专利名称：X射线成像装置和x射线成像方法
技术领域：
本发明涉及χ射线成像装置和χ射线成像方法。
背景技术：
利用放射线的非破坏性检查在工业、医学治疗等中被广泛地进行。
例如作为一种类型的放射线的X射线是具有约0.01人至10歷(10_12至10_8m)的范围中的波长的电磁射线。具有较短波长的X射线(约^eV或更高)被称为硬X射线，并且，具有较长波长的X射线(约0. IkeV至约^eV)被称为软X射线。
通过利用高度穿透性X射线的吸收能力的差异，X射线吸收衬度(contrast)方法在实践上被采用以例如用于铁和钢中的内部裂纹的检查或行李安全检查。
另一方面，对于密度与周围介质具有较小差异并导致较小的X射线吸收衬度的被检体(object)的检测，检测由被检体导致的X射线的相位偏移(shift)的X射线相位衬度成像方法是有效的。正在对于共混聚合物的成像以及对于医学治疗等研究这种X射线相位衬度成像方法。
在各种X射线相位衬度成像方法之中，在以下的专利文献1中公开的折射衬度方法利用由被检体导致的相位偏移所产生的折射效果。
该折射衬度方法在将检测器放置得离被检体距离大的情况下通过微细焦点的X 射线源来拾取图像。该折射衬度方法通过被检体的X射线折射效果获得被检体的边缘增强图像。
并且，利用折射效果的该折射衬度方法不一定需要像同步加速器放射线 (synchrotron radiation)那样的高度相干X射线，这与通常的X射线成像方法不同。
另一方面，专利文献2公开了具有在检测器的像素的边缘部分处遮蔽X射线的遮盖件(mask)的成像装置。通过在不存在被检体的情况下放置要被X射线部分照射的遮盖件，由被检体的折射效果导致的X射线的位置偏移可被检测作为X射线的强度变化。
[现有技术文献] [专利文献] [专利文献1]日本专利申请公开No.2002-102215 [专利文献2]国际专利申请公开No.2008/029107

发明内容
但是，在专利文献1中公开的折射衬度方法中，由被检体的折射效果导致的X射线折射的角度非常小，使得检测器应被放置得离被检体距离足够大，以获得边缘增强的被检体图像。因此，折射衬度方法不可避免地需要较大尺寸的检测装置。
本发明意在提供用于克服折射率衬度方法的以上缺点的X射线成像装置和X射线成像方法。
本发明针对一种X射线成像装置，用于获得关于由被检体导致的X射线的相位偏移的信息，所述X射线成像装置包括 分离元件，用于将从X射线产生器单元发射的X射线在空间上分离成X射线束 (X-ray beam)； 衰减器单元，具有用于接收被分离元件分离的X射线束的衰减元件的布置；以及 强度检测器单元，用于检测被衰减器单元衰减的X射线束的强度；并且 衰减元件依赖于该元件上的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。
所述装置可具有计算单元，用于从由强度检测器单元检测到的X射线强度信息计算被检体的微分相位衬度图像或相位衬度图像。
衰减元件可具有在与入射的X射线垂直的方向上连续改变的厚度。
衰减元件可具有三角棱柱的形状。
衰减元件可具有在与入射的X射线垂直的方向上连续变化的密度。
衰减元件可具有使衰减元件中的光路长度对于X射线入射位置的二阶微分值为正的形状。
所述装置可具有移动机构，用于同步移动X射线产生器单元、分离元件、衰减器单元和强度检测器单元。
本发明针对一种用χ射线成像装置进行X射线成像的方法，包括 在空间上分离X射线；以及 通过使用具有衰减元件的布置的衰减器单元，从已透射通过衰减元件的X射线的强度收集关于由被检体导致的X射线相位偏移的信息；并且 衰减元件对应于该元件中的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。
本发明针对一种X射线成像装置，包括 X射线产生器单元，用于产生X射线； 衰减器单元，具有多个衰减元件的布置，所述多个衰减元件各具有根据已透射通过被检体的X射线的强度分布来连续改变X射线的透射量的吸收能力梯度(absorptive power gradient)；以及 X射线强度检测器，用于检测已被衰减器单元衰减的X射线的强度。
本发明针对一种用X射线成像装置进行X射线成像的方法，所述方法采用具有多个衰减元件的布置的衰减器单元来检测通过衰减元件的X射线的强度分布的变化，所述多个衰减元件各具有根据已透射通过被检体的X射线的强度分布来连续改变X射线的透射量的吸收能力梯度。
本发明提供可解决常规的折射衬度方法中的问题的X射线成像装置和X射线成像方法。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。


图1示出本发明实施例1中的X射线成像装置的构成。
图2示意性地示出本发明实施例1中的衰减器单元的一部分。
图3示出本发明实施例2中的X射线成像装置的构成。
图4A和图4B示出本发明实施例2中的衰减器单元的一部分。
图5是本发明实施例2中的计算处理的流程图。
图6示意性地示出实施例3中的构成，其采用另一类型的衰减器单元替代实施例 2的衰减器单元。
图7A和图7B是用于描述本发明实施例4中的衰减器单元和衰减元件的示图。
图8是用于比较指数函数型的光路长度变化与线性函数型的光路长度变化的曲线图。
图9A和图9B是用于比较指数函数型的光路长度变化与线性函数型的光路长度变化的曲线图。
图10是用于描述实施例4中的衰减器单元的示图。
图11示意性地示出本发明实施例5中的计算层析摄影术(computed tomography, CT)的构成。
图12是本发明实施例5中的计算处理的流程图。
图13示出本发明例子1中的X射线成像装置的构成。
图14示出本发明例子2中的X射线成像装置的构成。
图15示出物质对于X射线的折射。
图16A和图16B是用于描述专利文献2中的问题的示图。
具体实施例方式在本发明的实施例中，采用衰减器单元来获得关于由折射效果导致的X射线强度分布的变化或X射线束的位置偏移的信息，所述衰减器单元由分别具有吸收能力梯度(或透射率梯度)的多个衰减元件的布置所构成。
这里，具有吸收能力梯度(或透射率梯度)的衰减元件表示X射线的吸收量(或透射量)依赖于χ射线强度分布或χ射线入射位置而连续变化的元件。可通过连续或逐步地(stepwise)改变形状来构成这种衰减元件。否则，可通过改变每单位体积的X射线的吸收(或透射)量来构成衰减元件。顺便说一句，本申请的说明书中的措词“连续”可包括措词“分阶段(in stages)”的意思。
以下参照具体实施例描述本发明的X射线成像装置和X射线成像方法。
(实施例1) 实施例1描述用于从X射线的相位偏移拾取被检体图像的X射线成像装置的构成。
图15示意性地示出透射通过物质所导致的X射线束的折射。这里，物质对于X射线的折射率比1稍低。
因此，在图15所示的情况下，X射线束1507通过透射通过物质1502而从物质1502 向外被折射(X射线束1507在图15中向上折射)。
已透射通过物质1502的X射线束与沿物质1502的外部行进的X射线1501重叠， 以增大重叠位置处的X射线强度，而在要在物质上的入射位置处折射的X射线束1507的假想延长线上，X射线强度较低。因此，如图15所示，透射的X射线的强度分布1503在物质 1502的边缘处增大。
由于X射线的折射角θ非常小，因此，考虑到检测器的像素尺寸，应使得物质和检测器之间的距离较长，以获得边缘增强的轮廓线(profile line)。因此，在以上的专利文献 1中描述的折射衬度方法中，由于为了放大图像的在被检体和检测器之间的必要的长距离， 所以装置不可避免地较大。
在检测器被放置得离被检体距离较近的情况下，检测器1504的一个像素1505的尺寸比透射X射线强度分布1503中的强度图案大，以相互抵消，从而使该一个像素内的强度均勻化。这使得不能获得物质的边缘增强图像。
因此，该实施例的特征在于衰减器单元在各衰减元件中具有吸收能力梯度以用于检测X射线强度的图案，被检体和检测器之间距离短。
图1示出该实施例的X射线成像装置的构成。
由作为X射线产生器单元的X射线源101产生的X射线通过被检体104偏移其相位以被折射。折射的X射线被引至衰减器单元105。已透射通过衰减器单元105的X射线被作为强度检测器单元的检测器106检测。由检测器106获得的信息被输出到像监视器那样的显示单元108。
被检体104包含人体以及诸如无机材料和无机-有机复合材料的其它材料。顺便说一句，为了移动被检体104，可以另外设置移动机构(图中未示出)。通过适当地移动被检体104，可以获得被检体104的特定点(spot)处的图像。
作为检测器106，可以使用各种类型的X射线检测器，包括间接型X射线检测器和直接型X射线检测器，诸如X射线平板检测器、X射线CCD照相机和直接转换型X射线二维检测器。
检测器106可被放置在衰减器单元105附近或者离它有一定的距离。衰减器单元 105可被并入检测器106中。
为了使用单色X射线，单色器单元102可被设置在X射线源101和被检体104之间。单色器单元102包含X射线多层反射镜和狭缝的组合。
接下来，更详细地描述衰减器单元105。图2示意性地示出衰减器单元105的一部分。在该图中，衰减器单元203由分别具有三角棱柱形状的衰减元件204构成，该三角棱柱形状具有在与入射的X射线垂直的方向上改变的厚度。
通过这种构成，衰减元件204中的透射的X射线的光路长度在X方向上变化。因此，衰减元件204具有吸收能力梯度，通过该吸收能力梯度，吸收(或透射)依赖于X射线强度分布或X射线入射位置而变化。可通过板状部件的加工来形成衰减元件204。
在图2中，附图标记201表示在不存在被检体104的情况下被引至衰减元件204 的基准X射线的强度分布，并且，附图标记202表示通过被检体104造成的折射而被改变并且被弓I至衰减元件204的基准X射线的强度分布。
通过检测器的一个像素检测到的X射线的强度是该一个像素内的积分 (integrated)强度，而不管被引至该一个像素的X射线的强度分布如何。但是，将在X方向上连续改变透射X射线强度的衰减元件204使得能够将通过被检体104造成的折射所导致的X射线强度分布变化转换成透射X射线强度的变化。
例如，在图2中，图中的增强位置202的向上偏移增大透射X射线的强度，而图中的增强位置202的向下偏移减小透射X射线的强度。因此，可通过比较在不存在被检体104 的情况下检测到的X射线强度与在存在被检体104的情况下检测到的X射线强度，作为X射线强度分布来检测微小的折射效果。
这种构成使得能够对检测器106的一个像素内的强度分布的微小变化进行检测。 这使得不必将检测器106放置得离被检体104距离长，并使得能够实现装置的较小尺寸。并且，通过该构成，可通过将检测器106放置得离被检体104距离更长，来检测由折射导致的强度分布的更微细的变化。
通过该技术，由于通过X射线的折射效果检测相位偏移，因此不需要使用较高度相干的X射线。
在以上的描述中，衰减元件具有均勻的有效吸收系数并具有连续改变的形状。但是，衰减元件仅需要具有吸收能力梯度，以在一定的方向上改变X射线的吸收量(透射量)。 例如，对于本实施例的X射线成像装置，如将在后面描述的图4A和图4B所示的具有在与入射的X射线垂直的方向上连续改变的密度的衰减元件也是有用的。
并且，衰减元件的吸收能力梯度不必如图2所示的那样是连续的，而是吸收(透射)量可以逐步改变。例如，元件的形状可逐步改变，或者，元件的密度可逐步改变。
为了获得X射线强度分布的变化，可以在两个或更多个方向上形成衰减元件中的吸收能力梯度。例如，可以在一个衰减元件内在X方向和Y方向上形成吸收能力梯度，以测量两个方向上的相位梯度。为了两个或更多个方向上的测量，元件可以具有棱锥(pyramid) 或圆锥(cone)的形状。
吸收能力梯度不限于在衰减元件之间是均勻的。可以在平面上交替布置在X方向上具有梯度的第一类型的衰减元件和在Y方向上具有梯度的第二类型的衰减元件，以二维地测量相位梯度。
另外，可以层叠沿X方向具有梯度的衰减元件和沿Y方向具有梯度的衰减元件。 即，第一层可由在X方向上具有吸收能力梯度的第一衰减器单元形成，并且，第二层可由在 Y方向上具有吸收能力梯度的第二衰减器单元形成。
为了防止由于来自衰减器单元105的散射X射线导致的图像模糊，可以在衰减器单元105和检测器106之间放置像常规上用于伦琴成像中的格栅(grid)那样的格栅。
(实施例2采用分离(splitting)元件的构成) 该实施例2描述用于获得作为X射线相位偏移信息的相位衬度图像的X射线成像装置和X射线成像方法。该实施例与实施例1的不同在于，采用用于分离X射线的元件。
在以上引用的专利文献2中公开的成像装置采用用于分离X射线的光学元件和用于遮蔽检测器的元件的边缘部分处的X射线的遮盖件。图16A和图16B示出在专利文献2 中描述的检测器的一部分的例子。图16A是自X射线引入侧的检测器的该部分的视图，图 16B是从与X射线引入方向垂直的一侧取得的视图。
遮盖件1602被设置以遮蔽检测器的各像素1601的边缘部分处的X射线束。投影的X射线束1603被引至各像素，X射线束的部分被遮盖件1602遮蔽。通过这种布置，入射的X射线束1603通过折射效果被偏转以改变像素1601上的入射位置。该偏转通过遮盖件 1602的遮蔽改变被引至像素的X射线束的强度。可通过检测X射线强度的变化来测量折射效果。
在专利文献2中公开的方法中，采用遮盖件1602来遮蔽X射线。因此，当X射线 1603的照射的区域完全在遮盖件1602上时，不利地不能检测到X射线的偏转。并且，不能检测到遮盖件1602的区域内的入射X射线1603的偏转。即，专利文献2的方法具有不能感测的区域(insensible region)的问题。
因此，该实施例2描述了与折射衬度方法相比使得能够实现装置的较小尺寸并且与专利文献2中描述的方法相比具有较少的不能感测的区域的方法和装置。
图3示出该实施例的X射线成像装置的构成。
从作为X射线产生器单元的X射线源301发射的X射线在空间上被分离元件303 分离成X射线束。即，X射线用作如专利文献2中描述的具有开口(aperture)的采样遮盖件。透射通过分离元件303的X射线形成X射线的束(flux of X-ray) 0分离元件303可以具有线和间隔(line-and-space)狭缝阵列的形状或者具有二维孔布置的形状。
分离元件303中的狭缝不需要穿透通过基板(base plate)，只要狭缝允许X射线通过即可。分离元件303由具有高X射线吸收能力的材料形成，该材料包含Pt、Au、Pb、Ta 和W，以及包含这样的元素的化合物。
在检测器306的位置处由分离元件303分离的X射线的线和间隔的节距(pitch) 不小于检测器306的像素尺寸。即，构成X射线检测器单元的像素的尺寸不大于被分离元件303分离的X射线的空间节距。
在空间上被分离元件303分离的X射线束被被检体304折射。各X射线束被引入衰减器单元305中。已通过衰减器单元305的X射线束通过检测器306经受X射线强度的测量。由检测器306获得的关于X射线的信息利用计算器单元307在算术上被处理，并且被输出到像监视器那样的显示单元308。
单色器单元302、被检体304、用于移动被检体304的移动机构、检测器306、格栅等可以与实施例1中采用的那些相同。
更具体地描述衰减器单元305。
图4A示意性地示出衰减器单元305的一部分。
基准X射线束401是在不存在被检体304的情况下分离的X射线束，并优选被引至X方向上的X射线衰减器元件404的中心。X射线束402表示由于被检体304的存在所折射的X射线束。衰减器单元403由多个衰减元件404的布置所构成。
如图4B所示，衰减元件404具有在X方向上(与入射的X射线束垂直)连续分布的密度。图4A和图4B中的衰减元件404的密度变化改变了 X射线的吸收程度(透射率)， 较高密度部分允许较少的X射线穿透。即，衰减元件404具有依赖于X射线的入射位置而连续改变X射线的吸收(透射)的吸收能力梯度。
已通过衰减元件404的基准X射线401的强度由以下的式1表示
权利要求
1.一种X射线成像装置，用于获得关于由被检体导致的X射线的相位偏移的信息，所述 X射线成像装置包括分离元件，用于将从X射线产生器单元发射的X射线在空间上分离成X射线束；衰减器单元，具有用于接收被分离元件分离的X射线束的衰减元件的布置；以及强度检测器单元，用于检测被衰减器单元衰减的X射线束的强度；并且衰减元件依赖于衰减元件上的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。
2.根据权利要求1的X射线成像装置，其中，所述装置具有计算单元，用于从由强度检测器单元检测到的X射线强度信息计算被检体的微分相位衬度图像或相位衬度图像。
3.根据权利要求1或2的X射线成像装置，其中，衰减元件具有在与入射的X射线垂直的方向上连续改变的厚度。
4.根据权利要求3的X射线成像装置，其中，衰减元件具有三角棱柱的形状。
5.根据权利要求1或2的X射线成像装置，其中，衰减元件具有在与入射的X射线垂直的方向上连续变化的密度。
6.根据权利要求1至3中任一项的X射线成像装置，其中，衰减元件具有使衰减元件中的光路长度对于X射线入射位置的二阶微分值为正的形状。
7.根据权利要求1至6中任一项的X射线成像装置，其中，所述装置具有移动机构， 用于同步移动X射线产生器单元、分离元件、衰减器单元和强度检测器单元。
8.一种用X射线成像装置进行X射线成像的方法，包括在空间上分离X射线；以及通过使用具有衰减元件的布置的衰减器单元，从已透射通过衰减元件的X射线的强度收集关于由被检体导致的X射线相位偏移的信息；并且衰减元件对应于所述元件中的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。
9.一种X射线成像装置，包括X射线产生器单元，用于产生X射线；衰减器单元，具有多个衰减元件的布置，所述多个衰减元件各具有根据已透射通过被检体的X射线的强度分布来连续改变X射线的透射量的吸收能力梯度；以及X射线强度检测器，用于检测已被衰减器单元衰减的X射线的强度。
10.一种用X射线成像装置进行X射线成像的方法，所述方法采用具有多个衰减元件的布置的衰减器单元来检测通过衰减元件的X射线的强度分布的变化，所述多个衰减元件各具有根据已透射通过被检体的X射线的强度分布来连续改变X射线的透射量的吸收能力梯
全文摘要
用于获得关于由被检体导致的X射线的相位偏移的信息的X射线成像装置包括分离元件，用于将从X射线产生器单元发射的X射线在空间上分离成X射线束；衰减器单元，具有用于接收被分离元件分离的X射线束的衰减元件的布置；以及强度检测器单元，用于检测被衰减器单元衰减的X射线束的强度；并且衰减元件依赖于该元件上的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。
文档编号G01N23/04GK102187207SQ200980141289
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月19日 优先权日2008年10月24日
发明者向出大平, 高田一广, 福田一德, 渡边壮俊 申请人:佳能株式会社