专利名称：用于微分相衬成像的校正方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于基于光栅的X射线微分相衬成像(DPCI)的校正方法以及能够有利地应用于X射线辐射照相术和层析成像的设备，用于对要扫描的样本对象或感兴趣解剖区域进行硬X射线DPCI。更确切地说，所提出的发明提供了一种适当方式，其有助于增强采集的X射线图像的图像质量，其受到相位缠绕的影响，例如，在Talbot-Lau型干涉仪的探测器平面中，在X射线束在相移分束光栅处发生衍射之后，所发射的所述X射线束的所得莫尔干涉图案中。这种问题被所获得的DPCI图像中的噪声进一步加重，如果所探测X射线图像中两个相邻像素之间的相位改变超过弧度，就会发生这种问题，这种问题受到对象局部相位梯度上线积分的影响，这种线积分诱发2 弧度的相位偏移误差，导致平行于所述线积分方向的显著线伪影。
背景技术：
X射线辐射照相术和层析成像是针对多种应用的重要方法，例如，体样本的非破坏性研究、工业产品的质量检查和患者身体内部感兴趣解剖结构和组织区域的非侵入性检查，这是因为硬X射线束的穿透深度非常高，能够记录衰减系数的锐利投影。X射线成像由此产生优异的结果，其中诸如骨骼的高吸收解剖结构嵌入到吸收较弱物质的组织中。不过，在检查吸收截面类似的不同种类组织的情况下(例如，在乳房X射线照相术或血管造影术中)，X射线的吸收对比度较差。结果，由于常常难以获得具有充分大振幅反差的X射线辐射成像或层析成像数据集，对于某些组织成分而言，在利用当前基于医院的X射线系统获得的吸收辐射照片中区分病理和非病理组织仍然困难。尤其是对于诸如乳房X射线照相术的医疗应用而言，需要高辐射剂量以提供充分高的对比度与噪声比，这严重地损伤了患者和临床工作人员的健康。为了克服这些局限，相位成像是弱吸收物质辐射成像的有希望的替代技术。已经研究了几种方法，以从穿过相位目标的X射线的相移产生射线照片对比度。可以将这些方法分为干涉测量方法、使用分析器的技术和自由空间传播方法。所有这些方法在所记录信号的性质、实验设备和对照射辐射的要求方面大相径庭。由于相位敏感成像技术需要空间和/或时间相干性高的X射线，所以它们中的大多数是结合晶体或多层光学系统，在同步加速器设施处实施的，或者它们使用低功率微焦点X射线管。如F. Pfeiffer, T. Weitkamp等人的文章“Phase retrieval and differential Phase-contrast imaging withlow-briIliance X-ray sources，，(Nature Physics,vol. 2,No. 4,2006,pp. 258-261,March2006，ISSN :1745-2473)中所述，要求的空间和时间相干长度13和11通常在约I U m的范围中。基于传播的方法能够克服对时间相干性的严格要求，根据Pfeiffer和Weitkamp,已经论证，这种方法利用宽能谱能够很好工作，导致时间相干长度It约为lnm。不过，如这些作者所示，他们仍然需要典型的空间相干长度当前仅能够从微焦点X射线源(相应地具有小功率)或同步加速器获得。到目前为止，这些约束一直阻碍着相位敏感X射线成像的最后突破，使其难以成为医疗或工业应用的标准方法。
硬X射线在物质中的弹性散射截面导致穿过感兴趣的对象的波发生相移，这种截面通常远大于吸收截面。例如，穿过50iim厚的生物组织片的17. 5keV X射线仅衰减百分数的一小部分，而以弧度为单位的相移接近n。于是，记录X射线的相移而不是仅仅记录其吸收有可能显著提高对比度。采用多种X射线技术探测样本的相位对比度，S卩，将其转换成图像平面中的振幅对比度。一些技术使用相干硬X射线在相位目标边缘的菲涅耳衍射显著改善了显微X射线照相术中对象的可视性(例如，参见Snigirev，I.等人“Onthe possibilities of X-ray phase contrast microimaging by coherent high-energysynchrotron radiation”，Rev. Sci. Instrum. 66(1995)，pp. 5486-5492)。在第一种近似中，获得的强度分布与折射率分布的拉普拉斯算子成比例，例如，如P. Cloetens等人的文章“Observation of microstructure and damage in materials by phase sensitiveradiography and tomography” (J. Appl. Phys. 81 (1997)，pp. 5878-5886)中所述，在某些情况下，从单个显微照片重构相位目标(参见Nugent，K. A.等人，“Quantitative phaseimaging using hard X-rays”，Phys. Rev. Lett. 77 (1996), pp. 2961-2964)是可能的。在
P. Cloetens，W. Ludwig 等人的 “Hard X-ray phase imaging using simple propagationof a coherent synchrotron radiation beam，，(J. Phys.，D. 32 (1999)，pp. A145-A151)中介绍，通过对利用位于距样本不同距离的探测器釆集的图像系列进行数值评估，可以获得任意相位对象的定量信息。测量引入到波前的相移的最灵敏方法是干涉测量法。在大约四十年前U. Bonse和 M. Hart 的文章 “An X-ray interferometer” (Appl. Phys. Lett. 6 (1965))中介绍了在硬X射线范围中工作的Mach-Zehnder型干涉仪的设备。它由三个部分透射的布拉格晶体构成，所述布拉格晶体被用作分束器和重新组合元件。将入射的光分成两个独立分支，其中之一通过样本，而另一个用作未受干扰的参考光束。两个光束在干涉仪出口处发生干涉，给出代表光程差的强度分布，如果对准完美，从而给出对象导致的相移。Ando和Hosoya在七十年代早期利用这种装置率先进行了相衬成像(参见M. Ando和S. Hosoya,in G. Shinoda，K. Kohra，T. Ichinokawa (Eds.)，Proc. 6th Intern. Conf. On X-ray Opticsand Microanalysis, “Observation of Antiferromagnetic Domains in Chromium byX-ray Topography”，Univ. of Tokyo Press, Tokyo，1972，pp. 63-68)，更新近的设备已产生大量优异的相衬图像和计算机层析照片，例如生物标本的图像，例如，在A. Momose等人的文章uPhase-contrast X-ray computed tomography for observing biologicalspecimens and organic materials” (Rev. Sci. Instrum. 66 (1995)，pp. 1434-1436)中以及在 F. Beckmann 等人的文章 “Three-dimensional imaging of nerve tissue by X-rayPhase-contrast microtomography，，(Biophys. J. 76 (1999)，pp. 98-102)中所述。主要的技术难题是对光学部件机械稳定性的极高要求，因为光学部件的相对位置必须要在晶格常数几分之一的范围内稳定，即小到亚埃的尺度。因此，Bonse-Hart干涉仪的操控非常困难，尤其是在做得足够大以研究大样本时。基于光栅的X射线微分相衬成像(DPCI)给出了用于增强X射线辐射照相或层析图像的对比度的频繁使用的成像方法，其能够沿着投影线同时采集对象吸收以及微分相位。这种技术不需要空间或时间相干的源，在机械方面鲁棒，可以增大到大视场，并提供对比度增强的相位敏感成像的所有好处。此外，DPCI与常规吸收辐射照相术完全兼容，适用于X射线医疗成像、工业非破坏性试验和使用其他类型低辉度辐射(例如中子辐射)的所有种类的成像应用。于是，DPCI提供了可用于对比度增强、材料组成分析或减少剂量的宝贵额外息。最近，Villigen(瑞士)的Paul-Scherrer Institute 小组展示了用于Talbot-Lau型硬X射线成像干涉仪的新DPCI设备的简单实现，能够将其有利地用于医疗成像。在 F. Pfeiffer, T. Weitkamp 等人的文章 “Phase retrieval and differentialPhase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources，， (Nature Physics,vol. 2，No. 4，2006，pp. 258-261, March 2006，ISSN :1745-2473)中，提出了一种使用微分相衬设备的光栅干涉仪，可以将其有效地用于利用低辉度多色X射线源检索定量相位图像。类似于可见光或软X射线范围中的等价方式，可以证明，可以使用两个光栅，利用来自明亮同步加速福射源的多色X射线进行DPCI。在Pfeiffer和Weitkamp的文章中，描述了使用第三个光栅如何能够成功针对低辉度X射线源适应该方法。这两位作者提出的设备由周期
为Po的源光栅Gtl、周期为P1的相移光栅G1 (置于要成像的对象0后方下游方向，充当分束器)和周期为P2的吸收光栅G2构成(图Ia和Ib)。源光栅Gtl通常可以实现为具有透射缝的阵列掩模，置于X射线管阳极附近，产生个体相干但相互非相干的源阵列。它有效地允许使用较大(即，平方毫米尺度的)的X射线源，不会对DPCI方法的相关性要求有影响。每个线源的宽度与源光栅周期Ptl之比Y 0应当足够小，以为DPC成像过程提供充分大的空间相干性。更确切地说，对于对应于第一 Talbot距离d = P1VS A给出的光栅G1和G2之间的距离d，其中入是所发射X射线束的波长，需要空间相干长度Is = AVyciPc1S 1，其中I表示光栅Gtl和G1之间的距离。对于周期pi为几微米的典型值，所需的空间相干长度I s大约为I y m,类似于其他已知方法的要求(参见F. Pfeiffer, T. Weitkamp等人的文章
“Phase retrieval and differential Phase-contrast imaging With low-brillianceX-ray sources”，(Nature Physics, vol. 2, No. 4,2006, pp.258-261, March2006, ISSN 1745-2473))。重要的是要指出，即使对于仅有两个光栅(G1和G2)的设备，也不需要平行于光栅刻线方向上的空间相干性，这与基于传播的方法相反。由于源光栅Gtl可以包含大量的个体孔，每个孔都产生充分相干的虚拟线源，可以有效地使用源尺寸超过平方毫米的标准X射线发生器。为了确保Gtl产生的每个线源都对成像过程有建设性贡献，设备的几何尺寸应当满足条件Ptl = P2 l/d(参见图lc-e)。重要的是要指出，总的源尺寸w仅决定最终成像分辨率，由wd/1给出。这样的阵列源使空间分辨率与空间相干性解耦，如果在试验中可以容忍对应的空间分辨率wd/1，能够使用两个方向的相干长度都小到Is= Xl/W 10_8m的X射线照射。最后，假设L彡10_9m的时间相干性是充分大的，可以推论，Pfeiffer和Weitkamp的方法(同上)如果与现有技术比较，为了进行相位敏感成像，需要的最小相干体积为d。作为光栅Gtl的替代，可以使用结构化源，如J. Baumann等人在EP 1803398A1中所述。在这里，由X射线源空间受限的发射区域替代Gtl的孔，例如由X射线管中的结构化阳极表示这种发射区域。利用相位光栅G1和吸收光栅G2形成的所得DPC图像的形成过程类似于已知方法，例如Schlieren成像或衍射增强成像。其实质上依赖于如下事实放在X射线束路径中的相位目标导致通过相位目标0传输的射束发生轻微偏转(参见图lb)。DPC成像的基本构思取决于在局部探测这些角偏移。如F. Pfeiffer, C. Kottler等人在“Hard X-ray phasetomography with low-brilliance sources”(Physical Review Letters,2007, vol. 98,Article ID 108105)中所述，在相位光栅G1处获得的偏转角a，从而每个像素位置P (x，y)的强度振荡的相位直接与对象相移的局部梯度成比例，并可以通过如下方程量化
权利要求
1.一种借助于电磁波或物质波对对象(O)成像的设备，其中所述对象导致所述电磁波或物质波根据局部折射率改变相位信息，所述设备包括用于发射穿透所述对象的所述电磁波或物质波的辐射源(S)、用于探测这些电磁波或物质波的辐射探測器(D)以及用于在垂直于干涉仪设备光轴(OA)的至少ー个横向方向(X)上获得表不所述对象的局部相位梯度(神(X，y) /5x)的信息的处理模块(ii P)， 其中所述处理模块(UP)适于 确定噪声像素的像素位置和/或确定所述局部相位梯度在所探測相位梯度图像的哪些像素位置超过预定义阈值并将所有这些像素标记为“坏”，对所述局部相位梯度执行线积分，从而产生积分相位梯度图像，分析所述积分相位梯度图像以用于已标记为“坏”的强相位梯度像素后方出现的特性线伪影，并且如果分析表明在通过标记为“坏”的像素之后持续有因为所述线积分诱发的紧邻线伪影之间的实测2 相位偏移误差或其整数倍的相位偏移误差，则在每个“坏”像素位置引入2 弧度或其整数倍的校正相位偏移，以便补偿这ー2 Ti相位偏移误差或其整数倍的相位偏移误差。
2.根据权利要求I所述的设备，其中所述电磁波由X射线辐射给出。
3.根据权利要求2所述的设备，包括Talbot-Lau型基于DPCI的光栅干涉仪设备，用于利用所述干涉仪设备进行微分相衬成像，所述干涉仪设备包括 -用于实现空间射束相干性的至少ー个源光栅(Gtl)，其被实现为具有周期性调制的透射的阵列孔掩模并且放在所述辐射源(S)紧后方的下游方向， -至少ー个具有周期性结构的衍射光栅(G1)，其充当相移分束器，根据Talbot效应产生自成像， -至少ー个分析光栅(G2),其放在所述至少ー个衍射光栅(G1)后方且在所述辐射探測器(D)前方，其中所述辐射探測器包括具有周期性结构化衰减强度的波吸收器，适于对所述至少ー个衍射光栅(G1)进行自成像，以及 -大到足以在所述至少ー个源光栅(Gtl)和所述至少ー个分析光栅(G2)之间任何地方放置要成像的对象(0)的体积。
4.根据权利要求3所述的设备，包括至少ー个致动器模块(AM)，用于沿着垂直于所述光轴(OA)且平行于执行相位步进方法时包含(G1)的自成像的周期的至少ー个方向(X)的方向偏移所述光栅(Gc^G1或G2)中的至少ー个，并且还包括控制模块(UC)，用于控制所述致动器模块，使得所述光栅(Gtl, G1或G2)中的至少ー个根据所述相位步进方法偏移所述衍射光栅的自成像的周期的预定义分数倍。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述至少ー个源光栅(Gtl)被具有与所替换的至少ー个源光栅(Gtl)的孔对应的空间调制強度分布的波源替代或被至少ー个点源的阵列替代，其中“点”表示小到足以满足空间相干性要求的发射区域。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述至少ー个源光栅(Gtl)和所述至少ー个分析光栅(G2)都被实现为周期性结构，所述周期性结构包括若干平行于第一方向(y)取向的条纹，所述第一方向垂直于所述光轴(OA)，用于生成沿垂直于所述第一方向(y)且垂直于所述光轴(OA)的第二方向(X)基本获得周期性调制的干涉图案。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述至少ー个源光栅(GO)和所述至少ー个分析光栅(G2)都被实现为由ニ维阵列或栅格结构给出的周期性结构，其在至少两个方向(X和y)上呈现出周期性，所述至少两个方向垂直于所述光轴(OA)，用于生成沿垂直于所述光轴(OA)的至少两个方向(X和y)基本获得周期性调制的干涉图案。
8.根据权利要求2所述的设备，其中利用编码孔测量所述局部相位梯度(a<t) (x, y) /5x)，所述编码孔的特征是布置在所述辐射源(S)后方的至少两个结构化波吸收掩模，其中所述至少两个结构化波吸收掩模的第一掩模提供截面区域垂直于波束方向且彼此不交叠的多个波束，所述波束任选地穿透要成像的所述对象(0)，并且其中所述至少两个结构化波吸收掩模的第二掩模部分覆盖所述波束被所述辐射探测器(D)探测之前的每个截面区域，其中所述第二掩模覆盖的每个波束的截面区域，从而所述辐射探测器(D)探测的信号，取决于所述波束的与所述局部相位梯度(X，y)/3x)成比例的偏转。
9.一种用于减小诱发的相位误差对借助于电磁波或物质波为对象(0)成像的设备的图像质量的影响的方法，其中所述对象导致所述电磁波或物质波根据局部折射率改变相位信息，所述设备包括用于发射穿透所述对象的电磁波或物质波的辐射源(S)、用于探测这些电磁波或物质波的辐射探测器(D)和用于获得表示垂直于所述干涉仪设备光轴(OA)的至少一个横向方向(X)上的所述对象的局部相位梯度(5 (X，y) / 5x)的信息的处理模块(y P)， 其中所述方法包括如下步骤 确定噪声像素的像素位置和/或确定所述局部相位梯度在所探测相位梯度图像的哪些像素位置超过预定义阈值，并将所有这些像素标记为“坏”，在所述局部相位梯度上进行线积分，从而产生积分相位梯度图像，分析所述积分相位梯度图像以用于被标记为“坏”的强相位梯度像素后方的特性线伪影，并且如果分析表明在通过标记为“坏”的像素之后持续有因为所述线积分诱发的紧邻线伪影之间的实测2 相位偏移误差或其整数倍的相位偏移误差，则在每个“坏”像素的位置引入2 弧度或其整数倍的校正相位偏移，以便补偿这一 2 31相位偏移误差或其整数倍的相位偏移误差。
10.根据权利要求9所述的方法，用于减少诱发的相位误差对用于硬X射线相衬成像的Talbot-Lau型基于DPCI的光栅干涉仪设备的图像质量的影响。
11.根据权利要求10所述的方法，在探测所探测X射线图像的干涉图案之内完全被“坏”像素围绕的图像区域的情况下，包括如下步骤通过计算内部区域和外部区域上2相位偏移误差的平均数目，并通过应用由最佳地配合到两个所计算平均值的差异的若干2 相位偏移之和给出的整区域相位校正偏移，估计这个图像区域之内2 相位偏移误差相对于这个图像区域外部的2 相位偏移误差数目的数目。
12.根据权利要求11所述的方法，包括如下步骤根据所述“坏”像素附近的“好”像素的相位偏移内插“坏”像素的相位偏移。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使用可用于吸收图像的信息对“坏”像素的校正偏移进行更好的估计。
14.根据权利要求9所述的方法用于医疗X射线辐射照相术、3D旋转血管造影术或计算层析成像应用方案中，以用于增强所采集X射线图像的图像质量。
15.一种计算机程序，在运行于用于控制根据权利要求I所述的设备的工作站(WS)的集成处理模块(UP)上时，用于执行根据权利要求9所述的方法。
全文摘要
本发明总体上涉及用于基于光栅的X射线微分相衬成像(DPCI)的校正方法以及能够有利地应用于X射线辐射照相术和层析成像的设备，用于对要扫描的样本对象或感兴趣解剖区域进行X射线DPCI。更确切地说，提出的发明提供了一种适当方式，有助于增强采集的X射线图像的图像质量，其受到相位缠绕的影响，例如，在Talbot-Lau型干涉仪的探测器平面中，在X射线束在相移分束光栅处衍射之后，所发射的所述X射线束的所得莫尔干涉图案中。这种问题被所获得的DPCI图像中的噪声进一步加重，如果所探测X射线图像中两个相邻像素之间的相位改变超过π弧度，就会发生这种问题，其受到对象局部相位梯度上线积分的影响，这种线积分诱发2π弧度的相位偏移误差，导致平行于所述线积分方向的显著线人为噪声。
文档编号G01N23/04GK102802529SQ201080026949
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月10日 优先权日2009年6月16日
发明者K·J·恩格尔, D·格勒, G·福格特米尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司