CN103079469A - 利用改善的采样的微分相位对比成像 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对象的微分相位对比成像。为了增加X射线成像***（2）的空间分辨率，探测器像素元件（8）的大小可以被认为是限制因素。相应地，增加用于相位对比成像的设备（38）的分辨率，而无需进一步降低个体像素元件（8）的面积。相应地，提供了利用改善的采样的相位对比成像的设备（38），其包括X射线源（4）、第一格栅元件G₁（24）、第二格栅G₂（26）以及包括多个探测器像素元件（8）的X射线探测器元件（6），每个探测器像素元件（8）具有像素面积A。待成像的对象（14）能够被布置在X射线源（4）与X射线探测器元件（6）之间。X射线源（4）、第一格栅元件G₁（24）、第二格栅元件G₂（26）和X射线探测器（6）能操作地耦合以用于对象（14）的相位对比图像的采集。第一格栅元件G₁（24）和第二格栅元件G₂（26）中的至少一个包括具有第一格栅跨度p₁的第一面积A₁和具有与第一格栅跨度不同的第二格栅跨度p₂的第二面积A₂。

Description

利用改善的采样的微分相位对比成像

技术领域

本发明总体涉及X射线成像技术。

更具体而言，本发明涉及微分相位对比成像。

具体而言，本发明涉及一种用于利用改善的采样的相位对比成像的设备、一种包括根据本发明的设备的X射线***以及根据本发明的设备在X射线***和CT***之一中的使用。

背景技术

当采集X射线图像时，待检查的对象，例如患者，被布置在X射线生成装置与X射线探测器之间。源自X射线生成装置的X射线辐射贯穿待检查的对象，随后到达X射线探测器。位于X射线辐射的路径中的待检查的对象对X射线束空间衰减，其取决于对象内的特定组织结构。X射线探测器随后通过确定X射线辐射的强度分布来探测经空间衰减的X射线辐射，采用所述图像信息以生成、进一步处理并且随后显示待检查的对象的X射线图像。

然而，待检查的对象可能在对X射线辐射进行衰减时仅提供微小的差异，得到具有低对比度的相对均匀衰减的X射线图像，由此缺少对象的被成像的内部结构的细节。

在对象内的特定对象或区域可以包括相似的衰减属性时，贯穿对象的X射线辐射的相位可能受到对象的结构的较大程度的影响。

在相位对比成像中，采用例如由被布置成邻近、接近例如X射线管的X射线源的源格栅生成的至少部分空间相干的X射线辐射。贯穿对象的相干X射线可以允许相位信息的随后的恢复（retrieval）。

然而，波的相位可能不是直接测量的，而是需要将相位偏移（shift）例如通过干涉两个或更多个波来转换成强度调制。

为了生成相应的干涉模式（pattern），采用所谓的相位格栅，其被布置在待检查的对象与X射线探测器之间。然而，通过仅采用相位格栅生成的干涉模式可能过小而不能够利用现有的X射线探测器探测到，因为缺少X射线探测器的空间分辨率。

由此，可以采用其他分析器格栅，其被布置在相位格栅与X射线探测器之间，随后提供干涉模式，其足够大从而能够被现有的X射线探测器探测到。

为了获得适当的图像信息，执行所谓的相位步进。在相位步进中，源格栅、相位格栅和分析器格栅之一被相对于其他格栅和X射线探测器元件横向位移其格栅跨度（pitch）的分数，例如，诸如相位格栅的格栅跨度的四分之一、六分之一、八分之一。如果使用特定的格栅执行相位步进，那么相位步进应当覆盖这一特定格栅的完整时段。

基于格栅的微分相位对比成像***的空间分辨率受到X射线源的焦斑的大小和单个探测器像素元件的大小的限制。

尽管微分相位对比成像可以在仅考虑衰减的透射X射线成像中提供增强的图像信息，这样获得的图像信息的空间分辨率可以被认为仍然受到个体探测器像素元件及其相应尺寸的限制。

由此，为了获得具有增加的细节的图像信息，所采集的微分相位对比投影的图像信息的改善或增强的空间分辨率可能是有益的。

在Optics Express 6296,2005年8月8日/vol.13,no.16上的WeitkampT.、Diaz A.、David C.等人的“X-ray phase imaging with a gratinginterferometer”以及在Proc of SPIE vol.762276220Q-1上的Bartl P.、DurstJ.、Haas W.等人的“Simulation of X-ray phase-contrast computed tomographyof a medical phantom comprising particle and wave contributions”这两篇文献中都描述了相位对比成像。

发明内容

本发明的一方面可以被视为提供用于克服直接取决于探测器像素元件的物理尺寸的空间分辨率的限制，由此提高超出探测器像素元件的实际尺寸的空间分辨率。这可以允许例如通过提高个体探测器像素元件的个体像素面积，在采用现有的X射线探测器或者在缓解对探测器的空间分辨率的需求时维持微分相位对比投影的空间分辨率的同时，来改善微分相位对比投影的空间分辨率。

相应地，提供了根据独立权利要求的用于利用改善的采样的相位对比成像、包括根据本发明的设备的X射线***以及根据本发明的设备在X射线***和CT***的至少一种中的使用。

可以从从属权利要求获得优选实施例。

具体而言，增加用于相位对比成像的设备的分辨率而无需进一步降低个体像素元件的面积将是有益的。

本发明的这些和其他方面从参考上下文描述的实施例将变得显而易见并得以阐述。

下文将参考附图描述本发明的示范性实施例。

附图中的图示说明是示范性的。在不同的附图中，为相似或相同的元件提供相似或相同的参考标记。

附图未按照比例绘制，然而，其可以描绘定性属性。

附图说明

图1示出了根据本发明的X射线***的示范性实施例；

图2示出了根据本发明的相位对比成像的装置的示范性细节；以及

图3示出了根据本发明的格栅装置的示范性细节。

附图标记列表

具体实施方式

本发明的一个方面可以被视为采用相对于每个探测器像素具有不均匀或变化的跨度结构的相位格栅和分析器格栅。具体而言，相位格栅和分析器格栅中的每个可以被视为分在两个个体面积中，其中每个个体面积对应于X射线探测器的单个探测器像素元件的面积和/或尺寸。

在对应于单个探测器像素元件的每个面积内，相位格栅和分析器格栅的格栅结构可以是非均匀格栅结构。所述非均匀格栅结构可以被视为采用针对每个探测器像素元件的至少两种个体格栅跨度。

每个格栅元件的格栅结构可以被视为包括个体屏蔽元件，每个个体屏蔽元件形成彼此间隔开的屏蔽区域，由此形成屏蔽元件之间的凹槽区域。优选地，凹槽区域和屏蔽区域两者都包括相同的宽度，由此凹槽区域和屏蔽区域或屏蔽元件是基本相同的尺寸。

邻近彼此布置的两个屏蔽元件之间的距离可以是指格栅的跨度。由此，格栅结构的跨度要么是凹槽区域的宽度加上屏蔽区域的宽度，或者，由于屏蔽区域和凹槽区域优选包括相同的宽度，格栅结构的跨度还等于凹槽区域或者屏蔽区域的宽度的两倍。

格栅的跨度还可以被是指格栅的周期性。

优选地，与单个探测器像素元件的面积或大小对应的格栅的面积或大小可以被平分，其中所述区域的每一半对应于单个探测器像素元件，所述单个探测器像素元件包括具有个体格栅跨度的个体格栅结构。换言之，一个探测器像素元件的面积的第一半被具有第一格栅跨度的格栅结构覆盖，并且一个探测器像素元件的所述面积的第二半被具有不同于第一格栅跨度的第二格栅跨度的格栅结构覆盖。

在具体实施例中，可以采用针对相位格栅G₁的两个不同的格栅跨度p₁和p₂，其中每个格栅跨度覆盖相应的面积A₁、A₂，即，单个探测器像素元件的像素面积A的一半。第一格栅元件、相位格栅G₁与第二格栅元件、分析器格栅G₂之间的距离可以经验性地选择作为与例如跨度p₁相关的跨度的第一分数Talbot距离。

n阶分数Talbot距离可以通过采用如下方程来确定：

$d_n=(2n-1)\·\frac{{p_1}^2}{8\·\mathrm{\λ}}$ 方程1

其中，λ是X射线源的限定设计能量处的波长，并且n是正整数。如果采用球面波，可能需要进一步的校正，其在本领域中是已知的。因此，第一分数Talbot距离等于：

$d_1=\frac{{p_1}^2}{8\·\mathrm{\λ}}$ 方程2

在采用精确的波长λ的情况下，无模糊的锐利限定的干涉模式以在分数Talbot距离处获得。

第二格栅跨度p₂可以被选择为：

$p_2={(2n-1)}^{-\frac{1}{2}}\·p_1$ 方程3

采用这样的第二格栅跨度也使得与跨度p₂相关的另一分数Talbot距离等于距离d。换言之，距离d是针对跨度p₁的Talbot距离以及针对跨度p₂的不同分数Talbot距离。

对于n=2的方程2和方程3，距离d构成针对跨度p₁的第一分数Talbot距离以及针对在相同设计能量处的跨度p₂的第三分数Talbot距离。

分析器格栅G₂还包括具有个体跨度q₁和q₂的面积A₁和A₂。p₁和q₁以及p₂和q₂的相应跨度可以优选由方程4来进行关联。

$q_i=p_i\·\frac{l+d}{2l};i=\mathrm{1,2};$ 方程4

每个个体面积A₁和A₂可以被认为在物理探测器像素元件上创建个体虚拟像素。

如果现在执行相位步进，第一虚拟像素上的强度变化可以被认为包括跨度p₁的时段，而第二虚拟像素上的强度变化包括跨度p₂的时段。由此，相应的两个虚拟像素的相位梯度可以被视为在不同的频率处被编码并且由此他们两者都可以从相位步进恢复。然而，可能必须增加在对相位进行相位步进期间采集的投影的最小数量，以允许获得两个虚拟像素所需的独立参数。

例如，利用两种不同的格栅跨度p₁和p₂，投影的最小数量可能需要从三种不同的相位步进状态增加到五种相位步进状态。换言之，当仅采用单个跨度时，相位格栅G₁和分析器格栅G₂相对于彼此的三种个体对准位置可以被认为足以获得图像信息，同时，当采用两种不同的格栅跨度时，可能必须采集五个独立的投影。

示范性地，面积A₁中强度调制可以通过如下方程进行建模。

方程5

其中，x是相位格栅G₁的位移，并且根据如下方程，相位

与面积A₁中的X射线波前的平均梯度

相关。此外，C₁与相位步进期间的平均强度相关，所述量与常规X射线透射图像相关。V₁与所谓的可见度函数相关，所述可见度函数受到X射线源的带宽、X射线束的空间相干、对象中的散射和其他效应的影响。

方程6

相应地，面积A₂中的强度调制能够通过如下方程建模：

其中，

方程7

随后，由个体探测器像素元件测量的总强度可以从如下方程获得。

方程8

两个感兴趣相位梯度由此可以在相位步进期间获得，因为它们是在不同的频率1/p₁和1/p₂中编码的。为了从相位步进恢复两个相位梯度，格栅G₁现在应当被移动至少覆盖p₁和p₂的更大的长度。

本发明的原理可以不仅仅限于将物理像素元件仅分成两个虚拟像素。相反地，通过采用其他的不同的格栅跨度，例如采用单个探测器像素元件的面积之内的三个不同的格栅跨度，生成三个虚拟像素。在这种情况下，可能需要采集七个个体投影。相应地，距离d等于所采用的特定分数Talbot距离或所有格栅跨度p₁、p₂、p₃、…p_n的距离可能是有益的，而重建多个虚拟像素要采集的个体图像的数量可以是2n+1。

此外，还能够想到选择针对虚拟像素的不同分数Talbot距离。具体而言，距离d还可以例如是例如针对跨度p₁的第三分数Talbot距离，并且例如针对跨度p₂的第五分数Talbot距离。然而，所述***对相位梯度的灵敏度可以被视为随着分数Talbot级（order）线性增加。为了实现针对不同虚拟像素的相似灵敏度，针对不同的虚拟像素采用相似的分数Talbot级可能是有益的。

现在参考图1，描绘了根据本发明的X射线***的示范性实施例。

在图1中，X射线***2被示范性地描绘为CT***2，其包括安装在机架10上的X射线源4和X射线探测器6，以允许X射线探测器6和X射线源4两者关于一轴进行旋转。

X射线源4生成源自X射线源4并且随后到达X射线探测器6的X射线辐射20。

支撑物12被布置在CT***2的机架10之内，用于支撑待检查的对象14。对象14能够被布置在X射线辐射20的路径中，以允许通过X射线探测器6由其个体探测器像素元件8来采集X射线图像信息。X射线探测器6被示范性地显示为探测器像素元件8的二维阵列。

包括显示器18的控制***16能够通信地耦合到X射线***2，用于控制图像采集过程，并且还用于提供用于之后在显示器18上显示所采集和重建的图像信息的手段。

在图1中描绘了用于微分相位对比成像采集的个体格栅元件。然而，从X射线管4到探测器元件6的X射线辐射20的路径的详细图示可以从图2获得。

现在参考图2，描绘了根据本发明的用于相位对比成像的装置的示范性实施例。

在装置38中，X射线源4被布置在源格栅22的附近，用于生成至少部分空间相干的X射线辐射20。源格栅22与相位格栅G₁ 24间隔开距离l。对象14被布置在X射线源4与相位格栅G₁ 24之间的X射线辐射20的路径中。具有均匀相位的波前28a被描绘为到达对象14处，同时描绘了由于在贯穿对象14时施加在波前上的相位偏移在波前内具有改变的相位关系的另一相位前28b。

随后，波前到达相位格栅G₁ 24，其被布置成与分析器格栅26间隔开距离d。距离d可以是针对格栅跨度p的分数Talbot距离。

分析器格栅G₂ 26能够相对于相位格栅G₁ 24进行位移32，以采集相位对比图像。然而，还能够想到位移源格栅G₀ 22或者相位格栅G₁ 24，而非分析器格栅G₂ 26。

穿过相位格栅G₁ 24和分析器格栅G₂ 26的X射线辐射20随后在X射线探测器元件6上生成干涉模式，其能够被探测器像素元件8探测到。

为了简明，在图2中，相位格栅G₁ 24被描绘为具有均匀跨度p，并且分析器格栅G₂ 26被描绘为具有均匀跨度q。然而，可以从图3获得关于相位格栅G₁ 24以及分析器格栅G₂ 26的详细图示说明。

现在参考图3，描绘了根据本发明的格栅装置的示范性细节。

在图3中，在格栅装置40中，描绘了单个探测器像素元件8的面积A以及相应地设定尺寸的相位格栅G₁ 24以及分析器格栅G₂ 26。应当理解，描绘的图3的装置可以具体而言针对X射线探测器6的每个单个探测器像素元件8进行重复。

探测器像素元件8的面积A被分成两个相似尺寸的面积A₁和A₂，对应于与相位格栅G₁ 24以及分析器格栅G₂ 26相对的不同跨度的面积。具体而言，A=A₁+A₂。

在面积A₁中，相位格栅G₁ 24包括跨度p₁并且分析器格栅G₂ 26包括跨度q₁，同时在面积A₂中，相位格栅G₁ 24包括跨度p₂并且分析器格栅G₂ 26包括跨度q₂。

相应跨度p₁、p₂、q₁、q₂的大小和尺寸可以根据下文的描述来确定。例如，p₁和q₂可以由下式相关联：

同时p_i和q_i可以通过相关联。

每个格栅包括屏蔽元件或屏蔽区域34，其具有中间凹槽区域36，其可以被认为构成屏蔽元件或屏蔽区域34之间的间隙。每个屏蔽区域24或凹槽区域36包括相应跨度p₁、p₂、q₁、q₂的一半，取决于相应屏蔽区域24和凹槽区域36被布置在哪一面积中。

而对于相位格栅G₁ 24，凹槽区域36可以基本上是相邻屏蔽区域34之间的空间或间隙，分析器格栅G₂ 26的凹槽区域36可以被通过电镀填充例如金的材料。

屏蔽区域34以及凹槽区域36可以具有相等的宽度，两者构成或相加成相位格栅G₁ 24和分析器格栅G₂ 26的相应面积A₁、A₂的相应跨度。

示范性地，分析器格栅26可以是能够平行于相位格栅G₁ 24位移32，用于执行相位步进。根据当前相位步进状态，可以将干涉模式投影到探测像素元件8上，或者投影在虚拟像素1 30a或虚拟像素2 30b的面积中。由于虚拟像素30a、30b两者被布置在相同的探测器像素元件8上，虚拟像素还经由相同的物理探测器像素元件8读出。探测器元件6由此可能不需要进行调整。

随后，所采集的图像信息可以相对于个体相位步进状态，即，相对于所采集的图像信息是否被认为属于虚拟像素1 30a或者虚拟像素2 30b，来进行整理。由此，通过被考虑到虚拟像素30a、30b的个体探测器像素元件8的多个读出值重建的图像信息可以具有至少在垂直于格栅结构的方向，即在垂直于屏蔽区域34和凹槽区域36的空间分辨率，其是探测器元件6自身的空间分辨率的两倍。

应当注意到，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”并不排除多个。同样地，不同实施例中的相关联的元件可以进行组合。

应当注意到，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种用于相位对比成像的格栅装置（40），包括：

第一格栅元件G₁（24）；

第二格栅元件G₂（26）；并且

其中，所述第一格栅元件（24）和所述第二格栅元件（26）中的至少一个包括：具有第一格栅跨度p₁、q₁的第一面积A₁，以及具有与所述第一格栅跨度p₁、q₁不同的第二格栅跨度p₂、q₂的第二面积A₂。

2.根据前述权利要求所述的格栅装置，还包括：

X射线探测器元件（6），其包括多个探测器像素元件（8），每个探测器像素元件（8）具有像素面积A；

其中，所述第一面积A₁和所述第二面积A₂相邻布置；并且

其中，所述第一面积A₁和所述第二面积A₂的大小对应于单个探测器像素元件（8）的所述像素面积A。

3.根据前述权利要求中的至少一项所述的格栅装置，其中，所述第一面积和所述第二面积具有相似的大小。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的格栅装置，其中，所述第一格栅元件（24）和所述第二格栅元件（26）中的至少一个包括针对每个像素元件的：具有所述第一格栅跨度p₁、q₁的所述第一面积，以及具有与所述第一格栅跨度p₁、q₁不同的所述第二格栅跨度p₂、q₂的所述第二面积。

5.一种用于相位对比成像的设备（38），包括：

X射线源（4）；以及

根据权利要求1至4中的一项所述的格栅装置（40）；

其中，待成像的对象（14）能够被布置在所述X射线源（4）与所述X射线探测器元件（6）之间；

其中，所述第一格栅元件（24）和所述第二格栅元件（26）能够被布置在所述X射线源（4）与所述X射线探测器元件（6）之间；

其中，所述X射线源（4）、所述第一格栅元件（24）、所述第二格栅元件（26）和所述X射线探测器元件（6）操作地耦合以用于所述对象（14）的相位对比图像的采集。

6.根据前述权利要求所述的设备，

其中，所述X射线源（4）适于发射具有限定波长的设计能量水平的X射线辐射（20）；

其中，所述第一格栅元件（24）和所述第二格栅元件（26）被间隔开距离d；

其中，距离d对应于所述限定波长的所述第一格栅跨度p₁和所述第二格栅跨度p₂中的一个的分数Talbot距离。

7.根据前述权利要求所述的设备，

其中，所述距离d对应于针对所述第一格栅跨度p₁和所述第二格栅跨度p₂两者的分数Talbot距离。

8.根据权利要求5至7中的至少一项所述的设备，

其中，通过如下方程将所述第一格栅跨度p₁与所述第二格栅跨度p₂相关联：

$p_2={\left(\frac{2m-1}{2n-1}\right)}^{\frac{1}{2}}\·p_1,$

其中，距离d是针对跨度p₁的(2m-1)级分数Talbot距离，并且

其中，距离d是针对跨度p₂的(2n-1)级分数Talbot距离。

9.根据权利要求5至8中的至少一项所述的设备，

其中，所述距离d是所述第一格栅跨度p₁的第一和第三分数Talbot距离以及所述第二格栅跨度p₂的第三和第四分数Talbot距离之一。

10.根据权利要求5至9中的至少一项所述的设备，

其中，所述第一格栅元件（24）和所述第二格栅元件（26）被基本平行地布置；并且

其中，所述第一格栅元件（24）和所述第二格栅元件（26）适于能够相对于彼此移动以提供相位步进。

11.一种X射线***，包括根据权利要求5至10中的一项所述的设备（38）。

12.根据权利要求5至10中的一项所述的设备在X射线***和CT***中的至少一种中的使用。

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