通过直接测量干涉图案进行x 射线成像的x 射线拍摄系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过直接测量干涉图案（18）对检查对象（6）进行X射线成像，特别是进行差分的、有实时能力的相位对比成像的X射线拍摄系统，具有用于产生准相干X射线辐射的至少一个X射线辐射器（3）、具有探测器层（21）和按照矩阵布置的探测器像素（22）的X射线图像探测器（4）、布置在检查对象（6）和X射线图像探测器（4）之间并且产生干涉图案（18）的衍射或相位光栅（17）,第n个塔耳波特阶中的干涉图案（18）直接通过具有非常高的可达到的位置分辨率的X射线探测器（4）来检测，所述位置分辨率按照尼奎斯特理论至少为在第n个塔耳波特阶中形成的干涉图案（18）的一半波长。
【专利说明】通过直接测量干涉图案进行X射线成像的X射线拍摄系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过直接测量干涉图案对检查对象进行X射线成像，特别是进行差分的、有实时能力的相位对比成像的X射线拍摄系统，具有:用于产生准相干X射线辐射的至少一个X射线辐射器、具有探测器层和按照矩阵布置的探测器像素的X射线图像探测器、布置在检查对象和X射线图像探测器之间并且产生干涉图案的衍射或相位光栅。
【背景技术】
[0002]差分的相位对比成像是成像方法，其特别是在塔耳波特-劳(Talbot-Lau)干涉仪装置中自一段时间以来获得许多关注。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页中描述了，借助由一个常规的X射线管、三个光栅和一个X射线探测器组成的干涉仪结构，从相同的数据组中既可以重建吸收对比度、差分相位对比度也可以重建暗场对比度。类似的也可以从 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 页中获悉。
[0003]粒子(诸如X射线量子)的波特性允许借助复杂的折射率
[0004]n=l - δ +i β
[0005]描述诸如折射和反射现象。在此虚部β描述了吸收，所述吸收作为目前临床上的X射线成像，如计算机断层成像、血管造影、放射线照相、荧光透视或乳腺X射线照相的基础，而实部δ描述了在差分相位成像中观察到的相位偏移。
[0006]从DE102010018715A1中公知一种X射线拍摄系统，在所述X射线拍摄系统中为了高质量的X射线成像，使用对检查对象进行相位对比度成像的X射线拍摄系统，其具有:至少一个包括了多个用于发送相干X射线辐射的场发射X射线源的X射线辐射器、一个X射线图像探测器、一个布置在检查对象和X射线图像探测器之间的衍射光栅G1和另一个布置在衍射光栅G1和X射线图像探测器之间的光栅G2。
[0007]可以用来执行开头提到的那种差分相位对比成像的X射线拍摄系统例如从US7, 500, 784B2公知，借助图1对其进行解释。
[0008]图1示出了用于介入的成套设备的X射线拍摄系统的典型的主要特征，所述成套设备具有由按照六轴的工业或弯曲臂机器人形式的支架I所支承的C形臂2，在其端部安装了 X射线辐射源(例如具有X射线管和准直器的X射线辐射器3)和作为图像拍摄单元的X射线图像探测器4。
[0009]借助例如从US7500784B2中公知的优选具有六个旋转轴和由此六个自由度的弯曲臂机器人，可以在空间上任意调节C形臂2，例如通过将其围绕在X射线辐射器3和X射线图像探测器4之间的旋转中心旋转。按照本发明的血管造影X射线系统I至4特别地可以围绕在X射线图像探测器4的C形臂平面中的旋转中心和旋转轴旋转，优选围绕X射线图像探测器4的中点和围绕与X射线图像探测器4的中点相交的旋转轴。
[0010]公知的弯曲臂机器人具有基座，其例如固定地安装在地板上。在其上可围绕第一旋转轴旋转地固定旋转器。在该旋转器上可围绕第二旋转轴枢转地安装了机器人摇臂，在该机器人摇臂上可围绕第三旋转轴旋转地固定了机器人臂。在该机器人臂的端部可围绕第四旋转轴旋转地安装了机器人手。机器人手具有用于C形臂2的紧固件，其可围绕第五旋转轴枢转，并且可围绕与之垂直地延伸的第六旋转轴旋转。
[0011]X射线诊断装置的实现不依赖于工业机器人。也可以使用通常的C形臂设备。
[0012]X射线图像探测器4可以是矩形的或方形的、平的半导体探测器，其优选由闪烁体(例如CsJ)和光电二极管的激活的矩阵组成，所述光电二极管由无定形硅(a-Si)制造。但是也可以使用基于CMOS的集成的探测器或计数探测器(例如CdTe或CZT和ASIC)。
[0013]在X射线辐射器3的光路中，作为检查对象的待检查的患者6的患者位于支撑台的台板5上。在X射线诊断装置上连接了具有图像系统8的系统控制单元7，其接收并处理X射线图像探测器4的图像信号(操作元件例如没有示出)。然后可以在监视器阵列9的显示器上观察X射线图像。监视器阵列9可以借助天花板安装的、纵向可移动的、可枢转的、可旋转的和具有支架和可下沉的支承臂的高度可调支承体系统10来保持。
[0014]替代图1中例如示出的具有以六轴工业或弯曲臂机器人形式的支架I的X射线系统，如在图2中简化示出的，血管造影X射线系统也可以具有用于C形臂2的通常的在地板或天花板上安装的支架。
[0015]替代例如示出的C形臂2，血管造影X射线系统还可以具有用于X射线辐射器3和X射线图像探测器4的、分开的在地板和/或天花板上安装的支架，它们例如电子地刚性耦合。
[0016]在用于临床的相位对比成像的目前处于焦点中的布置中，使用了例如由Martin Spahn[3]在〃Flat detectors and their clinical applicat1ns' EuropeanRad1logy, Volumel5 (2005),第1934至1947中描述的常规的X射线管、目前可用的X射线图像探测器，和以下结合图2详细解释的三个光栅Gtl, G1和G2，该图示出了具有拉伸的管焦点、光栅Gtl, G1和G2和像素化的X射线图像探测器的、用于差分相位对比成像的塔耳波特-劳干涉仪的示意结构。
[0017]从不相干的X射线辐射器3的管焦点11发出的X射线12穿透引起X射线辐射源的位置相干性的吸收光栅O(Gtl)以产生相干的辐射，以及穿透检查对象14，例如患者6。通过检查对象14，X射线12的波前通过相位偏移被这样偏转，如没有相位偏移的，即，没有对象的波前的法线15，和具有相位偏移的波前的法线16示出的那样。然后，相位偏移的波前经过具有与X射线谱的典型能量匹配的光栅常数的衍射或相位光栅H(G1)以用于产生干涉线或干涉图案18，并且又经过吸收的分析光栅19 (G2)以用于读出产生的干涉图案18。具有对象和没有对象形成不同的干涉图案18。分析光栅19的光栅常数是相位光栅17的光栅常数，并且与装置的其余几何特征匹配。分析光栅19例如布置在第一个或第η个塔耳波特距离(阶)中。分析光栅19在此将干涉图案18转换为可以由探测器测量的强度图案。用于临床应用的典型的光栅常数是几个微米，如从引用的文献[1，2]中可以获悉的那样。
[0018]如果X射线源足够相干，即，射线源的管焦点11足够小并且产生的辐射功率却足够大，则可以弃用第一光栅Gtl、即吸收光栅13。
[0019]此时对于X射线图像探测器4的每个像素按照现有技术通过如下确定差分相位偏移，即，通过由箭头表示的所谓的“相位步进(Phase-Stepping)”20,在多个步骤(k=l, K,其中例如K=4至8)中垂直于X射线12的辐射方向并且侧向于光栅结构的布置将分析光栅19(G2)移动光栅常数的一个相应的部分，并且在X射线图像探测器4的像素中测量对于该配置在拍摄期间形成的信号Sk，并且由此采样所形成的干涉图案18。对于每个像素，然后通过合适的拟合方法(匹配或均衡方法)，将描述该调制的函数(例如正弦函数)的参数确定到这样测量的信号Sk。这些参数通常是振幅A、相位Φ和平均强度I。
[0020]从每个像素具有和不具有对象(或患者)的这些拟合参数中导出的特定参量的比较中，然后可以产生三个不同的图像:
[0021]⑴吸收图像，
[0022](ii)差分相位对比图像(DPC)JP
[0023](iii)暗场图像(dark-field image)。
[0024]可视性，即，从最大和最小信号的标准化的差(或更确切地说:标准化到平均信号的振幅)，在此是用于表征塔耳波特-劳-干涉仪的质量的度量。其定义为所采样的调制的对比度
【权利要求】
1.一种通过直接测量干涉图案(18)对检查对象(6)进行X射线成像的X射线拍摄系统，包括:用于产生准相干X射线辐射的至少一个X射线辐射器(3);具有探测器层(21)和按照矩阵布置的探测器像素(22)的X射线图像探测器(4);布置在检查对象(6)和X射线图像探测器(4)之间并且产生干涉图案(18)的衍射或相位光栅(17)， 其特征在于，第η个塔耳波特阶中的干涉图案(18)直接通过具有非常高的可达到的位置分辨率的X射线图像探测器(4)来检测，所述位置分辨率按照尼奎斯特理论至少为在第η个塔耳波特阶中形成的干涉图案(18)的一半波长。
2.根据权利要求1所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述X射线成像产生吸收图像、差分相位对比图像(DPC)或暗场图像。
3.根据权利要求1或2所述的X射线拍摄系统，其特征在于，用于产生准相干X射线辐射的所述X射线辐射器(3)使用在X射线诊断中或血管造影中通常的具有相对大的管焦点(11)的X射线管，并且通过使用吸收光栅(13)而具有所述相干。
4.根据权利要求1或2所述的X射线拍摄系统，其特征在于，用于产生准相干X射线辐射的X射线辐射器(3)具有焦点大小为足够小的多个场发射X射线源。
5.根据权利要求1或2所述的X射线拍摄系统，其特征在于，用于产生准相干X射线辐射的X射线辐射器(3)具有功率足够强的微焦点源。
6.根据权利要 求1至5中任一项所述的X射线拍摄系统，其特征在于，通过以下实现X射线图像探测器(4)的非常高的位置分辨率: -X射线图像探测器(4)的探测器像素(22)具有这样的像素大小，即其面积远大于为了待实现的分辨率而实际所需的面积， -探测器层(21)由如下的探测器材料组成:该探测器材料对于每个所吸收的X射线量子(23)产生多个次级量子(25)并且具有这样的调制传递函数(MTF)，使得次级量子(25)在至少两个探测器像素(22)上分布地到达并且在那里作为像素信号(26)被探测，并且 -关于多个像素(32，34)中的测量的像素信号(26)重建初级事件(24)的位置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的X射线拍摄系统，其特征在于，借助关于在相邻像素(34)中测量的像素信号(26)的合适的函数来确定初级事件的位置。
8.根据权利要求7所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述合适的函数是拟合函数(27)和/或按照等式(X, Y)= Σ (XiJi) -Si/ Σ Si的加权平均，其中，(X, Y)是计算的位置，(Xi, Yi)例如是参与平均的探测器像素(22)的中点并且Si是在相应的像素i中测量的像素信号(26)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述探测器像素(22)通过像素至像素连接(33)与至少直接的相邻像素(34)互相连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述初级事件(24)的位置(31)的重建在像素矩阵中直接进行并且计算的位置(31)对于每个初级事件(24)被保持。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的X射线拍摄系统，其特征在于，在所述初级事件(24)中所有参与的像素(32，34)的像素信号(26)的信号水平和时间戳被保持，并且重建稍后进行，其中，通过时间戳能够将参与的探测器像素(22)事后地相关。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述探测器层(21)由闪烁体材料组成，在所述闪烁体材料中产生的次级量子(25)在多个探测器像素(22)上分布，其中，根据待预计的X射线流的水平而必须选择闪烁体材料的速度，使得产生小的时间常数。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述X射线图像探测器(4)是借助作为探测器材料的CsI以及用于光电二极管和读出结构的CMOS对X射线量子(23)间接转换的集成的探测器。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的X射线拍摄系统，其特征在于，所述X射线图像探测器(4)作为直接 转换X射线量子(23)的、光子计数的探测器实现。
【文档编号】A61B6/00GK104068875SQ201410113535
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2013年3月27日
【发明者】P.伯恩哈特, M.斯帕恩 申请人:西门子公司