Результат интеллектуальной деятельности: ФОРМИРОВАНИЕ АХРОМАТИЧЕСКОГО ФАЗОКОНТРАСТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Область изобретения

Изобретение относится к формированию ахроматического фазоконтрастного изображения. В частности, изобретение относится к устройству формирования фазоконтрастного изображения для исследования представляющего интерес объекта, к модулю с фазовой дифракционной решеткой для устройства формирования фазоконтрастного изображения и к способу формирования фазоконтрастного изображения для исследования представляющего интерес объекта.

Предпосылки создания изобретения

Строгое ограничение для систем формирования фазоконтрастного изображения на основе решетки, таких как системы формирования фазоконтрастного рентгеновского изображения для жесткого рентгеновского излучения (от 15 до 30 кэВ), состоит в том, что система обычно должна быть предназначена для определенного значения энергии E_M. Следовательно, такие системы будут использовать фазовую информацию в более или менее узкой полосе с шириной полосы, составляющей приблизительно 10% вблизи заданной энергии. Для маммографических систем типичные спектры гораздо шире по полосе, и необходимый выбор заданной энергии может значительно ограничивать в спектре часть энергии рентгеновского излучения, участвующую в процессе формирования фазоконтрастного изображения.

Краткое описание изобретения

Было бы желательно создать систему формирования изображения и способ, которые используют большее количество доступной энергии.

Изобретение относится к устройству формирования фазоконтрастного изображения для исследования представляющего интерес объекта, к модулю с фазовой дифракционной решеткой для устройства формирования фазоконтрастного изображения и к способу формирования фазоконтрастного изображения для исследования представляющего интерес объекта в соответствии с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные признаки приведенных в качестве примеров вариантов реализации изобретения заявляются в зависимых пунктах формулы изобретения.

Следует отметить, что признаки, которые описываются в дальнейшем для примера по отношению к устройству формирования изображения или модулю, также могут быть реализованы как стадии способа в соответствии с приводимыми в качестве примеров вариантами реализации изобретения, и наоборот.

В соответствии с приводимым в качестве примера вариантом реализации изобретения, предлагается устройство формирования фазоконтрастного изображения для исследования представляющего интерес объекта, причем устройство содержит источник, детектор, первую фазовую дифракционную решетку (G1) и вторую фазовую дифракционную решетку (G1'). Источник предназначен для генерации пучка излучения, в частности пучка полихроматического рентгеновского излучения. Детектор служит для детектирования излучения после прохождения им представляющего интерес объекта и первой и второй фазовых дифракционных решеток. Первая фазовая дифракционная решетка располагается между источником и детектором и имеет первый шаг, а вторая фазовая дифракционная решетка также располагается между источником и детектором и имеет второй шаг, где первый шаг отличается от второго шага.

Другими словами, может быть создано устройство формирования фазоконтрастного изображения, которое использует, по меньшей мере, две различные фазовые дифракционные решетки. Это дает возможность использовать фазовую информацию в более широком энергетическом диапазоне, например, при формировании дифференциального фазоконтрастного изображения (DPCI) на основе рентгеновского излучения.

Кроме того, две фазовые дифракционные решетки могут иметь различную высоту, т.е. различную толщину и/или углубления с различной глубиной.

В соответствии с другим, приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения, вторая фазовая дифракционная решетка расположена вблизи от первой фазовой дифракционной решетки. Например, две фазовые дифракционные решетки формируются как целая часть модуля с фазовыми дифракционными решетками.

В соответствии с еще одним, приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения, вторая фазовая дифракционная решетка располагается на предварительно заданном расстоянии от первой фазовой дифракционной решетки. Это также может помочь использовать фазоконтрастную информацию на большей ширине полосы, чем обычные 10%.

Следует отметить, что дополнительно могут быть предложены фазовые дифракционные решетки, которые отличаются по соответствующему шагу или/высотам.

В соответствии с другим, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, обеспечивается третья дифракционная решетка, где третья дифракционная решетка представляет собой поглощательную дифракционную решетку, которая формирует часть детектора или располагается справа перед детектором. Третья дифракционная решетка имеет третий шаг и/или высоту, который отличается от первого шага и второго шага первой и второй дифракционных фазовых решеток.

В соответствии с еще одним, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, устройство формирования изображения дополнительно содержит четвертую дифракционную решетку, расположенную между источником и представляющим интерес объектом, где четвертая дифракционная решетка представляет собой поглощательную дифракционную решетку и имеет четвертый шаг, который отличается от первого шага и второго шага.

Эта решетка используется для генерации когерентного рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение из трубки (даже каждая монохроматическая компонента) не может быть использовано для интерференции из-за недостатка когерентности. Данная решетка «генерирует когерентные лучи» путем разделения источника на более мелкие части (линейные источники).

В соответствии с другим, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, первый шаг соответствует первой энергии излучения, излучаемой источником. Второй шаг соответствует второй энергии излучения. Кроме того, первая дифракционная фазовая решетка имеет расстояние Тальбота для первой энергии, и вторая дифракционная решетка имеет такое же расстояние Тальбота для второй энергии.

Таким образом, интенсивности для двух различных заданных энергий (первая энергия и вторая энергия, E_1, E₂) накладываются в месте расположения детектора для одной и той же величины расстояния d_T Тальбота.

В соответствии с еще одним, приведенным в качестве примера, вариантом реализации настоящего изобретения поглощательная дифракционная решетка G₂ имеет третий шаг, равный среднему гармоническому от величин шагов указанных двух дифракционных решеток: 2 Ч (первый шаг Ч второй шаг)/(первый шаг + второй шаг).

На детекторе, следовательно, будет иметь место суперпозиция модуляций двух интенсивностей. Это будет проявляться в биениях с большой и малой частотной компонентой. В процессе восстановления фазы нужно будет принимать во внимание эффект биений. В стандартной системе (Pfeiffer и др.) модуляция имеет тригонометрическую форму. В более общем случае, описанном здесь, происходит суперпозиция двух таких профилей с различной частотой, которые тем не менее детектируется, если выполняется пошаговое изменение фазы на протяжении одного полного периода биений.

В соответствии с другим, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, первая энергия имеет величину в два раза больше второй энергии.

В соответствии с еще одним, приведенным в качестве примера, вариантом реализации настоящего изобретения, устройство формирования изображения приспособлено для использования в качестве маммографического устройства формирования изображения для исследования женской молочной железы.

В соответствии с другим, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, источник представляет собой источник рентгеновского излучения, где устройство приспособлено для использования в качестве устройства формирования изображения с дифференциальным контрастом на основе рентгеновского излучения.

В соответствии с еще одним, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, устройство формирования изображения приспособлено для использования в качестве устройства формирования оптического изображения, где пучок энергии, используемой для зондирования объекта, представляет собой пучок оптического излучения с длиной волны в диапазоне, например, от 400 до 1400 нм.

В соответствии с другим, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, создается модуль с фазовыми решетками для устройства формирования фазоконтрастного изображения для исследования представляющего интерес объекта, причем модуль содержит: первую фазовую дифракционную решетку, расположенную между источником устройства формирования изображения и детектором устройства формирования изображения, где первая фазовая дифракционная решетка имеет первый шаг, и вторую фазовую дифракционную решетку, расположенную между источником и детектором, где вторая фазовая дифракционная решетка имеет второй шаг, и где первый шаг отличается от второго шага.

Модуль с фазовыми решетками может быть сконструирован так, что расстояние между первой и второй фазовыми решетками может регулироваться электронным образом, с помощью блока управления. Кроме того, обе фазовые дифракционные решетки могут быть заменены различными фазовыми дифракционными решетками, или к модулю могут быть добавлены дополнительные фазовые дифракционные решетки. В соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения модуль содержит три различных фазовых дифракционных решетки, которые могут перемещаться с помощью блока управления для того, чтобы регулировать их расстояние по отношению друг к другу.

В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения предлагается способ формирования фазоконтрастного изображения для исследования объекта, представляющего интерес, содержащий стадии генерации источником пучка излучения, использования первой фазовой дифракционной решетки, имеющей первый шаг и расположенной между источником и детектором для создания первого изображения Тальбота, соответствующего первой энергии излучения, на расстоянии Тальбота от первой дифракционной решетки, использования второй фазовой дифракционной решетки, имеющей второй шаг и расположенной между источником и детектором для создания второго изображения Тальбота, соответствующего второй энергии излучения на том же расстоянии Тальбота от первой решетки, и детектирования с помощью детектора пучка излучения после прохождения им представляющего интерес объекта и первой и второй решеток, где первый шаг отличается от второго шага.

В соответствии с еще одним, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, способ дополнительно содержит стадию использования третьей фазовой дифракционной решетки, имеющей третий шаг и расположенной между источником и детектором, для создания третьего изображения Тальбота, соответствующего третьей энергии излучения, на том же расстоянии Тальбота от первой решетки, где третий шаг отличается от первого шага и второго шага.

Поглощающая решетка G0 может использоваться для получения когерентности, а другая поглощающая решетка G2 может использоваться для детектирования полос в целом. Стандартные детекторы не могут предложить достаточно высокое пространственное разрешение по отношению к непосредственному детектированию полос.

В соответствии с другим, приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, способ дополнительно содержит стадию использования поглощающей решетки, имеющей шаг, который равен среднему гармоническому шагов двух решеток:

2 Ч (первый шаг Ч второй шаг)/(первый шаг + второй шаг), где поглощающая решетка является частью детектора.

Можно видеть, в качестве основной концепции согласно приведенному в качестве примера варианту реализации изобретения, что дополнительная фазовая дифракционная решетка G1' располагается прямо перед первой фазовой дифракционной решеткой G1 или позади нее, с шагом, отличным от шага решетки G1. Идея состоит в наложении интенсивностей для двух заданных энергий E₁ и E₂ в месте расположения детектора для одной и той же величины расстояния Тальбота.

Изобретение основано на заключении, что фазовый сдвиг данного слоя материала обратно пропорционален энергии излучения (для рентгеновского излучения). Следовательно, фазовая дифракционная решетка, предназначенная для генерации картины с постоянным фазовым сдвигом величины π при заданной энергии E₂ будет давать фазовый сдвиг 2π для половины заданной энергии. Таким образом, может не быть измеряемого результата на монохроматической компоненте волны с энергией E₁=E₂/2. Для того чтобы сконструировать систему, которая также дает фазовый контраст для E₁, другая дифракционная решетка G1' размещается прямо позади (или перед) решеткой G1.

Если вторая фазовая дифракционная решетка G1 удаляется, может быть получено дополнительное изображение, которое затем может быть удалено из оригинального изображения, полученного за счет использования обеих фазовых дифракционных решеток, для того чтобы выделить E₂. Нужно отметить, что различение между вкладами двух энергий также может быть возможным при пошаговом изменении фазы с обеими решетками G1 и G1'.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными и будут объяснены со ссылкой на варианты реализации, описанные здесь ниже.

Приведенные в качестве примера варианты реализации настоящего изобретения будут описаны далее со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает два спектра рентгеновского излучения после исследования ткани молочной железы толщиной 8 см.

Фиг. 2 показывает компоновку детектора и дифракционной решетки в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 3 показывает систему формирования изображения в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 4 показывает блок-схему способа в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Иллюстрации на чертежах являются схематичными и выполнены не без сохранения масштаба. На различных чертежах аналогичные или идентичные элементы имеют одни и те же ссылочные позиции.

Фиг. 1 показывает спектры рентгеновского излучения после прохождения им 8 см ткани молочной железы. Источником рентгеновского излучения является молибден с энергией 35 кэВ, длиной волны 13 мкм при фильтрации молибдена.

Горизонтальная ось 112 показывает энергию рентгеновского излучения в диапазоне от 10 кэВ до 35 кэВ. Вертикальная ось 113 показывает число отсчетов в условных единицах.

Верхняя кривая 114 показывает число отсчетов в случае, когда ткань молочной железы содержит 33% воды и 67% липидов, а нижняя кривая 115 показывает число отсчетов, когда ткань молочной железы содержит 50% воды и 50% липидов.

Два характеристических пика 116, 117 можно видеть приблизительно при 17,3 кэВ и 17,4 кэВ, и 19,7 кэВ и 20,0 кэВ соответственно.

Как можно видеть из спектра, изображенного на фиг. 1, устройство в соответствии с изобретением может преимущественно использовать два пика 116, 117 для формирования изображения, при использовании большого количества энергии, доступной для процесса формирования фазоконтрастного изображения.

Фиг. 2 показывает измерительную установку, содержащую четыре дифракционные решетки и детектор 109 излучения в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения.

Рентгеновские лучи или другие лучи электромагнитной энергии 110, например, излучаемые источником рентгеновского излучения (не изображен на фиг. 2), сначала проходят начальную дифракционную решетку 107 (G0). Затем лучи проходят представляющий интерес объект 103, например молочную железу или другой вид ткани, которая исследуется. Затем лучи проходят первую и вторую фазовые дифракционные решетки 104, 105 (G1, G1'), которые располагаются перед детектором 109 и четвертой дифракционной решеткой 106, которая является поглощающей дифракционной решеткой (G2). Расстояния между двумя фазовыми дифракционными решетками G1, G1' и детектором 109 соответствуют соответствующему расстоянию Тальбота каждой фазовой дифракционной решетки, соответствующей различным заданным энергиям.

Способ формирования изображения в соответствии с изобретением основан на способе Pfeiffer и др. «Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray source», Nature Physics, 2006, использующем три различных дифракционных решетки G0, G1 и G2 для того, чтобы детектировать фазовые сдвиги, вносимые объектом, при наблюдении интерференционных полос с использованием поглощающих дифракционных решеток G2 на детекторе.

Дополнительная часть технических средств состоит из фазовой дифракционной решетки G1', которая расположена прямо позади (или перед) стандартной фазовой дифракционной решеткой G1 с шагом p₂, отличным от шага p₁ решетки G1. Размещение таково, что изображения Тальбота для двух различных заданных энергий E₁ и E₂ в месте расположения детектора накладываются, т.е. для (более или менее) одной и той же величины расстояния d_T Тальбота.

Расположение основано на том наблюдении, что фазовый сдвиг данного слоя материала обратно пропорционален энергии рентгеновского излучения. Следовательно, фазовая дифракционная решетка, предназначенная для генерации картины с постоянным фазовым сдвигом величины π при заданной энергии E_2, будет давать фазовый сдвиг 2π для половины заданной энергии. Таким образом, может не быть измеряемого результата на монохроматической компоненте волны с энергией E₁=E₂/2. Однако, так как прямо позади (или прямо перед) G1 установлена другая дифракционная решетка G1', система формирования изображения также дает фазоконтрастную информацию для первой энергии E₁.

Явления биений будут наблюдаться при интенсивностях, измеряемых с помощью детектора, но расстояние d_T Тальбота будет одинаковым для обеих заданных энергий E₁ и E₂.

Далее предполагается, что система формирования изображения имеет расстояние d_T Тальбота как для E₁=E₂/2, так и для E₂ за счет использования фазовых дифракционных решеток G1 и G1' с шагом p₁ и p₂ соответственно. Фазовый сдвиг π, генерируемый решеткой G1 для энергии E₂, приводит к фазовому сдвигу 2π при энергии E₁. Эффект Тальбота для энергии E₁ должен наблюдаться на расстоянии d_T=p₂ ²/8λ₁. Высота решетки G1' выполнена такой, чтобы она давала фазовый сдвиг π при энергии E₁. Суперпозиция двух различных фазовых решеток в едином месте расположения будет давать эффект биений при фазовом сдвиге с высокой частотой, соответствующей шагу p_eff=2p₁p₂/(p₁+p₂). Изображения Тальбота этой периодической структуры будут наблюдаться на одном и том же расстоянии d_T, если

Для E₂/E₁=2 это дает p₂/p₁ 1,8 и p_eff 1,3. Поглощающая дифракционная решетка может быть изготовлена с шагом p_eff/2 по отношению к шагу полос, полученных за счет волновых полей E₁ и E₂ по отдельности. Процедура восстановления фазы также может быть модифицирована для того, чтобы принять во внимание влияние биений двух монохроматических компонент. Другими словами, так как два модулированных сигнала, соответствующих двум энергиям, накладываются, две фазы должны определяться по модуляции интенсивности.

Хотя способ может работать наилучшим образом для отношения энергии, равного 2, в принципе он также применим к другим отношениям с немного уменьшающейся видимостью полос.

Наконец, также возможно наложить изображения Тальбота более чем двух когерентных монохроматических компонент на одном и том же расстоянии от первой фазовой дифракционной решетки при использовании более одной дополнительной фазовой дифракционной решетки.

Фиг. 3 показывает систему 300 формирования изображения в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения. Система 300 формирования изображения, изображенная на фиг. 3, может быть приспособлена для использования в качестве системы формирования оптического изображения или системы формирования рентгеновского изображения, например маммографической системы формирования изображения. Представляющим интерес объектом 103 может быть молочная железа пациента, которая располагается между двумя создающими давление пластинами 301, 302 для приложения давления к молочной железе пациента.

Источник 101 может быть источником рентгеновского излучения или, например, источником оптического излучения.

Излучение, испускаемое источником 101, сначала проходит дифракционную решетку 107, а затем представляющий интерес объект 103, изображение которого нужно получить. После этого излучение проходит две или более фазовые дифракционные решетки 104, 105. Две или более фазовые дифракционные решетки 104, 105 могут быть объединены в соответствующем корпусе 310 и, таким образом, могут формировать модуль. Модуль подсоединяется к блоку 303 управления так, что фазовые дифракционные решетки 105, 104 могут перемещаться вверх и вниз вдоль стрелок 308, 309.

Кроме того, обеспечивается детектор 102 с поглощательной дифракционной решеткой 106 для детектирования излучения. Как источник 101, так и детектор 102 подсоединяются к блоку 303 управления через линии 304, 305 соответственно.

Детектор 102 содержит интерферометр Тальбота 311.

Кроме того, линия 307 передачи данных присоединяет блок 303 управления к входному и выходному устройству 306, которое может быть использовано для введения управляющей информации для управления системой 300 формирования изображения и которое также может быть использовано для вывода визуальной информации, относящейся к окончательному изображению.

Преимущество системы формирования изображения, показанной на фиг. 3, состоит в том, что может быть использована относительно большая часть спектра рентгеновского излучения для процесса формирования фазоконтрастного изображения при использовании одной или более дополнительных фазовых дифракционных решеток.

Фиг. 4 показывает блок-схему способа в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения. На стадии 401 пучок излучения генерируется источником, например источником рентгеновского излучения. Затем, на стадии 402, две фазовые дифракционные решетки используются для создания изображений Тальбота, соответствующих различным энергиям излучения на расстоянии Тальбота от первой фазовой дифракционной решетки. Затем, на стадии 403, детектируется окончательный пучок после прохождения им представляющего интерес объекта и двух фазовых дифракционных решеток.

Следует отметить, что термин «содержащий» не исключает наличия других элементов или стадий, а упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества соответствующих элементов. Кроме того, элементы, описанные в связи с различными вариантами реализации, могут комбинироваться.

Нужно отметить, что ссылки на ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие рамки формулы изобретения.