n个检测器单元，并且处理器可以产生任意数量p个2D图像，其中p<n并且p<m。这导致P层2D图像，每层具有m×n个像素。3D成像方法涉及求解具有m×n×p个变量和m×n×p个等式的线性等式系统。所述等式具有三个维度，在x轴上的m个点，在y轴上的n个点，以及在z轴上的p个点。所述方法假设对象的目的区域中的每个体素是立方体，即，每个体素的边具有相同的长度Dx＝Dy＝Dz(或Xa＝Xb＝Xc，其中Xa和Xb是x-y平面的像素间距，Xc是样品深度的分辨率)。所述方法还可以扩展到Dz中的边不等于Dx和Dy的情况。参考图9和10，从2D图像进行3D成像的另外的细节。
对于每个图像，在过程1310中，相对于对象2发射x射线30的位置16(参见图12B和12C)在平行于检测器组装件14和/或传感器320的平面的平面202中移动。x射线源12包括用于如本文公开的这样的移动的机构。在本说明书的其余部分中，发射x射线30的位置被称为发射位置16。在移动点16之后，在过程1312中，可以拍摄和记录不同的2D图像。
初级x射线和散射可以在使用图像之前在2D图像中被分开。可以去除散射。也可以单独使用散射图像，例如，用于材料区分和鉴定以及检查以更好地可视化低原子序数z的材料或具有类似原子序数z的材料。不同的分离方法使用涉及x射线源和x射线检测器的设备的不同配置。在过程1314中，可以获得具有或没有上述其它模态的3D单或多光束x射线显微术。
在具有低散射特性的对象中，可以省略散射分离步骤。此外，当x射线细光束用于照射目的区域时，也可以省略散射分离。
通过过程1302、1304、1306、1308，可以在检测器上形成由具有像素间距或甚至相邻光栅之间的更小距离的光栅分开的各种波长x射线的2D干涉图，以提供2D图像。在过程1304中，来自x射线源的x射线扇形光束可以被分裂成两个相同的光束，并通过能量色散光栅被色散成多个波长的x射线光束，每个在2D平面202上相距一个像素间距，或者相距一个像素间距的一部分。穿过对象2的光束在检测器320上形成干涉图。参照光束行进相同的距离，但不穿过对象2。这可以通过晶体或其它光束组合机构来完成。
在过程1306中，具有来自不同发射位置的多个波长的相应光束的参照光束的干涉图可以形成在检测器320上。每个波长的图像可以形成一个2D图像。在过程1308中，由于每个波长的图像还表示从来自平面202上的不同发射位置的输入光束形成的x射线图像，因此可以通过将不同波长的2D图像与来自源12的单个x射线发射实时组合来完成多维x射线图像的构建。如果所用的波长彼此接近，例如在1-20nm带宽内或甚至更小，则可以最小化相同材料的吸收水平的变化。这是因为对于各种波长的x射线中的每种材料，吸收特点是类似的。因此，不同波长的每个2D图像可以与不同的位置关联，并且用于解析第三轴中的未知像素以构建多维图像。在任何一种情况下，由于能量或波长的变化而导致的吸收水平的变化可以在计算和推导沿着投影光束路径的未知单元或未知体素时考虑在内。在一种实施方式中，将材料或复合材料在一个波长或能级下的测量与另一个能级的测量关联，并且可以建立数据库作为参照。
将图12A-12C中的x射线设备用于3D成像的方法可以包括以下一般步骤：(1)校准；(2)2D成像；(3)图像散射去除；(4)2D功能成像；(5)多维和3D图像测量、计算、合成和构建；(6)3D功能成像；以及(7)一个或一些像素中的实际的和合成的3D、2D、多维、1D、点区域和/或选定区域或组件或靶标的时间戳呈现。步骤1、2、3、5、7可以用于高分辨率3D成像。步骤3和6可以是任选步骤，其使用取决于应用。另外的细节描述于国际专利申请第PCT/US2019/022820号中。
(1)校准。
在进行对象的任何图像获取之前，针对每个x射线源位置拍摄图像。检测器单元(i,j)可以接收穿过各种子像素的信号，并且可以计算每个子像素传输。例如，每个子像素可以是像素的一半。假设在每个像素(细柱)内，x射线衰减是均匀的并且与体积成比例。这种几何计算可以预先完成。可以存储来自几何计算的数据，或者可以得出通用公式来表示数据。
在拍摄2D图像之后，可以求解具有m×n×p个变量的等式系统(m×n×p等式)。x射线源的每个位置可以产生尺寸为m×n的图像，并且可以有p层。线性等式系统可以通过迭代法或矩阵法求解。
对于校准，可以考虑三种情况。当对象的目的区域恰好位于x射线成像区域内时，可以通过求解线性等式系统来保证3D图像的完整性。然而，当目的区域在一维或二维上延伸超过成像区域时，可能需要另外的计算。
假设区域A是目的区域，并且区域B与区域A相邻，则对于上述第二种和第三种情况，将需要区域B中的数据，以便获取区域A的投影数据。由于区域A被区域B包围，因此通过进行两步扫描，可以准确地获得区域B中的信息，而无需进一步扩展到更大的区域。
可选地，第一步对于大多数应用可能是足够的，尤其是与目的区域中未知量的数量相比，在目的区域之外新引入的未知量足够小的情况下。
可选地，为了解析目的区域之外的区域中新引入的未知量，当引入每个新的未知量或每组未知的体素时，检测器区域可以包括也读取涉及新引入的未知体素的投影路径的那些像素，在检测器区域处，完成需要被解析以完全重建目的区域的多维或3D图像的未知量的投影路径的测量。随着x射线发射位置的移动，引入越来越多的未知体素，读取初始m×n区域之外的检测器上的越来越多的像素。为了最小化要在检测器上读取的像素的数目，因此最小化要拍摄的图像的数量和辐射水平，彼此相邻的x射线发射位置可以具有最小距离或优化的空间位置，使得相距最远的位置的总体总空间维度或距离最小化。
在两步方法的实例中，在第一步中，通过使用双向移动，检测器可以沿着x方向和y方向获取数据。该数据可以包括NX数据点和NY数据点。N是在x、y或z平面任一个上的发射位置的数量。区域A具有像素编号NAX x NAY。区域B具有像素编号NBX x NBY。因此，NX和NY的总投影将是(NAX+NBX)(NAY+NBY)。N^2是z轴上的厚度或未知像素。如果沿着Z方向进行移动，则该移动同样可以被分成NZ个数据点。
在第二步中，可以完善扫描步骤，使得NZ投影全部包含在区域A和B中。例如，代替检测器像素间距的整数倍，扫描步骤可以包括在目的区域内的像素间距尺寸的一部分(如像素间距尺寸的1/10)。利用每个新的扫描，将不引入未知像素，但可以求解更多的现有未知量。在一些情况下，优选的是在第二步成像中要被照射的区域仅限于照射路径的区域，其涉及在目的区域之外的区域中新引入的未知量。准直器的尺寸或选定的叶可以用于选择性地限制x射线锥形光束，因此仅透射涉及新引入的未知体素的光束照射区域。然后，处理器可以求解等式并重建3D图像，这将给出准确的解。
(2)2D成像。
可以从x射线源的至少两个不同位置拍摄的2D图像生成多维图像。处理器可以确定对象或对象中目的区域的几何形状和尺寸。如果这样的信息是预定的或预置的，则可以跳过该步骤。x射线源可以在第一位置处用来自x射线源的x射线照射对象，并在检测器组装件处读取图像。然后，处理器可以将x射线源移动到与检测器组装件的XY平面平行的XY平面中的第二位置。如上所述，从第一位置到第二位置的位移可以是像素间距的整数倍。例如，当位移是一个像素间距时，对象的目的区域的投影图像与先前的投影图像的不同之处在于，在检测器组装件上沿着方向改变的轴将目的区域的图像的外边缘延伸一行像素。换句话说，在两个图像之间移动x射线源位置为具有限定尺寸的目的区域生成两个不同的投影图像，但在检测器上针对相同目的区域的投影图像的位置在移位方向上延伸一个像素单元。x射线源可以在第二位置处用来自x射线源的x射线照射对象，并在检测器组装件处读取图像。可以根据需要对x射线源的多个不同位置重复该过程，以便在Z轴上产生具有期望分辨率的3D图像。
(3)散射和初级x射线分离。
在该步骤中，可以在以上获取的每个2D图像中将散射信号与初级x射线图像分离。可以使用任何合适的散射去除或散射和初级分离方法，如上述的那些。
可以确定对象中目的区域的几何形状或尺寸。在一些情况下，这样的信息可以被预先确定并存储以供处理器使用。基于垂直于二维平面x射线源所处的位置的第三轴上的厚度，可以确定为了得出完整的3D图像所需的x射线发射位置的位置数量。如果x射线发射位置被设计为2D平面，位置数量P＝对象或目的区域的厚度/沿着对象或目的区域的厚度或深度的像素间距或分辨率＝x射线源位置的总数＝n2。这种信息也可以是预定的。
如本文公开的x射线源或x射线发射位置可以在被称为“第一位置”的二维空间中移动至少P次，在每个线性轴上，至少n个可能的位置，或者在每个轴中至少√n2个位置。这里提及的未知单元或未知像素用于描述通常由m×n描述的2D切片区域中的一组未知像素。在未知像素组被称为大于m×n的2D切片区域的情况下，未知量或未知组的总数仍然是n2，这意味着仅需要n2个位置或n2个图像来完成3D图像的构建。
在如本文公开的线性等式系统m×n×p中，可以组合所得的2D图像数据来求解和确定对象或目的区域在第三轴上的未知像素。从在第一位置的x射线发射位置创建了新的未知体素。
为了解析总面积为m×n×p的目的区域之外的新引入的未知单元或体素，以下是可选的实例。
如果新引入的未知量的数量与目的区域相比足够小，则2D维度中m×n的P个图像足以描述目的区域。
任选地，在xy平面上不同于第一位置的x射线发射位置(被称为“第二位置”)处，例如，在第一位置的相同xy区域中拍摄另外的图像，然而，发射位置以不同于第一位置的位置为中心。或者第二位置之间的距离可以小于深度的分辨率或相邻第一位置的距离。第二位置的每个移动步长比第一位置的移动步长更精细。任选地，操纵x射线光束或使其准直，使得仅照射新引入的未知量的区域的光束被透射。获取有限尺寸的2D测量，以进一步解析未知量。
任选地，如前所述，当x射线发射位置在第一位置的区域中移动时，读取检测器上原始2D区域的外边缘上的2D检测器上的另外像素(其为m×n个像素)，以包括对目的区域之外的未知区域的测量。优选地，仅当照射路径涉及新引入的未知量以及目的区域中的未知量时，才读取检测器上测量这样的投影的路径信号的像素区域。因此，当引入新的未知量时，读取更多的已知像素。仍然仅需要P个图像来完成涉及目的区域的3D体积中的未知单元的线性等式的求解。
在图15G中总结了初级图像和散射图像的分离的另外细节。
(4)2D功能成像。
功能成像可以作为对上述步骤中获得的2D成像的修改来进行。功能成像被定义为提供除了用单能量或双能量或多能量x射线源拍摄的位置或2D可视化之外的信息(具有或没有散射和初级x射线分离)。下面描述功能成像方法和系统的实例。每个实例独立于其它实例，并且可以被组合以根据应用的需要提供更多的信息。
当通过2D和/或3D图像分析拍摄一个或多个全场x射线图像时，一些具有散射去除，或者一些具有材料分解或对图像的进一步其它类型的定量和定性分析，一些具有组合的散射去除和材料分解定量分析。实例可以包括对成像对象中组件的各种绝对物理特性、移动、位置和密度，以及相对定性和定量测量，可以鉴定某一目的区域(如图12A-12C所示的区域4)以用于更详细的研究。
另外的研究可以包括材料分解和不同的材料成像(如上所述)。分解包括使用单能量、双能量或多能量x射线分解方法基于原子序数z和/或不同组件的不同x射线可测量特性来定量分析和分离对象中的组件的过程。
如上所述，x射线源可以从每个x射线源位置发射两个x射线脉冲：平均能级为H的高能量脉冲，然后是平均能级为L的低能量脉冲；或者来自每个x射线源位置的三个x射线脉冲：平均能级为H的高能量脉冲，然后是平均能级为M的中能脉冲，然后是平均能级为L的低能量脉冲。在每个配置中，每个脉冲具有单个基本上不变的能谱。在另一种配置中，可以从x射线源发射四个或更多个能量脉冲。
不是上述在不同能级之间不可以区分的2D检测器，检测器组装件可以包括与上游闪烁层组合的能量敏感的光子计数检测器和PMT以及硅位移检测器或可见光检测器。这些检测器可以与常规的x射线源或与飞行时间x射线源(如皮秒x射线源)一起使用，以收集初级x射线信号，用于具有不同原子序数z和/或x射线测量可区分特性的不同组件或材料或物质的密度测定以及图像的定量分析和分离。利用常规的x射线源，能量敏感光子计数检测器可以代替双检测器加光束选择器组装件中的前部检测器、后部检测器、或两者，以确保初级x射线和散射分离，同时允许对象中不同材料或组件的双能量、三能量或多能量和光谱能量成像和吸光测定。
材料分解可以通过除上述以外的其它材料分解方法来完成。例如，所述方法可以包括双能量方法，其中基于使用至少两个基本函数的组合来表示至少一个线性衰减系数的表示的模型，将成像数据分解为至少一个基本图像表示。这里可以采用单能量、两种或更多种能量方法中的任何其它合适的基于CT或x射线的材料分解方法。例如，当x射线光束直径较小(在mm或以下的范围)时，这种方法可以不需要散射去除。
当初级x射线和散射分开时，可以改进功能成像。初级x射线定量测量可以用于对象中材料和组件的定量分析和密度测定，而不需要数学分解。当有待区分、测量、定量和/或成像的多种材料时，可以使用双能量或多能量x射线系统。图6示出了在x射线多检测器组装件中使用的光束吸收器的实例。光束吸收器可以被放置在x射线源与对象之间或在检测器与对象之间。
此外，优选地，与待成像的材料完全相同的材料和组成可以用于以限定的空间以及多个能量依赖性测量来校准，以便校准待成像的每种材料，如上所述。例如，在生物危害或爆炸性材料的表征和检查中，先前鉴定的材料或化学物质可以用于以其在对象中出现的形式(如粉末、液体或固体)校准。可以在其它材料(如行李材料或衣服以及行李中常见的其它材料)的存在下进行这种校准。此外，当有更多的材料时，例如，在乳房成像中，双能量系统也可以用于区分另外的材料，如用于微钙化、支架、导管、外来对象、手术工具或对象中无法鉴别的材料。
另外的应用可以包括在胸部成像中使用具有大于两个能级的三能量和光谱能量系统，以鉴定导管，支架，显微手术工具(有时可以被描述为DRC)，骨与软组织、脂肪和瘦肉组织，以及血管和神经(其可以用造影剂标记以与其它软组织和骨进一步区分)的分离。可以基于校准值、或者在预先存在的数据库(如上述)或库中查找、或者基于历史数据(如上述)的模拟值，来区分和鉴定外来或唯一组件。可以使用软件算法将这种组件与其余组件分开。DRC的分离可以使用如本文公开的用于微钙化分离的另外的二级近似作为基于双能量分解的材料分解方法的另外步骤。还可以包括1D、2D或点区域(被描述为包括一个或一些像素的区域)的材料分解，其中测量是低的或没有散射。
可以将多个对象的空间存在模式与具有不同但一致的空间模式的那些对象分开。例如，导管较小且连续性较小，并且仅出现在特定的位置，并且比软组织和骨稀有。例如，在骨科微创手术、肿瘤活检的手术指导中，三能量和光谱x射线成像系统可以区分骨、软组织和血管以及神经。可以使用多能量成像从主要由有机材料组成的背景图像中区分或分解手术工具或传感器。可以通过识别手术工具或传感器的形状、尺寸、不连续的空间图案和/或重叠的密度(其可以由于其与重叠的组织密度测定和组成相比的存在而改变)来进行分解。由于手术工具或传感器与背景相比的密度值是可鉴定的，并且在与背景组织重叠的同时，可以得出手术工具沿着投影线的空间尺寸和密度及其在复合背景材料内的位置。
在放射治疗中，肿瘤区域可以用造影剂标记，或者可以具有与正常组织不同的密度测定特征或空间特征。可以以与亚微米范围一样好的准确性来鉴定这种区域，以便指导放射治疗。辐射剂量也可以通过将目的区域限制在特定组织或稀有事件或特征位置来调整，从而将x射线暴露区域限制在目的区域(其可以是肿瘤所在的区域)，从而在选定的目的区域中实时获取组件，例如稀有细胞、肿瘤、患病组织、材料以及用于定位和可视化的背景图像，的高分辨率实时3D图像，和/或证明在较低辐射水平的情况下更准确的手术指导。此外，这样的成像方法允许更准确的和精确的手术或放射治疗术前计划和手术指导，当与基于机器人技术的手术系统集成时尤其有用。下面进一步描述追踪和造影剂的另外细节。
另外的研究还可以包括在具有或没有散射去除的情况下的干涉测定。利用干涉仪(其可以是任何合适的现有干涉仪或未来的干涉仪)，可以获得吸收、暗场和/或相衬图像的2D图像。这种图像可以用于构建3D干涉图。
干涉仪通过穿过相位光栅的发射x射线来操作，所述相位光栅在下游的特定距离处引入干涉条纹。当对象被放置在光束路径中时，对象通过吸收、折射和/或小角度散射来修改所观察到的干涉图案。一旦这些信号被检测器读取，就可以在算法上确定对象及其组件的特性。
在一个实例中，可以使用Talbot-Lau干涉测定以便具有更大的视场。在TalbotLau干涉测定中，光束分离器光栅(G1)可以被放置在x射线源(S)与检测器(D)之间的光束路径中。由于分数泰伯效应，在光栅后面某些距离中可以出现显示光束分离器光栅的周期性结构的强度分布(I)。如果对象(O)被放置在光束分离器光栅的前面，则由于对象的吸收、散射和折射特点，强度分布改变。分数泰伯效应需要空间相干辐射。为了满足这种要求，可以使用具有足够小焦点的微焦点x射线管。可选地，狭缝掩模(G0)可以被放置在常规x射线管的焦点的前面。该掩模吸收x射线光束的某些部分，从而产生空间相干的狭缝源。这些狭缝源中的每一个都可以产生光束分离器光栅的自图像。
通过利用Lau效应，这些自图像可以叠加成强烈的强度分布。通常，这些干涉条纹太小而不能被常规的x射线检测器解析。为了克服这种挑战，具有与干涉条纹相同周期的吸收分析器光栅(G2)可以被放置在这些条纹的平面上。这种分析器光栅可以用于通过使分析器光栅在其与光栅条垂直的平面中逐步移位来取样周期性强度分布。基于本文所述的成像方法的前述干涉图方法及其派生物、相衬成像、暗场成像的变化也是本公开内容的一部分。
为了产生相干的x射线光束，干涉仪可以使用像素化的x射线源。干涉仪还可以具有基于MEM的、基于晶体的衍射光栅，或者使用声调制晶体光栅。在图15E中示出了具有MEM的可调谐阵列的合适衍射光栅的实例。
图15H中总结了2D功能成像的另外细节。
(5)3D图像合成、构建和计算
处理器可以使用常规的计算机断层摄影成像算法来基于上述3D组合数据和线性等式的解得出三维图像。
此外，x射线发射位置可以在6D空间中。当x射线发射位置在3D空间中描述的x、y、z线性轴上移动时，或者x射线源在3D空间中相对于对象具有多个不同的x射线发射位置时，在每个发射位置产生不同的照射路径组，如图33所示。在每个x射线发射位置中，如在12-1、12-2、12-3、12-4和12-5所示，可以照亮目的区域16上的不同组的投影路径IP12-5-1和IP12-5-2。每个照射路径可以涉及至少一列体素，或者在待求解的未知体素中的各种体素的不同组合中，或者在不同数量的体素中。例如，在发射位置12-5，光束IP12-5-1照射4个体素，体素#X3Y4Z1、#X3Y4Z2、#X3Y4Z3、#X3Y4Z4；IP12-5-1也照射4个体素，#X1Y4Z1、#X1Y4Z2、#X1Y4Z3、#X1Y4Z4。当发射位置移动到12-4时，所产生的照射路径可以沿着由x、y和z轴上的坐标数字所限定的体积中的新体素组投影。例如，除了本文所述的用于x射线发射位置的2D平面实例之外，发射位置的区域也可以在3D体积内。例如，如果要拍摄的图像的总数量是1000，则最小化在目的区域之外引入的新未知量的数量的x射线发射位置移动的总最小体积可以是10×10×10。这样的体积的单元可以是第三轴所需的分辨率。x射线发射位置可以在x、y、z轴上线性移动。
这里的每个未知量可以指沿着以第三轴所需的分辨率的整数单位的距离分开的深度的每个层处的一组未知体素。
总而言之，为了得出用于构建完整的3D图像的完整的2D图像集合，和/或通过添加光谱测量来定位目的区域中的组件的3D体积的6D空间位置，包括以下步骤：
成像对象下游的二维(2D)x射线检测器，其中所述系统被配置为通过在3D空间的至少两个轴上移动或操纵x射线发射位置或x射线源来获得对象的多维和/或三维(3D)图像，所述3D空间包括x-y-z轴上的位置并获得2D x射线测量。
相邻x射线发射位置之间的距离是第三轴中所需的分辨率的尺寸，和/或两个位置产生照射目的区域中的不同体素路径的一组x射线光束所需的最小距离。
相邻x射线发射位置之间的距离是1个像素间距、或像素间距的整数倍、或小于1个像素间距。
构建3D图像所需的发射位置的总数量、或所需拍摄的2D图像的总数量是第三轴的深度除以第三轴的分辨率。
在x和y维度上移动的情况下，相距发射位置最远的总移动角小于0.1度、或是0.1度、或是0.1度至1度。
在所有三个线性轴x、y、z上移动的情况下，相距每个轴最远的发射位置的总移动角小于0.0008度、或是0.0008度、或是0.0008度至0.5度、或是0.5度至1度。
对于每个2D测量，可以通过使用具有能量敏感检测器、光子计数检测器或光电二极管的宽光谱的x射线源或涉及能量色散光栅和空间敏感检测器的光谱测量组装件来获得双能量和光谱能量测量。材料分解将一种或多种组件从对象图像的背景或者目的区域或外部空间传感器或标志物的背景图像中分离出来。
由于对于组件和目的区域在x、y和z轴上解析3D体积，因此可以通过比较在不同时间帧上从第一测量构建的图像和第二或实时测量构建的图像来得出组件与目的背景区域的相对6D或时间敏感7D空间位置。
(6)3D功能成像
3D功能成像步骤可以并入上述2D功能成像技术中的任一种。
(7)3D中选定区域的实际和合成图像，包括3D、2D、1D和点区域中的多个切片2D图像的多维图像，以及它们在具有或没有变化的高分辨率和低分辨率图像背景的情况下的呈现
处理器可以提供各种分辨率的多轴表示，或者具有与2D和3D图像的多维表示组合的2D图像，用于各种组件、目的区域和/或对象。
当这样的3D成像方法在x射线显微术或与x射线吸光测定组合的x射线显微术中实施时，可以修改x射线光学器件以扩展视场，和/或根据其预期的功能和效果优化，其中x射线从变化的发射位置出来。修改和/或优化可以确保在来自源的变化的x射线发射位置处测量的每个投影的2D图像在图像质量、准确性、灵敏度和信噪比方面是相当的。
本文公开的x射线设备可以包括在两种或更多种能量下的x射线吸光测定，透射、衍射、荧光和/或干涉测定的x射线显微术。因此，上述技术所需的x射线光学器件可以在存在x射线全场成像检测器的情况下移动到用于研究目的区域4的位置(如图12A-12C所示)，或者移动到视场之外。x射线光学器件可以与x射线全场成像组装件一起放置，因为这样的设备不在x射线全场成像的光束路径中，例如，全场x射线检测器的下游。
例如，在x射线吸光测定的情况下，x射线光学器件可以包括光栅和空间敏感检测器以及其它相关光学器件，以将穿过目的区域和全场x射线成像检测器的投影的x射线光束分散到不同的能量或波长水平中，并且在不同的能级和/或在不同的空间变化位置测量信号。
使用三维(3D)显微术使用x射线光学器件和非旋转方法产生对象的图像，所述方法可以包括如上所述的多个步骤，其中一些是可选的，如校准，从相对于对象的至少两个不同的x射线源位置获取2D图像，处理以从2D图像产生3D图像，处理3D图像，并输出获取的信息。
所述方法可以提供涉及如在x射线显微术和全场x射线成像中的x射线光学器件的快速高分辨率3D成像。每个2D x射线显微图像可以通过由多个微光束或者有时被称为结构化光束x射线成像形成的图像组合的图像来形成。x射线吸光测定和x射线光谱法可以与2D或3D x射线显微术相组合。优选地，使用x射线吸光测定或光谱x射线测量以增加视场的多个通道的测量可以与多光束x射线显微术相组合，尤其是当x射线源是多色时。
与点、1D、2D或3D x射线吸光测定和/或光谱x射线测量以及单或多光束的2D或3Dx射线显微术的2D或3D全场x射线成像可以应用于使用彼此空间分布的多个x射线光束的结构化x射线显微成像中。
组合的技术可以用于在空间(2D、3D或其它多维)和时间中追踪组件或目的区域和对象在一些情况下相对于彼此的或在一些情况下独立的移动，在形态、尺寸、构象、形状、厚度和某些化学特点和密度、存在、相互作用、位置、流动动力学、流动方向、动力学中的物理特性的变化。组合的技术可以用于观察和监测x射线可检测的移动、事件和物理现象，人类操作的手术、机器人手术、活检和监测的手术指导，或者在一些情况下，如在远程医学中或在制造装配线、检查线和安全应用的远程监测中的远程指导或诊断。可以对每个x射线测量和图像进行时间戳记，用于追踪和监测。
因此，如图13B和13C所示，x射线吸光测定可以与2D和3D全场成像和/或2D和3D显微术相组合。x射线3D显微设备和方法可以比常规3D成像模态更快且辐射更低。例如，当与结构照射配置一起使用时，散射去除方法可以在这些设备中进行，并且可以与3D成像中使用的移动配置相组合，以产生更快的3D图像，尤其是对象上的选定区域的3D图像。
任选地，3D图像获取和生成也可以基于扫描光束数字x射线SBDX。可以将无散射技术应用于该方法以得出具有改进的图像质量的图像。
扫描光束数字x射线SBDX使用入射在大面积透射型钨靶上的电磁扫描电子束。电子束可以在源焦点位置的2D阵列上(例如，每1/15s或以不同的频率)进行光栅扫描。多孔准直器可以限定会聚在2D检测器上的一系列窄的重叠x射线光束。窄光束投影之间的几何关系可以由SBDX准直器的固定几何形状和固定检测器位置来约束。典型的SBDX系统几何形状可以如下：
源检测器距离(SDD)：约1500mm
源轴距(SAD)：约450mm
焦点位置：约71×71mm
焦点间距：约2.3×2.3mm
本机检测器阵列：约320×160mm
本机检测器元件间距：约0.33mm
检测器箱模式：约2×2mm
SBDX由于使用反向几何学光束扫描而具有固有的断层合成(tomosynthesis)能力。可以使用基于GPU的实时图像重建器来生成类似于常规荧光透视的实况显示。每个显示的2D图像帧可以通过两阶段重建程序生成。在第一阶段，可以进行移位加数字断层合成以生成例如具有例如5mm平面间隔的32个单平面图像的堆栈。可以定义用于断层合成图像的堆栈的像素中心，使得堆栈中的固定像素位置(例如，行100，列100)对应于源自检测器中心的射线。在第二阶段，可以将梯度滤波程序应用于单平面图像中的每一个，以鉴定高清晰度和对比度的局部区域。可以通过为每个像素位置从具有最高对比度和清晰度的单平面图像中选择像素值，形成最终的2D“合成”图像。由于断层合成像素中心的几何形状和合成程序，最终的合成图像可以被视作对象体积中的焦距内对象的反向“虚拟”锥形光束投影。虚拟SBDX投影可以起源于检测器的中心并落在源平面上。基于设定的几何形状，在源平面处的虚拟检测器元件的间距可以是例如0.23mm。
使用K边缘滤波器的3D成像的实例
图9中示出了能够确定对象2中的目的区域的定性3D x射线图像的x射线测量设备90，其并入了图1A中的设备10的任何特征。x射线源的相对空间位置和/或x射线发射位置和/或x射线辐射相对于对象是可移动的。x射线源和/或x射线发射位置和/或x射线辐射可以被配置为在与z轴所需的分辨率相同或类似的维度上移动，例如，在两个连续的测量和/或最相邻的x射线源之间的距离之间，小于一个像素间距，或者在检测器的一个像素间距或多个像素间距处移动。相对于对象的x射线源和/或x射线发射位置可以移动到被定义为2D平面(其可以平行于检测器)中的“第一位置”的位置或者通过线性移动或圆弧移动移动到6D空间中的位置。
x射线测量设备90的处理器可以被配置为通过求解线性等式系统将检测到的x射线辐射解析为三维图像。
在六个自由度中的移动(每个通过一个像素或一个体素)或者在深度所需的分辨率单元中的移动(每个通过未知体积产生不同组的照射路径，并且引入一个或非常少量的未知量)，可以导致许多2D测量，基于这些测量可以解析完整的3D体积未知量。
如果像素间距尺寸是pp/一个像素(μm)，则x射线源到检测器的距离是SID(μm)，目的区域或组件或对象的厚度是P(μm)，总的行进体积或总的行进面积或总行进是PP。
沿着厚度NP在3D维度上解析的像素或最小单元的数量是NP＝P/PP。数据点或x射线发射位置DP的数量是DP＝P/PP。所拍摄的图像数量NI是NI＝P/PP。
在仅2D区域(发射x射线源位置的行进)的情况下，最小总角度是TA＝ARCTAN(DP×3D成像中最小旋转体积的单位/SID的平方根)，或TA＝ARCTAN(DP×PP/SID的平方根)，发射源处于该最小总角度以提供最小数量的未知量和完整的3D图像。在x射线发射位置处于3D空间的情况下，最小总角度是TA＝ARCTAN(DP x PP/SID的立方根)。
当相对于对象的x射线源和/或x射线发射位置移动到被定义为“第一位置”的位置时，可以通过减小每次移动的幅度和总移动面积或总移动空间来减少新引入的未知量的数量。在第一位置之间的移动或对第一位置的选择可以使得在检测器上产生的测量可以解析在第三轴中的至少一个或多个未知量单元。
可以通过在新引入的区域中的另外扫描来得出新引入的未知量的测量。使用仅照射新引入的区域的准直器可以选择性地产生或透射x射线光束。新的x射线发射位置可以被定义为“第二位置”。第二位置可以在相同的像素间距步进中，但步进的中心可以不同于第一位置，或者可以在不同于第一位置之间的距离的距离中移动。
也可以通过在检测器上的被照射的新引入的区域的投影路径中记录检测器测量来得出新引入的未知量的测量。例如，x射线发射位置在x-y平面上每次移动一个像素间距，在得出目的区域的多维成像所需的信息时，可以考虑至少一个另外的像素单元或具有一个像素的像素宽度的一行像素。如图9所示，从穿过目的区域或对象2的所有投影路径接收信号的检测器上的原始x-y区域可以包括像素单元的m×n矩阵。当x射线发射位置现在相对于用于目的区域的3D图像重建的原始位置移动到其下一个相邻位置时，新引入的区域，即检测器上目的区域正下方的检测器区域，现在可以包括用于x射线测量的像素单元的(m+1)×n矩阵。
来自添加的像素区域的另外测量可以用于求解涉及新引入的体素的另外线性等式。沿着垂直于检测器的轴的未知单元的数量可能没有改变，因此线性等式的总数量现在是(m+1)x n x P，其中P是z轴上的深度。计算假设x射线源移动P个位置，其中P的每个单位是X，并且为了简化的目的，Xa或Xb是像素的分辨率或检测器的像素间距。Xc是需要解析的样品深度的分辨率。m的分辨率或m的单位测量是Xa，并且通常，像素间距与n的单位测量Xb相同。在这种情况下，Xa＝Xb＝Xc。然后，对于目的区域，待测量的检测器上的总面积是(m+√P)x(n+√P)。然而，优选的是可以每次添加一个另外像素或每次添加一个另外像素行。可以考虑这种另外测量，使得可以使用最小数量的像素或单元，以便求解目的区域中的未知体素。不是所有的总面积(其被计算为(m+√P)x(n+√P))都可以用于求解线性等式所需的测量。
存在Xc与Xa不相同的情况，这意味着P的单位不是像素间距的分辨率。当Xc大于Xa时，x射线发射位置从原始位置移动到其最直接相邻的x射线发射位置，如果Xc＝2Xa，则将读取m+2，或者换句话说，将读取总共(m+2)×n个像素。可选地，由于引入少量的新未知量，因此所测量的x射线图像的总数量可能不受新引入的未知量的影响。
当x射线源在2D、或3D或6D空间(如在圆弧或直线中)中相对于对象移动时，可以通过计算、校准和/或预定测量，或者通过使用另外的硬件(如机械机构，如机动的移动器、电机构、或磁机构、或电光机构、电磁机构、或x射线光学器件，包括但不限于镜子、光束分离器、全内反射毛细管、MEM、光栅和晶体或其任何组合)，将这样的移动转换为相当于在可以平行于检测器的2D平面上的移动。
当多个目的区域在对象2中空间分布时，可以以同步方式但以不同的帧速率同时扫描该区域，或者不同步地扫描该区域。可以用相同的分辨率或不同的分辨率来测量多个区域。
对于约100cm的源图像距离(SID)，x射线发射位置距离初始x射线发射位置的最远距离是7mm，其中样品在垂直于检测器的Z方向上具有25cm的深度，可能需要最大0.4度的扫描角以达到100μm的分辨率。下表中提供了参数的其它组合。
Figure BDA0002988511250000881
Figure BDA0002988511250000891
对于使用本文所述的单和/或双或多能量测量和分析或光谱成像的材料分解，在完整的3D成像、其它多维成像和/或追踪(或手术指导)中，可以使用以下模态：
·3D(如本文所述或使用利用平板检测器的任何其它3D方法)；
·选定的目的区域的2D成像；
·1D测量，例如，使用沿着检测器上的线性空间位置的两个或更多个像素；和/或
·点或小区域测量，例如，在检测器上具有一个或多个像素的一个或多个空间分布的区域组。
对于追踪，可以在追踪之前获取第一组测量或数据点或2D图像或多维图像或完整的3D图像。可选地，这样的第一数据集可以来源于常规的CT、定量断层摄影、本公开内容的3D成像方法或其它模态(如MRI、SPECT、PET、光学成像或测量、光谱、光声成像和/或声测量)。一个或多个第一组测量可以直接用于或材料分解成描述x射线可测量特点和物质的一组数据信息，并且与原始图像或第一图像或来自目的区域的第一图像的合成图像进行比较，以在六个维度上追踪目的区域或成像对象本身中的组成或物质。
如图10所示，编码的k边缘孔径15可以用于快速能量和/或光谱敏感测量中，优选地在具有最小或没有散射干扰时使用2D或空间分布的1D或空间分布的点测量的感测和追踪测量中。滤光器可以被放置在x射线源12与对象2之间的孔径15中，或者被放置在对象2与检测器14之间。孔径15可以与具有两个或更多个x射线透射区的x射线准直器17组合。准直器17可以被放置在x射线源12与K边缘编码孔径15之间。可以移动准直器17，或者可以通过利用致动器移动准直器17，通过使用具有可调整的x射线发射位置的阳极，和/或通过移动或旋转或编程控制，如在场发射纳米管x射线源或金属液体射流源中来调整准直器17上的一个或多个孔径的位置。
编码孔径15可以是K边缘编码孔径。K边缘可以指x射线吸收边缘。当入射的x射线光束的能量大于原子的K壳结合能时，x射线衰减系数可能会急剧增加。像素化K边缘编码孔径结构15可以是具有滤波方面和像素化编码方面的结构。滤波方面和像素化编码方面可以通过包括多个孔径的单个结构来进行，所述多个孔径具有并入其中的至少一个K边缘滤波器。可选地，像素化K边缘编码孔径结构可以包括第一结构，例如用于像素化x射线光束的图案化结构，以及第二结构，例如用于过滤与第一结构分开的x射线光束的K边缘滤波器结构。一个或多个K边缘滤波器可以被依次地放置在相同的光束路径中。
x射线光束可以在每个像素处包括准单色光束或单色光束。光束可以由检测器收集，所述检测器可以是例如能量敏感检测器、像素化能量敏感检测器、具有一个或多个能量敏感像素单元或光子计数单元的检测器、光谱检测器或光谱仪。
当Xa或Xc大到足以在目的区域的3D成像中同时具有骨和软组织时，x射线设备90可以更好地成像对象的部分体积区域或者两种材料或物质的边界区域，例如在骨和软组织的界面处。在第一次运行扫描之后，可以构建3D图像。由于功能成像和材料分解，可以从2D图像估计每个组织的厚度。然而，当建立3D测量时，可以进一步改进测量。如果结果仍然不令人满意，则可以对选定区域进行更高分辨率的测量，以进一步改进结果。在这种情况下，可以将m×n区域限制到比对象的目的区域小得多的目的区域。所使用的检测器可以具有更高的分辨率。具有相同或小得多的形状因子，和/或具有较小像素间距或较高分辨率的检测器可以代替平板检测器14，或者被放置在平板检测器14的下游或检测器14的上游和对象的下游。另外地或可选地，光谱仪或能量敏感检测器或光谱测量组装件模块和/或帧速率快得多的x射线检测器或光电二极管、光电二极管阵列、光子计数检测器可以被放置在检测器的上游或下游，用于光谱测量和快速图像获取。
可以在能量扰动，化学扰动，机械或电磁或电扰动，压力/力扰动，超声/声扰动，磁扰动和/或门控测量的条件下进行产生目的区域的图像的测量。
本文公开的成像方法可以包括将时间戳添加到每个x射线测量，包括3D图像、2D图像、1D图像和/或点或区域测量。时间信息可以从能够读取计算机上的时间的计算机程序中获取，或者从服务器设备中获取，或者从与诸如NIST的组织实时提供的时间标准同步的单独的时间设备中获取。日期和时间标记和/或DICOM标记可以添加到测量本身和/或存储在数据库中。此外，对于非医疗应用，可以使用类似于DICOM标记的图像标记，包括识别号、部件名称、描述等。这种信息可以与关键字标识符和可搜索关键字、或者一个或多个标识符或者一个或多个关键字一起保存在数据库中。此外，可以使用软件将这样的日期、时间和/或标识符标记压印到从x射线测量得出的图像上。任选地，可以在不同时间根据光谱或单能量测量的3D、2D、1D和/或点测量来构建多维的连续图像，并且如同播放视频一样被及时地显示。
这种图像，尤其是具有DICOM图像标记或DICOM类图像标记的那些图像，可以被发送到图像存档和通信(PAC)系统，以通过软件例如远程地观看和分析。在3D、2D、1D和/或点或区域测量中的这样的图像的观看可以通过具有无线通信协议的服务器来实时地进行，所述无线通信协议例如因特网、WiFi、蓝牙或内联网。此外，包括一个或多个研究的压缩图像或图像集的数据文件可以被组织成数据文件的两个子集，一个子集包括具有一个或多个预选图像或测量或与测量相关的选定数据或报告的小文件，第二个子集包括完整的数据集。当数据文件通过待观看的网络进行传递时，第一子集首先被传递，并且可以在完整数据集传递之前被观看者立即观看或预览，而第二子集或完整数据集的其余部分作为下一步骤被传递。这种预览数据可以作为链接到完整文件的存储文件观看。
RIS、EMS、PAC、查看器、X射线模态获取和查看器系统
本公开内容的模态获取和查看器系统可以包括本文所述的硬件和软件。所述系统可以是独立的或者通过内联网或因特网或专用的远程连接网络连接到RIS服务器。模态获取和观看系统可以被连接到远程查看器或PAC系统。PAC系统可以从EMS捕获患者信息，或者EMS可以更新RIS服务器，并且因此更新模态查看器和获取系统。
定量分析&材料分解
当前的x射线成像不具有同时测量特定组件或组织中的目的区域中的密度信息的获得2D投影x射线图像的能力。因此，必须在不同的时间拍摄多个x射线图像。在一些应用中，CT扫描仪、MRI、骨扫描和一般x射线图像都必须被拍摄以便形成准确的和及时的诊断。
与其余组件相比，一个组件内的目的区域的相对密度和图像，和/或与第一组件相邻或相关的目的区域中的不同组件的相对密度和图像，可以形成用于疾病诊断和/或材料组成表征或鉴定的指示信息。使用2D x射线设备及时监测这样的信息的能力可以提高疾病的早期诊断的效率。本文公开的定量2D平板x射线系统可以代替CT扫描仪，并且可应用于用常规CT扫描仪可诊断的所有疾病类型。此外，本文公开的2D x射线设备可以实时地提供基于移动和/或基于流体流动的表征，从而能够进行基于生物流体的疾病诊断和监测，和/或其它治疗相关的活动。
本文公开的2D x射线设备还可以在时间和/或空间上提供对对象中的单独材料的组合的定量和图像分析。所述设备可以关联在具有两种或更多种材料的对象的单个材料内的图像、密度测定和/或复合成析(如使用人工智能软件)。本文公开的2D x射线设备还可以分离三种或更多种材料，它们可以在一定程度上重叠，具有不同的原子序数z或者x射线可测量的或可区分的特性，如在手术指导中与骨和/或其它软体组织分别可视化血管和/或神经组织，和/或分离用与各种造影剂或x射线可区分特性的材料缀合的抗体标记的组织(如患病组织或肿瘤)的情况下。
本文公开的设备的示例性应用可以包括癌症诊断(悬浮的癌细胞、干细胞、稀有细胞和外来对象的定位)，循环系统疾病和病况(如冠状动脉疾病(动脉粥样硬化)、血管动脉瘤和血凝块)，神经障碍，包括脊柱病况、椎间盘突出、癫痫、脑炎、脊柱狭窄(脊柱管变窄)、中风患者中的血块或颅内出血、肾和膀胱结石、脓肿；炎性疾病(如溃疡性结肠炎和鼻窦炎)、肌肉病症和/或对头部、骨骼系统和/或内部器官的损伤。例如，对于肺栓塞或肺中的血块，可能需要螺旋CT来观察各种组织的细节以便进行诊断。然而，使用具有2D平板的本文公开的方法，需要低得多的辐射水平，以便实现诊断所需的细节和定量分析信息。由用于诊断各种疾病的设备提供的其它参数可以包括例如血管特征的尺寸、血块的存在、不规则性、微钙化、特殊物质或囊肿、骨折(如应力性骨折，当在骨折附近可能发生愈伤组织形成时，影响骨测量以及其周围的组织)、胫骨夹板(与未受累的骨区域和健康组织中的正常骨密度及其均匀性相比，在损伤区域中密度变化非典型)、诊断、治疗和长期监测疼痛管理、区域内密度增加、组织含量的损失、组织碎片的添加、特定显微结构、组件的推导以及由于密度测量和图像导致的变化，尤其是在需要高分辨率和准确性和定量测量的情况下，如需要CT扫描仪、骨扫描仪、MRI和/或密度计。
结果可以用于手术指导，如用于微创手术、放射治疗和活检，尤其是在通常需要CT扫描仪、骨扫描仪、MRI和/或密度计的情况下。示例性应用还可以包括治疗以及手术计划和指导，疗法和治疗响应和/或对身体中的其它器官、肾、肢体、眼睛(例如，植入物放置)的治疗后监测。
对于可能另外需要CT扫描仪的工业环境(如货物检查、安全x射线和自动x射线检查)中的材料表征和鉴定，本文公开的基于2D平板的系统可以足以定量分析在工业应用(如货物检查、安全x射线和/或自动x射线检查)中嵌入对象中的材料或物质的存在、位置、表征和/或鉴定。结果可以用于组件、材料、物质故障分析和部件检查的鉴定和表征，尤其是在通常必须使用CT扫描仪的情况下。
定量和高分辨率图像可以与CT的图像相当。可以由2D平板图像显示的细节和定量信息(任选地去除散射)可以包括，例如，分离的组织图像以及与尺寸、密度和/或图像关联的定量测量。
可以基于诸如尺寸、组成、厚度、显微结构、形状、形态、相同组件的一个或多个区域、相对定位、位置和/或其它参数的参数来分离、分析对象内部的单独组件的图像和定量测量。测量可以是独立的，和/或与对象的其余部分及其相对位置、定位和/或其它测量进行比较，或者在密度和相对移动、相对定位、尺寸、组成、厚度、形状、形态、显微结构、内容物的添加或损失、在高分辨率和实时和/或在时间段之间、在2D和/或多维空间中与相同组件的其它区域进行比较。
如并入了图1的设备10的任何特征的图11所示，2D x射线设备1100可以包括x射线源12和2D x射线检测器或检测器组装件14。
对象2可以是无机材料或者有机和无机材料的混合物。对象2可以是具有各种原子序数z的三种或更多种复合材料的对象。对象的实例可以包括含有对组织或疑似患病组织具有特异性的分子标记的人体部分或器官。所述对象也可以是工业对象或待检查和表征的物品。
对象2可以位于x射线源12与x射线检测器或检测器组装件14之间。x射线源12可以发射具有可控能量的x射线。对于每个成像操作，x射线源12可以发射连续脉冲。x射线源12或源模块可以通过以较快的脉冲速率发射光束或通过发射特定设计的光束(例如，如本文或以其它方式公开的细光束)来帮助去除散射。
脉冲可以是各种能级，以实现更高水平的散射去除和/或密度测定以及对象中的分离材料的图像。可以发射平均能级为H的高能量脉冲，然后是平均能级为M的中能量脉冲，以及平均能级为L的低能量脉冲。每个脉冲可以具有单个基本上不变的能谱。x射线检测器14可以是任何2D数字x射线检测器，其将2D x射线图像信息转换为适于透射到计算机的一组数字数据。x射线检测器14可以是具有或没有去除散射干扰的能力的常规检测器或x射线检测器组装件。
常规的2D(区域)x射线检测器可以接收一定量的混合在其输出信号中的随机散射x射线。任选地，可以使用硬件，x射线源，检测器和/或算法的任何组合或如本文公开的那样来完成散射去除。所述设备还可以任选地使用美国专利第5,648,997号和第5,771,269号中描述的三层检测器结构来消除散射干扰。如果x射线检测器14接收到足够少量的散射干扰，则在某些情况下，仍然可以获得定性上正确但定量上不准确的成像结果。散射干扰在什么程度上是可接受的是情况依赖性的，并且可以通过情况特定的分析来决定。
设备1100可以包括相对于对象2移动x射线源12的移动器，和/或相对于对象2移动x射线源12以及检测器14的移动器。任选地，对象可以自愿地移动，如在活的有机体或动物的情况下，或者可以移动具有内部机器人的无生命对象以移动对象的一个或多个组件或整体。
使用设备1100产生的图像可以与使用其它模态(如利用PET或光学成像、MRI和/或超声或声或光声成像方法)的图像并置。所产生的图像可以包括x射线颗粒图像测速术，用于使用颗粒(例如微泡)作为用于研究血液动力学特点和/或循环血管疾病的示踪剂来测量流量。当使用2D x射线检测器时，由于重叠的组织和散射可以降低可见性和定量能力，因此可以将流量分析用于深层组织液体流动测量。
设备可以用于立体颗粒图像测速技术(PIV)，其利用具有单独视角的两个检测器面板来准确地进行z轴位移，或基于2D平板的成像方法的3D获取，其在获取多维表示方面快于CT扫描仪，并且可足够快以获取3D空间中的流速。PIV可以与组织的分离和用于速度测量的时间测量相组合。所述设备可以用于使用基于干涉图的方法的全息摄影。
所述设备可以应用光谱数据分解方法来产生3D合成图像，其包括骨质量密度图像b(x,y)、软组织图像s(x,y)和/或第三材料质量密度图像p(x,y)或分子标记的组织质量密度图像p(x,y)。所述方法还可以包括分析个体组件中目的区域的相对组成、密度和/或图像信息，以及相对于对象的其它组件在位置、密度和/或图像(包括形态以及图像的尺寸，如肿瘤尺寸或疾病组织尺寸)中的组件。
包括具有单、双或三能量或多能量的x射线源的设备可以从不同的位置和/或在不同的时间拍摄对象的一个或多个2D图像。2Dx射线检测器在接收到来自x射线源的x射线时，可以将包含在透射的x射线中的图像信息转换为电信号，以发送到计算机或处理器，如图1所示的处理器。
x射线成像设备可以包括x射线源，其被配置为在工业应用中发射具有范围为大约15KeV到200KeV或500KeV的平均能量的能谱的x射线。
设备1100可以是便携式的，例如使用低kw的x射线发生器或基于纳米管的冷阴极x射线源，如适合用于现场设置，并且可以被包装到可随身携带的袋中。这种设备可以是电池供电的。
可以将x射线源之后的衍射光栅(参见图15E)或光束分离添加到设备1100中，以产生用于在疾病诊断中测量血液和其它生物流体的速度的散射和/或初级x射线的干涉图。PIV可以与组织的分离和针对速度测量的及时测量相组合。
手术指导实例
基于2D平板的常规2D成像方法具有定性性质，但由于散射而不具有足够的定量性质。因此，即使空间结构可以用作将2D图像与来自3D CT扫描仪的3D定量图像进行匹配的框架，匹配也可能不准确。不能实现可靠的实时定位。尽管可以利用至少两个x射线源和针对两个源中的每一个的两个独立检测器来实现立体x射线成像，但由于2D图像(其是定性的)的性质，这种设置可能导致高辐射水平并且在匹配中仍然不那么准确，而3D CT扫描仪产生定量图像。
由于匹配的不准确性，尤其是当患者移动时，因此可以在手术室中使用便携式3DCT扫描仪，或者在手术期间需要重复3D CT扫描以追踪手术工具、植入物和/或其它。这也导致高得多的辐射水平。类似的情况可以在治疗后监测期间发生。
3D CT扫描仪的重复使用不仅是由于辐射水平导致的安全问题，而且是昂贵和低效的。此外，由于完成CT成像和构建所需的时间，CT扫描仪不适于监测流体特性或流动特点。
本文公开的2D x射线设备可以提高诊断和治疗的准确性和有效性以及安全性和速度，所述治疗包括手术治疗、治疗后监测，并且更具体地涉及追踪在治疗期间由于呼吸和其它患者运动而移位的靶标区域的位置，或者目的靶标、用于植入的靶标区域的位置和动态生理和物理特点，用于植入的靶标区域例如心脏瓣膜、脊柱变形区域、植入物、支架、癌细胞、细胞基质、分子和细胞结构、组织、血管的流动动力学和血管，设备或能量治疗及治疗靶标如射频(RF)消融、激光手术或lithoplasty或药物治疗靶标，或活检针的定位，或成像指导或与其它高分辨率成像和电磁学或超声的共定位，基于RF波的技术如光声或非线性显微术或光学活检，包括OCT、超声或内窥镜，PET和MRI以及基于磁性颗粒的成像技术，光谱和干涉测定。本文公开的x射线设备也可以用于工业应用，例如追踪机械手和机器人以及工业过程和/或硬件的制造过程和分析。
用于使用定量2D x射线图像和基于定量2D方法的其它x射线成像方法(如干涉图)和其它可测量特性(如多能谱吸光测定等)来成像和测量体积区域中的一种组件或多种组件的特性的方法可以允许图像提供可量化的数据，例如密度、组成、流动特性和流体动力学、动态特性、存在、不存在、相和/或相干性。成像和/或测量可以在延长的时间段上进行。
本文公开的2D x射线设备可以使用2D检测器实时地产生3D图像，以便使用以下过程进行追踪。可以产生多个第一测量，以在包括内部靶标的目的区域中产生1D、2D图像或多维体积图像的数据点。这种多个第一测量可以是通过具有一个、两个或更多个能级(每个在不同的持续时间或同时)的单脉冲，或者通过不同能级的两个或更多个脉冲或者可调谐波长脉冲产生的双或多能量测量。第一测量可以是选定区域的1D、2D图像或者彼此空间分布的一个或一组x射线细光束投影数据点，或者细光束投影数据区域的数据集，或者干涉图。为了定位、追踪和表征动态移动，可以在动态移动周期或动态移动的持续时间期间对第一测量进行一次或多次取样，以追踪和表征目的区域中的组件在空间，例如六个自由度(6D)和相应的时间周期中的移动。
然后可以在追踪期间对目的区域的实况测量进行取样。实况测量可以是与动态移动的第一测量的频率相同的频率，或者是比动态移动的第一测量的频率更快或更低的频率。每个实况测量可以包括一个或多个1D或2D图像，一个或多个数据点或数据区域(由x射线细光束照射产生的)，或者1D中的一组测量以及数据点和选定的数据区域。
第一和实况测量是定量图像，一些目的区域产生低的或最小的散射干扰或任选地使用本文公开的任何技术去除散射而产生的。每个实况测量或来自每个实况测量的分解数据可以与以下之一匹配：第一测量，合成数据集，包括提取的数据点的那些，或选定的数据区域，或各种能级的选定的1D、2D或多维或3D或4D或6D或7D表示，或在目的区域中的各种材料和组件的能量分解的数据点、1D、2D或多维图像、3D或4D或6D或7D，所述目的区域由通过多个来自静态位置以及与时间对应的动态移动位置的第一测量重建的多维图像体积数据产生。匹配可以包括基于空间结构，流动特性，组件之间的相对距离以及在6D定向、组成和/或密度、时间标志物以及流动和流体动力学和方向上的相对空间位置和/或定向的匹配。在使用一个或多个数据点，或组件的数据区域，或通过穿过目的区域的照射路径的1D线性图像的一个或多个光谱或单能量测量进行匹配的情况下，可以显著提高速度，并且可以显著降低到达一个特定区域的辐射水平或总辐射水平，尤其是当这样的测量是每次产生的不同照射路径时。
所述设备可以包括微型x射线源，其可以被放置在内部体积或腔内，以产生第一和实况测量中的全部或一些。改装套件也可以用于修改现有的x射线照相系统以进行如本文所述的追踪。所述设备和方法可以被以零预付费用提供给合格的医院和诊所、手术中心、成像中心和管理的护理组织。每次拍摄图像和/或仅当这样的图像被用于诊断、治疗前计划、治疗、监测和治疗后评价时，向顾客收取费用。
在本公开内容中，“靶标”(参见图16中的靶标110)是治疗(例如，手术、或机器人技术、辐射、能量和药物)将针对的区域，或者在诊断的情况下，诊断将基于的区域。“靶标”可以是植入物或手术工具的区域。“靶标”可以是计算机或用户在目的区域中的选定区域及其周围区域。靶标可以被嵌入到“目的区域”中，所述“目的区域”是指包括围绕目的组件的相邻区域的区域，x射线光束可以照射该区域以产生投影图像。目的区域可以包括一个或多个靶标和它们的相邻区域。
“组件”(参见图16中的组件120)是靶标内的区域，其可以通过x射线成像和/或通过一组限定的可量化参数进行的定量测量鉴定，和/或可以基于该组可量化参数与靶标内的不同组件区分开。靶标可以包括一个或多个组件。
本文公开的“细光束”(参见图17中的细光束400)是具有像素的整数倍的视场的x射线光束，或者可选地，这样的细光束可以在检测器上的至少一个像素的有源区域上产生可检测信号。通常，可以选择在相邻的细光束之间具有至少一个像素间距的间隔的细光束。当使用x射线细光束对体积区域中的一个组件或多个组件进行成像并测量其特性时，x射线细光束每次可以照射组件的不同部件。一个或多个细光束可以照射目的区域中的多个不同组件，以用作一个参照点或多个参照点，用于基于测量合成模拟数据，以及用于6D中的组件或目的区域或靶标的定位。细光束可以指照射投影路径中的目的区域，从而在检测器上产生信号的x射线光束，并且在检测器上投影的信号的宽度可以是直径尺寸为1mm至约10mm(被称为“迷你光束”)；直径尺寸为1μm至1mm(被称为“微光束”)；直径尺寸为0.01nm至1μm(被称为“纳米光束”)。通常，x射线细光束在检测器上产生x射线测量，没有散射干扰或具有最小的散射干扰。优选地，相对于x射线发射位置和检测器，细光束的投影路径在其空间位置和尺寸上校准，使得信号集中在有效区域的中间或在检测器上的像素间距的中间，填充像素区域的至少一个像素间距。如果它被投影到两个或多个像素上，则类似地，对投影路径进行校准，使得所投影的细光束完全填充两个或多个像素，并且不会溢出到相邻像素。
“第一测量”是通过用x射线锥形光束、扇形光束或者一个或多个x射线细光束照射目的区域而产生的检测器上的x射线信号。
“第一图像”是使用2D平板x射线检测器从测量和图像得出的1D、2D、3D或4D图像和干涉图，并且利用平板检测器的x射线全场成像可以与x射线显微术、光谱测量、光谱吸光测定、或更快的帧点、线性和小或大格式的2D检测器、和/或能量敏感检测器、硅漂移检测器、x射线光谱仪、当上游闪烁体将x射线转换为可见光时的可见光相机组合。第一图像可以来自一个或多个其它成像模态或与一个或多个其它成像模态同步测量或与一个或多个其它成像模态在相同的时间帧测量，所述其它成像模态包括CT扫描、磁共振成像、以及超声和PET或光学成像或光谱学或声光(光声)、磁性颗粒、其它物理特性测量技术和模拟数据。
“实况测量”或有时在本公开内容中被称为“第二测量”是在诊断、治疗、监测或追踪过程期间通过用x射线锥形光束、扇形光束和/或一个或多个选定的切片光束、或者一个或多个x射线细光束照射目的区域而产生的检测器上的x射线信号。“实况测量”可以以时间敏感的方式、有时实时地取样在检测器上选定的投影x射线数据。组件、靶标、目的区域和对象的实况测量可以用于匹配第一测量和/或第一图像，或者从根据第一测量和/或第一图像的数据集重建的多维图像以数据点、数据区域、1D线图像、2D和多维图像、3D和4D或6D或7D图像的形式合成呈现。
“定量2D图像”是目的区域的测量的2D x射线图像，其中1)目的区域是低散射材料，或者应用要求使得测量的x射线图像来自可以用于定量分析的任何类型的检测器，2)可以使用散射和初级x射线分离或区分方法和设备，本文描述了其中的一些以获得散射非常低的图像，3)使用其它初级x射线成像方法，例如，使用超快x射线源和检测器对的那些方法或使用调制的初级x射线成像方法的那些，和/或4)所使用的x射线系统具有利用模拟散射数据或算法方法的散射去除，其足以用于应用中的定量分析。
“1D测量”是由被选择用于以切片方式照射目的区域的一个x射线光束切片投影在检测器上的线图像。线图像的最小宽度可以使得它可以在检测器上在至少一个像素中产生信号。线图像的长度可以多于一个像素。典型的线图像可以具有一个或多个像素间距的宽度和用选定的1D光束轮廓照射目的区域的x射线光束的投影1D测量的长度。1D测量是定量测量，并且可以用散射去除来处理以改进可用于进一步分析的定量数据。1D测量还可以包括对切片投影路径的所有像素的测量，或者沿着检测器上的1D投影切片分布的两个或更多个像素的测量，每个像素通过至少一个像素与其直接相邻的像素测量分开。
“数据点”是通过一个x射线细光束照射目的区域而投影在检测器上的数据点。数据点可以包括从检测器的至少一个像素收集的信号。投影路径的空间位置和检测器上的像素，即“数据点”，收集可以预定或确定的投影光束的信号。优选的是选择x射线细光束，使得每个光束投影到检测器上的像素的中心，或者投影到一组像素的中心。数据点通常可以具有最小的散射干扰。
“数据区域”是通过选定的一个x射线细光束照射目的区域而投影到检测器上的两个或更多个连接的像素的x射线细光束。数据区域可以具有各种形状和尺寸。优选的是选择x射线细光束，使得每个光束投影到数据区域中的一组像素的中心。数据区域通常可以具有最小散射干扰。
“4D图像”是指具有与相同组件或靶标或目的区域或对象或外部参照或传感器的其它图像或测量的相对或绝对时间参照的3D或多维图像。
“6D图像”是指描述组件或靶标或目的区域或对象的x、y、z 3D体积及其在俯仰、航向和横滚中的空间定向的组件或靶标或目的区域或对象的多维图像。
“7D图像”是指组件或靶标或目的区域或对象的多维图像，其以相对或绝对时间参照，尤其是相对于在该图像之前和之后的时间的测量，或相对于其它组件、或目的区域、或靶标或对象或外部参照或传感器的测量描述其6D图像。
“合成的或模拟的”图像和/或数据是指从先前测量或现有数据或预定特性值得出数据。例如，对于组件的x射线数据点，当一个区域中的骨组织的区段1可以具有与同一骨的不同组件(段2)类似的密度测定测量数据时，区段1的尺寸数据可以从区段2的先前测量得出。区段1的精确x射线测量和尺寸以及与区段2的相对位置可以从较早的测量或预先存在的数据库中得出。可以从合成的数据中提取骨组织(区段1和区段2)的6D和7D定位和追踪。这两种组件也可以是不同的组织类型或材料类型，但可以保持相对位置。只要从一个目的组件的一种特性到第二组件的特性存在至少一个确定性的线性关系，在第二组件上的细光束投影数据点的测量可以用作用于得出模拟特性的参照点，从而追踪和定位作为目的组件的第一组件。
“光谱测量”是指在通过目的区域的两个或更多个能级或者两个或更多个波长下生产x射线测量的方法。所产生的x射线信号通常是在点、或2D数据区域、或1D线区域、或2D图像或多维图像和3D图像的维度上的测量。当这样的测量被能量分解时，不同的材料或组件被定量地分离。光谱测量通常描述在低分辨率成像设置或高光谱分辨率、高数量的波长或能级和/或在小区域或点或1D线区域中的测量。光谱测量可以仅在像素间距的投影路径上或者在尺寸上接近像素间距的投影路径上进行。
“光谱吸光测定”是指在通过目的区域的两个或更多个能级或者两个或更多个波长下生产x射线测量的方法。所产生的x射线信号通常是在点，或2D区域，或1D线区域，或2D图像，或多维图像和3D图像的维度上的测量。当这样的测量被能量分解时，不同的材料或组件被定量地分离。光谱吸光测定有时描述低空间分辨率的测量。光谱吸光测定有时描述1D和2D格式的低空间分辨率和高光谱分辨率的测量。光谱吸光测定的典型分辨率可以类似于扫描线性吸光测定的分辨率，如DXA。
“光谱成像”是指在x射线中在多于一个能量或波长水平下测量的在1D或2D或3D或更高的维度上产生x射线图像的方法。光谱成像通常描述成像方法，其导致空间上相对高的分辨率，比光谱测量相对更低的分辨率，比“光谱测量”的成像面积相对更大的成像面积。任选地，使用光谱成像或光谱吸光测定或光谱测量方法的最高性能系统的空间和光谱分辨率可以是类似的或相同的。然而，由于各种实际考虑，在本公开内容的典型情况下，每种配置可以彼此不同。
“x射线细光束”是指照射在检测器上生成信号的投影路径中的目的区域的x射线光束，并且投影在检测器上的信号的宽度可以是直径尺寸>mm(被称为“迷你光束”)；直径尺寸是1μm至1mm(被称为“微光束”)；直径尺寸是0.01nm至1μm(被称为“细光束”)。通常，x射线细光束在检测器上产生x射线测量，没有散射干扰或具有最小的散射干扰。优选地，相对于x射线发射位置和检测器，细光束的投影路径在其空间位置和尺寸上校准，使得信号集中在有效区域的中间或在检测器上的像素间距的中间，填充像素区域的至少一个像素间距。如果它被投影到两个或多个像素上，则类似地，对投影路径进行校准，使得所投影的细光束完全填充两个或更多个像素，并且不会溢出到相邻像素。例如，x射线的细光束的直径可以是0.01nm到10mm。当细光束的直径是mm的整数倍时，它可以被称为迷你光束，或者如在微光束中，直径是μm的整数倍，和如在细光束中，直径是nm的整数倍。细光束可以远离其相邻光束，照射目的区域，并在检测器上产生单独的投影图像和测量数据点。
目的区域中的“选定区域”是指比目的区域更小的区域，其中基于全场x射线成像或预定或随机的结果选择用户r在处理器中的数字程序。可以通过组合准直器或多个准直器叶片来选择性地照射选定的区域，所述准直器或多个准直器叶片被组合以具有在x射线源下游的选定的透射区域。或者选定的区域仅由从具有用于发射x射线的选择性区域的阳极产生的x射线照射。或者当x射线源或x射线辐射围绕x,y,z轴中的每一个相对于对象或相对于对象在3D空间中移动和/或与x射线光束输出的准直器限制区域组合时，照射选定区域。选定的区域可以用于通过在相同或不同的区域处照射来追踪组件和/或靶标，每个区域是组件和/或靶标和/或目的区域的一部分。
本公开内容中的“平板”检测器是指在二维轴的至少一个中的尺寸是1cm或更高的2D检测器。通常，这样的检测器的xy尺寸至少是几个cm2。
如本文所述的组件、靶标和目的区域的追踪和静态位置测量可以在第一测量和实况测量中使用可移动的x射线源或多个x射线源。测量可以用于重建多维图像以进行诊断，并且用于将来自第一测量的数据点，数据区域、1D、2D和3D以及4D和6D和7D图像与从多维图像产生的实况图像进行匹配。当使用微型x射线源时，可以将源和检测器放置在靶标附近，例如，放置在人体的腔内，以用作第一次测量和实况测量的源。例如在牙齿或肾或肠、或内部器官或腔测量中。
本文公开的设备可以报告与对象中目的区域的其它部分相关的空间数据。例如，在脊柱手术期间，该设备可以报告从手术探头或机器人工具到神经和/或血管的距离。这种数据可以提供输入信号以在矫形或脊柱手术中引导手术工具和/或可视地和/或可听地显示以警告操作设备和/或外科医生。
本文公开的设备可以提供更快的匹配。例如，植入物和/或工具可以具有射线可透过的标志物或其它类型的标志物。这样，制造商可以在x射线图像中提供植入物尺寸和设计的3D表示。任选地，基于植入物和/或工具的材料和设计，可以模拟3D x射线图像。
本文公开的设备可以依次提供细光束的相对照射位置。本文公开的设备可以利用一个或多于一个的x射线源或者利用一个或多于一个的x射线发射位置来提供对象、靶标、目的区域和组件的实时多维图像。x射线源或x射线发射位置可以是像素尺寸的一部分，一个像素尺寸，或分别远离相邻x射线源或x射线发射位置的像素尺寸的整数倍。可选地，可以将x射线源的发射位置设计成照射靶标的不同相邻区域，但仍然在目的区域内照射，以便对于与靶标相邻的特定组织区域，降低辐射水平并且不引入新的未知像素。从第一测量得出的数据集可以用于快速查找和匹配。本文公开的设备可以通过以可预测的方式移动细光束的位置来加速改善具有第一图像的来自x射线细光束的测量数据集，并且同时减少辐射。依次照射组件的不同区域，并且彼此具有已知的空间相对距离。可以快速地进行x射线测量数据与用于组件的3D体积区域的存储的数据池的匹配。
还可以通过校准来自x射线源和检测器的x射线光束的几何形状、相对空间关系来预测将在组件中照射的x射线细光束或x射线扇形光束的近似位置和路径，从而限制在包含从第一测量或合成的和模拟的数据或从AI方法产生的数据的相关区域的第一测量数据或提取的数据的数据库中查找的范围，来实现在第一图像集或重建的多维图像或提取的1D、2D和3D图像的数据库中更快的匹配或查找。
还可以通过限制每个组件的尺寸，从而限制可能的细光束路径的数据库或在组件的点、数据区域以及1D和2D图像中的x射线测量的数据库，来实现更快的匹配。
当每个x射线光束投影数据点或像素区域携带定量数据时，还可以通过分解投影数据以得出每个光束照射的组件的材料类型或组成来实现匹配。例如，针对唯一解剖部分及其唯一位置和/或定向的提取的图像数据集可以将数据库查找限制到少量的数据集，或者可以限制和/或进一步减小用于实况图像成像的目的区域或靶标或组件的总体积，因此也潜在地减小辐射剂量。
任选地，每个x射线细光束可以是单能量的，因为从由第一图像构建的三维图像提取的2D图像可以仅由单能量(例如，高的单能量)构建，对于在目的区域上的相同投影路径，其在2D图像中具有相应的低能量。因此，一个单能量的实况x射线图像可以足以得出各种材料沿投影光束路径的位置、密度和其它定量信息。例如，可以提取照射的x射线路径中的组件或靶标和目的区域的骨和软组织组成。可以使用本文公开的材料分解和/或区分的任何方法。例如，植入物或手术工具或组件可以用造影剂标记。
可以包括使用滤波器的K边缘测量，或者有时包括x射线源与对象之间的K边缘编码孔径。特别地，当使用x射线细光束作为源测量数据点、数据区域、1D和小2D区域时，散射干扰较小。可以使用带有K边缘滤波器的第一和实况测量。此外，对于具有低散射特性的目的区域，也可以使用k边缘滤波器。
在一些实例中，可以在诊断和检查期间，在治疗之前，在治疗期间和/或在治疗之后进行追踪。在治疗之前，可以测量至少两个2D图像，其可以来自本文公开的定量2D图像或来自包括CT扫描的其它模态的数据。每个2D图像可以对应于动态移动周期或过程中的时间点，如呼吸周期、或心跳周期或与对象中存在的目的区域相关的其它运动。2D图像系列中的每一个可以是实际2D图像或实际2D图像和计算机提取的2D图像的组合。为了提取用于与实况图像匹配的2D图像，拍摄至少两个定量2D第一图像。然后可以从实际2D图像中提取和处理2D合成图像。每个2D图像显示靶标的位置和/或定向。
在需要追踪的时间段期间，可以在动态移动期间以离散的时间间隔测量一个实况定量x射线图像或多维x射线图像，或一个或多个投影的细光束数据区域，或两个或多个实况细光束投影数据点。可以由至少一个检测器和相对于对象和检测器的至少两个不同的x射线发射位置生成多维定量x射线图像。可以由至少一个检测器和来自x射线源的一个x射线发射位置生成实况定量x射线图像或细光束投影数据点。两个或更多个x射线源和收集x射线投影图像的相应的一个或更多个检测器可以用于创建多维图像，或各种能级的光谱图像，或减少围绕靶标的区域的辐射剂量。在x射线测量中可能不能清楚地看到组件。然而，可以通过将实时测量与第一测量或第一图像或从第一测量的重建的多维图像和数据点、数据区域、1D、2D和多维的图像中提取的数据点、1D、2D和3D和4D图像进行比较来确定组件的追踪和6D定位。
基于与组件、靶标和目的区域的最佳匹配投影图像相关的视角，还可以确定当进行实况x射线测量时对象所处的确切角度或平移移位。对象(如患者的身体)的平移/旋转移位以及与呼吸、心脏有关的当前生理状态以及与对象的移动有关的其它相关生理状态都可以从实况x射线测量中推断出来。对于该程序不需要植入基准标志物，在治疗或追踪期间，其仅需要x射线投影测量。
第一和实况x射线图像和测量可以用两个脉冲、或三个脉冲或更多个脉冲的x射线光束进行，每一个处于不同的能级，或可调谐能量脉冲源，或多个能级的脉冲同时进行，用于材料分解和任选地散射去除靶标或目的区域。
可选地，可以在一个或多个脉冲期间以不同的能级进行x射线测量，而x射线源产生具有一个或两个或三个或更多个能级的脉冲。能级之间的转换可以是渐进的或瞬时的。来自一个脉冲的波形和/或能级可以与下一个不同。例如，两个脉冲的集合可以具有由发生器产生的具有两个不同能级的第一脉冲和具有一个能级的第二脉冲，该能级可以与第一脉冲中的两个能级不同。
任选地，来自第一脉冲的能级可以是低能级，来自第二脉冲的能级可以是中等的到高的。来自第三脉冲的能级可以从高的到中等的。来自第四脉冲的能级可以再次是低的。
用于产生第一和实况x射线测量的脉冲的能级可以取决于材料分解所需的，和/或靶标或目的区域的散射去除，和/或未标记的或造影剂标记的区域的组成的定量分析。
如使用本文公开的方法，如使用具有光束选择器的双检测器组合可以校准本文公开的设备的硬件的空间位置用于散射去除。在拍摄实况x射线图像之前，可以校准光束选择器(任选地具有检测器)与3D空间中的源的相对位置，以确保散射去除过程和所获取的数据更加准确。这种校准可以根据需要进行。如果检测器和x射线源固定在适当位置，则校准也可以在每个对象测量之前进行。校准可以是手动的、基于光的、机动化的和/或基于其它机械或视觉方法。在一些应用中，这样的校准可以是任选的。
校准也可以用于提高检测器读出的速度。如果x射线源和检测器被校准，则对于每次x射线取样，仅需要读取与特定照射位置对应的检测器上的选定像素。
设备可以包括用于减少的x射线剂量的闭环反馈系统。基于针对目的区域中的靶标获取的第一图像或第一组第一图像，或目的区域的第一图像或处于双能级或多能级的第一图像，调整目的区域上的x射线光束辐射输出水平，并且空间上调整5x射线光束以仅照射目的区域或靶标，以最小化用于后续第一测量和实况测量的输入x射线剂量，而不包括用于可视化和定量分析目的获取数据。10
如图16所示，示例性计算机控制的能量处理设备100可以包括导线和导管104。处理设备100可以与本文公开的x射线系统相组合，以提供基于图像的手术指导系统。
x射线源12产生x射线光束30，其照射包含在对象16中的靶标130中的组件120，靶标130继而位于目的区域110中。投影的x射线30在检测器14上形成图像。可以包括处理器(如图1A中的处理器)的计算设备102控制能量处理设备100以提供能量处理。导管104可以探测对象16，并到达靶标110内部的组件120。
图16中的x射线源12可以提供x射线扇形光束。在图17中，x射线源12可以提供多个细光束400。调制器(也被称为图案化掩模或准直器)24可以用于选择性地透射可在检测器14上形成检测区域的x射线细光束400。如图18所示，这些区域可以分别在准直器501、502和503上被指定为401、402和403的位置。
任选地，扫描x射线源可以扫描准直器24，以在两个或更多个区域，如401、402和403处照射靶标110，每个区域在不同的时间。
如上所示，可以选择多个x射线细光束以使用与光束吸收器或光束选择器掩模(如图17或图15B中的准直器24)组合的单个x射线源来照射目的区域。每个光束可以由检测器上的一个或多个像素来检测。准直器24可以允许透射x射线光束的某些区域和其它区域对x射线是完全不透明的。
准直器的各种位置和图案，如本文公开的任何实例，可以用于在不同的时间选择透射光束位置，以最小化在特定位置对组织的辐射剂量。例如，在放射治疗中，通常每10秒拍摄一个2D图像以更新靶标的位置。如果每个2D图像被一个x射线细光束(或者1D x射线切片投影线，或者由多个x射线细光束进行的结构化照射)，和/或每次不同的结构或者具有不同透射位置的掩模(或者掩模，其具有诸如旋转的移动的透射图案(参见图19)或者在3D空间中移动)代替，导致与下一个x射线测量，即贯穿成像过程的随后测量相比，x射线细光束照射在靶标的不同区域和周围区域，对于照射的区域可以减少或最小化总辐射剂量。
在放射治疗中，放射治疗能量发生器可以用作x射线源。
如图18所示，可以将不同的准直器501、502、503各自放置在x射线源12的下游，以选择性地透射x射线来照射靶标的不同区域，以生成用于第一图像和实况图像的测量数据。每个数据集还可以用于表示在不同时间测量的相同组件的x射线数据集。每个准直器可以被放置在输入x射线路径内和输入x射线路径外。401的光束路径不同于402的光束路径和403的光束路径，因此，每个光束路径上的组织区域仅被照射一次，或者与总取样次数相比被照射有限次数。任选地，可以仅使用一个光束路径，以便降低系统的复杂性。
图19示出了准直器202是具有x射线透射区域200的旋转盘。当在准直器200旋转的不同时间进行x射线测量时，在旋转移动期间，透射区域可以位于不同的位置。准直器202可以用于代替图17中的准直器24。
在图20中，可以用于代替图17中的准直器24的准直器202可以具有在2D平面上形成不同图案的透射区域200。准直器202可以在平行于检测器的2D平面中由移动器移动，或者与x射线源一起旋转，或者在第三轴中移动，以在不同的照射路径中到达组件或靶标，以减少对靶标的辐射剂量。
图21示出了另一个示例性准直器202，其中透射区域200处于具有交替的x射线吸收区域或x射线不透明区域201的棋盘图案中。这种准直器可以在x和/或y位置中移动，每次在区域201或200的像素间距处，使得与下一次相比，每次取样x射线测量时，透射和不透明区域是互补的。
图22示出了具有透射区域200的另一示例性准直器202。这种准直器可以在x和/或y方向上移动和/或可以在平行于检测器的2D平面中旋转。
图23示出了另一示例性准直器202，其中透射区域200与不透明区域201交错。
如上所述，可以在一帧或多帧的x射线取样期间以预编程图案扫描来自x射线源的x射线光束。可选地，x射线源可以简单地照射整个区域202或202的选择区域，以产生x射线细光束或选择性地产生x射线细光束。
准直器24，202的选择性开口可以在3D空间中选择性地透射x射线光束以照射目的区域。可选地，一个或多个x射线源可以在不同的位置处连接到3D结构上，或者连接到光束操纵设备上，以操纵x射线光束来扫描对象，就好像x射线光束从变化的3D位置进入目的区域一样。
图23示出了通过转向组装件15放置x射线源12，用于降低相同光束404在照射区域中的辐射水平。组装件15可以包括x射线光学器件，其可以将x射线光束404-1、404-2和404-3转向组件120，但每个都来自3D中的不同角度。例如，光束404-1可以在第一时间点照射组件120，光束404-2可以在第二时间点照射，并且光束404-3可以在第三时间点照射。组装件15可以根据需要允许在组件120上的不同区域处持续照射，从而可以减少和/或最小化对目的区域中的特定区域的总辐射剂量以进行实况测量。光束转向组装件15可以是折射设备，并且来自x射线源12的光束404可以被折射地操纵。可选地，光束404s可以各自是x射线细光束，并且光束转向组件可以衍射地操纵光束404。光束操纵组装件15可以是MEM镜或晶体或具有光束停止器的衍射光栅(也参见图15E)，或者是可调谐光束分离器20或x射线引导器，如基于毛细管的基于全内反射的x射线光学器件(也见图15D)。
在图26和27A-27C中，各自的靶标区域110-t1、110-t2、110-t3可以存在于对象16的目的区域130中。如图26和27A-27C所示，两个或更多个组件120-c1、120-c2和120-c3也可以在目的区域130中。可以从组件120-C1(例如，植入的心脏瓣膜)、组件120-C2(例如，心脏组织)和组件120-C3(例如，胸骨)的分量图像中提取1D、2D和3D的多维图像。可以通过密度、显影标记物、空间结构和形状、相对空间位置、组成、或移动特点、流动特性、流动特点、流动方向、流体动力学、存在、可见性、或移动速度或移动频率、或组件内这样的物理特性中的任一种、或可以通过第一x射线图像分析的任何可区分的物理特性、或模拟特性、或先前已知的特性或这些特性的任何组合来区分每个组件120。
物理特性可以包括流动特性，其可以通过散斑、频率、相衬，在一些情况下，能量色散光栅与空间敏感检测器光谱吸光测定相组合来测量以监测和测量材料组成和流动特性的变化。物理特性可以包括可以通过干涉图区分的特性和结构。
模拟数据可以基于预先存在的数据，例如组织的密度，如骨密度或包含在目的区域中的已知骨结构的各种片段的移动，这可以引起可预测的骨强度特性，因此引起在不同条件(如呼吸、心脏泵送或一般移动)下的动态移动特点的特性，其可以由软件用预先测量的或从之前进行的测量中提取的信息来模拟。例如，对于植入物或手术工具，可以得出模拟数据，其可以基于植入物的材料类型和设计而具有不同的组成和动态移动特点。其对x射线图像的影响可以在实况成像步骤之前基于由来自相同类型的植入物的测量或植入物的预测值的模拟的预先存在的数据生成的虚拟图像来确定。如上所述，在将植入物插入目的区域之前或插入目的区域时，射线可透过的标志物可以用于标记植入物。在紧急情况下，当对象16的第一图像或第一图像的完整集合不容易获得，或者被成像的对象处于完全第一图像构建不可访问的位置时，可以基于动物所获取的数据或基于从类似于组件120、靶标110或对象16的区域的测量数据中提取的统计数据而验证的数据来模拟这样的数据。
先前已知的特性可以包括x射线成像和可测量的特性，如尺寸，空间结构，形状，密度的数据，和/或在x射线数据和成像分析中使用的其它相关数据，以定位和追踪组件120、靶标110和目的对象16。先前已知的特性可以是来自使用以下任何一种的不同成像/测量技术的测量的数据：能量或电磁波，包括光谱学、MRI、超声、光学成像和分析、PET、基于磁性颗粒的成像、光声干涉法、热干涉法或光学干涉法定。先前已知的特性可以是计算机或用户输入参数和特性。
在机器人手术中，通常在组件、靶标或目的区域的外部需要虚拟边界，或者可选地，对于植入物或手术工具需要虚拟边界。存在这种边界以限制组件、靶标或目的区域与植入物或手术工具相互作用的移动和位置。所有上述特性可以用于区分组件、靶标和对象，并为计算机设置虚拟边界以控制手术工具或植入物设备的位置、相对距离和移动。
在诊断或治疗规划期间，可以确定几何形状的定义，并因此确定组件、靶标或目的区域的边界。这种信息可以从第一测量中提取，并在诊断过程、研究和发现过程中进行分析。计算机或用户可以基于预先存在的数据和/或为诊断和规划而获取的图像的测量数据来选择诸如用于实况测量的目的区域的区域。例如，与肺组织相比，较小的组件、较小的靶标可以被限定用于心脏组织，这是由于其结构上的复杂性和其动态移动特点。因此，与正常肺组织相比，可以为心脏组织限定固定3D体积中的更多靶标。在植入或治疗组织或疾病的程序中，仅可以测量选定数量的组件，并且一些组件可以在同一组织中比其它组件的频率更高，或者与其它组织相比频率更高。
在包含对象16的活人中存在典型的动态运动。运动可以具有设定频率，具有典型的限定周期或间隔，或者具有设定模式，例如心跳、呼吸和/或血流。运动可以没有设定频率，但可以在具有或没有模式的情况下工作，并且当被正常生理事件，如在食物消化期间的胃移动，或者由于活动或情绪事件而导致的更快的心跳触发时，一些运动可以处于设定频率。当多个器官或同一器官的区段可以处于动态运动状态时，运动可以包括自愿运动，如在关节处。运动可以包括不随意运动，例如，在镇静下或睡眠时人移动或移位他的或她的身体。
在成像期间，患者可以经历那些类型的运动中的任一种。目的区域130可以具有特定于条件的动态运动特性，并且其组件120中的每一个可以具有独特的动态特点，其可以通过用x射线扇形光束或选定的一个或多个x射线细光束照射该组件，并且以不同的时间间隔取样测量的数据来捕获。
在混合成像配置中，x射线成像可以与x射线数据测量分析相组合。图25示出了用于定量x射线图像与非x射线成像模态在目的区域的位置和追踪中的混合测量和共定位的示例性流程图。可以从显微术或光谱吸光测定系统中得出第一和实况测量中的一些的测量的x射线数据。
对于目的区域上的选定视场，可以实现高得多的分辨率成像，例如，解析nm范围内的细节和/或高分辨率光谱定量分析。
现在将描述x射线源的另外细节。射线源可以是常规的x射线管，或具有多个发射位置的x射线源，或能够从多个发射位置发射x射线，或能够操纵光束输出，如具有用于偏转电子束的磁板的那些，或使用各种硬件方法产生电子束，包括阴极，如常规阴极、冷却阴极、基于光的、同步加速器等、基于晶体的、基于纳米管的阴极和/或阳极，如任何常规阳极、液体阳极或纳米线。x射线源还可以与衍射光栅或准直器或光束分离器或可调谐光栅或光束选择器或光束操纵设备(包括MEM)或基于晶体的设备或基于全内反射的设备或导波管耦合。还可以使用具有能量切换设备的任何x射线源。
x射线源可以被放置在对象内部，或者可以是腔内的或微型尺寸的。例如，x射线源可以是基于碳管的或晶体的，并且可以产生第一图像和实况图像中的一些或全部。这种x射线源可以被插入到对象16的腔或内部体积中以照射目的区域。例如，当心脏瓣膜或支架植入物被引导到靶标的位置时，x射线源可以以与内窥镜类似的方式连接到引导线和/或相对于植入物位置放置在固定位置，不同之处在于检测器被放置在对象的外部。x射线源可以与图16中相同的检测器14或不同的检测器一起使用。x射线源可以与x射线光学器件组装件一起使用，该x射线光学组装件可以包括聚光透镜和孔径，以聚焦x射线并穿过目的区域。可以收集透射的x射线并将其输出到检测器。单色源的x射线可以是用于同步加速器和类似源的任何能级(如0-70KeV或更高)。从常规的x射线管得出的单色源可以是任何x射线管能级，这是由于阳极靶的过滤和定制造成的。x射线源可以是超快x射线源。
可选地，具有一个或多个通道的波导可以用于将从常规源发射的x射线连接到具有液体阳极的x射线源。可以调整液体阳极的流速和空间图案，以调整x射线的产生和产生的x射线的量。
检测器可以是2D或线性或点x射线检测器或能量敏感检测器或光谱仪模块或多通道光谱仪模块，每个通道具有能量色散光栅，以及在对象或2D全场检测器下游的空间敏感传感器阵列，以测量由包含在目的区域中的靶标中的x射线光束照射的线的能量特点。
改装的硬件组件和软件可以并入本文公开的x射线追踪特征，以将现有的硬件和软件修改为适于特定应用，如产生20KeV-1000KeV的x射线以进行手术指导，或者在MeV范围内进行放射治疗。改装套件可以包括以下中的任何一个或多个：包括硬件和软件的校准套件，用于校准本文公开的成像方法的软件，用于修改x射线源和x射线源控制以从不同能量切换的硬件和软件，如本文所述的一个或多个另外的x射线源，包括用新的x射线源代替现有的x射线源和/或创建更多的x射线发射位置，如本文在散射去除和材料分解中所述的x射线检测器组装件以代替后部平板检测器，用于成像过程和/或获取的软件，用于定位或移动器以移动x射线源或本文所述方法中所涉及的x射线系统的其它部件的硬件；一个或多个准直器，用于修改来自x射线源光束的输出以进行散射去除或材料分解成像，光束选择器，用于修改现有的双层或多层检测器，光束选择器加检测器，以在已经存在现有检测器的情况下完成双检测器散射去除组装件，一个或多个另外的检测器(如果已经有光束选择器或准直器和检测器的话)，可调谐硬件，如MEM或晶体，用于光束操纵或调整x射线光束视场和其它输出特性或选择细光束，x射线光束位置操纵设备或电子束操纵设备，光谱吸光测定或x射线显微术所需的任何另外的硬件，包括x射线或非x射线成像模态和技术以及光谱学或光分析系统所需的任何另外的硬件，如光谱学、MRI、PET、光学机构、光声、超声、热成像和分析。
现在将描述追踪方法的更多细节。如图25所示，定量x射线图像与非x射线成像模态的混合测量和共定位可以用于定位和追踪目的区域。在步骤1，现有的定量2D和多维x射线成像和材料分解图像数据库可以与来自其它模态—基于MRI、PET、光学成像和/或分析、光谱学、光声、超声和/或磁性颗粒的成像模态的图像相组合，所有这些模态都可以存储为静态位置以及3D和6D追踪数据集的第一测量，其可以足以表征目的区域的动态移动。
在步骤2，通过x射线对目的区域的实况测量可以与任何其它成像方法一起进行。在步骤3，可以基于染料，或第一、第二、第三或更多级染料(每种针对不同的模态)，或常见染料(针对两个或更多个模态)的共定位进行共定位。可选地和/或另外地，可以基于依据可测量特性或特定组件的相对空间位置或可见性而可区分的分量图像来进行共定位。可选地和/或另外地，可以基于每种材料类型或独特的空间结构或物理特性的图像，或者用于组件、靶标或目的区域的动态移动特点的测量的匹配来进行共定位。可选地和/或另外地，可以基于上述的任何组合来进行成像模态的共定位。
在步骤4，x射线设备的处理器可以将所有模态的实况测量与第一测量数据库相匹配，以及确定组件、靶标和/或目的区域的3D定位、4D和6D追踪。
图28示出了并入散射去除的多维动态移动表征和追踪的示例性流程图。在步骤1，处理器可以获得目的区域的现有3D完整成像数据，包括具有单、双或光谱能量第一测量的数据集。可以从基于2D平板的多维成像数据库、或CT扫描仪或基于MRI、或PET和/或其它光的定量分析和成像系统获得数据。现在将更详细地描述实况点、数据区域、1D、2D、3D和/或4D测量与第一测量或合成数据集的匹配。目的区域的双能量和多能量第一测量可以与在运动周期的相同阶段和在不同时间获取的相同能级的不同第一测量相组合，并且可以提取2D图像或1D图像或点数据集以形成新的数据集。
在步骤2，处理器可以如使用本文公开的校准方法校准x射线源和检测器的相对距离和位置，以及光束选择器的位置(其可以在整个追踪过程中在根据需要的基座上)。可以记录x射线细光束位置与检测器上与x射线细光束位置关联的像素区域的关联。在一些情况下，可能不需要步骤2。
在步骤3，处理器可以用不同x射线源发射位置取样目的区域的一个或多个2D图像，以定位在第一测量开始时的静态位置的目的区域、其分量和靶标，用于动态移动表征。
在步骤4，处理器可以在各种能级取样第一测量，例如，每次使用由x射线细光束或目的区域的2D成像在一个能级(例如，高能级)下投影的一个或多个数据区域，以及在整个动态移动过程中使用不同时间下不同能级(例如，低能级)的一个或多个选定的细光束。对于用于追踪和定位的时间敏感测量，如果源是同时发射多个能量x射线光束的多个能量源，则可以在一个能级或多个能级上取样第一测量。这种测量可以在目的区域上的一个x射线照射脉冲中进行。照射目的区域的x射线可以是一个或两个细光束或一组细光束，或1D切片的x射线光束或选定的x射线扇形光束区域，这取决于应用要求。可以通过在不同的时间取样x射线光束来进行一个或多个实况测量。每个图像可以与从第一测量和第一图像得出的数据集重建的多维图像中提取的或合成的2D或3D或4D图像进行比较。
在步骤5，处理器可以提取目的区域中的独特物质、材料和组件以及靶标的能量分解图像，以及在不同能级下的组件、靶标和目的区域的选定数据区域、1D-7D呈现，其可以被合成以完成数据库，从而表征动态移动过程期间组件、靶标和目的区域的动态移动。
可以重建目的区域和组件以及靶标的多个图像，并且可以从第一测量中提取目的区域、组件和靶标的数据点、1D、2D、3D和4D图像。如果针对在动态移动周期或与动态移动相关的时间帧期间在不同时间获取的第一测量重建多维图像，则可以基于从随时间推移变化的第一测量重建的3D图像来提取组件和靶标的6D图像。
在步骤6，处理器可以在整个治疗或追踪过程中进行追踪组件、靶标和/或目的区域所必需的实况测量。在每次测量时，处理器可以取样由x射线细光束或者目的区域的2D成像在一个能级(如高能级)投影的一个或多个数据区域，以及任选地基于应用要求，在不同的能级(如低或中等水平)的一个或多个选定的细光束投影数据点测量。
任选地，在步骤7，对于每个实况测量，处理器可以用x射线细光束照射组件的选定不同区域和目的区域，以减少辐射剂量。处理器还可以任选地选择和定义将被x射线细光束照射的随后区域，使得利用位置数据库查找这样的区域的位置相对容易，例如，当被照射的区域紧挨着之前的区域以限制定位新测量数据所需的数据集的数量时。
在步骤8，利用每个实况测量，处理器可以将实况测量或基于实况测量的提取的数据或来自实况测量和提取的数据的合成的数据与来自组件、靶标和目的区域的相应时间间隔和选定x射线照射位置的第一测量的那些相匹配。同一目的区域的分量可以位于三维空间中。可以进行存储的3D-7D图像与第一测量的匹配，以通过基于在目的区域上的x射线照射的位置和在检测器上的预期投影图像位置来查找和提取成像数据集来定位目的区域。例如，如果仅一个组件在目的区域中移动，而其余组件是静态的，则在具有一个脉冲的一个能级上的一个图像可以为其它相邻区域和其它组件给出相同的图像和材料分解数据。与测量之前相比，测量的变化可以指示组件的移动和位置。
可以在单能级下的实况测量与从第一测量重建的图像和照射的目的区域的第一图像提取或合成的数据的实况测量之间进行匹配，并且第一测量可以是单能级、双能级或多能级。整个第一测量可以基于本文公开的多维成像方法。可以基于用于不同物质的双或多能量材料分解方法来区分组件，例如心脏瓣膜植入物。
目的区域的单、双和多能量第一测量可以与在运动周期的相同阶段和在不同时间获取的相同能级的不同第一次测量相组合，并且可以提取各种尺寸的图像和测量以形成新的数据集。
由于材料组成不变，因此对于在进行测量的特定能级，可以产生针对目的区域的相同照射路径中的移动组件以外的区域的x射线数据。可以提取移动组件的精确测量。
用于移动组件的提取的数据可以与来自上述存储的数据库的合成数据相匹配，并且可以得出移动组件的位置和移动定向1D、2D、3D和6D图像。
在目的组件是血管的情况下，血流的移动产生不同的血管图像，而背景中目的区域的其余部分是相对静止的。因此，使用一个或少量的细光束照射血管以监测和表征流动特性可能是合适的。在一些情况下，可以使用造影剂，如微泡或纳米泡。在一些情况下，相衬x射线成像，干涉图可以用于监测血管中的动态血流。当多能量x射线光束的脉冲照射组件时，可以进行光谱测量，以进一步表征移动组件的变化。
在步骤9，处理器可以提取图像和数据，其表示针对发生以追踪和定位7D空间中的组件、靶标和目的区域的每次实况测量的组件或靶标或目的区域上的选定区域的各种尺寸。
当定位用于对第一图像进行定量数据分析的目的区域时，例如，除了肿瘤之外，可以鉴定对正常组织具有病变或细胞基质异常的周围区域，以在诊断和治疗期间进一步鉴定肿瘤区域。心脏瓣膜植入物中的计算机和/或用户可以将心脏组织分裂成若干区域，一些区域可能由于呼吸而移动，一些区域可能由于心脏瓣膜抽吸而移动，并且心脏的一些区域可能比其它区域移动更多。可以对所有区域进行表征，使得可以拍摄各个区域的x射线图像，以在不同的时间监测植入物放置的程序。
由于移动特点，可以在手术之前规划x射线光束的照射图案。例如，对于仅由于呼吸而移动的区域，非常有限数量的x射线细光束，例如少至一个光束，可能足以位于和定位该区域。对于心脏组织的对应于血液泵送和/或其它血液相关的动力学的移动的区域，更密集数量的x射线细光束可以用于监测它们的移动动力学。任选地，可以预选具有覆盖整个区域的视场的x射线光束来照射该区域以进行运动追踪。
即使对象的其它区域(例如，心脏成像中的胸骨)可以以不同的动态移动，这样的区域也可以用作在各种鉴定区域处的心脏组织中的目的区域的相对位置的参照点。此外，利用本文公开的双能量或多能量材料分解，可以放置心脏瓣膜的区域可以是可见的，而没有用于组织的显影标记物。如果微泡或造影剂用于标记血管，则其中植入物(如心脏瓣膜植入物)的心脏组织区域的相对位置和结构可以以更高的精确度来表征。
为了动态表征，可以在单能级的实况细光束测量和从细光束照射的目的区域的第一测量重建的2D图像中提取的数据的测量之间进行匹配，并且第一测量可以在单能级、双能级或多能级。整个第一测量可以基于本文公开的多维成像方法。可以基于用于不同物质的单能量、双能量或多能量材料分解方法来区分组件，例如心脏瓣膜植入物。
目的区域的双和多能量第一测量可以与在移动周期的相同阶段和在不同时间获取的相同能级的不同第一次测量相组合，可以提取各种尺寸测量或数据表示以形成新的数据集。
由于材料组成不变，因此对于在进行测量的特定能级，可以产生针对目的区域的相同照射路径中的移动组件以外的区域的x射线数据。可以提取移动组件的精确测量。
用于移动组件的提取的数据可以与来自上述存储的数据库的合成数据相匹配，并且可以得出移动组件的位置和移动定向1D、2D、3D和6D图像。
在目的组件是血管的情况下，血流的移动产生不同的血管图像，而区域的其余部分是静止的。因此，使用一个或少量的细光束照射血管以监测和表征流动特性可能是合适的。在一些情况下，干涉图可以用于监测血管中的移动。当多能量x射线光束的脉冲照射组件时，可以使用能量敏感检测器或能量色散光栅和空间敏感检测器进行光谱测定测量，以进一步表征运动组件的变化。
随着移动组件、靶标和目的区域的复杂性增加，可以增加照射一个组件的细光束的数量，和/或可以扩展每个细光束的视场，和/或可能需要用于照射目的区域上的切片区域的1D x射线光束，和/或可能需要用于目的区域的一个完整的2D图像或干涉图。例如，对于具有更高弹性强度特点的组件，如由软组织制成的组件，对于组件上的不同区段可能需要更细的光束。在心脏移动监测的情况下，可能需要甚至更细的光束来充分描述和研究心脏的特定区段的移动。
动态移动表征的第一测量可以在动态移动过程或周期中的不同时间进行。如果在追踪过程期间在目的区域中涉及若干类型的移动，则由于各种生理条件，可能需要在统计上有意义的时间间隔的测量。例如，心脏运动可能每秒发生一次。可能需要以每秒1-30帧的取样来监测心脏组织在整个心跳周期中的移动。
可以基于一组第一测量和从第一测量得出的合成数据以及基于其它成像技术的数据来提取例如从点到7D的各种维度的图像。所有的第一测量和提取的相关成像呈现数据可以在整个动态移动过程或周期中组合不同的统计学上显著的时间段，以编辑用于表征组件或靶标或目的区域的动态移动的数据库。
可以在手术程序期间使用相同的过程和/或可以使用相同的过程用于手术后评价。可以匹配手术程序期间和之后的数据。由于来自第一测量的体积成像数据显示了来自分解的材料定量分析的内部靶标，因此将实况测量或实况投影数据点或数据区域与来自第一图像的体积数据的结果进行匹配可以导致对组件、靶标以及目的区域的3D和6D位置的追踪。
本文公开的x射线设备可以与一个或多个传感器(如外部位置传感器)和/或一个或多个参照靶标结合使用，以实时地追踪靶标区域的位置。在x射线图像或其它位置测量技术、光或RF或磁或超声或放射性测量中来自传感器的信号或参照靶标的位置可以与靶标区域的位置关联。可以通过同时获取x射线和读取来自传感器的信号和/或读取穿过人造靶标的x射线测量，然后使用x射线来鉴定显示靶标位置的最佳匹配3D图像来产生关联模型。一旦建立了关联，就可以连续地实时追踪靶标区域的位置。
造影剂实例
本公开内容包括造影剂和用于x射线成像的2D和3D成像，以及例如利用光谱学和成像、光声、CT、PET、MRI、基于磁性颗粒的成像和超声的混合模态或共定位成像的方法。在一些情况下，模态通过解剖或时间标志物与本公开内容的系统并置。在其它情况下，用于一种或多种其它模态的造影剂可以用作本公开内容的x射线系统中的造影剂。在一些情况下，用于本公开内容的x射线测量的造影剂可以共价地或非共价地连接到用于成像、诊断、监测和治疗以及手术指导、药物递送和涉及其它模态的治疗程序中的造影剂和/或其它相关配体。
本文公开的造影剂(其在一些情况下是已经与现有技术的x射线成像和CT以及x射线测量和/或与其它模态一起使用的造影剂)可以与本公开内容的x射线测量和成像系统一起使用，即二维或多维，基于2D平板检测器的三维定量数字x射线成像，以及包括更具体地涉及在如本文公开的具有两种或更多种材料或组件的对象或对象中在目的区域上的选定区域的单能量、双能量或多能量x射线成像的混合系统，选定区域的尺寸的直径可以是nm、或μm、或mm、或cm或更高范围。当选定区域的尺寸较小时，用于x射线测量的传感器的空间分辨率或光谱分辨率或帧速率可以显著增加，尤其是在全场x射线图像用于选择选定区域的混合系统中。数字程序器可以基于全场x射线图像的成像结果，基于一个或多个标准来选择区域。或者用户可以选择区域。当由全场x射线检测器拍摄时，对象和/或对象中的材料在x射线图像中可能在视觉上或定量上是不可区分的。然而，全场图像可以捕获足够的目的区域的信息，以确定哪个区域可以被选择用于进一步的分析和成像。在两个或更多个组织的界面区域或不均匀区域的情况下，光谱和空间和/或时间依赖性测量中的更高分辨率可以用于进一步解析选定区域中未知量的小得多的单位。本文公开的造影剂可以用于对有机体、动物或人体中的多种组织中的每一种进行成像和定量分析，和/或用于在合成对象或有机对象或两者的混合物中具有两种或更多种不同材料或组件的对象的成像和密度测定。
在软组织和骨的人体结构被不同的材料例如石膏或玻璃纤维铸造材料，或者用于医疗目的植入物或手术工具重叠的情况下，造影剂用于与所述材料混合或化学结合到所述材料上，以能够可视化和差异化。骨可以在x射线图像中与软组织和/或其它组织、肿瘤、细胞和/或用具有可区分的原子序数z和/或密度的分子或分子复合物或分子衍生物标记的无机或有机材料或具有不同原子序数z和/或密度的对象或组件中更好地分离。除了不同的原子序数z和密度测量之外，可区分的x射线特性还可以扩展到材料的体积，时间和空间上的移动特点、形状、图案、空间位置、流体动力学、能量触发状态、流动方向、时间和解剖标志物。当成像对象包括太小或太类似而不能被x射线系统解析的非常小的单位尺寸的一个或多个组件时，使用本文公开的造影剂可以改进对这些组件的检测。
本文公开的造影剂可以是有机的，离子的，非离子的，非金属的(因此毒性较小)，或金属的，对象固有的和/或内源性的，如Ca2+或Ca2+结合肽或蛋白质，气态物质，气泡，或富含阳离子的区域。在对象中使用固有分子或基于这样的固有分子的衍生物或缀合复合物，如Ca2+(或钾和/或类似物)的益处是它们在一定范围内相对无毒。此外，由于可以在造影剂结合分子标记物之前和之后拍摄与对象的其余图像分离的钙或钙缀合物图像，因此双能量系统可以拍摄其中骨和其它基于钙的图像与其余图像分离，以指示所拍摄的图像中钙存在何处和多少钙存在的图像。本申请可以尤其用于鉴定和定量在目的区域中具有零星出现的组件，如稀有细胞、分子事件、植入物、患病组织细胞、外来抗原、追踪以及长远和/或长期监测可以在没有毒性担忧的情况下实现。
例如，以下是人体中内源性或固有元素的列表：
-大量元素-Na、Mg、K、Ca、P、S、Cl
-必需微量元素-Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Se、I、Mo、Cr
-来自人类的主动处理的功能，但没有具体鉴定的生化功能-Li、V、Cr、B、F、Si、As
Na、Mg、K、Ca、P、S、Cl是优选的，因为它们是天然大量存在的。可以施用相对大剂量的包括这样的元素的造影剂，尤其是当在低频率时，它可以是相对无害的。
配体结合靶标，如具有标志物的肿瘤、或具有可鉴定特征的患病组织，可以与这样的内源性元素及其衍生物缀合，然后输入到对象中。在另一个实例中，这种配体可以在不连接的情况下施用，但其组成允许活性结构域或表位结合元素的游离离子或包含这种元素的分子。这种分子在通过口服摄入、注射或吸入施用于对象之前可以是内源性的或合成的。这样的元素离子或包含这样的元素的分子及其衍生物的簇和复合物组装体可以在靶标区域形成。并且这样的簇和组装体可以随时间推移分解，或化学分解，如酶促分解，如蛋白酶或与配体缀合的氧化还原分子复合物识别分子组装的表位或结构域或其它可鉴定的特性，或通过能量扰动，如使用超声分解包含造影剂及其缀合物的微泡。PH和/或温度可以在用于x射线测量的这样的分子复合物的组装、结合和分解中起作用。例如，与相对正常的细胞基质区域的PH 7.0相比，肿瘤区域中的PH高至7.4。温度探头诱导的温度差异或免疫系统对细菌感染的抗炎反应可以诱导温度触发酶促或化学反应。
造影剂可以任选地为基于碘的化合物或碘化化合物。利用碘的造影剂通常包括水溶性有机化合物，其基于其相对低的毒性及其与碘原子的共价键合。碘化化合物可以是芳族的或非芳族的。碘化化合物可以包括一个、两个、三个或更多个碘原子/分子。因此，除了碘原子之外，这样的造影剂可以包括碳、氢，并且可以包括氮、氧和具有相对低的原子序数z的其它原子。优选类别的造影剂可以包括碘化芳族化合物的各种酯和酰胺。基于碘的造影剂可以包括但不限于泛影酸盐、碘酞酸盐、甲泛影酸、胆影酸、碘克酸、碘海醇、碘比醇、碘美普尔、碘克沙醇、碘帕醇。说明性的非离子造影剂包括但不限于甲泛葡胺、碘葡苯胺、碘帕醇、碘普罗胺、碘古酰胺(iogulamide)、碘佛醇和非离子三碘化化合物。基于碘的造影剂的浓度可以是30mg/ml至100mg/ml。
本公开内容还可以用溶解性差的造影剂来实施。本公开内容可以用碘甲烷磺酰胺、碘化芳族葡糖酰胺(glucoanilides)、2-酮古洛糖酰胺(2-ketogulonamides)、反向酰胺、肽、氨基甲酸酯、酯、葡萄糖苷和葡萄糖衍生物、苯甲酰胺衍生物、间苯二甲酰胺、双化合物和/或双-多羟基化酰基酰胺的溶解性差的衍生物来实施。此外，本文所述的许多分子可以是单体形式，并且也可以制备为二聚体、三聚体或聚合物。
造影剂可以任选地为基于金属的造影剂。基于金属的造影剂可以包括基于镧系元素的、基于钡的、基于钽的、基于钨的、基于金的、基于铋的、基于钆的和/或基于镱的。基于镧系元素的造影剂的具体实例可以包括但不限于钆弗塞胺(gadoversetamide)、钆喷酸二甲葡胺(gadopentetate dimeglumine)、钆布醇(gadobutrol)、钆贝葡胺(gadobenatedimeglumine)、goadoterate meglumine和伽岛二钠(gadoxetate disodium)。
造影剂可以任选地为阴性造影剂。阴性造影剂是比周围血液或组织密度低的造影剂。阴性造影剂在图像中可见为较亮，因为它将显示较高的亮度强度。空气、氧气和二氧化碳是阴性造影剂的实例。
根据本公开内容，造影剂可以施用至对象。造影剂可以以一系列常规方式中的任一种，如口服或静脉内施用。施用造影剂以在待x射线照射区域的组织中产生期望的对比度。
在一些方面，造影剂可以在不同的时间点施用。造影剂的组成以及造影剂和目的对象的相互作用可以用于使定量分析及可视化和鉴定及长期追踪能够进行。长期追踪可以包括追踪细胞数月至数年，如用于临床试验，其可能需要长期随访组织功能或宿主存活。在另一个实例中，造影剂可以彼此非常接近地施用以追踪造影剂的进展。
与可以具有0.3μm至500μm的空间分辨率的常规CT相比，在一些情况下，x射线系统，或者优选地，本公开内容的混合系统对于选定区域具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。对于显微仪器，衍射极限空间分辨率与波长成比例，并且与物镜或物体照射源的数值孔径(无论哪一个更小)成比例。通过使用独特的物镜已经报道了在0.1nm范围的显微术的最高分辨率。通常，带状板被用作物镜，可实现的最高分辨率范围为100nm。
例如，x射线显微术的衍射极限分辨率可以与其最短波长(范围为0.01nm)的分辨率成比例。当前的x射线系统可以允许成像具有范围为0.1nm的分辨率。如果硬件或x射线光学器件继续发展，则可以以其最高可能分辨率(其衍射极限分辨率)发展为x射线测量的物镜。与CT的分辨率相比，当使用本公开内容中公开的x射线系统时，这可能导致分辨率提高10x到108x。本公开内容的x射线系统的x射线空间分辨率可以达到选定区域的x射线衍射极限。因此，例如造影剂的摩尔灵敏度相应地成比例地提高，在3D中分辨率的增加是103至109或甚至更高。在目的对象中造影剂的浓度可以增加到约10-3至10-12摩尔的范围以及在其间任何范围。所施用的造影剂的量可以是例如0.1mg/ml至1000mg/ml。优选地，所施用的造影剂的量是0.1mg/ml至100mg/ml。优选地，所施用的造影剂的量是1mg/ml至1000mg/ml。
造影剂可以通过与对象特异性标志物混合或与对象特异性标志物的分子结合来引入，以使一种或多种具有物质的组件可视化，所述物质在x射线成像或具有其它成像模态的x射线混合成像中不能与对象的其余部分区分开。分子结合可以包括用于在成像设备中进行分子标记和成像的诱导分子级联方法以及本文公开的达到高达单细胞检测的灵敏度的技术。
使用一种或多种抗原特异性分子标记物结合待成像的对象中的第二或第三材料可以实现通过造影剂标记每种组件。这样的分子标记物可以包括原子序数z可区分的颗粒或可区分的成像特性或分子或这样的颗粒或分子的修饰形式。分子标记物可以是固有的或外部合成的。
抗原特异性分子标记物可以包括具有与人体中的那些不同的原子序数z的物质。抗原分子标记物的实例可以包括但不限于基于Au(金)的、基于Pt(铂)的、基于Ta(钽)的、基于Yb(镱)的和基于Bi(铋)的纳米颗粒、石墨烯纳米颗粒或石墨烯放射性标记复合材料、纳米管复合材料、碘化或钡、钆小分子和其它造影剂，或者修饰这样的分子以延长循环时间并增加稳定性，如基于聚合物的分子，例如，聚乙二醇(PEG)，例如以有效地防止NP被清除细胞快速摄取，或用阿拉伯胶(GA)基质，或树状聚合物，或具有丰富表面伯胺的分支聚乙烯亚胺(PEI)，或寡氨基酸，如寡精氨酸，天然存在的肽，如谷胱甘肽或GSH，可以测定RES吸收和细胞摄取效率的能够与血液中的不同纳米颗粒或小分子蛋白电晕缀合的其它表面配体，或例如，白蛋白封端的Au纳米星稳定。用于药物递送的任何分子标记物可以用作本公开内容中的分子标记物。本文公开的造影剂可以与相邻的药物递送剂或药剂或治疗剂缀合以改进成像信号强度或水平。
造影剂或造影剂复合物可以任选地在纳米球和囊泡中用于以各种成像模态。可以修饰各种造影剂并将其彼此连接，以实现对成像方法的两种或更多种成像模态或共定位的灵敏度，如光声成像或PET或MRI、或光学相干断层摄影术、或生物发光或荧光成像或超声成像。用于每种模态的造影剂或造影剂复合物可以化学连接以确保共定位。
造影剂可以是水凝胶的形式。水凝胶具有水、造影剂和反应性亲水性聚合物，其在与组织接触之后形成交联的水凝胶。水凝胶滑过组织并形成包被。包被可以具有自由表面。设置在水凝胶中的造影剂允许用户施加水凝胶以观察水凝胶，估计其厚度并施加水凝胶直到其达到预定厚度。造影剂可以是本文所述的纳米颗粒的水凝胶形式的悬浮液。水凝胶可以包括微球体、颗粒或微胶囊中的钙离子或钙离子衍生物或其它内源性元素。在一些实例中，水凝胶是无菌的。基于标志物、温度、pH或酶促反应和其它扰动，水凝胶可以膨胀/或收缩并迁移到靶标区域，然后可以通过x射线测量。
此外，进一步的修饰，如胶束或纳米胶束、聚合胶束、纳米悬浮液、纳米胶囊、纳米乳液、或分子的石化(lapidified)形式、或这些的任何组合，可以用于产生造影剂或造影剂复合物。纳米悬浮液可以包括通过表面活性剂稳定的纯药物颗粒的胶态分散体。这样的实例可以包括6-乙氧基-6-氧代己基-3,5-二乙酰氨基-2,4,6-三碘苯甲酸酯。纳米乳液是在不混溶的第二液体内的一种液体材料的稳定纳米结构。例如，纳米乳液可以用植物油和其它油的混合物制备，以形成油核，其用磷脂、胆固醇和PEG化的脂质稳定。这种纳米乳液的实例可以包括但不限于脂溶性的基于碘化的化合物，如碘油或多碘化甘油三酯。纳米胶囊是稳定的纳米颗粒，其包含包裹有效载荷材料的交联聚合物膜，所述有效载荷材料通常与周围溶剂不溶/不混溶。纳米颗粒可以通过纳米液滴交联油周围的聚合物来形成。在一些实例中，胶束、纳米胶束、纳米悬浮液或纳米乳液的尺寸可以是20至200nm。
可选地，造影剂可以是基于脂质体的分子。脂质体是具有类似于生物膜和内部水相的双层膜结构的两亲性磷脂囊泡。它们的两亲性质允许它们既能转运被截留在它们的水性内部中的亲水性造影剂分子又能转运溶解在它们的膜中的疏水性分子。例如，负载碘或Ca2+的脂质体可以用于积累对比信号和密度，同时确保无毒性、易于运输和易接近目标部位。负载Ca2+或其它造影剂的脂质体或任何其它形式的基于笼、2D、3D结构，或简单地簇或聚集造影剂组装体可以用作本公开内容中的造影剂。基于脂质体的造影剂可以通过将对比原子化学接枝到脂质上来获得。基于脂质体的造影剂的尺寸可以用PEG修饰。在一些实例中，基于脂质体的分子可以包括碘或基于碘的分子。在一些实例中，碘在基于脂质体的分子中的浓度可以是30mg I/ml至100mg I/ml。
造影剂可以是聚合的纳米颗粒的形式。聚合的纳米颗粒的实例包括树状聚合物、纳米胶囊、纳米管或聚合物涂覆的纳米颗粒。具体地，纳米级金属-有机框架(NMOF)可以保持它们的本体MOF类似物和纳米颗粒制剂的特征，其也可以用于成像和药物递送。纳米颗粒可以包括碘化化合物的结晶纳米悬浮液。在一些实例中，第一造影剂或造影剂复合物的有效粒度小于300nm。在一些实例中，纳米颗粒的平均尺寸范围是30至50nm。
造影剂可以任选地包括药学上可接受的载体或稳定剂。例如，造影剂可以分散在用作药物可接受的载体的水性液体中。其它合适的药物载体包括与水性和非水性溶剂如酒精、凝胶、气体和粉末混合的液体载体。稳定剂可以包括表面稳定剂和粘度调节剂。药学上可接受的载体可以包括但不限于盐水、缓冲溶液、水、等渗溶液、体液或其混合物。药学上可接受的载体还可以包括添加选自钠、钾、钙、镁、铁、锌的阳离子，并且可以是约0.01M至约5M的量。
纳米抗体和/或类似物可以能够改进与目的分子或对象的成像信号接近度。用于细胞追踪的成像技术可以具有单细胞灵敏度和/或允许在任何解剖位置的精确细胞数量的定量。体内或离体成像中的单细胞灵敏度在干细胞或肿瘤细胞表征和鉴定中可能是尤其重要的，因为例如干细胞的迁移模式，甚至在局部注射之后也是未知的，并且有这样的独特可能性：单个干细胞扩散地散布遍及体内对于某些疾病状态可能是有效治疗剂。
对于需要定位准确性的应用，分子标记物如纳米抗体或肽或小分子或化学探针或其衍生物可能是优选的，尽管也可以使用本文公开的其它类型的分子标记物。
不管最终达到的灵敏度水平如何，当考虑细胞分裂过程中造影剂稀释的影响，一些造影剂转移到非干细胞的倾向和/或某些技术限制(下面讨论)时，细胞数量的定量可能尤其困难。
在医学成像中，可以包括固有的或内源性分子作为造影剂，例如Ca2+或其它碱土金属，或事件或组分状态的指示剂，如由于酶相关的活性或移动速度变化(包括但不限于心跳、流体动力学，如微血管或毛细管中的血流和/或生理状况的状态，如氧化状态)导致的富含阳离子的区域或阳离子聚集体。
如上文所公开的，对象可以位于x射线源与x射线检测器或检测器组装件之间。在一些情况下，使用与k边缘方法相组合的双或多能量数据，可以如本文公开的那样获得两个或更多个材料组成15图像。例如，在体内成像期间，可以获得骨质量密度图像b、软组织图像s和石膏铸造质量密度图像p(或分子标记的组织质量密度图像p)。此外，目的组件可以被一种或多种造影剂和标记物，如与一种或多种对象特异性标志物缀合的碘化分子和/或纳米颗粒标记。
本文公开的任何x射线设备实例可以适合与造影剂一起使用，例如，如本文所述的散射去除的2D和3D x射线成像系统和它们的混合系统，其允许定量测量，或者这样的系统可以与光学成像、MRI、磁性颗粒成像和光谱学、或任何其它合适的模态相组合。通过使用造影剂以及这些成像模态中的任一种，可以在多组件对象中更好地可视化以及鉴定和定量材料。用于本公开内容的x射线系统的造影剂可以与用于其它模态的那些造影剂相同。可选地，用于x射线系统的造影剂可以与其它模态的造影剂缀合以更好地可视化和共定位。此外，组件或目的区域的解剖、时间或空间标志物、或参照标志物或基准标志物可以用作共定位的参照。
本公开内容提供了一种或多种分子复合物，其中分子(分子标记物)结合目的对象并携带造影剂，并且具有通过使用2D平板检测器进行定量2D和3D成像的x射线成像方法来检测的能力。这种分子或分子复合物可以被称为“NanoXgen”。为了允许选择性标记，当具有独特原子序数z或可区分的x射线可测量特性的分子与能够特异性结合目标对象的一种或多种分子(也称为分子标记物)缀合以产生“初级NanoXgen”时，可以制备用于x射线成像的初级造影剂。这些前述分子标记物可以是抗体、肽、纳米抗体、化学探针、小分子、寡核苷酸和/或其衍生物。一种或多种具有类似特性的造影剂可以缀合在初级NanoXgen中。此外，多种造影剂可以与分子标记物缀合。这种缀合可以发生在靶位点和/或离体发生。基于NanoXgen的造影剂系统可以允许精确定量可量化的或者有时可视化的目的分子或标志物和低浓度分子或细胞或靶位点，尤其是在本公开内容的x射线系统中。
NanoXgen可以通过结合目的对象中的其它靶位点，从而增加了与通过x射线成像方法可检测的目的对象相关的造影剂的密度，或者通过依次结合其它NanoXgens，例如依次(例如第二和/或第三NanoXgens)来实现定量成像。为了通过使用造影剂(如常规的固体金属材料)使细胞或细胞集合可见，与细胞体积相关的金属体积通常必须等于或大于其密度的倒数。例如，在常规的CT扫描期间，在固体铁中大约需要八分之一的细胞体积来产生高于背景信号的信号。
然而，本公开内容提供了一种系统，其允许造影剂灵敏度与MRI 10-6或PET 10-12相当。因此，造影剂例如基于金属的造影剂的体积，可以远低于细胞体积的1/8，摩尔浓度小于10x-10-9x，使得使用本文所述的本公开内容中的x射线系统能够实现x射线测量的灵敏度。放大因子要求是基于应用的并且需要分析以确定需要多少步分子放大级联或需要多少级nanoXgen来达到x射线系统的灵敏度。因此，对于一些应用，如对于涉及在超分辨率成像中描述的机制类似的造影剂的激活和去激活的甚至更高的高分辨率成像，可能需要在结合位点处或附近以快速的速度增加来自对目的对象特异的初级造影剂的初始结合的信号电平。
NanoXgens是可以包括至少两个或三个部分的分子。第一部分可以包含与目的对象上的一个或多个表位特异性结合的结构域。可以设计结构域对表位的亲和力，使得它可以在特定的时间帧之后与表位解离。第二部分可以是通过x射线成像和/或x射线显微术，和/或x射线光谱测量或x射线光谱吸光测定可检测的对比标记物或造影剂，并且可以包括例如金、银、碘、钙、钾、荧光染料、或通过超声或MRI或PET或CT或光学成像或光声或超声模态可识别的造影剂。
第三任选部分可以是新的或第二表位，其在结构域与目的对象的靶标结合时产生。该第二表位能够特异性结合其它NanoXgens，并且可以由于部分地由对象的靶标，部分地由结合分子(即NanoXgen)形成的结构域的结合；或者由于结合时分子的构象变化而产生的。
为了放大成像信号电平，可以使用具有用于结合目的对象上的不同表位的不同结构域的一组NanoXgens，和/或依次结合的大量的这样的Nanoxgens。因此，成像水平可以达到足够高的水平，以通过一种或多种体内成像模态连同本文所述的x射线成像(如光学成像、光谱学、光声成像、超声成像、CT、PET、磁性颗粒或MRI)可检测，从而鉴定和表征这样的对象的最小单元。
目的对象或目的区域可以是细胞或病毒或能够结合抗体的一个可变结构域或任何其它分子标记物的分子。目的对象可以是第一组件。药物递送剂或药剂可以是第二组件。可以设计初级NanoXgen，使得当第一组件的靶标结合初级nanoXgen的一个结构域时，第二组件上的靶标结合不同于初级NanoXgen上的第一结构域的第二结构域。这种依次级联过程可以形成诱导的分子放大系统(IMAS)，其可以通过使用多阶NanoXgens来扩大由初级NanoXgen结合产生的图像信号，以便检测存在的少量目的对象。
如图29A和29B所示，初级NanoXgen 1可以包括造影剂100和结构域30A，所述结构域30A可以结合组件10(如目的对象)上的表位30B或与另一组件复合的组件。如图29B所示，结合触发分子事件，如结合的分子复合物的构象变化。初级NanoXgen 1变成具有新构象11的初级NanoXgen，一个或多个表位31暴露于二级Nanoxgen(第二Nanoxgen)2的结合结构域32。
第二NanoXgen 2可以包括与包含结构域32的分子缀合的造影剂100，所述结构域32结合由于初级NanoXgen11与组件或靶标10或靶标结合而产生的新暴露的表位31。第二NanoXgen2可以包括与初级NanoXgen1相同或类似的造影剂100。如图29A和29B所示，结构域31与表位32之间的结合也可以引起第二NanoXgen 2的构象变为新的构象12。
如果在结合的第二NanoXgen 12和初级NanoXgen 11中的造影剂100仍未达到成像系统所需的灵敏度，则可以使用第三NanoXgen 3。第三NanoXgen3可以对作为第二NanoXgen12结合的结果引入的一个或多个新表位33具有结合特异性。级联可以被设计成继续进行，直到所有结合的NanoXgens上的造影剂的总和达到成像模态(如本文公开的x射线系统)检测到所需的密度。
任选地，靶标组件上的两个或更多个表位可以用于结合与相同或类似造影剂缀合的各种不同的nanoXgens，使得总信号电平通过优选的成像模态可检测出。
任选地，可以设计与结合分子缀合的造影剂，使得一种造影剂对一种模态敏感且不同的造影剂对另一种成像模态敏感，从而可以实现成像模态信号的共定位。例如，设计用于其它成像模态(如光谱学、CT或MRI、光声成像或超声或光学成像)的造影剂，可以用作相同诱导的分子放大级联中的造影剂或与相同诱导的分子放大级联中的造影剂缀合。
任选地，二级NanoXgen可以以低亲和力结合初级nanoXgen和目的对象中的一个或两个。然而，当初级NanoXgen与目的对象结合时，第二NanoXgen可以以更高的亲和力与两个靶标结合。
级联反应也在图30中示出。在步骤1，初级NanoXgen上的结构域结合目的对象上的表位。在步骤2，结合引起初级NanoXgen的构象变化，导致初级NanoXgen的新3D构象。在步骤3，在构象改变之后，初级NanoXgen形成新表位。在步骤4，新表位与第二NanoXgen结合，诱导第二NanoXgen的构象变化。在步骤5，可以通过初级NanoXgen结合靶标和具有新构象的第二NanoXgen形成复合物，从而产生涉及初级和第二NanoXgen以及靶标的第三表位。然后第三表位可以结合第三NanoXgen。在步骤6，三个NanoXgen中的所有造影剂100可以标记对象或靶标，从而将初级NanoXgen携带的成像对比度放大约3倍。级联步骤可以继续到另外的NanoXgens，直到成像对比度达到用于选定的成像模态的足够强度。
可以设计诱导的分子放大系统，使得每个初级NanoXgen具有唯一的构象或连接至条形码分子，如唯一的肽或单链DNA，其仅吸引唯一一组级联分子放大系统，所述级联分子放大系统在目标位点具有独特类型的标记物(x射线敏感的或者可以通过其它成像模态，包括光学成像、PET或MRI或超声检测到的)。当初级nanoXgens从其靶标解离时，它可以触发或不触发所有nanoXgens从其结合位点解离。任选地，初级NanoXgens可以长时间保持结合，并且第二NanoXgen可以在进行第一测量之后解离。可以周期性地施用级联分子放大系统以监测目的对象。
本文公开的NanoXgens还可以允许造影剂的递送在距靶标的nm距离内，因此减少了定位误差。此外，这样的放大系统可以在细胞内环境或细胞外环境中发生，这取决于表位在目的对象上的位置。NanoXgens可以允许针对不同细胞器的细胞内定点标记。例如，已经证明了纳米抗体已经将先前不可透过细胞核的分子递送至细胞核。
如果目的对象具有足够数量的表位用于各种造影剂结合以直接达到通过x射线成像或其它成像模态可检测的密度，则这种放大系统可以是任选的。
这种放大系统被设计成使得不触发任何主要的细胞事件，从而改变成像方法的观察性质，但仅旨在提高成像信号电平。可以选择靶标上与初级NanoXgens结合的表位，以排除与初级nanoXgens的结合可以影响细胞生理条件、功能、移动性和/或活力的那些表位。位置和细胞有效载荷的选择也可以被最小化以保持细胞活力、功能性和移动性。
如上所述，用于检测和定量目的对象的造影剂可以已经固有地或内源性地存在，即天然存在于生物体内。例如，目的对象，如细胞或分子，能够结合nanoXgen，其具有能够结合基于Ca2+的造影剂的至少一个结构域。与Ca2+缀合的这样的分子的聚集可以提高使用本文公开的IMAS通过x射线成像可检测的灵敏度。当这样的造影剂复合物从目的对象解离时，造影剂复合物最终可以崩解，离开目的位点，并释放回体内而不引起任何毒性。
Ca2+结合NanoXgen的分子组成可以包含例如在钙调蛋白中天然存在的Ca2+结合蛋白结构域。钙离子可以通过结合谷氨酸或天冬氨酸残基的羧基；通过与磷酸化的丝氨酸、酪氨酸或苏氨酸残基相互作用；或者被γ-羧化氨基酸残基螯合而与蛋白质复合。天然存在于人体内的Ca2+或其衍生物、碳酸钙或磷酸氢钙或羟基磷灰石(HA)，如羟基磷灰石(HA)，可以是造影剂。
如将在下面讨论的，多阶造影剂可以包括一组三个或更多个不同的NanoXgens的重复单元。例如，小笼蛋白可以用于自组装笼结构以捕获Ca2+并增加Ca2+的密度。造影剂也可以包括在图31所示的自组装的3D结构或笼中，如球体(例如，类似于巴基球)或这样的结构的变型。图31示出了Buckminister Fuller启发型球结构的示例性结构，包括分子，如小分子，肽，抗体或寡核苷酸片段，或小笼蛋白，其允许一个或多个分子之间的受控结合和解离，以实现重复单元和多维模式。也可以考虑基于碳或石墨烯或其它元素的结构。这种结构能够使Ca2+及其衍生物分子流入和保留在结构内。可选地，这样的结构可以具有与Ca2+交错的网状内部。用于形成笼或3D结构的每个基本单元可以包括一个或多个笼形成分子的重复单元，一些是小分子、蛋白质或寡核苷酸或分子的组合。在关闭结构时，可能存在Ca2+流(或任何其它固有造影剂)的流入，直到造影剂的密度达到选定的成像模态可视化的期望水平。
可选地，Ca2+可以在2D或3D自组装网格中交错。图32A所示的一个实例是类似于酪蛋白胶束50的结构，其中包含Ca2+或钙的纳米簇或酪蛋白亚胶束42显示在图32B中。这种复合物可以被设计成相邻靶位点(即，靠近目的对象)形成。
为了触发自组装过程以形成酪蛋白胶束50，一级分子41，如抗体，纳米抗体或小分子能够结合靶标或靶标标志物的表位。一级分子的构象可以改变，结合第二分子42。由于第二分子是胶束结构的一部分，因此开始自组装过程。在指定的时间帧之后，这样的一级分子41可以解离并且组装复合物可以分解，释放Ca2+和其它分子。
除了易于接近表位和检测点与靶标目的共定位之外，本文公开的基于分子结合的造影剂还具有快速清除和无毒的优点。
当造影剂活性部分是固有的时，如Ca2+，双能量或K边缘类型的成像可以用于区分骨和软组织。如果在复合物形成期间和之后进行测量，则动态变化性，即富含Ca2+的点的可见性和/或其空间位置指示目的组件的存在，并且可以更准确地获得组件的定量测量。
此外，可以通过在目的细胞或微生物或分子上表达的结合初级NanoXgen的基因工程改造的标志物，或者通过使用初级nanoXgen随时间推移的条形码，随时间推移追踪和鉴定目的靶标。初级nanoXgen可以保持连接到目的靶标上。可选地，初级nanoXgen可以通过将条形码引入到结合位点并使用初级nanoXgen的固有催化功能或结合另一种酶蛋白以将这种条形码永久地连接到目的靶标而将这种条形码，如DNA序列或肽引入到目的靶标。可以仔细地设计对初级nanoXgen或条形码标记的靶标具有特异性的下游nanoXgen的结合和解离，以允许随时间推移进行监测。
当目的对象包括空气，气体，例如骨内气体和椎间盘内气体，肺中的气隙，或关节炎中存在的富含阳离子的区域，或与目的区域的其余部分可区分的任何x射线可检测区域，如通过酶活性产生的那些，包括在像细胞内区域等的区域中的分子的聚集体时，本文公开的造影剂也可以是合适的。可以监测的时间敏感或触发的活动包括，例如，基于生物素-肌动蛋白的酶产生的复合物或分子事件或化学相互作用，以在长期、年、日或小时内测量和追踪内部事件，如，由于肿瘤生长或血管生长导致的细胞凋亡。本文公开的造影剂也可以适于监测由例如肿瘤或细胞凋亡的存在触发的体内液体活检或分子信号传导途径。靶标可以通过肽或纳米抗体结合造影剂或可以在目的区域中产生不同的x射线信号的分子如酶来识别。
例如，在能量疗法的情况下，如用于肾去神经的RF消融和心脏消融，当细胞受到影响时，如细胞死亡相关事件发生时，不同的化学物质被释放。这些化学物质触发用靶标特异性抗体、或肽、或纳米抗体标记的酶的活性。例如，靶标可以是心脏组织或肾组织或者心脏组织或肾的特定区域。酶活性可以产生一个或多个x射线可测量的事件，如阳离子，或者用阳离子标记的生物素和肌动蛋白聚集体的形成，或者通过x射线可检测的其它分子标签(signature)。因此，可以定量消融的效果。可选地，消融的组织可以产生富含阳离子的区域或者可以比活组织更坚硬。x射线测量可能能够检测活组织与死组织之间的灵活性和移动动态的差异。可选地，当进行x射线测量时，超声探头可以扰动目的组织区域。活组织和死组织的反应不同，并且在时间上生成不同的x射线测量。
利用电流光电倍增管(PMT)或光子计数检测器或光电二极管在双能量、三能量或多能量x射线成像中的应用，任何事件，包括分子，细胞或结构事件，如分子组成的变化、细胞凋亡触发事件、细胞相互作用动力学、分子相互作用动力学如蛋白质和蛋白质相互作用，可以通过MRI或光学成像或本公开内容的x射线系统与没有的、一种或多种其它模态，包括光学成像、光谱学、超声MRI和PET组合进行测量。
可以监测的各种参数包括生理状态的测量，如氧化状态，状态变化，移动特点，或通过光学方法、光谱学方法、分子相互作用、体内流动动态和流速先前可测量的事件，其可以触发体内状态的变化，可以通过本文所述的2D或3D x射线定量方法测量。
造影剂的复合物或聚集体的形成可以通过内部或内源化的化学、电、电磁、电化学、机械、声学事件、磁性机构或其任何组合来触发。本公开内容包括分子、原子、细胞和结构或现象或移动或流体动力学的测量，其可以是由于通过化学、电、电磁、机械、电化学、磁、声或与内部事件组合的基于这些外力的事件中的两个或更多个的组合与目的靶标或区域的相互作用而导致的外力触发的。
可以由本公开内容的x射线系统监测的事件包括表征原子和分子的动力学、或纳米结构、显微结构、细胞和一个或多个事件的组合的快速事件，飞秒或皮秒激光触发事件，非线性事件如双光子显微术或双光子x射线触发事件，CARS，量子动力学事件如通过太赫兹光谱测量的，或由电磁力触发的其它事件，或诸如表面等离子体活动的事件。
测量可以包括高空间、光谱和时间分辨率测量，例如高达亚纳米分辨率定位和灵敏度。可以在体内应用与体外开发的超分辨率方法类似的技术，其中不同颜色的活性或静态荧光染料可以由x射线可测量的时间敏感变化代替。该x射线测量可以包括所测量的活动或区域的定位与靶标区域的定位的关联。可以使用在体外成像的超分辨率成像中使用的激光或者其可以被超快激光或超快非线性事件或x射线产生的非线性活动或任何前述的内部活动或其它化学或外部机械或电力能量触发的活动代替。
初级nanoXgens、第二NanoXgen和/或第三nanoXgen可以口服、注射、吸入或以其它方式施用，只要这样的试剂可以到达靶标位点即可。固有造影剂，造影剂天然地是身体或活细胞或有机体的一部分，但在一些情况下也可以以这种方式施用。在这样的颗粒或分子或分子复合物已经进入身体或被成像的对象之后，来自内部来源的固有分子如Ca2+也可以结合nanoXgen的其它部分。在口服、静脉内、注射或吸入施用如本文所述的分子标记复合物的基本单元之后，整个标记复合物可以在靶位点自组装以实现其功能。
使用本文所述的造影剂在x射线测量中提供了更高的分辨率。例如，皮秒x射线源可以与快速PMT、或光子计数检测器、或光电二极管、或快速帧速率检测器组合，尤其是在全场x射线成像之后或对于具有用户定义区域的合适对象，成像和测量选定的目的区域。在另一个实例中，使用包括基于纳米管的x射线源的常规x射线源，2D检测器可以高达微秒/图像。时间分辨率可以增加至少1到1012倍。此外，还可以提高空间分辨率。例如，当使用PMT、光子计数检测器或光电二极管时，从没有使用x射线光学器件的情况下的100nm至使用或没有使用x射线光学器件的情况下的0.01nm。
在一个或多个参数分辨率改进的情况下，测量的灵敏度也具有增加的潜力。例如，在时间测量中，可以准确地监测是否存在x射线敏感特性。例如，与常规CT相比，当测量各种富含钙的组件的厚度和密度时，可以监测不同时间的钙组件的生长和减少。此外，可以同时并且在相同的区域或相对区域中测量多个x射线敏感特性，以进一步增加灵敏度。例如，目的区域中的一种或多种组织或物质的密度测量、厚度测量可以用于得出关于例如是否存在肿瘤的现象的事实或结论。例如，除了与肿瘤标志物测量结合的造影剂之外，其它适应症，如阳离子水平和/或低pH诱导的分子事件或阳离子掺杂的造影剂，可以进一步增加灵敏度。
本公开内容允许将摩尔灵敏度增加到MRI、PET或超声的水平。造影剂或造影剂复合物(包括造影剂相关的配体和连接物)可以靶向或结合诸如MRI、PET、超声和光学或声学光学或光声系统的体内和体外成像和测量的元素或标志物，并且尤其是具有高x射线吸收特性的那些现在可以用于x射线测量。此外，由于高辐射水平和时间需求，以及低灵敏度，基于内源性元素或分子或其衍生物的造影剂的使用在CT中受到限制。然而，利用本公开内容，2D双能量或多能量和光谱成像系统，以及多维成像和高光谱分辨率测量，尤其是对于选定的目的区域，3D成像系统，内源性高x射线衰减元素，如钙和基于钙的造影剂现在是有用的。
本文公开的分子造影剂可以与本文公开的2D平板检测器和光谱材料分解改进的2D和3D成像系统及方法的组合进行组合。本文公开的改进的x射线成像系统，如在小目的区域和x射线显微术上增加光谱吸光测定，以及光子计数检测器或PMT，可以降低造影剂的所需浓度，从而降低CT或2D射线照片中可见的造影剂的毒性(由于需要60％的细胞内容物被重金属标记)。
本公开内容提供了减少在x射线成像中测量和定量所需的重金属纳米颗粒的量以及使用材料分解来分离出组件用于更好的可视化和定量的方法和系统。
例如，内源性元素，尤其是体内的Ca2+和其它天然高数量的元素是无毒的，可以用于：1)由现有的内源性元素和衍生物产生自组装复合物。
2)将这些元素功能化，联合摄入或注射到体内；由于本文所述的系统的灵敏度较高并且辐射水平较低，因此可以在图像和测量之前和之后进行。可以准确地测量某些位置处的Ca2+数量的轻微增加。以前，不适合使用CT这样做，因为辐射水平高，并且在照片之前和之后，使用常规CT是不实际的。
3)针对其它纳米颗粒如金、铋和铜开发的现有配体可以用于功能化Ca2+纳米颗粒。
4)可以将钙放置在石墨烯或微泡、纳米泡中，使得x射线和超声都可以对标记物敏感。
5)钙样内源性元素可以与现有的纳米颗粒形成复合物，使得x射线可以由于钙的存在而检测这些颗粒，而无需在靶标处高浓度的其它重金属纳米颗粒。
另外，大多数内源性元素及其天然和合成的衍生物可以以不同的形式用作造影剂。例如，对于钙，实例可以包括以下：
-磷酸二氢钙形成的复合物；磷酸钙是包含Ca2+和有机磷酸根阴离子的材料和矿物质的家族。一些磷酸钙也包含氧化物和氢氧化物。
-碳酸钙(任选的)
-包括肿瘤靶向能力如透明质酸和碳酸钙(CC)的混合药物递送系统(DDS)。例如，通过利用透明质酸的肿瘤靶向能力以及CC的载药特性和x射线图像对比度，良好形成的透明质酸-CC纳米颗粒可以用作具有相当好的载药含量的靶向结肠直肠癌的DDS，这在结肠直肠癌的化学治疗中可能有益的。
-钙可以用于水凝胶，已知其膨胀和/或收缩，因此具有由待监测的外部条件(如PH、温度和酶活性的变化)触发的x射线可测量的特性，如可变的密度和尺寸。
-微球或颗粒或微胶囊中的Ca2+衍生物，
-自组装的钙复合物。
纳米簇或笼系统的结合或分解可以通过pH和温度，接触或电磁能量来触发。钙结合蛋白或其衍生物可以聚集或结合目的靶标的高亲和力活性结构域。给定适当的PH或温度以及分子环境和基质的条件；或是否存在与钙结合蛋白相互作用的蛋白酶，导致分解或构象改变或钙阳离子的释放。钙阳离子或结合的钙及其在靶位点处是否暂时存在的x射线测量可以与特定的细胞状况或活性或事件(如坏死或细胞凋亡)相关，因此可以通过本公开内容的x射线测量来相应地监测。钙及其衍生物分子或分子复合物可以并入微泡中。通过酶促、氧化还原活性或通过超声探头的超声能量破坏而分解的微泡可以具有天然的半衰期。
任选地，在竞争性配体的存在下，代谢物造影剂可以用于本公开内容的x射线系统中以监测先前在x射线系统或CT中未进行的代谢活性。代谢物造影剂的实例是基于穴状配体(cavitand)的纳米级坐标笼、可逆的四齿穴状配体、配体和适当的金属前体。
可选地，本文公开的造影剂可以与常规的x射线源(其与2D检测器、光子计数检测器以及光电二极管和光电倍增管耦合)一起使用，所述常规的x射线源包括基于纳米管的x射线源、基于光的超快x射线源，图像获取速率可以是微秒或ps或fs。因此，选定区域的时间分辨率可以提高至少1倍到1012倍。在不使用先前公开的x射线光学器件的情况下，空间分辨率增加例如100nm，在使用x射线光学器件的情况下，尤其是当使用PMT、光子计数检测器或光电二极管和针对亚nm x射线显微术设计的物镜时，增加至亚nm。
与常规的x射线CT相比，使用本公开内容的3D成像方法，所有三个轴的空间分辨率可以提高至少1-109倍。光谱分辨率增加，而不是通过使用光谱传感器的通常1-12个能级，使用光子计数检测器、PMT、硅漂移检测器(有时与能量色散光栅和空间敏感检测器耦合，分辨率在亚纳米范围)可以测量具有0.01nm光谱分辨率或更高光谱分辨率的高分辨率测量。可以同时并且在相同的区域或相邻的区域中测量多个x射线敏感特性，以进一步增加灵敏度。例如，在ps、fs或ms范围内发生的分子复合物和分子相互作用以及相互作用动力学的高空间和光谱和时间分辨率测量，例如，肿瘤受体靶标上的活性结构域的蛋白肽结合动力学可以通过在靶标位点处随时间推移的钙浓度或钙信号的快速消失来监测，所述肿瘤受体靶标结合对比结合蛋白如钙或np结合的蛋白配体的表位，和/或靶标本身是钙结合蛋白。每个nanoXgen可以具有一个或多个基于钙的分子的结合位点，所述基于钙的分子如生物磷酸钙或碳酸钙或钙ca++游离离子或钙蛋白复合物。
本文公开的造影剂可以用于得出关于现象的事实或结论，所述现象例如，除结合肿瘤标志物测量的造影剂之外，其它指示剂，如阳离子水平和低pH诱导的分子事件、或阳离子掺杂的造影剂还可以提高灵敏度。
通常，MRI需要10-3至10-5的摩尔灵敏度。核医学需要10-12至10-10的摩尔灵敏度。微泡的超声检测需要约10-12的摩尔灵敏度。常规的CT需要约0.1或0.01的摩尔灵敏度。利用本文公开的系统，在一些情况下，可以将摩尔灵敏度提高到MRI、或PET或超声的水平。造影剂和造影剂相关的配体和连接物以及针对体内和体外成像、测量和测试，如MRI、PET、超声和光学或声光或光声系统，尤其是具有高x射线吸收特性的那些而开发的靶标或标志物结合元件可以用于x射线测量。
可以根据应用调整造影剂水平。对于不能通过不同的原子z彼此区分的有机和无机对象，可以将不同的原子z材料或放射性标记(如碘)与待成像的物质混合，以实现在2D中可视化所需的密度。使这些材料可视化所需的放射性标记的比例可能需要(1)允许骨铸件凝固并实现发生骨愈合和铸件的其它预期功能随时间推移所需的刚性和稳定性；(2)允许x射线成像中的定量和可视化，并且因此允许将铸件图像与人类器官和/或组织图像(其是骨或软组织的)分离。
为了实现第二个目的，以下公式可以用于评价混合物中x射线检测器所需的密度，以感测成像和定量所需的信号。物质的x射线透明度主要取决于密度。理论和实验研究显示，当x射线光束穿过介质时，由于介质对光子的吸收和偏转，光束强度降低，x射线衰减的程度遵循以下等式：I＝Ioe-μx，其中I是透射的光束强度，Io是入射光束强度，x是介质的厚度。质量衰减系数μ以μ＝ρZ4/AE3表示，其中ρ是密度，Z是原子序数，A是原子质量，且E是x射线能量。因此，利用低能量x射线和高原子序数材料，x射线衰减高。
因此，基于该公式，在医学成像中的骨铸造材料或者在工业应用中的电池材料或微芯片材料中，两个或更多个2D图像可以进一步扩展成形成的2D分层图像或3D图像、定量成像数据和区分材料定量数据，以及这样的材料的密度测量。
对于骨水泥或铸造材料或生物膜，将水泥和铸造材料与造影剂如碘化的或其它原子z变化的标记分子或其衍生物混合可以实现x射线检测所需的辐射密度。可选地，无机化合物，即硫酸亚铁、银涂覆的微粒或1-氯萘、钬、铪、或甚至纳米颗粒，其它造影剂可以用于体内成像。
将石膏铸件与可以通过x射线或混合成像模态鉴定的标记物混合的方法包括以下步骤。1.将造影剂与石膏铸件均匀地混合。造影剂可以预先与彩色颜料缀合，以通过目视检查确保均匀混合。2.加入水。对于玻璃纤维铸件，第一步可以包括将造影剂与树脂均匀地混合。造影剂可以与颜料缀合或混合以确保均匀化的可视化验证。在第二步中，可以加入催化剂以固化玻璃纤维。
作为用于本公开内容的x射线成像的造影剂的微泡
适于引入对象血流中的示踪剂可以包括微泡。在使用超声成像系统或x射线成像或相衬x射线成像系统记录的图像中，微泡可以是可见的。微泡可以包含在使用核医学成像系统记录的图像中可见的造影剂。微泡可以具有对应于超声能量阈值的受控脆性，使得当将超声能量施加到超过阈值的微泡时，微泡发生破裂并且造影剂从微泡中释放。靶向微泡可以通过使靶向生物标志物的配体功能化而形成。例如，由超声探头产生的超声能量可以破坏这样的微泡。或者微泡的完整性可以具有天然的半衰期。
在使用适当的酶、pH和温度的情况下，造影剂可以聚集并扩增或崩解。
基于不可见性的造影剂如晶体纳米材料可以用作定量和鉴定工具。
与背景相比，具有功能化表面的晶体纳米材料可以在x射线测量中可见，所述功能化表面具有一定密度的，例如钙调蛋白、钙网膜蛋白、S100B蛋白或其它离子结合蛋白的钙结合结构域，其对钙离子或其它元素锌离子、镁离子或其它类型金属离子或它们的衍生物具有高亲和力。一旦在溶液或细胞基质中或在某些靶标对钙离子及其衍生物具有较高亲和力的区域中，由于或者存在其它类型的金属离子或该区域的标志物对晶体表面具有较高亲和力，配体可以被释放到环境中并结合靶标，使得晶体纳米材料可以变得不可见。
术语
尽管已经在某些实施方案和实施例的上下文中描述了本公开内容，但本领域技术人员将理解，本公开内容超出了具体公开的实施方案而延伸到其它替代实施方案和/或用途及其明显的修改和等同物。此外，虽然已经详细示出和描述了本公开内容的实施方案的若干变型，但在本公开内容的范围内的其它修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。还考虑了可以进行实施方案的具体特征和方面的各种组合或子组合，并且其仍然落入本公开内容的范围内。例如，以上结合一个实施方案描述的特征可以与本文所述的不同实施方案一起使用，并且组合仍然落入本公开内容的范围内。应理解，所公开的实施方案的各种特征和方面可以彼此组合或替代，以便形成本公开内容的实施方案的变化模式。因此，意图是本文的公开内容的范围不应受上述具体实施方案的限制。因此，除非另有说明，或者除非清楚地不相容，否则除了本文所述的基本特征之外，本发明的每个实施方案还可以包括本文所述的来自本文公开的本发明的每个其它实施方案的一个或多个特征。
结合特定方面、实施方案或实施例描述的特征、材料、特点或组应理解为可适用于本部分或本说明书中其它地方描述的任何其它方面、实施方案或实施例，除非与其不相容。本说明书(包括任何所附的权利要求书、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合来组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。保护不限于任何前述实施方案的细节。该保护延伸到本说明书(包括任何所附的权利要求书、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。
此外，在单独实现方式的上下文中在本公开内容中描述的某些特征也可以在单个实现方式中组合地实现。相反，在单个实现方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实现方式中分别地实现或者在任何适当的子组合中实现。此外，尽管以上可以将特征描述为在某些组合中起作用，但在一些情况下，可以从组合中去除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且可以将组合作为子组合或子组合的变型来要求保护。
此外，虽然操作可以在附图中描述或者在说明书中以特定的顺序描述，但这样的操作不需要以所示的特定顺序或者以依次顺序进行，或者所有操作都被进行，以获得期望的结果。在示例性方法和过程中可以并入未描绘或未描述的其它操作。例如，一个或多个另外操作可以在任何所述操作之前、之后、同时或之间进行。此外，在其它实现方式中，可以重新排列或重新排序操作。本领域技术人员将理解，在一些实施方案中，在说明和/或公开的过程中采取的实际步骤可以不同于图中所示的那些步骤。根据实施方案，可以去除上述的某些步骤，可以添加其它步骤。此外，以上公开的具体实施方案的特征和属性可以以不同的方式组合以形成另外的实施方案，所有这些都落入本公开内容的范围内。此外，在上述实现方式中各种系统组件的分离不应被理解为在所有实现方式中需要这样的分离，并且应理解，所描述的组件和系统通常可以被一起集成在单个产品中或者被包装成多个产品。
为了本公开内容的目的，本文描述了某些方面、优点和新颖的特征。根据任何特定实施方案，不一定可以实现所有这样的优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本公开内容可以以实现如本文所教导的一个优点或一组优点而不必实现如本文所教导或启示的其它优点的方式来体现或实施。
除非在所使用的上下文中另外具体说明或以其它方式理解，否则本文使用的条件语言，如其中“可以(can)”、“可以(could)”、“可能(might)”、“可能(may)”“例如”和类似物通常意图传达某些实施方案包括某些特征、元件和/或步骤，而其它实施方案不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不意图暗示特征、元件和/或步骤对于一个或多个实施方案以任何方式是必需的，或者一个或多个实施方案必然包括用于在具有或没有其它输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤是否包括在任何特定实施方案中或者在任何特定实施方案中是否要进行这些特征、元件和/或步骤的逻辑。术语“包含(comprising)”、“包括(including)”、“具有(having)”等是同义的，以开放式的方式被包含地使用，并且不排除另外的元件、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包含的意义(而不是以其排他的意义)使用，使得当例如用于连接元素列表时，术语“或”意味着列表中的一个、一些或所有元素。
除非另有具体说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一个”的连接语言在通常用于传达项目、术语等可以是X、Y或Z的上下文中以其它方式理解。因此，这样的连接语言通常不意图暗示某些实施方案需要存在X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个。
本文所用的程度语言，如本文所用的术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”表示仍执行期望的功能或实现期望的结果的与所述值、量或特点接近的值、量或特点。例如，术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”可以指在所述量的小于10％、小于5％、小于1％、小于0.1％和小于0.01％内的量。作为另一个实例，在某些实施方案中，术语“通常平行”和“基本上平行”是指偏离精确平行小于或等于15度、10度、5度、3度、1度、0.1度等的值、量或特点。
本文公开的任何方法不需要以所述顺序进行。本文公开的方法包括从业者采取的某些动作；然而，它们也可以包括那些动作的任何第三方指令(或者明确地或者含蓄地)。例如，诸如“照射对象”的动作包括“指示对象的照射”。
本文所述的所有方法和任务可以由计算机系统执行并且完全自动化。在一些情况下，计算机系统可以包括多个不同的计算机或计算设备(例如，物理服务器、工作站、存储阵列、云计算资源等)，其通过网络进行通信和互操作以执行所述功能。每个这样的计算设备通常包括处理器(或多个处理器)，其执行存储在存储器或其它非暂时性计算机可读存储介质或设备(例如，固态存储设备、磁盘驱动器等)中的程序指令或模块。本文公开的各种功能可以体现在这样的程序指令中，且/或可以实施于计算机系统的专用电路(例如，ASIC或FPGA)中。在计算机系统包括多个计算设备的情况下，这些设备可以但不必须共处一地。所公开的方法和任务的结果可以通过将物理存储设备(如固态存储器芯片和/或磁盘)转换为不同的状态来持久地存储。在一些实施方案中，计算机系统可以是基于云的计算系统，其处理资源由多个不同的商业实体或其它用户共享。
本公开内容的范围不旨在受到本节中或本说明书中其它地方的优选实施方案的具体公开内容的限制，并且可以由本部分中或本说明书中其它地方呈现或将来呈现的权利要求书来限定。权利要求的语言将基于权利要求书中使用的语言进行广泛地解释，而不限于本说明书中描述的或在本申请的审查期间描述的实施例，这些实施例应被解释为非排他性的。

Claims (151)

1.x射线测量系统，其包括：
x射线源，所述x射线源被配置为发射指向成像对象的一个或多个x射线光束；以及
在所述成像对象下游的二维(2D)x射线检测器，其中所述系统的控制器被配置为通过在3D空间的至少两个轴上移动或操纵x射线发射位置或x射线源以及获得2D x射线测量来获得所述对象的多维和/或三维(3D)图像，所述3D空间包括在x-y-z轴上的位置。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述检测器被配置为进行用于所述对象的诊断、检查、追踪和/或监测的第一测量和/或实况或第二测量。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中所述x射线源被配置为发射具有可控能量的x射线光束。
4.如权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述x射线源被配置为发射单个锥形光束或多个细光束。
5.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其包括光束选择器或光束吸收板，所述光束选择器或光束吸收板被配置为选择性地允许某些光束到达所述x射线检测器的预定位置。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述处理器被配置为去除所述x射线测量中的散射。
7.如权利要求1-6中任一项所述的系统，其包括第二2D x射线检测器。
8.如权利要求1-6中任一项所述的系统，其中所述2D x射线检测器是所述系统中唯一的x射线检测器。
9.如权利要求1-8中任一项所述的系统，其中相邻x射线发射位置之间的距离是第三轴中所需的分辨率的尺寸和/或使得所述两个位置产生一组x射线光束且每组照射目的区域中的不同体素路径所需的最小距离。
10.如权利要求1-9中任一项所述的系统，其中相邻x射线发射位置之间的距离是1像素间距、像素间距的整数倍或小于1像素间距。
11.如权利要求1-10中任一项所述的系统，其中发射位置的总数或为构建3D图像所拍摄的2D图像的总数是所述第三轴的深度除以所述第三轴的分辨率。
12.如权利要求1-11中任一项所述的系统，其中当在x和y维度上移动时，相距最远的发射位置的总移动角小于0.1度、或是0.1度、或是0.1度至1度。
13.如权利要求1-12中任一项所述的系统，其中当在x、y和z轴上移动时，相距每个轴最远的发射位置的总移动角小于0.0008度、或是0.0008度、或是0.0008度至0.5度、或是0.5度至1度。
14.使用二维x射线检测器实时监测接受x光检查的对象的方法，所述方法包括：
在第一时间点获得所述对象的多个第一x射线测量；
在比所述第一时间点晚的第二时间点获得所述对象的多个第二x射线测量，所述对象或其一部分在所述第一时间点与所述第二时间点之间已经移动或没有移动；
将多个第二x射线测量与多个第一x射线测量进行匹配；以及
输出所述第一时间点与第二时间点之间所述对象的至少一个靶标、组件和/或目的区域的6D定位。
15.如权利要求14所述的方法，其还包括使用x射线源发射x射线，所述x射线以单个脉冲发射，每个脉冲处于不同的能量或波长。
16.如权利要求14所述的方法，其还包括使用x射线源发射x射线，所述x射线以在不同能级或波长的一个或多个脉冲发射。
17.如权利要求14-16中任一项所述的方法，其中所述第一和/或第二测量包括点、1D和/或2D x射线测量和/或3D和/或4D成像。
18.如权利要求14-17中任一项所述的方法，其中所述第二x射线测量包括实况测量。
19.如权利要求14-18中任一项所述的方法，其还包括确定所述组件与所述靶标、目的区域、对象和所述目的区域中的其它组件的6D相对位置。
20.如权利要求14-19中任一项所述的方法，其中所述第一和/或第二测量包括定量图像。
21.如权利要求20所述的方法，其中在1D和/或2D中从所述第一和/或第二测量去除散射。
22.如权利要求20或21所述的方法，其中为了获得所述第一和/或第二测量而发射的x射线被配置为通过准直器。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述准直器是可移动的或可旋转的，以在用于获得所述第一和/或第二测量的x射线检测器上产生不同的透射区域。
24.如权利要求14-23中任一项所述的方法，其还包括发射多个x射线细光束以获得所述第一和/或第二测量。
25.如权利要求14-24中任一项所述的方法，其包括在动态移动期间对所述第一和/或第二测量进行多于一次的取样。
26.如权利要求25所述的方法，其包括以相同的频率或不同的频率对所述第一测量和第二测量进行取样。
27.如权利要求14-26中任一项所述的方法，其中所述第一测量还包括模拟的或合成的数据和/或预定的数据。
28.如权利要求14-27中任一项所述的方法，其中匹配包括基于空间结构、尺寸、形状因子、解剖标志物、流动特性、组件之间的相对距离和/或所述组件的相对空间位置、3D体积、6D定向、组成和/或密度的匹配。
29.如权利要求14-28中任一项所述的方法，其中所述对象包括手术工具、导管、活检尖端、机器人探头和/或患者体内的植入物。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述方法应用于机器人辅助的手术中，包括追踪机器人手术工具的组件、或引导探头或基准标志物。
31.如权利要求14-30中任一项所述的方法，其还包括从其它成像模态中获得另外的成像数据。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述其它成像模态包括具有不同帧速率的检测器、具有不同光谱分辨率或不同数量的能量敏感检测器单元的检测器、单个检测器阵列或线性检测器阵列或多个检测通道、光谱测量、吸光测定、x射线显微术、干涉测定、光谱学和/或基于非x射线的成像模态。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述其它成像模态被配置为与x射线测量同步地或者在与x射线测量不同的时间帧进行并置或测量。
34.如权利要求33中任一项所述方法，其还包括基于组件图像来进行所述第一和第二x射线测量以及另外的成像数据的共定位，所述分量图像基于任何特定组件的可测量特性和/或相对空间位置和/或可见性是可区分的。
35.如权利要求14-34中任一项所述的方法，其中在所述第一时间点与所述第二时间点之间，所述对象或其一部分已经在多个维度上移动。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述多个维度包括多达六个自由度和/或具有时间参照。
37.如权利要求35或36所述的方法，其还包括校准x射线源、x射线检测器和/或光束选择器之间的相对距离和位置。
38.如权利要求35-37中任一项所述的方法，其还包括在多种能级下对所述第一测量进行取样，以及提取所述目的区域中的独特物质、材料和组件以及靶标的能量分解图像，以及在不同能级下的组件、靶标和目的区域的选定点数据区域、2D、3D、4D、5D、6D和7D呈现。
39.x射线成像系统，其被配置为产生包括两种或更多种材料的对象的图像，所述系统包括：
x射线源，所述x射线源被配置为发射具有多个能级并且指向所述对象的一个或多个x射线光束；
所述成像对象下游的x射线检测器或检测器组装件，所述检测器包括光谱敏感检测器；
滤波器；以及
准直器，所述准直器被配置为选择性地允许或禁止预选光束的通过，
其中所述系统的处理器被配置为基于在所述x射线检测器或检测器组装件处接收的一维和/或二维数据对所述对象中的目的区域进行三维成像。
40.如权利要求39所述的系统，其中所述滤波器包括编码孔径。
41.如权利要求40所述的系统，其中所述编码孔径包括K边缘编码孔径。
42.如权利要求39-41所述的系统，其中所述编码孔径位于所述对象与所述检测器或检测器组装件之间。
43.如权利要求39-41所述的系统，其中所述编码孔径位于所述x射线源与所述对象之间。
44.如权利要求39-43中任一项所述的系统，其中所述准直器位于所述滤波器与x射线源之间。
45.如权利要求39-44中任一项所述的系统，其中所述检测器或检测器组装件包括平板检测器，和光谱测量检测器或者在所述平板检测器后面的具有变化的帧速率的检测器或者检测组装件。
46.如权利要求39-45中任一项所述的系统，其中所述检测器或检测器组装件包括平板检测器，以及在所述平板检测器后面的较小的2D检测器或者1D或点检测器。
47.如权利要求39-46中任一项所述的系统，其中所述滤波器提高所述系统的能量和/或光谱敏感测量的速度。
48.具有改进的散射去除和/或降低的辐射水平的x射线成像系统，所述系统包括：
x射线源，其被配置为发射指向成像对象的一个或多个x射线光束；
所述成像对象下游的第一二维x射线检测器；以及
光谱测量、x射线显微术、吸光测定组装件或快速帧速率检测器，
其中所述系统的处理器被配置为接收和处理来自所述x射线检测器的成像对象的全视图x射线信号以及来自所述显微术光谱学或吸光测定组装件的成像对象内的目的区域的较高空间或光谱分辨率信号。
49.如权利要求48所述的系统，其中所述x射线源被配置为发射具有可控能量的x射线光束。
50.如权利要求48或49所述的系统，其中所述x射线源被配置为针对每次成像操作发射具有可控能量的至少两个连续的x射线脉冲，所述两个连续的x射线中高能量脉冲后接低能量脉冲，或者所述x射线源被配置为发射没有能量峰、具有一个能量峰或具有多个能量峰的宽带x射线光谱。
51.如权利要求48或49所述的系统，其中所述x射线源是单色的。
52.如权利要求48或49所述的系统，其中所述x射线源被配置为发射单个锥形光束或扇形光束或多个光束。
53.如权利要求48-52中任一项所述的系统，其中所述x射线源包括光束操纵装置以控制多个光束的发射位置。
54.如权利要求53所述的系统，其中所述多个光束的移动包括所述x射线检测器的像素间距的整数倍或分数。
55.如权利要求48-54中任一项所述的系统，其中所述x射线源包括衍射组件，其将所述x射线光束分裂并衍射成具有不同能量或波长的多个x射线光束。
56.如权利要求48-55中任一项所述的系统，其中所述显微术或吸光测定或光谱x射线测量、或快速成像组装件包括光谱敏感检测器、或硅位移检测器、或光子计数检测器、或光电二极管、或光电倍增管和快速帧速率2D检测器。
57.如权利要求48-56中任一项所述的系统，所述系统包括光束选择器，其被配置为选择性地允许某些光束到达所述x射线检测器的预定位置。
58.如权利要求57所述的系统，其中所述光束选择器包括2D阵列。
59.如权利要求58所述的系统，其中所述光束选择器上的孔相隔所述x射线检测器的像素间距的整数倍。
60.如权利要求48-59中任一项所述的系统，其中所述x射线检测器包括被配置为仅接收初级图像的区域和被配置为仅接收散射图像的区域，并且其中所述处理器被配置为基于所述x射线检测器上接收的信号来去除散射。
61.如权利要求60所述的系统，其中所述处理器被配置为去除多能量系统在每个能级下的散射。
62.具有改进的散射去除和/或降低的辐射水平的x射线成像系统，所述系统包括：
x射线源，所述x射线源被配置为发射彼此间隔一定距离的多个x射线光束，其中穿过成像对象的某些x射线光束包括初级光束和散射光束；
所述成像对象下游的二维x射线检测器；以及
光束选择器，所述光束选择器被配置为选择性地允许所述初级光束到达所述检测器的预定位置，使得所述检测器的某些其它位置没有初级光束，
其中所述系统的处理器被配置为通过从所述检测器的某些其它位置中的信号插值高分辨率散射信号来获得高分辨率初级信号。
63.如权利要求62所述的系统，其中所述距离包括所述检测器上的一个像素。
64.如权利要求62或63所述的系统，其中所述光束选择器被配置为使得所述检测器的预定位置和所述某些其它位置形成棋盘图案。
65.如权利要求62-64中任一项所述的系统，其中所述光束选择器包括多个光束吸收颗粒。
66.如权利要求62-65中任一项所述的系统，其中所述x射线源被配置为发射单能量x射线光束、双能量x射线光束或光谱能量x射线光束。
67.如权利要求62-66中任一项所述的系统，其中所述检测器包括光谱敏感检测器。
68.如权利要求67所述的系统，其中所述处理器被配置为去除多能量系统在每个能级下的散射。
69.如权利要求67-68中任一项所述的系统，其中所述处理器被配置为输出具有两种或更多种材料的成像对象的材料分解分析。
70.如权利要求69所述的系统，其中所述材料分解分析至少部分地基于不同材料的x射线测量特性的数据库。
71.具有改进的散射去除和/或降低的辐射水平的x射线成像系统，所述系统包括：
x射线源，所述x射线源被配置为发射一个或多个x射线光束，其中穿过成像对象的所述一个或多个x射线光束包括初级光束和散射光束；
所述成像对象下游的前部二维x射线检测器；
光束选择器，所述光束选择器被配置为选择性地允许某些光束到达所述检测器的预定位置；以及
后部二维x射线检测器，所述光束选择器位于所述前部检测器与所述后部检测器之间，
其中所述系统的处理器被配置为部分地基于由所述后部检测器接收的x射线信号来确定高分辨率散射信号，以及通过从在所述前部检测器处接收的高分辨率信号中减去所述高分辨率散射信号来输出高分辨率初级信号。
72.如权利要求71所述的系统，其中所述x射线源被配置为发射单能量x射线光束、双能量x射线光束或光谱能量x射线光束。
73.如权利要求71-72中任一项所述的系统，其中所述光束选择器包括多个堆叠的板。
74.如权利要求73所述的系统，其中将所述多个堆叠的板中的孔对齐以形成照射路径。
75.如权利要求74所述的系统，其中孔的尺寸从更靠近所述前部检测器的板朝向更靠近所述后部检测器的板逐渐增大。
76.如权利要求71-75中任一项所述的系统，其中所述光束选择器在一个或多个维度和/或焦点上是可移动的。
77.如权利要求71-76中任一项所述的系统，其中所述检测器包括光谱敏感检测器。
78.如权利要求77所述的系统，其中所述处理器被配置为去除多能量系统在每个能级下的散射。
79.如权利要求77-78中任一项所述的系统，其中所述处理器被配置为输出具有两种或更多种材料的成像对象的材料分解分析。
80.如权利要求79所述的系统，其中所述材料分解分析至少部分地基于不同材料的x射线测量特性的数据库。
81.x射线成像系统，其被配置为产生包括两种或更多种材料的对象的图像，所述系统包括：
x射线源，所述x射线源被配置为发射具有多个能级并且指向所述对象的一个或多个x射线光束；
所述成像对象下游的x射线检测器或检测器组装件，所述检测器包括光谱敏感检测器或光谱非敏感检测器、或硅位移检测器、或包括能量色散光学元件的光谱敏感检测组装件、或空间敏感检测器；以及
光束选择器，所述光束选择器被配置为选择性地允许或禁止预选光束的通过，
其中所述系统的处理器被配置为输出关于所述成像对象中的两种或更多种不同材料的材料分解信息。
82.如权利要求81所述的系统，其中至少部分地基于不同材料的x射线测量特性的数据库来获得所述材料分解信息。
83.如权利要求81所述的系统，其中与所述对象的两种或更多种不同材料相同或类似的材料或者所述对象的实际材料用于校准以便建立所述数据库，或者在未知材料与其已知的等效材料之间的测量数据之间得出定量的数值关系。
84.如权利要求81-83中任一项所述的系统，其中所述x射线测量特性包括具有不同原子序数z、密度流动动力学、流体学、流动方向、移动特性、空间特性、尺寸、形状、体积、化学、能量或机械诱导的变化和/或状态转换的材料或造影剂。
85.如权利要求81-84中任一项所述的系统，其中所述x射线源被配置为发射彼此间隔一定距离的多个x射线细光束。
86.如权利要求85所述的系统，其中所述距离至少是所述检测器的像素间距的整数倍。
87.经配置以标记包含表位的成像靶标的造影剂复合物，所述复合物包含：
第一分子，其包含被配置为结合所述表位的结构域，所述分子与第一造影剂缀合，其中所述结构域与所述表位的结合引起所述第一分子从所述第一分子的第一构象变为所述第一分子的第二构象，所述第一分子的第二构象包含第二表位，
其中所述第二表位被配置为与第二分子的第二结构域结合，所述第二分子与第二造影剂缀合。
88.如权利要求87所述的造影剂复合物，其中所述第一分子是抗体或纳米抗体、或小分子或肽、或蛋白质。
89.如权利要求87或88所述的造影剂复合物，其中所述第一造影剂选自基于有机物的造影剂、基于离子的造影剂、基于非离子的造影剂、基于非金属的造影剂、基于固有的造影剂、基于内源性的造影剂或基于金属的造影剂。
90.如权利要求87-89所述的造影剂复合物，其中所述造影剂选自钙、锌、空气、氩、氮、二氧化碳、二氧化氮、甲烷、氦、氧、钆、铁、镁、锰、铜、铬、金、银、铥和钡。
91.如权利要求89所述的造影剂复合物，其中所述基于内源性的造影剂选自钠、镁、钾、钙、磷、硫、氯、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、硒、碘和铬。
92.如权利要求87-89中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第一分子还包含抗原特异性分子标记物。
93.如权利要求87-92中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第一造影剂是基于脂质体的分子。
94.如权利要求88-93中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第一造影剂是基于碘的化合物。
95.如权利要求88-94中任一项所述的造影剂复合物，其中所述基于金属的造影剂选自基于钡的造影剂、基于钽的造影剂、基于钨的造影剂、基于金的造影剂、基于银的造影剂、基于铋的造影剂、基于钆的造影剂或基于镱的造影剂。
96.如权利要求87-95中任一项所述的造影剂复合物，其中所述造影剂复合物在内部组装时具有小于300nm或更大的有效粒度。
97.如权利要求87-96中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第一造影剂的有效量是10-12摩尔至10-3摩尔。
98.如权利要求87-97中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第二造影剂选自基于有机物的造影剂、基于离子的造影剂、基于非离子的造影剂、基于非金属的造影剂、基于固有的造影剂、基于内源性的造影剂或基于金属的造影剂。
99.如权利要求98所述的造影剂复合物，其中所述造影剂选自钙、锌、空气、氩、氮、二氧化碳、二氧化氮、甲烷、氦、氧、钆、铁、镁、锰、铜、铬和钡。
100.如权利要求97所述的造影剂复合物，其中所述基于内源性的造影剂选自钠、镁、钾、钙、磷、硫、氯、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、硒、碘和铬。
101.如权利要求87-99中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第一造影剂是阴性造影剂。
102.如权利要求87-101中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第二造影剂是阴性造影剂。
103.如权利要求101所述的造影剂复合物，其中所述阴性造影剂天然存在于所述成像靶标中。
104.如权利要求101或103所述的造影剂复合物，其中所述阴性造影剂包含钙离子或钙离子复合物。
105.如权利要求87-104中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第二结构域与所述第二表位的结合引起所述第二分子从所述第二分子的第一构象变为所述第二分子的第二构象，所述第二分子的第二构象包含被配置为结合第三分子的第三表位。
106.如权利要求87-105中任一项所述的造影剂复合物，其中所述复合物是自组装的。
107.如权利要求106所述的造影剂复合物，其中所述第一分子和所述第二分子是重复单元。
108.如权利要求106或107所述的造影剂复合物，其中所述自组装复合物包含笼形结构、由所述笼形结构封闭的一种或多种造影剂，或者封闭在一个或多个微泡中或与一个或多个微泡连接的造影剂。
109.如权利要求106所述的造影剂复合物，其中所述复合物包括网格，所述网格具有在网格中交错的一种或多种造影剂。
110.如权利要求87-106中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第一分子包含被配置为结合多于一种造影剂的多于一个的结构域。
111.如权利要求87-110中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第一造影剂和所述第二造影剂是相同的。
112.如权利要求87-111中任一项所述的造影剂复合物，其中所述第一造影剂和所述第二造影剂是不同的，以便适应不同的成像模态。
113.如权利要求87-112中任一项所述的造影剂复合物，其中所述结构域与所述第一表位之间的键被配置为基于成像所需的时间而解离。
114.如权利要求113所述的造影剂复合物，其中所述结构域与所述第一表位之间的键的解离使所述复合物崩解。
115.如权利要求87-114中任一项所述的造影剂复合物，其中所述造影剂复合物在细胞内环境或细胞外环境中形成。
116.如权利要求1-13或39-86中任一项所述的系统，或者如权利要求14-38中任一项所述的方法，其包括权利要求87-115中任一项所述的造影复合物。
117.使用x射线成像来监测用多种造影剂复合物标记的靶标内的细胞事件或酶促事件的方法，所述方法包括：
从x射线源发射x射线光束或多个x射线细光束，所述光束或细光束穿透位于所述x射线源与x射线检测器之间的所述靶标；
在所述x射线检测器处接收x射线信号，其中来自所述靶标的信号部分相对于背景信号被多种造影剂复合物放大，每种造影剂复合物包含多于一种的造影剂分子；以及
至少部分地基于所述接收的x射线信号来检测所述细胞事件或酶促事件。
118.如权利要求117所述的方法，其中所述造影剂复合物标记所述靶标的标志物分子，而不干扰所监测的所述细胞事件或酶促事件。
119.如权利要求117或118所述的方法，其中所述造影复合物是选自胶束、纳米胶束、聚合胶束、纳米悬浮液、纳米胶囊或纳米乳液的形式。
120.如权利要求117-119中任一项所述的方法，其还包括在第一时间点施用第一造影剂以及在第二时间点施用第二造影剂。
121.如权利要求117-120中任一项所述的方法，其还包括在所述第一时间点检测所述第一造影剂的进展以及在所述第二时间点检测所述第二造影剂的进展。
122.如权利要求117-121中任一项所述的方法，其还包括向对象施用多种造影剂复合物。
123.如权利要求117-122中任一项所述的方法，其中口服或静脉内施用所述造影剂复合物。
124.如权利要求117-123中任一项所述的方法，其中所述造影剂复合物还包含药学上可接受的载体。
125.如权利要求117-124中任一项所述的方法，其中所述造影剂复合物还包含稳定剂。
126.如权利要求117-125中任一项所述的方法，其中所述多于一种的造影剂分子天然存在于所述靶标所处的生物体中。
127.如权利要求117-126中任一项所述的方法，其中所述多于一种的造影剂分子包括钙离子或钙离子复合物。
128.如权利要求117-127中任一项所述的方法，其中所述造影剂复合物选自基于有机物的造影剂、基于离子的造影剂、基于非离子的造影剂、基于非金属的造影剂、基于固有的造影剂、基于内源性的造影剂或基于金属的造影剂。
129.如权利要求117-128中任一项所述的造影剂复合物，其中所述造影剂复合物选自钙、锌、空气、氩、氮、二氧化碳、二氧化氮、甲烷、氦、氧、钆、铁、镁、锰、铜、铬和钡。
130.如权利要求128所述的造影剂复合物，其中所述基于内源性的造影剂选自钠、镁、钾、钙、磷、硫、氯、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、硒、碘和铬。
131.如权利要求117-128中任一项所述的方法，其中所述造影剂复合物是基于脂质体的分子。
132.如权利要求117-131中任一项所述的方法，其中所述造影剂复合物是基于碘的化合物。
133.如权利要求117-132中任一项所述的方法，其中所述基于金属的造影剂选自基于钡的造影剂、基于钽的造影剂、基于钨的造影剂、基于金的造影剂、基于铋的造影剂、基于钆的造影剂或基于镱的造影剂。
134.如权利要求117-133中任一项所述的方法，其中所述造影剂复合物具有小于300nm的有效粒度。
135.如权利要求117-134中任一项所述的方法，其中所述第一造影剂的有效量是10-9摩尔至10-3摩尔。
136.如权利要求117-135中任一项所述的方法，其中所述第一造影剂是阴性造影剂。
137.如权利要求117-127中任一项所述的方法，其中所述造影剂复合物包含：
第一分子，其包含被配置为结合所述表位的结构域，所述分子与第一造影剂分子缀合，其中所述结构域与所述表位的结合引起所述第一分子从所述第一分子的第一构象变为所述第一分子的第二构象，所述第一分子的第二构象包含第二表位，
其中所述第二表位被配置为与第二分子的第二结构域结合，所述第二分子与第二造影剂分子缀合。
138.如权利要求137所述的方法，其中所述造影剂复合物是自组装的。
139.如权利要求137或138所述的方法，其中所述结构域与所述第一表位之间的键被配置为基于成像所需的时间而解离。
140.如权利要求137-139中任一项所述的方法，其中所述结构域与所述第一表位之间的键的解离使所述造影剂复合物崩解。
141.如权利要求137-141中任一项所述的方法，其中所述造影剂复合物在细胞内环境或细胞外环境中形成。
142.如权利要求117-141中任一项所述的方法，其中所述x射线源包括单源、双源或光谱源。
143.如权利要求117-142中任一项所述的方法，其中所述x射线成像包括全视图x射线、x射线显微术、吸光测定、x射线光谱测量和/或与全场x射线成像系统相比在以下域中的至少一个中具有差异的检测器的测量：灵敏度、帧速率、空间分辨率或光谱分辨率相比的灵敏度、帧速率、空间分辨率或光谱分辨率。
144.如权利要求14-38或权利要求142-143中任一项所述的方法，或者权利要求39-86中任一项所述的系统，其中所述x射线测量系统、x射线源或x射线发射位置在三维空间的三个轴的中的至少两个轴上移动以构建所述目的区域的多维或3D或4D图像，相邻x射线发射位置之间的距离是所述第三轴所需的分辨率的尺寸和/或使得所述两个位置产生涉及所述目的区域中的不同组合或不同数量的体素的一组照射路径所需的最小距离。
145.如权利要求144所述的系统或方法，其中相邻x射线发射位置之间的距离是1个像素间距、像素间距的整数倍或小于1个像素间距。
146.如权利要求144或145所述的系统或方法，其中发射位置的总数或构建所述3D图像所拍摄的2D图像的总数是所述第三轴的深度除以所述第三轴的分辨率。
147.如权利要求144-146中任一项所述的系统或方法，其中当在x y平面内移动x射线发射位置或x射线源时，距离最远的发射位置的总移动角小于0.1度、或是0.1度、或是0.1度至1度。
148.如权利要求144-147中任一项所述的系统或方法，其中当在x，y和/或z轴上移动x射线发射位置或x射线源时，距离每个轴最远的发射位置的总移动角小于0.0008度、或是0.0008度、或是0.0008度至0.5度、或是0.5度至1度。
149.如权利要求144-148中任一项所述的系统或方法，其中x射线发射位置或x射线源不移动，并且使用多个x射线发射位置或多个x射线源。
150.如权利要求144-149中任一项所述的系统或方法，其中两组或更多组x射线发射位置或x射线源被放置在与相应的一个或多个检测器相对的彼此远离的空间位置处，每组包括产生不同于其余组的一个或多个能级的x射线的x射线源。
151.如权利要求144-150中任一项所述的系统或方法，其中材料分解方法被配置为分离组件或材料，使得能够相对于其它组件或目的区域进行3D成像，和/或与背景或外部空间标志物或传感器相比，在空间和时间上得出6D或7D图像。
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