CN114207418A - X射线成像装置和相关联的成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有简化架构并且易于适用于传统的X射线源的X射线成像装置和与此成像装置相关联的成像方法。
Description
说明
本发明总体上涉及一种使用简化架构的X射线成像装置，所述装置能够主要应用于医学成像的领域，但也应用于材料表征的X射线成像的领域，或应用于安全领域(例如在机场检查行李)。
二十年来，相位对比成像已经彻底改变了X射线成像，并且通过测量X射线的相位改变，已经允许在已知对X射线透明的材料中形成对比度，这是由于X射线在样品通过期间的折射[1][2][3]。事实上，此技术使用关于穿过物体的X射线束的相位改变的信息，以获得此物体的图像。
与测量X射线束的强度的衰减的常规X射线成像技术不同，相位对比成像间接测量由样品引起的相移，后者转换成可由X射线检测器测量的强度的变化。此种类型的成像广泛用于同步辐射源[4][5][6][7]。
在传统的X射线源中，计算机辅助显微断层摄影的源是已知的(具体来说例如纳米聚焦或微聚焦类型的源)、用于亮度放大器类型设备的源、用于乳房摄影类型设备的源和放射照相类型的源、以及计算机断层摄影源。传统的X射线源相对于例如同步辐射源等源的益处在于其成本、更便宜、其大小、更紧凑和其更易于处置。
使用这些常规X射线源[13][14][15]的不同的相位对比X射线成像装置是已知的。然而，这些装置是复杂的，需要具有高的空间相干性的X射线源，甚至需要大量辐射剂量才能形成图像。具体来说，它们需要很大的机械稳定性，这会损害视野的宽度或所获得的图像的分辨率水平。
因此需要具有易于实施并且可以使用传统的源作为X射线源的相位对比X射线成像装置。
因此，本发明提出解决的技术问题是，通过使用包括传统的源在内的更宽范围的X射线源的可能性，简化相位对比X射线成像的技术实施方式并且使其更加灵活。
为了解决此问题，同时克服前面提到的缺点，申请人已开发了一种X射线成像装置，具体来说，在相位对比方面，所述X射线成像装置包括：
-X射线源，
-空间强度调制器，具有最大厚度和最小厚度，能够被来自所述X射线源的X射线束穿过，并且能够形成被空间强度调制的X射线束，
-样品支撑件，能够支撑样品，所述样品旨在被所述空间强度调制的X射线束的至少一部分穿过并且透射经折射的空间强度调制的X射线束，所述样品在位于所述支撑件上时，位于距所述X射线源距离d处，
-X射线检测系统，位于距所述X射线源距离D处，并且包括二维X射线传感器，所述二维X射线传感器设置有多个光电检测器元件，所述多个光电检测器元件各自具有相同的给定大小，在所述装置的其中所述装置不包括样品的第一配置中，所述检测系统能够检测直接来自所述空间强度调制器的第一X射线束，所述第一X射线束直接来自具有第一强度调制的所述空间强度调制器，并且所述检测系统能够将所述第一束转换成第一电信号，并且，在所述装置的其中样品设置在所述样品支撑件上的第二配置中，所述检测系统能够检测穿过所述空间强度调制器然后穿过所述样品的第二X射线束，所述第二X射线束由具有第二强度调制的所述样品折射，并且所述检测系统能够将所述第二束转换成第二电信号，
-电子处理单元，能够接收所述第一电信号并且能够对所述第一电信号进行处理以产生包括多个像素的第一图像，所述多个像素各自具有相同的给定大小，并且所述电子处理单元能够接收所述第二电信号并且能够对所述第二电信号进行处理以产生第二图像，并且能够根据所述第一图像和根据所述第二图像产生所述样品的至少一个特征图像，
所述成像装置的特征在于所述空间强度调制器的所述最大厚度与所述最小厚度之间的差(被称为平均粗糙度)包括在所述第一图像的所述像素的大小的二倍与二十倍之间，所述大小等于所述光电检测器元件的所述大小与比率d/D的乘积。
空间强度调制器的平均粗糙度的具体选择允许在第一图像中调整直接来自空间强度调制器的第一X射线束的第一强度调制。因此，此选择允许优化所述样品的所述至少一个特征图像的质量。
优选地，空间强度调制器的平均粗糙度包括在第一图像的像素的大小的两倍与十五倍之间。
更优选地，空间强度调制器的平均粗糙度包括在第一图像的像素的大小的两倍与十倍之间。
更优选地，空间强度调制器的平均粗糙度包括在第一图像的像素的大小的三倍与七倍之间。
在空间强度调制器的平均粗糙度小于第一幅图像的像素的大小的两倍的情况下，缺点是难以在第一图像和第二图像中区分第一X射线束和第二X射线束中固有光子噪声的X射线束的强度调制。
在其中空间强度调制器的平均粗糙度大于第一图像的像素的大小的二十倍的情况下，缺点是所述样品的所述至少一个特征图像具有较差的分辨率。
光电检测器元件可以具有相同的正方形形状并且各自具有等于所述正方形形状的边长的相同的给定大小。
光电检测器元件可以具有相同的矩形形状并且各自具有等于矩形形状的长度的相同的给定大小。
光电检测器元件可以具有相同的六边形形状并且各自具有相同的给定大小，相同的给定大小等于六边形形状的将直径上相对的两个顶点分开的距离。
有利地，电子处理单元能够根据所述第一图像与所述第二图像之间的差产生所述样品的所述至少一个特征图像。
电子处理单元可能够根据在所述装置的所述第二配置中由所述X射线检测系统接收的经折射的所述X射线束的相位梯度而产生所述样品的所述至少一个特征图像。
优选地，空间强度调制器包括选自金属、准金属、轻元素及其混合物的元素，所述元素的原子序数包括在13与80之间。
更具体地，空间强度调制器的元素可以选自铝、硅、铁、铜、钛、镍、银、锡、金及其混合物。
在本发明的一个实施例中，空间强度调制器包括粉末和/或颗粒。
在本发明的另一个实施例中，空间强度调制器通过三维印刷、磨损或模制制造。
有利地，X射线源具有包括在10keV与300keV之间的能量。这种能量可以通过使用能够加速两个电极之间的电子的X射线管来获得，所述两个电极之间的峰值电位差包括在10keV与300keV之间。
优选地，X射线源具有包括在20keV与300keV之间的能量。
同样优选地，X射线源具有包括在20keV与180keV之间的能量。
再次优选地，X射线源具有包括在20keV与120keV之间的能量。
再次优选地，X射线源具有包括在15keV与120keV之间的能量。
有利地，所述X射线源选自计算机辅助显微断层摄影的源(例如纳米聚焦或微聚焦类型的源)、用于亮度放大器类型设备的源、用于乳房摄影类型设备的源和放射照相类型的源。
有利地，可以根据由所述X射线源发射的X射线的能量来选择空间强度调制器的材料。
具体来说，可以选择空间强度调制器的材料，使得其可见度等于第一图像lref(x,y)的像素的强度分布的标准偏差与第一图像lref(x,y)的像素的强度平均值的比率，即包括在0.02与0.30之间。
优选地，选择空间强度调制器的材料以使其可见度包括在0.05与0.20之间。
在其中空间强度调制器的可见度大于0.30的情况下，缺点是样品(E)的特征图像具有降低的动态性。
在其中X射线源具有包括在15keV与40keV之间的能量的情况下，空间强度调制器的材料可以选自硅、钛和铝。
在其中X射线源具有包括在40keV与100keV之间的能量的情况下，空间强度调制器的材料可以选自铜、铁、钴和镍。
在其中X射线源具有包括在100keV与120keV之间的能量的情况下，空间强度调制器的材料可以选自银、锌、锡和钼。
在其中X射线源具有大于120keV的能量的情况下，空间强度调制器的材料可以选自金和钨。
选择形成空间强度调制器的材料的潜在优点是允许使用不同能量(具体来说是目前难以使用的高能量)的X射线源，以及宽范围的图像分辨率。
有利地，可以在来自X射线源的X射线束的传播方向上连续地具有多个空间强度调制器。
在第一实施例中，样品支撑件围绕与来自X射线源的X射线束的主方向正交的旋转轴可旋转地安装，以允许样品围绕X射线源旋转。
在第二实施例中，由X射线源和X射线检测系统形成的总成围绕在样品支撑件可旋转地安装，以允许由X射线源和X射线形成的总成旋转。并且射线检测系统围绕样品可旋转地安装。
本发明还涉及一种X射线成像方法，所述X射线成像方法实施如前所述的X射线成像装置。
在根据本发明的成像方法的第一实施例中，所述方法为二维成像方法，所述方法包括以下步骤：
a/将空间强度调制器暴露于来自X射线源的X射线束，
b/在装置的第一配置中，检测第一X射线束并且将第一X射线束转换成第一电信号，
c/由电子处理单元接收第一电信号并且对第一电信号进行处理，以产生至少一个第一图像，
d/在装置的第二配置中，检测第二X射线束并且将第二X射线束转换成第二电信号，
e/由电子处理单元接收第二电信号并且对第二电信号进行处理，以产生至少一第二图像，
f/由电子处理单元根据所述至少一个第一图像和所述至少一个第二图像产生至少一个图像，所述至少一个图像选自透射图像、在正交且与和来自所述X射线源的X射线的所述主方向垂直的平面平行的两个方向上的微分相位的梯度的图像、所述相位的图像、以及所述样品散射的图像。
在根据本发明的成像方法的第二实施例中，在其中样品支撑件围绕与来自X射线源的X射线的主方向正交的旋转轴可旋转地安装的情况下，或在其中在X射线源和X射线检测系统组成的总成围绕样品支撑件可旋转安装的情况下，成像方法为三维成像方法，包括以下步骤：
a/将空间强度调制器暴露于来自X射线源的X射线束，
b/在装置的第一配置中，检测第一X射线束并且将第一X射线束转换成第一电信号，
c/由电子处理单元接收第一电信号并且对第一电信号进行处理，以产生至少一个第一图像，
d/在所述装置的所述第二配置中，在其中样品支撑件围绕与来自所述X射线源的所述X射线束的所述主方向正交的旋转轴可旋转地安装或者由所述X射线源和所述X射线检测系统形成的总成围绕样品支撑件可旋转地安装的情形中，检测所述第二X射线束并且将所述第二X射线束转换成第二电信号，对于N个给定位置(1、...、i、...N)，所述N个给定位置是所述样品的位置(所述位置各自对应样品支撑件的给定旋转)，或者是由所述X射线源和所述X射线检测系统形成的所述总成的位置，
e/由所述电子处理单元针对N个位置中的每一者接收所述第二电信号并且对所述第二电信号进行处理，从而针对所述N个位置中的每一者产生至少一个第二图像,
f/由所述电子处理单元根据所述至少一个第一图像和所有第二图像产生至少一个图像，所述至少一个图像选自三维透射图像、在正交且与和来自所述X射线源的所述X射线的所述主方向垂直的平面平行的两个方向上的微分相位的梯度的三维图像、所述相位的三维图像、以及所述样品散射的三维图像。
有利地，产生多个第一图像和多个第二图像并且由所述电子处理单元对所述多个第一图像和所述多个第二图像进行组合以产生至少一个二维或三维图像，所述至少一个二维或三维图像选自透射图像、在正交且与和来自所述X射线源的所述X射线束的所述主方向垂直的平面平行的两个方向上的微分相位的梯度的图像、所述相位的图像、以及所述样品散射的图像。
在根据本发明的成像方法的第三个实施例中，所述方法是一种用于在时间间隔T期间对样品中包含的结构进行时间跟踪的方法，所述方法包括以下步骤：
a/将空间强度调制器暴露于来自X射线源的X射线束，
b/在装置的第一配置中，检测第一X射线束并且将第一X射线束转换成第一电信号，
c/由电子处理单元接收第一电信号并且对第一电信号进行处理，以产生至少一个第一图像，
d/针对多个N个时刻ti进行检测，i是包含在时间间隔T中的包括在1与N之间的整数，并且将所述第二X射线束转换成多个N个第二电信号,
e/由所述电子处理单元接收所述N个第二电信号并且对所述N个第二电信号进行处理，以产生N个第二图像，
f/由所述电子处理单元从所述至少一个第一图像和N个第二图像产生N个连续图像的序列，所述N个连续图像为透射图像、在正交且与和来自所述X射线源的所述X射线的所述主方向垂直的平面平行的两个方向上的微分相位的梯度图像、所述相位的图像、或所述样品散射的图像。
有利地，对于根据本发明的成像方法的此第三实施例，产生多个第一图像和多个第二图像并且由所述电子处理单元对所述多个第一图像和所述多个第二图像进行组合以产生N个连续图像的至少一个序列，所述N个连续图像为透射图像、在正交且与和来自所述X射线源的所述X射线的所述主方向垂直的平面平行的两个方向上的微分相位的梯度图像、所述相位的图像、或所述样品散射的图像
在根据本发明的成像方法的此第三实施例中，后者可以进一步以下步骤：对N个连续图像的所述至少一个序列进行处理以获得所述样品的所述结构的弹性成像数据。
本发明的一般优点是通过采用传统的X射线源和易于制造和实施的材料来简化X射线成像装置以及相关联的成像过程，具体来说是经优化的空间强度调制器。因此，得益于空间强度调制器的平均粗糙度的特定选择，允许在装置中实施多种常规X射线源，具体来说在高能量下，并且获得广范围的所获得图像的分辨率。具体来说，可以使用传统的X射线源提高装置获得的图像上的可见细节的水平。得益于本发明，可以使用传统的源来实施相位对比成像方法并且增加所获得图像的对比度。简单、廉价且适用于本发明的实验室来源的方面允许其当前使用。因此，装置与医疗X射线源的实施方式使得对患者进行三维成像成为可能。
本发明的其他优点和特征将从以下以非限制性示例的方式给出并参考附图的说明得出：
-图1示意性地示出了在第一配置和第二配置中的根据本发明的X射线成像装置。
-图2示出了可以分别使用根据本发明的装置的第一配置和第二配置获得的两个图像。
-图3示出了可以在根据本发明的装置中使用的第一类型空间强度调制器的不同俯视图照片。
-图4示出了可以在根据本发明的装置中使用的第二类型空间强度调制器的不同俯视图照片。
-图5示出了根据本发明的成像方法的第一实施例使用第一类型的空间强度调制器获得的一系列图像。
-图6示出了使用两个不同的X射线源-空间强度调制器对获得的同一样品的两个图像。
-图7示出了根据本发明的成像方法的第一实施例使用第二类型的空间强度调制器获得的手指的不同图像以及手指的常规射线照相术。
-图8示出了通过样品的计算机辅助断层摄影获得的传统射线照相术、使用根据本发明的成像方法的第二实施例利用第一类型的空间强度调制器获得的相同样品的二维图像、以及根据根据本发明的成像方法的第二实施例获得的相同样品的体绘制图像。
-图9示出了根据本发明成像方法的第三实施例获得的由乳胶手套、聚苯乙烯样品和金属丝构成的样品的一系列图像，应用于弹性成像。
图1示意性地示出了两种不同配置下的根据本发明的X射线成像装置1，没有要成像的样品，如图1的部分(a)中所示，并且具有要成像的样品E，如图1的部分(b)中所示。
在根据本发明的X射线成像装置1的第一配置(a)中，没有要成像的样品E，X射线源2照射空间强度调制器3。术语“空间强度调制器”意指基本上平面形状的物体，并且具有允许通过其空间结构对穿过其中的X射线束F的强度进行空间调制的厚度的物体。在X射线束F通过空间强度调制器3后，进行空间强度调制。X射线检测系统5(位于空间强度调制器3的后面，并且距X射线源2距离D)检测直接来自空间强度调制器3的此X射线束F，并且将此第一束转换成第一电信号Selec_ref。距离D是沿着与空间强度调制器3和X射线检测系统5正交并且穿过X射线源2的轴测量。此外，X射线检测系统5包括二维X射线传感器，二维X射线传感器设置有多个光电检测器元件5a，所述多个光电检测器元件各自具有相同的给定大小，光电检测器元件5a中的每一者接收X射线束F的一部分。光电检测器元件5a中的每一者的形状可以是正方形或矩形，光电检测器元件5a的大小指定正方形的边长或矩形的长度或宽度。使用电子处理单元6来接收第一电信号Selec_ref并且对第一电信号Selec_ref进行处理以产生包括多个像素的第一图像lref(x,y)，所述多个像素各自具有相同的给定大小。第一图像lref(x,y)的示例如图2所示图像(a)中所示。
在根据本发明的X射线成像装置1的第二配置(b)中，要成像的样品E位于样品支撑件4上，样品支撑件4位于空间强度调制器3的下游，距X射线源2距离d。距离d是沿着与空间强度调制器3和X射线检测系统5正交并且穿过X射线源2的轴z测量。当X射线源2照射空间强度调制器3时，来自空间强度调制器3的空间强度调制的X射线束F的至少一部分穿过样品E。样品E折射空间强度调制的X射线束F'，X射线束F'相对于直接来自空间强度调制器3的第一X射线束F具有不同的调制，这是由于其在此第一光束上诱导的折射。术语“折射”意指射线相对于z轴的偏差，这是由于在穿过样品E时遇到的折射率的局部变化。在图1的部分(a)中，例示出根据本发明的X射线成像装置1的第一配置，没有样品E，参考束F以实线示意性地示出，其未被折射。在图1的部分(b)中，例示出根据本发明的X射线成像装置1的第二配置，其中样品E将被成像，穿过样品E的折射光束F'以虚线示意性示出。
如在装置1的第一配置中，X射线检测系统5检测已经穿过空间强度调制器3，然后穿过样品E的折射光束F'，并且将折射光束F'转换成第二电信号Selec_sample。使用电子处理单元6来接收第二电信号Selec_sample并且对第二电信号Selec_sample进行处理以产生第二图像lsample(x,y)。第二图像lsample(x,y)的示例是图2中的图像(b)。
根据在第一配置中获得的第一图像lref(x,y),没有要成像的样品E，并且根据在第二配置中的第二图像lsample(x,y),具有要成像的样品E，电子处理单元6可以产生样品E的至少一个特征图像。在这点上，根据本发明的X光成像装置1是散斑成像装置。散斑成像装置对穿过空间强度调制器的光束的强度实施空间调制，以便对放置在空间强度调制器的下游的样品进行成像。空间强度调制器可以是随机物体[8]-[12]的形式。随机物体的传统示例是砂纸、生物过滤器、二氧化硅或钢丝绒。
电子处理单元6可以根据第一图像lref(x,y)与第二图像lsample(x,y)之间的差产生样品E的至少一个特征图像。减法得到的图像lsample(x,y)-lref(x,y)代表样品折射的直接测量值。在此图像中，仅在图像的其中存在样品E的位置中存在强度调制。此种图像lsample(x,y)-lref(x,y)的示例在稍后将描述的图5(c)中示出。通过相位检索方法，确实可以随后由电子处理单元6处理由减法得到的图像lsample(x,y)-lref(x,y)以获得样品相位的一个或多个最终图像。
例如，可以实施基于数字图像相关性(DIC)的数字处理方法。散斑跟踪(“X射线散斑矢量跟踪(XSVT)”、“X射线散斑扫描(XSS)”)是此类方法的示例。这些方法特别使用互相关最大化技术[9]或统一调制模式分析(UMPA)。具体来说，UMPA技术是基于由样品[16]产生的干涉图的模型。
具体来说，电子处理单元6可以根据由第二装置配置(1)中的检测系统5接收的经折射X射线束F'的相位梯度来产生样品E的至少一个特征图像。图5所示图像(d)和(e)是样品E沿着水平x方向和垂直y方向折射的X射线束F'的相位梯度的图像。然后，可以由电子处理单元6对沿着水平x和垂直y方向的相位梯度的图像进行处理，以获得样品的相位的一个或多个最终图像，例如通过基于流动守恒原理的数字处理方法。这些方法的示例是称为“光流”[17]的技术。
空间强度调制器3具有平均粗糙度，由空间强度调制器的最大厚度与最小厚度之间的差定义。根据本发明，平均粗糙度被选择为包括在第一图像lref(x,y)的像素的大小的两倍与二十倍之间，以便优化样品E的特征图像的质量。第一图像lref(x,y)的像素大小等于X射线检测系统5的光电检测器元件5a的大小与比率D/d的乘积。
因此，根据本发明的X射线成像装置1是需要很少材料并且易于使用的装置。
示例
示例1：空间强度调制器的制造
图3和4示出了根据调制器的两个实施例的可用于根据本发明的X射线成像装置1中的空间强度调制器3的几张照片。
图3示出了根据第一实施例的空间强度调制器3的几张照片。这些空间强度调制器3是使用设置在PMMA板上的金属粉末设计的。照片(a)示出了由平均粒度为90微米的铁粉制成的空间强度调制器3。因此，此空间强度调制器的平均粗糙度为90微米。照片(b)示出了由平均粒度为300微米的铜粉制成的空间强度调制器3。此空间强度调制器因此具有300微米的平均粗糙度。照片(c)示出了由平均粒度为36微米的铜粉制成的空间强度调制器3。因此，此空间强度调制器的平均粗糙度为36微米。因此，从具有给定平均粒度的粉末，可以制造根据本发明的第一实施例的空间强度调制器。
图4示出了根据第二实施例的空间强度调制器3的照片。这些空间强度调制器3由Colorfabb公司以
和
名称销售的材料的三维印刷制造。这些空间强度调制器3的几何轮廓已经通过针对空间强度调制器3中的每一者产生灰度图像而被建模，灰度图像表示空间强度调制器3的以微米计的厚度。灰度图像是通过产生由平均值和标准偏差(也称为色散)定义的噪声来获得。在图4所示图像(a)的空间强度调制器3的情况下，平均值和标准偏差是300微米和150微米。平均粗糙度为300微米。在图4的图像(b)的空间强度调制器3的情况下，平均值和标准偏差是500微米和250微米。平均粗糙度为250微米。
用于制造空间强度调制器3的上述方法因此能够制造大范围的空间强度调制器3，允许它们适用于根据本发明的多种X射线成像装置1。空间强度调制器的几何特征(例如粉末的平均粒径，或空间强度调制器3的几何轮廓模型中使用的灰度图像的噪声的平均值和标准偏差)是由使用的源类型和所需的图像分辨率决定。可以在本发明的框架内使用的用于制造空间强度调制器3的这些方法仅是示例并且可以考虑其他方法，例如磨损或模制。
示例2：苍蝇的二维图像
在此示例中，根据本发明实施X射线成像方法的第一实施例，其是二维成像方法，以对由苍蝇组成的样品进行成像。
所使用的X射线源2是由RX Solutions公司以
的名称销售的用于X射线显微断层摄影的源。所使用的空间强度调制器3由平均粒度为45微米的铜粉组成，所述铜粉置于两块PMMA板之间。此调制器的平均粗糙度为45微米。X射线源2照射由样品支撑件4支撑的样品。耦合到电子处理单元6的X射线检测系统5允许在根据本发明的X射线成像装置1的第一配置中产生第一图像lref(x,y)，其中装置1不包括样品E。X射线检测系统5放置在距X射线源2等于560mm的距离D处。样品E放置在距X射线源等于27mm的距离d处。X射线检测系统5的光电检测器元件5a的形状为正方形，并且具有127μm的物理大小。耦合到电子处理单元6的X射线检测系统5然后允许产生在X射线成像装置1的第二配置中获得的第二图像lsample(x,y)，其中后者包括要观察的样品E。在这种情况下，空间强度调制器3的平均粗糙度等于第一图像lref(x,y)的像素大小的7.3倍。
图5示出了根据本发明的X射线成像方法的此第一实施例获得的一系列图像。图像(a)和(b)分别例示出图像lref(x,y)和图像lsample(x,y)。图像(c)例示出图像lref(x,y)与图像lsample(x,y)之间的差。图像(d)和(e)例示出由样品E折射的X射线束F'在相互正交且与和X射线的主方向垂直的平面平行的两个方向上的微分相位的梯度。图像(f)表示样品E的相位的图像，由处理单元6对微分相位的梯度的图像(d)和(e)的处理而重建。
图6示出了通过相位对比获得的相同样品E(蝇)的图像(a)与使用同步辐射型X射线源和砂纸作为空间强度调制器的X射线成像装置之间的比较，以及使用根据前述发明的X射线成像装置1获得的由样品E折射的X射线束F'的相位的图像(b)。图像(b)已通过放大倍数校正，以便将图像(a)和(b)与样品E的相似大小进行比较。同步辐射型源是一种强大的X射线源，由电磁波加速的高能电子产生，并在储存环中循环。图像(b)的对比度高于图像(a)的对比度。
示例3：手指的二维图像
在此示例中，根据本发明实施成像方法的第一实施例，其是二维成像方法，以对由手指组成的样品进行成像。
本文中根据本发明的X射线成像装置1包括用于可移动C臂的源类型的X射线源2(所述源型由西门子公司以Arcadis 
的名称销售)，以及空间强度调制器，由3D打印膜组成，所述3D打印膜是基于Colorfabb公司以
名称销售的材料。此调制器的平均粗糙度为80微米。X射线检测系统5放置在距X射线源2等于100cm的距离D处。样品E放置在距X射线源等于32cm的距离d处。X射线检测系统5的光电检测器元件5a的形状是正方形并且具有225微米的大小。在这种情况下，空间强度调制器3的平均粗糙度等于第一图像lref(x,y)的像素大小的1.1倍。
图7示出了由手指组成的样品E的一系列图像，其可以用上述成像装置获得。图像(a)是在与来自X射线源2的射线的主方向垂直的平面中，在水平方向X上折射的图像，所述图像与样品E在此方向上折射的X射线束F'的相位梯度成比例。图像(b)是在与来自X射线源2的射线的主方向垂直的平面中，在垂直方向y上折射的图像，所述图像与样品E在此方向上折射的X射线束F'的相位梯度成比例。图像(c)是由样品E折射的X射线束F'的相位图像，通过图像(a)和(b)的数字积分计算得出。为了比较，图像(d)示出了手指的常规射线照片。常规射线照片是一个或多个解剖结构的图片，这些结构是在没有空间强度调制器的情况下暴露于这个或这些解剖结构的X射线束而产生的，其中黑色区域对应于空气，并且白色区域对应于骨骼结构。可以观察到，图像(c)的质量至少与图像(d)的质量一样好，具体来说具有更好的对比度和图像右侧部分没有扩散锥，同时使用常规X射线源。
示例4：苍蝇的三维图像
在此示例中，根据本发明实施成像方法的第二实施例，其是三维成像方法，以对由示例2的苍蝇组成的样品E进行成像。
使用的设备对应于用于获得图5所示图像的设备，作为X射线的源的X射线源2是由RX Solutions公司以
名称销售的X射线显微断层摄影的源和作为空间强度调制器3由平均粒径为45微米的铜粉制成的空间强度调制器。此空间强度调制器的平均粗糙度为45微米。样品E的支撑件4围绕与来自X射线源2的X射线的主方向正交的旋转轴可旋转地安装。X射线检测系统5放置在距X射线源2等于530mm的距离D处。样品E放置在距X射线源等于25mm的距离d处。X射线检测系统5的光电检测器元件5a的形状为正方形并且具有127μm的大小。在这种情况下，空间强度调制器3的平均粗糙度等于第一图lref(x,y)的像素大小的7.5倍。
通过相对于X射线源2的连续旋转，样品E的支撑件4被放置在不同的位置。样品E的二维图像由检测系统5针对支撑件4的每个限定位置记录。苍蝇的二维图像集允许重建苍蝇的三维体绘制。
在图8中，图像(a)表示使用用于X射线显微断层摄影的源类型的常规X射线源获得的样品E的常规射线照相，而不使用空间强度调制器。图像(b)表示根据根据本发明X射线成像方法的第二实施例获得的同一苍蝇的二维图像，其中样品E相对于X射线源2的同一相对位置仅用于图像(a)。图像(b)的噪声比图像(a)少得多，并且对比度更高。图像(c)是使用根据本发明的X射线成像方法的第二实施例并且通过组合对应于通过旋转获得的支撑件4的每个位置的不同二维图像而获得的样品E的体绘制图像。体绘制图像是一系列三维数据的二维投影。
示例5：获取弹性成像数据
在此示例中，根据本发明实施成像方法的第三实施例以表征样品E的弹性，样品E由乳胶手套、聚苯乙烯和钢丝绳所形成的总成组成。
本文中的X射线源2是同步辐射型源。空间强度调制器3由平均粒径为45μm的铜粉构成。此空间强度调制器的平均粗糙度为45微米。X射线检测系统5放置在距X射线源2等于156m的距离D处。样品E放置在距X射线源等于145m的距离d处。X射线检测系统5的光电检测器元件5a的形状是方形并且具有23微米的大小。在这种情况下，空间强度调制器3的平均粗糙度等于第一图像lref(x,y)的像素大小的2.1倍。作为激励波的频率为100Hz和250Hz的声波在时间间隔T＝1分钟内触发。此波使样品E运动。由空间强度调制器3产生的散斑的时间跟踪然后允许重建样品E的任何点处的最大位移场。在图9中，图像(a)示出了样品E在在2ms内捕获的瞬间t。图像(b)例示出样品E每个点的最大位移。通过对最大位移的数值推导，得到样品E在其每个点的杨氏模量值。图像(c)例示出样品E中每个点的杨氏模量值。
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Claims (18)
1.一种X射线成像装置(1)，具体来说在相位对比方面，其特征在于，所述成像装置包括：
-X射线源(2)，
-空间强度调制器(3)，具有最大厚度和最小厚度，能够被来自所述X射线源(2)的X射线束穿过，并且能够形成被空间强度调制的X射线束，所述空间强度调制器(3)包括选自铜、钛、镍、银、锡、金及其混合物的元素，
-样品(E)的支撑件(4)，能够支撑样品(E)，所述样品(E)旨在被所述空间强度调制的X射线束的至少一部分穿过并且透射经折射的空间强度调制的X射线束，所述样品(E)在位于所述支撑件(4)上时，位于距所述X射线源(2)距离d处，
-X射线检测系统(5)，位于距所述X射线源(2)距离D处，并且包括二维X射线传感器，所述二维X射线传感器设置有多个光电检测器元件(5a)，所述多个光电检测器元件(5a)各自具有相同的给定大小，在所述装置的其中所述装置不包括样品(E)的第一配置中，所述检测系统(5)能够检测直接来自所述空间强度调制器(3)的第一X射线束F，所述第一X射线束直接来自具有第一强度调制的所述空间强度调制器(3)，并且所述检测系统(5)能够将所述第一束转换成第一电信号(Selec_ref)，并且，在所述装置的其中样品(E)设置在样品(E)的所述支撑件(4)上的第二配置中，所述检测系统(5)能够检测穿过所述空间强度调制器(3)然后穿过所述样品(E)的第二X射线束F'，所述第二X射线束由具有第二强度调制的所述样品(E)折射，并且所述检测系统(5)能够将所述第二束转换成第二电信号(Selec_sample)，
-电子处理单元(6)，能够接收所述第一电信号(Selec_ref)并且能够对所述第一电信号(Selec_ref)进行处理以产生包括多个像素的第一图像(lref(x,y))，所述多个像素各自具有相同的给定大小，并且所述电子处理单元(6)能够接收所述第二电信号(Selec_sample)并且能够对所述第二电信号(Selec_sample)进行处理以产生第二图像(lsample(x,y))，并且能够根据所述第一图像(lref(x,y))和根据所述第二图像(lsample(x，y))产生所述样品(E)的至少一个特征图像，
所述成像装置(1)的特征在于所述空间强度调制器(3)的所述最大厚度与所述最小厚度之间的差(被称为平均粗糙度)包括在所述第一图像lref(x,y)的所述像素的大小的二倍与二十倍之间，所述大小等于所述光电检测器元件的所述大小与比率d/D的乘积。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述光电检测器元件(5a)具有相同的正方形形状并且各自具有等于所述正方形形状的边长的相同的给定大小。
3.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述光电检测器元件(5a)具有相同的矩形形状并且各自具有等于所述矩形形状的长度的相同的给定大小。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的装置(1)，其特征在于，所述电子处理单元能够根据所述第一图像(lref(x,y))与所述第二图像lsample(x,y)之间的差产生所述样品(E)的至少一个特征图像。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的装置(1)，其特征在于，所述电子处理单元能够根据在所述装置(1)的所述第二配置中由所述检测系统(5)接收的经折射的所述X射线束F'的相位梯度而产生所述样品(E)的所述至少一个特征图像。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的装置(1)，其特征在于，所述空间强度调制器(3)包括选自金属、准金属、轻元素及其混合物的材料，所述元素的原子序数包括在13与80之间。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的装置(1)，其特征在于，所述空间强度调制器(3)包括粉末和/或颗粒。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的装置(1)，其特征在于，所述X射线源(2)能够发射包括在10keV与300keV之间的能量的光子。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的装置(1)，其特征在于，所述X射线源(2)选自计算机辅助显微断层摄影的源(例如纳米聚焦或微聚焦类型的源)、用于亮度放大器类型设备的源、用于乳房摄影类型设备的源和放射照相类型的源。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的装置(1)，其特征在于，所述样品(E)的所述支撑件(4)围绕与来自所述X射线源(2)的所述X射线束的主方向正交的旋转轴可旋转地安装。
11.根据权利要求1至9中的一项所述的装置(1)，其特征在于，由所述X射线源(2)和所述X射线检测系统(5)形成的总成围绕样品(E)的所述支撑件(4)可旋转地安装。
12.一种X射线成像方法，其特征在于，所述X射线成像方法实施根据权利要求1至11中的一项所述的X射线成像装置(1)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法为二维成像方法，所述方法包括以下步骤：
a/将所述空间强度调制器(3)暴露于来自所述X射线源(2)的X射线束，
b/在所述装置(1)的所述第一配置中，检测所述第一X射线束F并且将所述第一X射线束F转换成第一电信号(Selec_ref)，
c/由所述电子单元(6)接收所述第一电信号(Selec_ref)并且对所述第一电信号(Selec_ref)进行处理，以产生至少一个第一图像(lref(x,y))，
d/在所述装置(1)的所述第二配置中，检测所述第二X射线束F'并且将所述第二X射线束F'转换成第二电信号(Selec_sample)，
e/由所述电子处理单元(6)接收所述第二电信号(Selec_ref)并且对所述第二电信号(Selec_ref)进行处理，以产生至少一个第二图像(lsample(x,y))，
f/由所述电子处理单元(6)从所述至少一个第一图像(lref(x,y))和所述至少一个第二图像(lsample(x,y))产生至少一个图像，至少一个图像选自透射图像、在与和来自所述X射线源(2)的所述X射线束的所述主方向垂直的平面正交和平行的两个方向上的微分相位的梯度的图像、所述相位的图像、以及所述样品(E)散射的图像。
14.根据权利要求12所述的方法，在其中所实施的装置(1)是根据权利要求10或11所述的装置的情况下，其特征在于，所述方法是三维成像方法，所述方法包括以下步骤：
a/将所述空间强度调制器(3)暴露于来自所述X射线源(2)的X射线束，
b/在所述装置(1)的所述第一配置中，检测所述第一X射线束F并且将所述第一X射线束F转换成第一电信号(Selec_ref)，
c/由所述电子处理单元(6)接收所述第一电信号(Selec_ref)并且对所述第一电信号(Selec_ref)进行处理，以产生至少一个第一图像(lref(x,y))，
d/在所述装置(1)的所述第二配置中，在其中样品(E)的所述支撑件(4)围绕与来自所述X射线源(2)的所述X射线束的所述主方向正交的旋转轴可旋转地安装或者由所述X射线源(2)和所述X射线检测系统(5)形成的总成围绕样品(E)的所述支撑件(4)可旋转地安装的情形中，检测所述第二X射线束F'并且将所述第二X射线束F'转换成第二电信号(Selec_sample_i)，对于N个给定位置(1、...、i、...N)，所述N个给定位置是所述样品(E)的位置(所述位置各自对应样品(E)的所述支撑件(4)的给定旋转)，或者是由所述X射线源(2)和所述X射线检测系统(5)形成的所述总成的位置，
e/由所述电子处理单元(6)针对N个位置中的每一者接收所述第二电信号(Selec_sample-i)并且对所述第二电信号(Selec_sample-i)进行处理，从而针对所述N个位置中的每一者产生至少一个第二图像(Isample_i(x,y)),
f/由所述电子处理单元(6)根据所述至少一个第一图像(lref(x,y))和所有第二图像(lsample-i(x,y))产生至少一个图像，所述至少一个图像选自三维透射图像、在与和来自所述X射线源(2)的所述X射线的所述主方向垂直的平面正交和平行的两个方向上的微分相位的梯度的三维图像、所述相位的三维图像、以及所述样品(E)散射的三维图像。
15.根据权利要求13和14中的一项所述的方法，其特征在于，产生多个第一图像(lref(x,y))和多个第二图像(Isample(x,y))并且由所述电子处理单元(6)对所述多个第一图像(lref(x,y))和所述多个第二图像(Isample(x,y))进行组合以产生至少一个二维或三维图像，所述至少一个二维或三维图像选自透射图像、在正交且与和来自所述X射线源(2)的所述X射线束的所述主方向垂直的平面平行的两个方向上的微分相位的梯度的图像、所述相位的图像、以及所述样品(E)散射的图像。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法是一种在时间间隔T期间用于对样品(E)中包含的结构进行时间跟踪的方法，所述方法包括以下步骤：
a/将所述空间强度调制器(3)暴露于来自所述X射线源(2)的X射线束，
b/在所述装置(1)的所述第一配置中，检测所述第一X射线束F并且将所述第一X射线束F转换成第一电信号(Selec_ref)，
c/接收所述第一电信号(Selec_ref)并且对所述第一电信号(Selec_ref)进行处理以产生至少一个第一图像(lref(x,y))，
d/针对多个N个时刻ti进行检测，i是包含在时间间隔T中的包括在1与N之间的整数，并且将所述第二X射线束F'转换成多个N个第二电信号(Selec_sample_i)，对于i介于从1到N的范围内，
e/由所述电子处理单元(6)接收所述N个第二电信号(Selec_sample_i)并且对所述N个第二电信号(Selec_sample_i)进行处理(对于i介于从1到N的范围内)，以产生N个第二图像(Isample(x,y))，
f/由所述电子处理单元(6)从所述至少一个第一图像(lref(x,y))和N个第二图像(Isample_i(x,y))产生N个连续图像(ldef_i(x,y))的序列，所述N个连续图像(ldef_i(x,y))为透射图像、在与和来自所述X射线源(2)的所述X射线的所述主方向垂直的平面正交和平行的两个方向上的微分相位的梯度图像、所述相位的图像、或所述样品(E)散射的图像。
17.根据权利要求16所述的方法，其中产生多个第一图像(lref(x,y))和多个第二图像(Isample_i(x,y))并且由所述电子处理单元(6)对所述多个第一图像(lref(x,y))和所述多个第二图像(Isample_i(x,y))进行组合以产生N个连续图像(ldef_i(x,y))的至少一个序列，对于i介于从1到N的范围内，所述N个连续图像(ldef_i(x,y))为透射图像、在与和来自所述X射线源(2)的所述X射线的所述主方向垂直的平面正交和平行的两个方向上的微分相位的梯度图像、所述相位的图像、或所述样品(E)散射的图像。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：对N个连续图像(ldef_i(x,y))的所述至少一个序列进行处理以获得所述样品(E)的所述结构的弹性成像数据。
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