专利名称：放射线成像系统和放射线照相图像处理方法
技术领域：
本发明涉及使用条纹扫描方法的放射线成像系统，及其放射线照相图像处理方法。
背景技术：
由于X射线的衰减取决于构成对象的元素的原子数和对象的密度和厚度这一特性，X射线用作用于无创地对对象内部进行成像的探头。使用X射线的放射线照相术变为在医疗诊断、非破坏性检查等等领域中广泛使用。在用于捕捉对象的放射线照相图像的传统X射线成像系统中，被检体置于用于发射X射线的X射线源与用于检测X射线的X射线图像检测器之间。在这种情况下，从X射线源发射至X射线图像检测器的X射线根据在通向X射线图像检测器的X射线路径中存在的物质的特性(原子数、密度和厚度)而衰减(吸收)。此后，X射线入射在X射线图像检测器的像素上，因此，X射线图像检测器检测到对象的X射线吸收对比图像。作为X射线图像检测器，除了 X射线增光屏和胶片的组合以及辉尽性荧光体之外，广泛使用由半导体电路组成的平板检测器(FPD)。构成物质的元素的原子数越小，物质所具有的X射线吸收率越低。因此，存在以下问题由于较低的X射线吸收率，活体软组织、柔软物质等等的X射线吸收对比图像不能具有足够的图像对比度。以人体关节的情况为例，关节软骨及其周围的滑液均具有水作为主要成分，其间的X射线吸收率的差别很小。因此，关节的X射线吸收对比图像不能具有足够的对比度。以这一问题为背景，近年来对X射线相位成像进行了有效研究。在X射线相位成像中，基于由对象的折射率的差异而导致的X射线的相位改变(角度改变)，而不是基于对象对X射线的强度改变，来获得图像(以下称为相位对比图像)。当X射线入射在对象上时，X射线的相位改变大于强度改变。相应地，即使对象由具有低X射线吸收率的物质构成，使用相位改变的X射线相位成像也允许获得具有高对比度的图像。采用X射线相位成像，提出了一种使用Talbot效应来捕捉相位对比图像的放射线成像系统(例如参见与日本专利No. 4445397相对应的美国专利No. 7，180，979和C. David等人于 2002 年 10 月编写的 AppliedPhysics Letters Vol. 81, No. 17, page 3287)。在这种系统中，第一和第二栅格平行布置，其间具有预定距离。利用Talbot效应，在第二栅格的位置形成第一栅格的本身图像。第二栅格对该本身图像应用强度调制，并产生条纹图像。在通过对本身图像进行强度调制而获得的条纹图像中，反映对象的相位信息。存在各种方法来从条纹图像获得对象的相位信息，如条纹扫描方法、莫尔干涉方法和傅立叶变换方法。美国专利No. 7，180，979使用条纹扫描方法。在条纹扫描方法中，只要第二栅格沿与栅格方向近似垂直的方向相对于第一栅格平移(扫描)小于栅格间距的预定量，则捕捉图像，从而获得多个条纹图像。根据多个条纹图像，基于每个个体像素值的强度改变，获得与X射线的相位改变量相对应的微分相位值。基于微分相位值的二维图像(微分相位图像)，产生相位对比图像。条纹扫描方法可用于使用激光而不是X射线的成像系统中(参见例如Hector Canabal等人于1998年9月编写的Applied Optics Vol. 37，No. 26，page 6227)。然而，在条纹扫描方法中，如果在第一和第二栅格中出现制造误差、失真、未对准等等，则将与对象无关的值添加到每个像素的微分相位值。为了解决这一问题，美国专利No. 7，180，979公开了在存在对象情况下执行的实际放射线照相和在不存在对象的情况下执行的初步放射线照相中的每一个中捕捉微分相位图像。通过从在实际放射线照相中获得的第一微分相位图像中减去在初步放射线照相中获得的第二微分相位图像，获得归因于对象本身的微分相位图像。这种校正方法在校正初步放射线照相与实际放射线照相之间共有的因子(如第一和第二栅格的制造误差以及失真)时是有效的。然而，在校正初步放射线照相与实际放射线照相扫描位置的偏离时，这种校正方法是无效的。美国专利No. 7，180，979描述了利用相同表达式来计算第一微分相位图像和第二微分相位图像。因此，美国专利No. 7，180，979显然未考虑扫描位置的偏离。
发明内容
本发明的目的是提供一种放射线成像系统和放射线照相图像处理方法，可以校正由于初步放射线照相与实际放射线照相之间扫描位置的偏离而导致的伪像。为了实现上述和其他目的，根据本发明的一种放射线成像系统包括第一和第二光栅；扫描装置；放射线照相图像检测器；微分相位图像产生装置；位置偏离量计算装置；位置偏离量校正装置；以及减法处理装置。第一和第二光栅相对布置，同时光栅方向一致。扫描装置将第一和第二光栅之间的相对位置改变为与光栅方向垂直的方向，从而依次将所述相对位置设置在多个扫描位置处。当所述相对位置设置在每个扫描位置处时，放射线照相图像检测器捕捉从放射线源施加的穿过第一和第二光栅的放射线的图像，并产生图像数据。微分相位图像产生装置通过获得强度调制信号的相移量来产生微分相位图像。强度调制信号表示图像数据中包含的每个像素值的与扫描位置相关的改变。微分相位图像产生装置根据在存在样本的情况下执行的实际放射线照相中获得的图像数据产生第一微分相位图像，并根据在不存在样本的情况下执行的初步放射线照相中获得的图像数据产生第二微分相位图像。位置偏离量计算装置通过检测在初步放射线照相中获得的强度调制信号与在实际放射线照相中获得的强度调制信号之间的差值，计算初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的位置偏离量。位置偏离量校正装置基于位置偏离量，校正微分相位图像产生装置在产生第一和第二微分相位图像之一时使用的扫描位置数据。减法处理装置从第一微分相位图像中减去第二微分相位图像。优选地，放射线照相图像检测器具有多个像素，位置偏离量计算装置利用每个像素的强度调制信号，统计计算每个扫描位置的位置偏离量。此外，优选地，放射线照相图像检测器具有非样本检测区域，在所述非样本检测区域上，从放射线源发射的放射线入射而不穿过样本，在计算位置偏离量时使用的多个像素属于所述非样本检测区域。优选地，位置偏离量计算装置逐像素地计算每个扫描位置的位置偏离量，并通过检测与位置偏离量相关的像素数目的频率分布的峰值、均值或中值，来确定每个扫描位置的位置偏离量。
优选地，位置偏离量计算装置对在从实际放射线照相和初步放射线照相之一中的像素之一获得的强度调制信号中的彼此相邻扫描位置之间的像素值执行内插，并参照内插后的强度调制信号来计算从实际放射线照相和初步放射线照相中的另一个中的相同像素获得的强度调制信号的每个扫描位置处的位置偏离量。位置偏离量计算装置可以执行彼此相邻扫描位置之间的像素值的线性内插，或者可以执行在实际放射线照相或初步放射线照相中获得的强度调制信号中的像素值的外推，以使得强度调制信号成为多于一个周期的周期波。优选地，微分相位图像产生装置使用基于最小二乘(least square)的计算表达式来计算强度调制信号的相移量。放射线成像系统还可以包括相位对比图像产生装置，用于沿改变相对位置的方向对微分相位图像产生装置所产生的微分相位图像进行积分，以产生相位对比图像。第一光栅可以是吸收光栅，并且可以以几何光学的方式，将从放射线源入射的放射线投影至第二光栅上。在另一情况下，第一光栅可以是相位光栅，并且可以导致在放射线源入射的放射线中的Talbot效应，以在第二光栅的位置形成本身图像。一种放射线照相图像处理方法，包括以下步骤通过检测在不存在样本的情况下执行的初步放射线照相中获得的强度调制信号与在存在样本的情况下执行的实际放射线照相中获得的强度调制信号之间的差值，计算初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的位置偏离量；利用位置偏离量，校正微分相位图像产生装置在产生第一和第二微分相位图像之一时使用的扫描位置数据；利用校正后的扫描位置数据，由微分相位图像产生装置根据在实际放射线照相中获得的图像数据来产生第一微分相位图像，根据在初步放射线照相中获得的图像数据来产生第二微分相位图像；以及从第一微分相位图像中减去第二微分相位图像。根据本发明，通过检测在初步放射线照相中获得的强度调制信号与在实际放射线照相中获得的强度调制信号之间的差值，计算初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的位置偏离量。然后，使用计算出的位置偏离量来校正在产生微分相位图像时使用的扫描位置数据，使得在实际和初步放射线照相中扫描位置一致。此后，从在实际放射线照相中产生的第一微分相位图像中减去在初步放射线照相中产生的第二微分相位图像。因此，可以校正由于初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的偏离而导致的伪像。
为了更完整地了解本发明及其优点，现在参考结合附图做出的以下描述，附图中图1是X射线成像系统的示意图；图2是成像单元的盒的示意立体图；图3是X射线图像检测器的示意图；图4是用于解释透过对象的X射线的折射角和偏移量的解释图；图5是条纹扫描方法的解释图；图6是图像处理器的框图7是示出在实际放射线照相和初步放射线照相期间，从非样本检测区域中的像素输出的强度调制信号的示例的图；图8是解释了用于计算与扫描位置之间的位置偏离量的方法的图；图9是示出了由位置偏离量计算部计算的位置偏离量的示例的图；以及图10是示出了像素数目相对于位置偏离量的频率分布的示例的图。
具体实施例方式如图1所示，X射线成像系统10由以下构成X射线源11、成像单元12、存储器13、图像处理器14、图像存储器15、成像控制器16、控制台17、以及系统控制器18。X射线源11具有旋转阳极类型的X射线管和用于例如限制X射线的辐照场并向样本H发射X射线的准直仪。成像单元12由以下各项构成X射线图像检测器20、第一光栅21、以及第二光栅22。第一和第二光栅21和22是吸收光栅，在作为X射线传播方向的Z方向上与X射线源11相对。在X射线源11与第一光栅21之间提供了用于在其中布置样本H的空间。例如，X射线图像检测器20是使用半导体电路的平板检测器(FPD)。X射线图像检测器20布置在第二光栅22之后，使其检测面与Z方向垂直。X射线图像检测器20的检测面被划分为样本检测区域20a和非样本检测区域20b。在样本检测区域20a上，已经穿过样本H的X射线主要通过第一和第二光栅21和22入射。另一方面，已经通过样本H周围的空间传播而未穿过样本H本身的X射线通过第一和第二光栅21和22入射在非样本检测区域20b上。第一光栅21具有沿Y方向延伸的多个X射线吸收部21a和X射线透射部21b，Y方向是与ζ方向垂直的平面中的一个方向。X射线吸收部21a和X射线透射部21b沿与Z和Y方向均垂直的X方向交替布置，以形成条形图案。类似地，第二光栅22具有沿Y方向延伸并沿X方向交替布置的多个X射线吸收部2 和X射线透射部22b。X射线吸收部21a和22a由具有X射线吸收率的金属(如金(Au)或钼(Pt))制成。X射线透射部21b和22b由具有X射线透射性的物质(如硅(Si)或树脂)制成。存储器13临时存储从成像单元12读出的图像数据。图像处理器14基于存储器13中存储的多个帧的图像数据来产生相位对比图像。图像存储器15记录图像处理器14产生的相位对比图像。成像控制器16控制X射线源11和成像单元12。控制台17包括操作单元17a，用于输入初始放射线照相和实际放射线照相的成像条件和执行命令(如下所述)；以及监视器17b，用于显示放射线照相信息和所捕捉的图像。系统控制器18根据从操作单元17a输入的信号来执行每个部件的集中控制。成像单元12包括扫描机构(扫描装置)23，沿X方向平移第二光栅22，以相对于第一光栅21改变第二光栅22的位置。例如，扫描机构23由如压电元件之类的致动器组成。在执行条纹扫描期间，成像控制器16驱动扫描机构23。在执行条纹扫描期间，将X射线图像检测器20在每个扫描位置捕捉的图像数据写至存储器13，以后将描述细节。具有上述结构的成像单元12包含在矩形盒30中，如图2所示。在盒30的X射线入射面31中，印制了中心线32和33以及矩形框线34。中心线32和33分别指示相对于X和Y方向的中心。框线34指示X射线图像检测器20的样本检测区域20a与非样本检测区
7域20b之间的边界。框线34的外部对应于非样本检测区域20b。如图3所示，X射线图像检测器20由以下各项构成成像部41、扫描电路42和读出电路43。成像部41具有在有源矩阵衬底上沿X和Y方向二维布置的多个像素40。每个像素40将X射线转换为电荷，并蓄积电荷。扫描电路42控制从像素40读出电荷的读出定时。读出电路43从像素40读出电荷，将电荷转换为图像数据，并输出图像数据。扫描电路42通过扫描线44逐行连接至每个像素40。读出电路43通过信号线逐列连接至每个像素40。在X和Y方向中的每一个上，像素40的布置间距都在IOOym量级。像素40是直接转换类型X射线检测元件，其中由非晶硒等制成的转换层(未示出)将X射线直接转换为电荷，所转换的电荷蓄积在电容器(未示出)中，该电容器连接至转换层之下的电极。每个像素40具有TFT开关(未示出)。TFT开关的栅电极连接至扫描线44，其源电极连接至电容器，其漏电极连接至信号线45。当来自扫描电路42的驱动脉冲导通TFT开关时，将电容器中蓄积的电荷读出至信号线45。每个像素40可以是间接转换类型的X射线检测元件，其中由氧化钆(Gd2O3)、碘化铯(CsI)等制成的闪烁体(未示出)将X射线转换为可见光，光电二极管(未示出)将可见光转换为电荷。X射线图像检测器20不限于基于TFT板的FPD，而是还可以使用基于固态图像传感器(如CCD或CMOS图像传感器)的另一类型的放射线照相图像检测器。读出电路43包括积分放大器、A/D转换器、校正部等等(均未示出)。积分放大器通过积分将通过信号线45从像素40输出的电荷转换为作为电压信号的图像信号。A/D转换器将积分放大器产生的图像信号转换为数字图像数据。校正部对组成图像数据的每个像素值应用暗电流校正、增益校正、线性校正等等，并将校正后的图像数据输入至存储器13。系统控制器18经由成像控制器16来控制扫描电路42和读出电路43。如上所述，成像部41被划分为样本检测区域20a和非样本检测区域20b。样本检测区域20a和非样本检测区域20b具有相同结构的像素40。系统控制器18根据指示每个扫描线44和每个信号线45的地址，将布置在样本检测区域20a中的像素40与布置在非样本检测区域20b中的像素40进行区分。在图4中，从X射线源11发射的X射线是从X射线焦点1 Ia发散的锥形束。因此，由穿过第一光栅21的X射线所产生的第一周期图案图像(以下称为Gl图像)被按照到X射线焦点Ila的距离成比例地放大。第二光栅22的X射线吸收部2 沿X方向的布置间距1)2和宽度d2由以下表达式⑴和(2)来确定，其中利用了 X射线焦点Ila与第一光栅21之间的长度L1、第一和第二光栅21和22之间的长度L2、以及第一光栅21的X射线吸收部21a的布置间距P1和宽度Cl1。P2= ‘ 2 Pi ···(!)
权利要求
1.一种放射线成像系统，包括第一和第二光栅，相对布置，同时光栅方向一致；扫描装置，将所述第一和第二光栅之间的相对位置改变为与所述光栅方向垂直的方向，从而依次将所述相对位置设置在多个扫描位置处；放射线照相图像检测器，当所述相对位置设置在每个所述扫描位置处时，捕捉从放射线源施加的穿过所述第一和第二光栅的放射线的图像，并产生图像数据；微分相位图像产生装置，通过获得强度调制信号的相移量来产生微分相位图像，所述强度调制信号表示所述图像数据中包含的每个像素值的与所述扫描位置相关的改变，所述微分相位图像产生装置根据在存在样本的情况下执行的实际放射线照相中获得的所述图像数据来产生第一微分相位图像，并根据在不存在所述样本的情况下执行的初步放射线照相中获得的所述图像数据来产生第二微分相位图像；位置偏离量计算装置，通过检测在所述初步放射线照相中获得的所述强度调制信号与在所述实际放射线照相中获得的所述强度调制信号之间的差值，计算所述初步放射线照相与所述实际放射线照相之间每个所述扫描位置的位置偏离量；位置偏离量校正装置，基于计算出的所述位置偏离量，校正由所述微分相位图像产生装置在产生所述第一和第二微分相位图像之一时使用的扫描位置数据；以及减法处理装置，从所述第一微分相位图像中减去所述第二微分相位图像。
2.根据权利要求1所述的放射线成像系统，其中，所述放射线照相图像检测器具有多个像素；以及其中，所述位置偏离量计算装置利用每个所述像素的所述强度调制信号，统计计算每个所述扫描位置的所述位置偏离量。
3.根据权利要求2所述的放射线成像系统，其中，所述放射线照相图像检测器具有非样本检测区域，在所述非样本检测区域上，从所述放射线源发射的所述放射线入射而不穿过所述样本；以及其中，在计算所述位置偏离量时使用的所述多个像素属于所述非样本检测区域。
4.根据权利要求2所述的放射线成像系统，其中，所述位置偏离量计算装置逐像素地计算每个所述扫描位置的所述位置偏离量，并通过检测像素数目相对于所述位置偏离量的频率分布的峰值、均值或中值，来确定每个所述扫描位置的所述位置偏离量。
5.根据权利要求1所述的放射线成像系统，其中，所述位置偏离量计算装置对在从所述实际放射线照相和所述初步放射线照相之一中的所述像素之一获得的所述强度调制信号中的彼此相邻的所述扫描位置之间的所述像素值执行内插，并参照内插后的所述强度调制信号来计算从所述实际放射线照相和所述初步放射线照相中的另一个中的所述相同像素获得的所述强度调制信号的每个所述扫描位置处的所述位置偏离量。
6.根据权利要求5所述的放射线成像系统，其中，所述位置偏离量计算装置对彼此相邻的所述扫描位置之间的所述像素值执行线性内插。
7.根据权利要求5所述的放射线成像系统，其中，所述位置偏离量计算装置对在所述实际放射线照相或所述初步放射线照相中获得的所述强度调制信号中的所述像素值执行外推，以使得所述强度调制信号成为多于一个周期的周期波。
8.根据权利要求1所述的放射线成像系统，其中，所述微分相位图像产生装置使用基于最小二乘的计算表达式来计算所述强度调制信号的所述相移量。
9.根据权利要求1所述的放射线成像系统，还包括相位对比图像产生装置，用于沿改变所述相对位置的方向对由所述微分相位图像产生装置所产生的所述微分相位图像进行积分，以产生相位对比图像。
10.根据权利要求1所述的放射线成像系统，其中，所述第一光栅是吸收光栅，并且以几何光学的方式将从所述放射线源入射的所述放射线投影至所述第二光栅上。
11.根据权利要求1所述的放射线成像系统，其中，所述第一光栅是相位光栅，并且导致从所述放射线源入射的所述放射线中的Talbot效应，以在所述第二光栅的位置形成本身图像。
12.—种在放射线成像系统中使用的放射线照相图像处理方法，所述放射线成像系统包括第一和第二光栅，相对布置，同时光栅方向一致；扫描装置，将所述第一和第二光栅之间的相对位置改变为与所述光栅方向垂直的方向，从而依次将所述相对位置设置在多个扫描位置处；放射线照相图像检测器，当所述相对位置设置在每个所述扫描位置处时，捕捉从放射线源施加的穿过所述第一和第二光栅的放射线的图像；以及微分相位图像产生装置，通过获得强度调制信号的相移量来产生微分相位图像，所述强度调制信号表示所述图像数据中包含的每个像素值的与所述扫描位置相关的改变，所述放射线照相图像处理方法包括以下步骤通过检测在不存在样本的情况下执行的初步放射线照相中获得的所述强度调制信号与在存在所述样本的情况下执行的实际放射线照相中获得的所述强度调制信号之间的差值，计算所述初步放射线照相与所述实际放射线照相之间每个所述扫描位置的位置偏离量；利用所述位置偏离量，校正所述微分相位图像产生装置在产生第一和第二微分相位图像之一时使用的扫描位置数据；利用校正后的所述扫描位置数据，由所述微分相位图像产生装置根据在所述实际放射线照相中获得的所述图像数据来产生所述第一微分相位图像，根据在所述初步放射线照相中获得的所述图像数据来产生所述第二微分相位图像；以及从所述第一微分相位图像中减去所述第二微分相位图像。
全文摘要
本发明提供了一种图像处理器，包括位置偏离量计算部、位置偏离量校正部、微分相位图像产生器和减法处理部。位置偏离量计算部通过检测根据初步放射线照相中获得的图像数据产生的强度调制信号与根据实际放射线照相中获得的图像数据产生的强度调制信号之间的差值，计算初步放射线照相与实际放射线照相之间每个扫描位置的位置偏离量。位置偏离量校正部使用计算出的位置偏离量，校正由微分相位图像产生器在实际放射线照相中产生第一微分相位图像时使用的扫描位置数据。减法处理部从实际放射线照相中产生的第一微分相位图像中减去在初步放射线照相中产生的第二微分相位图像。
文档编号A61B6/00GK102551759SQ20111038829
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月29日 优先权日2010年12月14日
发明者石井裕康 申请人:富士胶片株式会社