Устройство формирования изображений методом фазового контраста - RU2620892C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится, в общем, к усовершенствованному рентгенографическому устройству в области маммографии, томосинтеза, радиографии, в котором осуществлены возможности формирования изображения методом фазового контраста.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В устройствах существующего уровня техники предлагалось применять фазовый контраст в рентгенографии для повышения отношения сигнал/шум (SNR), например при маммографическом применении. Медицинская рентгенография часто ограничена небольшими различиями контраста и высоким шумом, обусловленными ограничениями на сильные дозы. Вышесказанное справедливо, в частности, в отношении маммографии, в ходе которой малоконтрастные опухоли являются главной целью для обнаружения, и поэтому большое число опухолей не обнаруживается или неправильно диагностируется из-за трудностей обнаружения. Применение формирования изображений методом фазового контраста в медицинских применениях продемонстрировало перспективность для повышения отношения сигнал/шум, поскольку фазовый сдвиг в мягкой ткани во многих случаях значительно больше, чем поглощение.

В международной патентной заявке WO 2008/006470 A1 приведено описание применения интерферометров для рентгеновского излучения, при этом рентгеновские изображения могут быть получены для сканированного объекта. Схема в упомянутой заявке содержит средство для оценки интенсивностей на один пиксель 105p, чтобы идентифицировать характеристику объекта 108 посредством получения характеристик для каждого пикселя 105p в отношении, например, преобладания фазового контраста или абсорбционного контраста. В рамках одного применения, относящегося к обследованию багажа на подвижной транспортерной ленте, схема содержит решетку линейного детектора 105s и несколько дополнительных дифракционных решеток, расположенных между объектом 108 и линейным детектором 105s, при этом каждая из дополнительных дифракционных решеток сдвинута в свое положение перпендикулярно линиям дифракционных решеток. Таким образом, багаж, подлежащий обследованию, перемещается вдоль направления, перпендикулярного линиям дифракционных решеток во время сканирования, при этом для получения данных фазового контраста и абсорбционного контраста требуется одно сканирование.

Вышеописанная технология характеризуется рядом недостатков. Во-первых, решение требует изготовления физически длинных дополнительных дифракционных решеток G1_n и G2_n, что обуславливает большой расход таких ресурсов, как стоимость и время.

Другой недостаток состоит в том, что предложенная схема, в случае непосредственного применения для маммографии, может порождать погрешности при определении фазы из-за направления сканирования относительно направления определения фазового контраста. Когда анализируют неподвижный объект 108, например молочную железу, то схему требуется перемещать в направлении сканирования относительно объекта 108, чтобы создать рентгеновское изображение объекта, а не наоборот, как в заявке WO 2008/006470 A1. Пример сканирующей рентгеновской маммографической системы визуализации с функциональной возможностью абсорбционного контраста можно найти в документе X автора настоящей заявки. В заявке WO 2008/006470 A1 направление сканирования устанавливают перпендикулярно линиям дифракционной решетки дополнительных дифракционных решеток и, следовательно, перпендикулярно интерференционным полосам 163, подлежащим определению. Общеизвестно, что любая система, в том числе сканирующие системы, в общем, вносит больше искажений в направлении сканирования, поскольку данное направление является направлением изменения. Другим источником искажения является сила тяжести, действующая на самую подвижную консоль 103 сканирования, поскольку гравитационная составляющая консоли 103 сканирования будет создавать изгибающий момент на детекторе 105/дифракционной решетке 162 анализатора относительно расщепителя 122 пучка. Следовательно, небольшой сдвиг между дифракционной решеткой 162 анализатора и расщепителем 122 пучка, обусловленный силой тяжести, будет дополнительно вносить погрешности при определении фазы. В заключение, чтобы уменьшить упомянутые искажения, к схеме в соответствии с существующим уровнем техники требуется предъявлять очень высокие требования к точности сканирования, что приводит к повышению стоимости и увеличению времени изготовления упомянутых изделий.

Еще один недостаток существующего уровня техники состоит в том, что не используют весь потенциал применения фазового контраста, особенно пригодного для маммографии. Одно из основных преимуществ формирования изображений методом фазового контраста заключается в снижении шумов на высоких пространственных частотах, т. е. в совершенствовании возможности обнаружения небольших деталей. В сканирующей системе пространственная разрешающая способность, как правило, ниже в направлении сканирования вследствие того, что часто применяют непрерывное считывание.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является устранение некоторых из недостатков из уровня техники и создание усовершенствованного устройства для рентгенографии. В соответствии с одним вариантом осуществления, рентгенографическая система содержит рентгеновский источник, рентгеновский детектор, содержащий множество детектирующих полосок, расположенных в первом направлении рентгеновского детектора, при этом каждая детектирующая полоска дополнительно содержит множество пикселей детектора, расположенных во втором направлении рентгеновского детектора; фазовую дифракционную решетку; множество дифракционных решеток анализаторов, содержащих щели дифракционных решеток; фазовую дифракционную решетку и множество дифракционных решеток анализаторов, содержащих щели дифракционных решеток, причем рентгеновский источник и рентгеновский детектор выполнены с возможностью выполнения сканирующего перемещения относительно объекта в первом направлении, чтобы сканировать объект, причем дифракционные решетки анализаторов расположены между рентгеновским источником и рентгеновским детектором, причем каждая из множества дифракционных решеток (162) анализаторов расположена в связи с соответствующей детектирующей полоской, со щелями дифракционных решеток, расположенными во втором направлении, и причем щели дифракционных решеток дифракционных решеток анализаторов детектирующих полосок смещены одна относительно другой во втором направлении.

В соответствии с другим вариантом осуществления, рентгенографическая система (101) содержит рентгеновский источник (104), рентгеновский детектор (105), содержащий множество детектирующих полосок (105a), расположенных в первом направлении рентгеновского детектора (105), при этом каждая детектирующая полоска (105a) дополнительно содержит множество пикселей (105p) детектора (105), расположенных во втором направлении рентгеновского детектора (105); фазовую дифракционную решетку (161) и множество дифракционных решеток (162) анализаторов, содержащих щели дифракционных решеток; причем рентгеновский источник (104) и рентгеновский детектор (105) выполнены с возможностью выполнения сканирующего перемещения относительно объекта (108) в первом направлении, чтобы сканировать объект; причем дифракционные решетки (162) анализаторов расположены между рентгеновским источником (104) и рентгеновским детектором (105), причем множество дифракционных решеток (162) анализаторов расположено в связи с соответствующей детектирующей полоской (105a), с щелями дифракционных решеток, расположенными во втором направлении, и причем щели дифракционных решеток дифракционных решеток (162) анализаторов детектирующих полосок (105a) смещены одна относительно другой во втором направлении.

В соответствии с другим вариантом осуществления, смещение щелей дифракционных решеток дифракционных решеток (162) анализаторов вдоль множества детектирующих полосок (105a) обеспечивает осуществление выборки по всему периоду (163d) интерференционных полос интерференционных полос (163), сформированных фазовой дифракционной решеткой и смещенных вследствие градиента фазы в объекте (108), когда объект (108) сканируют.

В соответствии с другим вариантом осуществления, щели дифракционных решеток дифракционных решеток анализаторов двух последовательных детектирующих полосок с дифракционными решетками анализаторов в первом направлении смещены одна относительно другой во втором направлении систематическим методом, при этом систематический метод содержит заданное расстояние смещения.

В соответствии с другим вариантом осуществления, расстояние (d) смещения является долей периода p_f интерференционных полос из расчета, что

, где N равно числу детектирующих полосок, чтобы охватывался весь период 163d интерференционных полос.

В соответствии с другим вариантом осуществления, расстояние (d) смещения находится в пределах

, предпочтительно равно .

В соответствии с другим вариантом осуществления, щели дифракционных решеток дифракционных решеток анализаторов двух последовательных детектирующих полосок смещены одна относительно другой во втором направлении произвольным методом, при этом произвольный метод содержит нерегулярное смещение.

В соответствии с другим вариантом осуществления, щели дифракционных решеток нерегулярно смещенных дифракционных решеток (162) анализаторов при суммировании равномерно распределены по всему периоду интерференционных полос.

В соответствии с другим вариантом осуществления, две последовательные детектирующие полоски с дифракционными решетками анализаторов в первом направлении являются двумя смежными детектирующими полосками.

В соответствии с другим вариантом осуществления, две последовательные детектирующие полоски (105a) с дифракционными решетками (162) анализаторов в первом направлении нерегулярно или произвольно смещены среди детектирующих полосок (105a) в первом направлении.

В соответствии с другим вариантом осуществления, система выполнена с возможностью калибровки с тем, чтобы устанавливать точные положения дифракционных решеток анализаторов.

В соответствии с другим вариантом осуществления, дифракционные решетки анализаторов расположены на всех детектирующих полосках.

В соответствии с другим вариантом осуществления, система дополнительно содержит входной коллиматор и выходной коллиматор, при этом входной коллиматор расположен между дифракционной решеткой анализатора и фазовой дифракционной решеткой, и выходной коллиматор расположен между дифракционной решеткой анализатора и рентгеновским детектором.

В соответствии с другим вариантом осуществления, система дополнительно содержит дифракционную решетку источника, расположенную между рентгеновским источником и фазовой дифракционной решеткой.

В соответствии с другим вариантом осуществления, детектор (105) выполнен с возможностью счета фотонов, падающих на детектирующие полоски (105a), и формирования сигнала, соответствующего энергии падающих фотонов, и при этом блок (121) управления выполнен с возможностью получения упомянутых сигналов и присвоения весового значения эффекту фазово-контрастного изображения в зависимости от эффективности при каждой энергии, и/или причем блок 121 управления выполнен с возможностью присвоения весового значения эффекту фазово-контрастного изображения в зависимости от эффективности при каждой энергии.

В соответствии с другим вариантом осуществления, блок (121) управления выполнен с возможностью присвоения более высокого весового значения фотонам в первом энергетическом интервале для эффекта фазово-контрастного изображения, в котором более оптимален фазовый контраст, и/или при этом блок управления выполнен с возможностью присвоения более высокого весового значения фотонам во втором энергетическом интервале для эффекта абсорбционно-контрастного изображения, в котором более оптимален абсорбционный контраст.

В соответствии с другим вариантом осуществления, первый и второй энергетические интервалы определяются первым нижним пороговым значением и вторым верхним пороговым значением энергии фотонов, при этом каждый пиксель детектора каждой детектирующей полоски соединен с компаратором и счетчиком, содержащими, по меньшей мере, два пороговых значения для сравнения сигнала с упомянутыми пороговыми значениями и счета упомянутых фотонов в первом и втором энергетических интервалах.

В соответствии с другим вариантом осуществления, упомянутый детектор выполнен с возможностью счета каждого фотона, падающего на детектирующие полоски, и формирования сигнала, соответствующего энергии каждого падающего фотона, и при этом считываются фотоны в энергетическом интервале, содержащем нижний энергетический порог, верхний энергетический порог, где интервал содержит оптимальную энергию для фазового контраста, чтобы усиливать эффект фазово-контрастного изображения.

В соответствии с другим вариантом осуществления, упомянутое распределение энергии зависит от установленного напряжения рентгеновского источника или от толщины молочной железы, при этом блок управления выполнен с возможностью получения сигналов, содержащих информацию касательно установленного напряжения, и/или получения сигналов, содержащих информацию касательно толщины молочной железы, например, из блока автоматического управления экспозицией, который оптимизирует напряжение на основании толщины объекта и адаптирует нижний энергетический порог и верхний энергетический порог на основании упомянутой информации.

В соответствии с другим вариантом осуществления, первый энергетический интервал содержит более высокие энергии фотонов, чем второй энергетический интервал.

В соответствии с другим вариантом осуществления, по меньшей мере, одна дифракционная решетка анализатора расположена в первом поперечном направлении по всему детектору.

В соответствии с другим вариантом осуществления, система дополнительно содержит, по меньшей мере, одну подвижную компрессионную пластину, при этом компрессионная пластина выполнена с возможностью перемещения объекта, например молочной железы, дальше от дифракционной решетки анализатора, чтобы усиливать эффект фазово-контрастного изображения.

В соответствии с другим вариантом осуществления, по меньшей мере, одна компрессионная пластина выполнена с возможностью перемещения объекта в диапазоне между дифракционной решеткой анализатора и входным коллиматором или фазовой дифракционной решеткой.

В соответствии с другим вариантом осуществления, система дополнительно содержит блок управления, выполненный с возможностью перемещения компрессионной пластины в положение, в котором оптимизировано соотношение фазового контраста и абсорбционного контраста.

В соответствии с другим вариантом осуществления, по меньшей мере, одна компрессионная пластина выполнена с возможностью расположения под объектом.

В соответствии с другим вариантом осуществления обеспечена консоль сканирования, при этом рентгеновский источник расположен в первом положении консоли сканирования, и рентгеновский детектор расположен во втором положении консоли сканирования.

В соответствии с другим вариантом осуществления, фазовая дифракционная решетка расположена на консоли сканирования, чтобы следовать за консолью сканирования в процессе сканирующего перемещения относительно объекта в первом направлении.

В соответствии с другим вариантом осуществления, фазовая дифракционная решетка выполнена с возможностью пребывания в неподвижном состоянии, при этом консоль сканирования в процессе сканирующего перемещения перемещается относительно объекта и фазовой дифракционной решетки в первом направлении.

В соответствии с другим вариантом осуществления, дифракционная решетка анализатора расположена на каждой из множества детектирующих полосок.

В соответствии с другим вариантом осуществления, дифракционная решетка анализатора соединена с каждой из множества детектирующих полосок соединением защелкивающегося типа.

В соответствии с другим вариантом осуществления, дифракционные решетки (162) анализаторов расположены по направлению к рентгеновскому источнику (104), при этом направления наклона дифракционных решеток (162) анализаторов, по существу, равны углу(ам) наклона множества детектирующих полосок (105a) относительно рентгеновского источника (104).

В соответствии с другим вариантом осуществления, каждая дифракционная решетка 162 анализатора содержит несколько меньших блоков, выполненных с возможностью соединения между собой в процессе изготовления дифракционных решеток 162 анализаторов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Описание настоящего изобретения приведено ниже, для примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - вид в перспективе рентгенографической системы.

Фиг. 2a - схематическое изображение схемы рентгенографической системы в плоскости x-z, соответствующей плоскости фазового контраста.

Фиг. 2b - схематическое изображение схемы рентгенографической системы, показанной на фиг. 2a, в плоскости y-z, соответствующей плоскости абсорбционного контраста.

Фиг. 3a - изображение участка детектора и систематического смещения дифракционной решетки анализатора смежных детектирующих полосок.

Фиг. 3b - изображение участка детектора и систематического смещения дифракционной решетки анализатора несмежных детектирующих полосок.

Фиг. 3c - изображение участка детектора и нерегулярного смещения дифракционных решеток 162 анализаторов смежных детектирующих полосок.

Фиг. 3d - изображение участка детектора и систематического смещения дифракционной решетки анализатора, поперечно расположенной в перпендикулярном направлении.

Фиг. 4a - изображение детектора и схемы для взвешивания энергии.

Фиг. 4b - распределение энергии фотонов рентгеновского источника.

Фиг. 5 - компрессионная пластина в двух альтернативных положениях.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения.

На фиг. 1 изображена рентгенографическая система 101 в соответствии с одним вариантом осуществления, выполненная на основе детектора 105, работающего в режиме счета фотонов, который сканирует область изображения в одном направлении. Система в соответствии с данным вариантом осуществления основана на существующих сканирующих системах для рентгенографии, разработанных автором настоящей заявки, и поэтому настоящая система имеет такие же внешние признаки, которые известны, например, из документа US7496176. Следовательно, система содержит рентгеновский источник 104, расположенный в корпусе, опору для пациента и корпус входного коллиматора 106a и компрессионную пластину 107a, 107b. Коллиматор расположен в опоре коллиматора, и опора для пациента содержит детектор 105, содержащий множество детектирующих полосок 105a. Рентгеновский источник 104 и детектор 105 расположены, по существу, на соответствующих концах консоли 103 сканирования и, следовательно, расположены с возможностью радиального смещения, с рентгеновским источником 104 в центре. Изображение получают сканированием детектора 105 по области изображения и применением принципов абсорбционного контраста. Всякий раз после того, как детектор 105 просканирует предварительно заданное расстояние, сосчитанные количества собранных фотонов считываются, и счетчик сбрасывается. Однако возможность формирования изображений методом фазового контраста, описанную в настоящей заявке, может осуществить рентгеновская система любого другого типа, предпочтительно системы со сканирующим перемещением для охвата и формирования изображения объекта посредством облучения объекта рентгеновским излучением.

На фиг. 2a, раскрывающей один вариант осуществления изобретения, схематически изображена в сечении рентгенографическая система 101, допускающая формирование изображения методом фазового контраста, со схемой в плоскости x-z, заданной системой координат, показанной на фигуре. Система в соответствии с данным вариантом осуществления содержит схему интерферометра Тальбота и, следовательно, основана на так называемой Тальбот-интерферометрии, известной также как дифракционная интерферометрия, формирование изображений методом фазового контраста на основе дифракционных решеток или формирование изображений методом дифференциального фазового контраста, при этом фазовый сдвиг получается как следствие различий интенсивностей, создаваемых размещением нескольких дифракционных решеток в пути пучка 122. Направление сканирования вдоль радиального пути, с рентгеновским источником 104 в центре, как показано на фиг. 1, задано в плоскости y-z и обозначено стрелкой на фиг. 2b. На фиг. 2a рентгеновский источник 104 расположен в крайнем верхнем положении системы и излучает на детектор 105, расположенный в крайнем нижнем положении на фигуре. Рентгеновский источник 104 испускает пучок 122 рентгеновского излучения. В одном варианте осуществления, дифракционная решетка 160 источника расположена с небольшим смещением от рентгеновского источника 104 в направлении области рентгеновского излучения к детектору 105. Линии дифракционной решетки 160 источника продолжаются в y-направлении. Назначением дифракционной решетки 160 источника является формирование решетки небольших рентгеновских источников 104, что существенно повышает экономию фотонов в сравнении с одним небольшим рентгеновским источником 104, без снижения когерентности. Далее внизу в направлении области рентгеновского излучения расположена фазовая дифракционная решетка 161, иногда именуемая расщепителем 122 пучка, предназначенная для внесения эффекта, называемого самовоспроизведением Тальбот-изображений, которые являются интерференционными полосами 163, которые появляются на периодических расстояниях от дифракционной решетки и параллельны полосам дифракционной решетки, известным также как линии дифракционной решетки. Входной коллиматор 106a может быть расположен, по существу, смежно с фазовой дифракционной решеткой 161, как видно в приведенном варианте осуществления, чтобы дополнительно повысить эффективность дозы посредством освещения только таких частей объекта, которые можно наблюдать детектором. Для облегчения понимания действия эффекта фазового контраста примерный объект 108 треугольной формы расположен между фазовой дифракционной решеткой 161 и детектором 105 в соответствии с приведенным вариантом осуществления, однако упомянутый объект 108 можно также располагать между рентгеновским источником 104 и фазовой дифракционной решеткой 161 и получить аналогичные результаты. Объект 108 соответствует, например, молочной железе при применении для маммографии. Немного над детектором 105, как наблюдается в направлении к фазовой дифракционной решетке 161, расположена дифракционная решетка 162 анализатора. Линии 162a дифракционной решетки анализатора продолжаются в первом направлении, соответствующем y-направлению сканирования, а множество щелей дифракционной решетки, т. е. отверстий 162b, дифракционной решетки 162 анализатора продолжается во втором x-направлении, перпендикулярном направлению сканирования, при этом дифракционная решетка 162 анализатора продолжается в первом направлении на большее расстояние, чем во втором направлении. Шагом 162d дифракционной решетки 162 анализатора называют расстояние между центрами двух соседних перегородок 162c дифракционной решетки, как можно видеть на фиг. 2a, или, иначе говоря, полная протяженность ширины одного отверстия и одной перегородки 162c в решетке. Между дифракционной решеткой 162 анализатора и детектором 105 может быть расположен второй выходной коллиматор 106b, чтобы дополнительно уменьшать рассеяние фотонов и, тем самым, повышать эффективность дозы. Таким образом, как наблюдается на фигуре, фазовая дифракционная решетка 161 освещается рентгеновским источником 104, который перекрыт дифракционной решеткой 160 источника и создает интерференционные полосы 163. Интерференционные полосы 163 смещаются градиентом фазы, т. е. производной фазового сдвига, в объекте, и период 163d интерференционных полос остается постоянным. Дифракционную решетку 162 анализатора с мелким шагом 162d, расположенную в связи с детектором 105, можно применять для получения смещения интерференционных полос и, следовательно, фазового сдвига.

Для сферически расходящегося пучка 122, созданного точечным источником, так называемые расстояния Тальбота равны:

, где , n=1, 3, 5, …

В приведенном выражении L означает расстояние от источника до дифракционной решетки, n означает порядок Тальбота, p₁ означает шаг 162d фазовой дифракционной решетки 161, λ означает длину волны рентгеновского излучения, и η является параметром, который зависит от типа фазовой дифракционной решетки 161.

Допущение, что фазовая дифракционная решетка 161 сдвигает фазу на π в соответствии с одним вариантом осуществления, предполагает, что η=2. Для фазовой дифракционной решетки 161 со сдвигом на π/2 η=1.

Период интерференционных полос 163 равен

, где .

И снова P_f=p_f(L→∞) означает период 163d для плоской падающей волны. Если источник перекрыт дифракционной решеткой 160 источника с отверстиями 162b, которые имеют ширину s и шаг 162d

.

Изображения Тальбота, сформированные от разных щелей источника, совпадают и формируют более мощный поток, который дает возможность не допускать увеличения времени облучения при формировании изображения методом фазового контраста.

Когда фазосдвигающий объект 108 вводят в пучок 122, пучок преломляется на угол α=Φ'λ/2π, где Φ' означает дифференциальный фазовый сдвиг от объекта. При небольшом α преломление вызывает смещение интерференционных полос

на расстояние Λd_n от объекта, где Λ находится в диапазоне от 0 для объекта 108, размещенного в контакте с детектором 105, до 1 для объекта 108 на или перед фазовой дифракционной решеткой 161. Интерференционные полосы 163 расположены периодически в виде функции от x, т. е. в x-направлении в схеме в соответствии с вариантом осуществления. Следовательно, градиент фазы в объекте 108 вызывает фазовый сдвиг интерференционных полос 163, который можно измерить для получения Φ' по колебаниям интенсивности, измеренным позади дифракционных решеток 162 анализаторов. Фазовый сдвиг Φ можно получить интегрированием Φ'. Размещение дифракционных решеток 162 анализаторов перед детектором 105 теоретически не обязательно для того, чтобы детектор 105 измерял смещение интерференционных полос; однако упомянутое размещение ослабляет требование к разрешающей способности детектора 105. Детекторы 105 с достаточной разрешающей способностью для обнаружения Δp_f могут быть, в действительности, сложными и дорогими для производства. Один, ранее применявшийся способ, содержащий дифракционную решетку 162 анализатора, заключается в пошаговом перемещении дифракционной решетки 162 анализатора в x-направлении, пока весь период 163d интерференционных полос не охватывается отверстиями 162b дифракционной решетки 162 анализатора, при, по меньшей мере, M=3 измерениях или шагах. Приведенные способы обычно называют способами с дискретным изменением фазы.

На фиг. 2b приведено схематическое изображение схемы рентгенографической системы 101, показанной на фиг. 2a, в сечении плоскостью y-z. При наблюдении в данном направлении становится ясно, что схема содержит многощелевую геометрию в соответствии с широко известными принципами, разработанными автором настоящей заявки, при этом детектор 105 содержит множество Si (кремниевых) полосковых детекторов 105s, совмещенных с каждой из множества щелей входного коллиматора 106a и выходного коллиматора 106b. В соответствии с одним вариантом осуществления, в детекторе 105 предпочтительно применяют 21 полосковых детектора 105. Выше и в связи с каждой из множества детектирующих полосок 105a были расположены дифракционные решетки 162 анализаторов. Как изложено ранее, сканирующее перемещение происходит в плоскости y-z, по существу в y-направлении, что показано также стрелками на фигуре. Упомянутое направление адаптировано, тем самым, для измерения абсорбционного контраста объекта, что дополнительно поясняется в дальнейшем. В соответствии с одним вариантом осуществления, дифракционные решетки анализаторов направлены к рентгеновскому источнику для минимизации потерь, вызываемых высоким аспектным отношением дифракционных решеток анализаторов, т. е. для повышения эффективности дозы и уменьшения рассеяния, отверстия дифракционных решеток анализаторов более точно выровнены с направлением рентгеновских пучков. В соответствии с одним вариантом осуществления, упомянутое направление может потребовать такого наклона дифракционных решеток анализаторов, чтобы их отверстия были, по существу, перпендикулярны падающим рентгеновским пучкам, подобно направлению поверхности каждой детектирующей полоски 105a.

В соответствии с одним вариантом осуществления, каждая дифракционная решетка 162 анализатора содержит несколько меньших блоков, выполненных с возможностью соединения между собой в процессе изготовления дифракционных решеток 162 анализаторов.

На фиг. 3a показан участок детектора 105, содержащий четыре детектирующих полоски 105a, при этом приведенная фигура наблюдается, по существу, в направлении падающих рентгеновских пучков 122 к детектору 105, по существу, в отрицательном z-направлении в координатной системе, показанной на фиг. 2a и фиг. 2b. В связи с упомянутыми детектирующими полосками 105a расположены четыре дифракционных решетки 162 анализаторов, т. е. данные решетки расположены некоторым образом вдоль детектирующих полосок 105a во втором x-направлении, чтобы попеременно перекрывать и не перекрывать детектирующие полоски 105a отверстиями 162b и перегородками 162c дифракционных решеток 162 анализаторов. Кроме того, каждая детектирующая полоска 105a собрана из множества пикселей 105p детектора 105, расположенных рядом в x-направлении, как показано на фигуре. Чтобы облегчить пояснение схемы, пиксели выполнены, по существу, прямоугольными. Однако упомянутые пиксели могут иметь форму любого другого типа. В одном варианте осуществления дифракционные решетки 162 анализаторов расположены непосредственно на детектирующих полосках 105a, например, с помощью защелкивающегося соединения между дифракционными решетками анализаторов и детектирующими полосками, но в другом варианте осуществления между детектирующими полосками 105a и дифракционными решетками 162 анализаторов имеется небольшое расстояние. В еще одном варианте осуществления, дифракционные решетки 162 анализаторов расположены непосредственно на выходном коллиматоре 106b, который, в свою очередь, расположен непосредственно на детекторе 105. В соответствии с вариантом осуществления, показанном на фиг. 3a, дифракционные решетки 162 анализаторов расположены с небольшим систематическим смещением одна относительно другой в x-направлении, перпендикулярном направлению сканирования, при этом смещение является, по существу, равным для двух следующих друг за другом детектирующих полосок 105a с дифракционными решетками 162 анализаторов. Расстояние d смещения, т. е. смещение щелей дифракционных решеток дифракционных решеток 162 анализаторов вдоль множества детектирующих полосок 105a, задано из расчета, чтобы множество детектирующих полосок 105a с дифракционными решетками 162 анализаторов производило отсчеты по всему периоду 163d интерференционных полос интерференционных полос 163, сформированных фазовой дифракционной решеткой и смещенных градиентом фазы в объекте 108, когда объект 108 сканируют в процессе сканирующего перемещения в y-направлении. При этом не требуется никакого дополнительного сканирования в x-направлении в соответствии с, например, методом дискретного сканирования, поскольку период 163d интерференционных полос в x-направлении сканируется вместе со сканирующим перемещением в плоскости y-z.

Смещение d является долей периода 163d p_f интерференционных полос, при этом доля изменяется, по существу, от 1 до числа детектирующих полосок 105a с дифракционными решетками 162 анализаторов, т. е. из расчета, чтобы обеспечить

, где N равно числу детектирующих полосок 105a с дифракционными решетками 162 анализаторов. В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, смещение d находится в пределах , предпочтительно равно .

На фиг. 3a интерференционные полосы 163 представлены линиями в y-направлении сканирования. Наиболее темные секции 163a линий представляют максимумы 163a интерференционных полос функции интерференционных полос, и середина белых секций 163b представляет минимумы 163b интерференционных полос функции. Таким образом, секции, окружающие максимумы 163a интерференционных полос, представляют зону 163c увеличения/уменьшения интенсивности интерференционных полос 163. Следовательно, период 163d интерференционных полос определяется как расстояние между, например, двумя максимумами 163a интерференционных полос. Интерференционные полосы 163 на фиг. 3a являются одинаковыми для каждой детектирующей полоски 105, что, тем самым, показывает каждую детектирующую полоску 105a, сканирующую одну и ту же точку в объекте 108 в разные моменты времени. В действительности маловероятно, что объект 108 будет однородным по фазе во всей зоне объекта 108, соответствующей четырем детектирующим полоскам 105a в процессе сканирования. Наоборот, интерференционная картина будет изменяться от одной детектирующей полоски 105 к другой. В соответствии с одним вариантом осуществления, период дифракционной решетки 162 анализатора является таким же, как период интерференционных полос 163 P_f , т. е. при этом ширина отверстий 162b дифракционной решетки соответствует ширине интерференционных полос 163, т. е. половине периода 163d интерференционных полос, содержащей максимум 163a интерференционных полос и секцию, окружающую максимум 163a интерференционных полос. Пиксели 105p каждой детектирующей полоски 105a выполнены с возможностью измерения интенсивности функции интерференционных полос и передачи соответствующего сигнала в блок 121 управления. На приведенной фигуре упомянутый сигнал может соответствовать измеренным максимумам 163a интерференционных полос, как в пикселе 105p A на детектирующей полоске 105a1, измеренной интенсивности, соответствующей любому месту между максимумами и минимумами интенсивности, как, например, в пикселе 105p A и B на детектирующей полоске 105a2, или минимумам интенсивности, как, например, в пикселе 105p B детектирующей полоски 105a1, как показано в квадратиках, соответствующих данным, измеренным блоком 121 управления. Местоположение интерференционных полос 163 в каждом пикселе выводится из регистрируемых сигналов от нескольких детектирующих полосок в одной и той же точке в объекте. Затем смещение интерференционных полос 163 в каждом пикселе можно вычислить посредством сравнения с опорным сканированием. Пример того, как можно наглядно пояснить вышеизложенное, наблюдается, например, на детектирующей полоске 105a1 и детектирующей полоске 105a2, на которых оба сигнала, относящиеся к максимумам интенсивности и минимумам интенсивности, принимаются из пикселей 105p на одних и тех же детектирующих полосках 105a. С учетом постоянного периода 163d интерференционных полос вдоль каждого пикселя 105p детектора единственным объяснением может быть, что между двумя пикселями существует различие фазового сдвига. Дифференциальный фазовый сдвиг Φ' в объекте можно вычислить из выражения

, при смещении Δp_f интерференционных полос, выведенном из смещения функции интерференционных полос по всему периоду интерференционных полос для функции, когда объект сканировали, т. е. помещали в рентгеновский пучок, в сравнении с опорным сканированием, когда не сканировали никакого объекта или сканировали однородный объект. Затем фактический фазовый сдвиг Φ в объекте можно получить интегрированием Φ', при этом сигнал фазового контраста можно вычислить для каждого пикселя 105a.

В соответствии с другим вариантом осуществления, максимумы и минимумы интенсивности расположены просто на изображении, соответствующем объекту, в котором имеет место фазовый сдвиг, чтобы оператор системы визуализации интерпретировал и идентифицировал представляющие интерес зоны с помощью данной информации. Абсорбционный контраст определяется в направлении сканирования, т. е. посредством усреднения по числу детектирующих полосок 105a, необходимому для охвата всего периода 163d интерференционных полос, при этом среднее значение интенсивности по пикселям 105p упомянутых детекторных полосок 105a формирует абсорбционный контраст одного положения изображения.

На фиг. 3b показан участок детектора 105, сходный с участком на фиг. 3a, и систематическое смещение дифракционных решеток 162 анализаторов двух последовательных детектирующих полосок 105a с соответствующими дифракционными решетками 162 анализаторов, где, по меньшей мере, одна детектирующая полоска 105a, на которой не размещено никакой дифракционной решетки 162 анализатора, располагается между двумя последовательными детектирующими полосками 105a. Следовательно, дифракционные решетки 162 анализаторов не обязательно должны располагаться на каждой детектирующей полоске 105a в детекторе 105, т. е. на смежных детектирующих полосках 105a, и поэтому можно измерять смещение d между двумя последовательными детектирующими полосками 105a, на которых расположена дифракционная решетка 162 анализатора. Кроме того, порядок последовательных детектирующих полосок 105a с дифракционными решетками 162 анализаторов может быть нерегулярным. Однако суммарное число детектирующих полосок 105a с дифракционными решетками 162 анализатора должно быть достаточным для охвата всего периода 163d интерференционных полос интерференционных полос 163. В соответствии с одним вариантом осуществления, в котором смещение устанавливают равным

, потребуется, по меньшей мере, три детектирующие полоски 105a.

На фиг. 3c показан участок детектора 105, сходный с участком на фиг. 3a, но при этом смещение d между двумя последовательными детектирующими полосками 105a с дифракционными решетками 162s анализаторов, в данном случае смежными детектирующими полосками 105a, сдвинуто для одной относительно другой во втором направлении произвольным методом, причем произвольный метод содержит нерегулярное смещение. Единственное ограничение на нерегулярность заключается в том, что при суммировании всех полосок с дифракционными решетками 162 анализаторов они производили отсчеты по всему периоду 163d интерференционных полос интерференционных полос 163, сформированных фазовой дифракционной решеткой и смещенных градиентом фазы в объекте 108, когда сканируют объект 108. То есть нерегулярное смещение должно быть равномерно распределенным и распространяться на весь период интерференционных полос. Чтобы формирование изображения фазовой дифракционной решетки 161 выполнялось для детектора 105 с нерегулярным смещением дифракционных решеток 162 анализаторов, система нуждается в соответствующей калибровке, чтобы точное положение дифракционных решеток анализаторов было известно процессорному устройству (не показанному), которое формирует данные, необходимые для отображения изображения. Упомянутую калибровку можно осуществлять, например, размещением тест-объекта с известным фазовым сдвигом в рентгеновском пучке. В соответствии с одним вариантом осуществления, размещение любого, систематического или нерегулярного, вида для дифракционных решеток анализаторов можно калибровать предпочтительно по приведенному или другим способом. Подобно тому, как показано на фиг. 3b, нерегулярное размещение дифракционных решеток 162 анализаторов может иметь место также в нерегулярном или произвольном порядке следующих друг за другом детектирующих полосок 105a с дифракционными решетками 162 анализаторов.

На фиг. 3d изображен участок детектора 105, на котором показаны только две детектирующих полоски. Дифракционные решетки 162 анализаторов расположены поперечно по всей длине детектирующих полосок 105a2, как наблюдается на фигуре, например, линии дифракционных решеток расположены в x-направлении для охвата всей области изображения в данном направлении. Линии дифракционных решеток смещены между двумя детектирующими полосками 105a2 с поперечно расположенными дифракционными решетками 162 анализаторов на расстояние d₂ (не показанное) по всему множеству детектирующих полосок 105a в направлении сканирования с таким расчетом, чтобы весь период 163d интерференционных полос в y-направлении охватывался отверстиями 162b поперечной дифракционной решетки 162ds анализатора. В предпочтительном варианте смещение d₂ является долей периода 163d Pf₂ интерференционных полос в y-направлении, подобно вышеописанному смещению d, при этом упомянутая доля изменяется, по существу, от 1 до числа детектирующих полосок 105a2 с поперечными дифракционными решетками 162d анализаторов, т. е. из расчета, чтобы обеспечить

, где N равно числу детектирующих полосок 105a с дифракционными решетками 162 анализаторов. В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, смещение d находится в пределах , предпочтительно равно . Чтобы сформировать интерференционные полосы 163 в y-направлении для детекторной полоски с дифракционными решетками анализаторов в упомянутом направлении, необходимо установить соответствующую вторую фазовую дифракционную решетку 161 с линиями дифракционной решетки в y-направлении. Следовательно, направление фазовой(ых) дифракционной(ых) решетки(ток) требуется изменить относительно направления дифракционных решеток анализаторов. В соответствии с одним вариантом осуществления, упомянутая вторая фазовая дифракционная решетка 161 может быть расположена вблизи ранее описанной фазовой дифракционной решетки 161, поперечно первой фазовой дифракционной решетке, при этом формируется перекрестная картина интерференционных полос (не показанных). Таким образом, с помощью упомянутой схемы можно за одно сканирование выполнять определение фазового контраста в двух направлениях, вместе с определением абсорбционного контраста, что дополнительно расширяет возможность обнаружения зон риска и аномалий в сканируемом объекте.

На фиг. 4a изображена компоновочная схема детектора 105 для повышения качества информации о фазовом контрасте в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Как изложено ранее, так называемые расстояния Тальбота можно описать выражением:

, где , n=1, 3, 5.

Энергия фотона обратно пропорциональна длине (λ) волны рентгеновского излучения. Следовательно, взаимосвязь между λ и d_n предполагает, что существует оптимальная энергия E₀ для данного расстояния между фазовой дифракционной решеткой 161 и дифракционной решеткой 162 анализатора. В неподвижной системе в соответствии с одним альтернативным вариантом осуществления изобретения, в которой расстояние фазовой дифракционной решетки 161 относительно дифракционных решеток 162 анализаторов не допускает регулировки, эффективность определения фазового контраста изменяется по энергетическому спектру фотонов, падающих на детектор 105 вследствие изменения видимости функции интерференционных полос с изменением энергии. Энергетический спектр изменяется, например, при настройке ускоряющего напряжения рентгеновского источника 104 оператором перед сканированием градиентов по толщине молочной железы. Кроме того, изменения могут быть также вызваны так называемым автоматическим управлением экспозицией (AEC), при осуществлении последней в системе, при этом поток рентгеновского излучения оптимизируется с учетом толщины молочной железы, измеренной детектором 105 в начале сканирования, посредством адаптивного изменения ускоряющего напряжения рентгеновского источника 104. Автоматическое управление экспозицией (AEC) имеет большое значение при получении высококачественных абсорбционных изображений и поэтому должно функционировать параллельно с функциональной возможностью определения фазового контраста. Узел детектора 105 в соответствии с фиг. 4a предлагает детектор с возможностью взвешивания по энергии для устранения упомянутого ограничения. В соответствии с упрощенной компоновочной схемой пиксели 105p каждой детектирующей полоски 105a в детекторе 105 соединены с усилительным блоком 164a, компаратором 164b и счетным блоком 164c. Когда рентгеновский источник 104 облучает объект 108 и детектор 105 рентгеновским пучком 122, рентгеновский пучок 122, содержащий фотоны в некотором энергетическом спектре, фильтруется объектом, и могут дополнительно возникать фазовые сдвиги фотонов. Таким образом, фотоны содержат соответствующую информацию при падении на детектор 105. Сигнал формируется на основе энергии фотона в пикселях детектора. Сигналы пикселей 105p считываются с первоначальным усилением усилителем. После усиления сигнал может изменяться полосовым фильтром или формирователем, при этом отношение сигнала к шуму повышается посредством подавления высоких частот. После усиления амплитуда сигнала сравнивается с пороговыми уровнями в компараторе, после чего компаратор выдает 1, если сигнал выше порога, и 0, если сигнал ниже порога. После этого счетчик световых импульсов увеличивает свое число каждый раз, когда входной сигнал изменяется от 0 до 1. С помощью компараторов можно подсчитать каждый фотон, имеющий энергию в некотором энергетическом интервале.

На фиг. 4b приведен энергетический спектр падающих фотонов на детекторе в соответствии с одним вариантом осуществления рентгенографического устройства. Оптимальная энергия обозначена E₀, нижний порог обозначен E₁, верхний порог обозначен E₂. В предпочтительном варианте фотонам с энергией в энергетическом интервале от E₁ до E₂, соответствующем фазовому контрасту, присваивается увеличенное весовое значение для эффекта фазово-контрастного изображения либо посредством считывания, либо посредством использования фотонов только в упомянутом энергетическом интервале. Параметр настройки энергетического интервала может быть регулируемым для согласования с подвижными системами, в которых можно регулировать расстояние d_n. Однако ширина энергетического интервала может также зависеть от параметра настройки рентгеновского источника, при этом большее ускорение, приводящее к большему потоку или более высокой интенсивности фотонов, регулирует энергетический интервал в сторону сужения и приближения к оптимальной энергии E₀. Следовательно, когда поток увеличивается, на детектор будет падать большее количество фотонов с энергией, близкой к E₀, так что качество изображения может повышаться. Однако если поток фотонов является небольшим, то для повышения качества изображения потребуется включение фотонов в более широком энергетическом интервале.

В соответствии с другим вариантом осуществления, содержимое счетчиков световых импульсов может считываться блоком 121 управления для оптимального взвешивания фотонов, для обработки и представления изображения. В предпочтительном варианте фотонам, имеющим энергию в энергетическом интервале, имеющем отношение к фазовому контрасту, присваивается более высокое весовое значение для эффекта фазово-контрастного изображения, при этом фотонам, имеющим энергию в энергетическом интервале, имеющем особое отношение к абсорбционному контрасту, присваивается более высокое весовое значения для эффекта абсорбционно-контрастного изображения. Взвешивание основано на критериях, предварительно установленных в блоке управления, при этом фотонам, формирующим фазовый контраст, может присваиваться 1 при нахождении внутри интервала, и 0 - при нахождении вне его, и, что касается абсорбционного контраста, фотонам, имеющим энергию в энергетическом интервале, особенно важном для абсорбционного контраста, присваивается значение больше, чем 0, в соответствии с одним вариантом осуществления. Параметр настройки энергетических интервалов может быть регулируемым для согласования с подвижными системами, в которых можно регулировать расстояние d_n. Приведенный подход нуждается в схеме из компараторов и счетчиков, выполненной с возможностью счета фотонов в двух энергетических интервалах, первом энергетическом интервале, заданном первым нижним порогом и вторым верхним порогом, и втором интервале, заданном первым нижним порогом и вторым верхним порогом. Присвоение более высокого весового значения, в частности, для случая фотонов, формирующих фазовый контраст, может содержать взвешивание умножением на коэффициент 1.

В соответствии с другим вариантом осуществления, для счета и взвешивания фотонов соответственно усилению эффектов фазового контраста и абсорбционного контраста применяют три энергетических уровня, разбивающих энергетический спектр, по существу, на три энергетических интервала, при этом верхний и нижний пределы заданы как бесконечно высокие энергии и 0 соответственно. В предпочтительном варианте, фотоны с энергиями в нижнем энергетическом интервале отфильтровываются и используются для фазового контраста. Фотоны с энергиями в среднем энергетическом интервале подсчитываются и/или положительно взвешиваются, т. е. взвешиваются посредством присвоения более высокого весового значения для абсорбционного контраста, и фотоны с энергиями в верхнем энергетическом интервале подсчитываются и взвешиваются посредством присвоения более высокого весового значения для фазового контраста. Взвешивание фотонов, формирующих фазовый контраст, может содержать взвешивание умножением на коэффициент 1.

На фиг. 5 показана консоль 103 сканирования с рентгеновским источником 104 и детектором 105, расположенными в двух положениях, 107a1 и 107a2 соответственно, по существу, на каждом конце консоли 103 сканирования. Как известно из ранее рассмотренных фигур, например фиг. 2a, фазовая дифракционная решетка 161 и входной коллиматор 106a расположены между рентгеновским источником 104 и детектором 105. Кроме того, между рентгеновским источником 104 и детектором 105 расположена компрессионная пластина 107a, 107b для перемещения и/или сжатия объекта 108, например молочной железы, в вертикальном направлении. В компоновочных схемах формирования изображений, существующих в настоящее время, компрессионную пластину 107a, 107b применяют для прижатия молочной железы вниз ко второй компрессионной пластине 107a, 107b, известной также как столик для объекта 108. Однако для усиления эффекта фазового контраста в рентгеновском изображении молочную железу требуется размещать на большом расстоянии от детектора 105. Как изложено выше, при небольших α преломление вызывает смещение интерференционных полос

на расстояние Λd_n от объекта, где Λ находится в диапазоне от 0 для объекта 108, размещенного в контакте с детектором 105, до 1 для объекта 108 на или перед фазовой дифракционной решеткой 161. Таким образом, чем дальше от детектора 105, тем больше смещение интерференционных полос, определяемое детектором 105. Между эффектом абсорбционного контраста и эффектом фазового контраста имеется компромиссное соотношение, зависящее от вертикального расстояния сканируемого объекта 108 от дифракционной решетки 162 анализатора. Увеличение расстояния от детектора 105 будет ослаблять эффект абсорбционного контраста из-за эффектов рассеяния, в результате которых теряется полезное излучение, которое прошло сквозь объект 108. Поэтому высоту компрессионных пластин 107a, 107b следует регулировать с учетом и до предпочтительного типа сканирования, которое требуется выполнить. Это можно осуществить таким образом, чтобы высота регулировалась автоматически на основании операторской настройки рентгенографической системы 101.

В области маммографии существует все нарастающая потребность в трехмерной (3-мерной) информации, которая может обеспечить меньшее отвлечение внимания на анатомические структуры и обеспечивает 3-мерную локализацию. Предложенные варианты осуществления, раскрытые в настоящей заявке, можно легко применить в известных решениях для томосинтеза, в которых формируют углы проекций с целью создания изображений проекций, когда рентгеновский источник 104 облучает каждую точку в объекте 108 под различными углами.

Настоящее изобретение не должно быть ограничено выделением информации о фазовом контрасте из регистрируемых сигналов от интерференционных полос. Одним из примеров другой информации, которая может иметься в наличии, является информация о рассеивающей способности объекта, например, при формировании изображения так называемым методом темного поля. При формировании изображения методом темного поля видимость регистрируемой периодической функции, определяемой из выражения

,

где I_max и I_min означают максимум и минимум интенсивности соответственно, можно сравнивать с видимостью при опорном сканировании и использовать для получения изображения методом темного поля.

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к рентгенографическим средствам формирования изображения методом фазового контраста. Система содержит рентгеновский источник, детектор с множеством детектирующих полосок, расположенных в первом направлении детектора, при этом каждая детектирующая полоска содержит множество пикселей, расположенных во втором направлении детектора, фазовую дифракционную решетку, множество дифракционных решеток анализаторов, содержащих щели. Рентгеновский источник и детектор выполнены с возможностью сканирующего перемещения относительно объекта в первом направлении. Дифракционные решетки анализатора расположены между рентгеновским источником и детектором, и каждая из множества дифракционных решеток анализатора расположена в связи с соответствующей детектирующей полоской, с щелями дифракционных решеток, расположенными во втором направлении. Щели дифракционных решеток детектирующих полосок смещены одна относительно другой во втором направлении. Использование изобретения позволяет уменьшить погрешности и повысить соотношение сигнал/шум при применении фазового контраста в рентгенографии. 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула