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专利名称：包括可位移x射线探测器元件的用于相称成像的设备和方法
技术领域：
本发明总体上涉及X射线图像采集。更具体而言，本发明涉及采用相称(phase-contrast)的图像采集。具体而言，本发明涉及ー种包括可位移X射线探测器元件的用于相称成像的设备、ー种X射线系统、ー种用于采集相称图像信息的方法以及在X射线系统、CT系统和断层摄影合成系统之一中使用用于相称成像的设备。
背景技术：
在X射线图像采集技术中，待检查对象，例如患者，位于X射线发生装置或X射线源(例如X射线管)与X射线探测器之间。X射线源在X射线探测器方向上产生扇束或锥束，这可能是采用准直元件实现的。位于X辐射路径中的待检查对象根据其内部结构在空间上 衰减X射线束。空间上被衰减的X辐射随后到达X射线探测器，其中确定X辐射的強度分布井随后转换成电信号，以供进一步处理和显示X射线图像。X射线发生装置和X射线探测器都可以安装在机架上，以绕着待检查对象旋转。通过提供一致的旋转，随后相对于待检查对象改变对准和取向来采集不同的X射线图像，可以获得对象内部形态的三维重建。不过，某种对象可能即使在对象内部的不同组织之内也仅有X辐射的少量衰减或衰减差异，从而获得具有低对比度的衰减相当均匀的X射线图像，从而不能区分待检查对象内部的単独元素。尽管对象之内的不同区域可能具有类似的衰减性质，但它们可能在更大程度上影响到穿透对象的X辐射的相位。于是，可以采用相称成像对通过待检查对象的X辐射、尤其是相干X射线的相位信息进行可视化。除了仅考虑X辐射的幅度衰减的X射线透射成像之外，相称成像不仅可以确定待检查对象沿投影线的吸收性质，而且可以确定透射X射线的相移。于是，探測到的相移可以提供额外信息，额外信息可用于增强对比度，确定材料成分，可能实现X辐射剂量的减小。由于不能直接測量波的相位，因此可以采用通过两个或更多波的干涉将相移转换成强度调制。在微分相衬成像中，使用锥束几何结构可能构成对X射线探测器元件有用大小的限制，尤其是在相位和/或吸收光栅以其沟槽平行于光轴而对准的时候。在距X射线源大约Im的距离，相位灵敏度相对于成像系统中心区域显著下降的点大约偏离光轴±3cm。对于ー些应用而言，例如，医疗成像应用、检查成像应用或安全成像应用，至少在ニ维X射线图像的ー个方向上低于6cm的视场，可能太�。�而在可行性上不合理。于是，可能希望在采用相称成像时增大视场。

发明内容
因此，提供了根据独立权利要求所述的ー种具有増大视场的用于相称成像的设备、ー种包括用于相称成像的设备的X射线系统、ー种用于采集相称图像信息的方法以及在X射线系统、CT系统和断层摄影合成系统之一中使用用于相称成像的设备。根据本发明的示范性实施例，提供了一种用于相称成像的设备，其包括X射线源、具有探測器大小的X射线探测器元件、第一光栅元件和第二光栅元件。对象能够布置于X射线源与X射线探测器之间，并且第一光栅元件和第二光栅元件也能够布置于X射线源与X射线探测器之间。操作性耦合第一光栅元件、第二光栅元件和X射线探测器，从而使得能够获得对象的相称图像。相称图像包括视场大于所述探測器大小的相称图像信息。X射线探測器元件能够位移，其中，通过使X射线探测位移，能够获得视场的相称图像。根据本发明的另ー示范性实施例，提供了ー种X射线系统，其包括根据本发明的用于相称成像的设备。根据本发明的另ー示范性实施例，提供了一种采集相称图像信息的 方法，其包括如下步骤在第一相位步进状态下采集第一相称图像信息，使X射线探测器元件相对于待检查对象和X射线源中的至少ー个移位、倾斜和/或旋转，并使第一光栅元件和第二光栅元件相对于彼此移位。采集第二相称图像信息，其包括第二相位步进状态。根据本发明的另ー示范性实施例，在X射线系统、CT系统和断层摄影合成系统中的至少ー个中使用根据本发明的用于相称成像的设备。为了获得X射线束的相位信息，可以采用干涉仪。优选地，相干X辐射通过待检查对象，随后到达X射线探测器。由于不能直接測量相位信息，因此可以采用两个或更多波前相长或相消交互的暗示，可能使得能够由X射线探测器探測到强度调制。通过在待检查对象和X射线探测器之间提供相移光栅或分束器光栅可以获得相应的干渉。X辐射通过分束器光栅，从而在分束器光栅之后获得干涉图样，包含X射线束之内其极小值和极大值的相对位置的相移的信息，即X射线束的相应局部強度。所得的強度图样包括具有通常大约数微米的距离的极小值和极大值。不过，X射线探测器可以仅包括大约 50到150 u m的分辨率，于是可能不能分辨所产生的干涉图样的相应精细结构。因此，可以采用相位分析器光栅或吸收器光栅，包括透射和吸收条带元件或沟槽区域和遮挡区域的周期性图样，其周期性类似于干渉图样。通过仅照射分束器光栅，即使在没有分析器光栅的情况下，也可以在分析器光栅的位置处产生干渉图样。因而，由于采用了 X射线探测器元件，可能仅需要分析器光栅，这不提供足够高的空间分辨率以直接探測干涉图样或分束器光栅的条纹。因此，可以采用分析器。在ー个相位步进位置，让条纹极大值通过探测器，在横向位移之后，该极大值可能在金沟槽中被吸收。通过分析器光栅的类似周期性，可以在X射线探测器的表面上在分析器光栅后方产生莫尔图样。相应的莫尔图样可能具有显著更大的周期性，于是可以被分辨率大约为50到150i!m的X射线探测器探測到。为了获得相称图像，尤其是为了获得微分相移，可能需要分析器光栅横向偏移，即在垂直于分析器光栅和分束器光栅两者的格栅或条带的方向上偏移光栅间距P的一小部分(大约为I Pm)，这些光栅被布置成基本上平行于光栅条带。例如，可以将从ー个光栅间隙或沟槽区域到随后的光栅间隙的位置改变大约例如4倍或8倍。可以将ー小部分的光栅间距P的相应横向偏移称为相位步进。于是，在単一的相位步进情况下通过光栅的X射线束包括単独相位步进状态。
可以从针对分析器光栅的每个位置，例如针对每个相位步进状态实测的相位步进期间在两个格栅后方在X射线探测器元件中观测到的強度调制提取出相移。由于X射线入射到光栅上的入射角，可以看到，相对于横向延伸到光栅的沟槽，偏轴位置越大，可见度越小。为了保证充分高的可见度，因而为了保证X射线探测器对X射线相位有充分高探測能力，可以将视场限制为约6cm的大�。�例如对于系统长度而言，X射线源和X射线探测器元件之间的距离约为lm，能量约为20-30kVp。可以看出，增大视场的ー个方案是移动X射线探測器，从而随后获得视场的多个子区域。由于对于X射线探测器的每个位置，可能需要相位步进，即，例如4或8次具有不同相位步进状态的单独图像采集，所以X射线探测器的相应移动、位移、倾斜或旋转与相应相位步进组合可能是很长的过程。视场至少在ー个方向或扩展(extension)上小于6cm,使用平面探测器的可能要求可以在相称成像中，例如微分相称乳腺摄影中受到限制。克服视场限制的方案可以是采用多片块(multi-tile)探測器，例如包括多个探测器元件(可能相对于探測器平面彼此倾斜)的探測器，和/或在视场上方扫描片块或探測器，从而采集多个后续图像，构成更大的视场。 在常规的吸收衬度投影成像中，在图像中叠加沿入射X射线方向的众多对象结构。这常�？赡苁谷范ǖザ澜峁垢丛踊�，从而减小相应X射线图像的可读性。通过在数个角视图上分布总的辐射剂量以改善关于对象内部结构的深度信息，可以实现图像质量的改迸。可以将相应的技术称为断层摄影合成。相应的系统可能需要在机架上布置X射线源和X射线探测器，以绕着待检查对象旋转。即使在相称成像中，单次投影也可以包括叠加的结构，从而也可以受益于断层摄影合成工作模式。因此，采用能够进行断层摄影合成的相称系统可以通过叠加解剖结构克服可读性减小的问题。在相称成像、尤其是微分相称成像中，需要充分大的条纹可见度，例如充分大的强度调制，这可能对X射线源和光栅之间的相对运动自由度带来限制。通常，仅可以允许X射线源沿着光栅沟槽进行相对移动。于是，通过在平行于光栅的硅格栅沟槽的方向上提供断层摄影合成移动，可以实现断层摄影合成和相称成像之间的兼容性。于是，可以看出有益的是，在垂直于光栅沟槽的平面之内测量的X辐射到光栅上的入射角在断层摄影合成扫描期间不会升高到一定水平以上。通过移动X射线探测器从而通过视场扫描X射线探测器来扩展视场可能需要针对视场之内的X射线探测器的每个位置进行相位步进。例如，在特定位置，可能需要4或8个图像采集步骤的相位步进，每个步骤都具有不同的相位步进状态。随后，可以使X射线探测器位移以采集视场中与视场之内先前布置基本相邻的子区，随后采用具有4或8个图像采集步骤的相位步进，以采集视场第二子区的相称图像信息。不过，可能不需要在X射线探测器自身扩展或宽度大小上使X射线探测器位移，而是可以使其仅位移X射线探测器或其用于X射线采集的有效面积扩展的一小部分，例如1/4或1/8，同时发生的相位步进不仅采集视场稍微不同子区(可能与先前子区重叠3/4或7/8)的X射线图像信息，而且还具有采用相称随后产生X射线图像信息所需的不同相位步进状态。可以由X射线探测器、分束器光栅或分析器光栅中的任ー个上，甚至可能在另ー源光栅上的额外平移元件来实现相应的位移。简单地使X射线探测器、分束器光栅和分析器光栅发生位移，而不改变各个元件彼此间的关系，可能导致无法采集图像信息进行相称成像。从实际的观点来看，例如，对于制造根据本发明的设备而言，光栅的沟槽可以优选垂直于X射线探测器的平坦表面。常规上，可以用硅晶片(silicon waver)制造分束器光栅和分析器光柵。对于分析器光栅，可能需要额外的电镀过程，以便用高吸收材料，例如金填充沟槽。该制造过程例如可以从施加钝化层开始，接着是蚀刻流程。钝化层覆盖的区域可以不受蚀刻过程影响，从而获得通常所需的沟槽图样。不过，可能难 以在与垂直于波形转换器表面的方向不同的方向上蚀刻沟槽。对于锥束X射线相称系统，蚀刻方向可能強烈取决于硅晶片上的位置，从而使得可以将沟槽集中到设计成稍后与X射线源位置重合的预定义位置。可以看出，在偏离光轴约6cm范围时，相应的布置尤其对减小结构可见度有责任。具体而言，X射线源和X射线探测器之间约Im的距离可能将探测器大小限制到约6cm，例如在大约20-30keV的情况下。为了克服探測器大小的相应限制，可以采用平铺式(tiled)探測器，可能包括相对于X射线源或X射线发生装置的焦斑彼此倾斜的各个探测器元件。可以将探測器元件的相应布置看作将各个探測器元件的表面法线取向成分别朝向X射线源及其焦斑，从而在其方向上，至少在垂直于光栅沟槽的ニ维截面中考虑时是如此。因此，可以将每个探测器元件看作具有其自己的単独光轴，该光轴指向X射线源并与其对准。可以将探測器大小限制为约6cm看作适用于每个单独探测器元件。不过，采用由至少两个或多个探测器元件构成的X射线探测器在片块或探測器元件之间的探測区域中引入了间隙。在间隙之内，无法执行图像采集。在X射线图像采集的特定领域，例如乳腺摄影应用中，要探測几十到100 的结构，由于X射线探测器元件之间间隙之内无法探测导致图像信息丢失可能是无法接受的。由于相称成像已经要求利用光栅的相对位置，于是利用単独相位步进状态，多次，例如4、8或9次测量从X射线源到探測器像素的每条几何射线，因此可以将相位步进与移动组合，移动例如是X射线探测器的位移、倾斜或旋转与相位步进的组合。通过采用相应的移动，于是每个几何阵列仅与平铺式探测器阵列的间隙重合一次，从而为每条几何射线提供充分多次的測量，用于相位复原和相称图像的后续产生。例如，在相位复原所需的探測器不同照射之间，探測器整体可以以焦斑作为旋转轴移动，尤其是朝向焦斑或X射线源傾斜，从而使得各个探测器元件的表面法线可以向X射线源的焦斑集中。通过调整探測器的旋转或移动，可以实现如下效果每条几何射线在整个采集期间仅与片块之间的间隙重合一次，于是对于整个探測器区域都可能进行相位复原，在图像采集之后不能看到探測器元件之间的间隙。例如，在通过相应旋转或移动采用每条几何射线需要N=S个单独相位步进状态的相位步进吋，如果针对每个步骤将探測器移动如下量，所有几何射线将被測量8次
「 _ 4 D+G其中，D是探测器宽度，G是间隙宽度。这样总共需要9次图像采集。此外，需要确保位移Ax大于间隙，这种要求容易满足，因为与间隙G相比，通常D更大D G。例如，可以通过实施下式来实现轻微的交叠A X ≥ 2G采集诊断质量的医疗图像通常需要无间隙地覆盖给定感兴趣对象周围的特定视场。可以通过采用大面积像素化探测单元，于是采用X射线探测器来自动实现这种覆盖，从而使得对于位于探测器或至少探测器像素覆盖的立体角之内的所有相邻的几何射线，成像信息都可用。这可能会是彼此相邻排列几个探测器元件的情況，尤其是可能包括间隙或间隔距离的情況。此后，可以将几何射线视为附着于感兴趣对象的參照系中的固定线。于是，几何射线可以是在ー种情况或图像采集步骤中与X射线探测器元件像素、像素行或像素列重合的固定视线。为了获得适当的图像信息，例如用于相衬成像，可能需要采集相同的几何射线，尤其是相对于X射线源和待检查对象的特定内部结构。进ー步考虑到X射线源及其相应焦斑之间的距离，相应几何射线尤其可以具有与X射线探测器元件像素的大小相关的维度外延。在采用相干X射线源时，可以有益地实施相称成像。不过，由于尤其可能仅通过例如同步加速器来提供相干X射线源，因此可以在X射线的射束路径中在X射线源和对象之间采用另一光栅，源光栅，用于产生多个单独相干X射线源。此外，还可以采用两个吸收光栅取代一个相位光栅和ー个吸收光栅来进行相称成像。于是也可能需要根据本专利申请的相位步进。而且，可能需要相对于移动X射线探测器元件动态地准直X辐射，以确保仅允许探测到的X辐射通过对象。此外，可以沿着X射线锥束的传播方向聚焦光栅片块的每个。在下文中，尤其參考用于相称成像的设备描述本发明的其他实施例。不过，这些说明也适用于X射线系统、用于采集相称图像信息的方法以及在X射线系统、CT系统和断层摄影合成系统中的至少ー个中使用用于相称成像的设备。也可以将对象布置于第一光栅元件和第二光栅元件之间，具体而言不至于分束器光栅和分析器光栅之间。应当指出，权利要求与尤其是所主张实体之间单个或多个特征的任意变化和互換是可以想到的，并在本专利申请的范围和公开之内。根据本发明的另ー示范性实施例，所述X射线探测器元件的位移可以包括绕所述X射线源和所述X射线源的焦斑中的至少ー个旋转。通过X射线探测器元件的旋转移动，X射线源和/或X射线源的焦斑相对于光栅元件的沟槽结构、尤其是沟槽结构侧壁的角度在采集相称图像信息期间保持基本相同。优选地，该角度相对于光栅元件的侧壁基本为零，至少相对于光栅元件的中心，X辐射的锥束或扇束直接平行于光栅元件的侧壁入射。根据本发明的另ー示范性实施例，分束器光栅和分析器光栅能够彼此相对位移，以提供相位步进，和/或分束器光栅和分析器光栅可以被布置成彼此平行并平行于X射线探測器元件。采用相位步进采集単独相称图像信息，例如相位步进期间的强度调制，可以允许重建待检查对象的内部结构的表不。分束器光栅和分析器光栅的位移优选使得在光栅ー个周期之内布置多个位移。尤其有益的是采用例如光栅周期的1/4或1/8的位移。根据本发明的另ー示范性实施例，X射线源能够相对于分束器光栅、分析器光栅和/或X射线探测器元件位移。此外，X射线源、分束器光栅、分析器光栅和X射线探测器元件可以绕着待检查对象旋转。可以将这样的位移看作定位X射线源和焦斑，以分别在相对于待检查对象及其内部形态的不同排列中产生X辐射。于是，通过相对于对象以不同方式布置X射线源，可以实现断层摄影合成图像采集。根据本发明的另ー示范性实施例，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件中的至少ー个可以包括沟槽结构，其中，所述沟槽结构可以包括分别平行于所述沟槽结构和沟槽的第一扩展，并且其中，所述X射线源的位移可以平行于所述第一扩展。
于是，至少对于单幅相称图像而言，可以在采集相称图像信息期间将X射线源和光栅元件侧壁之间的角度保持基本不变。根据本发明的另ー示范性实施例，所述X射线探测器元件能够从用于采集视场的第一子区的第一位置位移到用于采集视场的第二子区的第二位置，所述分束器光栅和所述分析器光栅能够彼此相对位移，以在第一位置处提供第一相位步进状态并且在第二位置处提供第二相位步进状态。換言之，在重新定位探測器元件和分束器光栅以及分析器光栅时，进ー步将分束器光栅和分析器光栅彼此相对地重新定位，可能相差分束器光栅和分析器光栅之ー的光栅周期的一小部分，以获得相位步进的差异，从而在第一位置处采集第一图像信息且在第二位置处采集第二图像信息时获得不同的相位步进状态以允许重建相称图像信息。根据本发明的另ー示范性实施例，该设备还包括至少两个X射线探测器元件、至少两个分束器光栅和至少两个分析器光柵。至少两个X射线探测器元件可以相邻布置并可以使其分开ー间隔距离，其可能构成至少两个探測器元件的探測器元件像素之间的间隙，从而构成可能无法采集图像信息的区域。所述至少两个X射线探测器元件的每个可以包括在所述X射线源方向上的表面法向矢量，并且在间隔距离中，无法采集图像信息。通过采用至少两个或多个X射线探测器元件，还可能采用多个彼此具有相应角度的分束器光栅和分析器光柵，可以增大包括至少两个探測器元件的X射线探测器的视�。�例如増大到6cm以上。至少两个分束器光栅和至少两个分析器光栅可以是单独元件，或者也可以相邻布置从而彼此连接。还可以想到，多个分束器光栅和分析器光栅之ー构成组合式元件，可能具有平行于至少两个X射线探测器元件的単独取向，其中其他多个分束器光栅和分析器光栅为彼此分开并与相应其他光栅分开的単独元件，以允许进行相位步进。具体而言，至少在平行于光栅沟槽的2维平面中，可以认为X射线探测器元件的每个的中心处的表面法向矢量指向焦斑。更优选地，可以提供具有圆柱形或球形的探測器元件、分束器光栅和/或分析器光栅，其中X射线源布置于焦点，从而与X射线探测器元件、分束器光栅和/或分析器光栅的表面距离相等。根据本发明的另ー示范性实施例，至少两个探測器元件的大小可以基本包括待采集图像的视场。
于是，通过用至少两个相邻布置的探測器元件提供X射线探测器(每个探測器元件例如具有6cm或更小宽度)，可以采集比单个探測器元件更大的视场的图像。于是，可以采集视场比通常相对于单独探测器元件的尺寸可允许的更大的图像。根据本发明的另ー示范性实施例，X射线源能够相对于待检查对象位移，而在X射线源的位移期间可以維持至少两个X射线探测器元件的表面法向矢量在X射线源方向上的取向。在使X射线源位移时维持X射线探测器元件在X射线源方向上的对准可以允许采集视场比单个探測器元件更大的断层摄影合成相称图像，例如，视场大于6cm，例如12、18、20,24或30cm。至少可以在垂直于光栅沟槽的ニ维平面中，从而在平行于表面法向矢量的平面中维持表面法向矢量在X射线源方向上的取向。 根据本发明的另ー示范性实施例，所述至少两个X射线探测器元件能够从用于采集第一相称图像的第一位置和/或取向位移到用于采集第二相称图像的第二位置和/或取向，并且其中，可以使至少两个第一光栅元件的每个和至少两个第二光栅元件的相应另ー个的每个彼此相对位移，以在采集所述第一相称图像时提供第一相位步进状态，并且在采集所述第二相称图像时提供第二相位步进状态。同样，通过提供两个光栅之ー的周期的一小部分的位移，在采集第一相称图像和第二相称图像时可以提供不同的相位步进状态。第一光栅的每个与相应的第二光栅元件相关联以采集相称图像信息。根据本发明的另ー示范性实施例，在采集两个不同相称图像之间可以使所述至少两个X射线探测器元件位移、倾斜和/或旋转，从而使得在间隔距离中无法采集的图像信息损失最小化，尤其是其中，在采集相称图像期间可以使至少两个X射线探测器元件位移、倾斜和/或旋转，从而使得每条几何射线最多落入探測器元件之间不可避免的间隙中。因此，可以移动两个探測器元件，从而使得在例如4或8个单独图像采集步骤中，在采用单独相位步进状态的相继次数的相称图像采集中，每条几何射线仅分别与至少两个探測器元件之间的间隙和间隔距离重合一次。換言之，如果需要8次针对每条几何射线具有不同相位步进状态的测量，则可能需要执行9次不同測量。于是，在为相应几何射线采用不同相位步进状态进行n次不同测量时，对于每条几何射线，至少可以获得n-1个不同測量值，以用于随后确定相称图像。根据本发明的另ー示范性实施例，该设备还可以包括源光柵。通过在X射线束的路径中在X射线源和对象之间提供源光栅，可以采用可能不相干的X射线源或至少部分不相干的X射线源，以用于相称成像。根据本发明的另ー示范性实施例，可以将步骤b和c重复预定义的次数，尤其是重复8次，从而构成采集周期，其中，在采集周期内每条几何射线可以与片块之间的间隙最多
仅重合一次。通过采用相应的采集周期，可以实现所采集的整个图像的基本均匀的信噪比。本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并參考其加以阐述。下文将參考以下附图描述本发明的示范性实施例。附图中的例示仅是示意性的。在不同附图中，为类似或相同的元件提供类似或相同的附图标记。附图未按比例绘制，不过可以描绘定性的比例。


图Ia-C示出了根据本发明的用于相称成像的设备的示范性实施例；图2示出了根据本发明的干涉图样的示范性实施例；图3a、b示出了根据本发明采集的示范性相称图像；图4示出了根据本发明的相对于探測器元件像素偏轴位置的干 涉条纹的示范性可见度；图5a、b示出了根据本发明的断层摄影合成的示范性实施例；图6a、b示出了根据本发明的包括多个探测器元件的X射线探测器的示范性实施例的三维和ニ维表示；图7a_d示出了根据本发明的焦斑相对于平铺式X射线探测器的示范性位移；图8示出了根据本发明的用于采集相称图像信息的方法的示范性实施例。附图标记列表I用于相衬成像的设备2X射线源4源光栅G05X 辐射6 对象7 光轴8分束器光栅/相位光栅G110分析器光栅/吸收器光栅G212 (a-e) X射线探测器(元件)14 焦斑16线性移动18 旋转20 间隙22a、b、c表面法向矢量30用于采集相称图像信息的方法32STEP :采集第一相称图像信息34a STEP :位移、倾斜和/或旋转X射线探测器元件34b STEP :使分束器光栅和分析器光栅彼此相对位移36STEP :采集第二相称图像信息
具体实施例方式现在參考图la-c，示出了根据本发明的用于相称成像的设备的示范性实施例。图Ia示出了用于相称成像的设备的示范性实施例的三维表示。与源光栅4相邻地布置相当大的X射线源2。由于可以认为X射线源2由于其相对于所发射辐射的波长的大小而是不相干的，因此采用源光栅GJ提供多个单ー相干X射线源，如图Ib中两个箭头所示。从X射线源2沿光轴7的方向发射X辐射5，其可能构成X射线的扇束或锥束。图Ia中未示出X射线束的相应形状。X辐射5到达对象6，穿透对象6，随后到达分束器光栅G1S15分束器光栅8的沟槽或间隙相对于分束器光栅的实体区域，即遮挡区域，改变通过的电磁辐射相位。因此，实现相移9，尤其是31。分析器光栅IOG2布置于分束器光栅G1S和X射线探测器12之间。源光栅和分束器光栅8之间的距离被示为1，而分束器光栅8和分析器光栅10之间的距离被示为距离d。从分束器光栅SG1沿X射线探测器的方向发射的多个波到达分析器光栅IOG2,随后在X射线探测器12的表面上产生强度调制图样(參见图2)。 通过相对于分析器光栅10偏移分束器光栅8，从而使得光栅彼此相对位移，尤其是位移光栅周期P1或P2的一小部分，可以由图像探測器12获得相位步进导致的多个强度调制，因为单独相位步进状态在单独相位步进之间是不同的，即G1相对于G2的对准。因此，通过多个莫尔图样，可以产生待检查对象的X射线图像。根据干涉仪设计中选择的Talbot次序，距离I可以大约为50-150cm，距离d可以大约为2-20cm。现在參考图lc，示出了光栅Gtl到G2的示范性截面。具体而言用金(Au)填充光栅Gtl和G2。可以通过蚀刻硅基材料以提供光栅的沟槽来实现光栅G1和G2。源光栅的光栅周期P。可以大约为200 ii m甚至更�。珿1的光栅周期P1示范性地可以为111，而G2的光栅周期P2可以示范性地为2 u m。现在參考图2，示出了根据本发明的干涉图样的示范性实施例。图2描绘出分束器光栅G1S和分析器光栅G2IO之间生成的干涉图样，展示了特征距离も、d2和d3的格栅的自成像效应(Talbot效应)。极小值和极大值的相对位置尤其可能取决于入射到分束器光栅G1上的波前相移。Cl1尤其可以是大约几厘米。如果单色平面波入射到分束器光栅上，这诱发f、尤其是n相移，则强度被分成两个主要衍射级，消除了零阶。干渉效应导致入射到G1上的波前在G1下游离散距离处的自成像效应。这种效应被称为Talbot效应。例如，在距离pl~2/8 A (lambda)处，将G1导致的入射波前的相位调制转换成具有双倍频率的强度调制。分析器光栅对这些调制采样并允许测量对象通过相位步进对X射线波前导致的相位梯度。现在參考图3a、b，描绘出根据本发明采集的示范性相称图像。在图3a中，通过相位步进，采用四个相位步骤，从而采用四个单独相位步进状态a_d，采集包括单独气泡的对象的示范性四幅图像。距离X1-X4涉及为了产生强度调制的光栅G1相对于G2的位移。从ろ-ち的完整移动在光栅G2的ー个周期之内(〈2 Pm)。沿着平行于光栅平面的方向X偏移吸收器格栅或分析器格栅ら10。可以从例如针对图3a中的四个采样位置X1-X4的测得强度调制的相移f 1-牝提取两个位置“ I ”和“2”处的波前相位差。现在參考图4，描绘出根据本发明的相对于探測器元件像素偏轴位置的干涉条纹的示范性可视性。可以从图4获取条纹可见度随着探測器像素偏轴位置的劣化。可以认为.5或更大的条纹可见度为图像生成和处理提供了合理的相称。根据在光栅中提供更深沟槽(例如35 u m)的光栅ら(參见图Ic)的光栅结构高度H2，在图4中提供了三种函数，相对于例如15 的较浅光栅深度H2实现了减小的偏轴可见度。从图4可以看出，两侧准直必须要低于6cm，于是Ax应当<3cm，由此将相称成像中、例如微分相称乳腺摄影中的平面探測器的有用大小限制到大约6cm。现在參考图5a、b，描绘出根据本发明的断层摄影合成的示范性实施例。图5a、b描绘出相称断层摄影合成的两种可能实现。在图5a中，采用X辐射5的锥束相对于对象6沿直线移动16使X射线源2或焦斑14位移，以用于采集通过对象6的不同X射线视图。移动16基本平行于用于相称成像的光栅沟槽,其未图5a、b中不出。由于X射线探测器12具有垂直于光栅沟槽的例如6cm的扩展，因此需要X射线探 测器通过视场FOV进行扫描移动以获得充分大的对象6的X射线图像。例如，在乳腺摄影应用中，可能需要典型为20X30或30X40cm的视场。在图5a中，可以认为X射线源2或焦斑14独立于X射线探测器12移动，X射线探測器12仅执行图5a中箭头所示的视场扫描移动。在图5b中可以看出另ー种实施。X射线源2/焦斑14和X射线探测器12例如都可以安装在机架上以绕着轴18旋转，因此绕着对象6旋转X射线源2和X射线探测器12两者。可以将相应的移动与计算层析成像系统中的规则移动比较。在图5b中，于是X射线管和X射线探测器同时绕对象6旋转。同样，要实施X射线探测器12在X射线探测器的每个单独位置上相对于视场扫描移动、相位步进的另ー种视场扫描移动，以用于采集相称信息。因此，X射线探测器12可以位移基本其扩展大�。�例如6cm，从而采用示范性的4、8或9个相位步骤提供相位步进图像信息采集，或者可以仅位移上述6cm的一小部分,例如其6cm扩展的1/4、1/8或1/9,同时伴随相位步进，以提供单独相位步进状态。为了以连续方式实施相位步进，例如，光栅G1可以比滑动臂的其他元件稍快地进行视场扫描移动，例如，通过探测器/G1Ai2布置上的额外平移元件。換言之，对于X射线探测器12的每次位移，例如，根据线性或旋转移动，将光栅G1位移同样距离或角度，加上额外的A值，以提供另一新的相位步进状态。现在參考图6a、b，描绘出根据本发明的包括多个探测器元件的X射线探测器的示范性实施例的三维和ニ维表示。在图6a中，描绘出包括示范性五个探测器元件12a_e的平铺式X射线探测器。X射线源2发射X射线5的锥束，在图6a的情况中，可以认为其基本构成了期望的视场。在单独探测器元件12a_e之间布置间隙20，其大小可能大约为Imm到100 y m。可以将典型分辨率，从而将X射线探测器元件像素大小视为50到250 u m。图6a中未示出的准直元件可以动态地准直扇束5，以基本对应于X射线探测器12的区域或当前位置。现在參考图6b，描绘出沿线A-A’的ニ维图像截面，其仅示出了探測器元件12b_d。间隙20布置于探测器12b和c之间，以及探測器元件12c和d之间。表面法向矢量22a、b、c沿焦斑2的方向，可能跨过焦斑2，布置于单独X射线探测器元件12b、c、d的每个表面上。单独探测器元件12b、c、d彼此倾斜角度a和P，这些角度尤其可以相等。图6a、b中未示出光栅GpG2以及可能的G。。在图6a、b中可以看出，布置探測器元件12a_e之间的间隙20，从而使得在间隙之内不能采集图像信息。现在參考图7a_d，描绘出根据本发明的焦斑相对于平铺式X射线探测器的示范性位移。
在图7a_7d中，线性地移动焦斑14/X射线源2，以根据图5a进行断层摄影合成采集。根据图5b进ー步旋转也是可行的。平铺包括单独探测器元件12a、b、c的X射线探测器12，从而使得単独X射线探测器元件12a、b、c的表面法向矢量(22a、b、c)向着X射线源2聚焦，同时X射线源2进行平移或线性移动。在相位复原所需的X射线探测器12的不同照射之间，相对于焦斑14移动、位移和/或倾斜探測器，尤其是以焦斑14作为旋转轴或倾斜轴。通过相应的旋转或傾斜，可以实现在整个采集期间每条几何射线与片块之间的间隙仅重合一次。因此，对于这里包括探測器12a、b、c的整个探测器区域都能够进行相位复原，在这样获得的图像中进行相位复原之后，随后间隙就看不到了。图7a_d中未示出光栅61、ら以及可能的Gtl，不过如前文所述，在单独图像采集7a、b、c、d之间的额外相位步进需要它们。根据图5b的旋转断层摄影合成移动也是可行的。现在參考图8，描绘出根据本发明的用于采集相称图像信息的方法的示范性实施例。在图8中，描绘出ー种用于采集相称图像信息的方法30，包括如下步骤在第一相位步进状态下采集32第一相称信息，相对于对象和X射线源中的至少ー个使34X射线探测器元件位移、倾斜和/或旋转，以及使分束器光栅和分析器光栅彼此相对位移，并在第二相位步进状态下采集36第二相称图像信息。可以针对总共例如9个具有不同単独相位步进状态的采集步骤，将步骤34a、b和36重复X次，例如8次，以实现完整的采集周期，其中在整个采集期间每条几何射线与片块之间的间隙最多仅重合一次。可以相继或同时进行相对于分析器光栅的X射线探测器元件的位移和分束器光栅的位移。应当指出，术语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词不排除多个。也可以组合结合不同实施例描述的元件。还应当指出，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
权利要求
1.一种用于相衬成像的设备(I)，包括 X射线源(2)； 具有探測器大小的X射线探测器元件(12)； 第一光栅元件(8，10);以及 第二光栅元件(8，10); 其中，对象(6)能够布置于所述X射线源(2)和所述X射线探测器元件(12)之间； 其中，所述第一光栅元件(8，10)和所述第二光栅元件(8，10)能够布置于所述X射线源(2)和所述X射线探测器元件(12)之间； 其中，操作性地耦合所述X射线源(2)、所述第一光栅元件(8，10)、所述第二光栅元件 (8，10)和所述X射线探测器元件(12)，从而使得能够获得所述对象(6)的相衬图像； 其中，所述设备(I)适于采集视场大于所述探測器大小的相称图像； 其中，所述X射线探测器元件(12)能够位移；并且 其中，通过所述X射线探测器元件(12)的位移，能够获得所述视场的相称图像。
2.根据前述权利要求所述的设备， 其中，所述X射线探测器元件(12)的位移包括绕所述X射线源(2)和所述X射线源(2)的焦斑中的至少ー个旋转。
3.根据前述权利要求之一所述的设备， 其中，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件是分束器光栅(8)和分析器光栅(10)之 其中，所述第一光栅元件(8，10)和所述第二光栅元件(8，10)能够彼此相对位移，以提供相位步进；和/或 其中，所述第一光栅元件(8，10)和所述第二光栅元件(8，10)被布置成彼此平行并平行于所述X射线探测器元件(12)。
4.根据前述权利要求之一所述的设备， 其中，所述X射线源(2)能够相对于所述第一光栅元件(8，10)、所述第二光栅元件(8，10)和/或所述X射线探测器元件(12)位移。
5.根据前述权利要求之一所述的设备， 其中，所述X射线源(2)、所述第一光栅元件(8，10)、所述第二光栅元件(8，10)和所述X射线探测器元件(12)能够绕所述对象(6)旋转。
6.根据权利要求4或5之一所述的设备， 其中，所述第一光栅元件(8，10)和所述第二光栅元件(8，10)中的至少ー个包括沟槽结构； 其中，所述沟槽结构包括分别平行于所述沟槽结构和沟槽的第一扩展；并且 其中，所述X射线源的位移平行于所述第一扩展。
7.根据前述权利要求之一所述的设备， 其中，所述X射线探测器元件(12)适于采集所述视场的子区；并且其中，在所述X射线探测器元件(12)能够从用于采集所述视场的第一子区的第一位置位移到用于采集所述视场的第二子区的第二位置时，使所述第一光栅元件(8，10)和所述第ニ光栅元件(8，10)彼此相对位移，以在所述第一位置处提供第一相位步进状态并且在所述第二位置处提供第二相位步进状态。
8.根据前述权利要求之一所述的设备，还包括 至少两个X射线探测器元件(12a_e)； 至少两个第一光栅元件(8，10);以及 至少两个第二光栅元件(8，10)； 其中，所述至少两个X射线探测器元件(12a-e)相邻布置； 其中，所述至少两个X射线探测器元件(12a-e)分开ー间隔距离； 其中，所述至少两个X射线探测器元件(12a-e)的每个包括在所述X射线源(2)的方向上的表面法向矢量(22a_c);并且 其中，在所述间隔距离中，无法采集图像信息。
9.根据权利要求8所述的设备， 其中，所述X射线源(2 )能够绕所述对象(6 )位移；并且 其中，在所述X射线源(2)的位移期间维持所述至少两个X射线探测器元件(12a_e)的所述表面法向矢量(22a-c)在所述X射线源(2)的方向上的取向。
10.根据权利要求8或9之一所述的设备， 其中，所述至少两个X射线探测器元件(12a_e)能够从用于采集第一相称图像的第一位置和/或取向位移到用于采集第二相称图像的第二位置和/或取向，并且 其中，使所述至少两个第一光栅元件(8，10)的每个和所述至少两个第二光栅元件(8，10)的相应另ー个的每个彼此相对位移，以在采集所述第一相称图像时提供第一相位步进状态并且在采集所述第二相称图像时提供第二相位步进状态。
11.根据权利要求8到10之一所述的设备， 其中，在采集两个不同相称图像之间使所述至少两个X射线探测器元件(12a_e)位移、倾斜和/或旋转，从而使得在所述间隔距离中无法采集的图像信息最小化，尤其是其中，在采集相称图像期间使所述至少两个X射线探测器元件(12a_e)位移、倾斜和/或旋转，从而使得每条几何射线与所述间隔距离最多重合一次。
12.—种X射线系统，其包括根据前述权利要求中的至少ー项所述的用于相衬成像的设备(I)。
13.ー种用于采集相称图像信息的方法(30)， a;在第一相位步进状态下采集(32)第一相称图像信息； b;相对于对象和X射线源中的至少ー个使X射线探测器元件位移、倾斜和/或旋转(34a)，并使第一光栅元件(8，10)和第二光栅元件(8，10)彼此相对位移(34b);以及c;在第二相位步进状态下采集(36)第二相称图像信息。
14.根据权利要求13所述的方法， 其中，将步骤b和c重复预定义的次数，尤其是重复8次，从而构成采集周期；并且 其中，在所述采集周期期间每条几何射线与片块之间的间隙最多重合一次。
15.在X射线系统、CT系统和断层摄影合成系统之一中使用根据权利要求I到11中的至少ー项所述的用于相衬成像的设备(I)。
全文摘要
本发明总体上涉及X射线图像采集技术。为X射线图像采集采用相称成像可以显著提高所采集图像的质量和信息内容。不过，仅可以在小的探测器区域中获得相称信息，对于特定X射线成像应用的充分大视场而言这可能太小。因此，提供了一种用于相称成像的设备，其可以允许采集增大的视场。根据本发明，提供了一种用于相称成像的设备(1)，其包括X射线源(2)、具有探测器大小的X射线探测元件(12)、分束器光栅(8)和分析器光栅(10)。能够在所述X射线源(2)和所述X射线探测器(12)之间布置对象(6)。能够在所述X射线源(2)和所述X射线探测器(12)之间布置分束器光栅(8)和分析器光栅(10)。操作性地耦合所述X射线源(2)、所述分束器光栅(8)、所述分析器光栅(10)和所述X射线探测器元件(12)，从而使得能够获得所述对象(6)的相衬图像。所述设备(1)适于采集视场大于所述探测器大小的相称图像。X射线探测器元件(12)能够位移，通过位移X射线探测器元件(12)，能够获得视场的相称图像。
文档编号G01N23/04GK102655809SQ201080055839
公开日2012年9月5日 申请日期2010年12月3日 优先权日2009年12月10日
发明者D·格勒, E·勒斯尔, G·福格特米尔, G·马滕斯, K·J·恩格尔, S·S·舒塞尔, T·克勒 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司