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用于微分相襯成像的校正方法

文檔序號:5939269閱讀:202來源:國知局
專利名稱:用于微分相襯成像的校正方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及一種用于基于光柵的X射線微分相襯成像(DPCI)的校正方法以及能夠有利地應(yīng)用于X射線輻射照相術(shù)和層析成像的設(shè)備,用于對要掃描的樣本對象或感興趣解剖區(qū)域進行硬X射線DPCI。更確切地說,所提出的發(fā)明提供了一種適當(dāng)方式,其有助于增強采集的X射線圖像的圖像質(zhì)量,其受到相位纏繞的影響,例如,在Talbot-Lau型干涉儀的探測器平面中,在X射線束在相移分束光柵處發(fā)生衍射之后,所發(fā)射的所述X射線束的所得莫爾干涉圖案中。這種問題被所獲得的DPCI圖像中的噪聲進一步加重,如果所探測X射線圖像中兩個相鄰像素之間的相位改變超過弧度,就會發(fā)生這種問題,這種問題受到對象局部相位梯度上線積分的影響,這種線積分誘發(fā)2 弧度的相位偏移誤差,導(dǎo)致平行于所述線積分方向的顯著線偽影。
背景技術(shù)
X射線輻射照相術(shù)和層析成像是針對多種應(yīng)用的重要方法,例如,體樣本的非破壞性研究、工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量檢查和患者身體內(nèi)部感興趣解剖結(jié)構(gòu)和組織區(qū)域的非侵入性檢查,這是因為硬X射線束的穿透深度非常高,能夠記錄衰減系數(shù)的銳利投影。X射線成像由此產(chǎn)生優(yōu)異的結(jié)果,其中諸如骨骼的高吸收解剖結(jié)構(gòu)嵌入到吸收較弱物質(zhì)的組織中。不過,在檢查吸收截面類似的不同種類組織的情況下(例如,在乳房X射線照相術(shù)或血管造影術(shù)中),X射線的吸收對比度較差。結(jié)果,由于常常難以獲得具有充分大振幅反差的X射線輻射成像或?qū)游龀上駭?shù)據(jù)集,對于某些組織成分而言,在利用當(dāng)前基于醫(yī)院的X射線系統(tǒng)獲得的吸收輻射照片中區(qū)分病理和非病理組織仍然困難。尤其是對于諸如乳房X射線照相術(shù)的醫(yī)療應(yīng)用而言,需要高輻射劑量以提供充分高的對比度與噪聲比,這嚴重地損傷了患者和臨床工作人員的健康。為了克服這些局限,相位成像是弱吸收物質(zhì)輻射成像的有希望的替代技術(shù)。已經(jīng)研究了幾種方法,以從穿過相位目標(biāo)的X射線的相移產(chǎn)生射線照片對比度??梢詫⑦@些方法分為干涉測量方法、使用分析器的技術(shù)和自由空間傳播方法。所有這些方法在所記錄信號的性質(zhì)、實驗設(shè)備和對照射輻射的要求方面大相徑庭。由于相位敏感成像技術(shù)需要空間和/或時間相干性高的X射線,所以它們中的大多數(shù)是結(jié)合晶體或多層光學(xué)系統(tǒng),在同步加速器設(shè)施處實施的,或者它們使用低功率微焦點X射線管。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,要求的空間和時間相干長度13和11通常在約I U m的范圍中?;趥鞑サ姆椒軌蚩朔r間相干性的嚴格要求,根據(jù)Pfeiffer和Weitkamp,已經(jīng)論證,這種方法利用寬能譜能夠很好工作,導(dǎo)致時間相干長度It約為lnm。不過,如這些作者所示,他們?nèi)匀恍枰湫偷目臻g相干長度當(dāng)前僅能夠從微焦點X射線源(相應(yīng)地具有小功率)或同步加速器獲得。到目前為止,這些約束一直阻礙著相位敏感X射線成像的最后突破,使其難以成為醫(yī)療或工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準方法。
硬X射線在物質(zhì)中的彈性散射截面導(dǎo)致穿過感興趣的對象的波發(fā)生相移,這種截面通常遠大于吸收截面。例如,穿過50iim厚的生物組織片的17. 5keV X射線僅衰減百分數(shù)的一小部分,而以弧度為單位的相移接近n。于是,記錄X射線的相移而不是僅僅記錄其吸收有可能顯著提高對比度。采用多種X射線技術(shù)探測樣本的相位對比度,S卩,將其轉(zhuǎn)換成圖像平面中的振幅對比度。一些技術(shù)使用相干硬X射線在相位目標(biāo)邊緣的菲涅耳衍射顯著改善了顯微X射線照相術(shù)中對象的可視性(例如,參見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)。在第一種近似中,獲得的強度分布與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,在某些情況下,從單個顯微照片重構(gòu)相位目標(biāo)(參見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)中介紹,通過對利用位于距樣本不同距離的探測器釆集的圖像系列進行數(shù)值評估,可以獲得任意相位對象的定量信息。測量引入到波前的相移的最靈敏方法是干涉測量法。在大約四十年前U. Bonse和 M. Hart 的文章 “An X-ray interferometer” (Appl. Phys. Lett. 6 (1965))中介紹了在硬X射線范圍中工作的Mach-Zehnder型干涉儀的設(shè)備。它由三個部分透射的布拉格晶體構(gòu)成,所述布拉格晶體被用作分束器和重新組合元件。將入射的光分成兩個獨立分支,其中之一通過樣本,而另一個用作未受干擾的參考光束。兩個光束在干涉儀出口處發(fā)生干涉,給出代表光程差的強度分布,如果對準完美,從而給出對象導(dǎo)致的相移。Ando和Hosoya在七十年代早期利用這種裝置率先進行了相襯成像(參見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),更新近的設(shè)備已產(chǎn)生大量優(yōu)異的相襯圖像和計算機層析照片,例如生物標(biāo)本的圖像,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。主要的技術(shù)難題是對光學(xué)部件機械穩(wěn)定性的極高要求,因為光學(xué)部件的相對位置必須要在晶格常數(shù)幾分之一的范圍內(nèi)穩(wěn)定,即小到亞埃的尺度。因此,Bonse-Hart干涉儀的操控非常困難,尤其是在做得足夠大以研究大樣本時?;诠鈻诺腦射線微分相襯成像(DPCI)給出了用于增強X射線輻射照相或?qū)游鰣D像的對比度的頻繁使用的成像方法,其能夠沿著投影線同時采集對象吸收以及微分相位。這種技術(shù)不需要空間或時間相干的源,在機械方面魯棒,可以增大到大視場,并提供對比度增強的相位敏感成像的所有好處。此外,DPCI與常規(guī)吸收輻射照相術(shù)完全兼容,適用于X射線醫(yī)療成像、工業(yè)非破壞性試驗和使用其他類型低輝度輻射(例如中子輻射)的所有種類的成像應(yīng)用。于是,DPCI提供了可用于對比度增強、材料組成分析或減少劑量的寶貴額外息。最近,Villigen(瑞士)的Paul-Scherrer Institute 小組展示了用于Talbot-Lau型硬X射線成像干涉儀的新DPCI設(shè)備的簡單實現(xiàn),能夠?qū)⑵溆欣赜糜卺t(yī)療成像。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,提出了一種使用微分相襯設(shè)備的光柵干涉儀,可以將其有效地用于利用低輝度多色X射線源檢索定量相位圖像。類似于可見光或軟X射線范圍中的等價方式,可以證明,可以使用兩個光柵,利用來自明亮同步加速福射源的多色X射線進行DPCI。在Pfeiffer和Weitkamp的文章中,描述了使用第三個光柵如何能夠成功針對低輝度X射線源適應(yīng)該方法。這兩位作者提出的設(shè)備由周期
為Po的源光柵Gtl、周期為P1的相移光柵G1 (置于要成像的對象0后方下游方向,充當(dāng)分束器)和周期為P2的吸收光柵G2構(gòu)成(圖Ia和Ib)。源光柵Gtl通??梢詫崿F(xiàn)為具有透射縫的陣列掩模,置于X射線管陽極附近,產(chǎn)生個體相干但相互非相干的源陣列。它有效地允許使用較大(即,平方毫米尺度的)的X射線源,不會對DPCI方法的相關(guān)性要求有影響。每個線源的寬度與源光柵周期Ptl之比Y 0應(yīng)當(dāng)足夠小,以為DPC成像過程提供充分大的空間相干性。更確切地說,對于對應(yīng)于第一 Talbot距離d = P1VS A給出的光柵G1和G2之間的距離d,其中入是所發(fā)射X射線束的波長,需要空間相干長度Is = AVyciPc1S 1,其中I表示光柵Gtl和G1之間的距離。對于周期pi為幾微米的典型值,所需的空間相干長度I s大約為I y m,類似于其他已知方法的要求(參見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,即使對于僅有兩個光柵(G1和G2)的設(shè)備,也不需要平行于光柵刻線方向上的空間相干性,這與基于傳播的方法相反。由于源光柵Gtl可以包含大量的個體孔,每個孔都產(chǎn)生充分相干的虛擬線源,可以有效地使用源尺寸超過平方毫米的標(biāo)準X射線發(fā)生器。為了確保Gtl產(chǎn)生的每個線源都對成像過程有建設(shè)性貢獻,設(shè)備的幾何尺寸應(yīng)當(dāng)滿足條件Ptl = P2 l/d(參見圖lc-e)。重要的是要指出,總的源尺寸w僅決定最終成像分辨率,由wd/1給出。這樣的陣列源使空間分辨率與空間相干性解耦,如果在試驗中可以容忍對應(yīng)的空間分辨率wd/1,能夠使用兩個方向的相干長度都小到Is= Xl/W 10_8m的X射線照射。最后,假設(shè)L彡10_9m的時間相干性是充分大的,可以推論,Pfeiffer和Weitkamp的方法(同上)如果與現(xiàn)有技術(shù)比較,為了進行相位敏感成像,需要的最小相干體積為d。作為光柵Gtl的替代,可以使用結(jié)構(gòu)化源,如J. Baumann等人在EP 1803398A1中所述。在這里,由X射線源空間受限的發(fā)射區(qū)域替代Gtl的孔,例如由X射線管中的結(jié)構(gòu)化陽極表示這種發(fā)射區(qū)域。利用相位光柵G1和吸收光柵G2形成的所得DPC圖像的形成過程類似于已知方法,例如Schlieren成像或衍射增強成像。其實質(zhì)上依賴于如下事實放在X射線束路徑中的相位目標(biāo)導(dǎo)致通過相位目標(biāo)0傳輸?shù)纳涫l(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)(參見圖lb)。DPC成像的基本構(gòu)思取決于在局部探測這些角偏移。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,在相位光柵G1處獲得的偏轉(zhuǎn)角a,從而每個像素位置P (x,y)的強度振蕩的相位直接與對象相移的局部梯度成比例,并可以通過如下方程量化
權(quán)利要求
1.一種借助于電磁波或物質(zhì)波對對象(O)成像的設(shè)備,其中所述對象導(dǎo)致所述電磁波或物質(zhì)波根據(jù)局部折射率改變相位信息,所述設(shè)備包括用于發(fā)射穿透所述對象的所述電磁波或物質(zhì)波的輻射源(S)、用于探測這些電磁波或物質(zhì)波的輻射探測器(D)以及用于在垂直于干涉儀設(shè)備光軸(OA)的至少ー個橫向方向(X)上獲得表不所述對象的局部相位梯度(神(X,y) /5x)的信息的處理模塊(ii P), 其中所述處理模塊(UP)適于 確定噪聲像素的像素位置和/或確定所述局部相位梯度在所探測相位梯度圖像的哪些像素位置超過預(yù)定義閾值并將所有這些像素標(biāo)記為“壞”,對所述局部相位梯度執(zhí)行線積分,從而產(chǎn)生積分相位梯度圖像,分析所述積分相位梯度圖像以用于已標(biāo)記為“壞”的強相位梯度像素后方出現(xiàn)的特性線偽影,并且如果分析表明在通過標(biāo)記為“壞”的像素之后持續(xù)有因為所述線積分誘發(fā)的緊鄰線偽影之間的實測2 相位偏移誤差或其整數(shù)倍的相位偏移誤差,則在每個“壞”像素位置引入2 弧度或其整數(shù)倍的校正相位偏移,以便補償這ー2 Ti相位偏移誤差或其整數(shù)倍的相位偏移誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中所述電磁波由X射線輻射給出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備,包括Talbot-Lau型基于DPCI的光柵干涉儀設(shè)備,用于利用所述干涉儀設(shè)備進行微分相襯成像,所述干涉儀設(shè)備包括 -用于實現(xiàn)空間射束相干性的至少ー個源光柵(Gtl),其被實現(xiàn)為具有周期性調(diào)制的透射的陣列孔掩模并且放在所述輻射源(S)緊后方的下游方向, -至少ー個具有周期性結(jié)構(gòu)的衍射光柵(G1),其充當(dāng)相移分束器,根據(jù)Talbot效應(yīng)產(chǎn)生自成像, -至少ー個分析光柵(G2),其放在所述至少ー個衍射光柵(G1)后方且在所述輻射探測器(D)前方,其中所述輻射探測器包括具有周期性結(jié)構(gòu)化衰減強度的波吸收器,適于對所述至少ー個衍射光柵(G1)進行自成像,以及 -大到足以在所述至少ー個源光柵(Gtl)和所述至少ー個分析光柵(G2)之間任何地方放置要成像的對象(0)的體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備,包括至少ー個致動器模塊(AM),用于沿著垂直于所述光軸(OA)且平行于執(zhí)行相位步進方法時包含(G1)的自成像的周期的至少ー個方向(X)的方向偏移所述光柵(Gc^G1或G2)中的至少ー個,并且還包括控制模塊(UC),用于控制所述致動器模塊,使得所述光柵(Gtl, G1或G2)中的至少ー個根據(jù)所述相位步進方法偏移所述衍射光柵的自成像的周期的預(yù)定義分數(shù)倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備,其中所述至少ー個源光柵(Gtl)被具有與所替換的至少ー個源光柵(Gtl)的孔對應(yīng)的空間調(diào)制強度分布的波源替代或被至少ー個點源的陣列替代,其中“點”表示小到足以滿足空間相干性要求的發(fā)射區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備,其中所述至少ー個源光柵(Gtl)和所述至少ー個分析光柵(G2)都被實現(xiàn)為周期性結(jié)構(gòu),所述周期性結(jié)構(gòu)包括若干平行于第一方向(y)取向的條紋,所述第一方向垂直于所述光軸(OA),用于生成沿垂直于所述第一方向(y)且垂直于所述光軸(OA)的第二方向(X)基本獲得周期性調(diào)制的干涉圖案。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備,其中所述至少ー個源光柵(GO)和所述至少ー個分析光柵(G2)都被實現(xiàn)為由ニ維陣列或柵格結(jié)構(gòu)給出的周期性結(jié)構(gòu),其在至少兩個方向(X和y)上呈現(xiàn)出周期性,所述至少兩個方向垂直于所述光軸(OA),用于生成沿垂直于所述光軸(OA)的至少兩個方向(X和y)基本獲得周期性調(diào)制的干涉圖案。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備,其中利用編碼孔測量所述局部相位梯度(a<t) (x, y) /5x),所述編碼孔的特征是布置在所述輻射源(S)后方的至少兩個結(jié)構(gòu)化波吸收掩模,其中所述至少兩個結(jié)構(gòu)化波吸收掩模的第一掩模提供截面區(qū)域垂直于波束方向且彼此不交疊的多個波束,所述波束任選地穿透要成像的所述對象(0),并且其中所述至少兩個結(jié)構(gòu)化波吸收掩模的第二掩模部分覆蓋所述波束被所述輻射探測器(D)探測之前的每個截面區(qū)域,其中所述第二掩模覆蓋的每個波束的截面區(qū)域,從而所述輻射探測器(D)探測的信號,取決于所述波束的與所述局部相位梯度(X,y)/3x)成比例的偏轉(zhuǎn)。
9.一種用于減小誘發(fā)的相位誤差對借助于電磁波或物質(zhì)波為對象(0)成像的設(shè)備的圖像質(zhì)量的影響的方法,其中所述對象導(dǎo)致所述電磁波或物質(zhì)波根據(jù)局部折射率改變相位信息,所述設(shè)備包括用于發(fā)射穿透所述對象的電磁波或物質(zhì)波的輻射源(S)、用于探測這些電磁波或物質(zhì)波的輻射探測器(D)和用于獲得表示垂直于所述干涉儀設(shè)備光軸(OA)的至少一個橫向方向(X)上的所述對象的局部相位梯度(5 (X,y) / 5x)的信息的處理模塊(y P), 其中所述方法包括如下步驟 確定噪聲像素的像素位置和/或確定所述局部相位梯度在所探測相位梯度圖像的哪些像素位置超過預(yù)定義閾值,并將所有這些像素標(biāo)記為“壞”,在所述局部相位梯度上進行線積分,從而產(chǎn)生積分相位梯度圖像,分析所述積分相位梯度圖像以用于被標(biāo)記為“壞”的強相位梯度像素后方的特性線偽影,并且如果分析表明在通過標(biāo)記為“壞”的像素之后持續(xù)有因為所述線積分誘發(fā)的緊鄰線偽影之間的實測2 相位偏移誤差或其整數(shù)倍的相位偏移誤差,則在每個“壞”像素的位置引入2 弧度或其整數(shù)倍的校正相位偏移,以便補償這一 2 31相位偏移誤差或其整數(shù)倍的相位偏移誤差。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,用于減少誘發(fā)的相位誤差對用于硬X射線相襯成像的Talbot-Lau型基于DPCI的光柵干涉儀設(shè)備的圖像質(zhì)量的影響。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,在探測所探測X射線圖像的干涉圖案之內(nèi)完全被“壞”像素圍繞的圖像區(qū)域的情況下,包括如下步驟通過計算內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域上2相位偏移誤差的平均數(shù)目,并通過應(yīng)用由最佳地配合到兩個所計算平均值的差異的若干2 相位偏移之和給出的整區(qū)域相位校正偏移,估計這個圖像區(qū)域之內(nèi)2 相位偏移誤差相對于這個圖像區(qū)域外部的2 相位偏移誤差數(shù)目的數(shù)目。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,包括如下步驟根據(jù)所述“壞”像素附近的“好”像素的相位偏移內(nèi)插“壞”像素的相位偏移。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法,其中使用可用于吸收圖像的信息對“壞”像素的校正偏移進行更好的估計。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法用于醫(yī)療X射線輻射照相術(shù)、3D旋轉(zhuǎn)血管造影術(shù)或計算層析成像應(yīng)用方案中,以用于增強所采集X射線圖像的圖像質(zhì)量。
15.一種計算機程序,在運行于用于控制根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備的工作站(WS)的集成處理模塊(UP)上時,用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明總體上涉及用于基于光柵的X射線微分相襯成像(DPCI)的校正方法以及能夠有利地應(yīng)用于X射線輻射照相術(shù)和層析成像的設(shè)備,用于對要掃描的樣本對象或感興趣解剖區(qū)域進行X射線DPCI。更確切地說,提出的發(fā)明提供了一種適當(dāng)方式,有助于增強采集的X射線圖像的圖像質(zhì)量,其受到相位纏繞的影響,例如,在Talbot-Lau型干涉儀的探測器平面中,在X射線束在相移分束光柵處衍射之后,所發(fā)射的所述X射線束的所得莫爾干涉圖案中。這種問題被所獲得的DPCI圖像中的噪聲進一步加重,如果所探測X射線圖像中兩個相鄰像素之間的相位改變超過π弧度,就會發(fā)生這種問題,其受到對象局部相位梯度上線積分的影響,這種線積分誘發(fā)2π弧度的相位偏移誤差,導(dǎo)致平行于所述線積分方向的顯著線人為噪聲。
文檔編號G01N23/04GK102802529SQ201080026949
公開日2012年11月28日 申請日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者K·J·恩格爾, D·格勒, G·福格特米爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司
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