TWI552727B

TWI552727B - 成像系統

Info

Publication number: TWI552727B
Application number: TW102142336A
Authority: TW
Inventors: 呂慧歆; 郭俊麟; 王維新; 陳廷軒; 郭宗德
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2016-10-11
Also published as: TW201424695A

Description

成像系統

本揭露是有關於一種成像系統，且特別是有關於一種X射線相位對比成像系統。

X射線(即X光)醫療影像是一種非侵入式檢查人體體內結構的方法，可快速得知受檢者的解剖學方面的資訊(如骨骼、臟器與軟組織的形狀結構)而可不必透過實際解剖或組織切片，藉此作為醫學診斷的依據之一。

以往的X射線影像使用頻率較高的能量範圍，對於骨骼與軟組織之間的辨識能力極佳，因此常用於骨骼照影。但由於軟組織的成分組成在身體各部位的差異並不大，因此軟組織之間的組成差異若以骨骼造影的X射線能量範圍進行照影，影像差異不大而使得軟組織成像不易分辨，難以作為醫學診斷軟組織的依據。

然而，近年來在X射線影像數位化後，使用X射線對軟組織進行照影變為可行的技術。這是利用不同能量範圍的X射線對骨骼與軟組織的衰減程度不同，進而使用雙能X射線系統以取得兩個不同能量範圍的X射線所分別拍攝的人體部位，再行訊號處理，進行區分軟硬組織(或顯影劑或植入物)之影像。由於不同能量範圍的X射線對骨骼的衰減差異很大，而對軟組織的差異不大，透過雙能X射線系統後續的影像處理，可增進影像中軟組織的可辨識度，進而有利於輔助醫學診斷。相位對比X光成像技術為另一增強低原子序物質或軟組織的成像技術，利用高同調性的光源或是使用光柵，使X光光子通過物質產生偏折的相位差資訊在影像上呈現對比增強的效果。在臨床或工業上有助於提升低原子序物質的影像對比。結合雙能量與相位對比的成像技術將可對樣本進行非破壞性檢測同時，提升低原子序物質影像對比度，進而分析物質成分之功用。惟，此舉需以兩組光學系統以兩次分別接收不同能量的X射線，不但增加裝置的製造成本，且對受測者需以兩次以上的X射線曝光，不僅容易對受檢者的健康產生影響，更可能會因為兩次前後拍攝間受檢者的移動而產生影像差異，可能影響後續的影像處理而產生模糊或是殘影，進而影響醫學診斷。

本揭露提供一種成像系統，適於對待測物進行材料辨識(material discrimination)。

本揭露的成像系統，包括X射線源以及感測器。X射線源係可產生具有多能帶的多波長的X射線，其中X射線的多個能帶彼此間存在整數倍關係。待測物適於配置在X射線源與感測器之間。其中X射線經由照射待測物而傳送並被感測器所感測，且感測器的多個感測能帶對應於X射線的多個能帶。

基於上述，在上述實施例的成像系統中，藉由配置X射線源並使其提供具有多能帶的多波長X射線，且讓感測器的感測能帶能與X射線的多個能帶相互對應，因而能藉由相位對比而讓成像系統僅以固定的一種成像距離與光學系統構件，便能以單次曝光而達到同時解析多能帶的相位對比效果，據以提高待測物的成像邊緣對比，而有助於辨識待測物的材料組成。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、300、400‧‧‧成像系統

110‧‧‧第一光柵

120‧‧‧第二光柵

130、130A、410‧‧‧X射線源

132、412、412A‧‧‧本體

132a、412a‧‧‧開口

134、414‧‧‧電子槍

136‧‧‧夾持件

138、418‧‧‧靶材

140‧‧‧感測器

141、142、143、144‧‧‧子畫素

145‧‧‧畫素

146‧‧‧濾波材料

150‧‧‧第三光柵

200‧‧‧待測物

416‧‧‧電磁透鏡

A、B‧‧‧材料

e1、e2‧‧‧電子束

f1、f2、R1、R2‧‧‧距離

x1、x1a、x2‧‧‧X射線

圖1是依據本揭露一實施例的一種X射線成像系統示意圖。

圖2是圖1的成像系統中X射線源的示意圖。

圖3是圖1的X射線成像系統於X射線源處的X射線能譜圖。

圖4是圖1的X射線成像系統中感測器所感測之X射線能譜圖。

圖5與圖6分別是以不同能帶的X射線所形成的相位對比造影圖像。

圖7與圖8分別是以不同實施例繪示靶材的側視圖。

圖9至圖11分別以不同實施例繪示圖6靶材的俯視圖。

圖12是圖1的成像系統中感測器的局部放大圖。

圖13是不同材料對於X射線各能帶透射強度變化的光譜圖。

圖14繪示本揭露另一實施例的成像系統的示意圖。

圖15為本揭露另一實施例的一種成像系統的示意圖。

圖16是圖14的成像系統中X射線源的示意圖。

圖17為本揭露另一實施例的X射線源的示意圖。

圖1是依據本揭露一實施例的一種X射線成像系統示意圖。圖2是圖1的成像系統中X射線源的示意圖，在此僅繪示部分構件作為等效表示。圖3是圖1的X射線成像系統於X射線源處的X射線能譜圖。圖4是圖1的X射線成像系統中感測器所感測之X射線能譜圖。請同時參考圖1至圖4，在本實施例中，成像系統100包括X射線源130、第一光柵110、第二光柵120與感測器140，其中待測物200適於配置在X射線源130與感測器140之間，且第一光柵110配置在待測物200與感測器140之間，而第二光柵120配置在第一光柵110與感測器140之間。X射線源130為特性輻射(Characteristic Radiation)且用以產生具有多能帶多波長的X射線(multienergy polychromatic x-ray)x1，X射線依序經由待測物200、第一光柵110與第二光柵120傳送並被感測器140所感測。圖中所示X射線x1僅作為代表。

據此，本實施例的成像系統100具備已知技術中雙能X 射線源所具有之特性，即其能用以區分不同原子序物質的材料，而藉其解決現有以吸收方式但無法區分低原子序或原子序相近的物質，以期成像系統100在生醫造影的應用上能作為區分軟、硬組織之用。再者，利用前述光柵110、120所形成之光學系統，而使本實施例的成像系統100能以相位對比的方式增強物質造影後的影像對比，以解析待測物200的物質組成。更重要的是，本實施例的X射線x1為具有多能帶的多波長X射線，並同時對應能解析相應能帶的感測器140，因而能簡化現有雙能相對對比系統的元件組成與照射步驟，亦即僅以一組固定的光學系統(即依據其中一波長而進行光學設計，以此確定前述光柵110、120的光學特性及固定的成像距離)以及單次曝光造影，便得以解析出待測物200的物質組成，並有效地避免現有技術中需以不同光柵(以對應不同能量的波長)與多次曝光造影而帶來的不便與安全性的考量。

進一步地說，本案的感測器140能解析多個感測能帶，且這些感測能帶分別對應於前述X射線x1的多個能帶。如圖3、圖4所示，在本實施例的多波長X射線x1中選擇至少二能帶E₁與E₂，能帶E₁與E₂例如分別是40keV與80keV。且各能帶的峰值半高寬(Full Width at Half Maximum，FWHM)為小於等於30%，而所述多個能帶彼此間存在整數倍關係，E₂=n˙E₁(n為整數)，即較大能量中心波長相對於較小能量中心波長呈整數倍。在本實施例中，E₁與E₂是40keV與80keV，n係為2。對應地，感測器140所能解析的能帶亦對應於X射線源130的能帶分佈，即同樣是前述E₁(40keV)與E₂(80keV)的能帶(即同X射線源130處的能譜對應，亦存在整數倍的關係)。如此一來，X射線x1的多個能帶均能被感測器140所感測，因而得以僅以一組光學設計與單次曝光造影便能達到所欲的相位對比成像效果。在此僅以兩個能帶E₁ keV與E₂ keV作為代表進行描述，於其他實施例中亦選擇多能帶X射線x1但同樣需符合前述較大能量波長相對於最小能量波長呈整數倍之關係，例如10keV、20keV與30keV。

圖5與圖6分別是以不同能帶的X射線所形成的相位對比造影圖像。在此以生物骨骼、肌肉與兩者間的軟骨組織作為待測物，其中圖5是以能帶40keV與80keV造影後進行影像處理而產生的圖像，圖6是以能帶40keV與140keV造影後進行影像處理而產生的圖像。由圖像可明顯得知，當所採X射線的能帶呈整數倍時，其對於軟、硬組織所產生分離的效果較未呈整數倍時明顯(亦即圖6尚未能明顯將軟組織與骨頭分離)。

換句話說，在本實施例的光學設計中，前述第一光柵110與第二光柵120及與其相關的光學特性會與光源的波長有關。在本實施例中，第一光柵110狹縫間距(pitch)為p1，X射線的中心波長為λ，且第一光柵110與第二光柵120之間的距離為f2，則f2=n*(p1)²/λ(n為整數)，亦即，在X射線x1的能量波長為整數倍的狀態下，成像距離f2並不需要隨著X射線x1的波長更動，而使X射線x1進行單次曝光即能產生建設性干涉的影像。

請再參考圖2，在本實施例中，X射線源130包括本體 132、電子槍134、夾持件136與靶材138。本體132具有開口132a，電子槍134適於射出電子束e1，靶材138為複合材料靶材，其配置於本體132內且鄰近於開口132a處，且靶材固設於夾持件136上並隨著夾持件136轉動或固定於一位置。據此，電子槍134所射出之電子束e1衝擊靶材138後得以形成X射線x1經由開口132a射出本體132。在本實施例中僅以固定靶材的反射式X射線源作為代表進行描述。在其他實施例中，夾持件136與靶材138亦可為旋轉式，其中旋轉式靶材有助分散電子束e1撞擊靶材138時產生的高溫高熱。於另一未繪示的實施例中，X射線源亦可以為穿透式靶材之X射線源，其本體的開口位置位於靶材之後而與電子槍呈一直線。後續將於圖17的實施例中予以說明。

值得一提的是，本實施例藉由複合材料靶材而得以產生前述具多能帶的多波長X射線。複合材料靶材包含至少兩種不同的材料，為了要形成具有整數倍關係的多能帶多波長X射線，靶材材料的選擇需經過搭配，表一係為靶材材料與材料經過電子束撞擊後所產生X射線的能帶關係。

由上表一可以得知，在一實施例中，若是要產生2倍關係的X射線，可選用鈧與銅、鎵與鉬、鉬與鈰……等之組合。若要產生三個能帶以上的X射線，三種不同的靶材亦可選擇鎵、鉬與銻或是鎵、鉬與鈰……等之組合，要注意的是，三種靶材材料以上時，只要與選用靶材材料中產生的最小X射線能帶成整數倍關係即可，不需兩兩皆成整數倍關係。簡而言之，靶材材料的選用需與其經過電子束撞擊後所產生X射線的能帶相互成整數倍關係。

在此，圖7與圖8分別是以不同實施例繪示靶材的側視圖，其中如圖7所示，靶材是以不同材料A、B所層疊或鑲嵌而成，例如以多層鍍膜所製成。另，圖8的靶材則是以不同材料A、B彼此交錯地結合而成。由此得知本揭露並不限於材料堆疊的方式，其可以水平或垂直的方式為之。

再者，圖9至圖11分別以不同實施例繪示圖6靶材的俯視圖。由圖9至圖11能明顯得知，彼此交錯結合的靶材可以如圖9、圖10所示，是以不同外型輪廓的材料A、B而呈同心環狀排列，亦可如如圖11所示，是以不同材料A、B彼此呈矩陣排列而成。據此，設計者能針對所需材料測試條件而對複合材料靶材予以適當地配置。

圖12是圖1的成像系統中感測器的局部放大圖。感測器140用以直接感測經過待測物200與光學系統的X射線x1並對其進行轉換，感測器140的每一個畫素(pixel)145具有多個子畫素(sub-pixel)141至144，在本實施例中，單一畫素145可分為4個子畫素，但並不以此為限。在子畫素141至144中，至少一子畫素設置有濾波材料146(如圖12所示，子畫素141、144設置有濾波材料146)，其用以濾波的能量對應於X射線x1的其中一個能帶(即對應於靶材138的材料)。詳細來說，以X射線x1具有二個能帶為例，未設置有濾波材料146的子畫素142與143能夠接收X射線x1的二個能帶，而子畫素141與144因設置有濾波材料146，當X射線x1的多個能帶進入到子畫素141與144時，會被濾波材料146吸收其中一個能帶，僅另一能帶的X射線x1進入到子畫素141與144，因此子畫素141與144便能感測而產生單一能帶的影像訊號，而子畫素142與143能感應產生具有兩個能帶的影像訊號，當進行訊號解析時，亦可將子畫素142與143產生的兩能帶影像訊號與子畫素141與144產生的單一能帶影像訊號相減，即可取得另一能帶的影像訊號，如此，便可達到多能量的解析的效果。在其他實施例中，亦可在子像素141至144中皆設置不同的濾波材料146，以針對多能帶的X射線x1中的每一能帶進行濾波。要注意的是，濾波材料146的選用會與靶材138的材料相互匹配，即濾波材料146需能夠吸收複合式靶材138產生的多能帶X射線x1至少其中一能帶。以下舉例說明：圖13係為不同材料對於X射線各能帶透射強度變化的光譜圖。由圖13中可知，釤(Sm)在X射線能帶約25至35keV時，具有良好的透射強度，因此，當選用靶材材料為銻(Sb)時，可選擇釤(Sm)作為濾波材料146。鈰(Ce)在X射線能帶約30至40keV時，具有良好的透射強度，因此，當選用靶材材料為銻(Sb)或鈰(Ce)時，可選擇鈰(Ce)作為濾波材料。鉺(Er)在X射線能帶約50至60keV時，具有良好的透射強度，因此，當選用靶材材料為釓(Gd)或鐿(Yb)時，可選擇鉺(Er)作為濾波材料。

另，於一未繪示的實施例中，感測器140亦可為光子計數感測器(photon counting detector)，其同樣能達到解析多能帶X射線的效果。

圖14繪示本揭露另一實施例的成像系統的示意圖。與上述實施例不同的是，本實施例的X射線源130A是用以產生制動輻射(Bremsstrahlung)為主，例如是以鎢(W)作為靶材。據此，成像系統300還包括第三光柵150，其中第三光柵150係為零階光柵，例如為矽光柵，配置在X射線源130A與待測物200之間。在此，第三光柵150用以窄化從X射線源130A產生之X射線x1a的能帶寬度。同時於光學設計上，第二光柵120的狹縫間距為p2，第三光柵150的狹縫間距為p0，則p0=p2/f2=n*λ*p2/(p1)²。如前所述，在X射線x1a的能量中心波長為整數倍的狀態下，成像距離f1、f2並不需要隨著X射線的波長更動，而使X射線x1a進行單次曝光即能產生建設性干涉的影像。

於另一未繪示的實施例中，為達與上述同樣的窄化能帶的效果，亦可在X射線源的開口處鍍以一金屬膜層而使其達到與前述第三光柵150相等效果。換句話說，X射線源藉由在開口鍍製金屬膜層，以作為濾波器之用。

圖15為本揭露另一實施例的一種成像系統的示意圖。圖16是圖15的成像系統中X射線源的示意圖，且在此僅繪示部分構件以作為其等效示意。請同時參考圖15與圖16，與上述實施例不同的是，成像系統400的X射線源410為一微焦(microfocus)X射線源，其光點尺寸(spot size)小於50微米，因此得以省略前述實施例的光柵，但符合下述光學特性：X射線源410與待測物200之間的距離為R1，待測物200 與感測器140之間的距離為R2，則L_coh=λR1/s，L_shear=λR2*∣u∣/M，且L_shear/L_coh<<1，其中M=(R1+R2)/R1，λ為X射線的波長，s為X射線源410所產生X射線的光點尺寸，L_coh為X射線的空間同調長度(spatial coherence length)，L_shear為相位空間的裁切長度(phase-space shearing length)，u為待測物組成成分的結構空間頻率。同樣地，本實施例的X射線，其能量中心波長亦需存在相互為整數倍的狀態，因此成像距離R1、R2僅需針對最小能量中心波長調整，而不需要隨著X射線的波長更動，便能使X射線進行單次曝光即能產生建設性干涉的影像。同樣地，感測器140亦需能解析對應X射線的多能帶並呈整數倍關係，在此不再贅述。

請參考圖16，為形成微焦X射線，本實施例的X射線源410包括本體412、電子槍414、電磁透鏡416與418靶材，其中本體412具有開口412a，電子槍414配置於本體412內且相對於開口412a。電磁透鏡416配置於本體412內且位在電子槍414與開口412a之間。靶材418為複合材料靶材，其配置於本體412內且鄰近於開口412a處。據此，電子槍414所射出之電子束e2經由電磁透鏡416聚焦後撞擊靶材418，而得以產生X射線x2經由開口412A射出本體412。另，圖17為本揭露另一實施例的X射線源的示意圖，其僅將圖16所示的反射式X射線源變更為穿透式靶材之X射線源，本體412A的開口位置位於靶材418之後而與電子槍414呈一直線，而同樣能達到前述之效果。

綜上所述，在本揭露的上述實施例中，成像系統藉由配置X射線源並使其提供具有多能帶的多波長X射線，其中X射線的多個能帶間係成倍數關係，與感測器的解析能帶均個別成整數倍關係且相互對應，因而讓成像系統僅需以其中一能量波長對應設計光學系統，便能以單次曝光而達到同時解析多能帶的相位對比效果，據以提高待測物的成像邊緣對比，而更有助於辨識待測物的材料組成。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧成像系統

110‧‧‧第一光柵

120‧‧‧第二光柵

130‧‧‧X射線源

140‧‧‧感測器

200‧‧‧待測物

f2‧‧‧距離

x1‧‧‧X射線

Claims

一種成像系統，適於對一待側物辨識其材料組成，該成像系統包括：一X射線源，係可產生具有多能帶多波長的一X射線，其中該X射線的該些能帶彼此間存在整數倍關係；以及一感測器，該待測物配置在該X射線源與該感測器之間，其中該X射線經由照射該待測物而傳送並被該感測器所感測，且該感測器的多個感測能帶對應於該X射線的該些能帶。
如申請專利範圍第1項所述的成像系統，其中該X射線的各能帶的峰值半高寬為小於等於30%。
如申請專利範圍第1項所述的成像系統，其中該X射線源包括：一本體，具有一開口；一電子槍，適於射出一電子束；以及一靶材，係為複合材料靶材，配置於該本體內且鄰近於該開口處，該電子槍產生射出之該電子束經由該電磁透鏡聚焦後撞擊該複合材料靶材，以產生該X射線從該開口射出該本體，其中，該靶材包含至少兩種不同的材料，該些材料需與其經過該電子束所後所產生該X射線的該些能帶相互成整數倍關係。
如申請專利範圍第3項所述的成像系統，其中該電子槍係配置於該本體內且相對於該開口，且該X射線源更包括一電磁透鏡，配置於該本體內且位在該電子槍與該開口之間。
如申請專利範圍第4項所述的成像系統，其中該本體的該開口位置位於該靶材之後而與該電子槍呈一直線。
如申請專利範圍第3項所述的成像系統，其中該些材料彼此層疊或交錯地結合而成。
如申請專利範圍第1項所述的成像系統，其中X射線源為微焦(microfocus)光源。
如申請專利範圍第7項所述的成像系統，其中該X射線源的光點尺寸(spot size)小於50微米。
如申請專利範圍第1項所述的成像系統，其中該感測器的每一個畫素具有多個子畫素，且該些子畫素至少其中之一設置有一濾波材料，該濾波材料用以濾波的能量對應於該X射線的該些能帶至少其中之一。
如申請專利範圍第1項所述的成像系統，其中該感測器為光子計數感測器(photon counting detector)。
如申請專利範圍第1項所述的成像系統，還包括：一第一光柵，配置在該待測物與該感測器之間；以及一第二光柵，配置在該第一光柵與該感測器之間，其中X射線依序經由該待測物、該第一光柵與該第二光柵而傳送並被該感測器所感測。
如申請專利範圍第11項所述的成像系統，其中該X射線為制動輻射(Bremsstrahlung)，而該成像系統還包括：一第三光柵，配置在該X射線源與該待測物之間，該第三光柵用以窄化從該X射線源產生之X射線的能帶寬度。