CN113243927A - X射线相位衬度检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“X射线相位衬度检测器”。本公开涉及相位衬度成像检测器的制造和用途，该相位衬度成像检测器包括子像素分辨率电极或光电二极管，该子像素分辨率电极或光电二极管被间隔开以对应于相位衬度干涉图案。使用此类检测器的系统可采用比通常在相位衬度成像系统中使用的光栅更少的光栅，其中通常由检测器侧分析仪光栅提供的某些功能性由检测器的子像素分辨率结构(例如，电极或光电二极管)执行。使用检测器采集的测量结果可用于不需要在不同相位阶跃处进行多次采集的情况下确定相位衬度干涉图案的偏移、振幅和相位。

Description

X射线相位衬度检测器
背景技术
本文所公开的主题涉及X射线成像，并且具体地涉及相位衬度成像技术。
非侵入性成像技术允许获得患者的内部结构或特征的图像，而无需对患者执行侵入性操作。具体地，此类非侵入性成像技术依赖于各种物理原理(诸如X射线穿过靶标体积的差分透射、该体积内的声波反射、该体积内的不同组织和材料的顺磁属性、靶向放射性核素在体内的分解等等)来采集数据和构建图像或者以其他方式表示观察到的患者的内部特征。
以举例的方式，在X射线吸收成像技术的上下文中，X射线由X射线源生成并且穿过对象或患者以到达辐射检测器。X射线在它们穿过对象或患者时基于光束路径中材料的成分而被差异地吸收。这种差异X射线吸收允许使用检测到的X射线生成图像，该图像提供关于对象或患者的内部结构的信息。此类图像(其可被认为是常规的X射线图像)可用于传达关于强吸收X射线的材料(诸如骨)(即，高原子量或高Z材料)的信息，该材料表现出与较低吸收性材料形成高衬度。然而，此类基于X射线吸收的成像方法在生成与此类高Z材料的位置无关的信息方面不太有用。为了解决这种缺陷，可采用其他成像技术。也采用X射线的一种此类技术是相位衬度成像，该相位衬度成像可产生常规的吸收X射线成像不可用的信息。在相位衬度成像中，可采用与较少光栅结合使用的一系列光栅或相干源来对X射线光束赋予相位和干涉属性。所得X射线光束在被检测到时产生附加信息，特别是关于该X射线光束路径中的低原子量结构以及微结构的信息。然而，使用光栅的一个后果是发射的X射线的一部分可被光栅吸收，这可能需要更高的X射线剂量以获得合适的图像。
发明内容
下文示出了本文所公开的某些实施方案的概述。应当理解，提供这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施方案的简要概述，并且这些方面并非旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可涵盖下文可能未示出的各个方面。
在一个实施方案中，提供了一种相位衬度成像检测器。根据该实施方案，所述相位衬度成像检测器包括多个像素。每个像素包括：检测材料，所述检测材料响应于X射线光子而生成可测量参数；以及多个子像素分辨率读出结构。所述子像素分辨率读出结构处于与相位衬度干涉图案相对应的交替图案中。所述相位衬度成像检测器还包括读出电路，所述读出电路被配置为从所述多个子像素分辨率读出结构读出信号。
在另一个实施方案中，提供了一种相位衬度成像系统。根据该实施方案，所述相位衬度成像系统包括：X射线源，所述X射线源被配置为在操作期间发射X射线穿过成像体积；以及至少一个光栅位置，所述至少一个光栅位置位于穿过所述成像体积的X射线路径中。所述X射线在穿过所述至少一个光栅时生成空间干涉图案。所述相位衬度成像系统还包括相敏检测器，所述相敏检测器被配置为响应于由所述X射线源发射并穿过所述至少一个光栅的X射线而生成信号。所述相敏检测器包括多个像素。所述像素中的一些或全部像素各自包括多个子像素分辨率读出结构。所述子像素分辨率读出结构处于与所述相位衬度干涉图案相对应的交替图案中。所述相位衬度成像系统还包括一个或多个处理部件，所述一个或多个处理部件被配置为处理由所述多个子像素分辨率读出结构生成的所述信号以生成临床图像。
在附加的实施方案中，提供了一种用于相位衬度成像的方法。根据该方法，操作成像系统的X射线源以发射X射线穿过成像体积。在所述X射线穿过对所述X射线赋予空间干涉图案的至少一个光栅之后，在相敏检测器处接收到所述X射线。所述相敏检测器包括多个像素。所述像素中的一些或全部像素各自包括多个子像素分辨率读出结构。所述子像素分辨率读出结构处于与所述相位衬度干涉图案相对应的交替图案中。处理由所述多个子像素分辨率读出结构生成的信号以确定所述相位衬度干涉图案的振幅、偏移和相位。使用所述相位、所述振幅和所述偏移中的至少一者或多者来生成相位图像、吸收图像或暗场图像。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，附图中相同的符号在整个附图中表示相同的部分，其中：
图1是根据本公开的方面的用于产生图像的成像系统的概略图；
图2描绘了采用三个光栅的相位衬度成像系统的示例；
图3描绘了根据本公开的方面的示出空间干涉图案的参数的一般化波形；
图4描绘了根据本公开的方面的采用两个光栅和相敏检测器的相位衬度成像系统的示例；
图5描绘了检测器模块和像素的示例；
图6描绘了根据本公开的方面的相敏检测器模块的示例；
图7描绘了根据本公开的方面的相敏检测器模块的另一个示例；
图8描绘了根据本公开的方面的基于闪烁体的相敏检测器像素的侧视图和顶视图；
图9描绘了根据本公开的方面的包括交织梳状物结构的像素的示例；并且
图10描绘了根据本公开的方面的重合逻辑具体实施的示例。
具体实施方式
在下面将描述一个或多个具体的实施方案。为了提供这些实施方案的简明描述，可能未在说明书中描述实际具体实施的所有特征。应当理解，在任何此类实际具体实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于具体实施的决策以实现开发者的具体目标，诸如遵守可能因具体实施而不同的系统相关和业务相关约束。此外，应当理解，此类开发努力可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。
当介绍本发明的各种实施方案的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在元件中的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包含性的，并且意指除了列出的元件之外还可存在附加元件。此外，以下讨论中的任何数值示例旨在非限制性的，并且因此附加的数值、范围和百分比在所公开的实施方案的范围内。
执业医生经常使用X射线成像来非侵入性地采集关于患者体内的结构的信息。常规的X射线成像依赖于体内的不同成分的结构对X射线的差异吸收以提供有用的数据。具体地，这种差异吸收的X射线可用于生成图像，该图像对于体内高原子量(即，高Z)材料表现出良好的衬度，但提供关于不易吸收X射线的特征的有限信息。
相位衬度成像也是基于X射线的成像技术，该基于X射线的成像技术通常利用一系列光栅(例如，吸收光栅或相位光栅)来对X射线光束赋予相位和空间干涉属性。然后，检测到的X射线不仅可用于重建常规的X射线吸收图像，而且还可用于重建相位图像(其对于低Z材料(诸如组织)具有良好的衬度)和暗场图像(其允许检测子像素微观结构(例如，肺泡)尽管未被分辨出来但会被检测到)。具体地，相位图像在其中存在临床医生希望在也包括高Z特征的环境中查看或检测的低Z对象的上下文中可能是有用的。一个此类示例是肝脏实质内的病变，其中肝脏与病变之间的组织属性略有不同。为了生成此类相位图像，在没有光电吸收的情况下测量康普顿(Compton)吸收效应。然而，用于相位衬度成像以生成此类图像的光栅通常吸收被发射用于成像的X射线的相当大部分。因此，通常采用比用于常规吸收成像的X射线剂量更高的X射线剂量进行相位衬度成像。
本文所公开的技术有助于解决这些问题。具体地，如本文所公开，本发明的某些具体实施消除了通常用于相位衬度成像的光栅中的一个光栅(即，检测器侧光栅，其被表示为分析仪光栅)，并且采用将该光栅的功能集成到检测器本身中的检测器。这样，避免了可归因于该光栅的剂量损失。这在医学成像中特别重要，在该医学成像中，由检测器侧光栅吸收的X射线已经穿过患者，从而为患者创建附加的X射线剂量，该附加的X射线剂量不会到达检测器的。另外，将该功能性结合到检测器中还消除了使用分析仪光栅在不同的相位阶跃处进行多次采集的需要，如本文更详细地讨论。
考虑到前述内容，在图1中提供了如本文所讨论的适用于采集用于重建的数据的X射线成像系统10的示例。应当理解，基于X射线的成像系统10可为任何合适的X射线成像模态，诸如计算机断层摄影术(CT)成像系统、C臂型成像系统、断层融合成像系统、常规的放射线摄影术成像系统、乳房摄影术系统、荧光镜透视成像系统等。
在图1所示的实施方案中，成像系统10包括X射线辐射源12和检测器14。X射线源12可为X射线管，或者包括适合于采集医疗图像或其他图像的任何其他X射线辐射源。由源12生成的X射线16进入待成像对象(例如，经历非破坏性评估或测试的一部分)、待成像组织样品、经历安全筛查的袋子或包裹、经历成像方案的患者等等可能所处的成像区域。在所示的示例中，在手术期间经历成像的患者18被定位在成像体积内。在所描绘的示例中，X射线16被准直为穿过所成像的体积的扇形(平面的)束或锥形(体积)束。
X射线辐射20的一部分穿过或围绕患者18(或其他感兴趣的受试者)并且撞击检测器阵列(通常被表示为检测器14)。检测器14的检测器元件(例如，像素)产生电信号，该电信号表示检测器14的检测器元件上的入射X射线20的强度。如本文所讨论，采集并处理这些信号以重建患者18体内的特征的图像。
关于如本文所用的检测器14，设想了可适用于根据本发明的相位衬度成像的各种类型的检测器。一般来讲，如本文所用的检测器14将包括像素阵列。每个像素均与和X射线相互作用的一些介质以及与子像素分辨率电极相关联，该子像素分辨率电极测量响应于X射线与介质的相互作用而生成的一些属性或信号。在如本文所讨论的某些实施方案中，与给定像素相关联的电极处于交织或其他不连续配置(即，不是邻近电极的1维或二维阵列)，在实施过程中，该交织或其他不连续配置提供了在给定像素内的子像素分辨率下区分信号的能力，这在某些具体实施中可用于提供与通过在检测器14的表面处提供分析仪光栅可实现的功能性相当的功能性。
在基于闪烁体的实施方案的上下文中(例如，在其中闪烁体用于将高能X射线光子转换为被检测到的较低能量光学光子的实施方案中)，与每个像素相关联的电极均可采取适于读出响应于光学光子而生成的信号的交错或其他不连续的光电二极管电极结构的形式。在直接转换检测器(即，其中X射线光子自身被检测到并且诸如经由与半导体材料相互作用而生成响应信号(而不是由闪烁体生成的二次光子)的检测器)的上下文中，与每个像素相关联的电极可类似地被提供作为交错或其他非连续电极组。此类直接转换型检测器可被配置为提供某些附加功能性，诸如能量集成和/或光子计数型检测器。在光子计数上下文中，也可使用检测器14采集重合检测和/或光谱信息。
在所描绘的示例中，光栅22、24(例如，吸收光栅或相位光栅)位于X射线光束的路径中。如果源12足够小和/或相干，则光栅22可为所提供的唯一光栅。然而，在实施过程中，附加的源侧光栅可存在于源极12附近以有效地使较大的和/或非相干源极12在相位衬度上下文中被感知为多个空间相干线源。可存在此类光栅以有利于相位衬度成像。在所描绘的示例中，还提供了相对于源12与患者18相对(即，在检测器侧上)的分析仪光栅24。
在本示例中，源12和检测器14(以及任何光栅、滤光器、准直器等等)可为成像器子系统30的一部分。在某些成像模态(例如，计算机断层摄影术(CT)、C臂血管造影术、断层融合)中，在采集投影数据的扫描过程期间，成像器30的源12和检测器14可相对于患者或所成像的对象沿着一个或多个轴线移动。例如，成像器30可围绕第一旋转轴线、第二旋转轴线或第三旋转轴线或它们的任何组合移动。在一个实施方案中，成像器30的平移和旋转可根据指定方案而确定或协调。另选地，诸如在非破坏性测试应用中，成像器30可保持恒定，同时该对象被重新定位。
成像器30的移动(如果有的话)可由一个或多个线性/旋转子系统46发起和/或控制。线性/旋转子系统46可包括实现成像器30的相对旋转和/或平移移动的支撑结构、马达、齿轮、轴承等。在一个实施方案中，线性/旋转子系统46可包括支撑该源12和检测器14或者另选地支撑该对象或患者18的结构装置(例如，C臂、旋转机架、转台等)。
系统控制器48可控制发起和/或控制成像器30的部件的移动的线性/旋转子系统46。在实施过程中，系统控制器48可结合一个或多个处理设备，该一个或多个处理设备包括有形非暂态机器可读介质或与有形非暂态机器可读介质通信，该有形非暂态机器可读介质共同存储可由一个或多个处理器执行的指令以有利于执行成像操作。系统控制器48还可包括控制该源12的激活的定时例如以控制在特定成像序列期间获得的X射线数据的采集的特征。系统控制器48还可执行各种信号处理和滤波功能，诸如用于动态范围的初始调整、数字投影数据的交织等等。因此，一般来讲，系统控制器48可被视为命令成像系统10的操作来执行检查方案。应当指出的是，为了便于讨论，下面参考系统控制器48作为使用成像器30控制采集、移动等等的单元。然而，本公开还涵盖其中系统控制器48与其他控制设备(例如，成像器本地或远离系统10的其他控制电路)结合起作用的实施方案。
在本上下文中，系统控制器48包括信号处理电路和使得系统控制器48能够控制成像器30和线性/旋转子系统46的操作的各种其他电路。在所示的实施方案中，该电路可包括被配置为操作X射线源12的X射线控制器50。系统控制器48的电路还可包括一个或多个马达控制器52。马达控制器52可控制负责移动该源12和检测器14的各种部件的激活。换句话讲，马达控制器可实施用于成像器30的部件的相对运动的特定采集轨迹或运动。
系统控制器48也被示出为包括一个或多个数据采集系统54。一般来讲，检测器14可耦合到系统控制器48，并且更具体地耦合到数据采集系统54。数据采集系统54可接收由检测器14的读出电子器件收集的数据，并且在某些实施方案中可(例如，通过将模拟信号转换为数字信号或执行其他滤波、变换或类似操作)处理数据。
应当指出的是，系统控制器48的各种部件或系统10的其他部件之间可共享有形非暂态机器可读介质和被配置为执行存储在存在于系统10中的这种介质上的指令的处理器。例如，如图所示，X射线控制器50、马达控制器52和数据采集系统54可共享一个或多个处理部件56，该一个或多个处理部件各自被具体地配置为与存储指令的一个或多个存储器设备58协作，该指令在由处理部件56执行时执行图像采集和重建技术。此外，处理部件56和存储器部件58可协调以便执行各种图像重建过程。
系统控制器48及其包括的各种电路以及处理部件56和存储器部件58可通过操作员经由操作员工作站60访问或以其他方式进行控制。操作员工作站60可包括任何专用或通用计算机，该任何专用或通用计算机可包括能够启用用于本文所述技术的操作员输入的一个或多个程序(例如，一个或多个成像程序)。操作员工作站60可包括各种输入设备，诸如鼠标、键盘、轨迹球或使得操作员能够与计算机进行交互的任何其他类似特征。操作员工作站60可使得操作员能够例如通过调整存储在存储器设备58上的某些指令控制各种成像参数。
操作员工作站60可通信地耦合到打印机62以用于打印图像、患者数据等。操作员工作站60还可与显示器64通信，该显示器使得操作员能够实时查看各种参数，以查看由所采集的数据产生的图像等。在某些实施方案中，操作员工作站60也可通信地耦合到图片归档和通信系统(PACS)66。此类系统可使得能够存储患者数据、患者图像、图像采集参数等。这种存储的信息可在整个成像设施中共享，并且还可被其他设施(例如，远程客户端68)共享。远程客户端68可包括医院、医生办公室或任何其他类似的客户端。
关于图2可进一步理解本发明方法的各个方面，该图描绘了常规的相位衬度成像技术的特征。此类相位衬度成像技术通常通过将利用光束路径中的对象观察到的空间干涉图案与不存在对象时的空间干涉图案进行比较来确定每个体素的相移角。在常规的相位衬度计算机断层摄影术(CT)成像系统(其的方面在图2中示出)的上下文中，可采用光栅(通常为三个光栅)来生成干涉图案。在该示例中，源侧光栅G0(由参考标号80表示)位于X射线源12附近以确保空间相干，并且响应于非相干X射线源的操作而有效地创建单独地相干但相互不相干的发射阵列。光束路径中的相位对象引起X射线的每个相干子组发生轻微折射。如此引入的角度偏差导致通过一对光栅G1和G2(分别由参考标号82和84表示)局部透射强度的变化，该局部透射强度的变化可由X射线检测器14检测到(如图1所示)。具体地，此类布置中的光栅G1 82位于源12与检测器14之间，并且将周期性干涉图案压印到波前上。光栅G2 84位于检测器附近(即，G2是检测器侧光栅)并且分辨子像素分辨率干涉图案调制。在实施过程中，可在适当的情况下使用光刻法和电镀由硅晶片制造光栅。可能期望G1光栅82靠近光源12以便获得可能的最佳灵敏度(其为图2所示的距离L2的函数)。
关于相位衬度成像中创建的空间干涉图案并且转到图3，简要解释可有助于理解以下讨论。具体地，在相位衬度成像中创建的干涉图案具有可测量的三个参数(周期因设计而得知)：(1)偏移；(2)相位；和(3)振幅。如在常规X射线成像中那样，如本文所用的偏移由总体衰减引起。相位是干涉图案相对于基准的空间偏移，该空间偏移对应于通过穿过待测试对象的X射线所得到的总折射率的实部的梯度。干涉图案的振幅是图案的峰值与凹谷之间的差值，该差值可在存在微结构的情况下减小。这三个参数在图3中以样本图案或波形的上下文示出。
考虑到前述内容，虽然图2所示的常规布置适用于相位衬度成像，但是此类布置可能需要高X射线通量，这是因为X射线的某个部分被三个光栅中的每个光栅吸收，从而减少到达检测器14的通量。以举例的方式，与其中所有X射线通量(不存在被患者18吸收的那部分)到达检测器14的常规CT(即，基于吸收的成像)相比，在基于光栅的相位衬度成像中，由于各种光栅的偶然吸收，仅发射通量的有限部分(例如，25％)可到达检测器14。在医疗上下文中，这可导致采用更高通量以便使患者运动停止并获得有用的图像。光栅G2 284吸收穿过患者的X射线通量的一部分，从而降低成像器子系统30的剂量效率。
为了减少可归因于相位衬度成像中的光栅的通量损失，本发明消除了检测器侧光栅G2 284并将该光栅的功能性集成到相敏检测器14A中，如图4所示。除了消除由于光栅G2的X射线吸收引起的X射线通量(和相关联的患者剂量)的损失之外，这种技术还具有消除在不同相位阶跃处进行多次采集的需要的益处，这在相位衬度成像方案中是典型的。具体地，在常规的相位衬度成像采集中，当在标准的CT检测器前面使用分析仪光栅G2 84时，在每个时间对每个像素仅可进行一次测量。为此，通常使具有周期性与干涉图案的频率相等的光阑的分析仪光栅G2 84偏移，并且进行附加的后续测量(例如，总共3次测量)。通过采用相敏检测器14A(例如，其中多个像素电极提供与干涉图案的周期相对应的子像素分辨率的检测器，如下文更详细地讨论)，可以同时进行所有3次独立测量。
据此，图5、图6和图7描绘了可用于形成检测器14A的检测器模块90的示例和被设置在检测器模块90中的像素92的示例。在一个实施方案中，检测器模块90包括使用硅、碲化镉锌(CZT)、碲化镉(CdTe)或在无闪烁体中间部件(即，直接转换检测器材料)的情况下响应于X射线而生成信号的其他合适的检测器材料)形成的多个像素92。然而，在其他实施方案中，闪烁体可作为检测器14的一部分存在，如关于图8和图9更详细地讨论。如图5至图7所示，像素92的长度可沿X射线光束路径20的方向增加，以便允许在检测器内的不同深度处有的类似响应。另选地，可提供与X射线光束的方向对准的单个长像素。读出电路96被描绘为设置在检测器模块90的侧面或底部上，使得检测器模块90可并排或端对端地组合以提供大的或可配置的视场。
关于这些附图，图5描绘了与和X射线相互作用的像素92相关联的检测或转换材料94(诸如半导体材料)。在图5的示例中，在相应像素内，单个连续电极98与像素92的转换材料94相关联。相反，图6和图7描绘了在相应像素92内，多个非连续电极98A、98B和98C与每个相应像素92的转换材料94相关联以提供子像素分辨率测量结果。在所描绘的示例中，图6和图7的电极被提供为交错梳状物图案，在一个实施方案中，该交错梳状物图案可具有与给定的相位衬度成像系统的空间干涉图案的频率相对应的子像素分辨率距离和间距。
例如，在图6中，电极98A和98B形成包括两个交织梳状物的交替臂的图案。在图7中，电极98A、98B和98C形成包括三个交织梳状物的交替臂的图案，其中的一个交织梳状物被设置在其他导电迹线的平面外部的导电桥100跨越以便允许与每个电极进行单独电连接。可能需要指出的是，设想了其中检测器模块90的所有像素92均具有多个子像素分辨率电极的实施方案，以及其中检测器模块90的像素92中的仅一些像素(诸如检测器模块90中心的像素92中的一些或所有像素)具有多个子像素分辨率电极的实施方案。如本文所讨论，电极98的交错图案可具有与相位衬度干涉图案的周期相对应的间距，因此允许同时测量所有三个感兴趣参数(即，偏移、相位和振幅)，而不是需要进行多次离散测量，在多次离散测量中，分析仪光栅偏移，从而导致需要增加采集时间和患者剂量。虽然在图6和图7中分别示出了两个和三个交织子像素分辨率电极的图案，但是设想了根据需要使用附加的交织子像素分辨率电极来准确估计相位衬度信号的另选配置。
电极98(或其他图案化特征，诸如光电二极管)延伸的方向可根据该实施方案而变化，并且可沿X射线光束20的方向(如图所示)或与X射线光束20正交。当平行于X射线光束20延伸时，梳状物98的线沿X射线光束20的方向形成线图案，如图6和图7所示。相反，当图案特征与X射线光束20正交时，可采用具有与如上所述的相位衬度干涉图案相对应的间距的任何图案，包括编码孔。
转到图8，示出了涉及基于光电二极管的相位衬度检测器的另一个实施方案。在该示例中，一起示出了侧视图(上方)和顶视图(下方)以更好地描绘各种特征。示出了单个检测器像素92，其中侧视图示出了与检测器像素92相关联的部件的堆叠，并且顶视图仅示出了具有与空间干涉图案的不同相位1、2和3相对应的相关联的单独读出路径(a1、a2、a3)的子像素光电二极管布置。
具体地，图8所示的顶视图描绘了经由光学耦合层108与多个子像素光电二极管110光学通信的高分辨率闪烁体106，该光学耦合层在某些实施方案中可不存在。闪烁体106可由高Z材料形成，并且可被布置成与像素92相对应的列或其他结构(即，闪烁体106可被像素化)，或者可相对于检测器表面为单片的。
在所描绘的示例中，X射线光子20与闪烁体106相互作用以生成可由子像素光电二极管110检测到的低能量光子(例如，光学光子)。如图所示，子像素光电二极管110被分组为交替的、分离的图案以形成三个交织的光电二极管110A、110B和110C，具有与相位衬度成像系统的空间干涉图案的频率相对应的间距距离。在该示例中，使用三个单独的交织子像素光电二极管110A、100B和110C读出像素92，使得与像素92相关联的读出通道由多个子像素构成。在某些具体实施中，子像素光电二极管110的宽度在几μm(例如，2μm至5μm)至几十μm(例如，30μm至80μm)的范围内。在一个实施方案中，子像素光电二极管110可被制造为互补金属氧化物半导体(CMOS)设备、横向金属半导体金属(MSM)设备等等。如前述示例中那样并且通过下文进一步说明，对应的(即，相同相位的)子像素光电二极管110的信号被组合以在预读出(即，模拟)域或后读出(即，数字)域中形成“相位”梳状物。如上，虽然在图8中示出了三个交织的子像素分辨率电极的图案，但是设想了根据需要使用2个或更多个交织的子像素分辨率光电二极管来准确估计相位衬度信号的另选配置。
转到图9，如图7所示的具有三个交织梳状物98A、98B、98C的图案的图案化像素结合X射线光子104示出，该X射线光子与检测材料(例如，直接转换材料或者另选地，闪烁材料)相互作用以生成可针对像素92读出的测量信号a1、a2和a3。对于每个检测到的X射线光子104，创建电荷云，该电荷云在行进穿过检测材料或中间衬底时扩散以生成由子像素分辨率电极98(或者另选地，光电二极管110)中的一个或多个测量或检测的信号。这样，可以确定事件期间沉积的总能量(即，通过给定的X射线光子相互作用沉积的总能量)。在配备有重合检测逻辑(下文更详细地讨论)的检测器系统中，不同电极98(或光电二极管110，视情况而定)处的测量结果可被确定为在时间上重合，并且因此归因于相同的X射线光子。此外，电荷云的中心(即，干涉图案中的位置)可被定位在子像素分辨率处，并且可更准确地确定电荷云的尺寸(其可以取决于在其中光子被吸收的检测材料内的深度以及取决于光子能量)。据此，与检测X射线光子事件的不同相应电极98(或光电二极管110)相关联的测量值a1、a2和a3可用于确定单个X射线光子的三个感兴趣参数。
例如并且参考图3，可假设干涉图案具有如下形式的强度分布I(x)：
(1)
Figure BDA0002889908190000121
其中周期为p、偏移为ADC、振幅为A并且相位为
Figure BDA0002889908190000125
假设在各自间隔开周期的三分之一(1/3)并且具有测量的振幅a1、a2和a3的三个位置处对该图案进行采样，则a1＝I(0),a2＝I(p/3)并且a3＝I(2p/3)。可以理解，不必测量周期p，因为该周期由系统或装置的几何形状确定。然后可根据以下由测量的振幅a1、a2和a3计算干涉图案的参数：
偏移(ADC)：
(2)
Figure BDA0002889908190000122
振幅(A)：
(3)
Figure BDA0002889908190000123
相位
Figure BDA0002889908190000124
：
(4)如果a2-a3≥0，则
Figure BDA0002889908190000131
如果a2-a3<0，则
Figure BDA0002889908190000132
在该示例中，需要三个子像素测量通道(即，a1、a2、a3)来明确地测量三个感兴趣参数。可使用另选公式来说明各个子像素分辨率电极或光电二极管的尺寸、子像素分辨率电极或光电二极管的不同数量，在存在噪声的情况下改善稳健性等等。在某些实施方案中，可相对于用于单个像素读出通道的检测阈值降低各个子像素通道的检测阈值以避免信号损失，即，考虑与X射线光子事件相关联的信号可被分离在多个通道之间，而不是可归因于单个通道。即，可调整基于阈值的截止值以考虑给定信号可被分离在两个或更多个电极读出通道(而不是单个电极读出通道)之间，以防止丢弃有效的测量结果。重合检测逻辑可用于仅对其中所有通道之和高于合适的总阈值的X射线光子事件进行计数。即，可相对于可能用于单个电极读出的阈值降低各个子像素电极通道的检测阈值，同时仍然要求所有子像素通道之和至少等于仅采用单个电极读出通道时将采用的阈值。
关于与X射线光子事件相关联的电荷云以及上述重合检测逻辑的使用，此类逻辑的重要性(如可从前面的讨论确定)部分地涉及能够将X射线光子事件(其可扩散在多个子像素分辨率电极98或光电二极管110上)的所有检测到的电荷分配或以其他方式关联到单个子像素分辨率电极98或光电二极管110。转到图10，示出了在多个子像素分辨率电极98(或另选的上下文中的光电二极管)的上下文中的重合检测的一个示例。在该示例中，与检测器14(例如，每个通道内置模数转换(ADC)的光子计数检测器)的相应像素92的检测材料相互作用的X射线光子导致生成初始电荷云120。施加在顶部电极98与底部电极(未示出)之间的电压导致电荷云120朝向顶部电极(即，子像素分辨率电极98)移动和扩散(由参考标号122表示)，从而导致在多个电极98处生成可测量信号(a1、a2、a3)。在该示例中，每个电极98处的信号(例如，感应电荷)由每个通道的相应电荷灵敏放大器(CSA)和成形器126收集和处理。每个通道的信号被传递到ADC电路128，该ADC电路由比较器输出基于阈值电压Vth触发，其中Vth被设置为接近但高于本底噪声(例如，5keV至10keV)。
每个检测到的事件为每个相关电极(或光电二极管)生成时间戳t和数字输出d。时间戳t被传递到重合逻辑140，该重合逻辑基于相应时间戳t的时间接近度来确定在电极98之间是否已共享电荷。基于确定在电极98之间共享来自X射线光子事件的电荷，可激活“赢家通吃”逻辑，并且对于(诸如基于最大测量信号)被确定为对应于X射线光子事件的位置的电极(或光电二极管)，将正确的(即，入射)计数器递增。在某些具体实施中，“赢家通吃”逻辑也可要求针对X射线事件测量的总能量大于能量阈值以便将适当的计数器递增。在某些实施方案中，可发生另外的“赢家通吃”聚合步骤以说明在像素92之间的潜在电荷共享(诸如由于X射线光子入射在两个或更多个像素92的边缘附近而引起的潜在电荷共享)。
本发明的技术效果包括具有检测器的相位衬度成像检测器，该检测器包括图案化像素表面(例如，交错或交织的光电二极管或电极)。使用此类检测器的系统可采用仅两个光栅而不是三个光栅来执行相位衬度成像，其中第三光栅的功能性由像素电极或光电二极管的不连续图案执行。使用检测器采集的测量结果可用于无需在分析仪光栅的不同相位阶跃处进行多次采集的情况下确定相位衬度干涉图案的偏移、振幅和相位。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元件，则此类其它示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种相位衬度成像检测器，所述相位衬度成像检测器包括：
多个像素，每个像素包括：
检测材料，所述检测材料响应于X射线光子而生成可测量参数；和
多个子像素分辨率读出结构，其中所述子像素分辨率读出结构处于与相位衬度干涉图案相对应的交替图案中；
读出电路，所述读出电路被配置为从所述多个子像素分辨率读出结构读出信号。
2.根据权利要求1所述的相位衬度成像检测器，其中所述多个子像素分辨率读出结构包括具有交替臂的两个或更多个电极。
3.根据权利要求2所述的相位衬度成像检测器，其中所述两个或更多个电极形成交织梳状物结构。
4.根据权利要求2所述的相位衬度成像检测器，其中所述检测材料包括直接转换材料，所述直接转换材料能够响应于每个X射线光子而生成电荷云，其中所述电荷云由所述两个或更多个电极测量。
5.根据权利要求1所述的相位衬度成像检测器，其中所述多个子像素分辨率读出结构包括多个交替光电二极管。
6.根据权利要求5所述的相位衬度成像检测器，其中所述检测材料包括闪烁体，所述闪烁体能够响应于每个X射线光子而生成一个或多个较低能量光子，其中所述一个或多个较低能量光子由所述一个或多个光电二极管检测。
7.根据权利要求1所述的相位衬度成像检测器，其中所述多个子像素分辨率读出结构用作相位衬度成像系统中的检测器侧分析仪光栅。
8.根据权利要求1所述的相位衬度成像检测器，其中从所述多个子像素分辨率读出结构采集的信号能够用于不需要在分析仪光栅的不同相位阶跃处进行多次采集的情况下确定所述相位衬度干涉图案的振幅、偏移和相位。
9.根据权利要求1所述的相位衬度成像检测器，其中所述读出电路被配置为使用重合逻辑将电荷云的中心定位到相应的子像素分辨率读出结构，其中所述电荷云响应于入射X射线光子而生成。
10.一种相位衬度成像系统，所述相位衬度成像系统包括：
X射线源，所述X射线源被配置为在操作期间发射X射线穿过成像体积；
至少一个光栅位置，所述至少一个光栅位置位于穿过所述成像体积的X射线路径中，其中所述X射线在穿过所述至少一个光栅时具有相位衬度干涉图案；
相敏检测器，所述相敏检测器被配置为响应于由所述X射线源发射并穿过所述至少一个光栅的X射线而生成信号，其中所述相敏检测器包括：
多个像素，其中所述像素中的一些或全部像素各自包括多个子像素分辨率读出结构，其中所述子像素分辨率读出结构处于与所述相位衬度干涉图案相对应的交替图案中；和
一个或多个处理部件，所述一个或多个处理部件被配置为处理由所述多个子像素分辨率读出结构生成的所述信号以生成临床图像。
11.根据权利要求10所述的相位衬度成像系统，其中所述像素还包括直接转换材料，所述直接转换材料能够响应于每个X射线光子而生成电荷云，其中所述电荷云由所述子像素分辨率读出结构测量。
12.根据权利要求10所述的相位衬度成像系统，其中所述多个子像素分辨率读出结构包括具有交替臂的两个或更多个电极。
13.根据权利要求10所述的相位衬度成像系统，其中所述像素还包括闪烁体，所述闪烁体能够响应于每个X射线光子而生成一个或多个较低能量光子，其中所述一个或多个较低能量光子由所述子像素分辨率读出结构检测。
14.根据权利要求10所述的相位衬度成像系统，其中所述多个子像素分辨率读出结构包括多个交替光电二极管。
15.根据权利要求10所述的相位衬度成像系统，其中所述临床图像包括相位图像、吸收图像或暗场图像中的一者或多者。
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