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1. CN104244832 - Hybrid PCI system for medical radiographic imaging

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ ZH ]
医学射线照相成像用混合PCI系统


发明领域
本申请一般涉及数码x射线成像方法/系统,且更具体来说,涉 及使用具有狭缝扫描构造的光栅型微分相差成像技术获取目标的多 图像信息(例如,医学射线照相成像)的方法和/或系统。
发明背景
常规医学x射线成像装置是基于x射线穿过待成像目标时的光电 吸收衰减。然而,对于几乎无吸收的软组织(包括血管、软骨、肺和 乳房组织)来说,这种做法提供在与骨图像相比下不良的对比度。软 组织的这种低对比度问题可以用相差成像(PCI)技术解决。
PCI的原理是基于x射线的波属性,其中需要考虑折射和衍射性 质。作为电磁波,x射线一般表征为其频率、振幅和相位。当电磁波 穿透介质时,其幅度衰减且其相位移位。在x射线技术中,材料的折 射率n可以表示为复数
n=1-δ+iβ      (1)
虚部β构成振幅衰减且实部δ负责相移。已发现δ比β大约103至 约104倍。但在常规医学成像中,只记录β的信息,而δ的信息完全缺 失。在近年,开发了几种PCI技术以利用相移来形成图像,预期这种 图像提供关于目标的更多信息。这些技术包括(i)干涉技术、(ii) 衍射增强成像(DEI)技术,和(iii)自由空间传播技术。
然而,所有三种技术均存在各种实际问题,如效率和视野有限。 在完美晶体干涉仪和晶体衍射仪的情况中,要求高时间相干性(即, 高度单色性);结果,只使用来自辐射源的全频谱的同步加速器或明 确定义波长。同步加速器辐射源成本高且与常见临床环境不相容。两 种技术还由于使用晶体光学器件,使得只有极小角度(几毫拉德)的 射束发散度被接受而受限制。自由空间传播技术受限于效率,因为其 要求只能从具有极小焦点的x射线源获得的高空间相干性。这三种 PCI技术的图像记录方式、仪器设置和对辐射源的要求(尤其是其空 间和时间相干性)相差极大。虽然其中一些技术对于特定应用产生优 异结果,但无一得到广泛使用且至今仍未应用于医学诊断。
使用标准x射线管的光栅型PCI方法由于x射线管的频谱宽广, 使干涉条纹在检测器上的可见性损失而受限制。标准多色x射线管在 频谱的低能量部分产生几乎无法穿透皮肤的软x射线(<15keV)以 及在频谱的高能量部分产生穿透骨和组织的硬x射线(>50keV)。因 此优选使用能量过滤器来获得窄带宽x射线束以通过消除不必要的 软和硬x射线显著降低辐射剂量并提高图像的清晰度。
对于需要大FOV的应用来说,需要大型相位光栅G1和分析栅 G2。例如,常见乳房x射线照片具有24cm×30cm的尺寸。这意味 着需要具有相同尺寸的相位光栅和分析栅。考虑到当前光栅制造技术 的限制(例如,硅晶片尺寸、结构高度和光栅均匀性),这种大型光 栅的制造成本极高。
对于具有发散性锥面光束(或扇形光束)几何形状和大FOV的 光栅型PCI系统来说,检测器的边缘区域中的相差图像质量一般较 差。越向平面光栅的边缘,光栅条与入射x射线束的对角变得越大。 因为相位光栅和分析栅的条高随着x射线能(E)大致上线性增大, 所以条高对间隙宽度的纵横比将极大(对于E>20keV时,>10:1)。 结果,在较大角度下,这些光栅可导致相位光栅的遮蔽效应和分析栅 的扫描效应,从而降低图像质量。
在所有x射线成像系统中,发现来自目标的散射辐射会从受照物 对比度和对比度噪声比方面显著降低图像质量。目前,抗散射栅格是 大部分射线照相术和乳房x射线照相术系统中进行散射屏蔽的最广 泛使用的装置。在乳房x射线照相术中,利用抗散射栅格,可将通过 散射主射比测定的散射辐射量从约0.25至1.2降低到0.1与0.3之间。 然而,抗散射栅格方法本质上会衰减大部分主要x射线。
发明概要
本申请的方面是推进医学射线照相成像领域。
本申请的另一方面是完全或部分地解决相关领域中的至少以上 和其它缺点。
本申请的另一方面是完全或部分地提供至少本文所描述的优点。
本申请的另一方面是提供数码射线照相医学成像用的方法和/或 设备实施方案。本申请的另一方面是提供乳房x射线照相医学成像用 的方法和/或设备实施方案。本申请的另一方面是提供针对大视野 (FOV)(例如大于100mm2)射线照相医学成像进行狭缝扫描相差 成像的方法和/或设备实施方案。
根据一个实施方案,本发明可提供狭缝扫描相差数码乳房x射线 照相系统,其可包括乳房x射线照相成像用多色x射线源;射束成形 总成,包括瞄准仪、源光栅、x射线光栅干涉仪,所述干涉仪包括相 位光栅和分析栅;和分区x射线检测器;其中所述三个光栅被定位以 使这些光栅的平面与光栅条相互对齐。
根据一个实施方案,本发明可提供相差数码射线照相成像系统, 其可包括成像用辐射源、包括瞄准仪和源光栅G0的射束成形总成、 包括相位光栅G1和分析栅G2的x射线光栅干涉仪,和分区x射线 检测器,其中相对于由相位光栅G1产生的干涉图案的间距,分析栅 G2的间距和位置产生覆盖分析栅G2的宽度的至少一个条纹图案。
根据一个实施方案,本发明可提供一种方法,其可包括提供包括 射束限制设备和源光栅G0的射束成形总成,提供包括相位光栅G1 和分析栅G2的x射线光栅干涉仪,且使分析栅G2的间距相对于由 相位光栅G1在离相位光栅G1的规定距离处产生的干涉图案的间距 偏离。
这些目的只通过说明性实例的方式给出,且这些目的可以是本发 明的一个或多个实施方案的实例。本发明固有实现的其它所需目的和 优点将为本领域技术人员所明白。本发明由随附权利要求书界定。
附图简述
从附图所图示的本发明实施方案的以下更特定描述,将明白本发 明的以上和其它目的、特征和优点。附图的元件不一定相互按比例绘 制。
图1是根据本申请的狭缝扫描相差数码乳房X射线照相成像系 统的例示性实施方案的侧视图。
图2是如图1中所示的狭缝扫描光栅型相差数码乳房X射线照 相成像系统的实施方案的功能块图。
图3是示出根据本申请的狭缝扫描光栅型相差数码乳房X射线 照相成像系统的例示性实施方案的图。
图4是示出根据本申请的狭缝扫描光栅型相差数码乳房X射线 照相成像系统的另一个例示性实施方案的图。
图5是示出根据本申请的长而窄光栅(例如通过使两个或更多个 小光栅紧靠在一起形成)的实施方案的图。
图6A是例示性三光栅相差成像系统的示意图,且图6B是另一 个例示性三光栅相差成像系统的示意图。
图7是示出当沿x g 扫描光栅之一(例如,G2)时一个检测器像 素(i,j)的强度变化和对应傅里叶级数系数的图。
图8是示出操作根据本申请的狭缝扫描光栅型相差数码乳房x射 线照相成像系统的方法实施方案的流程图。
图9是示出操作根据本申请的狭缝扫描光栅型相差数码乳房x射 线照相成像系统的另一个方法实施方案的流程图。
图10是示出根据本申请的狭缝扫描光栅型相差数码乳房x射线 照相成像系统的又一个例示性实施方案的图。
图11是图示调谐相差数码成像系统的例示性实施方案和失调相 差数码成像系统的例示性实施方案的示意图。
图12是图示关于相差成像系统实施方案的调谐和失调构造在检 测器平面测定的开场图像的实例的图。
图13A是示出针对不同α斜率描绘的几个MTF的图,且图13B 是示出作为MTF斜率α、50%MTF降低下的空间频率f0和系统失调 度Δf的函数的对比度下降百分比的图。
图14是图示相差成像系统实施方案的干涉仪相对于目标(或反 之)的例示性移动的图。
图15是图示根据本申请的实施方案将目标的个别切片投射到在 检测器平面测定的一周期调制条纹图案上的例示性目标扫描示意图。
图16是根据本申请的实施方案的图像形成机制的示意图,所述 机制检索被扫描目标(如三角形、圆形和正方形)的个别切片的强度 曲线。
具体实施方式
以下是根据本申请的例示性实施方案同时参考附图的详细描述, 其中相同参考数字在若干图的每个图中表示相同的结构元件。
为了可用于临床成像,所述相差成像系统必须满足各个要求,包 括:(i)使用标准宽带x射线源;(ii)许多厘米的大视野(FOV)(例 如,对于常见乳房x射线照相系统为24cm×30cm);(iii)与当前射 线照相成像系统相当的合理紧凑设计(例如,对于常见乳房x射线照 相系统,源到检测器距离为约65cm);和/或(iv)合理曝光时间和 曝光剂量(例如,常见乳房x射线照相系统的平均曝光为约5mR)。
1.系统构造
图1是示出根据本申请的狭缝扫描相差成像系统的例示性实施 方案的图。如图1中所示,可将狭缝扫描相差数码成像系统100的透 视图用于乳房x射线照相术。系统100可包括乳房x射线照相成像用 常规x射线管110、包括滤光片或可调谐单色仪B、瞄准仪C和源光 栅G0的射束成形总成120、包括相位光栅G1和分析栅G2的x射线 光栅干涉仪130和x射线检测器140。可以在瞄准仪C后放置滤光片 或可调谐单色仪B。可按照使这些光栅的平面与光栅条相互平行的方 式对齐所述三个光栅(例如,G0、G1和G2)。目标150(例如乳房) 可由支撑板152支撑且被可移动和调整(例如垂直)的压缩叶片154 压缩。
图2是示出狭缝扫描相差成像系统的例示性实施方案的功能块 图。图2示出用于乳房x射线照相术的成像系统100的功能块图。
如图1中所示,x射线管110、射束成形总成120、光栅干涉仪 130和检测器140可按照规定的三维关系移向辐射源。例如,可将x 射线管110、射束成形总成120、光栅干涉仪130和检测器140附接 到摇动臂160。摇动臂160可以围绕与x射线管110的焦点同轴的轴 旋转。可将x射线管110安装成相对于水平臂延伸段成某个角度以照 射受关注区域。可通过瞄准仪C将x射线束瞄准覆盖干涉仪130(例 如光栅)和检测器140的活性区域的狭窄扇形(例如,约24-cm长和 1-cm宽)。x射线管110的入射束可稍宽于检测器140和干涉仪130 以减少由于在目标扫描期间检测器140的边缘无法始终与瞄准仪C 完美对齐所导致的人为移动检测器。
2.系统组件
图3是根据本申请的狭缝扫描相差数码乳房x射线照相成像系统 的组件的例示性实施方案的截面图示。图4是根据本申请的狭缝扫描 相差数码乳房x射线照相成像系统的组件的另一个例示性实施方案 的截面图示。图3的成像系统与图4所示的成像系统之间的一个差异 是图4中的光栅(例如,三个光栅G0、光栅G1和光栅G2)的光栅 条取向是平行于摇动臂160的扫描方向(例如,x射线扇形射束), 而在图3中,则是垂直于摇动臂160的扫描方向。
(a)X射线源
如图1中所示,x射线源110可以是常规x射线源。例如,x射 线源110可以是乳房x射线照相成像用多色x射线管。在这个实例中, x射线源110可具有由钨(W)、钼(Mo)、铑(Rh)或重元素材料 合金制成的转动阳极。焦点的面积可介于0.01mm2与1.0mm2之间。
(b)滤光片和单色仪
除了x射线管110有关的固有过滤外,还可以任选使用其它过滤 (例如,通过滤光片B)以从光谱学上将x射线束成形为窄带宽射束 以减少或消除大部分被患者吸收且增大检查期间接收的辐射剂量的 不必要软x射线和/或可降低图像质量的硬x射线。例示性常见滤光 片材料是铝(Al)、钼(Mo)、铑(Rh)、银(Ag)和其它金属。
或者,滤光片B可以是可与发散多色x射线源配合使用的可调 谐单色x射线滤光片以产生具有集中在具有1至3keV带宽的可选择 能量的窄频谱的单色x射线。
(c)光栅
如图1中所示,成像系统100可包括三个光栅。在一个实施方案 中,源光栅G0可具有吸收金条,相位光栅G1可由硅制成,且分析 栅G2可由吸收金条制成。然而,可使用本领域技术人员已知的其它 材料。可将源光栅G0靠近x射线源110放置。第二光栅G1和第三 光栅G2之间可具有固定距离,例如,机械耦接在一起、机电连接或 刚性耦接在一起。类似地,源光栅G0和干涉仪130可被耦接以在两 者之间具有可变但已知的距离。
源光栅G0可允许将大型不相干x射线源用作x射线源110,因 为源光栅G0可创建各自可针对干涉对比度提供充分空间相干性的一 系列个别线源。可将由生成线源的源光栅G0创建的图像全等叠加在 检测器140的检测器平面上,从而获得强度增益(例如,可控干涉)。
相位光栅G1可作为分束器操作且将入射束本质上分割为±1 次衍射级。这两个±1次衍射束可相干涉并通过塔尔博特自成像效 应在第二光栅G2的平面上形成周期性干涉图案。当将目标插入x射 线束路径中时,条纹图案的位置将变化。由于无法用常见检测器确定 条纹位置的微米级变化,所以可将分析仪第二光栅G2放置在离相位 第一光栅G1的特定塔尔博特距离处,从而能够利用相步进技术将条 纹位置转换成直接位于第二光栅G2后方的检测器140上的强度模 量。
当源光栅G0靠近x射线源110和瞄准仪C布置时,因为与x射 线扇形对向的角度小,所以源光栅G0的尺寸可以很小(例如约1cm ×0.5cm)。对于例示性(例如,乳房x射线照相)应用来说,FOV 可以为24cm×30cm。因为目标位于靠近由光栅G1和光栅G2形成 的干涉仪的位置,所以这些光栅的尺寸应匹配FOV。考虑到目前的 标准照相平印技术水平,可重复地制造具有高或充分产率和可接受均 一性的大面积光栅G1和光栅G2(例如,24cm×30cm)并不容易。 为了解决这个制造问题,可使用标准6或8英寸硅晶片来制造在8cm ×8cm的正方形内的多个小光栅(例如,每个具有8cm×1cm的面 积)。通过将三件小光栅紧靠在一起,可重复地获得具有可接受均一 性的长而窄光栅(例如24cm×1cm)。
图5是示出根据本申请的长而窄光栅(例如通过使两个或更多个 小光栅紧靠在一起形成)的实施方案的图。如图5中所示,可使用标 准硅晶片形成光栅G1或光栅G2的一个实施方案。在一个实施方案 中,可使用标准8″晶片以提供长而窄光栅G1和光栅G2。
图6是例示性三光栅相差成像系统(例如干涉仪)的示意图。如 图6中所示,使用了三个光栅,即,具有吸收金条的源光栅G0、由 硅制成的相位光栅(或分束器)G1和具有吸收金条的分析栅G2。光 栅可由硅晶片使用标准照相平印技术制成,且随后用金(G0和G2) 电镀以填充凹槽。干涉仪是由G1和G2形成。这三个光栅的平面与 光栅条相互平行。
源光栅G0允许使用大型不相干x射线源,因为其创建各自针对 干涉对比度提供充足空间相干性的一系列个别线源。由每个线源创建 的图像全等叠加在检测器平面上,从而获得强度增益。相位光栅G1 用作分束器且将入射束本质上分割为两个一次衍射级,所述衍射级相 干涉且在垂直于光轴(z)的平面上形成周期性条纹图案。基于塔尔 博特效应,所述周期性条纹图案(称为相位光栅G1的自像)将在 G1后方的第一塔尔博特距离d 1 处具有最高对比度。假设因x射线穿 过G1的光栅条而发生的相移为π,那么第一塔尔博特距离由以下给 出
其中p 1 是G1的周期且λ是x射线的平面波波长。在放置在离 G1为d 1 的距离处的分析栅G2的平面上的条纹图案的周期(p 2 )约 为G1的周期的一半。分析栅G2具有大致上相同的条纹图案周期 (p 2 )。
当将目标放置在射束路径中时,入射x射线波前会因目标而局部 形变。当波前形变时,由相位光栅G1形成的条纹从其未扰动位置移 位。通过放置在离相位光栅G1为d 1 的距离处的分析栅G2将条纹移 位转变为强度变化。这允许被直接放置在分析栅G2后方的x射线检 测器使用相比于条纹的间隔要大得多的像素。利用相步进技术,扫描 光栅之一在光栅(这里是分析栅G2)的一个周期内的横向位置x g 导 致记录在每个像素的信号作为x g 的函数振荡,如图7中所示。图7 是示出当沿x g 扫描光栅之一(例如G2)时一个检测器像素(i,j)的 强度变化和对应傅里叶级数系数a、b和φ的图。每个像素中振荡的相 位φ是波前相位梯度的量度,同时在光栅扫描内在每个像素中的平均 检测器信号a相当于常规吸收图像。因此可通过沿方向x的单次一维 积分检索目标的总相移。
图6B是另一个例示性三光栅相差成像系统的示意图。如图6B 中所示,三光栅PCI系统可包括固定光栅G0、光栅G1和光栅G2, 且可将待成像目标相对于固定光栅G0、光栅G1和光栅G2移动(例 如经过)。在图6B中,F是任选附加过滤且C是任选瞄准器或射束成 形设备。
(d)检测器
就检测器140来说,可使用非直接或直接平板x射线检测器。非 直接平板检测器可包括由CsI、Gd 2 O 2 S或其它闪烁磷质制成的闪烁体 层,耦接有光二极管阵列(例如,a-Si光二极管)和开关(例如,薄 膜晶体管(TFT)开关)。闪烁体层的厚度可介于80μm与600μm之 间。检测器的像素间距可在20至200μm的范围内。另一方面,直接 检测器可包括光导体,如无定形硒(a-Se)或PbI 2 以在x射线检测时 产生电荷。因为图像信息从x射线直接转化为电荷而不存在中间步 骤,所以将电磁辐射检测过程视为直接。
作为平板检测器的替代方案,可将电荷耦合装置(CCD)型x 射线检测器用作检测器140。例如,CCD型x射线检测器可包括闪烁 屏幕。
对于狭缝扫描系统来说,优选按照时间延迟积分(TDI)模式操 作的拼接CCD检测器阵列,使得在每次扫描期间能够实施连续扫描 动作和x射线照射。所述检测器阵列可通过将两个或更多个CCD装 置拼接在一起形成且可耦接到闪烁体层和光纤板(FOP)。FOP用于 保护CCD阵列免受辐射破坏。
具有与像素宽度相当的射束宽度的狭缝扫描系统将要求极高的 管输出。CCD的TDI操作模式可允许使用显著更宽的射束。检测到 的x射线首先经由闪烁体层转变为光子。随后光子通过FOP传输到 CCD,在CCD中响应于当x射线吸收时发射自闪烁体的光产生电子。 通过使电荷与扫描动作同步(例如,在相同速度下)但沿相反方向逐 个像素地移动经过CCD宽度(例如,列),TDI模式使得能够横跨 CCD宽度进行x射线整合同时维持像素分辨率。当电荷到达CCD的 最后一排时,读出累积电荷并数字化。例如,检测器阵列可包括四个 CCD,每个具有6cm×1cm的尺寸,沿其窄维度紧靠以形成长而窄 检测器(例如24cm×1cm)。再次,常见像素尺寸介于20μm与200 μm之间。
作为平板检测器的另一个替代方案,还可将使用雪崩放大方法的 线性光子计数气体检测器用作检测器140。除了将气体检测器用于光 子计数技术外,还可将晶形Si、CdTe和CdZnTe用于直接变换光子 计数检测器。
该例示性单光子计数检测技术可将检测器140中的噪声与真实x 射线光子相互作用区别开来。通过计数高于预定阈值的信号,实现了 单x射线光子的无电噪声且高效计数。当将这类检测器用于根据本申 请的实施方案的狭缝扫描系统中时,相比于积分检测器(如直接和非 直接平板检测器和CCD装置),患者剂量和散射辐射显著降低且/或 图像质量的对比度和空间分辨率获得可观提高。
3.系统和光栅参数的选择
在例示性实施方案中光栅参数和几何系统参数的选择可受限于x 射线源的选择、光栅制造方法的限制、系统尺寸的实用性、系统性能 要求和物理定律的约束。总地来说,对于球形x射线波来说,系统参 数和光栅参数应满足以下方程。
1.空间相干性要求
2.光栅的周期
3.相位光栅要求
硅相位光栅G1的结构高度必须使得穿过光栅条的x射线发生规 定相移或相移π(例如),这导致射束分裂为±1次衍射级。
而且,光栅G0和光栅G2的结构高度应足够大以针对所选或最 优的系统性能提供充分x射线吸收(例如,>75%)。
4.塔尔博特自成像条件
方程(3)至方程(7)中所示的参数如下。
l c =相干长度
λ=x射线辐射的平均波长
L=G0与G1之间的距离
s=G0的狭缝宽度
n=整数(塔尔博特次数)
d n =G1与G2之间的塔尔博特距离
p 0 =G0的周期
p 1 =G1的周期
p 2 =G2的周期
h 0 =G0的结构高度
h 1 =G1的结构高度
h 2 =G2的结构高度
δ Si =硅的折射率衰减
首先基于系统要求和光栅制造的限制选择n、p 2 、λ和L,随后 可确定其它参数,即,s、p 0 、p 1 、h 1 、h 2 、h 3 和d n 。举例来说,表1 列出关于狭缝扫描相差数码乳房x射线照相系统的实施方案的例示 性系统设计参数和光栅参数。
表1
平均E(keV)       28
平均λ(nm)    0.443
L(mm)           642
p 2 (mm)          2.0
n                 1
d n (mm)         42.4
s(μm)            7
p 0 (μm)        30.3
p 1 (μm)        3.75
h 0 (μm)          42
h 1 (μm)          36
h 2 (μm)          26
l c (μm)         4.0
4.例示性系统操作
图8是示出操作狭缝扫描相差数码成像系统的方法的实施方案 的流程图。将利用图1和图3中所示的系统实施方案描述图8的例示 性方法实施方案并予以实现,然而所述方法不希望限于此。
如图8中所示,在方法开始后,初始化检测器以备曝光且将分析 栅G2移动到规定位置或原位置(操作块810)。随后,对于乳房x射 线照相医学图像来说,可压缩乳房(例如,以改善图像质量)(操作 块820)。将摇动臂160设置到初始或原位置(操作块830)。因此, 块830可定位x射线管110、射束成形总成120、x射线光栅干涉仪 130和可刚性安装到摇动臂160的x射线检测器140。当摇动臂160 沿覆盖目标的宽度(例如,约30cm)的弧形类似于钟摆般转动时, x射线束可以扫过目标,如图3中所示。当x射线束完成完全扫过目 标时,可读出由检测器140记录的图像数据并储存在计算机的存储单 元中(例如,在狭缝扫描相差数码成像系统或在具有处理器、显示器 和存储器的无线耦接控制台)。在一个实施方案中,检测器是长而窄 的CCD型检测器且可按照时间延迟积分(TDI)模式操作用于信号 检测。随后,在操作块850中确定图像序列是否完整(例如,已捕捉 N个图像)。当块850中确定为否定时,利用相步进技术(举例而言), 分析栅G2(例如,安装在压电平移台上)随后横向移动预定距离(步), 然后开始下一次x射线束扫描(操作块860)且方法跳回块830,此 时摇动臂160返回到初始扫描前位置或原位置(或沿转动方向逆行) 以准备下一次的图像序列扫描。
当块850中确定为肯定时,因为完成了预定次扫描循环N(例如, 一般为5到8次)和步进,所以可以提取图像数据,处理并显示于监 视器上(操作块870、操作块880、操作块890)。例如,可通过计算 机的图像处理单元处理相同图像数据集以构建目标的多个图像,包括 如本文所描述的吸收对比图像、微分相位对比图像、相移对比图像和 暗场图像。
这些吸收对比图像、微分相位对比图像、相移对比图像和暗场图 像互补,从而可提供形象化目标中的微妙细节所必需的特异性。
存在实现图8的方法实施方案中所描述的相步进的交替方式。例 示性交替相步进实现方式包括但不限于:(i)沿垂直于光轴和G1的 光栅条两者的方向移动光栅G1(而不是G2);(ii)使G1和G2成某 一角度围绕沿光栅条取向的轴一起转动(例如,将两个光栅保持在相 互对齐位置或通过机械方式固定在一起);或(iii)使x射线源沿垂 直于光轴和光栅的光栅条两者的方向移动。可以将这些例示性交替相 步进实现方式实现于图3中所示的例示性摇动臂160构造上。
图9是示出操作狭缝扫描相差数码成像系统的方法的实施方案 的流程图。将利用图1和图3至图4中所示的系统实施方案描述图9 的例示性方法实施方案并予以实现,然而所述方法不希望限于此。
图9示出系统操作的另一种“步-颤振-步”模式,其中摇动臂可采 取逐步移动的方式扫过目标。每步的距离可以约为检测器的宽度。在 摇动臂的每个位置,可利用上述相步进技术(例如,使分析栅G2移 动p 2 /N)实施一系列x射线曝光/图像捕捉操作(例如,捕捉N个图 像)。随后,摇动臂移动到下一步位置并实施另一系列x射线曝光/图 像捕捉操作直至摇动臂步进穿过并完成整个目标扫描。随后,提取原 始图像数据集、处理并显示于监视器上。或者,当摇动臂步进通过整 个目标时,可在每“步”的结束时提取原始图像数据子集,且可处理捕 捉的原始图像并同时或在最后一步完成时显示于监视器上。
如图9中所示,在方法开始后,初始化检测器以备曝光且将分析 栅G2移动到规定位置或原位置(操作块910)。随后,可定位目标或 对于乳房x射线照相医学图像来说,可压缩乳房(例如,以改善图像 质量)(操作块920)。将摇动臂160设置到初始或原位置(操作块930)。
随后,使摇动臂160步进到当前步位置(操作块933),发射x 射线束以曝光并捕捉目标的一部分的图像(操作块940)。随后,在 操作块945中确定那一步的图像序列是否完整(例如,已捕捉N个 图像)。当块945中确定为否定时,利用相步进技术(举例而言),分 析栅G2(例如,安装在压电平移台上)随后横向移动预定距离(例 如p 2 /N,如2mm/8=250nm)且方法跳回块940,在此发射x射线束 以曝光和捕捉目标的一部分的图像。
当块945中确定为肯定时,因为完成了预定次数的步进和扫描循 环N(例如,一般为5至8次),所以可储存图像数据集且可在操作 块955中确定是否完成对整个目标的扫描。当块955中确定为否定时, 使摇动臂160步进到下一位置(操作块933)且可重复操作块940、 操作块945和操作块950。当块955中确定为肯定时,因为已扫描整 个目标,所以可提取图像数据集、处理并显示于监视器上(操作块 960、操作块965、操作块970)。例如,可通过计算机的图像处理单 元处理相同图像数据集以构建目标的多个图像,包括如本文所描述的 吸收对比图像、微分相位对比图像、相移对比图像和暗场图像。
5.图像形成和图像检索
目标不在合适位置时,x射线束穿过相位光栅G1并形成干涉条 纹。将对象置于射束路径中后,入射x射线波前因对象而局部形变, 导致x射线束角偏移:
当波前形变时,这些条纹从其未干扰位置移位
D(x,y)=d n ·α(x,y)      (9)
通过放置在离相位光栅G1为d n 的距离处的分析栅G2将条纹移 位转变为强度值。可使用具有比条纹的间隔大得多的像素的二维检测 器记录信号。扫描光栅之一(例如,分析栅G2)的横向位置x g 导致 在每个像素中记录的信号作为x g 的函数振荡。对于每个像素(i,j)来 说,信号振荡曲线可由傅里叶级数表示,
(存在目标)
(不存在目标)
从方程(10)和方程(11),可检索目标的以下图像。透射图像 由以下给出
微分相位对比图像由以下给出
还可通过沿垂直于光栅条的像素方向进行简单一维积分获得目 标的相移图像,例如,
此外,暗场图像是从被目标散射的较高角衍射强度形成。关于目 标的散射功率的信息含于第一傅里叶振幅系数,Is(i,j,x g )的bs(i, j)。因此可如下获得暗场图像
这四个不同的目标图像可从同一数据集导出且可互补以提供目 标的多种信息,使得能够形象化目标中的微妙细节。
如本文中所描述,根据本申请的相差数码成像系统和/或其使用 方法的实施方案可提供各个优点。混合狭缝扫描光栅型微分相差乳房 x射线照相系统的实施方案具有各种优点(例如,相比于全场数码乳 房x射线照相系统)。
光栅型微分相差成像技术的实施方案可使用常规x射线管,替代 昂贵且巨大的同步加速器辐射源,从单次图像捕捉过程提供目标的多 种图像信息(例如,吸收对比图像、微分相差图像、相移图像和暗场 图像)。
狭缝扫描光栅型微分相差系统和/或方法的实施方案可显著增强 低吸收组织的对比度(例如,健康组织与患病组织之间的对比度), 这对于乳房x射线照相和骨关节尤其有用。
狭缝扫描光栅型微分相差系统和/或方法的实施方案可允许使用 小光栅和检测器产生大面积图像。实施方案可在不使用栅格下降低运 动模糊、散射辐射和患者剂量。
狭缝扫描光栅型微分相差系统和/或方法的实施方案可使用通过 将两个或更多个短而窄(例如,8cm×1cm)光栅紧靠在一起形成的 具有长而窄几何形状的相位光栅(G1)和分析栅(G2)且相比于大 型全场(对于常见乳房x射线照相术为24cm×30cm)系统和/或方法 来说花费显著更低。因此,拼接检测器的实施方案得以实现且相比于 大型全场二维检测器(例如,对于乳房x射线照相术来说为24cm×30 cm)花费将少得多。
成像系统的实施方案可要求长而窄的检测器,其可通过将两个或 更多个短而窄(例如,8cm×1cm)检测器紧靠在一起形成。具有高 敏感度和低噪声的较小检测器可用相对于大型全场二维检测器(对于 常见乳房x射线照相术来说为24cm×30cm)低的费用购得。
狭缝扫描光栅型微分相差系统和/或方法的实施方案可使用圆形 围绕源焦的弯曲光栅和检测器以支持更紧凑系统设计且降低或消除 在图像的边缘区域发生的相位光栅遮蔽效应和/或分析栅扫描效应。 图10是使用对应于x射线源焦的弯曲光栅和检测器的狭缝扫描光栅 型微分相差系统的实施方案的侧视图。
狭缝扫描光栅型微分相差系统和/或方法的实施方案可使用具有 转动阳极的x射线管(较高输出)、x射线源与对象之间的短距离(较 高x射线通量)和将CsI闪烁体与拼接TDI模式CCD阵列耦接的检 测器(较高检测敏感度)。结果,可显著缩短曝光时间。
狭缝扫描相差数码成像系统和/或其使用方法的某些例示性实施 方案(例如见图8和图9)可采用步-颤振-步方法,其中光栅之一(相 位光栅G1或分析栅G2)可相对于另一个光栅步进。例如,当移动 分析栅G2,其中N是覆盖光栅G2的一个周期所需的步数(例如, 使用压电平移台),且光栅G2的横向尺寸为l G2 时;那么扫描具有横 向尺寸S的目标可使用或需要S/l G2 ·N的x射线曝光。对于例示性S=20 cm乳房且在摇动臂的每个位置(或切片)对于1cm宽G2光栅有8 个相位步的情况,那么使用20/1·8=160x射线曝光扫描整个目标。注 意可将S/l G2 ·N视为完全扫描所需的充足或最小数。为了将切片适当 地缝合到整个目标的图像中,切片之间需要稍微重叠。
图8和图9中描述的两个例示性扫描实施方案在扫描目标的一个 切片后将摇动臂或分析栅G2返回到其初始(例如,原)位置。虽然, 这些装置(例如,平移压电驱动)的精密定位可达到nm级,但在完 成目标扫描后的多次前后移动可累积显著空间误差。为了减小或避免 空间误差,优选在摇动臂连续移动时使分析栅尽可能少或不步进。还 优选光栅G1与光栅G2的相对位置不变化(例如,无步进)且/或摇 动臂连续移动经过目标,其可缩短扫描时间。
为了在固定G1光栅与G2光栅下实现摇动臂的连续移动,相差 成像系统的例示性实施方案必然是失调的。在一个例示性实施方案 中,可将失调的相差成像系统理解为其中分析栅G2的间距p 2 被有意 控制或制作成不等于在相位光栅G1后方的塔尔博特距离处的干涉图 案的周期p int 的成像系统。在另一个例示性实施方案中,可将失调的 相差成像系统理解为其中分析栅G2的间距p 2 被有意控制或制作成等 于在相位光栅G1后方的塔尔博特距离处的干涉图案的周期p int ,但分 析栅G2被定位在远离相应塔尔博特距离的成像系统。在某个例示性 实施方案中,失调的相差成像系统可产生周期性条纹图案,其中所述 条纹图案存在于分析栅G2宽度或宽度的一部分内。虽然在完整或部 分目标扫描中,相比于调谐光栅型PCI系统,失调光栅型PCI系统实 施方案的曝光次数大致相同,但位置误差和/或扫描时间可减小。图 11是图示例示性调谐和失调相差成像系统的概念的图。分析栅G2和 干涉图案可分别近似为具有频率f 2 =1/p 2 和频率f int =1/p int 的余弦波。 随后,由放置在分析栅后方的检测器测定的信号为:
例如,MTF是检测器的调制传递函数,可如下近似: MTF(f)=0.5·erfc[αln(f/f 0 )],其中α是MTF曲线的斜率且f 0 是MTF 下降50%的空间频率。在分析栅间距p 2 =2μm下的空间频率为500 cyc/mm。当与相当的干涉图案频率加和时,所述频率加倍,例如 f int +f 2 =1000cyc/mm。非直接电荷积分检测器中的f 0 的例示值一般可 介于1与2cyc/mm之间,而在直接光子计数检测器的情况中,f 0 的 值可达到5cyc/mm。也就是说,检测器将测量不到1000cyc/mm下 的信号。因此,可检测信号仅有:
MTF(f)·cos(2π(f int -f 2 )x)/2      (17)
在调谐相差成像系统的情况中(f int =f 2 ),所述信号增大或是最大 值。当测定这种构造中的开场时,检测器产生均匀图像。在失调相差 成像系统的情况中,检测到的图像将具有余弦图案,具有由检测器的 MTF所导致的较低对比度。对比度的损失取决于系统失调程度,即 Δf=f int -f 2 。图12是图示关于相差成像系统实施方案的调谐和失调 构造在检测器平面中测定的开场图像的实例的图。如图12中所示, 调谐相差成像系统实施方案的开场图像可产生横跨分析栅G2的无变 化或平坦开场图像。如图12中所示,图像的横向尺寸被选择为等于 条纹图案的一个周期(举例来说)。在一个实施方案中,相差成像系 统的Δf可为<5%、<1%或<0.1%。
重要的是作为空间频率的函数的检测器响应。图13A示出针对 不同α斜率(例如,见方程16)描绘的几个MTF。具有较高斜率值 的MTF对于低于半值频率的空间频率来说可具有较长稳定期(例如, 下降较慢)。较高斜率常见于具有较优频率响应的检测器,例如与非 直接检测器相比的直接转化光子计数检测器。对于非直接检测器来 说,斜率α一般接近1和更高,而半值频率在1.5与2cyc/mm之间 的范围内。图13B示出作为MTF斜率α和空间频率f 0 的函数的对比 度下降百分比。如所预期,对于较小Δf的情况,相对于可能最大值 (例如,在Δf=0下)的对比度下降较小。而且,图13中示出的曲线 在较高f 0 下(例如,对于具有较高量子效率的检测器)甚至更低。较 高MTF斜率α可进一步降低对比度下降。MTF斜率α一般接近1和 更高。当根据图3实现PCI系统时,可基于Δf选择G2光栅的宽度。 如果G2的宽度被设置为等于测定条纹图案的一个周期,那么对于 Δf=0.20、0.10或0.05cyc/mm的情况,G2的宽度可分别为0.5、1或 2cm。如本文所描述,为了避免光栅制作不均一,优选保持小的分析 栅宽度。因此,具有对应Δf=0.1cyc/mm的1cm宽度最为合适,但, 本申请的实施方案不希望限于此。此外,当G2的宽度不等于一个而 是两个或更多个干涉对比周期时,可使用其它尺寸。
相对于调谐相差成像系统的实施方案,失调系统的实施方案只能 根据图3所示的示意图实现。在检测器平面中的条纹图案必须加以取 向以使摇动臂横向经过所述图案。虽然图4上所描绘的PCI实现方式 适合调谐相差成像系统,但无法应用于失调PCI系统。另外,在失调 PCI系统的实施方案的情况中,分析栅G2与检测器D可一起移动(例 如,利用附接的平移压电驱动)以使它们沿x射线束的方向(例如, z轴)同时移动,从而可调整检测器平面中条纹图案的频率(Δf)。
当分析栅G2的宽度选择(例如)为1cm时,精确制作具有可 在检测器平面上形成预期条纹图案频率(例如0.1cyc/mm)的间距的 光栅存在挑战。在一个实施方案中,当间距G2稍偏离所需或选择尺 寸时,可通过使分析栅G2沿射束轴(例如,轴z)相对于相位光栅 G1移位来微调相差成像系统。通过使分析栅G2沿射束轴移位,分 析栅G2可在由相位光栅G1形成干涉图案的不同z位置达到峰值。 换言之,在某些例示性实施方案中,使用干涉图案的不同频率f int 以 在检测器平面上形成所需条纹图案。
如本文中所描述,在调谐相差成像系统的实施方案中,相位检索 算法可要求在分析栅的不同横向位置处进行多次x射线曝光,这允许 形成图7中所示的余弦形强度曲线。当相差成像系统失调时,检测器 已可测定余弦形条纹图案且不再要求光栅步进。相对地,在一些例示 性实施方案中,光栅G1、光栅G2和检测器D可固定在一个相对位 置并移动以使目标成像(例如附接到摇动臂),且摇动臂可连续移动 经过固定的目标。或者,在一个实施方案中,摇动臂可静止且目标可 横向移动经过垂直于入射x射线的平面。图14是图示相差成像系统 实施方案的干涉仪相对于目标或相反的例示性移动的图。图15是将 目标的个别切片投射到在检测器平面中测定的一周期条纹图案上的 目标扫描实例示意图。图14至图15中示出的三角形、圆形和正方形 是指例示性目标的不同部分。当G1、G2和D固定而目标与摇动臂 相互移动时,那些目标部分在随后时间被个别投射到条纹图案的不同 横向位置上。在整个目标扫描完成后,目标的每个个别部分(如三角 形、圆形和正方形)在不同强度下被测定几次(例如,N=8)。换言 之,例示性形状(例如,三角形、圆形和正方形)中的每个将具有类 似于图7中所示的个别强度曲线。图16是目标的个别切片(例如, 三角形、圆形和正方形)的强度曲线形成的示意图。再次,可将本文 描述的傅里叶重构技术应用于每个强度曲线以形成关于每个切片的 传输图像、微分相位图像和暗场图像。随后,可将所述切片图像组合 或缝合在一起以形成整个目标的图像。
图2中针对调谐PCI系统情况绘制的功能图还可应用于失调PCI 系统。然而,对于失调PCI系统实施方案来说,不需要压电平移台, 因为在失调PCI构造中光栅不再步进。
根据某些例示性实施方案,可提供方法,其可包括提供射线照相 成像用x射线发生器,提供包括射束限制设备和源光栅G0的射束成 形总成、提供包括相位光栅G1和分析栅G2的x射线光栅干涉仪, 且使分析栅G2的间距相对于由相位光栅G1在离相位光栅G1的规 定距离处产生的干涉图案的间距偏离。在一个方法实施方案中,相位 光栅G1与分析栅G2的相对位置在目标扫描时不变化,且其中所述 规定距离是塔尔博特距离。一个方法实施方案可包括产生大于0.1cm 或覆盖分析栅G2的大部分的条纹图案。在一个方法实施方案中,光 栅G1、光栅G2和检测器D可固定在一个相对位置,附接到摇动臂 并移动以使目标成像,其中光栅G1与光栅G2的相对位置提供非零 Δf。在一个方法实施方案中,通过使分析栅G2的间距不等于由相位 光栅G1在分析栅G2的位置产生的干涉图案的间距产生条纹图案, 或当分析栅G2的间距等于干涉图案的间距时,通过使分析栅G2的 位置偏离塔尔博特距离产生条纹图案。
狭缝扫描光栅型微分相差系统和/或方法的实施方案可提供大范 围潜在应用,包括医学成像、小型动物成像、安保检查、工业无损检 测和食品检验。根据本申请的实施方案还可用于使用其它辐射形式 (如中子和原子束)的相差应用。根据本申请的实施方案可提供对于 临床应用具有高效率和大视野的可靠且低成本相差乳房x射线照相 系统。
此外,当将根据本申请的实施方案(例如,光栅型PCI)与断层 照相扫描组合时,可重构目标中的x射线折射率的三维分布以及通常 在吸收断层照相术中获得的吸收系数分布。
虽然已针对一个或多个实现方式说明本发明,但在不脱离随附权 利要求的精神和范围下可对图示实例进行替换和/或修改。此外,虽 然已针对几种实现方式之一公开本发明的特定特征,但对于任何指定 或特定功能有需要且有利时,这种特征可与其它实现方式的一个或多 个其它特征组合。术语“至少一个”是指可选择所列项目中的一个或多 个。术语“约”指示列举值可一定程度变化,条件是所述变化不会造成 不符合所示实施方案的方法或结构。最后,“例示性”指示将描述用作 实例,而不是暗示这是理想。本领域技术人员将通过说明书的考量和 本文公开发明的实践明白本发明的其它实施方案。预期只将说明书和 实例视为例示性内容,本发明的真实范围和精神是由以下权利要求指 示。