用于利用不相干的多色x射线源进行定量相衬成像和断层照相术的干涉仪的制作方法

专利名称：用于利用不相干的多色x射线源进行定量相衬成像和断层照相术的干涉仪的制作方法
用于利用不相干的多色x射线源进行定量相衬成像和断层照相术的干涉仪本发明涉及用于x射线、尤其是硬x射线的干涉仪，用于获得定量相衬图4象和测量波前形状(wavefront shape)。对于硬X射线而言，在传统射线照相术中产生对比的吸收横截面 通常远小于弹性散射横截面。弹性散射导致穿过物质的波的相移。例 如，如果17. 5 keV的X射线(通常用于乳房X线照相术)穿过50卩m 厚的生物组织薄片，衰减将仅每百中的若干分之几(a fraction of a percent)，而相移接近于IT。从而，记录X射线相移的可能性使得充 分提高对比度成为可能，因此使所施加的X射线剂量减少。由于以下 两个原因，剂量的减少是期望的i)曝露于X射线的患者的健康危害， 和ii )减少曝露时间。在过去数年，研发了检测样本后面的辐射中的相变异的数种方法。 这些方法可以被分为干涉测量方法、4吏用分光晶体(analyzer crystal ) 的技术和自由空间传播方法。这些方法在所记录信号的特性、实验装 置和在照射辐射(尤其是其空间相干性和单色性)上的需求上存在区 别。虽然这些方法中的一些能够对特定的问题产生优良的结果，但是 没有一种方法可以被非常广泛地使用。尤其是，迄今没有发现任何一 种方法可用于医学诊断，这需要多个厘米的大视野、如由实验室X射 线发生器所提供的宽带辐射的有效使用以及相当紧凑的设置。除了医 学应用外，任何例如在生物学或材料科学中对低对比度的物体的研究 都可能从开发的相衬中获利。应当注意，嵌入相同吸收系数的基体 (matrix)中的物体在吸收衬度(absorption contrast )方面完全不 可见，而对于相同的样本，相移会明显不同。在硬X射线湘位成像中将光栅用作光学元件有可能克服迄今为止 削减相衬在X射线照相术和断层照相术中更广泛使用的问题。最近已 经研究了用于硬X射线的基于光栅的干涉仪的几个不同的几何结构。 下面包含了过去已经公开的、授予专利权的或可获得的课题和结果的 列表国际专利申请W0 2004/071298 Al描述了使用三个光栅(两个相栅和一个振幅光栅)，以使用多色的、不相干的x射线源来获得相衬图像。其它公开文献包含了由使用两个相栅和布拉格(Bragg)分光晶 体或使用相栅与振幅光栅的、基于光栅的干涉仪获得的结果说明。现有技术中公知的实验结果在同步加速器X射线源处获得，这种 射线源是非常昂贵的设备并且仅在独特的科学设备处可得到。在光学或X射线波长，波的相位不能被直接测量，因此相移到强 度调制的任何变换必须取决于两个(或更多个)波的干涉。为了能够 建设性地或破坏性地干涉，波需要在时间和空间中具有良好限定的相 位关系，即足够的时间(纵向)相干性和空间(横向)相干性。有关射线照相术的发明的商业影响将大大取决于X射线管是否适 合作为辐射源或该方法由于所需的相干度是否被限于在同步加速器辐 射设备上使用。因而，对于理解根据本发明的干涉仪装置的优点，完 全理解相关条件和关系是必要的。时间相干性与辐射的单色性有关。对于在中心波长人周围的带宽 5入的辐射，纵向相干长度为入7 5入。当考虑到源自相同源斑点的两 条射线束时，这两条射线束在采取穿过光学装置的不同路径后重合， 如果光程长度的差别小于纵向相干长度，则这些射线束仅具有良好限 定的相位关系。虽然对于可见激光而言，A2/5入能够延伸许多米，但 是即使使用晶体单色仪(入/5入《104)，其在硬X射线波长仅为微米 级。空间相干性与源的尺寸和距离有关。当考虑到以波长入发射的、 横向尺寸为c的固有不相干的和混乱源(例如，灯泡或传统的X射线 管)时，另外在距该源的距离为1时，只有满足条件r〈入 1/c时， 位于垂直于光轴的平面中并且隔开距离r的两个点之间的波前相差被 良好限定。最重要地，只有当相干长度近似等于或大于衍射孔或相位 掩模的相关长度标度时，才出现诸如那些用于基于光栅的干涉仪的干 涉效应。对于以入-O. 1 nm发射的具有O. 1 mm的光斑尺寸的X射线管 源，在距源lm的距离处的横向相干长度同样仅为一个微米级。本发明的目的在于提供一种用于相衬X射线图像的设备，该设备 并不依赖于同步加速器X射线源并且只需要少许调节光学装置的工作。在本发明中，通过用于X射线、尤其是硬X射线的干涉仪来实现 这个目的，用于获得定量的相村图像，该干涉仪包括a) X射线源，优选为标准多色的X射线源，b) 衍射光学元件，优选地为透射几何结构的衍射光学元件，该 衍射光学元件作为射束分离器，以及c) 具有在空间上调制过的检测灵敏度的位置灵敏检测器。该调 制起到用于通过射束分离器形成的干涉图案的分析器的作用；其可以 被结合到检测器中或从检测器分离。通过在仅使用传统X射线源而不是同步加速器中并且在仅使用两 个不同的光栅结构中，这种干涉仪将所有被请求的要求统一起来，在 两个不同的光栅结构中， 一个光栅用于将已经穿过要被研究的物体的X 射线衍射，而另 一 光栅用于递送在空间上调制过的检测灵敏度。在本发明的优选实施例中，射束分离器为相栅，即，线光栅或二 维构造的光栅，该光栅具有低X射线吸收，而且具有相当多的X射线相移，优选地具有相移7T或7T的奇数倍。相栅可以通过深蚀刻到硅中或由聚合物来制成。另外，检测器灵敏度的调制可以通过一维或二维光栅结构来实现， 该光栅结构具有高X射线吸收衬度并且直接位于检测器前面。这种分 析栅可以用作防散射滤线栅(anti-scatter grid)，或者防散射滤线 栅可以被用作分析栅。吸收光栅可以通过将重金属沉积到低吸收结构的间隙中来制成。检测器灵敏度调制的周期p2最好被选为使其通过关系A-^V""7"2而与射束分离光栅的周期Pt和入射波前的半径1，其中d 为射束分离器与分析器之间的距离。优选地，射束分离器与分析器之 间的距离被选为奇数的分数塔尔博特(Talbot)距离，该距离由等式《一-7r^-yr^7^给出，其中n-i，3，5，…。此外，射束分离光栅的相移和射束分离器与分析器之间的距离适应于光子能，该光子能对 应于用作源的x射线发生器的发射谱线。为了能够观察任何期望周期的莫尔条紋，或将莫尔条紋最小化或完全抑制，可以包括机构来相对于分析器改变围绕射束分离器的光轴的角定向。为了增加侧面空间分辨率和将在关于x射线相移的信息从x射线 吸收的信息中分离的目的，可以通过侧面横向移动辐射源和/或位于辐 射源前面的孔、和/或射束分离器、和/或分析器，和/或通过相对于x射线源倾斜干涉仪来实现一维或二维的相位阶跃(phase stepping) 扫描。为了保证快速数据采集，检测器可以被设计成在两个维度中对位 置灵敏，由此射束分离器和分析器的侧面尺寸覆盖了检测器的活动区 (active area)的重要部分。可替换地，为了使生产成本降低和在干涉图中减轻散射伪像，准 直仪可以被放置在源与射束分离器之间，该准直仪将照射X射线的空 间范围限制为扇形射束；可以包括线阵列检测器和机构，其允许相对于设备的其余部分垂直于扇形的张开角来线性扫描样本。在前面两段中所述的配置中，通过使用单个物理源或虚拟源的一 维或二维阵列而不是使用单个线或点源，增加了通量，并且因而减少 了数据采集时间，该物理源或虚拟源可以互不相干，并且其侧面间隔p。优选地通过P。-^x+给出。这种源阵列可以通过具有线状或点状开口的孔眼掩模产生。可替换地，源阵列通过电子光学产生，该电子光学 在X射线源的阳极上产生电子线或点聚焦阵列。这也就是通过使用电 子光学产生源阵列来实现，该电子光学跨越X射线源的阳极表面扫描 单个线或点聚焦，或者将线或点阵列投影到阳极表面上。可替换地或 附加地，源阵列可以通过使用包括阳极的X射线源来产生，该阳极由不同的材料根据地形或以镶嵌方式组装地被构造。同样，为了改善干涉仪的扫描属性，可以包括用于将样本相对于 剩余部件旋转的装置，以便为断层照相扫描执行数据收集。在优选的实施例中，可以通过针对相位阶跃扫描数据执行分析过 程来执行扫描技术，该分析过程包括以下步骤针对检测器的每个元 件计算傅立叶变换或计算在元件中测量的强度曲线的至少一个傅立叶 分量，并且然后将一个或多个傅立叶分量的相位保留作为用于将来处 理的信号。可替换地，可以针对相位阶跃扫描数据执行分析过程，该分析过 程包括以下步骤针对检测器的每个元件将在元件中测量的强度曲线 拟合到在没有所研究的射束变形的情况下分开模拟或测量的强度曲 线，其中至少一个拟合参数是曲线沿着扫描位置轴的移位。本发明的另外的有利特征可以由其余的从属权利要求导出。下面参考附图描述了本发明的优选实例和实施例。

图1示出根据本发明的双光栅干涉仪的示意图；图2示出使用图1的干涉仪的线性相栅的塔尔博特自成像和莫尔 条紋形成的示意图；图3示出莫尔干涉测量法的示意图；图4示出与根据图1的干涉仪一起使用的相位阶跃技术的原理的 示意图；图5示出利用相位阶跃干涉测量法获得的断层照相图像；图6示出针对根据图1的双光栅干涉仪获得相位阶跃移动的四个不同选项的示意图；图7示出锥面射束问题和针对它的多个解决方案的示意图；图8示出在扫描X射线成像系统中实施的双光栅干涉仪的示意图，由此示出了光栅划线(grating line)相对扇形射束的两个可能的定向；图9示出包含铝和塑料球的测试样本的X射线图像； 图IO示出具有线源阵列的光栅干涉仪的示意图； 图11示出具有源光栅的光栅干涉仪的示意图；以及 图12示出包含铝和塑料球的测试样本的X射线图像，这些X射线 图像利用来自标准实验室X射线源的多色辐射记录。本发明基于如图l所示的双光栅干涉仪。该干涉仪包括下列部件 X射线源XS (例如，通常电子能量在10-100 keV的范围中的静止或 旋转阳极，或任何其它X射线源)，可选集合的合适的滤波器F、物体 0、射束分离相栅G1、分析器振幅光栅G2以及在空间上分解的X射线 检测器D。源XS至少在垂直于光轴A的一个方向提供某个程度的空间 相干性。如果源为X射线管，那么阳极材料应当被选为在适合特定应 用的能量范围中具有合适的谱线。对于乳房X线照相术，这些材料可 以是Nb、 Mo、 Rh、 Pd、 Ag，这些材料具有在15-25 keV范围中的K 发射语线。对于具有更薄或更少吸收样本的其它应用(例如台式断层 照相装置(desktop tomography setup))，負fe量可以在5 — 10 keV 范围中(例如，Cu阳极)。源XS的光谱可以被过滤来减小源的带宽。 下面将更具体地限定相干要求。对于图像形成过程，周期为p,的射束分离光栅Gl应当被构造成使 其将入射射束首先分成两个第一衍射级。对此的条件是，光栅划线具有较少吸收并且将穿过光栅划线的辐射的相位移位奇数倍的n，而且相移结构的宽度接近于光栅周期的一半，也就是说，光栅具有接近于0. 5的占空因数。由于照射的硬X射线的波长在10"…10-um级，并且 因此远小于光栅栅距(10—5...10_6m)，两条衍射射束之间的角度小得使 得这两条射束几乎完全重叠。在射束分离光栅G1的重叠区域下游，衍 射射束进行干涉并且在G1的下游的距离d处垂直于光轴A的平面中形 成线性周期条紋图案。对于球形入射波，即对于来自距离1处的源的 辐射，干涉图案的周期等于如果(1<<1，这是通常的情况，干涉条紋的周期约为Gl的周期的一半。 这些条紋的周期和侧面位置都不取决于所用辐射的波长。入射波前的 扰动(诸如那些由处于射束中的相位物体上的折射引起的扰动)导致 条紋的局部位移。操作在此描述的基于光栅的干涉仪的基本思想是检 测条紋的位置和根据这些位置确定波前的形状。然而，由于相栅的周 期(并且因此是干涉条紋的间距)不超过几微米，置于检测平面中的 面检测器通常将不具有足够的分辨率去分辩该条紋，更不用说这些条 紋的最大值的确切位置。因此，具有吸收谱线和与条紋相同的周期p2 和定向的分析栅G2被置于检测平面中，紧接在检测器之前。吸收谱线 的透射应当尽可能低，并且吸收谱线的宽度应当接近它们之间的间隙 的宽度(占空因数接近0. 5)，以得到最优性能。这种分析栅G2起到 用于检测器D的透射掩模的作用并且将局部的条紋位置转换成信号强 度变量。所检测到的强度信号包含关于由物体0引起的相移的定量信 息。至少可以采用三种方法来提取这个相位信息1)最简单的方法当分析栅G2被置于空装置(意指没有样本的 情况)的干涉条紋图案中时，其中该分析栅G2具有与光栅划线和干涉 条紋完全相同的定向和周期，那么透射强度的透射取决于条紋和光栅 划线在垂直于光栅划线的方向上的相对位置。在当干涉条紋的最大值 与吸收光栅划线重合的情况下，透射强度达到最小，反之，当干涉条 紋的最大值与吸收谱线之间的透射间隙重合时，透射强度达到最大。 如果该位置被选择成使得透射强度处于这些极值之间，并且理想地接 近最大与最小透射之间的平均值，那么干涉条紋的局部变形将导致局 部透射的变化，该变化与条紋变形成比例。在光栅的上游引入的相位物体将导致透射波前的变形，这又将导致干涉条紋图案的变形。可以证明地是，这种变形与由物体o引起的相移的导数成比例。所记录的图像因此是微分相村图像。如需要，相衬图像可以通过将微分相村图像在垂直于光栅划线的方向上积分获得.上述方法的缺点是i)所记 录的图像包含可能的吸收衬度和来自物体0内部的边缘的衍射的衬度。 根据(微分)相衬成分(contribution)难以区分这两者。ii)该方法要求干涉图案相当于分析栅划线在整个视野中的精确对准。这尤其 是对于大视野而言难以获得，并且即使当干涉条紋或光栅划线由于装 置的机械缺陷或光栅的制作缺陷而变形时也是不可能实现的。2)莫尔干涉测量法在这种模式下，射束分离光栅Gl和分析栅 G2不与其完全彼此平行的谱线对准，而是根据考虑，两个光栅相对于 彼此围绕光轴具有小旋转角ot。这导致了如图2所示的一组莫尔条紋。 对于入射平面波(图2a)，莫尔条紋具有间距Pm = p2 / a (2)并且垂直于两个光栅的谱线(图2b)。对于仍为平面的斜波，条紋相 对于平行于光轴的平面波移位(图2c， d)。对于收敛或发散波(图 2e)，莫尔条紋是倾斜的(图2f)。根据莫尔条紋最大值的局部位置 或根据局部莫尔条紋的倾斜，可以相对筒单地获得波前相位分布的导 数。侧面莫尔条紋位移Ay和波前相位①之间的关系为标准的条紋分析方法和软件可以用于获得莫尔条紋位置Ay。图3示出 了实验数据和初步分析的例子。通过在空间分辨率和灵敏度之间权衡 来选择两个光栅的倾斜角oc。在垂直于莫尔条紋的方向的空间分辨率 不能优于一个莫尔条紋周期p 。由于&随a的增加而减小(等式2)， 所以更大的倾斜意味着更好的空间分辨率。但是等式3表明，灵敏度 随倾斜的增加而减少，即对于给定的相位梯度，a越大则莫尔条紋的 移位越少。干涉仪的波紋操作的主要优势在于，可以从单个图像获得 纯相位信息，而不带有任何不需要的吸收衬度。主要缺点在于，在平 行于光栅划线的方向(垂直于莫尔条紋)的分辨率是小于检测器像素 尺寸的至少一个数量级。3)相位阶跃避免上述方法的缺点的第三种方法如下为了将相位信息与对信号的其它成分(诸如样本中的吸收率、不均匀照明或者 光栅的缺陷)中分离出来，在可见光干涉测量法中使用的相位阶跃方法适用于这种设置。在图4中示出光栅之一沿着垂直于光栅划线的 横向方向在光栅的一个周期上被扫描，并且对于扫描的每个点取图像(图4a到d)。检测器平面中的每个像素(x， y)中的强度信号I (x， y)根据^振荡(图4e)。每个像素中的强度振荡的相位d) (x, y)(图4f )通过下面的等式与波前相位分布(J) (x， y)相关嘛力=^，. (4)d)不包含其它成分，尤其是不包含吸收衬度。物体的相位分布由此可以通过简单的一维积分从d) (x, y)重新获得，如图4g所示。在其中 撞击到物体0上的波前已经显示某种变形的通常情况下，应当通过将 物体0从射束中去除并且随后被减去来测量背景相位分布d) back( X， y )。 甚至在相位值的范围大大超出2tt的情况中，诸如在图4g的实例中， 相位展开通常不是必需的，因为只要样本中的相位梯度不是太陡，所 测量的量(J)(实质上为d)的第一导数(等式4))将不会超过7t。通过相位阶跃扫描获得的信息中含有的其它量(每个像素在整个 振荡上的平均信号a(x， y)(图4h))与透射X射线照相术信号是 相同的，如其在没有干涉仪的X射线照相术中被测量的那样。该量包 含投影吸收系数，并且取决于实验几何结构和检测器分辨率，该量包 含边缘增强的菲涅耳(Fresnel)衍射村度。因此，单个相位阶跃扫描 产生相位和吸收图像。检测系统的整个分辨率可以被用于这两种图像。 主要的缺点在于以下事实，即必须捕获数幅图像来获得相位图像。然 而，这并不是必需意味着必须增加所施加的X射线剂量或曝露时间。图5示出了通过相位阶跃获得的处理过的X射线照片a(x， y)和 d) (x， y)、积分的相移c!) (X， y)以及吸收和相位信号的重建的X 射线断层照片和样本(小蜘蛛)的断层照相重建折射率的三维再现。边 缘增强的吸收图像a (x， y)示出了针对投影(图5a)和断层照片(图 5d)的细节的强烈对比。但是损失了相位分布的低空间频率，使得图 像分割(即，将每个像素或体素分配给样本的组成材料之一)是不容 易实现的。相位断层照片(图5f)展现了清楚的优点其像素值是样 本中的折射率5的缩减的直接量度，并且因此可直接实现定量分析。此外，图5a和d中的边缘增强的成行(inline)菲涅耳衍射衬度在较 低分辨率的检测器上不能观察到，但是，干涉测量法的相村不受这个 限制。当干涉测量法被提高到大视野时，这是至关重要的，因为有限 数目的像素将固有地限制空间分辨率。应当提及的是，执行相位阶跃有几种可能性最显而易见的是根 据图6a移动光栅Gl或根据图6b移动光栅G2。缺点在于，移动必须以 亚微米精确度完成，并且尤其是当使用大光栅来提供大视野时，两个 光栅的谱线的精确平行的定向被丢失。作为替换方案，也可能将光栅 Gl和光栅G2 —起围绕沿着光栅划线方向定向的轴旋转角oc,如图6c 所示的那样。这再次允许将光栅Gl和G2相对彼此保持在对准位置， 或者甚至将这两个光栅机械固定在一起。最有利的可能性是在垂直于 光轴和光栅划线的方向上移动源，如图6d所示。由于这种移动更粗略 并且必须以如与最初的两个解决方案a和b相比小1/d倍的精确度执 行，所述这更容易实现。同样，允许将光栅Gl和G2保持在对准位置 并且将它们机械地固定，使得在相位阶跃移动期间不能丢失这种对准。源可以机械地移动或通过将X射线源的电子束偏转来移动撞击阳 极的电子位置而移动。在X射线管的普通几何结构的情况下，其中X 射线在浅角下从阳极表面被提取，源点的移动沿着光轴也具有较大的 分量。在此，仅仅垂直于光轴的分量具有相位阶跃效应。射束在阳极 表面上的总偏转在这种情况下较大，从而降低了对电子束移动的精确 度的要求。如上所述和如图4所示，相位阶跃扫描对于检测器中的每个像素 产生一系列强度值，由这些强度值可以提取不同的量，尤其是提取每 个像素中的强度振荡的相位c!)(其涉及通过等式(2)导出波前相位(b ) 和在振荡期间的平均强度a(其主要对应非干涉测量的X射线图像)。 在下文中，讨论在一个相位阶跃扫描中需要多少个相位梯级(step)， 以及如何分析相位阶跃扫描来提取(J)。相位阶跃扫描的范围应当(至少)覆盖一个振荡周期。在传统的 相位阶跃干涉测量法(即利用可见光)中，光学分量通常被设计成使 得对比曲线(例如如图4e所示)为正弦形的。在这种情况下，在扫描 中取三个点是足够的。然后，振荡相位d)的切线可以仅通过获得信号 差的比率容易地被计算。X射线干涉仪中的情况与常规情况的区别在于对比曲线的形状不 是正弦形的。(对于箱形光栅(box-profile grating)和完全相干的 照明的理想情况来说，对比曲线例如为三角形。)处理这个问题有至 少两种方式1. 在每个振荡周期以较多数目的点执行相位阶跃扫描。为了针对 每个像素分析相位阶跃扫描信号，可以计算其傅立叶变换。傅立叶变 换的第一分量的相位表示振荡相位d)(巻入幅度7T的半开区间)。对 于这种类型的分析，相位阶跃扫描中的点的最小数目应当是不可忽略 的强度的最高傅立叶分量的数目加上2。2. 在没有任何样本的校准测量中，通过采取具有非常精细的梯级 的相位阶跃扫描来测量(每个像素中的)对比曲线。在样本的成像中， 相位阶跃扫描可以利用扫描中的数个点来执行，并且通过使用校准对 比曲线(例如利用拟合过程)来确定相位cp。当比较这两种方法时，应当注意，第一种方法具有每次相位阶跃扫描 的更多必需点的缺点，但是优点在于，较高的傅立叶分量可能被用于 提取附加信息。两个光栅之间的距离d可以被自由选择，虽然存在对比最佳的d 值和对比最小的其它d值(参见如下)。如可以从等式(2)看出的那 样，方法的灵敏度随着d线性增加。当物体与检测器之间的距离增加 时，选择较大的d可以导致由于半影模糊引起的空间分辨率的损失。 而且，要求较高程度的侧面相干(参见如下)。当选择光栅间(inter-grating)距离d时，干涉条紋的对比度才艮 据d周期性变化。对于平面入射波和节距为p:的纯相栅，该相栅的谱 线将相位移位7T，对比度对于奇数倍的d-p,7(8入)最强，并且在偶数 倍的d-Pi7(8X)处为零(涉及塔尔博特自成像效应的现象)。在下文 中，将任何距离d^np,7(8TO称为"第n个分数塔尔博特距离"，并 且将距相栅的距离为dn的平面称为"第n个分数塔尔博特平面"。d 应当被设定成给出最大对比度的值，即奇数的分数塔尔博特距离 (n-l，3，5，…)。对于球形入射波，而不是平面波，上面对于分数塔 尔博特距离的表达式必须被修改成其中l是源与Gl之间的距离。对于l〉Xln,，夂与dn,sph之间的差较小。如已经提及的那样，这些条紋的周期和侧面位置都不取决于所用 辐射的波长。就某种意义来说，所述的设置是无色的，从而考虑到使用来自X射线管的宽带辐射，而不需要单色仪，该单色仪会仅去掉所用辐射的一小部分并且会因此没有光子效率。然而，所提出的设置的两个方面都取决于光子能量。首先，由于光栅材料的色散，光栅G1的谱线的相移取决于光子能量。引起相移等于7T的奇数倍的条件并不严格，并且在设计能量周围±10%的量级的某个能量带内的辐射可以被接受。从丌的偏移仅影响对比度(但其并 没有定量地改变干涉图案)。其次，塔尔博特平面的位置取决于光子能量。但是同样，光栅G2必须被置于塔尔博特平面的条件也不是非常 严格，从而允许使用处于第一塔尔博特平面中的光栅G2的±10%的量 级的某个能量带内的辐射。这种条件对于较高的光栅距离变得更严格。 应当提及的是，物体的折射率同样取决于所用的光子能量。然而， 在被包含在样本中的元素在所用的光子能量带的范围内不具有吸收边 缘的条件下，重建的相位投影和断层照片仍然是定量的。在这种情况 下，样本的所有部分具有相同的色散关系，即，折射率的实部随E—2变化。前面部分的考虑表明，由光栅G2的结构引起的相移应当接近于7T 的奇数倍，并且光栅Gl与光栅G2之间的距离应当接近于奇数的分数 塔尔博特距离dn,sph。相移和分数塔尔博特距离都取决于所用的辐射的 波长。因此，重要的是，光栅结构和在光栅Gl与光栅G2之间所选的 距离彼此匹配，这意味着实现相同波长的条件。而且，如果该波长与 所用的X射线源的阳极材料的发射谱线重合，则是有用的。如上所述， 与其它干涉测量方法相比，可接受的带宽较宽。特别是，带宽宽到足 以接受一系列的发射谱线(例如，以8.048、 8. 028和8. 905 keV光子 能量发射的Cu,， Cu-K(2和Cu-M普线，或以17.479、 17. 374和19. 608 keV 光子能量发射的Mo-恥，恥-K(2和Mo-"谱线，或以22. 163、 21. 990和24. 942 keV光子能量发射的Ag-Kd， Ag-K(2和Ag-Ks谱线)。所述的设置要求仅在垂直于光轴A和垂直于光栅划线的方向上的 空间相干。在该方向上，最小所需相干长度t为(6)Pl 。如果光栅G2被置于第一折射塔尔博特平面，那么t=Pl/2。对于在数个微米范围中的光栅周期，t因此为一个微米级。如前所述，以波长入=0.1 nm发射的并且被放置在距射束分离光栅Gl的距离1 = 1 m的源的 尺寸应当沿着垂直于光栅划线的方向小于0.1 mm。较小源的使用将增 加空间相干，从而导致相衬的改善。由于在沿着光栅划线的方向上的 相干性方面没有限制，所有线源可以被使用.在医学X射线成像中，其中厚度为多个厘米的样本被观察，X射线 在样本中的散射在检测器上生成扩散背景强度，这种强度降低了所获 得的对比度和图像质量。因此，通常被称为防散射滤线栅的校准吸收 体(collimating absorber)阵列被安装在检测器前面，以阻塞已被 偏转相当大的角的辐射。这种栅格可以是二维阵列的吸收结构或者是 一维阵列。在此所述的光栅干涉仪装置中，光栅G2包括5至10微米 厚(取决于所用的光子能量)的结构，以提供足够的X射线吸收，并 且这些结构同时具有一个微米级的宽度。因此，这些结构的长宽比通 常远大于一。光栅G2因此可以起到防散射滤线栅的作用。同样，原则 上，X射线成像系统的防散射滤线栅可以被用作基于光栅的干涉仪中的 分析器，虽然这会要求防散射滤线栅的周期小于通常可用系统的周期。在要求多个厘米的视野的多个X射线成像应用中(诸如在医学诊 断中)，X射线束的发散角是相当大的，因为源不能被放置在距离检测 器太远的距离处。由于干涉仪中的光栅结构(尤其是光栅G2)的高长 宽比，在靠近视野的边缘的某些区域中的射束可以在非常大的角度下 通过光栅。仅仅图1的下面部分的绘图中的有角度分量具有这种效应。 为了完全避免这个问题，光栅结构必须如图7a到d所示的那样被弯曲 或成曲线，或者必须应用具有适当定向的光栅的扫描方案。为了处理 远离射束锥或扇形的中心的射线将被如图7a)所示的、平深光栅(flat deepgrating)的谱线阻隔的问题，可以应用不同的解决方案。图7b ) 示出了通过将弯曲平面衬底上的光栅划线的方案。图7c)示意性示出 了将光栅划线放置在弯曲的表面上。最后，图7d)示出了近似弯曲的 几何结构的平面光栅的各段的方式。除了全域(full-field)射线照相系统以外，在该系统中使用二 维X射线检测器来获得样本的投影图像，扫描系统也可用于医学X射 线成像。如图8所示，位于源XS与样本O之间的狭缝S产生扇形射束， 并且可以使用一维线检测器Dm该一维线检测器D,的元件对准该扇形。通过扫描穿过扇形射束的样本，或通过扫描跨越样本的射束并将线检测器Dt与射束一起移动来获得样本O的二维投影。检测器D,在扫描期间在不同的位置被读取并且逐条线地产生二维图像。虽然机械装置更复杂，但是扫描方案与二维装置相比具有一些重要的优点i)抑制了漫散射而不需防散射滤线栅，因为狭缝S(与源斑点的有限尺寸一起)充当准直仪，ii)与二维检测器相比， 一维检测器具有较低的成本和较高的检测效率。如图8所示，基于光栅的相衬也可被用于扫描方案。优点在于，与磁全场成像方案相比，只在较小面积上要求光栅，这将明显降低成本。光栅划线相对于扇形射束的两个可能的定向被示出，即光栅结构沿着狭缝方向(上)或光栅划线垂直于狭缝方向(下)。在图8的上面部分所示的布局的优点在于，其避免了锥形射束的问题(参见上面部分)。图9示出了含有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,直径为1. 5 mm)和铝(直径为1. 0咖)的测试样本的X射线图像。图像使用标准的、密封 的X射线管源来记录，该X射线管源具有以40keV的电子能量和25 mA 的阳极电流在行聚焦模式(8 mm x 0.04 mm)下工作的Mo阳极，该X 射线管源被置于距离射束分离相栅Gl为1 = 1.7 m的距离处。对于 Mo-K〈发射谱线，沿着较小源尺寸(c = 0. 04 mm)的相干长度在Gl的 位置处为t-入 l/c〕3 ym。两个光栅Gl和G2具有p产3.94pm和 p2=2. 0lim的周期。这两个光栅的间距为第一分数塔尔i特距离d，28. 4 mm。除了支撑光栅的500 pm厚的硅衬底之外，没有其它滤波器被插入 X射线束中。这意味着，整个Mo K发射系列和大部分韧致辐射光谱贡 献于图像形成。检测器是具有约30jLim的有效像素尺寸的光纤耦合的 CCD (Photonic Science />司制造的"Hystar"型号)。数据通过在 一个振荡周期上具有17个梯级的相位阶跃来捕获，其中针对每个CCD 帧的曝露时间为50s。在传统的振幅对比图像中，铝球清晰可见(图9a)。塑料球的吸 收系数比铝的吸收系数低约20倍。在相位梯度和集成相位(integrated-phase)图像(图9b、 c)中，塑料球的对比度显著增 加。由于上述的空间相干的要求，源的几何结构的选择被限于位于距 样本距离远的相对窄的线源。这导致了低X射线通量密度，并因而导 致了长的膝露时间。下面的部分描述了可以以较高的通量密度记录相 衬图像的装置。在图10中示出了所提出的设计的示意性设置。与前面描述的、图1中所示的干涉仪的区别是由N个线源的阵列组成的X射 线源。线源沿着光栅划线定向，并且每条源线的宽度被选择得足够窄， 以在垂直于光栅划线的方向上提供足够的空间相干。因而，每个线源 固有相干，而谱线可以互不相干.相邻源线的间距(即源阵列的周期 p。)被选成使得沿着垂直于光栅划线的方向通过两个相邻虚拟线源产生 的干涉图案的移位恰好为p2。针对以下等式满足这个条件A)"2X+. (7)源阵列、射束分离光栅和分析栅的周期p。、 Pi和P2之间的关系是另一有用的关系是，对于在第n个分数塔尔博特距离的操作，源阵列 与射束分离光栅之间的距离1为该装置也为是p。的整数倍的源阵列周期工作。源阵列的尺寸c可以远 大于单独线源的宽度s。源阵列的占空因数DC-s/ p。确定了在垂直于 干涉仪光栅划线的方向上的横向相干的程度。所有N个虚拟线源的干 涉图案不相干地叠加(因为虚拟线源互不相干)，但是可保留对比度。 因此，与单个线源相比，通量密度增加了 N倍。还有用的是，应 当注意，根据等式(6)的相干要求，该设置导致了去耦由于半影模糊 引起的分辨率限制5pen-cd/l，其(与t-入1/s —起)成为s<lPl/(4d)。 对于波前的情况，其中P2-p72，由等式(7)可以显而易见，这导致 了 DC-0.5的最大占空因数，超过该占空因数，对比度将受空间相干 的限制。上述源阵列可以以各种方式获得1 ) 可以在阳极表面上产生电子行聚焦阵列。2) 可以使用阳极表面，根据地形构造该阳极表面，或该阳极表 面由不同材料的区域组成。3) 也可能产生单个行聚焦或点聚焦，其跨越阳极表面被扫描，2;i A*十p2 ，当求解P。时，这尤其有用18以产生(在时间上平均的)行阵列。与在相同平面上保留单个斑点相 比，这种方案的一个优点在于，由于提高了热耗散，可以存放更多的 能量，而不会损坏阳极。另一优点在于，源阵列的周期可以通过电子射束偏转被调谐，以针对不同的1/d值匹配等式(7)。而且，射束偏 转可用于使源阵列跨越阳极移位，以执行相位阶跃。4 ) 最简单的方法是在大X射线源前面放置狭缝阵列(即振幅光 栅)，以产生虚拟线源阵列。在图11中示出了这种设置的示意图。在 这里，源光栅的开放部分(open fraction)或占空因数DC确定了空 间相干的程度。对于较小的DC值，相位图像的对比度通过通量密度的 减少来提高。例如，计算典型的参数集对于入=0. 1 nm的波长、Pl— ym的周期并针对Gl与G2之间的距离选择第一分数塔尔博特距离，获 得dn〕Pi7(8X)-20mm。对于源与射束分离光栅Gl之间的距离1=1 m， 获得p2=2. 04 Mm和p。=102 Mm。如果源的尺寸为1 nun x 1 mm,狭缝阵 列产生约N=10个虚拟线源，这导致了通量密度比具有单个的、未构 造的0. 1 x 1 mm的线源的设置高10倍'在前面的具有单个源的两个光栅干涉仪的上下文的部分中所述的 考虑对于具有阵列源的设置也有效。通过移动源来执行相位阶跃扫描 的可能性必须在如下情况下才能被概括是整个阵列的源应当为了相 位阶跃被移动。当狭缝阵列被用于产生源阵列时，狭缝阵列孔应当与 源一起移动，或者它甚至可以被单独移动，而源保持固定于空间的。图12示出了在与图9中所示的条件(也就是利用实验室X射线源) 相同的条件下获得的图像。重要的区别在于，这次使用了大小为0.8 mm x0.4 mm的源，这极其大，以针对干涉测量相衬提供横向相干。通过 安装周期为P。-127Mm和占空因数近似为DC=0.25的另外的源光栅， 产生具有足够横向相干的虚拟线源阵列。在这个部分，详细列出了特别适于相衬X射线成像的配置。这些 配置针对两个不同的应用来设计桌面微型断层扫描术和乳房X线照 相术。后者可以用全域装置或扫描装置实现。一种用于相衬桌面断层照相术系统的基于光栅的干涉仪由下列部 件组成 发射谱线在5到10 keV范围中的旋转阳极或密封管类型的X射 线源。合适的阳极材料包4舌Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu和Ge。在这个实例中，设计波长被选为入=0.154 mn，其在8.0 kev的能量 处对应于Cu-Ka发射谱线。可以以有效方式同时使用两条K。谱线(在 入=0. 1540 nm的Cu Kal，在入=0. 1544 nm的Cu Ka2)。
二维数字X射线检测器，其被置于距离源0.3-1.5 m(通常为 0.8 m)的距离处。检测器的像素数目应当在500 x 500到4000 x 4000 之间，通常为2000 x 2000。检测器的视野应当在5到30 mm之间，通 常为10 mm。因而，检测器的像素尺寸通常为5ymx5pm。 检测器的中心和源的中心限定了光轴。光轴可以采用任何方向， 但是水平轴是最有利的。-具有垂直于光轴的旋转轴的可旋转样本固定器被放置在源与检 测器之间，使得样本可以被安装成其重心靠近光轴。样本与源之间的 距离被称为a，样本与检测器之间的距离被称为b。 相栅和吸收光栅被直接放置在检测器前面。分析栅的周期P2应 当被选为小于检测器像素尺寸，使得检测器的空间分辨率可以被完全 使用。对于5Mm的像素尺寸，节距P2因此应当是小于3或4pm,通常 为P2-lpm。在这种情况下，并且人=0. 154 nm和1 = 0. 8 m，对于在 笫一分数塔尔博特距离(即在光栅间距离d=3. 23 mm(等式5))中 的操作，相栅的周期应当是P^ 1. 992 ym (等式8和10)。如果硅被 用作射束分离光栅的材料，那么要求10.2Mm的光栅深度，以获得Ti 的相移。10. 2 Mm的Si的强度透射为86.6%,使得具有该厚度和0.5 的占空因数的Si光栅的透射为93. 3%。如果聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 被用作射束分离光栅的材料，那么理想的光栅深度为l8. 7ym。这种光 栅的强度透射是99. 3%(对于0. 5的占空因数)。使用其它聚合物可以 得到类似的数字。对于吸收光栅，如果金被作用该材料，6ym的厚度 会保证大于90%的吸收，而12pm的厚度会导致光栅划线中的大于99 %的吸收。-排成阵列的源，例如通过狭缝阵列孔在技术上实现。在这种情 况下，狭缝阵列周期应当为p。= 0.248 mm (由等式10获得)，给出以 下条件，即半影模糊不应超过像素尺寸，则阵列的(在垂直于狭缝的 方向上的)最大尺寸0=1.24 mm，给出相干要求，则每个狭缝的最大 间隙尺寸为0. 124 mm (即DC = 0. 5 )。一种用于相衬全域数字乳房X线照相术(FFDM)系统的基于光栅的干涉仪可以包括下列部件.具有发射谱线在15-25 keV区域中的阳极的、旋转阳极或密封 管类型的X射线源。阳极材料可以是Nb、 Mo、 Rh、 Pd或Ag。在该实例 中，选择设计波长入=0. 056 nm，其对应于在22 keV能量的Ag-K〈发射 (在入=0. 0559 nm的Ag Kal，在入=0. 0564 nm的Ag Ka2)。整个设 备的设计可以基于常用的(吸收衬度)FFDM系统，源阵列、射束分离 器和分析器作为新的、不同的元件。.Pd或Rh或X射线吸收边缘在23 - 30 keV能量范围中的另一材 料并且厚度为20到100ym之间(通常为50Mm)的滤波器可被用于抑 制光谱的不期望部分。■通常用于乳房X线照相术筛选系统的、具有压缩叶片的机架包 括二维数字平面平板X射线检测器，其被放置在距离源0.5-1.0 m的 距离处(正好在机架的下面(即，下游))。在这里，采用1.0 m的 距离。检测器的视野应当不再远小于(200 mm) 2，优选地约为240 x 300 mm2 (即，在传统的乳房X线照相中的通常使用的最大胶巻暗盒的 尺寸)。检测器的像素尺寸在每维中通常为50到100nm之间，使得 检测器具有(2500 ) 2到(5000 ) 2之间的像素。(这些是FFDM的大多 数可在市场上获得的检测器的特征。)在这里，假设70Mm的像素尺 寸。-针对光栅周期、源阵列尺寸和距离的参数的合适集合为p2=3 jum (分析栅的周期)，pt = 8. 4 jam (相栅的周期)，p。=26.6pm (虚 拟线源的间距)。在源阵列与相栅之间的距离1 = 1.0 m的情况下，第 一分数塔尔博特距离为d,74.8mm。利用这些参数，源阵列的总尺寸 应当不超过O. 4mm，即虚拟线源的最大数目为15。对于相栅，如果镍 被用作材料，则实现7T的相移所要求的厚度是7. 7pm,从而导致(对 于0. 5的占空因数的)92. 6%的平均强度透射。(如果由金制成的)分 析栅应当具有20ym的最小厚度，这在光栅划线中产生90%的吸收。在(可能基于现有的非干涉测量狭缝扫描系统的)狭缝扫描乳房X 线照相装置中，源的材料、距离和光栅周期可以被选择成与上面的FFDM 实例相似或相同。下面的项目相对于FFDM装置是不同的或是附加的-由强吸收材料制成的第一准直仪(一个狭缝或狭缝序列)应当 被安装在源与物体位置之间。该准直仪与排成阵列的虚拟源的斑点一 起限定了扇形射束。 由强吸收材料制成的第二准直仪狭缝应当正好被安装在干涉仪 光栅上(即，在其上游)。 检测器可以是线阵列检测器，例如直接检测检测器。检测器元件应当具有非正方形的形状，沿着检测器元件的线具有25到100Mm 之间的尺寸(对应于所期望的分辨率)并且在其它维具有若干毫米(对 应于准直仪狭缝的宽度). 准直仪狭缝、干涉仪光栅和检测器应当彼此平行。干涉仪光栅 的谱线应当平行于扇形开放平面。 准直仪和检测器可以围绕源阵列(垂直于扇形开放平面)在大 得足以覆盖在FFDM装置中提及的一维视野的角度范围上旋转。为了捕 获乳房X线照片，这些部件将被一起扫描。所有上面的考虑可以被应用于类似所呈现的干涉仪的干涉仪，区 别仅在于射束分离光栅G1不是相栅，而是吸收光栅，即它们的谙线强 烈吸收X射线。使用吸收光栅作为射束分离器与使用相栅相比是不利 的，因为完美的吸收光栅(完全不透明的语线，占空因数正好为0.5) 仅将20%的入射强度输送到负和正第一级次，并且剩下的50%的一半 进入零级次或射束的非衍射部分，从而有助于在物体或患者中沉积的 背景信号和/或辐射剂量。相栅具有4倍多的效率。但是，对于可以容 忍这些缺点和/或不可使用相栅的许多应用，将吸收光栅用作射束分离 器是有意义的。在这种情况下，对于上述的干涉仪设计的所有考虑利用下面的修 改而保持有效G1和G2的周期之间的关系不同。等式l (部分3.1)变成 对比度最佳的塔尔博特距离对于平面照射波为cV = nPl2 /入，并且对于球形波为<formula>formula see original document page 22</formula> _z-^ ""V"，其代替了等式(5)。P。、P!和P2之间的关系(等式8)变成<formula>formula see original document page 22</formula>
权利要求
1.一种用于获得定量相衬图像的X射线、尤其是硬X射线干涉仪，其包括a)X射线源(XS)，优选为标准多色X射线源，b)不同于布拉格晶体的衍射光学元件(G1)，优选为透射几何结构的衍射光学元件(G1)，该衍射光学元件(G1)在下文被称为射束分离器，以及c)具有在空间上调制过的检测灵敏度的位置灵敏检测器(D)。
2. 根据权利要求l所述的干涉仪，其中，射束分离器为线光栅或 二维构造的光栅(G1)，优选为相栅；即具有低X射线吸收、但是具有相当大的X射线相移的光栅，相移优选为TT或丌的奇数倍。
3. 根据权利要求1或2所述的干涉仪，其中，充当射束分离器的相 栅通过深蚀刻到硅中或由聚合物制成。
4. 根据权利要求l所述的干涉仪，其中，分析器为具有高X射线吸 收衬度的一维或二维光栅结构(G2)，该光栅结构被放置在靠近检测 器(D、 的前面；优选地，该光栅结构用作防散射滤线栅，或防散 射滤线栅被用作调制掩模。
5. 根据权利要求1或4所述的干涉仪，其中，分析栅(G2)通过将 重金属沉积到低吸收结构的间隙中来制成。
6. 根据权利要求1或2所述的干涉仪，其中，分析器的周期和射束分离器的周期通过关系A =4^，'，与入射波前的曲率半径相配，其中P,是射束分离器的周期；P2是分析器的周期；d是射束分离器(Gl)与 分析器(G2)之间的距离；而1是X射线源(XS)与射束分离器(Gl) 之间的JE巨离。
7. 根据权利要求1或2所述的干涉仪，其中，射束分离器与分析器 之间的距离被选为奇数的分数塔尔博特距离，该奇数的分数塔尔博特距离由=yr^=/— .A2/(8;i〉给出，其中n-1,3,5，...。
8. 根据权利要求1或2或7所述的干涉仪，其中，射束分离光栅的 相移和射束分离光栅与分析器之间的距离适应于光子能量，该光子能量对应于被用作源的x射线发生器的发射谱线。
9. 根据权利要求i所述的干涉仪，其中，机构被包括来围绕光轴 改变射束分离器相对于分析器的角定向，使得所期望的周期的莫尔条紋被观察到，或者莫尔条紋被最小化或被完全抑制。
10. 根据权利要求l所述的干涉仪，其中， 一维或二维相位阶跃扫描通过侧面横向移动辐射源或位于辐射源前面的孔、射束分离器、或者分析器或通过相对于x射线源倾斜干涉仪来实现。
11. 根据权利要求l所述的干涉仪，其中，机构被包括来将要被研究的样本(0)放置在源(XS)与射束分离器(Gl)之间或者在射束分 离器(Gl)与分析器(D, D,)之间。
12. 根据权利要求l所述的干涉仪，其中，检测器(D)在两个维 度中对位置灵敏，并且射束分离器(Gl)和分析器(G2)的侧面尺寸 覆盖检测器(D)的活动区的重要部分。
13. 根据权利要求l所述的干涉仪，其中，放置在源与射束分离器 之间的准直仪将照射X射线的空间范围限制为扇形射束，线阵列检测器 被使用，并且机构被包括，该机构允许相对于设备的其余部分垂直于扇形的张开角而线性扫描样本。
14. 根据权利要求l所述的干涉仪，其中，X射线源包括单独的物 理源或虚拟源的一维和二维阵列，所述物理源或虚拟源可以互不相干并且其侧面分隔p。优选地通过A)-^xf或其整数倍给出。
15. 根据权利要求14所述的干涉仪，其中，源阵列通过具有线状 或点状开口的孔眼掩模(S)产生。
16. 根据权利要求14所述的干涉仪，其中，源阵列通过电子光学 装置产生，该电子光学装置在X射线源的阳极上产生电子线或点聚焦阵 列。
17. 根据权利要求14所述的干涉仪，其中，源阵列通过电子光学 装置产生，该电子光学装置跨越X射线源的阳极表面扫描单个线或点聚 焦。
18. 根据权利要求14所述的干涉仪，其中，源阵列通过使用包括 阳极的X射线源来产生，该阳极由不同的材料根据地形或以镶嵌方式组 装地被构造。
19. 根据权利要求l或ll所述的干涉仪，包括用于将样本相对于剩 余的部件旋转以便为断层照相扫描执行数据收集的装置。
20. 根据权利要求1或10所述的干涉仪，其中，针对相位阶跃扫描 数据执行分析过程，该分析过程包括以下步骤针对检测器的每个元件计算傅立叶变换或在元件中测量的强度曲线的至少一个傅立叶分 量，并且然后将一个或多个傅立叶分量的相位保留作为用于将来处理 的信号。
21. 根据权利要求1或10所述的干涉仪，其中，针对相位阶跃扫描 数据执行分析过程，该分析过程包括以下步骤针对检测器的每个元 件将在元件中测量的强度曲线拟合到在没有所研究的射束变形的情况 下分开被模拟或测量的强度曲线，其中至少一个拟合参数是曲线沿着 扫描的位置轴的移位。
22. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的干涉仪，其中，射 束分离器是吸收光栅。
全文摘要
公开了一种X射线干涉仪装置，其仅包括一个相栅(G1)和一个振幅光栅(G2)。这种干涉仪可以被用于利用标准X射线管获得相衬图像。另外，新型干涉仪可以使用由单独的子源的阵列组成的源。每个子源单独相干但是与其他子源互不相干。子源阵列可以通过将狭缝阵列、即附加的振幅光栅(GO)靠近源放置来产生。这种装置使得将这种类型的干涉仪与不提供空间或时间相干的源一起使用成为可能。因此，该装置可以和被置于检测器的较短距离处的较大源一起使用，从而导致较高的通量密度和因此较短的曝露时间。这对于要求在多个(数百个)视角下捕获物体图像的断层照相术特别重要。
文档编号G01N23/04GK101257851SQ200680029434
公开日2008年9月3日 申请日期2006年5月30日 优先权日2005年6月6日
发明者C·戴维, F·普费弗, T·韦特坎普 申请人:保罗·谢勒学院