用於對可移動對象進行相位襯度和/或暗場成像的光柵設備的製作方法

2023-06-12 11:19:53 1

本發明涉及用於對可移動對象進行相位襯度成像和/或暗場成像的光柵設備、幹涉儀單元、相位襯度和/或暗場成像系統、相位襯度和/或暗場成像方法、用於控制這樣的設備的電腦程式單元以及存儲有這樣的電腦程式單元的計算機可讀介質。

背景技術：

儘管經典的X射線成像測量由對象引起的對X射線的吸收，但是相位襯度成像旨在探測當X射線穿過要檢查的對象時它們經歷的相位偏移。對於相位襯度成像和/或暗場成像而言，相位光柵被放置在對象後面以在利用(相干)X射線輻照對象時生成強度最大值和最小值的幹涉圖樣。由對象引入的X射線波中的任何相位偏移引起幹涉圖樣中的特定特性位移。因此，測量這些位移允許重建對象的相位偏移。另外，採用這樣的相位光柵，實現從退相干X射線小角散射導出的圖像數據的生成，成像的後者類型也被稱為「暗場成像」。

EP 1 731 099 A1公開了一種包括一個相位光柵和一個幅度光柵的X射線幹涉儀布置。該幹涉儀可以被用於利用標準X射線管來獲得相位襯度圖像。此外，幹涉儀可以使用包括個體子源的陣列的源。子源的陣列可以通過放置狹縫的陣列(即，在源附近的額外幅度光柵)來生成。

US 2010/0322380 A1至此公開了一種X射線探測器，包括敏感元件的陣列和在兩個不同敏感元件前面的被設置有不同相位和/或周期性的至少兩個分析器光柵。具有相互不同的相位的分析器光柵可以被設置在敏感元件前面。探測器可以被應用在用於生成相位襯度圖像的X射線設備中。

作為結果，相位襯度成像不僅提供示出由在檢查下的對象對X射線的吸收的圖像，而且提供示出由對象對X射線射束的相位偏移和對象的暗場的額外的圖像。

對於相位襯度成像，需要具有例如三個不同光柵的設置。這些光柵中的兩個被安裝在患者後面並且兩者之一-所謂的分析器光柵-需要在成像期間被重新定位以便在各個採樣位置處對相位偏移進行採樣。因此，當執行相位襯度成像時，假設對象不移動。然而，當對移動對象，如例如冠狀動脈系統或肺部系統的部分進行成像時，這不是準確的假設。

技術實現要素：

因此，可以存在對提供能夠被用在更寬的應用範圍中的用於相位襯度和/或暗場成像的經改進的光柵設備的需要。

本發明的問題由獨立權利要求的主題來解決，其中，另外的實施例被併入在從屬權利要求中。應當注意，以下所描述的本發明的各方面還應用於對可移動對象進行相位襯度成像和/或暗場成像的光柵設備、幹涉儀單元、相位襯度和/或暗場成像系統、相位襯度和/或暗場成像方法、電腦程式單元以及計算機可讀介質。

根據本發明，提出了一種用於對可移動對象進行相位襯度成像和/或暗場成像的光柵設備。所述光柵設備包括光柵單元、致動單元、運動探測單元和控制單元。

所述致動單元被配置為將所述光柵單元定位在相對於所述可移動對象的不同採樣位置中。

所述運動探測單元被配置為探測所述可移動對象的運動。

所述控制單元被配置為控制所述致動單元，以基於所述可移動對象的探測到的運動來將所述光柵單元定位在所述不同採樣位置中。

作為結果，提供了一種用於對移動對象進行相位襯度成像和/或暗場成像的方法，並且相位襯度和/或暗場成像的應用範圍被加寬到可移動對象。

所述可移動對象可以是例如心臟、肺、參與呼吸運動的肌肉、血管、冠狀動脈、肺動脈、其部分等。該方法還可以被用於實現相位襯度支架推進應用。

在範例中，所述可移動對象的探測到的運動是重複運動。所述可移動對象的重複運動可以是將所述可移動對象從在一個周期期間的起始點帶回到起始點的運動。所述運動可以是例如周期的、循環的、準周期的、準循環的運動等。在範例中，所述可移動對象的探測到的運動是胸部掃描期間的心動周期、呼吸周期或屏氣障礙。

在範例中，探測到的運動數據是以下項的組中的至少一個：吸收圖像數據、運動傳感器數據、視頻數據、其組合等。

可以理解基於所述可移動對象的探測到的運動對光柵單元在不同採樣位置中的定位，其中，所述採樣位置與所述可移動對象的探測到的運動對應、相關和/或取決於所述可移動對象的探測到的運動。換言之，本發明建議例如在心動周期內或在多個心動周期期間對光柵單元移動進行分布。

在範例中，所述不同採樣位置對應於所述可移動對象在探測到的運動的不同周期中的一個運動狀態。換言之，所述光柵單元移動使得各個採樣位置對應於不同心動周期中的同一個運動狀態。下面將更詳細地解釋該方法。

在範例中，所述不同採樣位置對應於所述可移動對象在探測到的運動的一個周期中的不同運動狀態。換言之，所述光柵單元移動使得各個採樣位置對應於同一個心動周期中的不同運動狀態。下面還將更詳細地解釋該方法。

在範例中，在一個成像運行期間存在至少三個相互不同的採樣位置，以便在允許相位檢索(即，對由對象引起的相位偏移的確定)的各個採樣位置處採集圖像。

在範例中，要定位的光柵單元是塔爾博特(Talbot)幹涉儀的光柵並且可以是分析器光柵、相位光柵或源光柵的組中的至少一個。定位移動可以是位移、旋轉、傾斜或其組合。所述分析器光柵和所述相位光柵可以覆蓋完整投影或僅其一部分。

所述採樣位置可以跨越多個心動周期分布，並且最後相位襯度圖像可以使用例如ECG相關從在不同心動周期中採集的幀來組合。換言之，ECG可以同時被記錄被生成，以使在相應的光柵單元位置處生成的各圖像相關。在範例中，因此，所述控制單元被配置為針對相位襯度圖像使所述不同採樣位置之間的可移動對象的探測到的運動相關。而且，要檢查的對象的解剖結構、介入設備上的標記等可以被用於不同採樣位置之間的所述可移動對象的探測到的運動的相關。

在以下中更詳細地解釋本發明的範例：在心臟X射線螢光透射中，以具有例如每秒30幀的時間序列採集多個X射線投影。心臟的準周期性運動將所述解剖結構帶回到在每個心動周期中幾乎相同的運動狀態。假設例如作為光柵單元的分析器光柵的運動與心臟運動相比較是緩慢的，則利用單個心動周期中的心臟的相同運動狀態中的不同分析器光柵位置採集全部投影將是不可能的。因此，相位步進(其是通過例如以一致步子將分析器光柵偏移的規則相位間隔處的圖像採集)可以跨越多個心動周期分布，並且最後相位襯度圖像(和暗場圖像)可以使用例如ECG相關從在不同心動周期中採集的投影獲得。換言之，可以同時地記錄ECG以使相應的分析器光柵位置處生成的各個投影相關。

所謂的「不同周期方法」可以如下地執行：可以採集所述心臟的相位襯度投影的序列並且可以並行測量ECG。可以以以下方式選擇相位步進：當採集隨後的心動周期中的相同心臟運動狀態時，作為光柵單元的所述分析器光柵處於不同採樣位置中。可以從在不同心動周期中採集的投影獲得(計算)所述相位襯度和暗場圖像。

對於相位步進，所述光柵單元的採樣位置應當是不同和非冗餘的。在本文中，非冗餘的意指所述分析器光柵相對於所述相位光柵的位置針對所述採樣位置中的每個是不同的。由於僅所述採樣位置對於所述相位步進是相關的，因此所述相位步進可以對準到平均心率，並且所述周期長度中的心率和小變化不影響得到的圖像。

通過經由吸收圖像檢查所述運動狀態的對應性，可以在計算相位襯度和暗場圖像之前確定所述心臟的實際運動狀態。因此，可以選擇所測量的幀，其關於心臟的空間位置很好地對應。

實現運動校正的相位襯度圖像的備選「一個周期方法」可以基於在計算所述相位襯度和暗場圖像之前在吸收投影上的基於圖像的配準。利用該方法，利用不同光柵單元位置的例如三幅隨後採集的投影的序列可以被用於生成相位襯度圖像和暗場圖像。可以在例如心臟運動期間在這些投影之間發生的運動可以從部分吸收圖像來估計，並且因此可以在對最後圖像的計算之前被校正。可以基於吸收圖像補償採樣位置之間的心臟的運動。

示範性地，備選運動傳感器還可想像為視頻信號，如例如生命體徵相機的所述輸出。

根據本發明，還提出了一種幹涉儀單元。所述幹涉儀單元包括X射線探測器和用於對可移動對象進行相位襯度和/或暗場成像的光柵設備，如上文描述的。所述X射線探測器被配置為探測穿過所述光柵設備的X射線射束。所述光柵設備包括光柵單元、致動單元、運動探測單元和控制單元。所述光柵單元基於所述可移動對象的探測到的運動而被定位在不同採樣位置中。所述X射線探測器可以提供有足夠小的間距、因此足夠大的解析度，以用於探測(即足夠地解析)由所述光柵設備生成的幹涉圖樣。出於該目的，所述X射線探測器可以是已知本身具有50微米或更多的空間解析度的高解析度X射線探測器，或如US 2014/0177795 A1中描述的類型的X射線探測器，通過引用將其併入本文。備選地，如果所述光柵單元被提供有被布置在所述X射線探測器前面的光學路徑中的分析的光柵，則所述X射線探測器可以具有較不高的解析度。

根據本發明，還提出了一種相位襯度和/或暗場成像系統。所述相位襯度和/或暗場成像系統包括X射線源和幹涉儀單元，如上文描述的。所述X射線源被配置為提供穿過對象和所述幹涉儀單元的X射線射束。所述相位襯度和/或暗場成像系統允許對移動對象進行相位襯度和/或暗場成像。所述可移動對象可以是例如心臟、肺、參與呼吸運動的肌肉、血管、冠狀動脈、肺動脈和/或其部分。

根據本發明，還提出了一種相位襯度和/或暗場成像方法。其包括以下步驟(不必按此順序)：

a)探測可移動對象的運動，並且

b)控制基於所述可移動對象的探測到的運動對光柵單元相對於所述可移動對象在不同採樣位置中的定位。

在範例中，所述可移動對象的探測到的運動是重複運動。所述重複運動可以是例如周期的、循環的、準周期的或準循環的運動。所述可移動對象的所述重複運動可以是將所述可移動對象從在一個周期期間的起始點帶回到起始點的運動。在範例中，所述可移動對象的探測到的運動是心動周期或呼吸周期。

在範例中，所述不同採樣位置對應於所述可移動對象在探測到的運動的不同周期中的一個運動狀態。在另一範例中，所述不同採樣位置對應於所述可移動對象在探測到的運動的一個周期中的不同運動狀態。

根據本發明，還提出了一種電腦程式單元，其中，所述電腦程式單元包括程序代碼模塊，當所述電腦程式被運行在控制根據獨立設備權利要求所述的光柵設備的計算機上時，所述程序代碼模塊用於令所述光柵設備執行相位襯度和/或暗場成像方法的步驟。

應當理解，根據獨立權利要求所述的光柵設備、幹涉儀單元、相位襯度和/或暗場成像系統、相位襯度和/或暗場成像方法、用於控制這樣的設備的電腦程式單元和存儲有這樣的電腦程式單元的計算機可讀介質具有相似和/或相同的優選實施例，尤其是如在從屬權利要求中所定義的。還應當理解，本發明的優選的實施例還可以是從屬權利要求與相應的獨立權利要求的任何組合。

本發明的這些和其他方面將根據下文中描述的實施例變得顯而易見，並且將參考下文中描述的實施例得到闡述。

附圖說明

在下文中將參考附圖描述本發明的示範性實施例：

圖1示出了根據本發明的用於對可移動對象進行差分相位襯度成像的相位襯度和/或暗場成像系統的範例的示意圖。

圖2示意性且示範性地示出了根據本發明的用於對可移動對象進行差分相位襯度成像的幹涉儀單元的實施例。

圖3示意性且示範性地示出了根據本發明的用於對可移動對象進行相位襯度和/或暗場成像的光柵設備的實施例。

圖4示出了具有不同採樣位置中的分析器光柵的相位襯度設置和心電圖的示意性表示。

圖5示出了相位襯度和/或暗場成像方法的範例的基本步驟。

具體實施方式

在圖1中，示意性地示出了用於差分相位襯度成像的相位襯度和/或暗場成像系統10。相位襯度和/或暗場成像系統10包括X射線源18、幹涉儀單元20、處理單元14以及接口單元16。幹涉儀單元20將針對圖2詳細地被解釋並且包括光柵設備和適於記錄X射線輻射的強度變化的探測器。光柵設備包括光柵單元，所述光柵單元可以是例如分析器光柵、相位光柵或源光柵。

桌臺22被布置為接收要檢查的對象(未示出)。X射線源18和幹涉儀單元20至少部分地被安裝在C型臂設備24上，使得桌臺22可以被布置在X射線源18與幹涉儀單元20之間，使得對象可以被放置在X射線源18與幹涉儀單元20之間。

C型臂24被提供，使得C型臂24圍繞對象的移動可能能夠調整查看方向。此外，提供底座26，桌臺22被安裝在底座26上。底座26例如被定位在檢查室的地板上。作為範例，處理單元14和接口單元16被提供在底座26內。此外，顯示器28被布置在桌臺22附近以將信息提供給用戶(例如，外科醫師)。接口單元30被布置為提供用於另外地控制系統的可能性。

對象(例如，患者)可以在輻射流程期間被定位在X射線源18與幹涉儀單元20之間。幹涉儀單元20正經由接口單元16將數據傳送給處理單元14以將所探測的原始圖像數據提供給處理單元14。當然，處理單元14和接口單元16可以被定位在其他位置處，例如，在不同實驗室或控制室處。

此外，應注意到，所示出的範例是所謂的C型X射線圖像採集設備。當然，可以提供其他X射線圖像採集設備，例如，具有固定或可移動X射線源18和幹涉儀單元20的CT系統和固定系統。當然，還可以提供可移動X射線設備。

圖2示意性示出了包括光柵設備的幹涉儀單元20和用於記錄X射線輻射的強度變化的探測器26。如在圖3中詳細解釋的光柵設備包括光柵單元51，所述光柵單元在此處是分析器光柵24。圖2還示出了X射線源18、源光柵32以及相位光柵22。此外，在圖2中示意性地指示了對象34。

X射線源18生成多色譜的X射線射束36。為了提供對被應用到對象34的X射線射束36的足夠的相干，源光柵32利用相應的光柵結構來調整，以將X射線源18的X射線輻射分裂為至少部分相干的X射線輻射。因此，X射線射束36穿過源光柵32並且然後被提供為經調整的X射線射束38。結果，可以在分析器光柵24的位置處觀察到幹涉。

在圖2中顯示的特定範例中，源光柵32、相位光柵22和分析器光柵24被布置在所謂的「常規幾何結構」中。在所述常規幾何結構中，源光柵32與相位光柵22之間的距離大於相位光柵22與分析器光柵24之間的距離。備選地，源光柵32、相位光柵22和分析器光柵24可以被布置在所謂的「倒轉幾何結構」中。在所述倒轉幾何結構中，源光柵32與相位光柵22之間的距離小於相位光柵22與分析器光柵24之間的距離。因此，在倒轉幾何結構中，要被成像的對象通常被布置在相位光柵22與分析器光柵24之間。作為另一選項，源光柵32、相位光柵22和分析器光柵24可以被布置在所謂的「對稱幾何結構」中。在所述倒轉幾何結構中，源光柵32與相位光柵22之間的距離等於相位光柵22與分析器光柵24之間的距離。對於更多信息(通過引用併入本文)，參見Tilman Donath等人的「Inverse geometry for grating based x-ray phase contrast imaging」，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 106，054703(2009)。

根據另一示範性實施例，儘管還未示出，但是源光柵可以被省略並且X射線源18適於提供足夠的相干X射線輻射，使得可以在分析器光柵24的位置處觀察幹涉，例如，通過同步加速器或微焦點X射線管。

根據又一示範性實施例，儘管還未示出，但是光柵單元51還可以是相位光柵22或源光柵32。

在圖2中，示出沿著光學路徑布置源18、源光柵32、相位光柵22和分析器光柵24以及探測器26。因此，探測器26記錄對象34的圖像信息40。

圖3示意性且示範性地示出了根據本發明的用於對可移動對象34進行相位襯度和/或暗場成像的光柵設備50的實施例。光柵設備50包括光柵單元51、致動單元52、運動探測單元53和控制單元54。致動單元52將光柵單元51定位在相對於可移動對象34的不同採樣位置中。運動探測單元53探測可移動對象34的運動。可移動對象34的探測到的運動此處是重複運動。控制單元54控制致動單元52，以基於可移動對象34的探測到的運動將光柵單元51定位在不同採樣位置中。因此，提供了用於對移動對象34進行相位襯度和/或暗場成像的光柵設備50。

可移動對象34可以是例如心臟、肺、參與呼吸運動的肌肉、血管、冠狀動脈、肺動脈和/或其部分。運動可以是例如周期的、循環的、準周期的或準循環的運動。運動數據可以是以下項的組中的至少一個：吸收圖像數據、ECG數據、運動傳感器數據和視頻數據。光柵單元51此處是分析器光柵24。運動探測單元53可以是ECG。在這種情況下，運動探測單元53未被布置在可移動C型臂設備24上。

本發明建議將光柵單元51移動分布在運動的一個周期內或在運動的多個周期上。圖4示出了心電圖和具有在不同心動周期中的相同運動狀態中在不同採樣位置中的分析器光柵24的相位襯度設置(左)以及具有針對在相同心動周期中採集的三個不同的投影的不同採樣位置中的分析器光柵24的相位襯度設置(右)的示意性表示。圖4還示出了恆定定位的相位光柵22和探測器26。

在圖4的左側的範例中，不同採樣位置對應於可移動對象34在探測到的運動的不同周期中的一個運動狀態。換言之，光柵單元51移動使得各個採樣位置對應於不同心動周期中的同一個運動狀態。執行所謂的「不同周期方法」，其中，採集心臟的相位襯度投影的序列並且例如並行測量ECG。以以下方式選擇相位步進：當採集隨後的心動周期中的相同心臟運動狀態時，分析器光柵24處於不同採樣位置中。然後，基於ECG信息來組合來自在不同心動周期中採集的幀的相位信息。

在圖4的右側的範例中，不同採樣位置對應於可移動對象34在探測到的運動的一個周期中的不同運動狀態。換言之，光柵單元51移動使得各個採樣位置對應於同一個心動周期中的不同運動狀態。實現運動校正的相位襯度圖像的所謂的「一個周期方法」可以基於在計算相位襯度和暗場圖像之前在吸收投影上的基於圖像的配準。利用該方法，例如利用不同光柵單元位置的三幅隨後採集的圖像的序列被用於生成相位圖像和暗場圖像。可以在心臟周期期間在這些圖像之間發生的運動從部分吸收圖像來估計並且因此在對最後圖像的計算之前被校正。然後基於吸收圖像來補償採樣位置之間的心臟的運動。

圖5示出了相位襯度和/或暗場成像方法的步驟的示意性概述。所述方法包括以下步驟(不必按此順序)：

在步驟S1中，探測可移動對象34的運動，並且

在步驟S2中，控制基於可移動對象34的探測到的運動對光柵單元51相對於可移動對象34在不同採樣位置中的定位。

相位襯度和/或暗場成像方法允許對移動對象34進行相位襯度和/或暗場成像。可移動對象34可以是例如心臟、肺、參與呼吸運動的肌肉、血管、冠狀動脈、肺動脈和/或其部分。運動可以是重複運動。運動可以是例如周期的、循環的、準周期的或準循環的運動。在範例中，可移動對象34的探測到的運動是心動周期或呼吸周期。

在範例中，不同採樣位置對應於可移動對象34在探測到的運動的不同周期中的一個運動狀態。在另一範例中，不同採樣位置對應於可移動對象34在探測到的運動的一個周期中的不同運動狀態。

在本發明的另一示範性實施例中，提供了一種電腦程式或一種電腦程式單元，其特徵在於適於在適當的系統上運行根據前面的實施例之一所述的方法的方法步驟。

因此，所述電腦程式單元可以被存儲在計算機單元上，所述計算機單元也可以是本發明的實施例的部分。該計算單元可以適於執行以上描述的方法的步驟或誘發以上描述的方法的步驟的執行。此外，其可以適於操作以上描述的裝置的部件。所述計算單元能夠適於自動地操作和/或運行用戶的命令。電腦程式可以被加載到數據處理器的工作存儲器中。所述數據處理器由此可以被裝備為執行本發明的方法。

本發明的該示範性實施例涵蓋從一開始就使用本發明的電腦程式或藉助於更新將現有程序轉變為使用本發明的程序的電腦程式兩者。

更進一步地，所述電腦程式單元能夠提供實現如以上所描述的方法的示範性實施例的流程的所有必需步驟。

根據本發明的另一示範性實施例，提出了一種計算機可讀介質，例如CD-ROM，其中，所述計算機可讀介質具有存儲在所述計算機可讀介質上的電腦程式單元，其中，所述電腦程式單元由前面部分描述。

電腦程式可以存儲和/或分布在與其他硬體一起提供或作為其他硬體的部分提供的諸如光學存儲介質或固態介質的適當的介質上，但是電腦程式也可以以其他的形式分布，例如經由網際網路或其他有線或無線的遠程電信系統分布。

然而，所述電腦程式也可以存在於諸如全球資訊網的網絡上並能夠從這樣的網絡中下載到數據處理器的工作存儲器中。根據本發明的另一示範性實施例，提供了一種用於使得電腦程式單元能夠被下載的介質，其中，所述電腦程式單元被布置為執行根據本發明的之前描述的實施例之一所述的方法。

必須指出，本發明的實施例參考不同主題加以描述。具體而言，一些實施例參考方法類型的權利要求加以描述，而其他實施例參考設備類型的權利要求加以描述。然而，本領域技術人員將從以上和下面的描述中了解到，除非另行指出，除了屬於一種類型的主題的特徵的任何組合之外，涉及不同主題的特徵之間的任何組合也被認為由本申請公開。然而，所有特徵能夠被組合以提供超過特徵的簡單加和的協同效應。

儘管已經在附圖和前面的描述中詳細說明和描述了本發明，但這樣的說明和描述被認為是說明性或示範性的而非限制性的。本發明不限於所公開的實施例。通過研究附圖、說明書和從屬權利要求，本領域的技術人員在實踐請求保護的本發明時能夠理解和實現所公開的實施例的其他變型。

在權利要求中，詞語「包括」不排除其他單元或步驟，並且，詞語「一」或「一個」並不排除多個。單個處理器或其他單元可以履行權利要求書中記載的若干項目的功能。儘管在互不相同的從屬權利要求中記載了特定措施，但是這並不指示不能有利地使用這些措施的組合。權利要求中的任何附圖標記不應被解釋為對範圍的限制。