专利名称：辐射成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于基于由被摄体引起的辐射的相变来获得图像的辐射成像设备。
背景技术：
当放射线诸如X射线穿过物质时，该X射线取决于构成该物质的元素的重量(原子序数)以及物质的密度和厚度而衰减。因为这种属性，所以X射线被用作探测器，用于在进行医疗诊断和非破坏性检查中检查被摄体的内部。常见的X射线成像设备具有用于发射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。被摄体被置于X射线源和X射线图像检测器之间。从X射线源 发射的X射线因为被摄体的吸收而衰减，然后入射在X射线图像检测器上。由此，X射线图像检测器基于由被摄体的吸收功率引起的X射线的强度改变而检测图像。元素的原子序数越小，则X射线吸收功率越低。因为由活的软组织和软物质引起的X射线的强度改变较小，所以它们的图像不具有大的对比度。例如，人体关节的软骨部分和在该软骨部分周围的滑液大部分由水构成。因此，软骨部分和滑液之间的X射线吸收功率上的差别较小，导致图像的不良对比度。为了解决该问题，近来，已经积极地研究了 X射线相位成像。X射线相位成像基于由被摄体引起的X射线的相变而不是强度改变来获得图像。X射线相位成像是一种基于相变比强度改变更明显的事实而将入射在被摄体上的X射线的相变成像的技术。利用该技术，以高对比度捕获具有低X射线吸收功率的被摄体的图像。例如，在日本专利特开公布2008-200361中提出了使X射线相位成像成为可能的X射线成像设备。在该设备中，在X射线源和X射线图像检测器之间以给定的间隔彼此平行地布置了第一和第二光栅。X射线图像检测器捕获从X射线源发射并且通过所述第一和第二光栅的X射线的莫尔图像。由此，获得相衬图像。在日本专利特开公布2008-200361中公开的X射线成像设备使用条纹扫描方法。在该条纹扫描方法中，将第二光栅在垂直于光栅方向的方向上相对于第一光栅间歇地移动小于光栅节距的距离。在第二光栅的每次移动后，在第二光栅静止的同时捕获莫尔图像。由此，获得两帧或更多帧莫尔图像。基于莫尔图像的帧，检测由与被摄体的相互作用引起的X射线的相变量。由此，产生微分相位图像。通过对该微分相位图像进行积分，产生相衬图像。该条纹扫描方法要求具有高精度的光栅移动机构来以小于其光栅节距的节距精确地移动第一或第二光栅。这使得设备复杂，并且引发高成本。另外，该条纹扫描方法要求捕获两帧或更多帧图像以产生单个相衬图像。当在连续的图像捕获期间被摄体移动或设备振动时，被摄体和光栅的位置可能在帧之间移位。这引起在微分相位图像的图像质量上的变差。另一方面，日本专利特开公布2008-200361提及从由单个图像捕获获得的单帧莫尔图像产生微分相位图像，而不移动第一和第二光栅。然而，未公开具体方法。美国专利申请公布2011/0158493(对应于W02010/050483)提出了傅立叶变换方法。在该方法中，通过单个图像捕获来获得单帧莫尔图像，而不移动第一和第二光栅。然后，将莫尔图像进行傅立叶变换、对应于载波频率的频谱的提取和逆傅立叶变换。由此，获得相位微分图像。然而，美国专利申请公布2011/0158493未公开在莫尔图像的莫尔条纹的方向和X射线图像检测器的方向之间的布置关系。存在在其检测表面内的两个垂直方向之间具有在锐度上的差别的一种X射线图像检测器，例如，在美国专利申请公布2009/0110144(对应于日本专利特开公布2009-133823)中公开的光学读取类型X射线图像检测器、成像板等。当如在美国专利申请公布2011/0158493中公开的那样通过使用傅立叶变换等的单帧莫尔图像的空间分辨率来产生微分相位图像，并且使用在其检测表面内的两个垂直方向之间具有在锐度上的差别的X射线图像检测器来捕获莫尔图像时，微分相位图像的S/N根据在锐度的各向异性和空间分辨率的方向之间的关系而降低
发明内容
本发明的目的是提供一种辐射成像设备，其用于改善使用由在其检测表面内的两个垂直方向之间具有在锐度上的差别的辐射成像检测器捕获的单帧莫尔图像产生的微分相位图像的S/N。为了实现以上的和其他目的，本发明的辐射成像设备包括第一光栅、第二光栅、辐射图像检测器和微分相位图像产生部。所述第一光栅通过来自辐射源的辐射，以产生第一周期图案图像。所述第二光栅面向所述第一光栅。所述第二光栅部分地遮蔽所述第一周期图案图像，以产生具有莫尔条纹的第二周期图案图像。所述辐射图像检测器具有在具有彼此垂直的第一方向和第二方向的平面中排列的多个像素。所述辐射图像检测器使用所述像素检测所述第二周期图案图像，以产生图像数据。所述辐射图像检测器被布置使得具有高锐度的所述第一方向与所述莫尔条纹相交。微分相位图像产生部基于所述图像数据来产生微分相位图像。优选的是，所述辐射图像检测器是光学读取类型的，具有在所述第一方向上延伸的线性读取光源，用于利用在与所述第一方向垂直的所述第二方向上扫描的所述线性读取光源来读取作为一行的像素值的、在所述第一方向上排列的每个像素中累积的电荷。优选的是，所述微分相位图像产生部使用在所述第一方向上排列的预定数量的像素作为一组，并且在所述第一方向上每次将所述组移位一个或多个像素，以计算由在每组中的像素值构成的强度调制的信号的相位，以产生所述微分相位图像。优选的是，将所述组移位一个像素。优选的是，构成所述组的像素的数量等于与所述莫尔条纹的单个周期对应的像素的数量的整数倍。优选的是，构成所述组的像素的数量等于与所述莫尔条纹的所述单个周期对应的像素的数量。优选的是，构成所述组的像素的数量小于与所述莫尔条纹的单个周期对应的像素的数量。优选的是，所述微分相位图像产生部对于所述图像数据进行傅立叶变换、与载波频率对应的频谱的提取和逆傅立叶变换，以产生所述微分相位图像。
优选的是，通过将所述第二光栅布置在相对于所述第一光栅的旋转状态中并且同时将所述第二光栅的光栅表面保持与所述第一光栅平行以产生所述莫尔条纹，并且所述莫尔条纹与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向基本上垂直。优选的是，通过调整在所述第一光栅和所述辐射源之间的距离以及在所述第二光栅和所述辐射源之间的距离或所述第一光栅和第二光栅的每一个的光栅节距来产生所述莫尔条纹，并且，所述莫尔条纹与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向基本上平行。优选的是，通过将所述第二光栅布置在相对于所述第一光栅的旋转状态中并且同时将所述第二光栅的光栅表面保持与所述第一光栅平行，并且通过调整面向方向的第一和第二光栅之间的位置关系，或通过调整所述第一光栅和第二光栅的每一个的光栅节距以产生所述莫尔条纹，并且所述莫尔条纹与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向不垂直也不平行。优选的是，所述辐射成像设备还包括相衬图像产生部，用于在与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向基本垂直的方向上对所述微分相位图像进行积分，以产生相衬图像。 优选的是，所述辐射成像设备还包括校正图像存储部和校正处理器。所述校正图像存储部将基于在没有被摄体的情况下获得的图像数据产生的微分相位图像存储作为校正图像。所述校正处理器从基于在具有被摄体的情况下获得的图像数据产生的所述微分相位图像减去所述校正图像。优选的是，所述辐射成像设备还包括相衬图像产生部，用于在与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向基本垂直的方向上对由所述校正处理器校正的校正后的微分相位图像进行积分，以产生所述相衬图像。优选的是，所述第一光栅是吸收光栅，并且所述第一光栅以几何光学方式将入射的辐射投射到所述第二光栅，以产生所述第一周期图案图像。优选的是，所述第一光栅是吸收光栅或用于产生泰伯效应的相位光栅，使得入射的辐射产生所述第一周期图案图像。优选的是，所述辐射成像设备还包括在所述辐射源和所述第一光栅之间布置的多狭缝。所述多狭缝部分地遮蔽辐射以分散焦点。根据本发明，所述辐射图像检测器被布置使得其具有高锐度的一个方向与所述莫尔条纹相交。这改善了由所述辐射图像检测器检测的所述莫尔条纹的对比度。结果，改善了所述微分相位图像的S/N。
通过下面结合附图阅读的优选实施方式的详细描述，本发明的以上和其他目的和优点将更明显，其中，贯穿几个视图，相似的附图标记表示相似或对应的部分，并且其中图I是X射线成像设备的示意图；图2是X射线图像检测器的示意性透视图；图3是X射线图像检测器的操作的第一说明视图；图4是X射线图像检测器的操作的第二说明视图；图5是X射线图像检测器的操作的第三说明视图；图6是不出在X射线图像检测器的MTF和空间频率之间的关系的图不；
图7是第一和第二光栅的说明视图；图8是相对于X射线图像检测器的像素的、第一和第二光栅之间的位置关系的说明视图；图9是构成强度调制信号的一组像素的说明视图；图10是强度调制信号的图示；图11是图像处理器的框图；图12是在微分相位图像的计算中用于设置和移位所述组的方法的说明视图；图13是用于设置所述组的方法的第一修改示例的说明视图；
图14是用于设置所述组的方法的第二修改示例的说明视图；图15是用于设置所述组的方法的第三修改示例的说明视图；图16是用于设置和移位所述组的方法的修改示例的说明视图；图17是在第二实施方式中的相对于X射线图像检测器的像素的、第一和第二光栅之间的布置关系的说明视图；图18是示出在第二实施方式中的X射线图像检测器的方向的说明视图；图19是在第二实施方式中用于在计算微分相位值中设置和移位所述组的方法的说明视图；和图20是第三实施方式的X射线图像检测器的说明视图。
具体实施例方式(第一实施例)在图I中，诸如X射线成像设备10的辐射成像设备设有X射线源11、成像部12、存储器13、图像处理器14、图像存储部15、成像控制器16、控制台17和系统控制器18。如所公知，X射线源11具有旋转阳极型X射线管(未示出)和用于限制X射线场的准直管(未示出)。X射线源11向被摄体H发射X射线。成像部12设有X射线图像检测器20、第一光栅21和第二光栅22。第一和第二光栅21和22是吸收光栅，并且在作为X射线发射方向的Z方向上面向X射线源11。在X射线源11和第一光栅21之间，存在用于布置被摄体H的空间。X射线图像检测器20是光学读取型平板检测器。X射线图像检测器20被布置在第二光栅22之后并且与其接近。X射线图像检测器20的检测表面20a与Z方向垂直。第一光栅21设有多个X射线吸收部分21a和多个X射线透射部分21b，所述多个X射线吸收部分21a和多个X射线透射部分21b都在与Z方向垂直的XY平面(光栅平面)中的Y方向上延伸。X射线吸收部分21a和X射线透射部分21b交替地在与Z和Y方向垂直的X方向上排列，形成带状图案。与第一光栅21相同,第二光栅22设有多个X射线吸收部分22a和多个X射线透射部分22b，所述多个X射线吸收部分22a和多个X射线透射部分22b都在Y方向上延伸，并且交替地在X方向上排列。X射线吸收部分21a和22a由诸如金(Au)、钼(Pt)等的具有X射线吸收特性的金属形成。X射线透射部分21b和22b由诸如硅(Si)或树脂的X射线透射材料形成，或仅为间隙。从X射线源11发射的X射线的一部分通过第一光栅21以产生第一周期图案图像(以下被称为Gl图像)。第二光栅22通过Gl图像的一部分以产生第二周期图案图像(以下被称为G2图像)。Gl图像与第二光栅22的光栅图案基本上相符。第一光栅21相对于第二光栅22围绕Z轴(在光栅平面内的方向上)略微倾斜，如以下所述。G2图像有具有与倾斜角对应的周期的莫尔条纹。X射线图像检测器20检测G2图像以产生图像数据。存储器13暂时存储从X射线图像检测器20读出的图像数据。图像处理器14产生基于在存储器13中存储的图像数据的微分相位图像和基于所述微分相位图像的相衬图像。图像存储部15存储所述微分相位图像和相衬图像。成像控制器16控制X射线源11和成像部12。控制台17设有操作单元17a和监视器17b。操作单元17a例如用于设置成像条件，在成像模式之间转换，并且命令图像捕获。监视器17b显示成像信息和诸如微分相位图像和相衬图像的图像。成像模式包括初步模式和成像模式。在初步模式中，在没有被摄体H的情况下捕获图像(以下被称为初步成像)。在成像模式中，在将被摄体H布置在X射线源11和第一光栅21之间的情况下捕获图像(以下可以被称为实际成像)。系统控制器18响应于从操作单元17a输入的信号来控制各个部。
在图2中，X射线图像检测器20设有以从顶部起的下述顺序的第一电极层31、记录光导层32、电荷传输层34、读取光导层35和第二电极层36。第一电极层31通过入射的X射线。记录光导层32接收通过第一电极层31的X射线以产生电荷。对于在记录光导层32中产生的电荷，电荷传输层34作为对于一种极性的电荷的绝缘体并且作为对于相反极性的电荷的导体。读取光导层35接收读取光LR以产生电荷。在记录光导层32和电荷传输层34之间的界面周围形成电容部分33。电容部分33存储在记录光导层32中产生的电荷。注意，这些层具有上述的顺序，并且在玻璃基板37上形成第二电极层36。第一电极层31通过X射线。第一电极层31例如是作为具有50nm至200nm厚度的非晶透光氧化物膜的NESA膜(SnO2)、ITO (氧化铟锡)、IZO (氧化铟锌)或IDIXO (Idemitsu铟X金属氧化物，Idemitsu Kosan有限公司的产品)。可选地,可以使用具有IOOnm厚度的Al 或 Au。接收X射线以产生电荷的任何物质可以用于记录光导层32。在该实施方式中，使用包含非晶硒作为主要组分的物质，具有较高量子效率和高暗电阻的优点。记录光导层32的适当厚度是10微米至1500微米。对于乳房摄影，记录光导层32的厚度优选是150微米至250微米。对于一般的放射照相，记录光导层32的厚度优选是500微米至1200微米。在第一电极层31中带电的电荷的迁移率与相反极性的电荷的迁移率之间的差别越大，则当记录X射线图像时电荷传输层34越好。例如，下述物质是适当的有机化合物，诸如聚(N-乙烯基咔唑)(PVK)、N，N' - 二苯基-N，N'-双(3-甲基苯基)-[1，Γ -联苯]_4，4' - 二胺(TPD)或盘状液晶，聚合物(聚碳酸酯、聚苯乙烯或PVK)，TPD的分散体，掺杂有IOppm至200ppm的Cl的半导体材料，诸如a_Se或As2Se3。电荷传输层34的适当厚度具有O. 2微米至2微米的数量级。接收读取光LR以显示导电性的任何物质可以被用于读取光导层35。适当的是，使用具有下述物质的至少一种的光导物质作为主要组分例如，a-Se、Se-Te、Se_As_Te、无金属酞菁染料、金属酞菁染料、MgPc (酞菁镁)、VoPc(氧钥;酞菁的II相)和CuPc (酞菁铜)。读取光导层35的适当厚度具有5微米至20微米的数量级。
第二电极层36具有多个透明线性电极36a和多个光遮蔽线性电极36b。透明线性电极36a通过读取光LR。光遮蔽线性电极36b遮蔽或吸收读取光LR。透明线性电极36a和光遮蔽线性电极36b在X方向上从X射线图像检测器20的图像形成区域的端到端线性地延伸。透明线性电极36a和光遮蔽线性电极36b以固定的间隔在Y方向上交替地并且彼此平行地排列。与第一电极层31类似，透明线性电极36a由具有导电性并且透过读取光LR的材料构成，诸如ΙΤ0、ΙΖ0或IDIX0。透明线性电极36a的厚度具有IOOnm至200nm的数量级。光遮蔽线性电极36b由具有导电性并且遮蔽或吸收读取光LR的材料构成。例如，可以使用上述透明导电材料和滤色器的组合。透明导电材料的厚度是IOOnm至200nm的数量级。在X射线图像检测器20中，一对相邻的透明线性电极36a和光遮蔽线性电极36b 确定在Y方向上的像素大小Dy (以下被称为主像素大小Dy)。X射线图像检测器20设有线性读取光源38，线性读取光源38在与透明线性电极36a和光遮蔽线性电极36b的延伸方向垂直的Y方向上延伸。线性读取光源38由诸如LED(发光二极管)或LD(激光二极管)的光源和光学系统构成。线性读取光源38向玻璃基板37发射线性读取光LR。移动机构(未示出)在作为透明线性电极36a和光遮蔽线性电极36b的延伸方向的X方向上移动线性读取光源38。使用来自线性读取光源38的线性读取光LR来读出电荷。在X方向上的线性读取光源38的宽度确定在X方向上的像素大小Dx (以下被称为子像素大小Dx)。不像平板那样，在X射线图像检测器20中未独立地划分像素。然而，利用透明和光遮蔽线性电极36a和36b以及线性读取光源38，将检测表面20a划分为读出单元，该读出单元每个具有DxXDy的大小,其大体对应于像素。如图5中所示，向每对透明和光遮蔽线性电极36a和36b设置读出电路41。每个读出电路41具有积分放大器41a，该积分放大器41a具有正和负输入端。负输入端连接到透明线性电极36a，并且正输入端连接到光遮蔽线性电极36b。接下来，描述利用X射线图像检测器20的图像检测和读取。首先，如图3中所示，高压电源40保持向X射线图像检测器20的第一电极层31施加负电压。从X射线源11发射并且通过第一和第二光栅21和22的X射线，为G2图像，入射在X射线图像检测器20的第一电极层31上。入射在X射线图像检测器20的第一电极层31上的X射线通过第一电极层31，然后入射在记录光导层32上。由此，记录光导层32产生电荷对。在电荷对中，正电荷(正空穴)与在第一电极层31中带电的负电荷(电子)结合以彼此抵消。如图4中所示，作为潜像电荷的负电荷累积于在记录光导层32和电荷传输层34之间的界面处形成的电容部分33中。接下来，如图5中所示，在第一电极层31接地的情况下，来自线性读取光源38的线性读取光LR入射在玻璃基板37上。读取光LR通过玻璃基板37，然后通过透明线性电极36a。其后，读取光LR入射在读取光导层35上。由此，在读取光导层35中产生正电荷。该正电荷通过电荷传送层34并且与在电容部分33中的潜像电荷结合，而负电荷通过连接到透明线性电极36a的积分放大器41a与在光遮蔽线性电极36b中充带电的正电荷结合。
当在读取光导层35中产生的负电荷与在光遮蔽线性电极36b中带电的正电荷结合时，电流“I”在积分放大器41a中流动。电流I被积分，然后被输出为像素信号。其后，线性读取光源38以子像素大小Dx的间隔在X方向上移动。在线性读取光源38的每次移动后，进行上述的电荷读取操作。由此，从被施加线性读取光LR的行的每个像素检测像素信号。在逐行的基础上检测像素信号。从对应的积分放大器41a输出行的每个像素的像素信号。各个积分放大器41a的像素信号被一个接一个地取出以形成该行的时间序列图像信号。将每行的图像信号在模数转换器(未示出)中进行模数转换，然后在校正电路(未示出)中进行暗电流校正、增益校正、线性校正等，并且其后作为数字图像数据被输入到存储器13。X射线图像检测器20是光学读取方法的。在Y方向上的像素的大小(主 像素大小Dy)由透明线性电极36a和光遮蔽线性电极36b物理地确定。另一方面，通过读取光LR的扫描宽度来确定在X方向上的像素的大小(子像素大小Dx)。因此，如图6中所示，相对于空间频率的MTF(调制传递函数)特性在X射线图像检测器20的检测表面20a内的X和Y方向之间不同。图6示出在Y方向上的锐度大于在X方向上的锐度。在图7中，X射线源11从作为发光点的X射线焦点Ila发射作为锥形X射线光束的X射线。第一光栅21被配置来以大体几何光学方式投射通过X射线透射部分21b的X射线。更具体地，在X方向上的X射线透射部分21b的宽度被设置得相对于从X射线源11发射的X射线的有效波长大得足够多。由此，大多数X射线无衍射地线性地通过第一光栅21。例如，当使用钨来用于X射线源11的旋转阳极并且管电压被设置为50kV时，X射线的有效波长是大约0.4人。在该情况下，X射线透射部分21b的宽度是I微米至10微米的数量级。注意，第二光栅22类似于第一光栅21。由第一光栅21产生的Gl图像与相距X射线焦点Ila的距离成比例地被放大。设置第二光栅22的光栅节距P2使其与在第二光栅22处的Gl图像的周期图案一致。更具体地，设置第二光栅22的光栅节距P2使其基本上满足表达式(I)，其中，P1表示第一光栅21的光栅节距，L1表不在X射线焦点Ila和第一光栅21之间的距离，并且L2表不在第一光栅21和第二光栅22之间的距离。P2 = Ll+Ll P1 ... (I)
厶I当被摄体H被置于X射线源11和第一光栅21之间时，利用被摄体H调制G2图像。调制的量反映由被摄体H折射的X射线的折射角。接下来，描述用于产生微分相位图像的方法。坐标x、y、z分别表示在X、Y和Z方向上的那些坐标。例如，图7示出根据被摄体H的相移分布Φ(χ)而折射的X射线的路径。在没有被摄体H的情况下，X射线在路径“XI”上线性地传播。在该情况下，X射线通过第一和第二光栅21和22，然后入射在X射线图像检测器20上。当被摄体H位于X射线源11和第一光栅21之间时，X射线因为被摄体H的折射而在路径“Χ2”上传播。在该情况下，在路径“Χ2”上的X射线通过第一光栅21，但是入射在第二光栅22的X射线吸收部分22a上并且被其吸收。
通过表达式⑵来表示被摄体H的相移分布Φ (X)，其中，η (X，ζ)表示被摄体H的折射率分布。为了简化，省略y坐标。Φ(·Χ) = |[l-n(x, z)]dz ... (2) λ因为由被摄体H引起的X射线的折射，在第二光栅22处形成的Gl图像在X方向上移位或位移与折射角φ对应的量。位移量Ax大体由表达式(3)表示，因为X射线的折射角φ微小。Λχ 2Φ …(3)使用X射线的波长λ和被摄体H的相移分布Φ (X)通过表达式⑷来表示折射 角φ。
,λ 5Φ(Χ) “、φ =--^ ...(4)
2π dx如上所述，位移量Λ X与被摄体H的相移分布φ (X)相关。位移量Λ X和折射角φ与由X射线图像检测器20以由下面的表达式(5)表示的方式检测的每个像素的强度调制信号的相移量Ψ相关。相移量Ψ是指在被摄体H存在和不存在之间的强度调制的信号的相移量。强度调制的信号是指用于表示由在第一光栅21和第二光栅22之间的位置改变引起的像素值的强度改变的波形信号。
271 πψ -—Δλ: =—Σ2φ ··· (5)
P2 Pi表达式(4)和(5)显示了强度调制的信号的相移量Ψ对应于相移分布φ (X)的微分量。相对于“X”积分该微分量。由此，产生作为相衬图像的相移分布Φ(χ)。在图8中，第一光栅21相对于第二光栅22围绕Z轴以预定角度Θ倾斜，使得Gl图像相对于第二光栅22围绕Z轴以角度Θ倾斜。由此，在G2图像中的Y方向上大体产生具有由表达式(6)表示的周期T (以下被称为莫尔周期Τ)的莫尔条纹MS。T = P1 ... (6)
tan ^设置第二光栅22的倾斜角Θ使得莫尔周期T大体等于主像素大小Dy的整数倍。在图9中，在Y方向上排列的“M”个像素50被分组为组“Gr(x，η) ”，其中，“Μ”表示正整数，并且“η”表示正整数。“η”表示在组“Gr(x，η)”中的第一像素50的y坐标。在该实施方式中，在组“Gr(x，η) ”中的像素数量“Μ”等于在单个莫尔周期T中包括的像素数量“V”或与其对应(在图8中所示的示例中，V = 3)。“I (X，y) ”表示在坐标(X，y)处的像素50的像素值。从在存储器13中存储的图像数据获取像素值I (X，y)。如图10中所示，在组“Gr(x，η) ”中的各个像素50的像素值I(x,η)至Ι(χ，η+Μ-1)构成一个周期的强度调制的信号，因为在由第二光栅22调制的每个像素50中的强度调制的量取决于像素50的y坐标而不同。因此，在组“Gr(x，η)”中的像素值I (x，n)至I (x，n+M-l)对应于使用常规条纹扫描方法获得的单个周期的强度调制的信号，在所述常规条纹扫描方法中，每次第一和第二光栅之一在大体垂直于光栅方向的方向(X方向)上移动预定距离时，捕获图像。在图11中，图像处理器14设有微分相位图像产生部60、校正图像存储部61、校正处理器62和相衬图像产生部63。微分相位图像产生部60读出通过初步成像和实际成像获得并且在存储器13中存储的图像数据的每一个，并且使用以下将描述的方法来产生微分相位图像。校正图像存储部61存储从通过初步成像获得的图像数据产生的、作为校正图像的微分相位图像。校正处理器62从自通过实际成像获得的图像数据产生的微分相位图像减去在校正图像存储部61中存储的校正图像。由此，校正处理器62产生校正后的微分相位图像。相衬图像产生部63对在X方向上的校正后的微分相位图像进行积分以产生相衬图像。如图12中所示，微分相位图像产生部60在像素50的每列(在X方向上排列)中每次将组Gr(x，n)在Y方向上移位一个像素(即，“η”增大增量I)，以基于每组Gr (χ，η)的强度调制的信号来计算微分相位值。通过计算每个像素50的微分相位值来获得微分相位图像。 能够以类似于条纹扫描方法的方式来计算微分相位值。更具体地，使用利用在“Applied Optics-Introduction to Optical Measurement，，(T. Yatagai,由Maruzen公开，136至138页)中公开的相位调制干涉方法(条纹扫描干涉方法)来计算相位分布的方法。微分相位图像产生部60计算下面的行列式(7)，并且向随后的表达式(8)应用计算结果。由此，微分相位图像产生部60获得微分相位值V(X，y)。a = A-1 ( δ k)B( δ k)…(7)= …(8)
αχ通过下面的各个表达式(9)至(12)来表示参考相位Sk、矩阵“a”、A(Sk)和Β(δ,)。Sk = 2π- ---(9)
Va = αλ …(10)
\a2 J
I M-II M-IΛ
I-Vcos^-Vsin^,
Mto Mto
I M-II M-II M-I
_6] A(Sk)= -Xcos^ -Xcos2 -Xcos^ sin^, ...(11)
M k=0M k=0M k=0
I M-II M-II M-I
一 V sin<5, 一 V cos δ, sin δ, 一 V sin2 δ,
[Mto Mto Mto J I M-IΛ
—Υ^Ι{χ,η + Κ)
M k=o
I M-IB(^yt)=——^/(χ,n + k)cosSk ... (12)
M k=Q
I M-I—^/(χ,/7 + ^) sin
k=QJ在该实施方式中，因为M等于ν(Μ = V)，所以参考相位3,在0至2 31之间以固定间隔逐渐地改变。在该情况下，矩阵A(Sk)的非对角项是0，并且，除了 I之外的对角项是1/2。因此，可以使用更简单的表达式(13)来计算微分相位值V(X，y)。
M-I
^I(x,n + k) sin Skψ{χ, )--tan_1 - ...(13)
[Ι(χ, n + k) cos Sk
k=0接下来，描述上面配置的X射线成像设备10的操作。首先，操作单元17a命令在不存在被摄体H的情况下的初步成像。响应于此，X射线源11发射X射线。X射线图像检测器20检测G2图像并且产生图像数据。该图像数据被存储在存储器13中。然后，图像处理器14从存储器13读出图像数据。在图像处理器14中，微分相位图像产生部60基于图像数据来进行上述计算，以产生微分相位图像。作为校正图像的该微分相位图像被存储在校正图像存储部61中。这结束了初步成像。其后，将被摄体H置于X射线源11和第一光栅21之间。当操作单元17a命令实际成像时，X射线源11发射X射线，并且X射线图像检测器20检测G2图像。由此，产生图像数据。该图像数据被存储在存储器13中。然后，图像处理器14从存储器13读出该图像数据。在图像处理器14中，微分相位图像产生部60基于该图像数据来进行上述计算，以产生微分相位图像。该微分相位图像被从微分相位图像产生部60输入到校正处理器62。校正处理器62从校正图像存储部61读出校正图像，并且从自微分相位图像产生部60输入的微分相位图像减去校正图像。由此，产生仅反映或携带被摄体H的相位信息的校正后的微分相位图像。该校正的微分相位图像被输入到相衬图像产生部63，然后在X方向上被积分。由此，产生相衬图像。该相衬图像和校正后的微分相位图像被存储在图像存储部15中，然后被输入到控制台17并且被显示在监视器17b上。在该实施方式中，莫尔条纹的周期的方向(与条纹垂直的方向)对应于X射线图像检测器20的作为Y方向的、具有高锐度的方向或与其相符。这改善了由X射线图像检测器20检测的莫尔条纹的对比度。因此，以高精度获得强度调制的信号。结果，改善了所述微分相位图像的S/N。在第一实施方式中，如图9中所示，在一个组Gr (X，η)中的像素数量M等于在单个莫尔周期T中包括的像素数量V。可选地，如图13中所示，在一个组Gr (X，η)中的像素数量M可以等于在单个莫尔周期T中包括的像素数量V的Ν(2或更大的整数)倍。如图14中所示，在一个组Gr (X，η)中的像素数量M可能不等于在单个莫尔周期T中包括的像素数量V或其N倍。在该情况下，不能将表达式(13)用于计算微分相位值Ψ (X，y)。而是，行列式(7)的计算结果被应用到表达式⑶以获得微分相位值v(x，y)。如图15中所示，在一个组Gr(x，n)中的像素数量M可能小于在单个莫尔周期T中包括的像素数量V。在该情况下，也不能将表达式(13)用于计算微分相位值Ψ(χ，I)。而是，行列式(7)的计算结果被应用到表达式(8)以获得微分相位值Ψ(χ，y)。因为用于计算微分相位值的像素的数量小于在第一实施方式中的像素的数量，所以S/N比变得小于在第一实施方式中的S/N比，同时改善了分辨率。在第一实施方式中，如图12中所示，使用每次在Y方向上移位或改变一个像素的组Gr(x，n)来计算微分相位值。组Gr(x，n)可以每次在Y方向上移位两个或更多的像素，以计算微分相位值。此外，如图16中所示，由M个像素构成的组Gr (X，η)可以每次移位M 个像素，以计算微分相位值。在该情况下，优选的是，配置X射线图像检测器20使得像素50的大小满足条件Dx = MXDy。在第一实施方式中，第二光栅22的X射线吸收部分22a在Y方向上延伸。第一光栅21的X射线吸收部分21a的延伸方向相对于Y方向倾斜角度Θ。相反，第一光栅21的X射线吸收部分21a可以在Y方向上延伸，并且第二光栅22的X射线吸收部分22a的延伸方向可以相对于Y方向倾斜角度Θ。可选地，第一光栅21的X射线吸收部分21a和第二光栅22的X射线吸收部分22a可以在相对于Y方向的相反方向上倾斜，以形成角度Θ。换句话说，第一和第二光栅21和22之一可以被置于相对于另一个的旋转状态中，同时将第一或第二光栅21或22的光栅表面保持得与另一个平行。在第一实施方式中，X射线图像检测器20被布置于第二光栅22之后并且与其接近，以检测相等放大率的、由第二光栅22产生的G2图像。可选地，第二光栅22可以被布置得远离X射线图像检测器20。当“L3”表示在Z方向上在X射线图像检测器20和第二光栅22之间的距离时，X射线图像检测器20检测使用表达式(14)的放大率R放大的G2图像。R = Ll+L2+l3 …(14)
L1+L2在该情况下，由X射线图像检测器20检测的莫尔条纹的周期T'是表达式(6)的莫尔周期T的R倍(即，T' =RT)。因此，基于莫尔周期T来设置组Gr (X，η)。在第一实施方式中，微分相位值是指由表达式(8)或(13)表不的值，即，用于表不强度调制信号的相位的值。可选地，用于表示强度调制信号的相位的值可以乘以常数，或被加以常数，以被用作微分相位值。在第一实施方式中，产生微分相位图像。可选地或另外地，可以产生吸收图像或小角度散射图像。可以通过获得借助于示例在图10中所示的强度调制信号的平均值来产生吸收图像。可以通过获得强度调制信号的幅度来产生小角度散射图像。在第一实施方式中,将被摄体H置于X射线源11和第一光栅21之间。可选地,可以将被摄体H置于第一光栅21和第二光栅22之间。
在第一实施方式中，从X射线源11发射锥形X射线光束。可选地，可以使用发射平行光束的X射线源。在该情况下，配置第一和第二光栅21和22以基本上满足P2 = P1,而不是表达式(I)。在第一实施方式中，使用光学读取方法的X射线图像检测器20。本发明也可以被应用到X射线图像检测器和X射线成像设备，只要该器件或设备在其检测表面内的两个垂直方向之间在锐度上具有差别，所述X射线图像检测器通过诸如TFT的开关元件来电读出电荷，并且所述X射线成像设备使用成像板。(第二实施方式)接下来，描述本发明的第二实施方式。在第一实施方式中，为了在G2图像中引起莫尔条纹，将第一和第二光栅21和22之一在光栅平面内的方向上相对于另一个倾斜。另一方面，在第二实施方式的X射线成像设备中，第一和第二光栅21和22不倾斜。而是，调整在第一和第二光栅21和22之间的位置关系(距离L1和L2)或第一和第二光栅21和22的光栅节距P1和P2以与表达式(I)略微不同。由此，在G2图像中产生莫尔条纹，如图17 中所示。将在第二光栅22的位置中在Gl图像的X方向上的图案周期P3从第二光栅22的光栅节距P2略微移位。莫尔条纹具有由表达式(15)表示的在X方向上的周期T。
下 _ PlP , (Λ S、1 -... U》
P2-P3在该实施方式中，如上所述，莫尔条纹的周期的方向在X方向上。因此，如图18中所示，布置X射线图像检测器20使得透明线性电极36a和光遮蔽线性电极36b在Y方向上延伸，并且线性读取光源38在X方向上延伸。由此，在X射线图像检测器20中，具有高锐度的方向在X方向上，并且具有低锐度的方向在Y方向上。在该实施方式中，如图19中所示，微分相位图像产生部60基于每个组Gr (n，y)的强度调制的信号来计算微分相位值v(x，y)，并且，在像素50的每行(在Y方向上布置)中每次将组Gr(n，y)在X方向上移位一个像素(即，“η”增大增量I)。以与第一实施方式类似的方式来计算微分相位值Ψ(X，y)。更具体地，为了使用行列式(7)的计算结果来计算微分相位值Ψ (x，y)，则使用表达式(16)而不是表达式(8)，并且使用表达式(17)而不是表达式(12)。=…(I6)
αχ
I M-I\
—^(n + Ky)
1V1 k=0B(A)= -^-J]l(n + k,y)cosSk ...(17)
-^-YjI(n + k,y)smSk
乂 M k=QJ当莫尔周期T被设置为主像素大小Dx的近似整数倍时，利用表达式(18)而不是表达式(13)来获得微分相位值Ψ (X，y)。
在该实施方式中，与第一实施方式类似，在一组Gr(n，y)中的像素的数量M可能不必然等于在单个莫尔周期T中包括的像素的数量V或其N倍。M可以小于V。可以使用每次在X方向上移位两个或更多像素的组Gr(n，y)来计算微分相位值。除了如上所述的那些的配置和操作类似于在第一实施方式中的那些。
在该实施方式中，在X射线图像检测器20和第二光栅22之间的距离可以被设置为L3。在该情况下，可以基于莫尔周期T'来设置组Gr(n，y)，该莫尔周期T'是由表达式
(15)表示的莫尔周期T乘以由表达式(14)表示的放大率R。由于在第一实施方式中描述的光栅平面内的方向上第一和第二光栅21和22的相对倾斜和在第二实施方式中描述的第一和第二光栅21和22之间的位置关系和/或光栅节距的移位的组合，可以在G2图像中产生具有不与X方向或Y方向平行的周期的莫尔条纹。即使如此，使用在第一和第二实施方式中描述的方法之一来产生微分相位图像，因为莫尔条纹具有在X和Y方向两者上的分量。另外，可以在不与X方向或Y方向平行的斜向上形成像素50的组，以使用与上面类似的方式来产生微分相位图像。(第三实施方式)接下来，描述本发明的第三实施方式。在第一和第二实施方式中，X射线源11具有单个焦点。另一方面，在第三实施方式中，如图20中所示，在例如W02006/131235中公开的多狭缝(源光栅)23被布置于在X射线源11的发射侧上的紧前。与第一和第二光栅21和22类似，多狭缝23具有在Y方向上延伸并且在X方向上交替地排列的多个X射线吸收部分23a和多个X射线透射部分23b。设置多狭缝23的光栅节距Ptl以基本上满足表达式
(19)，其中，“U”表示在多狭缝23和第一光栅21之间的距离。
利用该配置，来自X射线源11的辐射在Y方向上分散，使得每个X射线透射部分23b作为X射线焦点。从每个X射线透射部分23b发射的辐射通过第一光栅21以形成Gl图像。Gl图像在第二光栅22的位置中彼此重叠，以形成G2图像。这增大了 G2图像的光量，并且改善了在微分相位图像的计算中的精度，并且减小了成像时间。除了如上所述的那些之外的配置和操作类似于在第一或第二实施方式中的那些配置和操作。因为多狭缝23的每个X射线透射部分23b在该实施方式中作为X射线焦点，距离Ltl替换在表达式(I)中的距离U。在该实施方式中，在X射线图像检测器20和第二光栅22之间的距离可以被设置为L3。在该情况下，可以基于莫尔周期T'来设置组Gr(x，n)或组Gr (n，y)，该莫尔周期T'是由表达式(6)或(15)表示的莫尔周期T乘以表达式(14)的放大率R。注意，即使使用多狭缝23，由第二光栅22产生的G2图像与在X射线源11的X射线焦点IIa和X射线图像检测器20之间的距离成比例地被放大。因此，使用表达式(14)的放大率R，而不将L1替换为
L00(第四实施方式)接下来，描述本发明的第四实施方式。在第一至第三实施方式中，第一光栅21没有衍射地以几何光学方式来投射入射的X射线。在第四实施方式的X射线成像设备中，第一光栅21产生例如在日本专利特开公布2008-200361中描述的泰伯效应。为了使用第一光栅21来产生泰伯效应，使用小焦点的X射线源来提高X射线的空间干涉，或者使用多狭缝23以减小焦点的大小。当第一光栅21产生泰伯效应时，在相距第一光栅21的泰伯距离Zm处在第一光栅21的下游形成第一光栅21的自身图像(Gl图像)。换句话说，在该实施方式中，需要将在第一光栅21和第二光栅22之间的距离L2设置为泰伯距离Zm。在该情况下，可以将相位光 栅用于第一光栅21。注意，除了在该实施方式中描述的那些之外的其他配置和操作类似于在第一、第二或第三实施方式中描述的那些配置和操作。当第一光栅21是吸收光栅并且X射线源11发射锥形X射线光束时，通过表达式
(20)来表示泰伯距离Zm，其中，“m”是正整数。在该情况下，设置光栅节距P1和P2以大体满足表达式⑴。注意，当使用多狭缝23时，距离Ltl替换距离U。Zm=M^- ...(20)
A当第一光栅21是将相位调制π /2的相位光栅，并且X射线源11发射锥形X射线光束时，通过表达式(21)表示泰伯距离Zm，其中，“m”是“O”或正整数。在该情况下，设置光栅节距P1和P2以大体满足表达式(I)。注意，当使用多狭缝23时，距离Ltl替换距离U。Zm={m+]-)ElE^ ...(21)
I A当第一光栅21是将相位调制π的相位光栅，并且X射线源11发射锥形X射线光束时，通过表达式(22)表示泰伯距离Zm，其中，“m”是“O”或正整数。在该情况下，Gl图像的图案周期是第一光栅21的光栅周期的一半。因此，设置光栅节距P1和P2以满足表达式
(23)。注意，当使用多狭缝23时，距离Ltl替换距离U。Zm=(m + & ... (22)p2 =2 ...(23)当第一光栅21是吸收光栅，并且来自X射线源11的X射线是平行光束时，通过表达式(24)表示泰伯距离Zm，其中，“m”是正整数。在该情况下，设置光栅节距P1和P2以大体满足关系式P2 = Pi。Zm=m^- ...(24)
Λ
当第一光栅21是将相位调制π /2的相位光栅，并且来自X射线源11的X射线是平行光束时，通过表达式(25)表示泰伯距离Zm，其中，“m”是“O”或正整数。在该情况下，设置光栅节距P1和P2以大体满足关系式P2 = Pl。Zm=(m + -)^L- ...(25)
m2义当第一光栅21是将相位调制π的相位光栅，并且来自X射线源11的X射线是平行光束时，通过表达式(26)表示泰伯距离Zm，其中，“m”是“O”或正整数。在该情况下，Gl图像的图案周期是第一光栅21的光栅周期的一半。因此，设置光栅节距P1和P2以大体满足关系式P2 = p/2。Z =(m + -)^- ...(26)
m 2 4λ(第五实施方式)接下来，描述本发明的第五实施方式。在第一至第四实施方式中，微分相位图像产生部60在像素50的每列(在X方向上的排列)中设置组Gr (X，η)，并且使用在Y方向上移位的组Gr(x，η)以与条纹扫描方法类似的方式产生微分相位图像。可选地，在第五实施方式的X射线成像设备中，将图像数据进行傅立叶变换、与载波频率对应的频谱的提取和逆傅立叶变换，如在美国专利申请公布2011/0158493中所述。由此，产生微分相位图像。在该实施方式中，为了在G2图像中产生莫尔条纹，可以如第一实施方式中所述使第一和第二光栅21和22在光栅平面内的方向上相对于彼此倾斜。另外，可以如第二实施方式中所述，将在第一和第二光栅21和22之间的位置关系或第一和第二光栅21和22的光栅节距P1和P2调整得与表达式(I)略微不同。在该实施方式中，莫尔条纹的周期的方向对应于在X射线图像检测器20的检测表面20a内具有高锐度的方向或与其相符。这改善了由X射线图像检测器20检测的莫尔条纹的对比度。因此，以高精度来进行上述的处理步骤。结果，改善了所述微分相位图像的S/N。上面的实施方式可以在避免矛盾的同时彼此组合。本发明可以被应用到用于医疗诊断或用于工业用途的辐射设备。对于辐射，可以使用伽马射线而不是X射线。各种改变和修改在本发明中是可能的，并且可以被理解为在本发明内。
权利要求
1.一种辐射成像设备，其包括 第一光栅，用于通过来自辐射源的辐射，以产生第一周期图案图像； 第二光栅，其面向所述第一光栅，所述第二光栅部分地遮蔽所述第一周期图案图像，以产生具有莫尔条纹的第二周期图案图像； 辐射图像检测器，其具有在具有彼此垂直的第一方向和第二方向的平面中排列的多个像素，所述辐射图像检测器使用所述像素检测所述第二周期图案图像，以产生图像数据，所述辐射图像检测器被布置使得具有高锐度的所述第一方向与所述莫尔条纹相交； 微分相位图像产生部，其用于基于所述图像数据来产生微分相位图像。
2.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其中所述辐射图像检测器是光学读取类型的，并且具有在所述第一方向上延伸的线性读取光源，并且所述辐射图像检测器利用在与所述第一方向垂直的所述第二方向上扫描的所述线性读取光源来读出作为一行的像素值的、在所述第一方向上排列的每个像素中累积的电荷。
3.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其中所述微分相位图像产生部使用在所述第一方向上排列的预定数量的像素作为一组，并且在所述第一方向上每次将所述组移位一个或多个像素，以计算由在每组中的像素值构成的强度调制的信号的相位，以产生所述微分相位图像。
4.根据权利要求3所述的辐射成像设备，其中将所述组移位一个像素。
5.根据权利要求4所述的辐射成像设备，其中构成所述组的像素的数量等于与所述莫尔条纹的单个周期对应的像素的数量的整数倍。
6.根据权利要求5所述的辐射成像设备，其中构成所述组的像素的数量等于与所述莫尔条纹的所述单个周期对应的像素的数量。
7.根据权利要求3所述的辐射成像设备，其中构成所述组的像素的数量小于与所述莫尔条纹的单个周期对应的像素的数量。
8.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其中所述微分相位图像产生部对于所述图像数据进行傅立叶变换、与载波频率对应的频谱的提取和逆傅立叶变换，以产生所述微分相位图像。
9.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其中通过将所述第二光栅布置在相对于所述第一光栅的旋转状态中并且同时将所述第二光栅的光栅表面保持与所述第一光栅平行以产生所述莫尔条纹，并且所述莫尔条纹与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向基本上垂直。
10.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其中通过调整在所述第一光栅和所述辐射源之间的距离以及在所述第二光栅和所述辐射源之间的距离或所述第一光栅和第二光栅的每一个的光栅节距来产生所述莫尔条纹，并且，所述莫尔条纹与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向基本上平行。
11.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其中通过将所述第二光栅布置在相对于所述第一光栅的旋转状态中并且同时将所述第二光栅的光栅表面保持与所述第一光栅平行，并且通过调整面向方向的第一和第二光栅之间的位置关系，或通过调整所述第一光栅和第二光栅的每一个的光栅节距，来产生所述莫尔条纹，并且所述莫尔条纹与所述第一和第二光栅的光栅方向不垂直也不平行。
12.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其还包括相衬图像产生部，用于在与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向基本垂直的方向上对所述微分相位图像进行积分，以产生相衬图像。
13.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其还包括 校正图像存储部，其用于将基于在没有被摄体的情况下获得的图像数据产生的微分相位图像存储作为校正图像；以及 校正处理器，其用于从基于在具有被摄体的情况下获得的图像数据产生的所述微分相位图像减去所述校正图像。
14.根据权利要求13所述的辐射成像设备，其还包括相衬图像产生部，用于在与所述第一光栅和第二光栅的光栅方向基本垂直的方向上对由所述校正处理器校正的校正后的微分相位图像进行积分，以产生所述相衬图像。
15.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其中所述第一光栅是吸收光栅，并且所述第一光栅以几何光学方式将入射的辐射投射到所述第二光栅，以产生所述第一周期图案图像。
16.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其中所述第一光栅是吸收光栅或用于产生泰伯效应的相位光栅，使得入射的辐射产生所述第一周期图案图像。
17.根据权利要求I所述的辐射成像设备，其还包括在所述辐射源和所述第一光栅之间布置的多狭缝，所述多狭缝部分地遮蔽辐射以分散焦点。
全文摘要
本发明涉及一种辐射成像设备。具体地，X射线成像设备包括第一光栅、第二光栅、X射线图像检测器和微分相位图像产生部。第一光栅通过从X射线源发射的X射线，以产生第一周期图案图像(G1图像)。第二光栅在被保持与第一光栅平行的同时被布置在旋转状态中。第二光栅部分地遮蔽G1图像，以产生具有莫尔条纹的第二周期图案图像(G2图像)。X射线图像检测器检测G2图像以产生图像数据。微分相位图像产生部基于所述图像数据产生微分相位图像。X射线图像检测器在其检测表面内在两个垂直方向之间在锐度上有差别，并且被布置使得具有高锐度的一个方向与莫尔条纹相交。
文档编号G01N23/04GK102860833SQ20121012738
公开日2013年1月9日 申请日期2012年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者桥本温之 申请人:富士胶片株式会社