[发明专利]处于高能量的X射线相衬成像和CT的大视场光栅干涉仪

说明书

政府权利

在由国家卫生研究院（NIH）、卫生与人力资源服务部所授予的批准号1R21EB012777-01A之下，在政府支持的情况下作出了本发明。政府具有本发明中的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请涉及在2013年1月31日提交的题为“DifferentialPhaseContrastX-rayImagingSystemandComponents”的美国专利申请序列号13/493,392，以及由DanStutman和MichaelFinkenthal在2014年2月6日提交的题为“SystemandMethodforPhase-ContrastX-rayImaging”的美国专利申请序列号14/174,830，并且要求来自在2013年2月12日提交的题为“HighEnergyX-RayPhaseContrastCTSystemsUsingTiledGlancingIncidenceGratings”的美国临时专利申请的优先权，在此通过引用被整体地并入。

技术领域

本公开总体上涉及医学成像。更具体地，本公开涉及提供用高能量X射线的大视场相衬成像的设备。

背景技术

Talbot-Lau干涉仪由三个微周期光栅组成：‘源’、‘光束分离器’，和‘分析器’。源和分析器是通常地由Au制成的吸收光栅，而光束分离器是通常由Si或Ni制成的薄相位光栅。为了能够实现厚的身体部位的微分相衬（DPC）成像，干涉仪必须以高能量工作。例如，能够潜在地进行用于膝盖的X射线DPC成像，对于其而言，通常在60-65kVp（40-45keV平均光谱能量）下进行射线照相并且在80-90kVp（55-60keV平均能量）下进行常规CT。

另外，干涉仪必须对小的X射线角度改变非常灵敏以能够实现可接受剂量的情况下的折射成像。通过两个参数来确定灵敏度：条纹对比度或‘可见度’V，和角分辨率W。对比度被定义为V=（I_BF-I_DF）/（I_BF+I_DF），其中I_BF和I_DF分别是“明场’和‘暗场’强度，而通过光栅之间的距离和干涉仪周期之间的比率给出W。高对比度（在大约≥20%范围内）对医学DPC成像是必要的，因为DPC图像中的信噪比（SNR）在增加对比度的情况下快速地改善（例如，如在DPC-CT中～V²）。还需要良好的角分辨率（W≤多个μ弧度），因为软组织中的X射线折射角处于子μ弧度范围中。对高对比度和角分辨率的要求在高X射线能量下更关键，因为折射角随能量而减小，如～1/E²。

对于大的身体部位的DPC成像，Talbot-Lau干涉仪必须在≥40keV的平均光谱能量下具有≥20%的对比度，同时使用具有≤10μm周期的光栅。然而，在使用常规垂直入射Talbot-Lau干涉仪的情况下这是不可能的，因为数微米周期吸收光栅的厚度在技术上局限于～100μm。为了说明此限制，在图1A中，绘制出针对55keV平均能量所设计的并且具有100μm厚、50%占空比Au光栅的第一塔尔波特阶数（m=l）、5μm周期干涉仪的计算对比度。还绘制出在透射通过2mmAl、75μmCu和150mm软组织之后的80kVpW阳极管的光谱。最大对比度是低的并且对比度曲线与管光谱不良地重叠，有助于仅仅～6%的光谱平均对比度。为了比较，具有完美吸收光栅的干涉仪将具有～32%平均对比度。

能够实现在高X射线能量下的相衬成像的设备是掠射角Talbot-Lau干涉仪（GAI），其中光栅具有沿着光束方向以α～10-30°的角度倾斜的条。使光栅倾斜的效果是将有效吸收体厚度从垂直入射值t增加至t/sin(α)。因为X射线吸收随着厚度按指数规律地增加，这使得能够使用现有的～100μm厚的光栅以高能量实现高对比度。

GAI设备的主要限制（诸如上文所述的限制）是通过倾斜光栅开孔中的强的准直，使在垂直于光栅条的方向上的视场受限（渐晕）到≤数十mm，如图1B中所示。同时，对于诸如厚身体部位或交运行李之类的较大对象的CT需要高达几十cm的FOV。另外,先前的研究表明用于相衬断层摄影（PC-CT）的最优配置是在光栅条与CT轴平行的情况，如图1B中所示的。

因此提供一种以高效且准确的方式组合多个GAI光栅以便构成将允许大的对象的DPC-CT和成像的大的FOV干涉测量系统的设备将是有利的。