专利名称：放射线成像设备和图像处理方法
技术领域：
本发明涉及一种用于基于由被检体引起的放射线的相移来检测图像的放射线成像设备和一种用于在放射线成像设备中使用的图像处理方法。
背景技术：
放射线例如X射线根据构成物质的元素的重量(原子序数)以及物质的密度和厚度而衰减。通过利用这个衰减特性，在医疗诊断和非破坏检测中使用X射线作为用于检查被检体的内部的探测器。普通的X射线成像设备设置有用于发射X射线的X射线源和用于检测X射线的X射线图像检测器。被检体被置放在X射线源和X射线图像检测器之间。从X射线源发射的X射线被被检体衰减或者吸收并且然后入射在X射线图像检测器上。结果，使用X射线图像检测器检测到反映由被检体引起的X射线的强度变化的图像。物质的X射线吸收性能随着构成物质的元素的原子序数降低而降低。这引起不能在活体软组织或者柔软材料的X射线吸收图像中获得足够的对比度的问题。例如，构成人体的关节的软骨部分和包围软骨部分的滑液主要地由水构成，从而在它们的X射线吸收量之间存在很小的差异，这导致在对比度中的差异很小。 近来，已经活跃地研究了 X射线相位成像以解决以上问题。X射线相位成像被用于基于由X射线通过其的被检体引起的X射线的相移，而非强度改变，来获得图像(此后被称作相位对比图像)。X射线相位成像是基于以下事实对于X射线的相移成像的方法，即，当X射线在被检体上入射时，X射线的相移在幅度方面比X射线的强度变化更大。由此，即便被检体由在X射线吸收性方面具有很小的差异的成分构成，也获得了高对比度图像。作为一种类型的X射线相位成像设备，使用X射线泰伯(Talbot)干涉仪检测X射线的相移的X射线成像设备是已知的。X射线泰伯干涉仪使用两个衍射光栅和X射线图像检测器(例如见美国专利 No. 7，180，979 (对应于 TO2004/058070))。在X射线成像设备中，当从X射线源观察时，第一衍射光栅被置放在被检体后面。第二衍射光栅被以泰伯长度放置在第一衍射光栅的下游处。X射线图像检测器被置放在第二衍射光栅后面。泰伯长度是在第一衍射光栅和通过第一衍射光栅的X射线在此处由于泰伯(Talbot)效应而形成第一衍射光栅的自身图像(条纹图像)的位置之间的距离。泰伯长度由第一衍射光栅的光栅栅距和X射线波长确定。通过由于由被检体引起的相移所引起的、X射线的折射来调制自身图像。通过检测调制量而产生表示相移的图像。作为一种用于检测调制量的方法，条纹扫描方法是已知的。在条纹扫描方法中，第二衍射光栅沿着平行于第一衍射光栅并且垂直于第一衍射光栅的光栅线(栅线)的方向以预定扫描间距相对于第一衍射光栅以平移方式移动(扫描)。每次第二衍射光栅移动时，X射线源都发射X射线并且X射线检测器对于通过被检体以及第一和第二衍射光栅的X射线成像。从表示在扫描期间利用X射线图像检测器获得的各个像素的像素值的变化的强度调制信号计算相移值(从被检体不存在时的初始位置的相位差)。由此，与调制量有关的图像得以产生。被称作微分相位图像的图像反映被检体的折射率，并且对应于X射线的相移的微分值。如在美国专利No. 7，180，979中所公开地，使用用于提取复数的辐角的函数(arg[…])或者反正切函数(tad··])计算相移值。相应地，微分相位图像由被缠卷到函数的范围(I到+L或者1/2到+π/2冲的值表示。“缠卷”微分相位图像可以在值在此处从范围的上限改变为下限或者从其下限改变为上限的数据点处具有相位不连续点。执行相位解缠过程以消除相位不连续点并且使得值平滑地改变(例如，见日本专利特开公开No.2011-045655)。相位解缠过程从微分相位图像中的始点开始并且沿着路径顺序地执行。当在路径中检测到相位不连续点时，对应于上述函数的范围的值被添加到相位不连续点上及其后的各个数据或者被从其减去。由此，相位不连续点被消除，从而使得数据是连续的。当被检体包括具有高X射线吸收特性的身体部位例如骨部时,该身体部位显著地衰减X射线。这降低了强度调制信号的强度和振幅。在带有具有高X射线吸收特性的身体部位的区域中，相移值的计算准确度降低，这经常导致相位解缠误差。当在被错误地检测为相位不连续点的正常数据点上执行相位解缠过程时，相位解缠误差发生。当相位不连续点被错误地检测为正常数据点并且相位解缠过程未被执行时，相位解缠误差也发生。例如，当骨部处于相位解缠过程的路径上并且引起相位解缠误差时，误差值(对应于上述函数的范围)被添加到在路径上的随后的数据。这沿着相位解缠过程的路径的方向在微分相位图像中引起条带噪声。当条带噪声与软组织例如软骨部分重叠时，条带噪声阻碍是在X射线相位成像中感兴趣的区域的软组织的成像
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于校正相位解缠误差以获得不含条带噪声的微分相位图像的放射线成像设备，和一种用于校正相位解缠误差的图像处理方法。本发明的放射线成像设备包括放射线图像检测器、光栅单元、微分相位图像产生部、相位解缠部、统计运算部和校正处理部。放射线图像检测器检测从放射线源发射并且通过被检体的放射线，并且产生图像数据。光栅单元被置放在放射线源和放射线图像检测器之间。微分相位图像产生部基于利用放射线图像检测器获得的图像数据产生微分相位图像。微分相位图像具有被缠卷到范围α中的像素值。相位解缠部对于微分相位图像执行相位解缠过程。统计运算部由在相位解缠过程之后的微分相位图像中分割的每一个子区域中的像素的像素值的统计运算获得基准值。子区域是其中由相位解缠过程引起的误差将被校正的单元。校正处理部校正由相位解缠处理引起的误差。校正处理部对于子区域中的具有不同于基准值的像素值的每一个像素计算整数η。整数η允许在基准值和像素值之间的差值Δ满足ηα-α/2；^ Δ〈ηα+α/2。校正处理部从各个像素值减去η · α。优选的是，基准值是在子区域中的像素值的众数。优选的是，该放射线成像设备进一步包括用于基于在相位解缠过程之后的微分相位图像确定子区域的尺寸的尺寸确定部。优选的是，尺寸确定部基于在微分相位图像中的每一个预定区域中的平均像素值计算在微分相位图像中的像素值之间的最大变化量。优选的是，尺寸确定部基于在最大变化量和微分相位图像的尺寸之间的比率确定子区域的尺寸。优选的是，所述区域位于微分相位图像的四个分别的角部中。优选的是，尺寸确定部根据微分相位图像的尺寸的比率确定子区域的尺寸，以便在子区域中的像素值之间的变化量小于或者等于范围α。优选的是，尺寸确定部基于平均像素值计算沿着微分相位图像的宽度方向、长度方向和对角方向中的每一个方向在像素值之间的最大变化量。优选的是，尺寸确定部基于沿着宽度方向的最大变化量和沿着对角方向的最大变化量确定子区域的宽度。优选的是，尺寸确定部基于沿着长度方向的最大变化量和沿着对角方向的最大变化量确定子区域的长度。优选的是，子区域被定位以对整个微分相位图像进行分割。优选的是，相邻的子区域被定位成相互重叠。
优选的是，该放射线成像设备进一步包括存储部和偏移处理部。存储部存储在不存在被检体时捕获的微分相位图像作为偏移图像。偏移处理部从相位解缠误差得到校正的微分相位图像减去偏移图像。优选的是，光栅单元由第一光栅和第二光栅构成。第一光栅通过来自放射线源的放射线以形成第一周期图案图像，并且第二光栅部分地阻挡第一周期图案图像以形成第二周期图案图像，并且放射线图像检测器检测第二周期图案图像以产生图像数据。优选的是，光栅单兀设置有扫描机构。扫描机构以预定的扫描间距移动第一光栅或者第二光栅并且顺序地将第一光栅或者第二光栅置于每一个扫描位置。每次第一光栅或者第二光栅被移动到扫描位置之一时放射线图像检测器检测第二周期图案图像并且产生图像数据。微分相位图像产生部基于由放射线图像检测器产生的图像数据产生微分相位图像。优选的是，扫描机构沿着垂直于光栅线的方向移动第一光栅或者第二光栅。优选的是,扫描机构沿着相对于光栅线倾斜的方向移动第一光栅或者第二光栅。优选的是，微分相位图像产生部基于利用放射线图像检测器获得的单个图像数据产生微分相位图像。优选的是，第一光栅是以几何光学方式投射入射的放射线以产生第一周期图案图像的吸收型光栅。优选的是，第一光栅是吸收型光栅或者相位型光栅，并且第一光栅产生泰伯效应以产生第一周期图案图像。优选的是，该放射线成像设备进一步包括用于部分地阻挡来自放射线源的放射线以分散焦斑的多狭缝。本发明的一种图像处理方法包括解缠步骤、分割步骤、统计运算步骤、计算步骤、校正步骤和重复步骤。在解缠步骤中，对于具有被缠卷到范围α中的像素值的微分相位图像执行相位解缠过程。在分割步骤中，在解缠步骤之后将微分相位图像分割成子区域。各个子区域是其中相位解缠误差将被校正的单元。每一个子区域包含多个像素。在统计运算步骤中，由子区域中的像素的像素值的统计运算获得基准值。在计算步骤中，对于子区域中具有不同于基准值的像素值的每一个像素计算整数η。整数η允许在基准值和各个像素值之间的差值Λ满足ηα-α/2彡Δ<ηα+α/20在校正步骤中，从子区域中的不同于基准值的各个像素值减去η ·α以校正相位解缠误差。在重复步骤中，重复统计运算步骤、计算步骤和校正步骤直至相位解缠误差在每一个子区域中均被校正。优选的是，该图像处理方法包括用于基于在解缠步骤之后分割步骤之前的微分相位图像确定每一个子区域的尺寸的确定步骤。根据本发明，获得了不含由相位解缠误差引起的条带噪声的微分相位图像。附图简要说明当结合附图阅读时，从优选实施例的以下详细描述，本发明的以上和其它目的以及优点将是更加清楚的，其中贯穿数个视图地，类似的附图标记表示类似的或者相应的部分，并且其中
图1是X射线成像设备的框图；图2是X射线图像检测器的示意性视图；图3是第一和第二光栅的解释性视图；图4是示出强度调制信号的曲线图；图5是图像处理器的框图；图6是示出相位解缠过程的始点和路径的解释性视
图7是相位解缠过程的解释性视图；图8是示出相位解缠误差如何发生的解释性视图；图9是在相位解缠过程之后的微分相位图像的示意性视图；图10是通过实例示出如何确定子区域的解释性视图；图11是示出如何校正相位解缠误差的解释性视图；图12是示出像素值的频率的频率柱状图；图13是示出在相位解缠误差的校正和频率柱状图之间的关系的解释性视图；图14是示出初步成像的步骤的流程图；图15是示出主要成像的步骤的流程图；图16是示出如何确定子区域的另一个实例的解释性视图；图17是示出如何校正相位解缠误差的另一个实例的解释性视图；并且图18是其中在偏移处理之后校正相位解缠误差的配置的框图。
具体实施例方式在图1中，X射线成像设备10设置有X射线源11、光栅单元12、X射线图像检测器13、存储器14、图像处理器15、图像存储单元16、成像控制器17、控制台18和系统控制器19。X射线源11例如具有旋转阳极类型X射线管和准直器。准直器限制X射线场。成像控制器17控制X射线源11以朝向被检体9发射X射线。光栅单兀12设置有第一光栅21、第二光栅22和扫描机构23。第一和第二光栅21和22沿着是X射线发射方向的Z方向与X射线源11相对地定位。在X射线源11和第一光栅21之间存在足以安置被检体9的空间。X射线图像检测器13例如是使用半导体电路的平板检测器。X射线图像检测器13被置放在第二光栅22后面从而X射线图像检测器13的检测面13a垂直于Z方向。第一光栅21是吸收型光栅。第一光栅21设置有多个X射线吸收部21a和多个X射线透射部21b，这两者均沿着垂直于Z方向的Y方向延伸。X射线吸收部21a和X射线透射部21b沿着垂直于Z和Y方向的X方向交替地布置，从而形成条状图案。类似于第一光栅21，第二光栅22是吸收型光栅并且设置有多个X射线吸收部22a和多个X射线透射部22b，这两者均沿着Y方向延伸并且沿着X方向交替地布置。X射线吸收部21a和22a由吸收X射线的金属例如金(Au)、钼(Pt)等形成。X射线透射部21b和22b是间隙，或者由X射线透射性材料诸如硅(Si)或者树脂形成。从X射线源11发射的X射线的一部分通过第一光栅21以形成第一周期图案图像(在下文中被称作Gl图像XGl图像的一部分通过第二光栅22以形成第二周期图案图像(在下文中被称作G2图像)。换言之，第二光栅22部分地阻挡Gl图像以形成G2图像。在被检体9不存在时，Gl图像基本与第二光栅22的光栅图案相一致。X射线图像检测器13检测G2图像以产生图像数据。存储器14暂时地存储从X射线图像检测器13读出的图像数据。图像处理器15基于被存储在存储器14中的图像数据产生微分相位图像，并且基于微分相位图像产生相位对比图像。图像存储单元16存储微分相位图像和相位对比图像。扫描机构23沿着X方向以平移方式移动第二光栅22从而相对于第一光栅21顺次地改变第二光栅22的位置。扫描机构由压电致动器或者静电致动器构成。成像控制器17控制并且驱动扫描机构23以执行将在下面描述的条纹扫描。使用X射线图像检测器13在条纹扫描的各个扫描位置处获得的图像数据被存储在存储器14中。控制台18设置有操作单元18a和监视器18b。操作单元18a由鼠标、键盘等构成。操作单元18a被用于设定成像条件诸如管电压、管电流和曝光时间，以在成像模式之间切换,并且用于输入操作命令以例如执行成像。成像模式包括初步成像模式和主要成像模式。在主要成像模式中，在被检体9被置放在X射线源11和第一光栅21之间时执行成像(在下文中可以被称作主要成像)。在初步成像模式中，在被检体9不存在时执行成像(在下文中可以被称作初步成像)。执行初步成像以获得由制造误差或者第一和第二光栅21和22的排布(alignment)误差引起的背景分量，作为将在下面描述的偏移图像。监视器18b显示微分相位图像和相位对比图像，这两者均被存储在图像存储单元16中，和成像信息诸如成像条件。系统控制器19响应于从操作单元18a输入的信号来控制各个部。在图2中，X射线图像检测器13具有被二维地布置的多个像素单元30。每一个像素单元30设置有像素电极31和TFT (薄膜晶体管)32。像素电极31收集由于入射的X射线而在半导体薄膜(未示出)中产生的电荷。TFT32被用于读出由像素电极31收集的电荷。例如从无定形硒形成半导体薄膜。X射线图像检测器13设置有栅极扫描线33、扫描电路34、信号线35和读出电路36。为每行像素单元30提供栅极扫描线33。扫描电路34向各条栅极扫描线33供应扫描信号以接通和关断TFT32。为每列像素单元30提供信号线35。读出电路36通过信号线35从像素单元30读出电荷，并且将电荷转换成图像数据并且输出图像数据。像素单元30的层配置类似于例如在日本专利特开公开No. 2002-26300中公开的层配置。读出电路36设置有积分放大器、Α/D转换器、校正电路等(全部未示出)。积分放大器对通过信号线35从各个像素单元30输出的电荷进行积分以产生图像信号。Α/D转换器将由积分放大器产生的图像信号转换成数字图像数据。校正电路对于图像数据执行例如暗电流校正、增益校正和线性校正。此后，图像数据被存储在存储器14中。X射线图像检测器13不限于使用半导体薄膜以直接地将入射的X射线转换成电荷的直接转换类型。X射线图像检测器13可以是使用由碘化铯(Csl)、硫氧化钆(GOS)等制成以将入射的X射线转换成可见光的闪烁器和用于将可见光转换成电荷的光电二极管的间接转换类型。X射线图像检测器13可以设置有闪烁器和CMOS传感器的组合。在图3中，X射线源11从是发光点的X射线焦斑Ila发射锥形X射线束。第一光栅21被配置为以不引起泰伯效应的基本上几何光学的方式投射通过X射线透射部21b的X射线。更加具体地，X射线透射部21b沿着X方向的宽度足够地大于从X射线源11发射的X射线的峰值波长。由此，大部分X射线并不通过第一光栅21衍射。例如，当X射线源11的旋转阳极由钨制成并且管电压被设为50kV时，X射线的峰值波长大致为0.4人。在此情形中，X射线透射部21b的宽度在I到IOym的量级上。由此，与距第一光栅21的距离无关地在沿着Z方向的第一光栅21下游的任何位置处形成是第一光栅21的自身图像的Gl图像。如上所述，第二光栅22的光栅栅距P2被如此设定，使得第二光栅22的光栅图案与在第二光栅22的位置处形成的Gl图像相一致。更加具体地，第二光栅22的光栅栅距P2被设为基本满足表达式(I)，其中P1表不第一光栅21的光栅栅距,L1表不在X射线焦斑Ila和第一光栅21之间的距离，并且L2表示在第一光栅21和第二光栅22之间的距离。
权利要求
1.一种放射线成像设备，包括 放射线图像检测器，所述放射线图像检测器用于检测从放射线源发射并且通过被检体的放射线，并且产生图像数据； 光栅单元，所述光栅单元被置放在所述放射线源和所述放射线图像检测器之间； 微分相位图像产生部，所述微分相位图像产生部用于基于利用所述放射线图像检测器获得的图像数据产生微分相位图像，所述微分相位图像具有被缠卷到范围α中的像素值； 相位解缠部，所述相位解缠部用于对于所述微分相位图像执行相位解缠过程； 统计运算部，所述统计运算部用于由所述相位解缠过程之后的所述微分相位图像中分割的各个子区域中的像素的像素值的统计运算来获得基准值，所述子区域是其中由所述相位解缠过程引起的误差将被校正的单元；和 校正处理部，所述校正处理部用于校正由相位解缠处理引起的误差，所述校正处理部对于具有不同于子区域中的基准值的像素值的每一个像素计算整数η，整数η允许在基准值和像素值之间的差值Δ满足ηα -α /2 ^ Δ〈ηα+α /2,所述校正处理部从各个像素值减去 η · α 。
2.根据权利要求1所述的放射线成像设备，其中所述基准值是在所述子区域中的像素值的众数。
3.根据权利要求1所述的放射线成像设备，进一步包括用于基于在所述相位解缠过程之后的所述微分相位图像确定所述子区域的尺寸的尺寸确定部。
4.根据权利要求3所述的放射线成像设备，其中所述尺寸确定部基于在所述微分相位图像中的各个预定的区域中的平均像素值计算在所述微分相位图像中的像素值之间的最大变化量，并且所述尺寸确定部基于在所述最大变化量和所述微分相位图像的尺寸之间的比率确定所述子区域的尺寸。
5.根据权利要求4所述的放射线成像设备，其中所述区域位于所述微分相位图像的四个相应的角部中。
6.根据权利要求3所述的放射线成像设备，其中所述尺寸确定部根据所述微分相位图像的尺寸的比率确定所述子区域的尺寸从而在所述子区域中的像素值之间的变化量小于或者等于范围ct。
7.根据权利要求4到6之一所述的放射线成像设备，其中所述尺寸确定部基于所述平均像素值计算沿着所述微分相位图像的宽度方向、长度方向和对角方向中的各个方向在像素值之间的最大变化量，并且所述尺寸确定部基于沿着宽度方向的最大变化量和沿着对角方向的最大变化量确定所述子区域的宽度，并且所述尺寸确定部基于沿着长度方向的最大变化量和沿着对角方向的最大变化量确定所述子区域的长度。
8.根据权利要求1或者2所述的放射线成像设备，其中所述子区域被定位成分割整个微分相位图像。
9.根据权利要求1或者2所述的放射线成像设备，其中相邻的子区域被定位成相互重叠。
10.根据权利要求1或者2所述的放射线成像设备，进一步包括 存储部，所述存储部用于存储在所述被检体不存在时捕获的所述微分相位图像作为偏移图像；和偏移处理部，所述偏移处理部用于从相位解缠误差得到校正的所述微分相位图像减去所述偏移图像。
11.根据权利要求1所述的放射线成像设备，其中所述光栅单元由第一光栅和第二光栅构成，并且所述第一光栅通过来自所述放射线源的放射线以形成第一周期图案图像，并且所述第二光栅部分地阻挡所述第一周期图案图像以形成第二周期图案图像，并且所述放射线图像检测器检测所述第二周期图案图像以产生图像数据。
12.根据权利要求11所述的放射线成像设备，其中所述光栅单元设置有扫描机构，并且所述扫描机构以预定的扫描间距移动所述第一光栅或者所述第二光栅并且顺序地将所述第一光栅或者所述第二光栅置于各个扫描位置，并且每次所述第一光栅或者所述第二光栅被移动到所述扫描位置之一时所述放射线图像检测器检测所述第二周期图案图像并产生图像数据，并且所述微分相位图像产生部基于由所述放射线图像检测器产生的图像数据产生所述微分相位图像。
13.根据权利要求12所述的放射线成像设备，其中所述扫描机构沿着垂直于光栅线的方向移动所述第一光栅或者所述第二光栅。
14.根据权利要求12所述的放射线成像设备，其中所述扫描机构沿着相对于光栅线倾斜的方向移动所述第一光栅或者所述第二光栅。
15.根据权利要求11所述的放射线成像设备，其中所述微分相位图像产生部基于利用所述放射线图像检测器获得的单个图像数据产生所述微分相位图像。
16.根据权利要求11到15之一所述的放射线成像设备，其中所述第一光栅是以几何光学方式投射入射的放射线以产生所述第一周期图案图像的吸收型光栅。
17.根据权利要求11到15之一所述的放射线成像设备，其中所述第一光栅是吸收型光栅或者相位型光栅，并且所述第一光栅产生泰伯效应以产生所述第一周期图案图像。
18.根据权利要求1到17之一所述的放射线成像设备，进一步包括用于部分地阻挡来自所述放射线源的放射线以分散焦斑的多狭缝。
19.一种图像处理方法，包括以下步骤 (A)对于具有被缠卷到范围α中的像素值的微分相位图像执行相位解缠过程； (B)在步骤(A)之后将微分相位图像分割成子区域，各个所述子区域是其中相位解缠误差将被校正的单元，各个所述子区域包含像素； (C)由在所述子区域中的像素的像素值的统计运算获得基准值； (D)对于具有不同于在所述子区域中的基准值的像素值的每一个像素计算整数η，整数η允许在基准值和所述每一个像素值之间的差值Δ满足ηα-α/2；^ Δ <η α + α /2 ； (E)从不同于在所述子区域中的基准值的各个像素值减去η· α以校正所述相位解缠误差；和 (F)重复步骤(C)、(D)和(Ε)，直至在每一个子区域中都校正了所述相位解缠误差。
20.根据权利要求19所述的图像处理方法，进一步包括以下步骤(G)在所述步骤(A)之后并且在所述步骤(B)之前基于所述微分相位图像确定各个子区域的尺寸。
全文摘要
本发明提供放射线成像设备和图像处理方法。一种放射线成像设备设置有微分相位图像产生部、相位解缠部、统计运算部和校正处理部。微分相位图像产生部基于利用X射线图像检测器获得的图像数据产生其中像素值被缠卷到预定范围α中的微分相位图像。相位解缠部对于微分相位图像执行相位解缠过程。统计运算部由在解缠微分相位图像中分割的每一个子区域中的像素值的统计运算获得众数。各个子区域是其中由相位解缠过程引起的误差将被校正的单元。校正处理部对于每一个像素计算允许在众数和每一个像素的像素值之间的差值Δ满足nα-α/2≤Δ<nα+α/2的整数“n”，并且从各个像素值减去n·α。因此，误差得到校正。
文档编号G01N23/04GK103027701SQ20121037785
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月8日 优先权日2011年10月4日
发明者石井�？� 申请人:富士胶片株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
