专利名称：用于使用多射束成像从具有多色分布的x射线射束检测对象的图像的系统和方法
技术领域：
这里公开的主题涉及X射线成像。更具体而言，这里所公开的主题涉及用于使用多射束成像从具有多色能量分布的X射线射束检测对象的图像的系统和方法。
背景技术：
X射线成像已经用在用于对对象成像的各种领域。例如，X射线成像已经广泛地用在医疗领域，以用于无创检验和X射线计算机断层摄影(CT)。各种其他类型的技术也已经用于医学成像。下面，在本节中概括了一些当前可用的医学成像技术的概要。使用X射线吸收的X射线照相术常规X射线照相术测量对象对透射的X射线的吸收或者衰减。对象中不同衰减提供了能够显示为图像的内在特征的对比度。例如，癌性组织通常出现在常规射线照相术中，因为这些组织比周围非癌性组织密度更大。通常在吸收高的X射线能量处获得最佳吸收对比度。常规射线照相术典型地以较高剂量使用较低X射线能量来执行以允许较大吸收，并且因此允许更好的对比度和图像。使用具有较高能量的X射线通常需要使用较低剂量，因为，这关系到患者的安全性。通常，随着X射线能量级别增加和X射线剂量减小，常规射线照相术图像的质量降低。用于当前一代射线照相成像系统的X射线源使用基于标准阴极/阳极X射线管的设计。X射线管的能量谱和大体输出特性主要是由阳极材料和构造确定的。合适阳极材料的选择主要基于应用，尤其是要进行成像的模态和结构。对于乳房摄影术，最常用的阳极材料是钥，但是也使用铑。钥的大约ISkeV的平均能量提供了用于成像软组织的合适光谱。对于乳房摄影术系统，阳极通常是静止的并且安装在铜块中以减少热量。主要的工程学问题是在阳极中由聚焦电子射束产生的热量。具有静止阳极的X射线管更易于被加热，因为热量移除的主要手段是周围的铜阳极，即使其具有高的热导率。X射线管发展中的进步已经带来了旋转阳极的使用，其旋转使得来自阴极的电子射束不撞击阳极上的相同区域。一直到最近数字检测器的出现，用于射线照相术的主要采集检测方法都是X射线胶片。用于筛查(screening)乳房摄影术的X射线成像已经用于识别早期的乳癌。众所周知，与未经筛查控制的情况相比，在筛查控制下的女人的乳癌死亡率显著降低。当与由乳房物理检查或乳房自我检查所发现的癌变相比时，乳房摄影术趋向于识别更小且更少发展阶段的癌变。更小和更少发展阶段的乳癌的处置带来更好的存活率。很明显地，增强的放射学方法甚至能够用于检测更小和更早期的乳癌。大约10%的临床明显乳癌在由常规乳房摄影术方法产生的图像中是不可见的。此外，典型地，难以使用常规放射学在良性病变和恶性病变之间进行区分。具体而言，利用常规乳房摄影术技术不可见的乳癌更频繁发生在具有相对大量乳腺组织的患者中。乳腺组织的密度趋向于模糊下层病理。为了检测早期癌变，期望增加乳房摄影术的灵敏度以便能够检测更小和更早期的乳癌。更早检测到乳癌可以带来死亡率的显著降低。 在过去的几十年中，乳房摄影技术已经极大地改进。例如，现在存在精细乳房摄影术装备，其具有合适的X射线射束质量、平均乳房压缩和自动曝光控制。然而，常规乳房摄影技术仍然依赖于对X射线吸收的描绘来限定正常和异常组织之间的差异。常规放射学的限制在软骨成像中也是明显的，例如在损伤或退化性关节疾病(例如，骨关节炎)的检测和处置期间。更好的成像技术对于更早，例如在不可逆性损伤点之前，检测这种退化性疾病将是有益的。衍射增强成像(DEI)DEI是一种X射线成像技术，其显著地扩展了常规X射线成像的性能。DEI技术是一种能够从X射线吸收、X射线折射和超小角度散射抑制(消光)生成对比的X射线成像模态。相比之下，常规X射线成像技术仅测量X射线吸收。DEI吸收图像和峰值图像示出了与常规射线照片相同的信息，只是其实际上不受散射退降影响。基于X射线衍射布拉格定律，η λ = 2dsin( θ )，DEI利用完美晶体衍射的布拉格峰来将角度改变转换成强度改变，对于小的角度改变提供大的强度改变。于是DEI非常适合于软组织成像，并且非常有希望用于乳房摄影术。DEI技术已经表现出与常规X射线成像技术相比在对象可视化方面的改进，但是还没有解决扩展可用能量范围以及减小或消除对X射线吸收的需要的可能性。减少或消除X射线吸收在医疗领域中具有重要意义。在X射线射束的路径中使用硅分析器晶体，产生了两个额外形式的图像对比度，X射线折射和消光(超小角度散射抑制)。DEI利用从完美单晶硅通过X射线衍射得到的高度准直的X射线，在此以前，其曾需要高通量和能量范围的同步加速器来生成图像。这些准直的X射线具有单一 X射线能量，实际上是单色的，并且用作对对象成像的射束。具有非常小吸收对比度的对象可以具有相当大的折射和消光对比度，于是改进了可视化并扩展了 X射线成像的功用。DEI技术在生物学和材料科学中的应用在对比度和分辨率两个方面已经产生了显著的收益，表明了其用于主流医学成像的可能性。DEI可能尤其有效的医学领域是用于癌变诊断的乳房成像中，其中，感兴趣的诊断结构通常具有低吸收对比度，使得他们难以看见。诸如从恶性主体延伸的毛刺征的具有低吸收对比度的结构，具有高折射和超小角度散射对比度。期望提供一种具有增加基于X射线的乳房成像的灵敏度和特异性的能力的DEI系统。多种研究已经表明在DEI的医学和工业应用中成像对比度的改进。DEI系统相对于在医疗领域中的常规X射线成像系统的优点包括患者辐射剂量的显著减少和改进的图像质量。剂量减少是由于DEI系统在较高X射线能量工作的能力。X射线吸收是由光电效应z2/e3控制的，其中，z是原子序数并且E是光子能量。直到现在，DEI系统已经要求使用同步加速器来产生初始辐射射束，该射束由用于对对象成像的其他系统部件操控。同步加速器提供了跨宽能量范围的高度准直、高通量X射线射束。同步加速器通过带电粒子在环形轨道中的运动生成辐射，具体地，生成电子，导致光子的释放。同步加速器辐射的独特属性产生了在宽能量范围上的高通量X射线，其能够用于宽范围的应用。
DEI的核心理论是基于X射线衍射的布拉格定律。布拉格定律是通过下列公式限定的η λ = 2dsin ( θ )其中，λ是入射X射线射束的波长，Θ是入射角，d是晶体中的原子层之间的距离，并且η是整数。单能量射线照片包含若干能够影响图像对比度和分辨率的若干分量相干散射分量I。，不相干散射分量I1，和透射分量。X射线通过存在密度变化的对象或介质能够被折射，导致角度偏差。具体地，X射线范围中的偏差源自于沿着射束路径的Pt变化，其中P是密度而t是厚度。入射光子的一部分也可能被对象中的结构衍射，这通常在毫弧度的量级并且被称为小角度散射。这些相互作用的总和构成在射线照片中所记录的强度In，其能够通过如下公式表示In = IE+ID+Ic+Ij系统空间分辨率和对比度将由于相干和不相干散射二者的贡献而退化。抗散射光栅通常用在医学成像中以减少散射的贡献，但是它们的性能是受限的并且使用光栅通常需要较高剂量以补偿强度损失。DEI技术利用在对象后的X射线射束路径中的硅分析器晶体来实际上消除相干和不相干散射二者的影响。硅分析器晶体的窄角度接收窗被称为其摆动曲线，并且对于用在DEI中的X射线能量是在微弧度量级。分析器用作强烈敏感的角过滤器，其能够被用于测量折射和消光对比度二者。消光对比度被定义为由于散射从入射射束损失的强度，其在对比度和分辨率方面能够带来大量改进。达尔文宽度(Darwin width(DW))用于描述反射率曲线，并且大约是反射率曲线的半高全宽。在-1/2DW和+1/2DW处的点是曲线上具有陡峭斜率、对于特定分析器反射和射束能量产生每微弧度最大光子强度变化的点。分析器晶体摆动曲线的峰值处的对比度受X射线吸收和消光控制，导致接近无散射的射线照相。在摆动曲线的斜率最大处，即在-1/2和+1/2DW位置折射对比度最高。一种基于DEI的图像处理技术使用这些点来从这些图像对提取折射和表观吸收的对比度分量。下面的段落描述从图像对提取折射和表观吸收的对比度分量的这种技术。当分析器晶体被设定成表示对于给定反射和射束能量的+/-1/2DW时，摆动曲线的斜率相对连贯并且能够被表示为由下列公式所表示的两项泰勒级数近似R(d0 + Δ.θζ) = R(O0) + — (Θ0)ΑΘΖ
如果分析器晶体被设定到摆动曲线的低角度侧(-1/2DW)，所得的图像强度能够由下列公式表示
权利要求
1.一种用于检测对象的图像的方法，所述方法包括 (a)从非同步加速器X射线源生成第一发散X射线射束，所述第一X射线射束具有多色能量分布； (b)将两个或多个单色仪定位在预定位置以直接截断所述第一X射线射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二发散X射线射束，其中，每个所述单色仪包括ー个或多个晶体； (c)将对象定位在所述第二X射线射束的路径中用于使所述第二 X射线射束透射通过所述对象并且从所述对象发射多个透射的X射线射束； (d)将所述透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体阵列内的对应分析器晶体上；并且 (e)从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测所述对象的图像。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述第一X射线射束具有特征线K a I和K a 2，并且定位两个或多个单色仪以直接截断所述第一 X射线射束包括定位两个或多个单色仪以选择并产生多个第二 X射线射束，每个所述第二 X射线射束包含包括特征线K a I和K a 2的窄能量帯。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，生成所述第一X射线射束包括生成以不同方向从X射线点源扇形发出的多个第一 X射线射束。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，定位两个或多个单色仪包括将所述两个或多个单色仪定位在单ー隔震基座上。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，将对象定位在所述第二X射线射束的路径中包括将所述对象移动通过第一弓形路径；并且 其中，检测所述对象的图像包括通过将检测器移动通过第二弓形路径来在所述检测器接收从所述分析器晶体衍射的多个射束，其中，所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。
6.一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统，所述系统包括 (a)非同步加速器X射线源，其被配置成生成具有多色能量分布的第一发散X射线射束； (b)两个或多个单色仪，其被定位在预定位置以直接截断所述第一X射线射束并产生每个具有预定能量级别的多个第二发散X射线射束用于透射通过对象，其中，每个所述单色仪包括一个或多个晶体； (C)多个分析器晶体，每个被定位成以所述分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及 (d)图像检测器，其被配置成从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一X射线射束具有特征线K a I和K a 2，并且定位所述两个或多个单色仪以选择并产生多个第二 X射线射束，每个所述第二 X射线射束包含包括特征线K a I和K a 2的窄能量带。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述X射线源被配置成生成以不同方向从X射线点源扇形发出的多个第一X射线射束。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述两个或多个单色仪被定位在单ー隔震基座上。
10.根据权利要求6所述的系统，其包括扫描台，待成像的所述对象被定位在所述扫描台上，所述扫描台是可移动的，以将所述对象移动通过第一弓形路径； 其中，所述图像检测器可移动通过第二弓形路径使得所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。
11.一种用于检测对象的图像的方法，所述方法包括 (a)通过生成以不同方向从非同步加速器X射线点源扇形发出的多个X射线射束来生成具有多色能量分布的第一发散X射线射束； (b)将两个或多个单色仪定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并产生每个具有预定能量级别的多个第二发散X射线射束，其中，每个所述单色仪包括一个或多个晶体； (c)将对象定位在所述第二X射线射束的路径中用于使所述第二 X射线射束透射通过所述对象并且从所述对象发射多个透射的X射线射束； (d)将所述透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列上；并且 (e)从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测所述对象的图像。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一X射线射束具有特征线K a I和K a 2，并且将两个或多个单色仪定位在预定位置包括定位两个或多个单色仪以选择并产生多个第二 X射线射束，每个所述第二 X射线射束包含包括特征线K a I和K a 2的窄能量帯。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，定位两个或多个单色仪包括将所述两个或多个单色仪定位在单ー隔震基座上。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，将对象定位在所述第二X射线射束的路径中包括移动所述对象通过第一弓形路径；并且 其中，检测所述对象的图像包括通过以与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同的角速度移动检测器通过第二弓形路径来在所述检测器接收从所述分析器晶体衍射的多个射束。
15.一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统，所述系统包括 (a)X射线管，其被配置成通过生成以不同方向从所述X射线管的X射线点源扇形发出的多个X射线射束来生成具有多色能量分布的第一发散X射线射束； (b)两个或多个单色仪，每个包括ー个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断所述第一 X射线射束使得产生每个具有预定能量级别的多个第二发散X射线射束用于透射通过对象； (c)多个分析器晶体，每个被定位成以所述分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及 (d)图像检测器，其被配置成从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一X射线射束具有特征线KaI和Ka 2，并且所述两个或多个单色仪被定位成选择和产生多个第二 X射线射束，每个所述第二 X射线射束包含包括特征线K a I和K a 2的窄能量带。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述两个或多个单色仪被定位在单ー隔震基座上。
18.根据权利要求15所述的系统，其包括扫描台，待成像的所述对象被定位在所述扫描台上，所述扫描台是可移动的以将所述对象移动通过第一弓形路径； 其中，所述图像检测器可移动通过第二弓形路径使得所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。
19.一种用于检测对象的图像的方法，所述方法包括 (a)从非同步加速器X射线源生成第一X射线射束，所述第一X射线射束具有第一和第ニ特征发射线； (b)将两个或多个单色仪定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并且选择和产生每个具有所述第一和第二特征发射线的多个第二 X射线射束，其中，每个所述单色仪包括一个或多个晶体； (c)选择性地阻挡所述第二X射线射束中的每个的所述第一和第二特征发射线中的一个并且允许所述第二X射线射束中的每个的所述第一和第二特征发射线中未被阻挡的ー个通过； (d)将对象定位在所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线的未被阻挡的那些的路径中用于使所述第二X射线射束的未被阻挡的特征线透射通过所述对象并从所述对象发射多个透射的X射线射束； (e)将所述透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列上；并且 (f)从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测所述对象的图像。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，定位两个或多个单色仪包括将所述两个或多个单色仪定位在单ー隔震基座上。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，将对象定位在所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线的未被阻挡的ー个的路径中包括移动所述对象通过第一弓形路径；并且 其中，检测所述对象的图像包括通过以与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同的角速度移动检测器通过第二弓形路径来在所述检测器接收从所述分析器晶体衍射的多个射束。
22.一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统，所述系统包括 (a)非同步加速器X射线源，其被配置成生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束； (b)两个或多个单色仪，每个包括ー个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断所述第一 X射线射束并且选择和产生每个具有所述第一和第二特征发射线的多个第二 X射线射束； (c)准直器，其具有可调节的狭缝，用于选择性地阻挡所述第二X射线射束中的每个的所述第一和第二特征发射线中的一个并且允许所述第二X射线射束中的每个的所述第一和第二特征发射线的未被阻挡的ー个通过，用于透射通过对象； (d)多个分析器晶体，每个被定位成以所述分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及 (e)图像检测器，其被配置成从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述两个或多个单色仪被定位在单ー隔震基座上。
24.根据权利要求22所述的系统，其包括扫描台，待成像的所述对象被定位在所述扫描台上，所述扫描台是可移动的，以移动所述对象通过第一弓形路径； 其中，所述图像检测器可移动通过第二弓形路径使得所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。
25.一种用于检测对象的图像的方法，所述方法包括 (a)从非同步加速器X射线源生成第一X射线射束，所述第一X射线射束具有第一和第ニ特征发射线； (b)将多个单色仪定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并且选择和产生每个具有所述第一和第二特征发射线的多个第二 X射线射束，其中每个所述单色仪包括一个或多个晶体； (c)将对象定位在所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线的路径中用于使所述第二 X射线射束的所述第一和第二特征发射线透射通过所述对象并且从所述对象发射多个透射的X射线射束； (d)将所述透射的X射线射束中的每个以一入射角指向到分析器晶体的对应阵列；以及 (e)从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测所述对象的图像。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，定位多个单色仪包括将所述多个单色仪定位在单ー隔震基座上。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，将对象定位在所述第二X射线射束的所述第一和第二特征发射线的路径中包括移动所述对象通过第一弓形路径；并且 其中，检测所述对象的图像包括通过以与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同的角速度移动检测器通过第二弓形路径来在所述检测器接收从所述分析器晶体衍射的多个射束。
28.一种用于检测对象的图像的多射束衍射增强成像系统，所述系统包括 (a)非同步加速器X射线源，其被配置成生成具有第一和第二特征发射线的第一X射线射束； (b)多个单色仪，每个包括ー个或多个晶体，每个单色仪被定位在预定位置以截断所述第一X射线射束并且选择和产生每个具有所述第一和第二特征发射线的多个第二X射线射束，用于透射通过对象； (c)多个分析器晶体，每个被定位成以所述分析器晶体的入射角截断透射的X射线射束；以及 (d)图像检测器，其被配置成从由所述分析器晶体衍射的多个射束检测对象的图像。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述多个单色仪被定位在在单ー隔震基座上。
30.根据权利要求28所述的系统，其包括扫描台，待成像的所述对象被定位在所述扫描台上，所述扫描台可移动，以移动所述对象通过第一弓形路径； 其中，所述图像检测器可移动通过第二弓形路径使得所述检测器移动通过所述第二弓形路径的角速度与所述对象移动通过所述第一弓形路径的角速度基本相同。
全文摘要
公开了一种用于使用多射束成像系统从具有多色能量分布的X射线射束检测对象的图像的系统和方法。根据一个方面，一种方法可以包括生成具有多色能量分布的第一X射线射束。此外，该方法可以包括将多个单色仪晶体定位在预定位置以直接截断第一X射线射束使得产生具有预定能量级别的多个第二X射线射束。此外，可以将对象定位在第二X射线射束的路径中用于使第二X射线射束透射通过对象并且将其从对象发射作为透射的X射线射束。透射的X射线射束中的每个可以被以一入射角指向到一个或多个晶体分析器上。此外，可以从由分析器晶体衍射的射束检测对象的图像。
文档编号G01N23/04GK102625910SQ200980155833
公开日2012年8月1日 申请日期2009年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者C·帕勒姆, E·皮萨诺, Z·钟, 小D·M·康纳 申请人:北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校, 布鲁克海文科学协会, 耐克斯特雷有限公司