CN113453623B - 用于dax成像的全视场散射估计 - Google Patents

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Abstract

一种被配置用于相衬成像和/或暗场成像的X射线成像系统(XI)。所述系统包括：X射线源(XS)，其能操作用于使X辐射从所述源(XS)的焦斑(SF)发出；以及X射线敏感探测器(D)，其能操作用于：如果在所述X射线源与所述探测器(D)之间存在要被成像的对象，则在所述X辐射与所述对象发生相互作用之后探测所述X辐射。控制逻辑单元(CL)能操作用于使所述X射线成像装置在两种模式中的任意一种模式中操作，所述两种模式是对象图像采集模式和散射测量模式。当在散射测量模式中时在所述探测器处能接收到的所述X辐射与当所述系统在对象图像采集模式中时能接收到的X辐射相比包括更高比例的散射辐射。

Description

用于DAX成像的全视场散射估计
技术领域
本发明涉及被配置用于相衬成像和/或暗场成像的X射线成像系统、操作X射线成像装置的方法、计算机程序单元以及计算机可读介质。
背景技术
暗场(“DAX”)成像已经引起了人们的兴趣，尤其是在医学领域。暗场成像是一种X射线成像。暗场成像中的对比度涉及X辐射经历的小角度散射的量。
A.Yaroshenko等人在“Pulmonary Emphysema Diagnosis with aPreclinicalSmall-Animal X-ray Dark-Field Scatter-Contrast Scanner”(放射学，第269卷，第2期，2013年11月)中已经报告了利用小鼠进行的实验性暗场成像。也已经发现相衬能够增加额外的有用见解，特别是在对软组织进行成像时。
已经过度使用了暗场成像，有时暗场图像或相衬图像会被伪影破坏。
发明内容
因此，可能需要替代的系统或方法来改善暗场成像或相衬成像。
本发明的目的通过独立权利要求的主题来解决，其中，进一步的实施方案包含在从属权利要求中。应当注意，本发明的以下描述的方面等同地适用于操作X射线成像装置的方法、计算机程序单元以及计算机可读介质。
根据本发明的第一方面，提供了一种被配置用于相衬成像和/或暗场成像的X射线成像系统，包括：
X射线源，其能操作用于使X辐射从所述源的焦斑发出；
X射线敏感探测器，其能操作用于：如果在所述X射线源与所述探测器之间存在要被成像的对象，则在所述X辐射与所述对象发生相互作用之后探测所述X辐射；
控制逻辑单元，其能操作用于使所述X射线成像装置在两种模式中的任意一种模式中操作，所述两种模式是对象图像采集模式和散射测量模式，其中，当在散射测量模式中时在所述探测器处能接收到的所述X辐射与当所述系统在对象图像采集模式中时能接收到的X辐射相比包括更高比例的散射辐射；以及
散射校正器，其能操作用于基于所测量的散射数据来减少或者促进减少或者防止能根据在图像采集模式中采集的数据生成的对象图像中的散射伪影。
该系统提高了DAX图像和/或相衬图像的质量。
在一个实施例中，所述系统包括被布置在所述X射线源与所述探测器之间的散射测量促进器，所述散射测量促进器的至少一个或多个部分能够阻挡X辐射，当所述系统在散射测量模式中时，所述控制逻辑单元使所述散射测量促进器的姿态相对于当所述系统在对象图像采集模式中时所述散射测量促进器的姿态发生变化，使得所述至少一个或多个部分阻挡所述X辐射中的至少一些X辐射。优选地，主要是或仅，次级辐射到达探测器。
在一个实施例中，所述散射测量促进器包括以下各项中的任意一项或多项：i)抗散射网格，ii)干涉仪的至少部分，iii)编码孔径板。
在一个实施例中，所述X辐射的方向能通过源接口发生改变，其中，当所述系统在对象图像采集模式中时，所述控制逻辑单元通过所述接口使X辐射沿着第一方向发出，而当所述系统在散射测量模式中时，所述控制逻辑单元通过所述接口使所述X辐射沿着不同于所述第一方向的第二方向发出。
在一个实施例中，所述散射测量促进器包括所述干涉仪的至少部分，当在散射测量模式中时，所述控制逻辑单元使所述干涉仪或所述干涉仪的所述部分的姿态发生变化，以便减少在所述探测器处能探测到的条纹图案。
在一个实施例中，所述X射线成像系统是全视图成像系统。
根据本发明的另外的方面，提供了一种方法，包括以下步骤：
使被配置用于相衬成像和/或暗场成像的X射线成像装置在两种模式中的任意一种模式中操作，所述两种模式是对象图像采集模式和散射测量模式，其中，当在散射测量模式中时在探测器处能接收到的所述X辐射与当所述系统在对象图像采集模式中时能接收到的X辐射相比包括更高比例的散射辐射；并且
基于所测量的散射数据来减少或者促进减少或者防止能根据在图像采集模式中采集的数据生成的对象图像中的散射伪影。
根据本发明的另外的方面，提供了一种计算机程序单元，当由至少一个处理单元运行时，所述计算机程序单元适于使所述处理单元执行所述方法。
根据本发明的另外的方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有所述程序单元。
所提出的系统允许采集和生成经定量校正的DAX图像和/或相衬(“Φ”)图像。该系统提供了足够准确的“大角度”散射校正。能由该系统实施的散射校正设置被调整而适应给定的患者和/或患者位置，并且能够以患者到探测器的距离的平方的量级降低信号。
申请人已经确定，在狭缝扫描DAX系统中已经能够观察到因散射估计中的不准确性而引起的系统误差，并且这可能会造成全视场系统发生进一步恶化，其中，散射效应大约增大到六倍。例如，预测在全视场成像中，来自肺区的散射例如将使DAX信号显著恶化。所提出的系统能够应对大型全视场成像场景。
附图说明
现在将参考以下附图来描述本发明的示例性实施例，以下附图并未被缩放，其中：
图1是被配置用于暗场成像和/或相衬成像的示意性X射线成像装置；并且
图2是操作被配置用于相衬成像和/或暗场成像的X射线成像装置的方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，示出了包括计算机化图像处理系统IPS和X射线成像装置XI(“成像器”)的图像处理布置IA的示意性框图。X射线成像装置被配置用于暗场X射线(“DAX”)成像和/或相衬(“Φ”)成像。成像装置XI包括X射线源XR和X辐射敏感探测器D。成像器XI可以被配置用于2D放射摄影成像或诸如CT扫描器之类的3D成像。
图像处理系统IPS可以作为一个或多个软件模块或例程在一个或多个数据处理单元PU(例如，一个或多个计算机、服务器等)上运行。IPS可以被布置在成像器XI的外部和远处，或者IPS被集成到成像器XI中，例如被集成到与成像器XI相关联的工作站中或者被集成到运算符操作者控制台中。图像处理系统IPS可以以分布式架构实施，以便为一组被适当连接在通信网络中的成像器提供服务。IPS的一些或全部部件可以被布置在硬件(例如，经适当编程的FPGA(现场可编程门阵列))中或者被布置为硬连线的IC芯片。图像处理系统IPS可以部分布置在软件中而部分布置在硬件中。
广义地，图像处理系统IPS包括图像生成器IGEN，图像生成器IGEN将由成像器XI采集的投影影像π1处理成暗场影像和/或相衬影像。图像处理系统IPS包括散射校正器SC以减少散射伪影。然后，由散射校正器SC与图像生成器IGEN协作提供的散射校正图像能够被显示在显示单元DD上，或者能够被存储在存储器中以供以后的审查，或者能够以其他方式被进一步处理。散射校正器SC可以被集成到图像生成器IGEN中以形成一个功能单元。替代地，图像生成器IGEN和散射校正器SC形成单独的功能单元。
虽然如图1所示成像装置XI经由无线连接或有线连接将投影影像π1供应给图像处理系统IPS，但是在所有实施例中可能并非总是如此。例如，可以首先将投影影像π存储在存储器(例如，医院信息系统(HIS)的图片归档系统(PACS)或其他系统)中，并且在以后的阶段(例如在用户请求时)由IPS检索该影像并且然后处理该影像。
通常，成像装置XI包括DAX/Φ成像促进器结构IFS。在实施例中，DAX/Φ成像促进器结构包括干涉仪G0、G1、G2。干涉仪G0、G1、G2包括一个、两个或三个光栅。在实施例中，使用三个光栅：两个吸收器光栅G0、G2和一个相位光栅G1，在下面对其进行了更加充分的描述。通常，DAX/Φ成像促进器结构是这样的一个设备或一组设备：其允许将X射线束折射和/或射束的小角度散射转换成在X射线敏感探测器D处能探测到的强度调制，从而促进了将所述调制解析成暗场图像信号和/或相衬图像信号，并且如果需要的话，还将所述调制解析成衰减图像信号。
下面将主要参考干涉测量成像装置来进行描述，但是这并不排除其他基于光栅的或非干涉测量的成像DAX/Φ促进器结构。其他非干涉测量的成像DAX/Φ促进器结构包括编码孔径系统、晶体或基于非光栅的结构，其具有周期性或非周期性的子结构。
通常，能够通过DAX/Φ成像促进器结构IFS对传入的成像X射线束赋予周期性波前调制并通过利用X射线探测器D测量由要被成像的对象OB引起的波前的变化来获得暗场或相衬。
更详细地，现在参考(非限制性)干涉测量实施例，在X射线源XR与探测器D之间定义了成像区域，在成像期间要被成像的对象OB(例如，受试者的胸部)驻留在该成像区域中。在该成像区域中布置有干涉仪的单个、两个或三个(或更多个)光栅结构。
通过继续引用图像促进器结构DAX/Φ-IFS的(非限制性)干涉测量实施例，光栅的周期性、纵横比等使得它们引起了X射线束的衍射和/或仅实现了足够的相干性，使得能够探测或导出小角度散射。可以使用吸收光栅和相位光栅。在一个实施例中，通过在硅晶片中进行光刻或切割以限定沟槽的周期性图案来形成光栅。吸收光栅G0、G1的沟槽之间的间隙可以填充有铅或金以形成相应的吸收薄片组。在图1中，光栅薄片的纵向轴线垂直于图的平面延伸。
更详细地，在一个实施例中，在探测器D与对象OB之间布置有吸收光栅结构G2，而在对象OB与X射线探测器D之间布置有相位光栅。一些实施例，在X射线源不能生成自然相干辐射的情况下，在X射线源XR处还布置有额外光栅G0。如果X射线源产生不相干辐射(通常是这种情况)，则X射线源(也被称为源光栅)处的吸收光栅G0将来自X射线源的X辐射变换成至少部分相干的辐射束XB。还设想到G1被放置在对象OB的上游(即，在XR与OB之间)的逆几何形状。在实施例中，干涉仪是Talbot-Lau类型的。必须利用对齐的光栅薄片来精确调节干涉仪。G1与G2之间的距离是合适的Talbot距离。但被适当调节时，当暴露于X辐射时能够在探测器D处探测到条纹图案，基于该条纹图案，能够由图像生成器IGEN生成DAX/Φ影像。
干涉仪G0、G1、G2优选被聚焦。换句话说，光栅G0、G1、G2中的一个、两个或所有三个光栅具有它们的聚焦在焦斑FS1上的薄片。在一些这样的聚焦的实施例中，光栅被弯曲以形成三个假想的同心圆柱体的相应横向表面。当被适当聚焦时，这些假想的圆柱体的中心轴线通过焦斑FS1。特别地，吸收光栅G1和G2是弯曲的和/或聚焦的。如果DAX/Φ促进器结构不是干涉仪，则这也可以被聚焦在焦斑FS1上。
至少部分相干的辐射束XB通过成像区域传播并与干涉仪光栅G1、G2和患者OB相互作用。在所述相互作用之后，在探测器D的辐射敏感像素元件处以电信号的形式探测辐射。数据采集电路DAS将电信号数字化成投影(原始)图像数据π1，然后由IPS以在下面更详细地解释的方式处理投影(原始)图像数据π1。
成像装置XI可以是全视场(FoV)类型的，其中，探测器是平板类型的。在全FoV成像系统中，探测器D的尺寸和IFS的尺寸对应于所需的FoV。替代地，探测器D和成像促进器结构IFS可以小于预期的FoV，例如在如图1所示的狭缝扫描系统中。在这些系统中的一些系统中，探测器包括分立系列的探测器线。探测器线被安装在扫描臂上，以在不同的狭缝位置跨预期的FoV进行扫描。在全视场(FoV)类型的成像器中，吸收器光栅G2通常与探测器共同延伸。
如图1所示的狭缝扫描系统比全FoV系统更具成本效益，因为它们要求较小的探测器和较小的光栅IFS。光栅IFS被安装在探测器上方的扫描臂上并且跨FoV等效地扫描。在替代性狭缝扫描系统中，虽然探测器D具有与所需的FoV相同的尺寸，但是光栅较小并且准直SC用于在按照准直的任何一个时间仅扫描FoV的(在“狭缝”中)部分。在具有非移动式平板探测器的全FoV系统和狭缝扫描系统中，像素位置与假想的通过成像区域的几何射线之间存在简单的一对一关系以限定成像几何形状。射线从X射线源XR的焦斑延伸并在相应的像素位置处与探测器平面相交。几何射线中的每条几何射线都对应于像素中的相应的不同的单个像素。在具有较小探测器的某种狭缝扫描系统中不存在这样的简单关系，其中，在扫描期间，在不同“狭缝”中的许多不同像素看到每条几何射线。然后通过合适的用于任何单条几何射线的逻辑单元来一并处理来自不同像素的信号。
图像生成器IGEN输出暗场信号和/或相衬信号，作为分别形成暗场图像和相衬图像的相应的图像值阵列。这些图像值或像素值分别表示针对相应的几何射线的暗场信号的对比度和在X辐射行进通过对象OB时经历的相位变化。
通常，当X辐射与材料相互作用时，它既经历衰减又经历折射并因此经历相位变化。另一方面，衰减能够被分成源自光电吸收的衰减和源自散射的衰减。散射贡献又能够被分解成康普顿散射和瑞利散射。出于目前的暗场成像的目的，感兴趣的是小角度散射，其中，限定词“小角度”意味着散射角度如此小而使得散射的光子仍然能够到达同一像素，就像根本没有发生散射而到达的情况那样。
暗场贡献能够被建模为可见性V＝V0*e-∫ε(z)dz，其中，ε是患者OB的扩散属性的空间分布，并且积分是沿着X射线束路径执行的，并且V0是没有对象相互作用的参考可见性(被记录在校准测量中)。然后，在暗场图像中记录的暗场信号为D＝V/V0。
传统的放射摄影系统通常不能将探测到的信号解析成暗场贡献。但是通过如图1所示使用干涉仪G0、G1、G2或者通过使用其他DAX/Φ成像促进器结构IFS，可以将这些贡献转换成强度条纹图案，图像生成器IGEN能够分析该强度条纹图案以获得相衬图像和/或DAX图像。图像生成器IGEN作用于在相位步进操作中获得的一系列投影图像。基于所记录的一系列的投影影像π1，图像生成器IGEN将在这一系列投影数据π1中探测到的条纹图案以计算方式解析成三个贡献或信号，即，折射贡献(也被称为相衬信号)、暗场信号分量和剩余衰减分量。由于这三个对比机制一起产生作用，因此IGEN继续在三个信号通道(相衬、暗场和衰减)中对探测到的一系列强度进行信号处理。
在上述类型的成像系统中，如下实现了用于暗场/相衬成像的能力：在作为给定的固定投影方向的系列的相位步进操作(其中，通常在整个360°范围内步进条纹的相位)期间在探测器D处采集投影数据。通常通过引发X射线束与图像促进器结构IFS的光栅中的一个光栅(如果使用干涉仪的话)之间的运动来实现相位步进操作。例如，在一个实施例中，分析器光栅G1相对于X射线束的光轴横向移动(“扫描”)。替代地，还能够通过如图1中那样移动患者OB或者通过移动X射线源等来实现相位步进。这种运动会引起条纹图案的变化，而条纹图案的变化又能够被记录在针对运动的每个步骤的对应系列中，由此得到相位步进。针对每条几何射线的这一系列测量结果形成相关联的相位曲线。该相位曲线通常是正弦形状的，并且已经发现，每条相位曲线对感兴趣的量(特别是暗场信号)以及衰减和相位变化进行编码。
更详细地，能够分别分析针对每个像素/每条几何射线的相位曲线，例如通过拟合到正弦信号模型以实现图像生成来实现这一点。优选地，在三通道正弦模型中包括至少三个拟合参数。这三个拟合参数分别表示三个贡献：相衬，暗场信号和衰减。正弦模型由图像生成器IGEN拟合到相位曲线，以便具体计算DAX图像和/或Φ图像并且计算衰减(也被称为“透射”)图像(但是在本文中对其不太感兴趣)。可以要求计算明显多余的透射图像以正确考虑这三种相衬效果，否则在DAX通道和/或Φ通道中会引来不正确的贡献。
优化流程用于将所测量的一系列投影拟合到模型。根据代价函数能够理解该流程，并且能够将拟合操作公式化为优化问题。还设想到任何合适的优化方案，例如，梯度下降、共轭梯度、Newton-Raphson、随机梯度、最大似然法、其他统计技术等。也可以使用非分析方法，例如,神经网络或其他机器学习技术。
通常，针对信号模型S的优化问题具有以下结构：
argminT,D,φF＝‖π-ST,D,φ(X)‖ (1)
其中，ST,D,φ(.)是至少三通道调制器函数，其描述了这三个对比机制如何组合以将传入的(未受干扰的)辐射X调制并变换成所测量的数据π，并且‖.‖是合适的相似性度量，例如，p范数、(平方)欧几里德距离等。函数F(目标函数(在这种情况下是代价函数))测量信号模型S“解释”或“拟合”所测量的数据π的良好程度。优化任务是如何最佳地选择模型的参数(T,D,φ)，其中，相似度度量‖.‖量化拟合的良好程度。因此，函数F是代价函数或误差函数。优化中的任务是通过调节参数(T,D,φ)来改善代价函数。在该实施例中，在优化中调节参数，使得由代价函数F返回的“代价”减小。在信号模型S中可以使用三个以上的通道，具体取决于希望考虑的对比机制的数量。在(1)中，F可以是剩余物(项)的函数。每个剩余物根据在模型S下对给定的投影图像的预测结果来量化给定的投影图像的相应偏差或代价。
更特别地，在一个实施例中，作为(1)的特殊情况，对每个像素或每条几何射线使用以下分析信号模型F＝Δ2优化：
Δ2(T,D,φ)＝∑iwi(Mi-IiT(1+ViD cos(φ-αi)))2 (2)
其中，Mi是所测量的数据(取自π)，未受干扰的辐射“X”由空白扫描强度Ii、空白扫描变异性Vi和空白扫描相位αi表示。T、D和φ是以上的S()的三个对比度调制器，即，针对该图像点的透射、暗场和差分相位。wi是任选的统计权重，其通常被选择为与所测量的数据Mi的逆方差相等或成比例，并且i指示相位步骤。从(1)开始之后，(2)中的任务是使在所测量的数据Mi上的代价Δ2最小化，以便特别找到图像D和φ。(2)的右侧可以被理解为剩余物的加权和。
上述类型的图像生成算法(1)、(2)有时被称为“相位检索”，但是对于本目的而言这是不恰当的，因为在拟合操作中也共同生成了暗场图像并且实际上也共同生成了如上所述的透射图像。在Pfeiffer等人的“Hard-X-ray dark-field imaging using a gratinginterferometer”(公布于自然材料7，第134-137页，2008年)中描述了相位检索算法。在实施例中还设想到其他相位检索算法、基于傅立叶或不基于傅里叶的算法。
如本文所提出的DAX/ΦX射线成像系统XI被配置为减少或者完全消除对成像操作的不利的散射效应。特别地，对大角度散射(在本文中被统称为“次级辐射”)的对抗效果在本文优选设想的DAX中是有利的，但是散射管理对于Φ成像来说也是有利的。大角度散射管理对于DAX成像来说是有利的，因为在该成像模态中，希望利用小角度散射作为对比机制。深入上面给出的“小角度”散射的定义，本文使用的“大角度”散射是对小角度的补充。特别地，大角度涉及足够大的散射角而使得散射光子不再到达同一像素，这就不像根本没有发生散射或者仅发生小角度散射的情况。在这方面，“初级辐射”仅包括仅(或主要)通过吸收、相衬和所需的小角度散射调制的辐射。次级辐射主要通过大角度散射来调制。
因此，不要混淆这两种效应(大角度散射和小角度散射)，本文设想到减少对能通过所提出的成像系统IPS获得的影像的次级辐射效应。所提出的方法是实施例中的双管齐下的方法。
在一条管路中，设想到向成像器XI提供抗散射网格ASG以将初级辐射从次级辐射中分离。在第二条管路中，完成相反的操作，即，将次级辐射从初级辐射中分离，以测量针对希望对其成像的给定对象PAT的次级辐射的量。该测量结果然后用于告知由生成器IGEN进行的DAX图像生成，以补偿、移除、减少或抑制次级辐射图像伪影。
现在初始转向第一条管路，ASG包括一组由高密度材料(例如，铅或其他高Z材料)制成的薄片。薄片的纵向方向延伸到图1中的示意图的绘图平面中。它们优选运行探测器的一个空间维度的全长，同时选取多个薄片以基本上覆盖其他空间维度。换句话说，ASG与探测器D的探测器表面共同扩展。薄片优选地但不一定在所有实施例中被聚焦在X射线源XS的焦斑FS上。换句话说，薄片被以更大的倾斜度布置在离探测器ASG的中心点更远的地方。
当被聚焦或者适当调节时，探测器D前面的ASG薄片挡住不想要的次级辐射。ASG的最佳焦点姿态(即，位置和取向)是当焦斑FS位于由一组假想平面形成的假想线上时的情况，可以以相应的薄片的给定倾斜度通过相应的薄片。平面在假想线中相交，该假想线是上面提到的假想圆柱体关于聚焦的光栅G0、G1、G2的中心轴线。然而，即使在这种聚焦布置中，ASG也有效挡住了仅某个分数的次级辐射。
为了更好地考虑到基本上所有的或者至少较高分数的次级辐射效应，提供了第二条管道，第二条管道由成像系统XI的计算机化的控制逻辑单元CL来实施。该控制逻辑单元使成像系统假定一种配置，其中能够通过探测器D测量高分数的或基本上所有的入射的患者特异性PAT次级辐射。
广义地，控制逻辑单元CL被配置为允许在两种模式中操作成像系统：(对象)图像采集模式和散射测量模式。成像系统IS可以包括用户接口(未示出)，以允许在散射测量模式与图像采集模式之间切换。可以通过在触摸屏显示器上的触摸屏动作或者通过指针设备(例如，计算机鼠标)或者优选被提供在成像系统IS的操作者控制台(未示出)处的任何其他UI输入布置来接收针对这种切换的用户请求。
在图像采集模式中，DAX/Φ成像促进器IFS和ASG处于如上所述的聚焦布置中，被聚焦在X射线源的焦斑FS1上。在这种布置中，通过以下操作来采集对象影像π1(特别是投影图像)：操作X射线源以使X射线束XB1沿着初级(平均)辐射方向p1发出，同时使所描述的部件相对于彼此对齐或聚焦。
控制逻辑单元CL被配置为从该对象采集模式切换到散射测量模式，其中，通过实现成像几何形状的变化来实现(相对于焦斑FS1的)失焦。在该失焦布置中，再次激励X射线源，但优选以低剂量(低于图像采集模式中的剂量)激励X射线源，以采集测量的第二投影数据集π2——测量一定分数的次级辐射的样本。设想到关于能够如何实现这种失焦成像几何形状的多个实施例，并且将在下面对其进行更全面地探索。控制逻辑单元CL是能切换的以将成像系统IS切换到这些模式中的每种模式，切换是依次进行的。以这种方式，在探测器处测量相应的测量数据集π1、π2并且在数据采集电路DAS处采集相应的测量数据集π1、π2并将其传递到图像处理部分IPS。能够以任何顺序完成对这两个数据集π1、π2的采集。
然而，优选是首先在针对给定患者的第一低剂量暴露中采集在散射测量模式中的散射测量数据π2。所测量的散射数据π2编码了给定患者的特定的“散射足迹”，其反映了患者的个体解剖组织的组成。预测到对于给定的患者PAT，这个散射测量π2只需要做一次，并且能够被存储在数据库或其他存储器(例如，HIS中的PACS等)中以供以后参考。然后可以检索散射数据π2以用于后续成像预约。替代地，当对患者成像时，要求对最新的散射测量结果π2进行多次采集(可能是每次成像都需要采集)，以便考虑患者的不同姿态/位置，这也会影响在探测器D处能探测到的次级辐射。
图像处理系统IPS接收在对象图像采集模式中采集的“适当的”图像数据π1，以应用上述DAX/Φ图像处理算法中的任意一种算法(特别是相位检索算法)，从而提取DAX或Φ信息，进而分别产生患者的经散射校正的DAX影像和/或Φ影像。散射校正是通过图像生成器IGEN与图像处理系统IPS的散射校正器部件SC接口连接来实现的。散射校正器部件SC协同图像生成器处理散射测量数据π2。为此设想到许多不同的实施例，下文将对其进行描述。
测量结果π2既能够直接用作散射估计，也可以先通过低通滤波或其他预处理来进行处理。测量结果π2(可能经过预处理)能够充当针对基于散射的模拟计算进行的散射校正的校准输入。在该模拟中可以使用蒙特卡洛方法。
在实施例中，散射校正器部件SC和图像生成器一起作用于两个数据集π2、π1。
具体地，散射校正器CS可以应用基于散射测量结果π2的校正的相位前检索或相位后检索。例如，校正器SC可以从图像数据π1中减去散射数据π2，然后图像生成器IGEN在相位检索算法中处理该差值|π1-π2|。替代地，图像生成器IGEN首先基于π1来生成DAX/Φ影像IDAX或IΦ，然后从IDAX或IΦ中减去π2或者以其他方式组合π1与π2以获得经散射校正的影像。一般来说，散射校正器部件SC使用散射测量数据π2来针对因次级辐射产生的伪影校正DAX和/或Φ影像。
在其他实施例中，散射校正器部件SC将散射测量数据π2馈入图像生成器IGEN，并且图像生成器IGEN一起处理这两个数据集以获得经散射校正的输出DAX和/或Φ影像。在本实施例和类似实施例中，由图像生成器IGEN实施的检索算法可以被修改为在将模型拟合到数据π2和π1时将对大角度散射贡献的另外的通道或拟合变量包括在对函数(1)或(2)的优化流程中。在该修改的优化方案中，能够以定制方式为给定患者考虑通过数据π2测量的大角度散射。所测量的散射数据π2可以用于其他散射校正方案、分析或基于机器学习的散射校正方案，在本文中设想到了所有这些方案。
继续参考图1，现在将更详细地解释用于实施散射测量模式的不同实施例。
在第一实施例中，通过将焦斑本身的位置相对于如图1所示的ASG从一个焦斑位置FS1改变到另一焦斑位置FS2来获得相对于X射线源的焦斑FS1的失焦配置。能够由控制逻辑单元CL通过合适的致动器AC来控制焦斑切换。可以由控制逻辑单元CL通过X射线源XR接口SI来控制致动器AC。
在这些实施例中，当在图像采集模式中时，射束XB1沿着标准方向p1传播。在这种配置中，传播方向p1遵循聚焦布置。在通过将焦斑FS1移动到另一位置FS2引起的失焦布置中，存在沿着不同方向p2传播的新的X射线束XB2，该新的X射线束XB2现在相对于DAX/Φ成像促进器结构IFS和/或ASG处于失焦状态。
通过将X射线焦斑FS1移出ASG的焦点，现在能够测量散射分数。在该失焦的成像几何形状中，现在非散射辐射是主要的，其被ASG阻挡，因为ASG现在相对于从新的焦斑FS2发出的辐射XB2发生错误对齐。剩下的到达探测器D的唯一(或至少高分数的)辐射是次级辐射，其现在不被ASG阻挡。换句话说，现在探测到的辐射主要由不被ASG阻挡的X射线散射组成。如果利用就位的患者进行测量，则该辐射因此将提供对非抑制散射的量的准确估计。
针对焦斑变化设想到许多不同的实施例。例如，阳极和/或阴极可以移位或者以其他方式使致动器AC改变阳极和/或阴极的姿态，使得X射线束被引导到不同的方向。替代地，致动器AC包括诸如静电偏转设备之类的电子焦斑选择器。静电偏转设备AC改变管内部的电子束的方向，使得焦斑移动并且因此X射线束的方向移动。
代替改变X射线源中的焦斑位置或者除了改变X射线源中的焦斑位置之外，设想到使离开ASG的失焦配置用于散射测量模式的其他实施例。在这些实施例中，存在被集成到成像系统XI中的散射测量促进器SMF。在实施例中，散射测量促进器SMF是能被布置在X射线源XS与探测器D之间以促进散射测量的硬件结构。通过在SMF上施加平移或旋转，控制逻辑单元CL对散射测量促进器SMF的姿态进行干扰或改变，以使成像系统进入散射测量模式。所设想的散射测量促进器SMF能够提供不同的功能：在一种功能中，当系统IS在散射测量模式中时，SMF促进散射测量。在实施例中，当系统在图像采集模式中时，可以将散射测量促进器SMF切换到其服务于另一成像支持功能的配置中。在替代实施例中，SMF是专用的并且没有服务于其他成像功能，并且当系统IS在图像采集模式中时，通过控制逻辑单元CL完全退出。
在散射测量促进器SMF具有双功能或多功能的一些实施例中，假定当系统在图像采集模式中时其相对于焦斑处于聚焦布置。但是为了用于散射测量模式，将散射测量促进器SMF相对于焦斑FS1移出焦点。
致动器AC可以用于将散射测量促进器SMF移出焦点。通常，能够以多种不同的方式完成用于将散射测量促进器SMF移出焦点的致动器设置。散射测量促进器SMF可以保持在框架或其他固定装置中，该框架或其他固定装置被可移动地(可平移地或可旋转地或这两者)安装。由电源供电的致动器AC(例如，齿轮或螺旋机构)可以用于与框架接合以推动或拉动或旋转框架并随之推动或拉动或旋转SMF以实现失焦配置。在实施例中还设想到液压或压电致动器AC。致动器AC通过合适的设备接口对由控制逻辑单元CL发出的控制信号做出响应。控制逻辑单元CL又可以回答由用户接口UI发出的请求信号。
在一些实施例中，散射测量促进器SMF是上面讨论的DAX/Φ成像促进器的部分。例如，在实施例中，散射测量促进器SMF是干涉仪的两个吸收光栅G0、G2中的一者或两者，假定DAX/Φ成像促进器包括这样的干涉仪。在该实施例中，通过致动器AC来改变G0或G2的姿态。例如，任意一个光栅都被旋转或移位。优选地，在实施例中，G2光栅在穿过所述光栅G2的中心的光轴(穿过X射线源XS的焦斑FS1的轴线)周围旋转90°。不要求焦斑是能变化的。还设想到不是90°的旋转角度量。除了旋转分析器光栅G2之外或者代替旋转分析器光栅G2，源光栅G0也可以在任一方向上旋转90°(或任何其他角度量)。
已经观察到，即使在上述实施例中移动光栅G0、G2中的一者或两者，某种剩余的初级辐射仍然会到达探测器。在这种情况下，可能需要确保数据中没有剩余的条纹图案。为了确保这种需求，G0或G2能够移动或旋转。在示例性实施例中，用于减小条纹图案的G0或G2的移动可以在反馈回路布置中完成，该反馈回路布置包括控制逻辑单元CL，致动器AC和探测器D。控制逻辑单元CL经由探测器D来感测条纹图案。控制逻辑单元CL用指令指示致动器AC移动G0或G2，以便降低在探测器D处探测到的条纹图案的强度，其目标是基于经适当限定的可忽略性阈值来移除条纹图案或至少降低条纹图案的强度。在该实施例中，控制逻辑单元CL可以包括被配置为实施增强学习算法的机器学习部件。在该实施例中，控制逻辑单元操作致动器以改变G0或G2的姿态。通过优化奖励函数R来驱动该动作，该奖励函数R测量探测到的条纹图案的强度。对G0或G2的姿态的重新调节是在优选低X辐射的暴露条件下进行的。该机器学习算法的目标是使通过奖励函数测量到的条纹图案消失。可见性或相关量可以用于制定奖励函数，例如，R＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，其中，Imin和Imax是相应的最大强度和最小强度。
虽然在上述实施例中假定DAX/Φ成像促进器是干涉仪，但是在所有实施例中不一定都是如此，并且上述散射测量模式能够等同地实践在非干涉测量DAX/Φ成像设置中。例如，DAX/Φ成像促进器可以是编码孔径板或其他板，并且这是由控制逻辑单元CL和致动器AC来移动的。
在另一实施例中，散射测量促进器SMF包括ASG本身。致动器AC由控制逻辑单元控制以改变AGS的姿态。例如，ASG可以旋转一定角度，使得其薄片的纵向轴线现在指向不同的方向，并且不再如图1中示意性示出的那样延伸到绘图平面中。特别地，设想到在任一方向上旋转90°，其中，旋转轴线穿过ASG的中心点和X射线源的(可能单个)固定焦斑FS1。代替旋转或者除了旋转之外，ASG可以倾斜一定角度，该角度可以是相对于穿过ASG的中心点和焦斑FS1的光轴测量的。代替如先前的实施例所讨论的移动G0或G2以减少条纹图案或者除此之外，可以如此移动ASG。
针对DAX/Φ成像，特别是光栅G1、G2、G0和ASG的相互对齐对于良好的对象图像采集质量至关重要。这些部件的正确对齐和聚焦可能是麻烦的，耗时的，且并不总是能够容易实现的。在这种背景下，可能不希望使控制逻辑单元CL干扰这些部件中的任一个，因为在切换回到图像采集模式时可能需要重新完成细腻的重新焦斑或重新调节的工作。
为了解决这个问题，在所描述的部件之上的替代方案中提出，促进器SMF被布置为单独的专用部件，该单独的专用部件能够根据需求被布置在患者与探测器之间的射束中或者被布置在源XS与患者之间的射束中。也就是说，不是在DAX/Φ成像设置中使用现有硬件作为散射测量促进器，而是提出当在散射测量模式中操作时将被示为部件B的专用的另外的部件引入射束。该部件B被布置为部分阻挡X辐射，并且能够以与具有孔的辐射阻挡薄片或板的光栅或ASG等的制造方法类似地制造。可以通过致动器完全移除部分辐射阻挡体B，例如通过在对象采集模式内将射束滑出并且当图像系统在散射测量模式中操作时滑回到射束中来实现这一点。
通常，控制逻辑单元CL可以由一个或多个计算单元PU来实施。控制逻辑单元可以被完全集成到成像系统中，或者可以被布置为一个或多个微控制器，但是也可以被远程布置在远程的一个或多个计算系统PU处。控制逻辑单元CL可以与成像系统相互作用，但是与成像系统的部件无线或有线地连接。控制逻辑单元CL可以被布置在软件中或者被布置在硬件中或者被部分布置在软件和硬件中。控制逻辑单元可以被实施为一个或多个微控制器并且被集成到成像系统IS中。
上述散射测量实施例中的每一个实施例都能够单独使用或者组合使用或者以任何子组合的形式使用。
已经观察到，本文描述的散射管理原理在DAX影像中产生了非常良好的对比度。据信，至少部分是由于所提出的散射减少机制仅提供了DAX成像所需的正确耐受量这一事实。太有效的散射移除实际上会阻碍DAX成像目标，因为严格移除所有散射会造成全部DAX效应都被移除的风险，进而导致低DAX对比度。所提出的本文所述的散射管理方案达到了正确的平衡。由于这两种模式之间的切换，因此定义了两个单独和/或专用的测量流程。在每个流程中，探测器的整个探测器敏感表面对于实施例中的相应测量是一次性的。以这样的专用/单独的模式操作也可以促进实现正确的散射校正，特别适合用于本文主要设想的DAX成像的目的。
现在参考图2的流程图，其中图示了具有散射管理用于DAX/Φ的计算机实施的方法的步骤。然而，应当理解，下面描述的方法步骤本文构成了图1中示出的特定架构，但不一定与图1中示出的特定架构相联系。
在步骤S210处，X射线成像装置XI依次在两种模式中操作，首先在一种模式中操作，然后在另一种模式中操作。这两种模式在本文中被称为图像采集模式和散射测量模式。与当在对象采集模式中在成像系统的探测器处能接收到的散射辐射相比，当在散射测量模式中在成像系统的探测器处能接收到的X辐射包括较高比例的散射。步骤S210得到两个测量数据集π1和π2，其中，π2编码较高比例的散射辐射。特别地，仅或主要地，在该第二数据集π2中测量散射辐射，而第一数据集π1编码初级辐射，其没有或具有较低分数的次级辐射。
在步骤S220中，使用在图像采集模式中获得的散射测量数据π2和在图像采集模式中获得的数据π1来生成经散射校正的影像。这能够例如通过简单地进行以下操作来完成：将散射测量数据从图像测量数据中除去或减去，以获得差异图像数据，然后基于该差异数据来执行相位检索操作以获得经散射校正的DAX或Φ影像。替代地，首先基于在图像采集模式中获得的数据π1来执行相位检索，以获得初步DAX或Ф影像。然后基于散射测量数据π2对初步DAX或Ф影像进行后处理，以获得经散射校正的DAX或Ф影像。替代地，在相位检索中共同处理这两个数据集，以获得经散射校正的DAX或Ф影像。本文还设想到基于散射测量数据π2的其他散射校正方法。
可以直接使用所测量的散射测量数据π2或者可以首先(例如通过滤波或其他方式)预处理散射测量数据π2。在实施例中，基于所测量的数据π2来使用散射模拟。
在任选的步骤S230中，将经散射校正的图像显示在显示设备上，或者以其他方式提供使得经散射校正的图像可用。
本文公开的一个或多个特征可以被配置或实施为在计算机可读介质内编码的电路/与在计算机可读介质内编码的电路一起实施和/或其组合。电路可以包括分立电路和/或集成电路、专用集成电路(ASIC)、片上系统(SOC)及其组合、机器、计算机系统、处理器和存储器、计算机程序。
在本发明的另一示例性实施例中，提供了计算机程序或计算机程序单元，其特征在于，其适于在适当的系统上运行根据前述实施例之一的方法的方法步骤。
因此，计算机程序单元可以被存储在计算机单元中，该计算机程序单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行或引起对上述方法的步骤的执行。此外，该计算单元可以适于操作上述装置的部件。该计算单元能够适于自动操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。因此，可以装备数据处理器来执行本发明的方法。
本发明的该示例性实施例覆盖从一开始就使用本发明的计算机程序，以及借助于将现有程序更新转换为使用本发明的程序的计算机程序二者。
另外，计算机程序单元可以能够提供所有必要步骤以完成如上所述的方法的示例性实施例的流程。
根据本发明的另外的示例性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如，CD-ROM，其中，该计算机可读介质具有被存储于所述计算机可读介质上的计算机程序单元，所述计算机程序单元由前面的章节所描述。
计算机程序可以被存储和/或分布在合适的介质(特别是但不一定是非瞬态介质)上，例如，与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如，经由互联网或其他有线或无线的电信系统分布。
然而，计算机程序也可以存在于网络(如万维网)上，并且能够从这样的网络被下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另外的示例性实施例，提供了用于使计算机程序单元可用于下载的介质，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的先前描述的实施例中的一个实施例的方法。
必须注意，本发明的实施例是参考不同主题来描述的。特别地，一些实施例是参考方法型权利要求来描述的，而其他实施例是参考装置型权利要求来描述的。然而，除非另有说明，本领域技术人员将从以上和以下的描述中推断出，除属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也被认为在本申请中得到公开。然而，所有的特征都能够被组合来提供多于特征的简单加合的协同效应。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (8)

1.一种被配置用于相衬成像和/或暗场成像的X射线成像系统(XI)，包括：
X射线源(XS)，其能操作用于使X辐射从所述源(XS)的焦斑发出；
X射线敏感探测器(D)，其能操作用于：如果在所述X射线源与所述探测器(D)之间存在要被成像的对象，则在所述X辐射与所述对象发生相互作用之后探测所述X辐射；
控制逻辑单元(CL)，其能操作用于使所述X射线成像系统在两种模式中的任意一种模式中操作，所述两种模式是对象图像采集模式和散射测量模式，其中，当在散射测量模式中时在所述探测器处能接收到的所述X辐射与当所述X射线成像系统在对象图像采集模式中时能接收到的X辐射相比包括更高比例的散射辐射；以及
散射校正器(SC)，其能操作用于基于所测量的散射数据来减少或者促进减少或者防止能根据在对象图像采集模式中采集的数据生成的对象图像中的散射伪影。
2.根据权利要求1所述的X射线成像系统，包括被布置在所述X射线源与所述探测器(D)之间的散射测量促进器(SMF)，所述散射测量促进器(SMF)的至少一个或多个部分能够阻挡X辐射，当所述X射线成像系统在散射测量模式中时，所述控制逻辑单元使所述散射测量促进器的姿态相对于当所述X射线成像系统在对象图像采集模式中时所述散射测量促进器的姿态发生变化，使得所述至少一个或多个部分阻挡所述X辐射中的至少一些X辐射。
3.根据权利要求2所述的X射线成像系统，其中，所述散射测量促进器(SMF)包括以下各项中的任意一项或多项：i)抗散射网格(ASG)，ii)干涉仪(G0、G1、G2)的至少部分，iii)编码孔径板。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线成像系统，其中，所述X辐射的方向能通过源接口(SF)发生改变，其中，当所述X射线成像系统在对象图像采集模式中时，所述控制逻辑单元(CL)通过所述源接口(SF)使X辐射沿着第一方向发出，而当所述X射线成像系统在散射测量模式中时，所述控制逻辑单元通过所述源接口使所述X辐射沿着不同于所述第一方向的第二方向发出。
5.根据权利要求3所述的X射线成像系统，其中，当所述散射测量促进器(SMF)包括所述干涉仪(G0、G1、G2)的至少部分时，当在散射测量模式中时，所述控制逻辑单元(CL)使所述干涉仪或所述干涉仪的所述部分的姿态发生变化，以便减少在所述探测器处能探测到的条纹图案。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的X射线成像系统，其中，所述X射线成像系统是全视图成像系统。
7.一种被配置用于相衬成像和/或暗场成像的X射线成像方法，包括以下步骤：
使(S210)被配置用于相衬成像和/或暗场成像的X射线成像系统(XI)在两种模式中的任意一种模式中操作，所述两种模式是对象图像采集模式和散射测量模式，其中，当在散射测量模式中时在所述X射线成像系统(XI)的探测器(D)处能接收到的X辐射与当所述X射线成像系统在对象图像采集模式中时能接收到的X辐射相比包括更高比例的散射辐射；并且
基于所测量的散射数据来减少(S220)或者促进减少或者防止能根据在对象图像采集模式中采集的数据生成的对象图像中的散射伪影。
8.一种计算机可读介质，存储计算机程序，当由至少一个处理单元(PU)运行时，所述计算机程序适于使所述处理单元(PU)执行根据权利要求7所述的方法。
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