用于对可移动对象进行相位衬度和/或暗场成像的光栅设备的制作方法

本发明涉及用于对可移动对象进行相位衬度成像和/或暗场成像的光栅设备、干涉仪单元、相位衬度和/或暗场成像系统、相位衬度和/或暗场成像方法、用于控制这样的设备的计算机程序单元以及存储有这样的计算机程序单元的计算机可读介质。

背景技术：

尽管经典的X射线成像测量由对象引起的对X射线的吸收，但是相位衬度成像旨在探测当X射线穿过要检查的对象时它们经历的相位偏移。对于相位衬度成像和/或暗场成像而言，相位光栅被放置在对象后面以在利用(相干)X射线辐照对象时生成强度最大值和最小值的干涉图样。由对象引入的X射线波中的任何相位偏移引起干涉图样中的特定特性位移。因此，测量这些位移允许重建对象的相位偏移。另外，采用这样的相位光栅，实现从退相干X射线小角散射导出的图像数据的生成，成像的后者类型也被称为“暗场成像”。

EP 1 731 099 A1公开了一种包括一个相位光栅和一个幅度光栅的X射线干涉仪布置。该干涉仪可以被用于利用标准X射线管来获得相位衬度图像。此外，干涉仪可以使用包括个体子源的阵列的源。子源的阵列可以通过放置狭缝的阵列(即，在源附近的额外幅度光栅)来生成。

US 2010/0322380 A1至此公开了一种X射线探测器，包括敏感元件的阵列和在两个不同敏感元件前面的被设置有不同相位和/或周期性的至少两个分析器光栅。具有相互不同的相位的分析器光栅可以被设置在敏感元件前面。探测器可以被应用在用于生成相位衬度图像的X射线设备中。

作为结果，相位衬度成像不仅提供示出由在检查下的对象对X射线的吸收的图像，而且提供示出由对象对X射线射束的相位偏移和对象的暗场的额外的图像。

对于相位衬度成像，需要具有例如三个不同光栅的设置。这些光栅中的两个被安装在患者后面并且两者之一-所谓的分析器光栅-需要在成像期间被重新定位以便在各个采样位置处对相位偏移进行采样。因此，当执行相位衬度成像时，假设对象不移动。然而，当对移动对象，如例如冠状动脉系统或肺部系统的部分进行成像时，这不是准确的假设。

技术实现要素：

因此，可以存在对提供能够被用在更宽的应用范围中的用于相位衬度和/或暗场成像的经改进的光栅设备的需要。

本发明的问题由独立权利要求的主题来解决，其中，另外的实施例被并入在从属权利要求中。应当注意，以下所描述的本发明的各方面还应用于对可移动对象进行相位衬度成像和/或暗场成像的光栅设备、干涉仪单元、相位衬度和/或暗场成像系统、相位衬度和/或暗场成像方法、计算机程序单元以及计算机可读介质。

根据本发明，提出了一种用于对可移动对象进行相位衬度成像和/或暗场成像的光栅设备。所述光栅设备包括光栅单元、致动单元、运动探测单元和控制单元。

所述致动单元被配置为将所述光栅单元定位在相对于所述可移动对象的不同采样位置中。

所述运动探测单元被配置为探测所述可移动对象的运动。

所述控制单元被配置为控制所述致动单元，以基于所述可移动对象的探测到的运动来将所述光栅单元定位在所述不同采样位置中。

作为结果，提供了一种用于对移动对象进行相位衬度成像和/或暗场成像的方法，并且相位衬度和/或暗场成像的应用范围被加宽到可移动对象。

所述可移动对象可以是例如心脏、肺、参与呼吸运动的肌肉、血管、冠状动脉、肺动脉、其部分等。该方法还可以被用于实现相位衬度支架推进应用。

在范例中，所述可移动对象的探测到的运动是重复运动。所述可移动对象的重复运动可以是将所述可移动对象从在一个周期期间的起始点带回到起始点的运动。所述运动可以是例如周期的、循环的、准周期的、准循环的运动等。在范例中，所述可移动对象的探测到的运动是胸部扫描期间的心动周期、呼吸周期或屏气障碍。

在范例中，探测到的运动数据是以下项的组中的至少一个：吸收图像数据、运动传感器数据、视频数据、其组合等。

可以理解基于所述可移动对象的探测到的运动对光栅单元在不同采样位置中的定位，其中，所述采样位置与所述可移动对象的探测到的运动对应、相关和/或取决于所述可移动对象的探测到的运动。换言之，本发明建议例如在心动周期内或在多个心动周期期间对光栅单元移动进行分布。

在范例中，所述不同采样位置对应于所述可移动对象在探测到的运动的不同周期中的一个运动状态。换言之，所述光栅单元移动使得各个采样位置对应于不同心动周期中的同一个运动状态。下面将更详细地解释该方法。

在范例中，所述不同采样位置对应于所述可移动对象在探测到的运动的一个周期中的不同运动状态。换言之，所述光栅单元移动使得各个采样位置对应于同一个心动周期中的不同运动状态。下面还将更详细地解释该方法。

在范例中，在一个成像运行期间存在至少三个相互不同的采样位置，以便在允许相位检索(即，对由对象引起的相位偏移的确定)的各个采样位置处采集图像。

在范例中，要定位的光栅单元是塔尔博特(Talbot)干涉仪的光栅并且可以是分析器光栅、相位光栅或源光栅的组中的至少一个。定位移动可以是位移、旋转、倾斜或其组合。所述分析器光栅和所述相位光栅可以覆盖完整投影或仅其一部分。

所述采样位置可以跨越多个心动周期分布，并且最后相位衬度图像可以使用例如ECG相关从在不同心动周期中采集的帧来组合。换言之，ECG可以同时被记录被生成，以使在相应的光栅单元位置处生成的各图像相关。在范例中，因此，所述控制单元被配置为针对相位衬度图像使所述不同采样位置之间的可移动对象的探测到的运动相关。而且，要检查的对象的解剖结构、介入设备上的标记等可以被用于不同采样位置之间的所述可移动对象的探测到的运动的相关。

在以下中更详细地解释本发明的范例：在心脏X射线荧光透射中，以具有例如每秒30帧的时间序列采集多个X射线投影。心脏的准周期性运动将所述解剖结构带回到在每个心动周期中几乎相同的运动状态。假设例如作为光栅单元的分析器光栅的运动与心脏运动相比较是缓慢的，则利用单个心动周期中的心脏的相同运动状态中的不同分析器光栅位置采集全部投影将是不可能的。因此，相位步进(其是通过例如以一致步子将分析器光栅偏移的规则相位间隔处的图像采集)可以跨越多个心动周期分布，并且最后相位衬度图像(和暗场图像)可以使用例如ECG相关从在不同心动周期中采集的投影获得。换言之，可以同时地记录ECG以使相应的分析器光栅位置处生成的各个投影相关。

所谓的“不同周期方法”可以如下地执行：可以采集所述心脏的相位衬度投影的序列并且可以并行测量ECG。可以以以下方式选择相位步进：当采集随后的心动周期中的相同心脏运动状态时，作为光栅单元的所述分析器光栅处于不同采样位置中。可以从在不同心动周期中采集的投影获得(计算)所述相位衬度和暗场图像。

对于相位步进，所述光栅单元的采样位置应当是不同和非冗余的。在本文中，非冗余的意指所述分析器光栅相对于所述相位光栅的位置针对所述采样位置中的每个是不同的。由于仅所述采样位置对于所述相位步进是相关的，因此所述相位步进可以对准到平均心率，并且所述周期长度中的心率和小变化不影响得到的图像。

通过经由吸收图像检查所述运动状态的对应性，可以在计算相位衬度和暗场图像之前确定所述心脏的实际运动状态。因此，可以选择所测量的帧，其关于心脏的空间位置很好地对应。

实现运动校正的相位衬度图像的备选“一个周期方法”可以基于在计算所述相位衬度和暗场图像之前在吸收投影上的基于图像的配准。利用该方法，利用不同光栅单元位置的例如三幅随后采集的投影的序列可以被用于生成相位衬度图像和暗场图像。可以在例如心脏运动期间在这些投影之间发生的运动可以从部分吸收图像来估计，并且因此可以在对最后图像的计算之前被校正。可以基于吸收图像补偿采样位置之间的心脏的运动。

示范性地，备选运动传感器还可想象为视频信号，如例如生命体征相机的所述输出。

根据本发明，还提出了一种干涉仪单元。所述干涉仪单元包括X射线探测器和用于对可移动对象进行相位衬度和/或暗场成像的光栅设备，如上文描述的。所述X射线探测器被配置为探测穿过所述光栅设备的X射线射束。所述光栅设备包括光栅单元、致动单元、运动探测单元和控制单元。所述光栅单元基于所述可移动对象的探测到的运动而被定位在不同采样位置中。所述X射线探测器可以提供有足够小的间距、因此足够大的分辨率，以用于探测(即足够地解析)由所述光栅设备生成的干涉图样。出于该目的，所述X射线探测器可以是已知本身具有50微米或更多的空间分辨率的高分辨率X射线探测器，或如US 2014/0177795 A1中描述的类型的X射线探测器，通过引用将其并入本文。备选地，如果所述光栅单元被提供有被布置在所述X射线探测器前面的光学路径中的分析的光栅，则所述X射线探测器可以具有较不高的分辨率。

根据本发明，还提出了一种相位衬度和/或暗场成像系统。所述相位衬度和/或暗场成像系统包括X射线源和干涉仪单元，如上文描述的。所述X射线源被配置为提供穿过对象和所述干涉仪单元的X射线射束。所述相位衬度和/或暗场成像系统允许对移动对象进行相位衬度和/或暗场成像。所述可移动对象可以是例如心脏、肺、参与呼吸运动的肌肉、血管、冠状动脉、肺动脉和/或其部分。

根据本发明，还提出了一种相位衬度和/或暗场成像方法。其包括以下步骤(不必按此顺序)：

a)探测可移动对象的运动，并且

b)控制基于所述可移动对象的探测到的运动对光栅单元相对于所述可移动对象在不同采样位置中的定位。

在范例中，所述可移动对象的探测到的运动是重复运动。所述重复运动可以是例如周期的、循环的、准周期的或准循环的运动。所述可移动对象的所述重复运动可以是将所述可移动对象从在一个周期期间的起始点带回到起始点的运动。在范例中，所述可移动对象的探测到的运动是心动周期或呼吸周期。

在范例中，所述不同采样位置对应于所述可移动对象在探测到的运动的不同周期中的一个运动状态。在另一范例中，所述不同采样位置对应于所述可移动对象在探测到的运动的一个周期中的不同运动状态。

根据本发明，还提出了一种计算机程序单元，其中，所述计算机程序单元包括程序代码模块，当所述计算机程序被运行在控制根据独立设备权利要求所述的光栅设备的计算机上时，所述程序代码模块用于令所述光栅设备执行相位衬度和/或暗场成像方法的步骤。

应当理解，根据独立权利要求所述的光栅设备、干涉仪单元、相位衬度和/或暗场成像系统、相位衬度和/或暗场成像方法、用于控制这样的设备的计算机程序单元和存储有这样的计算机程序单元的计算机可读介质具有相似和/或相同的优选实施例，尤其是如在从属权利要求中所定义的。还应当理解，本发明的优选的实施例还可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任何组合。

本发明的这些和其他方面将根据下文中描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文中描述的实施例得到阐述。

附图说明

在下文中将参考附图描述本发明的示范性实施例：

图1示出了根据本发明的用于对可移动对象进行差分相位衬度成像的相位衬度和/或暗场成像系统的范例的示意图。

图2示意性且示范性地示出了根据本发明的用于对可移动对象进行差分相位衬度成像的干涉仪单元的实施例。

图3示意性且示范性地示出了根据本发明的用于对可移动对象进行相位衬度和/或暗场成像的光栅设备的实施例。

图4示出了具有不同采样位置中的分析器光栅的相位衬度设置和心电图的示意性表示。

图5示出了相位衬度和/或暗场成像方法的范例的基本步骤。

具体实施方式

在图1中，示意性地示出了用于差分相位衬度成像的相位衬度和/或暗场成像系统10。相位衬度和/或暗场成像系统10包括X射线源18、干涉仪单元20、处理单元14以及接口单元16。干涉仪单元20将针对图2详细地被解释并且包括光栅设备和适于记录X射线辐射的强度变化的探测器。光栅设备包括光栅单元，所述光栅单元可以是例如分析器光栅、相位光栅或源光栅。

桌台22被布置为接收要检查的对象(未示出)。X射线源18和干涉仪单元20至少部分地被安装在C型臂设备24上，使得桌台22可以被布置在X射线源18与干涉仪单元20之间，使得对象可以被放置在X射线源18与干涉仪单元20之间。

C型臂24被提供，使得C型臂24围绕对象的移动可能能够调整查看方向。此外，提供底座26，桌台22被安装在底座26上。底座26例如被定位在检查室的地板上。作为范例，处理单元14和接口单元16被提供在底座26内。此外，显示器28被布置在桌台22附近以将信息提供给用户(例如，外科医师)。接口单元30被布置为提供用于另外地控制系统的可能性。

对象(例如，患者)可以在辐射流程期间被定位在X射线源18与干涉仪单元20之间。干涉仪单元20正经由接口单元16将数据传送给处理单元14以将所探测的原始图像数据提供给处理单元14。当然，处理单元14和接口单元16可以被定位在其他位置处，例如，在不同实验室或控制室处。

此外，应注意到，所示出的范例是所谓的C型X射线图像采集设备。当然，可以提供其他X射线图像采集设备，例如，具有固定或可移动X射线源18和干涉仪单元20的CT系统和固定系统。当然，还可以提供可移动X射线设备。

图2示意性示出了包括光栅设备的干涉仪单元20和用于记录X射线辐射的强度变化的探测器26。如在图3中详细解释的光栅设备包括光栅单元51，所述光栅单元在此处是分析器光栅24。图2还示出了X射线源18、源光栅32以及相位光栅22。此外，在图2中示意性地指示了对象34。

X射线源18生成多色谱的X射线射束36。为了提供对被应用到对象34的X射线射束36的足够的相干，源光栅32利用相应的光栅结构来调整，以将X射线源18的X射线辐射分裂为至少部分相干的X射线辐射。因此，X射线射束36穿过源光栅32并且然后被提供为经调整的X射线射束38。结果，可以在分析器光栅24的位置处观察到干涉。

在图2中显示的特定范例中，源光栅32、相位光栅22和分析器光栅24被布置在所谓的“常规几何结构”中。在所述常规几何结构中，源光栅32与相位光栅22之间的距离大于相位光栅22与分析器光栅24之间的距离。备选地，源光栅32、相位光栅22和分析器光栅24可以被布置在所谓的“倒转几何结构”中。在所述倒转几何结构中，源光栅32与相位光栅22之间的距离小于相位光栅22与分析器光栅24之间的距离。因此，在倒转几何结构中，要被成像的对象通常被布置在相位光栅22与分析器光栅24之间。作为另一选项，源光栅32、相位光栅22和分析器光栅24可以被布置在所谓的“对称几何结构”中。在所述倒转几何结构中，源光栅32与相位光栅22之间的距离等于相位光栅22与分析器光栅24之间的距离。对于更多信息(通过引用并入本文)，参见Tilman Donath等人的“Inverse geometry for grating based x-ray phase contrast imaging”，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 106，054703(2009)。

根据另一示范性实施例，尽管还未示出，但是源光栅可以被省略并且X射线源18适于提供足够的相干X射线辐射，使得可以在分析器光栅24的位置处观察干涉，例如，通过同步加速器或微焦点X射线管。

根据又一示范性实施例，尽管还未示出，但是光栅单元51还可以是相位光栅22或源光栅32。

在图2中，示出沿着光学路径布置源18、源光栅32、相位光栅22和分析器光栅24以及探测器26。因此，探测器26记录对象34的图像信息40。

图3示意性且示范性地示出了根据本发明的用于对可移动对象34进行相位衬度和/或暗场成像的光栅设备50的实施例。光栅设备50包括光栅单元51、致动单元52、运动探测单元53和控制单元54。致动单元52将光栅单元51定位在相对于可移动对象34的不同采样位置中。运动探测单元53探测可移动对象34的运动。可移动对象34的探测到的运动此处是重复运动。控制单元54控制致动单元52，以基于可移动对象34的探测到的运动将光栅单元51定位在不同采样位置中。因此，提供了用于对移动对象34进行相位衬度和/或暗场成像的光栅设备50。

可移动对象34可以是例如心脏、肺、参与呼吸运动的肌肉、血管、冠状动脉、肺动脉和/或其部分。运动可以是例如周期的、循环的、准周期的或准循环的运动。运动数据可以是以下项的组中的至少一个：吸收图像数据、ECG数据、运动传感器数据和视频数据。光栅单元51此处是分析器光栅24。运动探测单元53可以是ECG。在这种情况下，运动探测单元53未被布置在可移动C型臂设备24上。

本发明建议将光栅单元51移动分布在运动的一个周期内或在运动的多个周期上。图4示出了心电图和具有在不同心动周期中的相同运动状态中在不同采样位置中的分析器光栅24的相位衬度设置(左)以及具有针对在相同心动周期中采集的三个不同的投影的不同采样位置中的分析器光栅24的相位衬度设置(右)的示意性表示。图4还示出了恒定定位的相位光栅22和探测器26。

在图4的左侧的范例中，不同采样位置对应于可移动对象34在探测到的运动的不同周期中的一个运动状态。换言之，光栅单元51移动使得各个采样位置对应于不同心动周期中的同一个运动状态。执行所谓的“不同周期方法”，其中，采集心脏的相位衬度投影的序列并且例如并行测量ECG。以以下方式选择相位步进：当采集随后的心动周期中的相同心脏运动状态时，分析器光栅24处于不同采样位置中。然后，基于ECG信息来组合来自在不同心动周期中采集的帧的相位信息。

在图4的右侧的范例中，不同采样位置对应于可移动对象34在探测到的运动的一个周期中的不同运动状态。换言之，光栅单元51移动使得各个采样位置对应于同一个心动周期中的不同运动状态。实现运动校正的相位衬度图像的所谓的“一个周期方法”可以基于在计算相位衬度和暗场图像之前在吸收投影上的基于图像的配准。利用该方法，例如利用不同光栅单元位置的三幅随后采集的图像的序列被用于生成相位图像和暗场图像。可以在心脏周期期间在这些图像之间发生的运动从部分吸收图像来估计并且因此在对最后图像的计算之前被校正。然后基于吸收图像来补偿采样位置之间的心脏的运动。

图5示出了相位衬度和/或暗场成像方法的步骤的示意性概述。所述方法包括以下步骤(不必按此顺序)：

在步骤S1中，探测可移动对象34的运动，并且

在步骤S2中，控制基于可移动对象34的探测到的运动对光栅单元51相对于可移动对象34在不同采样位置中的定位。

相位衬度和/或暗场成像方法允许对移动对象34进行相位衬度和/或暗场成像。可移动对象34可以是例如心脏、肺、参与呼吸运动的肌肉、血管、冠状动脉、肺动脉和/或其部分。运动可以是重复运动。运动可以是例如周期的、循环的、准周期的或准循环的运动。在范例中，可移动对象34的探测到的运动是心动周期或呼吸周期。

在范例中，不同采样位置对应于可移动对象34在探测到的运动的不同周期中的一个运动状态。在另一范例中，不同采样位置对应于可移动对象34在探测到的运动的一个周期中的不同运动状态。

在本发明的另一示范性实施例中，提供了一种计算机程序或一种计算机程序单元，其特征在于适于在适当的系统上运行根据前面的实施例之一所述的方法的方法步骤。

因此，所述计算机程序单元可以被存储在计算机单元上，所述计算机单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行以上描述的方法的步骤或诱发以上描述的方法的步骤的执行。此外，其可以适于操作以上描述的装置的部件。所述计算单元能够适于自动地操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。所述数据处理器由此可以被装备为执行本发明的方法。

本发明的该示范性实施例涵盖从一开始就使用本发明的计算机程序或借助于更新将现有程序转变为使用本发明的程序的计算机程序两者。

更进一步地，所述计算机程序单元能够提供实现如以上所描述的方法的示范性实施例的流程的所有必需步骤。

根据本发明的另一示范性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储在所述计算机可读介质上的计算机程序单元，其中，所述计算机程序单元由前面部分描述。

计算机程序可以存储和/或分布在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的诸如光学存储介质或固态介质的适当的介质上，但是计算机程序也可以以其他的形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程电信系统分布。

然而，所述计算机程序也可以存在于诸如万维网的网络上并能够从这样的网络中下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种用于使得计算机程序单元能够被下载的介质，其中，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的之前描述的实施例之一所述的方法。

必须指出，本发明的实施例参考不同主题加以描述。具体而言，一些实施例参考方法类型的权利要求加以描述，而其他实施例参考设备类型的权利要求加以描述。然而，本领域技术人员将从以上和下面的描述中了解到，除非另行指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为由本申请公开。然而，所有特征能够被组合以提供超过特征的简单加和的协同效应。

尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和从属权利要求，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他单元或步骤，并且，词语“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行权利要求书中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。