專(zhuān)利名稱(chēng)：X射線(xiàn)成像裝置和x射線(xiàn)成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及χ射線(xiàn)成像裝置和χ射線(xiàn)成像方法。
背景技術(shù)：
由于X射線(xiàn)具有高的物質(zhì)透過(guò)性并且可以用高的空間分辨率執(zhí)行成像，因此，例如，X射線(xiàn)在工業(yè)用途中被用于物體的非破壞性檢查，以及在醫(yī)療用途中用于放射線(xiàn)照相 (radiography)。在這些情況下，根據(jù)物質(zhì)或活體的構(gòu)成元素或者由于物質(zhì)或活體的密度差，通過(guò)利用當(dāng)X射線(xiàn)透射通過(guò)物質(zhì)或活體時(shí)物質(zhì)或活體的X射線(xiàn)吸收系數(shù)的差來(lái)形成對(duì)比度圖像。這種成像方法被稱(chēng)為X射線(xiàn)吸收對(duì)比度方法。但是，輕元素以非常少的量吸收 X射線(xiàn)。難以通過(guò)X射線(xiàn)吸收對(duì)比度方法來(lái)對(duì)由作為活體的構(gòu)成元素的碳、氫、氧等構(gòu)成的活體軟組織或軟材料進(jìn)行成像。與此相反，作為用于清楚地對(duì)甚至由輕元素構(gòu)成的組織進(jìn)行成像的方法，自19世紀(jì)90年代以來(lái)研究了使用X射線(xiàn)的相位差的X射線(xiàn)相位對(duì)比度方法。開(kāi)發(fā)了大量的X射線(xiàn)相位對(duì)比度方法。這些方法中的一個(gè)可以是作為能夠使用常規(guī)的X射線(xiàn)管的方法的使用Talbot干涉的X射線(xiàn)相位對(duì)比度方法(專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中描述的使用Talbot干涉的方法包括產(chǎn)生X射線(xiàn)的X射線(xiàn)管、調(diào)制 X射線(xiàn)的相位并且產(chǎn)生干涉強(qiáng)度分布的相位光柵、將干涉強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變成波紋(Moir6)的強(qiáng)度分布的吸收光柵和檢測(cè)干涉強(qiáng)度分布的X射線(xiàn)檢測(cè)器。在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中所描述的方法中，通過(guò)沿光柵周期的方向掃描吸收光柵來(lái)執(zhí)行成像。通過(guò)該掃描，被檢測(cè)的波紋移動(dòng)。當(dāng)掃描長(zhǎng)度達(dá)到吸收光柵的一個(gè)周期時(shí)，波紋的圖像恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。通過(guò)在掃描期間使用圖像數(shù)據(jù)的至少三個(gè)圖像來(lái)執(zhí)行算術(shù)處理，并由此獲取微分相位圖像。引用列表專(zhuān)利文獻(xiàn)PTL 1 美國(guó)專(zhuān)利 No. 7180979

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中描述的方法通過(guò)對(duì)于至少三個(gè)圖像執(zhí)行成像來(lái)獲取微分相位圖像，并且從微分相位圖像計(jì)算相位圖像。由于專(zhuān)利文獻(xiàn)1中描述的方法必須對(duì)于至少三個(gè)圖像執(zhí)行成像，因此，如果被檢體在成像期間移動(dòng)，那么圖像質(zhì)量會(huì)劣化。而且，如果用于成像的時(shí)間段增加，那么對(duì)于被檢體的X射線(xiàn)劑量增加。這對(duì)于醫(yī)療用途來(lái)說(shuō)是不希望的。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供可至少通過(guò)單個(gè)成像操作獲取被檢體的微分相位圖像或相位圖像的X射線(xiàn)成像裝置和X射線(xiàn)成像方法。
問(wèn)題的解決方案根據(jù)本發(fā)明的X射線(xiàn)成像裝置包括X射線(xiàn)源；相位光柵，用于透射來(lái)自X射線(xiàn)源的X射線(xiàn)并通過(guò)Talbot效應(yīng)形成干涉強(qiáng)度分布；吸收光柵，用于部分遮蔽由相位光柵形成的干涉強(qiáng)度分布并產(chǎn)生波紋；檢測(cè)器用于檢測(cè)由吸收光柵產(chǎn)生的波紋的強(qiáng)度分布；和算術(shù)單元，用于根據(jù)由檢測(cè)器檢測(cè)的波紋的強(qiáng)度分布來(lái)將被檢體的信息成像并輸出該信息。算術(shù)單元執(zhí)行包含以下的步驟的處理傅立葉變換步驟，用于對(duì)于由檢測(cè)器獲取的波紋的強(qiáng)度分布執(zhí)行傅立葉變換并獲取空間頻率譜；以及相位恢復(fù)步驟，用于使與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜與在傅立葉變換步驟中獲取的空間頻率譜分離，對(duì)于所分離的譜執(zhí)行逆傅立葉變換以及獲取微分相位圖像。本發(fā)明的有益效果通過(guò)本發(fā)明，可以提供可至少通過(guò)單個(gè)成像操作獲取被檢體的微分相位圖像或相位圖像的X射線(xiàn)成像裝置和X射線(xiàn)成像方法。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的X射線(xiàn)成像裝置的說(shuō)明圖。圖2提供根據(jù)本發(fā)明的第二和第三實(shí)施例的二維相位光柵的說(shuō)明圖。圖3提供根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例的二維相位光柵的說(shuō)明圖。圖4示出干涉強(qiáng)度分布的譜圖案。圖5示出使用二維相位光柵時(shí)的波紋的強(qiáng)度分布和譜圖案。圖6是根據(jù)本發(fā)明的由算術(shù)單元執(zhí)行的分析方法的流程圖的說(shuō)明圖。圖7提供根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的波紋的強(qiáng)度分布和空間頻率譜的說(shuō)明圖。圖8提供根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的波紋的強(qiáng)度分布和空間頻率譜的說(shuō)明圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的變焦機(jī)構(gòu)的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式(第一實(shí)施例)圖1示出使用Talbot干涉的X射線(xiàn)成像裝置的示例性配置。將詳細(xì)描述通過(guò)使用X射線(xiàn)成像裝置獲取相位圖像的過(guò)程。(X射線(xiàn)源)由X射線(xiàn)源110產(chǎn)生的X射線(xiàn)111透射通過(guò)被檢體120。當(dāng)X射線(xiàn)111透射通過(guò)被檢體120時(shí)，X射線(xiàn)111的相位改變并且X射線(xiàn)111根據(jù)被檢體120的成分、形狀等被吸收。X射線(xiàn)可以是連續(xù)X射線(xiàn)或特性X射線(xiàn)。在從約0.1人~ 5人的范圍中選擇X射線(xiàn)的波長(zhǎng)?？稍赬射線(xiàn)源110的下游設(shè)置波長(zhǎng)選擇過(guò)濾器和/或源用光柵。(相位光柵)透射通過(guò)被檢體120的X射線(xiàn)111透射通過(guò)相位光柵130。然后，X射線(xiàn)111通過(guò) Talbot效應(yīng)形成干涉強(qiáng)度分布140。相位光柵130被布置在被檢體120的上游或下游。相位光柵130包含通過(guò)周期性改變X射線(xiàn)透射部件的厚度形成的相位超前部分131和相位滯后部分132。可以形成相位超前部分131和相位滯后部分132，使得透射通過(guò)相位超前部分131的X射線(xiàn)的相位與透射通過(guò)相位滯后部分132的X射線(xiàn)的相位不同。例如，透射通過(guò)相位超前部分131的X射線(xiàn)的相位相對(duì)于透射通過(guò)相位滯后部分132的X射線(xiàn)的相位超前η。由要被使用的X射線(xiàn)的波長(zhǎng)和部件確定厚度的變化量。相位光柵130 —般相對(duì)于透射通過(guò)相位滯后部分132的X射線(xiàn)的相位將透射通過(guò)相位超前部分131的X射線(xiàn)的相位調(diào)制π或π/2。前一種光柵可被稱(chēng)為π相位光柵，后一種光柵可被稱(chēng)為η/2相位光柵。相位的調(diào)制量只需要是周期性的。例如，調(diào)制可以為 π/3調(diào)制。相位光柵130可具有一維線(xiàn)性形狀。作為替代方案，相位光柵130可具有圖2(A) 所示的二維棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(checker board designed pattern) 0作為另一替代方案，相位光柵130可具有圖2 (B)所示的格柵狀圖案。參照?qǐng)D2，附圖標(biāo)記d表示周期，201表示二維相位光柵，210表示相位超前部分，220表示相位滯后部分。各相位超前部分210或各相位滯后部分220的形狀在圖2(A)和圖2(B)中為正方形，但是，其外邊緣可通過(guò)制造變形為圓形形狀。即使當(dāng)形狀變形為圓形形狀時(shí)，變形的部分也可被用作相位光柵。如果相位光柵130具有一維周期，那么獲取僅沿被檢體120的一維方向的相位梯度信息。相反，如果相位光柵130具有二維周期，那么可以獲取沿二維方向的相位梯度信息，這是有利的。相位光柵130的材料希望為透射X射線(xiàn)的物質(zhì)。例如，材料可以為硅。在X射線(xiàn)透射通過(guò)相位光柵130之后形成的干涉強(qiáng)度分布最明顯地在當(dāng)&為從X 射線(xiàn)源到相位光柵130的距離并且&為從相位光柵130到吸收光柵150的距離時(shí)距離Z1 滿(mǎn)足下式(1)的位置上。這里，“干涉強(qiáng)度分布”是反映相位光柵130的光柵周期的周期性強(qiáng)度分布。在式(1)中，λ是X射線(xiàn)的波長(zhǎng)并且d是相位光柵130的光柵周期。值N根據(jù)相位光柵的形式改變，并且為可如下表示的實(shí)數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，值η是自然數(shù)。一維陣列中的π相位光柵Ν = η/4-1/8一維陣列中的π /2相位光柵N = η-1/2二維陣列中的具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案的π相位光柵Ν = η/4-1/8二維的具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案的π /2相位光柵Ν = η/2-1/4(吸收光柵)干涉強(qiáng)度分布的周期一般比X射線(xiàn)檢測(cè)器170的像素尺寸小。由此，不能在該狀態(tài)中檢測(cè)干涉強(qiáng)度分布。因此，使用吸收光柵150以產(chǎn)生具有比X射線(xiàn)檢測(cè)器170的像素尺寸大的周期的波紋，使得X射線(xiàn)檢測(cè)器170檢測(cè)波紋的強(qiáng)度分布。希望吸收光柵150被設(shè)置在與相位光柵130分開(kāi)距離\的位置處。吸收光柵150包含被周期性地排列和布置的透射部分151和遮光部分152以部分遮蔽由相位光柵130形成的干涉強(qiáng)度分布140的明部。各透射部分151不必具有貫穿吸收光柵150的開(kāi)口，只要透射部分151可部分透射X射線(xiàn)就行。吸收光柵150的材料不被特別限制，只要材料對(duì)于X射線(xiàn)具有高的吸收性就行。材料例如可以為金。吸收光柵150的周期與干涉強(qiáng)度分布的周期相等或者稍有不同。如果使用具有等于干涉強(qiáng)度分布的周期的周期的吸收光柵，那么由吸收光柵的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生波紋。當(dāng)干涉強(qiáng)度分布的周期由D表示并且在干涉強(qiáng)度分布中的明部和暗部的取向和吸收光柵的取向之間限定的角度由θ表示(這里，θ << 1)時(shí)，波紋的周期Dm為 D/ θ。相反，如果使用具有與干涉強(qiáng)度分布的周期稍有不同的周期的吸收光柵，那么在沒(méi)有吸收光柵的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的情況下產(chǎn)生波紋。當(dāng)吸收光柵的周期由Da = D+δ表示(這里， δ <<D)時(shí)，波紋的周期Dm為D2/δ。在吸收光柵150中，透射部分151可以被一維或二維排列。例如，如果使用具有如圖2(A)所示的具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案的π相位光柵，那么使用具有如圖3(A)所示的那樣二維排列透射部分351和遮光部分352的格柵狀圖案的吸收光柵300。如果使用具有圖2(A)所示的棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案的π/2相位光柵，那么使用具有如圖 3(B)所示的那樣二維排列透射部分351和遮光部分352的棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案的吸收光柵300。相位光柵和吸收光柵的上述組合僅是例子，并且，可以進(jìn)行各種組合。(檢測(cè)器)通過(guò)X射線(xiàn)檢測(cè)器170，透射通過(guò)吸收光柵140的X射線(xiàn)的干涉強(qiáng)度分布的信息被檢測(cè)為波紋的強(qiáng)度分布。X射線(xiàn)檢測(cè)器170是可檢測(cè)X射線(xiàn)的干涉強(qiáng)度分布的信息的元件。例如，可以使用能夠轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)的平板檢測(cè)器(FPD)。(算術(shù)單元)由X射線(xiàn)檢測(cè)器170檢測(cè)的波紋的強(qiáng)度分布的信息通過(guò)將在后面描述的分析方法通過(guò)算術(shù)單元180而被分析，以將微分相位圖像或相位圖像成像。獲取的微分相位圖像或相位圖像是將在顯示單元190上顯示的輸出圖像。算術(shù)單元180例如包含中央處理單元 (CPU)。以下描述用于從由檢測(cè)器獲取的波紋的強(qiáng)度分布的信息獲取相位圖像的分析方法。然后，描述由算術(shù)單元執(zhí)行的處理步驟。(分析方法)當(dāng)形成干涉強(qiáng)度分布時(shí)，衍射光的許多光線(xiàn)疊加并相互干涉。由此，干涉強(qiáng)度分布包含基頻(以下，稱(chēng)為載波頻率)和載波頻率的大量的諧波分量。波紋具有干涉強(qiáng)度分布中的載波頻率分量在空間上擴(kuò)展的形狀。當(dāng)使用刻線(xiàn)與X軸正交的一維相位光柵時(shí)，波紋可由式⑵表示g (X，y) = a (χ, y) +b (χ, y) cos (2 π f0x+ Φ (χ, y))…O)相反，當(dāng)使用二維相位光柵時(shí)，在式(2)的結(jié)果上疊加y方向的載波頻率分量。在式O)中，波紋由背景第一項(xiàng)和周期性第二項(xiàng)的和表示。這里，a(x, y)表示背景，并且，b(x, y)表示載波頻率分量的振幅。并且，值&表示干涉條紋的載波頻率，并且， Φ (χ，y)表示載波頻率分量的相位。當(dāng)使用具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案的π /2相位光柵作為相位光柵130時(shí)，由于0次衍射光和+1次衍射光之間的干涉以及0次衍射光和-1次衍射光之間的干涉，產(chǎn)生載波頻率分量。當(dāng)使用具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案的η相位光柵作為相位光柵130時(shí)，由于+1次衍射光和-1次衍射光之間的干涉，產(chǎn)生載波頻率分量。對(duì)于0次衍射光和1次衍射光，在相位光柵130上相互疊加彼此分開(kāi)距離Nd的光線(xiàn)。對(duì)于+1次衍射光和-1次衍射光，在相位光柵130上相互疊加彼此分開(kāi)距離2Nd的光線(xiàn)。即，這種干涉是在η/2相位光柵的情況下具有與Nd對(duì)應(yīng)的剪切量s的剪切干涉或者是具有與2Nd對(duì)應(yīng)的剪切量s的剪切干涉。當(dāng)相位光柵130的位置處的被檢體120的相位圖像是W(x，y)時(shí)，相位Φ (x,y)和相位圖像W(x，y)具有以下的關(guān)系。Φ (χ, y) = ff(x+s, y)-ff(x, y)值S —般非常小。因此，獲得以下的關(guān)系
關(guān)于式(3)，發(fā)現(xiàn)相位Φ (x,y)是通過(guò)對(duì)被檢體120的相位圖像W(x，y)進(jìn)行微分而獲取的信息。因此，可通過(guò)對(duì)Φ (x, y)進(jìn)行積分來(lái)獲取被檢體120的相位圖像W(x，y)。同時(shí)，可通過(guò)傅立葉變換從式(2)獲取相位Φ (x, y)。即，式(2)可被如下表示。g(x, y) = a (χ, y)+c(x, y) exp (2 π if0x) +c* (χ, y) exp (-2 π if0x) ·.. (4)這里，獲得以下的關(guān)系。γ ι； .τ. ι "ι = ; b ( λ—. 1 ·) exp [ </Η τ. r)] ·** ( 5 )因此，可通過(guò)從干涉條紋提取C (X，y)的分量或C * (x, y)的分量獲取相位Φ (χ, y)的信息。這里，通過(guò)傅立葉變換，式(4)如下。G (fx, fy) = A(fx, fy) +C (fx-f0, fy) +C*(fx+f0, fy)... (6)這里，6仗，仁)、八仗，4)禾PC(fx，fy)是對(duì)于g(x，y)、a(x，y)和 c(x，y)的二維傅立葉變換。圖4是使用一維光柵時(shí)的干涉強(qiáng)度分布的譜圖案。一般地，如圖4所示，產(chǎn)生三個(gè)峰值。中心峰值是主要從A(fx，fy)得到的峰值。與之對(duì)照的是，兩邊的峰值是從C(fx，fy) 和C* (fx，fy)得到的載波頻率峰值。在士&的位置上產(chǎn)生這些峰值。然后，提取包含從C(fx，f￥)或C* (fx，f￥)得到的峰值的區(qū)域。例如，通過(guò)提取從
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A(fx,fy)得到的峰值的周邊和從C(fx，fy)或C* (fx，fy)得到的峰值的周邊，從C(fx，fy)或 C* (fx，fy)得到的峰值被分離。然后，從C(fx，fy)或C* (fx，fy)得到的分離的峰值移動(dòng)到頻率空間中的原點(diǎn)，并且，執(zhí)行逆傅立葉變換。通過(guò)逆傅立葉變換，獲取復(fù)數(shù)信息。通過(guò)該復(fù)數(shù)信息，獲取相位 Φ (x，y)，即微分相位信息。圖5 (A)是使用具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(圖2(A))的π/2相位光柵和具有格柵狀圖案 (圖3(A))的吸收光柵或具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(圖3(B))的吸收光柵時(shí)的波紋的強(qiáng)度分布的例子。附圖標(biāo)記510表示波紋的明部，520表示波紋的暗部。應(yīng)當(dāng)注意，即使當(dāng)使用具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(圖2(A))的π相位光柵和具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(圖3(B))的吸收光柵時(shí)，在斜的方向上也產(chǎn)生波紋的強(qiáng)度分布。
圖5(B)是使用具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(圖2(A))的π相位光柵和具有格柵狀圖案 (圖3(A))的吸收光柵時(shí)的波紋的強(qiáng)度分布的例子。附圖標(biāo)記530表示波紋的明部，540表示波紋的暗部。在這種情況下，沿垂直方向和水平方向產(chǎn)生波紋的強(qiáng)度分布。應(yīng)當(dāng)注意，即使當(dāng)使用具有格柵狀圖案(圖2(B))的相位光柵時(shí)，也產(chǎn)生波紋的強(qiáng)度分布。圖5(C)和圖5⑶示出通過(guò)由作為一種類(lèi)型的傅立葉變換的快速傅立葉變換 (FFT)對(duì)于圖5(A)和圖5(B)所示的波紋的強(qiáng)度分布執(zhí)行處理而獲取的空間頻率譜。當(dāng)P 是X射線(xiàn)檢測(cè)器170的像素周期時(shí)，可由FFT計(jì)算的最大空間頻率是1Λ2Ρ)。分別處于相互正交的位置處的兩個(gè)峰值570和571以及峰值580和581的周邊以與一維配置類(lèi)似的方式被提取，并且被移動(dòng)到原點(diǎn)以執(zhí)行逆傅立葉變換。提取的區(qū)域由虛線(xiàn)表示。通過(guò)逆傅立葉變換，獲取復(fù)數(shù)信息。通過(guò)該復(fù)數(shù)信息，獲取相互正交的兩個(gè)方向的微分相位信息。這里，在圖5(C)中，獲取士45度的方向的微分相位信息。在圖5(D)中，獲取X方向和Y方向的微分相位信息。在許多情況下，由此獲取的微分相位信息被折疊成(被卷繞成)2 π的區(qū)域。特別地，當(dāng)屏幕上的任意點(diǎn)的真實(shí)相位為Φ (χ, y)并且卷繞相位為Φ Ρ(χ，y)時(shí)，建立以下的關(guān)系。Φ 3ρ(χ, y) = Φ (χ, y)+2 π η (χ, y) ··· (7)這里，η是整數(shù)，它被確定以使得Φψμρ(χ，Υ)被布置在具有的寬度的區(qū)域(例如從0到的區(qū)域或從-π到+ π的區(qū)域)中。通過(guò)這種信息，對(duì)于Φ (x, y)wrap執(zhí)行相位展開(kāi)以將該值恢復(fù)到原Φ (x, y)。可通過(guò)對(duì)由式(8)恢復(fù)的Φ (χ, y)進(jìn)行積分來(lái)獲取被檢體的相位圖像W(x，y)。當(dāng)使用一維光柵時(shí)，積分方向可僅是與光柵刻線(xiàn)方向正交的方向。由此，為了正確地測(cè)量相位圖像W(x，y)，用不透射通過(guò)被檢體120的X射線(xiàn)照射X射線(xiàn)檢測(cè)器170的與刻線(xiàn)方向平行的邊，使得事先獲取相位圖像W(x，y)中的識(shí)別部分。當(dāng)使用二維光柵時(shí)，可以沿兩個(gè)方向執(zhí)行積分。即使以透射通過(guò)被檢體120的X 射線(xiàn)完全照射X射線(xiàn)檢測(cè)器170，也可正確地測(cè)量相位圖像W(x，y)。(算術(shù)單元的處理步驟)關(guān)于上述的描述，將在圖6中示出由算術(shù)單元180執(zhí)行的處理流程的例子。首先，從X射線(xiàn)檢測(cè)器170獲取波紋的強(qiáng)度分布的信息(S610)。然后，執(zhí)行傅立葉變換步驟(S620)，使得對(duì)于在S610中獲取的波紋的強(qiáng)度分布的信息執(zhí)行傅立葉變換，并且獲取空間頻率譜。然后，執(zhí)行峰值分離步驟(S631)，使得從在S620中獲取的頻率空間提取與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜(具有相位信息的譜)。如果難以提取與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜，那么提取譜的周邊區(qū)域的信息。然后，在S631中提取的譜移動(dòng)到頻率空間中的原點(diǎn)，并且，執(zhí)行逆傅立葉變換 (S632)。因此，可以獲取具有相位信息的復(fù)數(shù)信息。
然后，從在S632中獲取的復(fù)數(shù)信息獲取作為微分相位信息的相位Φ(χ，y) (S633)。應(yīng)當(dāng)注意，步驟S631、S632和S633可被統(tǒng)稱(chēng)為相位恢復(fù)步驟(S630)。然后，當(dāng)Φ (χ, y)被卷繞時(shí)，執(zhí)行展開(kāi)，并且獲取真實(shí)Φ (x, y) (S640)。該步驟可被稱(chēng)為相位展開(kāi)步驟。如果Φ (x, y)未被卷繞，那么步驟S640可被省略。這里，Φ (χ, y) 是微分相位信息(微分相位圖像)。然后，通過(guò)對(duì)Φ (x, y)進(jìn)行積分，獲取相位圖像W(x，y) (S650)。通過(guò)以上的配置，可以提供可至少通過(guò)單個(gè)成像操作獲取被檢體的相位圖像的X 射線(xiàn)成像裝置和X射線(xiàn)成像方法。另外，可以提供使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以上步驟的程序。(第二實(shí)施例)將參照?qǐng)D7描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的X射線(xiàn)成像裝置。在本實(shí)施例中，增加空間分辨率，而不是在第一實(shí)施例中描述如圖5(C)所示的空間頻率譜。圖7(B)示出在本實(shí)施例中描述的空間頻率譜。為了獲取這種頻率譜，關(guān)于X射線(xiàn)檢測(cè)器的像素周期確定從干涉強(qiáng)度分布和吸收光柵得到的二維波紋的基本周期以實(shí)現(xiàn)以下的比。
2λ/ 倍并且，波紋的取向被調(diào)整為關(guān)于像素陣列以45度傾斜。圖7(A)示出這種狀態(tài)下的X射線(xiàn)檢測(cè)器上的波紋的強(qiáng)度分布。附圖標(biāo)記710表示X射線(xiàn)檢測(cè)器的光接收面，720表示波紋的明部，d表示波紋的周期，P表示X射線(xiàn)檢測(cè)器的像素周期。在本實(shí)施例中，使用具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(圖2(A))的π/2相位光柵和具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(圖3(B))的吸收光柵。但是，可以使用其它的相位光柵和其它的吸收光柵，只要產(chǎn)生的波紋的強(qiáng)度分布等同就行。圖7(B)是通過(guò)對(duì)于圖7(A)所示的波紋的強(qiáng)度分布執(zhí)行FFT獲取的空間頻率譜。 當(dāng)陣列中的像素的數(shù)量對(duì)于垂直的邊和水平的邊中的每一個(gè)為η時(shí)，由FFT獲取的譜空間為η X η的離散數(shù)據(jù)。當(dāng)P是X射線(xiàn)檢測(cè)器170的像素周期時(shí)，可表示的最大頻率為1/ (2Ρ)。在本實(shí)施例中，波紋的基本周期如下。2λ/2Ρ因此，具有該頻率的載波頻率的絕對(duì)值如下。1/(2·ν/2Ρ)并且，由于波紋的取向以45度傾斜，因此，在以下的位置上產(chǎn)生載波峰值711。頻率坐標(biāo)(1 I、 y》=(±——》 ±——)
_1PIP
HJ 載波峰值711是與波紋的強(qiáng)度分布的載波頻率對(duì)應(yīng)的峰值。在四個(gè)載波峰值711中包含的兩個(gè)相鄰的峰值用以45度傾斜的正方形區(qū)域的形式被提取，該正方形區(qū)域各自具有如下表示的邊。1/(2·ν/2Ρ)在提取正方形區(qū)域之后，執(zhí)行在第一實(shí)施例中描述的處理。因此，可以恢復(fù)被檢體的相位圖像。
如果盡可能地以大的區(qū)域提取譜區(qū)域，那么可以增加空間分辨率。但是，除了載波頻率的峰值以外，在譜空間中存在不必要的峰值721。不必要的峰值721是高頻分量和DC 分量的峰值，并且位于與載波頻率分量的峰值坐標(biāo)的和值或差值對(duì)應(yīng)的位置。如果提取區(qū)域太大，那么可能包含不必要的峰值721周?chē)膮^(qū)域。由于不必要的峰值721的影響，因此不再提供正確的相位圖像。因此，要提取的譜區(qū)域是關(guān)于載波頻率的峰值和不必要的峰值721之間的中間線(xiàn)位于內(nèi)側(cè)的提取區(qū)域731。要在本實(shí)施例中恢復(fù)的相位圖像的空間頻率是提取區(qū)域731的尺寸的1/2。因此， 從圖7(B)可以看出，像素陣列方向的最大頻率為1/(4P)，并且，45度方向的最大頻率被如下確定。1/(4·ν/2Ρ)為了表示可用作為分辨率的值恢復(fù)的基于像素的最小周期，最小周期是最大頻率的倒數(shù)。因此，像素陣列方向的最小周期是4個(gè)像素，并且，45度的方向的最小周期如下。
4λ/ 個(gè)像素《5.7個(gè)像素與圖5(C)中的提取區(qū)域相比，圖7(B)中的提取區(qū)域比圖5(C)中的提取區(qū)域大， 由此，可恢復(fù)的空間頻率更大。因此，通過(guò)本實(shí)施例，與上述的實(shí)施例相比，可以增加空間頻率。(第三實(shí)施例)參照?qǐng)D8描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的X射線(xiàn)成像裝置。在本實(shí)施例中，增加空間頻率，而不是在第一實(shí)施例中描述的圖5(D)所示的空間頻率譜。圖8(B)示出在本實(shí)施例中描述的空間頻率譜。為了獲取這種頻率譜，從干涉強(qiáng)度分布和吸收光柵得到的二維波紋的基本周期被確定為X射線(xiàn)檢測(cè)器的像素周期的三倍，并且，波紋的取向與像素陣列對(duì)準(zhǔn)。圖8 (A)示出這種狀態(tài)下的X射線(xiàn)檢測(cè)器上的波紋的強(qiáng)度分布。附圖標(biāo)記810表示X射線(xiàn)檢測(cè)器的光接收面，820表示波紋的明部，d表示波紋的周期，P表示X射線(xiàn)檢測(cè)器的像素周期。在本實(shí)施例中，使用具有棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案(圖2(A))的π相位光柵和具有格柵狀圖案(圖3(A))的吸收光柵。但是，可以使用其它的相位光柵和其它的吸收光柵，只要產(chǎn)生的波紋的強(qiáng)度分布等同就行。圖8 (A)是通過(guò)對(duì)于圖8(B)所示的波紋的強(qiáng)度分布執(zhí)行FFT獲取的空間頻率譜。 由于波紋的基本周期在本實(shí)施例中為3Ρ，因此，載波頻率的絕對(duì)值為1/(3Ρ)。因此，載波峰值811在以下的位置產(chǎn)生。
_0]頻率坐標(biāo)(h、iy):::丨^ 0)^(0, ±丄)
3P 或 3P載波峰值811是與波紋的強(qiáng)度分布的載波頻率對(duì)應(yīng)的峰值。與第二實(shí)施例類(lèi)似，對(duì)于包含于四個(gè)載波峰值811中的兩個(gè)相鄰的峰值提取各自具有1/(3P)的邊的正立 (erecting)正方形區(qū)域。在提取正方形區(qū)域之后，執(zhí)行在第一實(shí)施例中描述的處理。因此， 可以恢復(fù)被檢體的相位圖像。但是，在本實(shí)施例中，除了載波頻率的峰值以外，在譜空間中存在不必要的峰值 821。不必要的峰值821是高頻分量和DC分量的峰值，并且位于與載波頻率分量的峰值坐標(biāo)的和值或差值對(duì)應(yīng)的位置上。因此，提取的譜區(qū)域是關(guān)于載波頻率的峰值和不必要的峰值821之間的中間線(xiàn)位于內(nèi)側(cè)的提取區(qū)域831。在本實(shí)施例中恢復(fù)的相位圖像的空間頻率是提取區(qū)域831的尺寸的1/2。因此，參照?qǐng)D8 (B)，像素陣列方向的最大頻率是1/ (6P)，并且，45度的方向的最大頻率被確定如下。1/(3V2P)為了表示通過(guò)作為分辨率的上述值所恢復(fù)的基于像素的最小周期，最小周期為最大頻率的倒數(shù)。因此，像素陣列方向的最小周期為6個(gè)像素，并且，45度的方向的最小周期如下。
3λ/ 個(gè)像素《4.2個(gè)像素因此，本實(shí)施例中的關(guān)于像素陣列的45度方向的空間分辨率比第二實(shí)施例好。(第四實(shí)施例)參照?qǐng)D9描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的X射線(xiàn)成像裝置。本實(shí)施例的X射線(xiàn)成像裝置是根據(jù)第一到第三實(shí)施例中的任一個(gè)的X射線(xiàn)成像裝置，其包含被檢體移動(dòng)裝置 900。被檢體移動(dòng)裝置900可沿X射線(xiàn)的光軸移動(dòng)被檢體920。X射線(xiàn)檢測(cè)器具有L1/L2的對(duì)于被檢體920的成像倍率，這里，Ll是從X射線(xiàn)源 910到吸收光柵940的距離，L2是從X射線(xiàn)源910到吸收光柵940的距離。 因此，隨著被檢體920移動(dòng)為更接近相位光柵930，L2變大，并且，可以用低倍率執(zhí)行成像。相反，隨著被檢體920移動(dòng)為更接近X射線(xiàn)源910，L2變小，并且可以用高倍率執(zhí)
行成像。
附圖標(biāo)記列表
110X射線(xiàn)源
111X射線(xiàn)
120被檢體
130相位光柵
150吸收光柵
151透射部分
152遮光部分
170X射線(xiàn)檢測(cè)器
180算術(shù)單元
權(quán)利要求
1.一種X射線(xiàn)成像裝置，包括X射線(xiàn)源；相位光柵，用于透射來(lái)自X射線(xiàn)源的X射線(xiàn)以及通過(guò)Talbot效應(yīng)形成干涉強(qiáng)度分布；吸收光柵，用于部分遮蔽由相位光柵形成的干涉強(qiáng)度分布以及產(chǎn)生波紋；檢測(cè)器，用于檢測(cè)由吸收光柵產(chǎn)生的波紋的強(qiáng)度分布；和算術(shù)單元，用于根據(jù)由檢測(cè)器檢測(cè)的波紋的強(qiáng)度分布來(lái)將被檢體的信息成像并輸出該 fn息，其中，算術(shù)單元執(zhí)行包含以下的步驟的處理傅立葉變換步驟，用于對(duì)于由檢測(cè)器獲取的波紋的強(qiáng)度分布執(zhí)行傅立葉變換以及獲取空間頻率譜；和相位恢復(fù)步驟，用于使與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜與在傅立葉變換步驟中獲取的空間頻率譜分離，對(duì)于所分離的譜執(zhí)行逆傅立葉變換，以及獲取微分相位圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的X射線(xiàn)成像裝置，其中，算術(shù)單元執(zhí)行對(duì)在相位恢復(fù)步驟中獲取的微分相位圖像進(jìn)行積分并獲取相位圖像的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的X射線(xiàn)成像裝置，其中，算術(shù)單元執(zhí)行展開(kāi)在相位恢復(fù)步驟中獲取的微分相位圖像的相位展開(kāi)步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的X射線(xiàn)成像裝置，其中，相位光柵包含被二維地且周期性地布置的相位超前部分和相位滯后部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的X射線(xiàn)成像裝置，其中，相位光柵包含以棋盤(pán)設(shè)計(jì)圖案布置的相位超前部分和相位滯后部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的X射線(xiàn)成像裝置，其中，相位光柵被配置為使得透射通過(guò)相位超前部分的X射線(xiàn)的相位和透射通過(guò)相位滯后部分的X射線(xiàn)的相位之間的差值為JI /2或π。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的X射線(xiàn)成像裝置，其中，相位光柵、吸收光柵和檢測(cè)器被調(diào)整，使得在傅立葉變換步驟中獲取的譜空間中，與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜在如下表示的位置處產(chǎn)生，其中，P是檢測(cè)器的像素周期。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的X射線(xiàn)成像裝置，其中，吸收光柵具有如下表示的波紋的周期，波紋的取向?qū)τ跈z測(cè)器的像素陣列以45度被布置，并且，其中，為了分離與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜，算術(shù)單元執(zhí)行從由檢測(cè)器獲取的波紋的圖像的頻率空間提取兩個(gè)正方形區(qū)域的步驟，所述正方形區(qū)域中的每一個(gè)具有如下表示的邊，所述正方形區(qū)域?qū)τ谙袼仃嚵蟹较蛞?5度傾斜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的X射線(xiàn)成像裝置，其中，相位光柵、吸收光柵和檢測(cè)器被調(diào)整，使得在傅立葉變換步驟中獲取的譜空間中，與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜在如下表示的位置處產(chǎn)生，頻率坐標(biāo)
10.根據(jù)權(quán)利要求9的X射線(xiàn)成像裝置，其中，吸收光柵被布置，使得波紋的周期為3P，并且波紋的取向與檢測(cè)器的像素陣列對(duì)準(zhǔn)，并且，其中，為了分離與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜，算術(shù)單元執(zhí)行從由檢測(cè)器獲取的波紋的圖像的頻率空間提取兩個(gè)正方形區(qū)域的步驟，所述正方形區(qū)域中的每一個(gè)關(guān)于像素陣列方向正立并且具有1/(3P)的邊。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的X射線(xiàn)成像裝置，還包括能夠沿X射線(xiàn)的光軸方向移動(dòng)被檢體的被檢體移動(dòng)裝置。
12.—種在X射線(xiàn)成像裝置中使用的X射線(xiàn)成像方法，該方法包括 使X射線(xiàn)被透射并且通過(guò)Talbot效應(yīng)形成干涉強(qiáng)度分布的步驟； 部分遮蔽干涉強(qiáng)度分布并產(chǎn)生波紋的步驟；檢測(cè)波紋的強(qiáng)度分布的步驟；對(duì)于波紋的強(qiáng)度分布執(zhí)行傅立葉變換并且獲取空間頻率譜的步驟； 使與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜與空間頻率譜分離、對(duì)于所分離的譜執(zhí)行逆傅立葉變換并且獲取微分相位圖像的步驟；和對(duì)微分相位圖像進(jìn)行積分并獲取相位圖像的步驟。
13.一種使計(jì)算機(jī)執(zhí)行包含以下步驟的處理的程序使X射線(xiàn)被透射并且通過(guò)Talbot效應(yīng)形成干涉強(qiáng)度分布的步驟； 部分遮蔽干涉強(qiáng)度分布并產(chǎn)生波紋的步驟； 檢測(cè)波紋的強(qiáng)度分布的步驟；對(duì)于波紋的強(qiáng)度分布執(zhí)行傅立葉變換并且獲取空間頻率譜的步驟； 使與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜與空間頻率譜分離、對(duì)于所分離的譜執(zhí)行逆傅立葉變換并且獲取微分相位圖像的步驟；和對(duì)微分相位圖像進(jìn)行積分并獲取相位圖像的步驟。
全文摘要
公開(kāi)了能夠至少通過(guò)單個(gè)成像操作獲取被檢體的微分相位圖像或相位圖像的X射線(xiàn)成像裝置和X射線(xiàn)成像方法。X射線(xiàn)成像裝置包括相位光柵(130)、吸收光柵(150)、檢測(cè)器(170)和算術(shù)單元(180)。算術(shù)單元(180)執(zhí)行通過(guò)對(duì)于由檢測(cè)器獲取的波紋圖案的強(qiáng)度分布的傅立葉變換來(lái)獲取空間頻率譜的傅立葉變換處理。算術(shù)單元還執(zhí)行使與載波頻率對(duì)應(yīng)的譜與由傅立葉變換處理獲取的空間頻率譜分離并然后使用逆傅立葉變換來(lái)獲取微分相位圖像的相位恢復(fù)處理。
文檔編號(hào)A61B6/00GK102197303SQ20098014283
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者伊藤英之助, 大內(nèi)千種, 田透, 長(zhǎng)井健太郎 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社