通過直接測量干涉圖案進行x 射線成像的x 射線拍攝系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種通過直接測量干涉圖案（18）對檢查對象（6）進行X射線成像，特別是進行差分的、有實時能力的相位對比成像的X射線拍攝系統，具有用于產生準相干X射線輻射的至少一個X射線輻射器（3）、具有探測器層（21）和按照矩陣布置的探測器像素（22）的X射線圖像探測器（4）、布置在檢查對象（6）和X射線圖像探測器（4）之間并且產生干涉圖案（18）的衍射或相位光柵（17）,第n個塔耳波特階中的干涉圖案（18）直接通過具有非常高的可達到的位置分辨率的X射線探測器（4）來檢測，所述位置分辨率按照尼奎斯特理論至少為在第n個塔耳波特階中形成的干涉圖案（18）的一半波長。
【專利說明】通過直接測量干涉圖案進行X射線成像的X射線拍攝系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種通過直接測量干涉圖案對檢查對象進行X射線成像，特別是進行差分的、有實時能力的相位對比成像的X射線拍攝系統，具有:用于產生準相干X射線輻射的至少一個X射線輻射器、具有探測器層和按照矩陣布置的探測器像素的X射線圖像探測器、布置在檢查對象和X射線圖像探測器之間并且產生干涉圖案的衍射或相位光柵。
【背景技術】
[0002]差分的相位對比成像是成像方法，其特別是在塔耳波特-勞(Talbot-Lau)干涉儀裝置中自一段時間以來獲得許多關注。例如在出版物F.Pfeiffer等[I]，"Hard X-raydark-field imaging using a grating interferometer", Nature Materials?,第 134 至137頁中描述了，借助由一個常規的X射線管、三個光柵和一個X射線探測器組成的干涉儀結構，從相同的數據組中既可以重建吸收對比度、差分相位對比度也可以重建暗場對比度。類似的也可以從 Joseph J.Zambelli 等[2]，"Radiat1n dose efficiency comparisonbetween differential phase contrast CT and convent1nal absorpt1n CT〃，Med.Phys.37 (2010)，第 2473 至 2479 頁中獲悉。
[0003]粒子(諸如X射線量子)的波特性允許借助復雜的折射率
[0004]n=l - δ +i β
[0005]描述諸如折射和反射現象。在此虛部β描述了吸收，所述吸收作為目前臨床上的X射線成像，如計算機斷層成像、血管造影、放射線照相、熒光透視或乳腺X射線照相的基礎，而實部δ描述了在差分相位成像中觀察到的相位偏移。
[0006]從DE102010018715A1中公知一種X射線拍攝系統，在所述X射線拍攝系統中為了高質量的X射線成像，使用對檢查對象進行相位對比度成像的X射線拍攝系統，其具有:至少一個包括了多個用于發送相干X射線輻射的場發射X射線源的X射線輻射器、一個X射線圖像探測器、一個布置在檢查對象和X射線圖像探測器之間的衍射光柵G1和另一個布置在衍射光柵G1和X射線圖像探測器之間的光柵G2。
[0007]可以用來執行開頭提到的那種差分相位對比成像的X射線拍攝系統例如從US7, 500, 784B2公知，借助圖1對其進行解釋。
[0008]圖1示出了用于介入的成套設備的X射線拍攝系統的典型的主要特征，所述成套設備具有由按照六軸的工業或彎曲臂機器人形式的支架I所支承的C形臂2，在其端部安裝了 X射線輻射源(例如具有X射線管和準直器的X射線輻射器3)和作為圖像拍攝單元的X射線圖像探測器4。
[0009]借助例如從US7500784B2中公知的優選具有六個旋轉軸和由此六個自由度的彎曲臂機器人，可以在空間上任意調節C形臂2，例如通過將其圍繞在X射線輻射器3和X射線圖像探測器4之間的旋轉中心旋轉。按照本發明的血管造影X射線系統I至4特別地可以圍繞在X射線圖像探測器4的C形臂平面中的旋轉中心和旋轉軸旋轉，優選圍繞X射線圖像探測器4的中點和圍繞與X射線圖像探測器4的中點相交的旋轉軸。
[0010]公知的彎曲臂機器人具有基座，其例如固定地安裝在地板上。在其上可圍繞第一旋轉軸旋轉地固定旋轉器。在該旋轉器上可圍繞第二旋轉軸樞轉地安裝了機器人搖臂，在該機器人搖臂上可圍繞第三旋轉軸旋轉地固定了機器人臂。在該機器人臂的端部可圍繞第四旋轉軸旋轉地安裝了機器人手。機器人手具有用于C形臂2的緊固件，其可圍繞第五旋轉軸樞轉，并且可圍繞與之垂直地延伸的第六旋轉軸旋轉。
[0011]X射線診斷裝置的實現不依賴于工業機器人。也可以使用通常的C形臂設備。
[0012]X射線圖像探測器4可以是矩形的或方形的、平的半導體探測器，其優選由閃爍體(例如CsJ)和光電二極管的激活的矩陣組成，所述光電二極管由無定形硅(a-Si)制造。但是也可以使用基于CMOS的集成的探測器或計數探測器(例如CdTe或CZT和ASIC)。
[0013]在X射線輻射器3的光路中，作為檢查對象的待檢查的患者6的患者位于支撐臺的臺板5上。在X射線診斷裝置上連接了具有圖像系統8的系統控制單元7，其接收并處理X射線圖像探測器4的圖像信號(操作元件例如沒有示出)。然后可以在監視器陣列9的顯示器上觀察X射線圖像。監視器陣列9可以借助天花板安裝的、縱向可移動的、可樞轉的、可旋轉的和具有支架和可下沉的支承臂的高度可調支承體系統10來保持。
[0014]替代圖1中例如示出的具有以六軸工業或彎曲臂機器人形式的支架I的X射線系統，如在圖2中簡化示出的，血管造影X射線系統也可以具有用于C形臂2的通常的在地板或天花板上安裝的支架。
[0015]替代例如示出的C形臂2，血管造影X射線系統還可以具有用于X射線輻射器3和X射線圖像探測器4的、分開的在地板和/或天花板上安裝的支架，它們例如電子地剛性耦合。
[0016]在用于臨床的相位對比成像的目前處于焦點中的布置中，使用了例如由Martin Spahn[3]在〃Flat detectors and their clinical applicat1ns' EuropeanRad1logy, Volumel5 (2005),第1934至1947中描述的常規的X射線管、目前可用的X射線圖像探測器，和以下結合圖2詳細解釋的三個光柵Gtl, G1和G2，該圖示出了具有拉伸的管焦點、光柵Gtl, G1和G2和像素化的X射線圖像探測器的、用于差分相位對比成像的塔耳波特-勞干涉儀的示意結構。
[0017]從不相干的X射線輻射器3的管焦點11發出的X射線12穿透引起X射線輻射源的位置相干性的吸收光柵O(Gtl)以產生相干的輻射，以及穿透檢查對象14，例如患者6。通過檢查對象14，X射線12的波前通過相位偏移被這樣偏轉，如沒有相位偏移的，即，沒有對象的波前的法線15，和具有相位偏移的波前的法線16示出的那樣。然后，相位偏移的波前經過具有與X射線譜的典型能量匹配的光柵常數的衍射或相位光柵H(G1)以用于產生干涉線或干涉圖案18，并且又經過吸收的分析光柵19 (G2)以用于讀出產生的干涉圖案18。具有對象和沒有對象形成不同的干涉圖案18。分析光柵19的光柵常數是相位光柵17的光柵常數，并且與裝置的其余幾何特征匹配。分析光柵19例如布置在第一個或第η個塔耳波特距離(階)中。分析光柵19在此將干涉圖案18轉換為可以由探測器測量的強度圖案。用于臨床應用的典型的光柵常數是幾個微米，如從引用的文獻[1，2]中可以獲悉的那樣。
[0018]如果X射線源足夠相干，即，射線源的管焦點11足夠小并且產生的輻射功率卻足夠大，則可以棄用第一光柵Gtl、即吸收光柵13。
[0019]此時對于X射線圖像探測器4的每個像素按照現有技術通過如下確定差分相位偏移，即，通過由箭頭表示的所謂的“相位步進(Phase-Stepping)”20,在多個步驟(k=l, K,其中例如K=4至8)中垂直于X射線12的輻射方向并且側向于光柵結構的布置將分析光柵19(G2)移動光柵常數的一個相應的部分，并且在X射線圖像探測器4的像素中測量對于該配置在拍攝期間形成的信號Sk，并且由此采樣所形成的干涉圖案18。對于每個像素，然后通過合適的擬合方法(匹配或均衡方法)，將描述該調制的函數(例如正弦函數)的參數確定到這樣測量的信號Sk。這些參數通常是振幅A、相位Φ和平均強度I。
[0020]從每個像素具有和不具有對象(或患者)的這些擬合參數中導出的特定參量的比較中，然后可以產生三個不同的圖像:
[0021]⑴吸收圖像，
[0022](ii)差分相位對比圖像(DPC)JP
[0023](iii)暗場圖像(dark-field image)。
[0024]可視性，即，從最大和最小信號的標準化的差(或更確切地說:標準化到平均信號的振幅)，在此是用于表征塔耳波特-勞-干涉儀的質量的度量。其定義為所采樣的調制的對比度
【權利要求】
1.一種通過直接測量干涉圖案(18)對檢查對象(6)進行X射線成像的X射線拍攝系統，包括:用于產生準相干X射線輻射的至少一個X射線輻射器(3);具有探測器層(21)和按照矩陣布置的探測器像素(22)的X射線圖像探測器(4);布置在檢查對象(6)和X射線圖像探測器(4)之間并且產生干涉圖案(18)的衍射或相位光柵(17)， 其特征在于，第η個塔耳波特階中的干涉圖案(18)直接通過具有非常高的可達到的位置分辨率的X射線圖像探測器(4)來檢測，所述位置分辨率按照尼奎斯特理論至少為在第η個塔耳波特階中形成的干涉圖案(18)的一半波長。
2.根據權利要求1所述的X射線拍攝系統，其特征在于，所述X射線成像產生吸收圖像、差分相位對比圖像(DPC)或暗場圖像。
3.根據權利要求1或2所述的X射線拍攝系統，其特征在于，用于產生準相干X射線輻射的所述X射線輻射器(3)使用在X射線診斷中或血管造影中通常的具有相對大的管焦點(11)的X射線管，并且通過使用吸收光柵(13)而具有所述相干。
4.根據權利要求1或2所述的X射線拍攝系統，其特征在于，用于產生準相干X射線輻射的X射線輻射器(3)具有焦點大小為足夠小的多個場發射X射線源。
5.根據權利要求1或2所述的X射線拍攝系統，其特征在于，用于產生準相干X射線輻射的X射線輻射器(3)具有功率足夠強的微焦點源。
6.根據權利要 求1至5中任一項所述的X射線拍攝系統，其特征在于，通過以下實現X射線圖像探測器(4)的非常高的位置分辨率: -X射線圖像探測器(4)的探測器像素(22)具有這樣的像素大小，即其面積遠大于為了待實現的分辨率而實際所需的面積， -探測器層(21)由如下的探測器材料組成:該探測器材料對于每個所吸收的X射線量子(23)產生多個次級量子(25)并且具有這樣的調制傳遞函數(MTF)，使得次級量子(25)在至少兩個探測器像素(22)上分布地到達并且在那里作為像素信號(26)被探測，并且 -關于多個像素(32，34)中的測量的像素信號(26)重建初級事件(24)的位置。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的X射線拍攝系統，其特征在于，借助關于在相鄰像素(34)中測量的像素信號(26)的合適的函數來確定初級事件的位置。
8.根據權利要求7所述的X射線拍攝系統，其特征在于，所述合適的函數是擬合函數(27)和/或按照等式(X, Y)= Σ (XiJi) -Si/ Σ Si的加權平均，其中，(X, Y)是計算的位置，(Xi, Yi)例如是參與平均的探測器像素(22)的中點并且Si是在相應的像素i中測量的像素信號(26)。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的X射線拍攝系統，其特征在于，所述探測器像素(22)通過像素至像素連接(33)與至少直接的相鄰像素(34)互相連接。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的X射線拍攝系統，其特征在于，所述初級事件(24)的位置(31)的重建在像素矩陣中直接進行并且計算的位置(31)對于每個初級事件(24)被保持。
11.根據權利要求1至9中任一項所述的X射線拍攝系統，其特征在于，在所述初級事件(24)中所有參與的像素(32，34)的像素信號(26)的信號水平和時間戳被保持，并且重建稍后進行，其中，通過時間戳能夠將參與的探測器像素(22)事后地相關。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的X射線拍攝系統，其特征在于，所述探測器層(21)由閃爍體材料組成，在所述閃爍體材料中產生的次級量子(25)在多個探測器像素(22)上分布，其中，根據待預計的X射線流的水平而必須選擇閃爍體材料的速度，使得產生小的時間常數。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的X射線拍攝系統，其特征在于，所述X射線圖像探測器(4)是借助作為探測器材料的CsI以及用于光電二極管和讀出結構的CMOS對X射線量子(23)間接轉換的集成的探測器。
14.根據權利要求1至10中任一項所述的X射線拍攝系統，其特征在于，所述X射線圖像探測器(4)作為直接 轉換X射線量子(23)的、光子計數的探測器實現。
【文檔編號】A61B6/00GK104068875SQ201410113535
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2013年3月27日
【發明者】P.伯恩哈特, M.斯帕恩 申請人:西門子公司