КАЛИБРОВОЧНЫЙ ФАНТОМ АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ФАЗОКОНТРАСТНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
CALIBRATION PHANTOM OF HARDWARE FOR DIFFERENTIAL PHASE-CONTRAST VISUALIZATION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к фантомному телу, выполненному с возможностью калибровки системы фазоконтрастной визуализации, к системе фантомных тел и применению фантомного тела для калибровки системы фазоконтрастной визуализации.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электромагнитное излучение, к примеру, рентгеновское излучение, при прохождении через материю подвергается воздействию трех видов искажений: поглощение, преломление (то есть волновой фронт фазы излучения претерпевает сдвиг) и рассеяние, называемое также «малоугловое рассеяние».
Традиционная радиография было сфокусировано исключительно на искажениях при поглощении. Недавно были разработаны методики дифференциального фазового контраста и соответствующие устройства получения изображения, которые дают возможность визуализации всех трех этих искажений и улавливания соответствующих контрастов в отдельных изображениях. Фазоконтрастное изображение обеспечивает лучшее различение мягких тканей относительно традиционного получения изображения, основанного исключительно на поглощении. Кроме того, было отмечено, что, несмотря на великолепные перспективы визуализации, освоение, особенно в области медицины, не было таким энергичным, как можно было ожидать. Одной из причин этого могло быть то, что для фазоконтрастной системы визуализации процедуры калибровки оказывались более трудоемкими вследствие необходимого интерферометрического оборудования (особенно большого количества дифракционных решеток). Некоторые процедуры калибровки основаны на так называемых «фантомах», как например описанные в US 2011/0243305.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следовательно, существует потребность в фантомах для более эффективного проведения процедур калибровки фазоконтрастных систем визуализации.
Задачу настоящего изобретения решают с помощью предмета изобретения независимых пунктов формулы изобретения, где дополнительные варианты осуществления введены в зависимые пункты формулы изобретения. Согласно одному аспекту изобретения обеспечено фантомное тело, выполненное с возможностью калибровки фазоконтрастной системы визуализации, причем система способна к излучению пучка рентгеновских лучей, причем фантомное тело (PB) включает в себя по меньшей мере три взаимно различимых части, выполненных с возможностью совместно вызывать множество искажений относительно пучка рентгеновских лучей, когда упомянутый пучок рентгеновских лучей проходит через фантомное тело, причем упомянутое множество искажений включает в себя i) фазовый сдвиг, ii) поглощение и iii) декогеренцию, причем любое из искажений i), ii) и iii) вызвано именно одной частью из упомянутых по меньшей мере трех взаимно различимых частей в степени, большей чем другие степени, с которыми упомянутое любое из искажений вызвано соответствующими двумя другими частями из упомянутых по меньшей мере трех взаимно различимых частей. Три искажения i), ii) и iii) проявляют себя в виде трех разных физических эффектов, каждый из которых может быть измерен тремя соответствующими величинами/параметрами визуализации, извлекаемых, например, посредством анализа варьирующей интенсивности сигнала на пикселях детектора, причем варьирование обусловлено использованием интерферометрического фазоконтрастного оборудования визуализации. То, что предлагается в данном документе является фантомным телом, где его разные части предназначены для разных из (по меньшей мере) трех физических эффектов. Другими словами, каждая из этих трех частей соответствует именно одному из трех эффектов в более высокой степени или с величиной, чем этому же эффекту могли бы соответствовать другие две части. Другими словами, фантомное тело позволяет калибровать фазоконтрастную систему визуализации одновременно для каждого из трех параметров визуализации, которые извлекаются посредством обработки сигнала сигналов детектора. Степень или величина искажения может быть изменена, к примеру, с помощью величины численных величин, что может быть рассчитано из выборки интерференционного рисунка с помощью интерференционного оборудования. Кроме того, по меньшей мере одна часть из упомянутых по меньшей мере трех взаимно различимых элементов включает в себя по меньшей мере три подчасти, выполненных с возможностью подразделения соответствующей степени искажения, вызванной упомянутой частью на три разные подстепени. Другими словами, три разные степени искажения, вызванные тремя подчастями любой из данных частей могут отличаться друг от друга, тем не менее, каждое из них все еще остается больше, чем такой же тип искажения, вызванный любой частью или подчастью оставшихся двух частей. Например, три подчасти части поглощения могут вызывать высокую, среднюю или низкую степень, соответственно. Тем не менее, каждая из высокой, средней или низкой степени поглощения все еще выше, чем любое из поглощения, вызванного оставшимися двумя частями или подчастями. Наличие для каждого искажения отдельных и различимых уровней или степеней (упомянутого искажения) дает возможность более стабильного подбора аппроксимирующей кривой при обработке сигналов детектора, принимаемых пикселями детектора после прохождения излучения через фантомное тело. Каждая из трех разных степеней искажения одного и того же типа обеспечивает попиксельный локальный «банк» из трех или более апроксимирующих переменных, которые могут быть подобраны более надежно для сигналов, наблюдаемых на различных пикселях детектора. Подчасти и части, используемые в данном документе, являются различимыми в том смысле, что соответствующие уровни искажений, вызванные каждой из этих частей, не переходят плавно от одной части к другой, а существует дискретность при переходе от одной части к другой. Это обеспечивает более точную калибровку, поскольку три искажения могут быть точно откалиброваны без множественных перекрестных воздействий (или, по меньшей мере с минимальными воздействиями).
В соответствии с одним вариантом осуществления по меньшей мере одна часть из по меньшей мере трех взаимно различимых частей сформирована из одного или более кубоидов. В соответствии с вариантом осуществления по меньшей мере одна часть из по меньшей мере трех взаимно различимых частей сформирована из одного или более симметричными тел вращения.
Симметричное расположение тел вращения, образующих различные части и подчасти фантомного тела может быть полезным в компьютерной томографии (КТ) систем визуализации, так что калибровка может проводиться вдоль каждого направления проекции, поскольку рентгеновский источник вращается по орбите вокруг области исследования.
Согласно одному варианту осуществления фантомное тело является симметричным. Симметричное расположение фантомного тела (например, зеркально симметричное) дает возможность индивидуальной калибровки соответствующих сторон слева или справа от оси разных участков решетки в дифференциальном фазоконтрастном интерферометре.
Согласно одному варианту осуществления три или более подчасти по меньшей мере одной части из упомянутых по меньшей мере трех взаимно различимых элементов сгруппированы вместе.
Согласно одному варианту осуществления три или более подчасти по меньшей мере одной части из упомянутых по меньшей мере трех взаимно различимых частей чередуются с одной или более подчастями из по меньшей мере другой одной из двух других частей из упомянутых по меньшей мере трех взаимно различимых частей.
Различные подчасти трех видов частей могут быть либо сгруппированы по отдельности в три отдельные группы, либо могут чередоваться. Это дает возможность лучшей адаптации фантомного тела к пространственным требованиям системы визуализации, которая должна быть откалибрована. Подчасти либо закрепляют постоянно на заземляющей пластине, либо они удаляются оттуда без разрушения, чтобы позволить перегруппировку в свободное от работы время. Например, фантомное тело может выглядеть и оцениваться как калибровочный набор, в котором части или подчасти можно защелкнуть или иным образом смонтировать на пружинной защелке на заземляющую пластину, чтобы образовать физическую структуру фантома, которая соответствует современным требованиям.
Согласно варианту осуществления упомянутая часть из упомянутых по меньшей мере трех взаимно различимых частей, которая вызывает наивысшую степень фазоконтрастного искажения, сформирована из множества клиньев, причем каждый клин имеет разные градиенты угла наклона клина, выполненные с возможностью вызывать разный фазовый градиент, и каждый клин формирует одну из подчастей упомянутой части.
Множество клиньев могут быть либо выполнены монолитными посредством разрезания или фрезерования их из моноблока. Альтернативно, клинья могут быть сформированы как отдельные части, а затем либо склеены вместе, либо бок о бок (в плоскости перпендикулярной направлению распространения входящего рентгеновского излучения), либо могут быть уложены один поверх другого вдоль оси, образованной упомянутым направлением распространения, в соответствии с требованиями. Клинья могут быть расположены контактирующими друг с другом или могут быть размещены дискретно, так чтобы оставлять промежутки между определенными или любыми двумя соседними клиньями.
Согласно одному варианту осуществления по меньшей мере один из клиньев сформирован в виде двойного клина (ромбовидного сечения) с противоположными градиентами угла наклона. В одном варианте осуществления имеется множество таких двойных клиньев, которые размещены либо по соседству друг с другом (примыкающими или с зазорами между любыми двумя двойными клиньями), либо размещают один поверх другого.
Укладывание клиньев (являются ли они двойными клиньями или нет) один поверх другого допускает формирование «ускорителя фазового сдвига» для увеличения необходимого фазового сдвига, поскольку фронт прохождения волны будет испытывать вклады фазового сдвига от каждого из уложенных в стопу (двойных) клиньев.
Согласно одному варианту осуществления по меньшей мере один из упомянутых элементов сформированы из любого из i) поликарбоната, ii) полиметилметакрилата (PMMA), iii) алюминия и iv) эпоксидной смолы.
Согласно одному варианту осуществления часть из упомянутых по меньшей мере трех взаимно различимых частей, которая вызывает наивысшую степень искажения из-за декогеренции, сформирована из структуры, имеющей множество воздушных включений.
Предпочтительно поликарбонат (например, PMMA) или алюминий используют для части поглощения и/или части сдвига. Предпочтительно эпоксидную смолу с воздушными включениями, например, пузырьками или другими пористыми структурами используют для такой части, которая предназначена для того, чтобы вызывать высокую степень рассеяния. Если средний диаметр воздушных включений выбран достаточно большим, то упомянутый пористый материал можно также использовать для элемента фазового сдвига.
В одном варианте осуществления множество разных «простейших» фантомных тел монтируют на общей заземляющей пластине, чтобы создать «сложный» фантом, который можно использовать для того, чтобы калибровать по всей относительной большой системе дифракционной решетки, например дифракционной решетки мозаичной архитектуры, используемой для системы визуализации, где требуется относительно большое поле зрения.
Согласно одному варианту осуществления имеется зазор или интервал между каждой из частей и/или ее подчастей, чтобы повысить точность процедуры калибровки. Это, например, дает возможность гарантировать, что лежащие ниже пиксели детектора принимают сигналы, которые прошли только через одну из частей.
Согласно одному варианту осуществления части фантомного тела образованы или смонтированы на общую заземляющую пластину.
Согласно одному аспекту система фантомных тел предусмотрена включающей в себя множество фантомных тел, описанных ранее, причем упомянутые фантомные тела смонтированы на общей заземляющей пластине. Согласно одному варианту осуществления упомянутое множество фантомных тел расположено на упомянутой общей заземляющей пластине симметричным образом.
В итоге, то, что предлагается в настоящем документе является фантомным телом, более конкретно, отдельное фантомное тело, которое включает в себя по меньшей мере три различных части, каждая из которых предназначена для отдельного одного из трех искажений или физических эффектов взаимодействия излучение-материя, другими словами, вместо того, чтобы иметь три разных отдельных фантома, каждый из которых предназначен только одной из этих частей, в настоящем документе предлагается комплексный подход, так чтобы иметь возможность одновременно калибровать данное дифференциальное фазоконтрастное устройство формирования изображения для каждого из трех каналов изображения. Разные части и их подчасти объединены в единое фантомное тело (например, путем установки на упомянутую общую заземляющую пластину) для облегчения использования и повышения практичности. Фантомное тело, система фантомных тел и применение фантомного тела или системы фантомных тел, в частности, обеспечивает особенно успешное применение в медицинской визуализации, включая, но, не ограничиваясь маммографией и КТ).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примерные варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на следующие чертежи, которые не обязательно выполнены в масштабе, на которых:
На фиг. 1 показаны компоненты фазоконтрастной системы визуализации;
На фиг.2 показан вид сверху калибровочного фантома;
На фиг.3 показан вид сбоку калибровочного фантома с Фиг.1;
На фиг.4 показан второй вид сбоку калибровочного фантома Фиг.1;
На фиг.5 показан вид сбоку части фантома Фиг.1;
Фиг.6 демонстрирует изображения фантома с Фиг. 1, записанные с помощью фазоконтрастной системы визуализации.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На Фиг. 1 показаны основные компоненты системы визуализации (IM) с возможностями фазового контраста, в частности дифференциальной фазоконтрастной визуализации (DPCI). Имеется источник рентгеновского излучения (XR) для генерации волн рентгеновского излучения, XR, которые после прохождения через область исследования определяются посредством пикселей px детектора D. Возможность фазоконтрастной визуализации достигается с помощью размещения интерферометра между источником рентгеновского излучения (XR) и чувствительным к излучению детектором D.
0
1
2
0
Интерферометр (которым в одном неограниченном варианте осуществления является интерферометр типа Lau-Talbot) включает в себя две или более, предпочтительно, три дифракционные решетки G, G и G. Первая ослабляющая дифракционная решетка Gсо стороны источника рентгеновского излучения имеет период p0 для совмещения и вызывает пространственную когерентность фронта волны рентгеновского излучения, излучаемого источником (XR) рентгеновского излучения.
Δϕ
ΦΔ
Поглощательная дифракционная решетка G1 помещается на расстоянии D от источника рентгеновского излучения и дополнительно вызывает интерференционный рисунок с периодом p2 ниже по ходу излечения. Упомянутый интерференционный рисунок может быть обнаружен с помощью детектора D. Теперь, когда образец (изображение которого нужно получить) вводят в область исследования между источником рентгеновского излучения и детектором, фаза интерференционного рисунка после этого смещается. Этот сдвиг интерференционного рисунка (как было отмечено в другом документе, например в F M Epple et al, Unwrapping differential X-ray phase contrast images through phase estimation from multiple energy data, OPTICS EXPRESS, 2 December 2013, Vol 21, No 24) пропорционален градиенту фазового сдвига из-за аккумулированной рефракции вдоль соответствующих путей сквозь образец, отсюда название (DPCI). Другими словами, если затем измерять изменение фазы интерференции, это могло бы позволить выделить сдвиг (или градиент) фазового сдвига, который вызывается в образце рефракцией.
2
1
К сожалению, фазовый сдвиг интерференционного рисунка обычно слишком мал, чтобы быть непосредственно решенным в пространстве. Разрешающие способности большинства детекторов рентгеновских излучения не позволяют этого. Следовательно, для того, чтобы «иметь образец» интерференционного рисунка фазового сдвига, вторую ослабляющую дифракционную решетку Gс таким же периодом p2, как и у интерференционного рисунка помещают на расстоянии l от решетки G. Действительное выделение интерференционного фазового сдвига рисунка (и, следовательно, такого фазового градиента, вызванного этим образцом) может быть достигнуто несколькими различными путями согласно разным вариантам осуществления, которые все предложены здесь.
2
В основном, тем, что требуется для извлечения дифференциальной фазы, является относительное перемещение между детектором D и по меньшей мере одной из дифракционных решеток. Этого можно достичь в одном варианте осуществления с помощью использования актуатора для бокового (то есть вдоль направления x параллельно дифракционным решеткам) перемещения, например, дифракционной решетки анализатора Gпо различным, дискретным положениям дифракционной решетки, а затем измерения интенсивности в каждом положении решетки для каждого положения пикселя. Интенсивность каждого пикселя будет обнаружена осцилляцией в синусоидальном режиме. Другими словами, каждый пиксель регистрирует временные ряды различных интенсивностей (у соответствующего пикселя) как функцию времени (или лучше в зависимости от различных положений дифракционной решетки) во время движения анализатора дифракционной решетки G2. Этот подход («фаза-шаг») был описан F Pfeiffer и другими в "Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources" Nature Phys Lett. 2, 258 -261 (2006).
Δϕ
ΦΔ)
A, V
Δϕ
Как описано, например, на странице 29014, уравнения (1a), (1b) в процитированной раньше ссылке на Epple, интенсивность осцилляционного сигнала каждого пикселя px «кодирует» необходимый фазовый сдвиг интерференционного рисунка вместе с поглощением, вызванным образцом, и декогеренцией, вызванной образцом («известной также как рассеяние на малых углах»). В этом смысле получение дифференциального фазоконтрастного изображения является неправильным названием в качестве метода, дающего не только дифференциальный фазовый контраст, но кроме того сигнал поглощения (который традиционно измеряется в радиографическом исследовании) и третью физическую величину, сигнал декогеренции, который относится к степени рассеяния, испытываемого рентгеновскими лучами (называемого также рассеянием на малых углах). Другими словами сигналы пикселей порождают три различных сигнальных канала визуализации, каждый для отдельного эффекта из трех физических эффектов, i) поглощения, ii) декогеренции и iii) рефракции. Также другими словами, наличие образца будет вносить состоящее из трех частей искажение фронта входящей волны рентгеновского излучения, а дифференциальное фазоконтрастное изображение дает возможность захвата каждого из этих искажений с помощью трех величин или параметров A(поглощения), V (декогеренции),  (~ (фазового сдвига). Эти три величины можно получить обработкой сигналов детектора соответствующего пикселя px в числовой форме посредством схемы сбора и обработки данных (не показана), которая включает в себя, в частности, схему преобразования A/D. Затем числовые данные обрабатывают с помощью Фурье-анализатора FA или посредством операции аппроксимации кривой для получения параметров ,соответствующего пикселя. Группу этих параметров (визуализации) можно затем обработать с помощью блока обработки данных PR. Например, некоторые или все параметры могут быть преобразованы в градацию цветных или серых тонов, а затем воспроизведены для просмотра на экране MT как изображение поглощения, изображение декогеренции («изображение в темном поле») или фазоконтрастное изображение соответственно. Степень или величину искажений для каждого из трех физических эффектов (поглощения, декогеренции или дифференциального фазового контраста) измеряют с помощью трех соответствующих величин, которые получают в результате анализа Фурье или другой операции аппроксимации, выполняемой модулем FA.
1
2
1
2
A
V
Δϕ.
Как коротко показано ранее, выборка интерференционного рисунка необязательно может быть достигнута перемещением дифракционных решеток G, G относительно друг друга. Для других вариантов осуществления, например, для маммографической системы визуализации, две дифракционные решетки Gи G(одна сверху другой) жестко монтируют на детекторе. В этом случае детектор вместе с этими двумя дифракционными решетками, которые перемещаются сканирующим движением в поперечном направлении мимо образца, и именно это движение, затем может быть использовано (вместо дискретизации фазы, описанной выше), для получения трех величин/параметров изображения ,,
Дифференциальная фазоконтрастная система визуализации СВ, описанная выше, может быть (как упоминалось) в одном варианте осуществления маммографической системой пазовой или щелевой конструкции, или может быть КТ системой визуализации или может быть вращательной рентгеновской системой с рамой типа C-дуга.
D
l.
Для того чтобы получить дифференциальную фазоконтрастную визуализацию должны быть точно соблюдены упомянутые выше (Talbot-) расстояния  иИх можно вычислить, например, как описано E Roessl и другими ʺClinical boundary conditions for grating-based differential phase-contrast mammographyʺ, Philosophical Transactions of The Royal Society (A) Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 6 March 2014, Vol 372 No 2010. Кроме того приведенная выше обработка сигнала предоставит усовершенствованное согласование и усовершенствованное изготовление соответствующего аппаратного обеспечения, особенно дифракционных решеток и детектора. Однако на практике всегда существуют неточности, которые будут ставить под сомнение точность измерения и, следовательно, упомянутую выше обработку сигнала, а, следовательно, соответствующие расчеты. Например, пиксели могут быть повреждены и могут не реагировать должным образом, или дифракционные решетки могут быть немного деформированы или наклонены. Для того чтобы учитывать такие искажения, которые изменяются в зависимости от конкретной используемой системы визуализации, предусматривают процедуру калибровки. Для процедуры калибровки здесь предлагается специально разработанное фантомное тело PB. Фантомное тело помещают в области исследования, а затем получают изображение, как действительного интересующего объекта, например, груди или другой анатомической части или любого другого объекта, изображение которого желательно получить.
Aʹ
Vʹ
Δϕ
Фантомное тело PB, которое более подробно будет описано ниже выполнено так, что оно будет вызывать известную степень искажений в известных позициях пикселя относительно физических эффектов i)-iii), представленных выше. Поскольку степень каждого из искажений известна, можно теоретически предсказать отклик анализатора Фурье FA. Однако, как правило, из-за несовершенств аппаратного обеспечения, существуют отклонения от этого ожидаемого теоретического значения. Такое отклонение может быть выражено как соотношения между количественными параметрами визуализации, вычисленными в соответствии с действительным измеренным сигналом детектора, и теоретически предсказанными количественными параметрами визуализации. Соотношения затем можно сохранить как корректирующие значения калибровки , ,ʹ соответствующего пикселя.
Aʹ
Vʹ
Δϕ
После этого в будущем цикле визуализации, когда представляющий интерес образец вводят в область исследования и получают изображение как описано выше, сохраненные корректирующие величины , ,ʹ можно затем использовать для количественных параметров визуализации при обработке сигналов детектора соответствующего упомянутого объекта, чтобы таким образом скорректировать несовершенства системы визуализации. Другими словами, корректирующие величины калибровки используются для корректировки изображения. Процедура калибровки будет периодически нуждаться в повторении, поскольку несовершенства аппаратного устройства, как правило, не статичны, а подвергаются изменениям из-за температурных изменений.
Aʹ
V
Δϕ
Со ссылкой на Фиг.2-4 теперь показаны разные виды фантомного тела согласно варианту осуществления. В общем, фантомное тело разработано таким образом, что оно допускает калибровку каждого из трех количественных параметров визуализации , ʹ,ʹ или каналов одновременно.
.
На Фиг.2 представлена схема расположения по оси Z на фантомном теле PB. Ось Z берут за направление распространения пучка рентгеновских лучей (или фронта волны) XB. На Фиг.2 ось z простирается в плоскостьбумагиПри использовании, т.е.приразмещении в область исследования между детектором и рентгеновским источником, фантомное тело поддерживается с помощью диагностического стола, простирающегося в области исследования (не показан на Фигурах).
Как показано на схеме расположения с Фиг.2, фантомное тело PB включает в себя по меньшей мере (в некоторых примерах ровно три) различимых части P1-P3. Эти три части Р1, Р2, Р3 будут называться здесь частью фазового контраста P1, частью поглощения P2 и частью декогеренции P3 соответственно. В варианте осуществления с Фиг.2 каждая из частей P1, P2, P3 формирована в виде соответствующих блоков или групп блоков. Блоки P1, P2, P3 установлены на общей заземляющей пластине GP посредством соответствующих соединительных средств. Вариант осуществления фантомного тела PB имеет зеркальную симметрию относительно оси симметрии (показанную пунктирными линиями) в плоскости x-y, образуя две «створки» фантомного тела по одной в каждой стороны упомянутой оси симметрии. Таким образом, дальнейшее описание будет сосредоточено на блоках P1-P3 одной створки фантомного тела, понимая, что дальнейшие объяснения применяют в равной степени к блокам, расположенным другой створке. Хотя блок Р2 с его подчастями/блоками SP2 показаны простирающимися поперек оси симметрии, это может быть необязательно. Например, блоки P2 могут работать только половину пути (или менее) вдоль оси, как блоки SP3, SP1 блоков Р3, P1. Фактически, это является ограничением к блокам только для одной из двух створок, которая сама по себе формирует (меньшее) фантомное тело РВ согласно одному варианту осуществления.
A
V
Δϕ
Каждый из блоков P1, P2, P3 выполняют так, что он вызывает одно единственное одно из трех искажений (поглощение, фазовый сдвиг, декогеренцию) с более высокой интенсивностью, чем другие две части. Например, блок P2 поглощения сформирован из такого материала, что искажения поглощения, вызываемые этим блоком P2, больше, чем поглощение, вызванное остальными двумя видами блоков P1 и P3. И наоборот, этот блок P2 будет действовать при более низкой степени в отношении других двух искажений, чем два других блока P1, P3 соответственно. То же самое относится и любому другому из физических эффектов или искажений по отношению к двум другим блокам. Например, фазовый сдвиг, вызванный специальным блоком P1 фазового сдвига, происходит с более высокой степенью, чем рефракция, вызванная любым из других типов блоков P2 и P3. То же самое распространяется на декогеренцию. Другими словами, каждый из блоков P1, P2, P3 предназначен именно единственному одному из трех видов искажений, причем каждый блок действует более заметно в отношении другого и единственного одного из трех искажений. Короче говоря, три блока P1-P3 действуют комплементарно относительно степени, или насколько сильно они вызывают соответствующие искажения. Эта комплементарность позволяет точно и кроме того одновременно получать параметры калибровки ,ʹ,.
1,
2
A
V или Δϕ
A
V, Δϕ
Соответствующие части P1, P2, P3, предназначенные разным и единственному одному из физических эффектов/искажений распределяют в пространстве по плоскости x-y (т.е. по плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны вдоль оси z) и, таким образом, будут пролегать через разные части пикселей px детектора и/или дифракционных решеток GG, когда фантомное тело помещают в исследуемую область. Поскольку разные части фантомного тела предназначены разным из трех видов физических искажений, соответствующие части фантомного тела можно регистрировать в пространстве и ассоциировать с соответствующими лежащими ниже участками детектора и дифракционных решеток. Поскольку используются размеры детектора и фантомное тело, для получения различных калибровочных параметров будут использованы разные части детектора. Например, сигналы, воспринимаемые теми участками пикселей детектора, которые пролегают непосредственно ниже (или для случая могут быть выше), блок P2 поглощения будет использоваться исключительно для определения корректировки поглощения или параметров калибровки. То же самое применяется соответственно к остальным пикселям, которые пролегают ниже (или выше для случая, когда фантом может быть использован, например, в КТ) одного из других элементов P1 или P3 фантомного тела. Поскольку предполагается, что такая пространственная регистрация фантомное тело-детектор и различные положения пикселя детектора известны, можно определить для каждого пикселя (например, посредством логической схемы, расположенной над анализатором Фурье FA), будет ли , той величиной, которая сохраняется для этого конкретного пикселя, в зависимости от того с каким участком фантома P1-P3 может быть связан в пространстве упомянутый пиксель. Соответствующие координаты пикселя поступают в анализатор Фурье, чтобы таким образом информировать его для обеспечения в качестве выхода только соответствующих координат для параметров калибровки изображения , для упомянутого пикселя.
Как видно на Фиг.2 соответствующие указанные блоки P1, P2, P3 не являются монолитными, а скорее образованы как целая часть с помощью множества подчастей SP1, SP2 и SP3 соответственно. Но нельзя сказать, что здесь не предполагаются монолитные варианты осуществления. В немонолитном варианте осуществления элемент P2 поглощения сформирован тремя отдельными подчастями или -частями SP2. То же самое является верным для дифференциального фазового блока P1, который сформирован тремя подчастями SP1. Например, в одном варианте осуществления блок дифференциального фазового контраста сформирован тремя или более (например, ровно пятью, показанными на Фиг.2) клиновидными элементами или призмами, расположенными рядом друг с другом по оси x. Аналогично, блок декогеренции P3 образован из трех блоков SP3.
Вид сбоку на Фиг.3 дает более подробный вид того, как соответствующие блоки P1, P2, P3 составлены из их соответствующих подчастей SP1, SP2, SP3 согласно одному варианту осуществления.
Например, каждый из блоков P2 поглощения сформирован из трех подчастей SP1, каждая из которых имеет разную высоту.
Также согласно боковому виду на Фиг.3, блок декогеренции P3 сформирован тремя подчастями SP3. В одном варианте осуществления некоторый или все подчасти SP3 образованы в виде стопки 310 из полосок декогеренции, уложенных одна поверх другой. Число полосок позволяет регулировать по отдельности высоту подблоков декогеренции SP3 и таким образом позволяет регулировать степень или величину декогеренции, которые будет наносить вред входящей волне рентгеновского излучения XB.
Наконец блок фазового контраста P1 выполняют (как вкратце упоминалось выше) из нескольких сдвоенных клиновидных элементов SP1, размещенных вдоль оси x на виде, который представлен Фиг.3. Каждый из сдвоенных клиновидных элементов SP1 является симметричным относительно горизонтальной и вертикальной оси симметрии. Однако каждый из сдвоенных клиновидных элементов имеет разные углы наклона, чтобы этим вызывать разную степень рефракции. Более конкретно, каждый клин является «двойным» в том смысле, что он содержит 2 пары углов наклона с противоположными градиентами (tg(+α) и tg(-α)). Каждый элемент может быть сформирован кубоидом, имеющим 4 из его параллельных кромок скошенными, для образования 4 углов наклона. Любые два угла наклона по диагонали равны, тогда как любые два соседних угла наклона с противоположным градиентом. Блок P1 фазового контраста может быть монолитной структурой, в которой его элементы SP1 образованы посредством секционного снятия фасок по продольной оси блока P1. Альтернативно, каждая подчасть SP1 образована отдельным кубоидом, который затем помещают рядом друг с другом или рядом так, чтобы контактировать один с другим как показано на Фиг.2-4 или размещают дискретно с зазорами между некоторыми или любыми двумя соседними элементами SP1. В одном варианте осуществления дополнительные клинья SP1 можно уложить поверх (то есть в направлении z) блока P1 или два блока P1 целиком можно уложить друг на друга в направлении z. Таким образом, можно получить промежуточный ускоритель сдвига фазы, поскольку фронт волны, которая распространяется по набору блоков фазового контраста, будет демонстрировать суммарную рефракцию при прохождении через два или более (двойных) клина SP1.
Δϕ
Эффект от наличия блоков P1, P2, P3, сделанных из трех или более различимых подчастей SP1-SP3, состоит в том, что точность калибровки может быть повышена. Наличие в каждом блоке по меньшей мере трех разных видов градаций для каждого из трех разных эффектов i)-iii) будет учитывать соответствие трех или более переменных соответствующим измеренным значениям, записанным пикселями детектора. Более конкретно, в одном варианте осуществления корректировочные параметры A, V, вычисляют операцией подбора аппроксимирующей кривой, которая становится более стабильной, если регистрируются три или более события соответствующего искажения i)-iii) с разными степенями. Например, наличие блока P2 поглощения, включающего в себя три подблока SP2, могло бы позволить регистрацию поглощения трех различных степеней, блока с высоким поглощением, которым является самый высокий блок, блока с низким поглощением, которым является самый низкий блок SP2, и блока среднего размера, имеющего высоту между самой высокой и самой низкой, для записи уровня поглощения между двумя экстремумами. Градации по соответствующим подчастям, тем не менее, все еще гарантирует, что соответствующий тип искажения, вызванный подчастью одного блока, несмотря на то, что отличается, все еще присутствует в более высокой степени, что и искажения того же типа i), ii) или iii), вызванные любой подчастью двух других блоков. Для примера, в блоке фазового контраста P1, хотя его компоненты (то есть двойные клинья SP1) вызывают разные рефракции, каждая из этих рефракций остается все еще больше, чем любая из рефракций, вызванная другими оставшимися блоками P2 и P3 (то есть их подчастями SP2 и SP3). Аналогичная ситуация является справедливой для других блоков P2, P3 относительно преобладающих искажений, вызванных этими блоками.
Однако число градаций для каждого блока, как показано на Фиг. 2 и Фиг.3, соответствует только одному варианту осуществления, и каждое другое число, предпочтительно, по меньшей мере, три здесь также предусмотрено. Предпочтительно, тем не менее, что число градаций для каждого блока составляет три или больше, например, пять, семь или даже больше.
Как можно видеть на Фиг.2 и Фиг.3 соответствующие блоки и подблоки имеют отверстия, по меньшей мере два для блока, простирающиеся в направлении распространения волны Z сквозь соответствующие блоки. Отверстия проходят насквозь для приема соответствующего болта или винта 305, которые используют для присоединения соответствующих блоков к заземляющей пластине GP. В одном варианте осуществления болты 305 сформированы из такого же материала, что и соответствующий блок, но это не обязательно может быть так.
Фиг.4 предоставляет боковой вид на этот раз вдоль y-направления фантомного тела PB и «через» прозрачный подблок SP1 между блоками P1, P3.
Несмотря на то, что на Фиг. 2-4 каждый из элементов P1-P3 сформирован немонолитным, это не является ограничением, поскольку некоторые или все из частей P1-P3 могут быть расположены в альтернативных вариантах осуществления как единый монолитный блок с определенными здесь подчастями. Например, блок поглощения можно расположить как единый блок со ступенчатой поверхностью, причем каждая ступень образует одну из подчастей SP1-3.
Как показано на Фиг.2-4 соответствующий блок или группы блоков P1-P3 представлены как вариант осуществления с чередованием. Например, блок P1 дифференциального фазового контраста расположен между двумя соседними блоками SP2 поглощения. Однако такое чередование соответствует только одному варианту осуществления и предлагаются другие варианты осуществления, где группы не чередуются, а соответствующие подблоки P1, P2, P3 группируют строго вместе, чтобы образовать нечередующиеся блоки декогеренции, фазового контраста, и поглощения P1, P2, P3. Как можно заключить из Фиг. 2, 3, 4 между соответствующими блоками P1-P3 и/или между соответствующими подчастями SP-SP3 существуют зазоры. Кроме того конкретное чередование, показанное на Фиг.2 (то есть из блоков P1 и P2), является лишь примером, и здесь также предусмотрены другие сочетания чередований. Другими словами, конкретная последовательность (в направлении y) блоков P1-P3 является примером вариантов осуществления и предусмотрены также другие последовательности блоков/подблоков. Определенная последовательность расположения в соответствии с Фиг.2 обеспечила хорошие результаты калибровки.
Тем не менее, предлагаются альтернативные варианты осуществления, где все или некоторые из соответствующих блоков P1-P3 или подблоков SP1-SP3 располагаются в непосредственном контакте друг с другом на заземляющей пластине или формируются или определяются иначе в единый узел.
Ссылаясь на Фиг. 5A,B, блок фазового контраста P1 включает в себя механизм для выравнивания фантома PB относительно оптической оси OX.
0
2.
На Фиг. 5A показана ситуация правильно выставленной системы, тогда как на Фиг.5B показан пример незначительно смещенной системы, причем смещение описывается угловым отклонением δ относительно оптической оси OX. Было отмечено, что при исследовании требуется особое внимание при выставлении калибровочного фантома PB относительно источника XR рентгеновского излучения и/или детектора и/или дифракционных решеток G-G В случае самого сигнала фазового контраста, градиент плотности материала относительно перехода направления, перпендикулярного пучку рентгеновского излучения, является тем фактором, который в наибольшей степени влияет на дифференциальную фазу при визуализации методом дифференциального фазового контраста (DPCI). На Фиг.5A градиент плотности представлен углом α [или лучше tg(α)] для клина. Для очень резких градиентов (большой α) небольшое угловое несовмещение δ клина приведет к значительным ошибкам. Для того чтобы исправить положение, используют пару клиньев, с противоположными градиентами, как описано выше. Как можно видеть на Фиг. 5B) сумма величин эффективных градиентов практически нечувствительна к небольшим отклонениям углов δ. Другими словами особая симметрия двойных клиньев обеспечивает эффект «качания» (то есть поворот около центральной точки двойных клиньев), в котором увеличение градиентов с одной стороны компенсируется снижением градиента на другой такого же количества, но противоположной ориентации.
Как упоминалось ранее, фантомное тело PB имеет зеркальную симметрию по оси симметрии, показанной пунктирными линиями на Фиг.2. Другими словами такой двустворчатый вариант осуществления имеет два блока P1 фазового контраста и два блока P3 декогеренции (каждый описан ранее), и расположенные каждый около оси симметрии с тремя подчастями SP2 блоки P2 поглощения, простирающиеся по оси симметрии. Кроме того предложены также и другие схемы расположения, где имеется любой один (или оба) из блоков P1, P3, простирающиеся по оси вместо блока P2 поглощения или в добавление нему.
Приведенные выше критерии симметрии не влияют на ассиметричные расположения блоков, которые не исключаются здесь. Их нет. Асимметричные схемы расположения востребованы при определенных пространственных ограничениях в исследуемой области устройства формирования изображения.
1
2
0
Левая или правая стороны с Фиг.2 образуют простейшее фантомное тело, которое может быть смонтировано на одной заземляющей пластине, чтобы тем самым образовать более сложные симметричные или асимметричные фантомные тела, которые сформированы из двух (показанных на Фиг.2) или более элементарных фантомных тел, например, 4, 6, 8 или любого другого количества элементарных фантомных тел, для случая симметричного расположения. Использование таких сложных фантомных тел, которые состоят из множества простейших фантомных тел (например, одно с левой или с правой стороны на Фиг.2) имеет преимущество, в том, что операция калибровки может быть «локализована» для разных участков плоскости детектора и/или дифракционных решеток. Собственно в некоторых системах визуализации, таких как маммографические, интерферометрические дифракционные решетки не могут быть изготовлены для любого необходимого размера поля сканирования. Обычно требуемое поле сканирования намного больше размера разных дифракционных решеток G,Gили G. В этих ситуациях, одним из решений является использование мозаичного изображения отдельных дифракционных решеток для наращивания необходимого размера поля сканирования. Для систем визуализации с мозаичным расположением дифракционных решеток сложный фантом может быть выгодным, поскольку каждый из простейших фантомов, которые образуют сложный фантом, может быть использован для калибровки разных дифракционных решеток в решетке с фрагментацией изображения.
Хотя разные части фантомного тела P1, P2, P3 показаны как блоки или кубоиды в вариантах осуществления в соответствии с Фиг.2-4, в данном документе также представлены другие геометрические формы. То есть разные части P1, P2, P3 не обязательно могут иметь явную зеркальную симметрию по одной оси, а могут иметь аксиальную (вращательную) симметрию. Например, в одном варианте осуществления части могут быть сформированы в виде цилиндров или подобного. Более конкретно, фантомное тело формируется из некоторого числа вложенными друг в друга полых цилиндров для формирования различных слоев P1, P2, P3, где каждый слой предназначен единственному одному из трех физических искажений, как описано выше для блоков с Фиг.2-4. Слоистая структура, которая является такой, где части Р1-Р3 уложены друг на друга, также предусмотрена для вариантов осуществления, отличная от только что описанной вращательной симметрией. Например, блоки на Фиг.2-4 могут быть уложены друг на друга в слоях, а не расположены бок-о-бок на плоской поверхности заземляющей пластины GP. Такое уложенное стопой или слоистое расположение представляется благоприятным, если необходим небольшой результирующий контуры фантома. Для слоистого варианта осуществления различные части предпочтительно выполняют с возможностью высокой избирательности так, что соответствующее искажение должно быть сильно доминирующим (за счет фактора, который можно выразить в пересчете на контраст изображения, объясняемого более подробно ниже на Фиг.6) относительно двух других искажений для любой заданной части P1-P3, для обеспечения точности калибровочных измерений. В этом смысле предполагается, что «рассредоточенная» компоновка бок-о-бок согласно Фиг.2-4 должна быть более управляемой, поскольку требования к избирательности для трех частей P1-P3 по отношению к трем искажениям i)-iii) более низкие, чем в варианте осуществления с расположением стопой.
Как будет понятно из изложенного выше, каждая из разных частей P1-P3 и/или их соответствующих подчастей SP1-SP3 постоянно прикреплена, например, приклеена на заземляющую пластину, или удаляется неразрушающими способами, с помощью, к примеру, ослабления или удаления винтов или болтов 305, показанных на Фиг.3 или используя разъемные средства крепления, соединения на защелках, велкро (соединения на липучках) и т.д.
Предлагаются другие варианты осуществления, в которых фантомное тело образует, по существу, комплект фантомного тела, включающий в себя заземляющую пластину, которая содержит защелкивающее крепежное устройство, расположенное по поверхности заземляющей пластины с соответствующими пространственными интервалами, например в повторяемых позициях сетки. Каждая из соответствующих подчастей SP1-SP3 разных частей P1-P3 затем крепится с помощью защелки на место на заземляющей пластине согласно пространственным и геометрическим требованиям. Это предлагает большую гибкость при настройке фантомного тела, например, пространственных требований для изображения, которое необходимо калибровать.
Заземляющая пластина GP будет, в общем, коэкстенсивна общим контурам разных блоков P1-P3, но предлагаются также другие варианты осуществления, где заземляющая пластина простирается за контуры блоков, показанных на Фиг.2, чтобы гарантировать хорошую опору. Заземляющая пластина может быть прямоугольной формы, например, квадратной формы, но другие формы могут также быть предложены, причем форма зависит в большей степени от размера и формы стола для исследования или опоры, на которой размещают фантом, в процессе калибровочного измерения.
Блоки P2 поглощения изготавливают, предпочтительно, из отвечающего требованиям (предпочтительно гомогенного) поликарбонатного (к примеру, PMMA) блока и разные градации поглощения достигаются благодаря наличию подблоков SP2 блоков, расположенных на разных высотах. Вместо PMMA в некоторых вариантах осуществления можно использовать алюминий. Подходящими высотами для блоков поглощения в одном варианте осуществления являются 2, 10, 20 и 50 мм, но, конечно, и другие высоты аналогичным образом предлагаются в зависимости от требований к поглощению. Такие блоки с четко определенным поглощением имеют разные высоты, а именно, 10, 20 и 50 мм и служат областями, где затухающий сигнал можно откалибровать или оценить.
Предпочтительно блоки декогеренции изготавливают из стеклоэпоксидной смолы с микропузырьками, типа Araldite, раскрытой в предварительной заявке EP2283089. Высоты блоков декогеренции составляют в одном варианте осуществления 1, 2 и 4 мм, получаемые соответственно укладыванием одна поверх другой соответствующего количества полосок декогеренции 310, как объяснено ранее со ссылкой на Фиг.3. Любая другая пористая, или губчатая, или пенная структура с соответствующим средним размером воздушных включений может быть подходящим материалом, из которого могут быть образованы блоки декогеренции. Такая структура с большим количеством воздушных включений будет обнаруживать только слабое поглощение, но благодаря маленьким стеклянным пузырькам вызывает относительно сильное рассеяние, и, следовательно, служит областью, где может быть откалиброван сигнал декогеренции. Если средняя структура воздушных включений достаточно большая (то есть больше, чем в блоке декогеренции), то такой пористый материал можно использовать с выгодой также и для блока фазового контраста. В этом случае не требуются последовательность различных клиньев, показанная на Фиг.2-4, но в этом случае подчасти SP1 определяют как секции с воздушными включениями разного среднего размера.
Дифференциальные фазовые блоки P1 в одном варианте осуществления изготавливают из гомогенного PMMA блока с углами наклона образованными в нем с помощью разрезания, фрезерования или других соответствующих способов обработки. Согласно варианту осуществления, который упоминался раньше, имеется пять пар клиньев с разными углами наклона или градиентами. Без нарушения общности и только в качестве примера, углы наклона в варианте осуществления составляют 1,5, 3, 4,5, 6 и 7°, соответственно. Поскольку такие клинья демонстрируют относительно сильный фазовый контраст, а блоки имеют относительно слабое затухание и почти не имеют декогеренции, блоки с клиньями служат областью, где калибруют дифференциальный фазовый сигнал. В альтернативном варианте осуществления, аналогично блокам декогеренции, также можно собрать блоки поглощения с помощью нескольких полосок или вспомогательных блоков, укладываемых один поверх другого, чтобы тем самым достичь разных высот.
Как упоминалось ранее, имеется определенный зазор безопасности или интервал, оставляемый между разными блоками и/или вспомогательными элементами, показанными на виде сверху на Фиг.1. Эти интервалы гарантируют более точный результат калибровки, поскольку легче связывать соответствующие пиксели детектора с лежащими выше или ниже узлами. Чтобы гарантировать точный результат калибровки предпочтительными являются зазоры 5-10 мм между разными блоками и подблоками.
Со ссылкой на Фиг.6 показаны воспроизведенные результаты для типичного набора калибровочных параметров, которые были представлены в виде изображений. Для простоты на Фиг.6 были использованы такие же ссылочные позиции P1-P3 для указания разных изображений, как и для указания блоков на Фиг.2-4. Слева направо три колонки соответствуют изображениям поглощения, изображениям дифференциального фазового контраста и изображениям декогеренции. Три колонки изображений ясно показывают дополняющий характер трех типов блоков P1-P3. В каждой колонке наивысших (максимальных) контрастов достигают с помощью именно одного из блоков P1 или P2 или P3. Например, средняя колонка демонстрирует наивысший контраст для блоков фазового контраста P2, в то время как оставшиеся блоки P1 или P3 демонстрируют незначительную четкость только для сигнала рефракции. Фазовый контраст, который вызывается разными углами наклона клиновидных блоков SP2 можно наблюдать достаточно хорошо (существует, кроме того, определенный вклад от кромок блоков поглощения, несмотря на то, что это могло быть следующим, чего надо избегать, используя соответствующую форму пучка рентгеновских лучей, такую как параллельный пучок вместо веерного пучка, например). Кроме того, в правой колонке, где показано изображение декогеренции, блок декогеренции P1 демонстрирует хороший контраст, в то время как другие блоки-нет. Аналогично для изображения поглощения в левом ряду: можно наблюдать, что три блока поглощения демонстрируют относительно сильное и разное поглощения, в то время как блок из смолы Araldite демонстрирует только слабое поглощение. Для изображений с Фиг.6 использовали «примитивную» или одинарную створку фантомного тела, которая соответствует правой или левой створке двойного фантома для варианта осуществления с Фиг.2-4. Разный контраст изображения для каждого блока или подблока при сравнении этих 3 колонок с Фиг. 6 в поперечном направлении можно использовать для количественного определения степени, вызванной различными искажениями, или наглядности представления (или для случая подчастей, числа градаций). Например, «контур» блока поглощения (в левой колонке) проявляется при более высоком контрасте (в одном примере варианта осуществления при 2 или 2-10 кратном контрасте), чем контур двух других блоков в упомянутой колонке. Подобное наблюдение верно для соответствующих контуров других блоков/подблоков. Контраст изображения может быть выражен в любой соответствующей форме, которая разрешена для сравнения, например, RMS-измерением (измерением cреднеквадратичного значения), принятым за интенсивности изображения пикселя в соответствующих контурах блока по каждому из контуров в данной колонке на Фиг.6.
Необходимо отметить, что варианты осуществления изобретения описываются со ссылкой на разные объекты изобретения. В частности, некоторые варианты осуществления описываются со ссылкой на пункты формулы изобретения типа метода, тогда как другие варианты осуществления описываются со ссылкой на пункты изобретения типа устройства. Тем не менее, квалифицированный специалист в данной области техники сделает заключение из приведенного выше описания, что помимо сочетания отличительных признаков, принадлежащих одному типу объекта изобретения, рассматриваются любые сочетания отличительных признаков, относящиеся к разным объектам изобретения, которые должны быть раскрыты с помощью данной заявки. Тем не менее, все отличительные признаки можно объединить при условии синергических эффектов, которые являются больше, чем простое суммирование характеристик.
В то время как изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и предыдущем описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или приведенные в качестве примера, а не ограничивающие. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Квалифицированный специалист можно понять и осуществить на практике другие вариации раскрытых вариантов осуществления заявленного изобретения при изучении чертежей, раскрытия и зависимых пунктов формулы изобретения.
В формуле изобретения слово «включающий в себя» не исключает других элементов или стадий, а упоминание элемента в единственном числе не исключает множества таких элементов. Простой процессор или другой узел может выполнять функции нескольких узлов, перечисленных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные измерения перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих измерений не может быть использовано с пользой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретении не должны быть интерпретированы как ограничивающие объем.