阅读说明：本技术 用于x射线荧光测量的方法和测量设备 (Method and measuring device for X-ray fluorescence measurement ) 是由 F·格吕纳 C·赫申 F·布卢门多夫 于 2018-04-06 设计创作，主要内容包括：一种用于X射线荧光测量的方法,其中在待检查的物体(1)中捕捉发荧光的目标粒子的存在,存在的目标粒子在物体(1)中定位,所述方法包括以下步骤：(a)通过源装置(10)产生X射线束(2),其中X射线束(2)沿与第一投影方向平行的X射线束方向延伸穿过物体(1),(b)在第一投影平面中的多个扫描位置处用X射线束(2)辐照物体(1),其中扫描位置由扫描装置(20)设定,通过所述扫描装置,源装置和物体(1)相对于彼此移动,(c)使用牢固地连接到源装置(10)的检测器阵列装置(30)在每个扫描位置检测沿多个空间方向从物体(1)发射的X射线辐射,其中检测器阵列装置(30)包括：多个光谱选择性检测器元件(31),其布置成能检测沿多个空间方向的X射线辐射；以及多个筛片(32),其沿相对于X射线束方向的径向方向延伸,筛片屏蔽检测器元件(31)以免受物体(1)中散射的X射线辐射,筛片布置成使得检测器元件(31)能够检测来自物体(1)中X射线束体积区内的所有位置的X射线辐射,以及(d)处理检测器元件的检测器信号,以便在检测到的X射线辐射中捕捉目标粒子的X射线荧光,以及以便如果捕捉到X射线荧光则定位物体(1)中的目标粒子,其中针对多个预定扫描位置中的每一个预定扫描位置寻找显著性检测器元件的子集(31),所述显著性检测器元件的检测器信号有助于与其余检测器元件(31)相比以提高的统计显著性捕捉目标粒子的X射线荧光,并且如果在至少一个扫描位置发现显著性检测器元件(31),则捕捉到目标粒子的存在,并将该扫描位置建立为目标扫描位置,在所述目标扫描位置处目标粒子定位于第一投影平面中,或者如果没有在扫描位置发现显著性检测器元件(31),则捕捉到不存在目标粒子。还描述了一种X射线荧光测量设备。(A method for X-ray fluorescence measurements, wherein the presence of fluorescent target particles is captured in an object (1) to be examined, the target particles present being localized in the object (1), the method comprising the steps of: (a) generating an X-ray beam (2) by means of a source arrangement (10), wherein the X-ray beam (2) extends through the object (1) in an X-ray beam direction parallel to the first projection direction, (b) irradiating the object (1) with the X-ray beam (2) at a plurality of scanning positions in a first projection plane, wherein the scanning positions are set by a scanning arrangement (20) by which the source arrangement and the object (1) are moved relative to each other, (c) detecting X-ray radiation emitted from the object (1) in a plurality of spatial directions at each scanning position using a detector array arrangement (30) fixedly connected to the source arrangement (10), wherein the detector array arrangement (30) comprises: a plurality of spectrally selective detector elements (31) arranged to be able to detect X-ray radiation along a plurality of spatial directions; and a plurality of sieve sheets (32) extending in a radial direction with respect to the direction of the X-ray beam, the sieve sheets shielding the detector elements (31) from X-ray radiation scattered in the object (1), the sieve sheets being arranged such that the detector elements (31) are capable of detecting X-ray radiation from all positions within the X-ray beam volume in the object (1), and (d) processing detector signals of the detector elements so as to capture X-ray fluorescence of target particles in the detected X-ray radiation, and so as to locate target particles in the object (1) if X-ray fluorescence is captured, wherein for each of a plurality of predetermined scanning positions a subset (31) of significance detector elements is sought, the detector signals of the significance detector elements contributing to capture the X-ray fluorescence of the target particles with an improved statistical significance compared to the remaining detector elements (31), and capturing the presence of the target particle if a significance detector element (31) is found at least one scanning position and establishing the scanning position as a target scanning position at which the target particle is positioned in the first projection plane, or capturing the absence of the target particle if no significance detector element (31) is found at the scanning position. An X-ray fluorescence measurement device is also described.)

用于X射线荧光测量的方法和测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于X射线荧光测量的方法，尤其是用于X射线荧光成像的方法，其中，检测在待检查的物体中、尤其是在被检查的测试对象本体内是否存在发荧光的目标粒子，并且其中，存在于物体中的目标粒子被定位。本发明还涉及用于执行这种方法的X射线荧光测量设备，更具体地涉及X射线荧光成像设备。本发明的应用存在于X射线荧光成像中，更具体地用于医学目的，并且在此方面更具体地用于具有关于人类的尺寸比例的物体。

背景技术

医学成像的任务是检测、表征和监测被检查身体的病理变化和/或药代动力学，从而在体内测量药物在体内的分布。为了改进这些方法，正在开发所谓的“分子成像”技术，例如以便允许早期肿瘤诊断和更好地表征肿瘤组织或药代动力学检查。就此而言，所述表征允许分层的治疗方法，从而增加治愈的机会。医学中的分子成像更具体地针对体内生物标志物(例如肿瘤组织中的抗体)的定位，并允许体内测量药物在体内的分布，以便检查在何时何地出现的所用药物量的比例。这可以在试验阶段就更快地测试新药的有效性，因为在目标部位没有足够数量的药物无法具有临床效果。

迄今为止，在分子成像领域中，已经建立了正电子发射断层扫描(PET)，尽管作为核医学方法，它对患者有严重的缺点。这些缺点包括相对较高的剂量、未受影响器官的暴露、放射性药物的寿命短使得后续检查需要新的注射、4至6mm的低空间分辨率、以及受限的时间分辨率，使得无法检查肿瘤护理或治疗中的相关过程。因此，尤其更不可能进行更长时间段的药代动力学检查。如果药物要通过药物载体带到目标部位并在那里释放，则PET的“诊断时间窗口”太短。

利用作为PET的替代目前已经讨论了很多年的X射线荧光成像(XRF成像)，可以避免PET的缺点。在XRF成像中，生物标志物例如被结合至金纳米粒子，所述金纳米粒子被扫描的X射线束激发以发射X射线荧光。X射线荧光的检测允许生物标志物的定位。因为XRF成像信号在从人体发射的X射线辐射的测量光谱中处于狭窄受限的能量范围内，所以支持通过对X射线荧光进行能量选择性检测来检测生物标志物。但是，传统的XRF成像方法具有以下缺点，迄今为止，它们只能以相对较低的灵敏度且对于医学应用而言过高的辐射剂量在小型动物模型(小鼠，小型动物体模)上进行测试，而迄今为止，还没有对具有患者的尺寸的检查对象进行检查。

XRF成像方法的主要缺点是，与PET相比，它不是无背景的，并且背景的幅度会随着被检查物体的尺寸而急剧增加。因此，传统的XRF成像方法对于大型物体的灵敏度太低，使得这些技术在临床上对患者的使用都是不可能的。而预期的例如金纳米粒子浓度从小动物模型中获悉(参见例如，N.Manohar等人(2016年)于“Sci Rep”6:22079中发表的“Quantitative imaging of gold nanoparticle distribution in a tumor-bearingmouse using benchtop X-ray fluorescence computed tomography”)，这样的XRF成像方法无法检测到人体中的这些金纳米粒子数量，因为灵敏度将不再足够。

XRF成像背景随物体的大小而增长，因为同时增加如下可能性，即被辐照的X射线光子经历多次康普顿(Compton)散射。由于散射，因此会降低光子的能量，从而在与荧光光子相同的能量范围内检测到散射的光子。由于在共同的能量范围内无法将这些信号光子与背景光子区别开来，因此限制了生物标志物检测的灵敏度。在不减少背景的情况下在可疑的XRF成像能量范围(大约100万个光子)中，例如1000个信号光子可能会在背景中丢失，因为该信号在统计上并不显著。迄今为止，为了减小XRF成像背景，已经提出了准直器的几何形状，但是其功能需要关于富含造影剂的体积区在物体中的位置的预先信息。此外，传统的准直器限制了检测器元件的视场，结果是信号丢失，这只能通过更高剂量的辐射来补偿。

最后，迄今为止，仅在大型同步加速器设施上或利用传统的紧凑型X射线管检查了X射线荧光成像。然而，这两种方法都不适合临床应用，因为同步加速器设施太大并且传统的X射线管通常会发射具有过大发散度和/或具有小发散度的射线中的过低强度的辐射，并且具有过大的能量带宽。

在DE102012023344A1中描述了使用在较低能量范围内过滤的准直X射线源对物体中造影剂扩散的X射线荧光分析。在这里，通过X射线荧光产生的X射线辐射利用准直器叶片与多次散射的X射线分开，然后用单色仪晶体层和X射线检测器进行能量选择性测量。通过围绕物体旋转和移位测量设备，促成计算机化断层扫描成像。尽管要通过根据DE102012023344A1的技术来实现在大物体上的医学成像，但是由于以下缺点，在实践中的应用受到限制。首先，利用单色仪晶体层，只能检测到垂直于激发射束方向发射的荧光光子，因为在任何其它方向上都不满足在单色仪晶体上反射的布拉格(Bragg)条件。更具体地讲，这意味着例如在物体的射束体积区(Strahlvolumens)起始处发射的光子，尽管不垂直于射束方向，它仍可以穿过叶片，但不会在单色仪晶体上反射，因为不能从该光子方向满足布拉格条件。因此，即使该光子是信号光子，也不会对所测量的信号作贡献，从而使得DE102012023344A1中描述的技术极度低效。其次，由于低的信号产量，由于低的信噪比而存在显著的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于X射线荧光测量、尤其是用于X射线荧光成像的改进方法，和/或一种改进的X射线荧光测量设备，利用所述方法和设备避免了传统技术的缺点。本发明尤其应该使得有可能以提高的灵敏度检测物体中的目标粒子的X射线荧光，以更有效地抑制背景，降低辐射强度和/或提高空间分辨率。此外，本发明还应该更特别地允许以前不可能进行的较大物体的检查，并且有助于临床X射线荧光成像，更特别是在人类身上。

通过具有独立权利要求的特征的用于X射线荧光测量的方法和X射线荧光测量设备来实现这些目的。根据从属权利要求，本发明的有利实施例和应用将是显而易见的。

根据本发明的第一总体方面，通过一种用于X射线荧光测量的方法来实现上述目的，其中在待检查的物体中检测到荧光目标粒子的存在，并且可能存在的任何目标粒子在物体中于至少一个投影平面(以下称为第一投影平面)中被定位。

借助于源装置产生X射线束，该X射线束在平行于第一投影方向的X射线束方向上被引导穿过物体。X射线束优选是具有恒定直径或小发散度(例如≤1mrad)的针束(铅笔束)。X射线束的直径限定了XRF成像方法的空间分辨率，并且因此优选地是至少0.1mm、更特别地至少0.2mm，和/或至多1mm、更特别地至多2mm。

在第一投影平面中的多个扫描位置处用X射线束辐照(扫描)所述物体。扫描位置(发生辐照的位置)通过扫描装置设定，借助所述扫描装置，源装置和物体相对于彼此移动。对于每个扫描位置，X射线束在不同的坐标处与第一投影平面相交。优选地，X射线束垂直于第一投影平面定向。扫描位置例如成行且成列为矩阵地分布在第一投影平面中。

在每个扫描位置，使用牢固连接到源装置的检测器阵列装置检测从物体沿多个空间方向发出的X射线辐射。借助于扫描装置，源装置和检测器装置以及物体相对于彼此移动。优选地，源装置和检测器装置相对于静止安装的物体移动。

检测器阵列装置具有光谱选择性检测器元件(也称为像素)的布置结构，所述检测器元件沿多个不同空间方向绕物体分布。检测器元件沿着阵列表面布置，该阵列表面是弯曲的、区段性弯曲的和/或由平坦的构件表面组成。对于每个扫描位置，利用每个对光谱敏感的检测器元件来测量检测到的离开物体的X射线光子的能谱，并且这些单独的能谱可以被组合为所选择的和/或所有检测器元件的总能谱。利用检测器元件进行的能量谱测量与DE102012023344A1存在本质区别，在DE102012023344A1中，检测器只能测量具有特定能量并垂直于X射线束方向发射的信号光子。此外，形成合量能谱(合量信号)相比于考虑各个检测器元件的光谱尤其具有下述优势，在例如来自上面提到的小动物模型的预期少量的目标粒子的情况下，各个检测器元件中信号光子的数量将会小到使得对显著性的任何确定都将变得困难甚至被排除。

检测器元件被布置用于检测沿多个空间方向的X射线辐射。“检测器元件”可以是单独的光谱解析检测元件、多个(例如4×4)检测元件的组合或由多个检测子元件组成的检测构件。多个检测元件的组合对于所检测的X射线光子的统计可以尤其具有优势。由子元件构成的构件在使用基于激光的汤姆森(Thomson)源作为源装置时，在光谱解析检测方面尤其具有优势，因为就此而言，几乎同时检测到了光子，并通过所述子元件确保了每个子元件在每个检测器时间窗口中检测到不超过1个光子。

检测器阵列装置还具有多个筛片，其沿相对于物体中的X射线束的径向在物体和检测器元件之间延伸，并且使检测器元件免受在物体中单次地或多重地散射的X射线辐射的影响，尤其是在X射线以外，而且布置成使得检测器元件能够检测来自物体中X射线束体积区内的所有位置的X射线辐射。更特别地，每个单独的检测器元件都可以检测来自物体中X射线束体积区内的所有位置的X射线辐射。筛片布置成使得自由的(无阻挡的)视线从物体中X射线束的整个体积区延伸到检测器元件，而从物体中另外的、未直接辐照的体积区到检测器元件的视线被筛片阻挡。筛片优选地可以是扁平的叶片，每个叶片都具有恒定的厚度，或者替代地具有朝向射束变窄的厚度变化。由于筛片的有限尺寸，一小部分信号光子被吸收，但是在X射线荧光测量中作为误差可以忽略不计，因为被吸收的信号光子的比例优选小于10％。

筛片有利地通过屏蔽来自于所述物体的在该扫描位置正被辐照的体积区以外的体积区的散射辐射而对背景减少提供了第一贡献。

处理检测器元件的检测器信号，以便在检测到的X射线辐射中检测目标粒子的X射线荧光，并且以便在检测到X射线荧光的情况下定位物体中的目标粒子。为此，根据本发明，针对多个预定扫描位置中的每一个，识别下述检测器元件的子集(称为显著性检测器元件或识别出的检测器元件)，所述检测器元件的检测器信号有助于与其余检测器元件相比以提高的统计显著性检测目标粒子的X射线荧光。例如，相应地针对每个扫描位置或仅针对选择的扫描位置(例如，扫描位置矩阵中每隔一个扫描位置)寻找显著性(或识别出的)检测器元件的组。在这方面，更特别地，将检测器元件(即，识别出的子集的)的合量信号(合量谱)的显著性与检测器元件的每个其它子集的合量信号(合量谱)的显著性进行比较。

如果在至少一个扫描位置发现了显著性检测器元件，那么基于显著性检测器元件的检测器信号并且不考虑其余检测器元件的检测器信号，目标粒子的存在和发现显著性检测器元件的该扫描位置被确定为至少一个目标扫描位置。目标扫描位置表示目标粒子在第一投影平面中所定位的坐标。否则，如果没有在任何扫描位置处识别到显著性检测器元件，则检测为在物体中检测不到目标粒子。

显著性检测器元件的选择为背景减少提供了重大的、有利的是最大的贡献。本发明的这个方面更特别是基于发明人对由身体内辐照的光子的多次康普顿散射产生的固有背景的严密检查。减少背景的关键在于发现背景是方向相关的，即各向异性，而目标粒子的荧光信号是各向同性地发射的，即不会区分任何方向。换句话说，发明人已经发现，由于多次康普顿散射，背景X射线辐射具有不均匀的特定分布(各向异性)，特别是对于如临床应用中的大型物体。在X射线束击中目标粒子并产生X射线荧光的扫描位置处，检测器阵列装置的检测器元件检测沿不同空间方向(相对于X射线束方向)的X射线荧光以及相应的不同背景。通过寻找显著性检测器元件，检测了那些与其余的检测器元件相比以相对较低的背景信号检测了检测器元件的X射线荧光合量谱的检测器元件。因此，借助于与方向有关的检测，将固有背景的各向异性的定量发现转化为背景的减少。

发明人更特别地发现，由于多重康普顿散射而具有在信号能量范围内的能量的光子的各向异性与用于激发的X射线光子的能量有关。用于激发的X射线光子优选具有如下能量，以所述能量，各向异性取最大。有利地，这有助于特别有效地抑制背景。各向异性取最大的能量可以通过实验测试(例如体模)或数值模拟来确定。特别优选地，激发X射线束的光子的能量选自目标粒子中的荧光元素的K边缘之上的窄能量区间，在金目标粒子的情况下约为85keV。

借助计算机模拟，发明人已能够展示背景可以以约600到1000的因子降低，相应地有效提高了显著性，且实际上使用了直径为30cm的测试体模和最小剂量，从而满足对人体成像的要求。有利地在临床应用中，例如在肿瘤诊断中，由此可以在例如为人类的物体中检测小量的测试粒子。这是通过仅在特定方向上测量信号和背景来实现的，即更具体地借助于识别出的检测器元件的合量谱来实现。显而易见，这些方向仅形成例如总立体角的约30％至40％。然而，这种限制是有效提高显著性的关键。根据本发明实现的显著性提高才使得能够实现对人类进行医学成像所需的灵敏度。

根据本发明的方法不同于所有传统的XRF成像方法，在传统的XRF成像方法中，测量通常仅在一个方向上进行(通常为相对于辐照方向成90度或大于90度)，并且/或者准直器始终仅允许观察射束体积区的一部分。迄今为止，通过所有方向对荧光信号的整体显著性的单独贡献用于沿着整个射束体积区检测的定量检查不是已知的。更特别地，与根据DE102012023344A1的技术相比，实现了对来自所有空间方向的荧光光子的检测的显著提高的产率以及背景信号急剧减小的检测，从而实现了所述方法就剂量和辐照时间而言明显更高的效率。

发明人还发现，期望最大的荧光信号的在所有空间方向上的各向同性检测将同时产生最大的背景检测。所产生的荧光信号的显著性于是会小到使得尤其对于人类测试对象大小的物体，人们将仅能够测量例如医学上不相关的尺寸的金纳米粒子的数量。与此不同地，本发明中提出了通过选择显著性检测器元件来预先地选择对检测X射线辐射的空间方向。发明人的数值分析例如已经表明，检测提供了在所有可能的空间方向中的大约40％空间方向上的明显背景减少。发明人首次进行的关于大型物体的康普顿背景各向异性的定量检查，更具体地提供了本发明的基本概念，以在X射线荧光测量中仅测量来自显著性(识别出的)检测器元件的合量信号。

本发明使得能够实现这种固有背景的急剧减少，使得X射线荧光成像可以在临床实践中作为成像手段在人类上使用。尽管诸如CT和MRT的传统技术可实现的灵敏度太低，为了用作早期肿瘤诊断，根据本发明的X射线荧光测量使得能够实现灵敏度的显著提高，而同时避免了PET成像的上述缺点。本发明使得可以量化灵敏度的提高。因此，与其它成像方式相比，X射线荧光成像的潜力可以说是定量表征的。

根据本发明的第二总体方面，上述目的通过X射线荧光测量设备实现，所述X射线荧光测量设备被配置成能够定位待检查的物体中的荧光目标粒子，X射线荧光测量设备包括：用于容纳所述物体的保持装置；用于产生X射线束的源装置，该X射线束沿与第一投影方向平行的X射线束方向延伸穿过待检查的物体；用于检测沿多个空间方向从所述物体发射的X射线辐射的检测器阵列装置；扫描装置，借助于所述扫描装置，源装置和检测器阵列装置与保持装置能相对于彼此移动；以及用于接收并处理检测器阵列装置的检测器信号的控制装置。优选地，X射线荧光测量设备被设计用于执行根据本发明的第一总体方面的方法。

源装置优选地是基于激光的紧凑型汤姆森源(X射线辐射源，其基于激光对相对论电子的汤姆森散射来产生X射线辐射)，例如K.Khrennikov等人在“Phys.Rev.Lett”2015年144卷195003页所述(“Tunable All-Optical Quasimonochromatic Thomson X-raySource in the Nonlinear Regime”)，但它也可以包括同步加速器源或通常的X射线源、例如X射线管，其产生的X射线辐射具有足够低的发散度和高强度，尤其是在目标粒子元素的K边缘之上的能量范围内。检测器阵列装置固定地连接到源装置，检测器阵列装置具有多个光谱选择性检测器元件和多个筛片，如以上参考本发明的第一方面所述。利用扫描装置，首先源装置和检测器阵列装置以及其次保持装置可以相对于彼此移动，使得X射线束可以在第一投影平面中在多个扫描位置扫描物体。

控制装置(也称为计算装置、评估装置或控制和评估装置)被配置成能够针对多个预定扫描位置中的每一个扫描位置识别显著性检测器元件的子集，所述显著性检测器元件的检测器信号(尤其是合量信号、优选是合量谱)有助于与其余检测器元件相比以提高的统计显著性检测目标粒子的X射线荧光，控制装置还配置成如果在至少一个扫描位置发现显著性检测器元件，则检测目标粒子的存在并将该扫描位置建立为目标扫描位置，在该位置目标粒子在第一投影平面中定位，或者，如果没有在任何扫描位置处发现检测器元件，则检测为没有可检测的目标粒子。控制装置例如是计算机，在所述计算机上运行用于执行对检测器信号的处理的程序，或者将计算机配置成用于执行对检测器信号的处理的专用计算机。所述控制装置与X射线荧光测量设备的构件耦接，以便例如控制所述源装置、扫描装置和检测器阵列装置或从其接收信号。

根据本发明在X射线荧光成像中的优选应用，所检查的物体是人或动物测试对象或该对象的身体部位。预先将目标粒子例如通过口服或其它给药方式或注射供应给测试对象。包括供应目标粒子、更具体地讲是通过注射至测试对象的体内供应目标粒子的预备步骤，并非本发明的一部分。替代地，可以检查其它非生物物体。目标粒子包括适于用辐射的光子、更特别地具有至少15keV的能量来激发X射线荧光的粒子、更特别是纳米粒子，并且优选具有处于碘到金的质量数范围内的质量数。这些元素的优点在于，K层荧光光子在测试对象体内具有足够的透射率，使得可以在任何深度检测到目标粒子(与光学荧光不同)。此外，目标粒子被标记物质功能化。标记物质(或生物标志物)包括与被检查物体的某些部分(例如与预定的细胞或细胞群或者与预定的组织，例如肿瘤细胞或组织)特定地结合的物质。然而，目标粒子也可以用药物进行功能化，以便因而允许体内药代动力学检查。

在要检查的物体中存在发荧光的目标粒子是指(例如通过口服或其它方式服用或注射)预先引入的目标粒子已经通过特定的结合富集在检查物体的至少一个子区域中。检测目标粒子的存在包括检测目标粒子在至少一个子区域、例如在组织或细胞群中的富集度(浓度)。目标粒子的定位包括对富集部位的至少关于第一投影平面、然而优选地关于所有三个空间维度的检测。对于医学应用，本发明尤其具有以下优点。医用X射线荧光成像的内在背景可以急剧减少，以使得在可接受的辐射剂量下，可以在体内检测到少量的官能化金纳米粒子，以便因而可以进行例如早期肿瘤诊断。

根据本发明的优选实施例，对于多个预定扫描位置中的每个预定位置，寻找显著性检测器元件的子集，使得显著性检测器元件的检测器信号、更具体地是合量信号，有助于以最大统计显著性检测目标粒子的X射线荧光。控制装置被配置成能够选择检测器元件，来自所选择的检测器元件的检测器信号合量信号可以以最大的统计显著性检测目标粒子的所寻找的X射线荧光。因此，有利地实现了X射线荧光测量的最大灵敏度。就此而言，最大灵敏度更具体地意味着检测器元件的任何其它子集具有信号显著性较低的合量信号。

有利地，不同方法可用于识别显著性检测器元件的子集。根据第一优选变型，提供了一种单阶段方法，其中，优选地利用控制装置，将检测器元件的检测器信号逐步地经受在所考虑的扫描位置的目标粒子的所寻找的X射线荧光的外观分析，由此检查所考虑的检测器元件和其余检测器元件的检测器信号的合量信号中的X射线荧光的统计显著性。放弃其检测信号不会实现其余检测器元件的合量信号的统计显著性的任何提高的那些检测器元件。所有未放弃的检测器元件形成显著性检测器元件的组。单阶段方法尤其具有以下优点，在于可以以高的处理速度来确立显著性检测器元件。

根据第二优选变型，提供了一种两阶段方法，其中，在第一选择步骤中放弃主要检测背景X射线散射辐射的检测器元件，并且在第二选择步骤中，放弃另外的检测器元件，所述另外的检测器元件的检测信号不会实现对其余检测器元件的合量信号的统计显著性的提高。在第一选择步骤中对主要检测背景X射线散射辐射的检测器元件的检测是基于利用检测器元件的光谱选择性检测。其中只会出现背景光子的(背景)能量范围被用作评估其中可以出现背景光子和荧光光子二者的(荧光)能量范围的参考。如果所考虑的检测器元件的检测器信号在背景能量范围内提供的幅度与在纯背景能量范围内的信号幅度在统计上没有显著差异，尤其是明显大于预期的信号幅度(在荧光范围内)，则该检测器元件被检测为主要检测背景X射线散射辐射并因此被放弃。优选地由控制装置执行的两阶段方法尤其具有以下优点，可以精确地且可再现地确立显著性检测器元件。

有利地，上述变型可以更特别地与预选结合，在所述预选中针对多个预定扫描位置中的每一个预定扫描位置，预先选择检测器元件的初始子集，所述初始子集预先基于关于被检查的物体的先验信息(提前信息)而确立，从而在预选的初始子集内寻找要识别的显著性检测器元件的子集。先验信息可以例如基于数值模拟、实验模拟、物体的现有图像(例如来自CT或MRT检查的患者图像)、和/或目标粒子的已知定位，例如疾病定位(例如肝肿瘤)或作为药代动力学检查的目标量。有利地，考虑到初始子集，简化了显著性检测器元件的选择，并且提高了处理速度。

根据本发明的另一有利的实施方式，X射线荧光测量在具有预备测量和主测量的两个阶段中进行，其中，根据本发明的方法使用X射线束进行，所述X射线束分别具有局部分辨率不同的较大的第一直径和较小的第二直径。然而，第一射束不必一定更大。它可以与第二个射束一样大，但所施加的剂量较小，然后将相邻像素相加，以获得足够的数据进行统计评估。该变型的优点在于，初步扫描的数据可以进一步用于第二测量。在预备测量中，如果检测到目标粒子的存在，则利用具有第一直径的第一X射线束建立代表第一投影平面中的目标扫描区域的预备目标扫描位置。在利用具有第二直径的第二X射线束的主测量中，在目标扫描区域内建立所寻找的目标扫描位置。有利地，可以使用预备测量，以便快速发现在物体中是否可检测到目标粒子以及目标粒子可能定位于什么目标扫描区域中。如果未检测到目标粒子的X射线荧光，则可以省略主测量。如果检测到目标粒子的X射线荧光，则主测量提供目标粒子的精确定位，从而可以通过仅限制在目标扫描区域(“缩放”至目标区域)来减少主测量所需的时间。

除了立体角区域以外，检测器阵列装置可以完全围绕物体，以通过辐照窗辐射X射线束，并可选地通过引入窗(4π检测器)将物体引入检测器阵列装置。辐照窗具有小的侧向尺寸，该尺寸与X射线束的直径相适应。引入窗的侧向尺寸与物体以及可选的保持装置的部件的形状和大小有关。有利地，由此检测到来自物体的几乎所有X射线光子。

根据本发明的替代实施例，检测器阵列装置包括检测器元件在下述表面上的布置结构，该表面仅仅、更特别地大约覆盖在X射线束的前进方向上的一半空间。发明人已经发现，显著性检测器元件主要在向前方向上的一半空间中发现。有利地，本发明的该实施例使得检测器阵列装置的简化设置和对被检查的物体的简化的接近成为可能。

根据本发明的另一优选实施例，检测器阵列装置可以包括检测器元件的沿着球形表面和/或圆筒形表面的布置结构。在这种情况下，筛片的径向布置得以简化。

目标粒子在第一投影平面中的定位大体上已经提供了有关被检查的物体及目标粒子在该物体中的位置的可评估的图像信息。为了完成成像，根据本发明的特别优选的实施方式，在目标粒子在第一投影平面中定位之后，提供源装置和检测器阵列装置相对于物体的摆动，以使得在摆动后的状态下，X射线束平行于第二投影方向延伸穿过物体，该第二投影方向偏离第一投影方向。为了执行摆动，X射线荧光测量设备设置有摆动装置，利用该摆动装置，源装置和检测器阵列装置优选地与扫描装置一起可以相对于物体的保持装置旋转，使得X射线束平行于第二投影方向延伸。

在摆动后的状态下，在多个扫描位置进一步用X射线束辐照物体，在这种情况下，所述辐照被限制于偏离第一投影平面的第二投影平面中的扫描线，其中，扫描线包含先前建立的目标扫描位置，优选地利用控制装置沿着扫描线检测目标粒子的位置。利用关于在第一投影平面中的扫描位置和在第二投影平面中的扫描线上的扫描位置的部位信息，完全表征了目标粒子在物体中的位置。

第二投影方向大体上不平行于第一射束方向，即，第二投影方向必须仅允许扫描方向在空间上能够彼此相交，从而如果两个扫描方向各自显示一信号，该相交点于是将标记目标粒子的位置。然而，根据本发明的优选变型，使发生源装置和检测器阵列装置进行摆动，使得第二投影方向垂直于第一投影方向定向并且第二投影平面垂直于第一投影方向定向。

根据本发明的另一优选实施例，可以提供对物体的至少一个吸收投影图像(Absorptionsprojektionsbildes)的拍摄。有利地，在这种情况下，检测器元件满足双重功能以检测X射线荧光并检测传统的X射线吸收图像，例如以建立有关被检查的测试对象的解剖信息。优选地，吸收投影图像与第一投影平面中的目标扫描位置或空间中的目标位置的完整表征相结合，以便获得例如用于之后的诊断的物体图像。

附图说明

下面参考附图描述本发明的更多细节，附图中示出：

图1至图6：根据本发明的X射线荧光测量设备的优选实施例的示意图，其中检测器元件布置在球形表面上；

图7至图9：根据本发明的X射线荧光测量设备的优选实施例的示意图，其中检测器元件布置在圆筒形表面上；

图10和图11：显示了根据本发明的方法的优选实施例的特征的流程图；

图12：显著性检测器元件选择的图示；

图13：目标扫描位置处的光谱合量信号的图示，以及

图14：根据本发明的使用可测量的X射线谱所实现的背景抑制的图示。

具体实施方式

下面参考X射线荧光测量设备和方法的特征来描述本发明的实施例，所述方法尤其是用于检测待检查物体中发荧光的目标粒子的存在，并且如果检测到目标粒子荧光，则用于目标粒子的定位。X射线荧光测量设备的细节，例如源装置、扫描装置、检测器元件或摆动装置的细节可实现为如本身从传统技术的相应的机械、电学或X射线光学构件所知的那样，因此在此不再详细描述所述细节。对于医学成像中的应用，X射线荧光测量设备可以设置有其它构件，如本身从传统技术中已知的，例如，用于致动保持装置的驱动器、操作装置、显示装置等。

通过示例的方式参考实施例，其中源装置和检测器阵列装置相对于静止定位的物体移动，以设置扫描位置。本发明例如可以相应地使用关于诸如传统同步加速器源之类的静止源，使得物体相对于静止定位的源装置和检测器阵列装置移动。

图1至图6示意性地示出了X射线荧光测量设备100的不同透视图，其具有布置在球形表面上的检测器元件31(示例性地示出了一个检测器元件)，由此检测器元件31的布置几乎完全(图1至图3)或仅在X射线束的向前方向的一半空间中(图4至图6)包围所述物体。

根据图1，X射线荧光测量设备100相应地包括：能够容纳物体1(例如示意性示出的患者)的保持装置50，例如卧榻；生成沿第一投影方向(z方向)的X射线束2的源装置10；扫描装置20；牢固地连接到源装置10的检测器阵列装置30(仅在图1中示意性示出)；控制装置40，以接收和处理检测器阵列装置30的检测器信号；和可选地提供的摆动装置60。利用优选地包括具有伺服电机的机械驱动器的扫描装置20，源装置10和检测器阵列装置30可以平行于第一投影平面(xy平面)在行和列方向上移动，使得X射线束2垂直于第一投影平面扫描穿过物体1。利用摆动装置60，源装置10和检测器阵列装置30可以与扫描装置20一起旋转，使得X射线束沿第二投影方向(例如，负y方向)被引导。在其余的图2至图6中，保持装置、扫描装置、控制装置和摆动装置未被示出，但是如图1所示地设置。

源装置10是例如基于激光的汤姆森源的类型的源。检测器阵列装置30具有空心球的形式，其内径例如为120cm，检测器元件31和在这些检测器元件之间伸入空心球的筛片32布置在空心球的内表面上。空心球是完整的球(图1至图3)或半球(图4至图6)。示意性地示出了检测器元件31和筛片32。在实践中，根据具体的测量任务来选择检测器元件的数量和尺寸以及筛片32的数量、尺寸和方位。检测器元件31被配置用于检测在物体1中发射的X射线辐射的光谱；检测器元件31包括例如CdTe型检测器元件(例如由Amptek制造)。筛片32是厚度朝着物体中的被辐照体积区变宽的方向、即朝着X射线束2(见图3的示意性截面图)减小的板或者是平坦的膜。筛片32由例如钼构成。例如，提供了多达3600个筛片32。检测器阵列装置30具有另外两个开口，包括辐照窗33和用于带有物体1的保持装置50的引入窗34。另外，可以提供另外的接近窗35(见图2)。

图7至图9示意性地示出了X射线荧光测量设备100的不同透视图，其中检测器元件31布置在圆筒表面上，由此未示出圆筒体的平坦端面上的检测器元件。物体几乎完全被检测器元件包围。替代地，可以在X射线束(未示出)的向前方向的一半空间中提供检测。在图7至图9中，保持装置、扫描装置、控制装置和摆动装置未被示出，但是如图1所示地设置。

在物体1上进行根据本发明的X射线荧光测量，在该物体中已预先注入了包含目标粒子的溶液。将物体1引入到X射线荧光测量设备100中，使得可以将X射线束2引导到物体1的感兴趣的部分上。启动源装置10并且利用扫描装置20使X射线束2扫描经过物体1。利用检测器阵列装置30检测沿多个空间方向从物体发射的X射线辐射。如下文所解释并如图10和图11的流程图中所示，检测器信号由控制装置40接收和处理。

根据本发明的X射线荧光测量尤其基于发明人的以下考虑。除了了解背景的方向依赖性或各向异性之外，该方法还满足两个基本要求：

(1)该方法不以先验获知目标粒子沿着扫描X射线束2的位置为前提。传统的XRF成像方法却以此为前提，因此必须多次执行扫描(仅仅因为当时并不知道患者的肿瘤位于何处)，且因此剂量明显更高；以及

(2)多重康普顿散射将被最大程度地减少。仅仅康普顿散射的光子无法被阻挡，因为它们与荧光光子来自同一区域。

要求(1)排除了下述准直器和/或测量方法(例如在DE102012023344A1中)，该准直器和/或测量方法仅允许沿扫描射束的受限的观察体积区。尽管如此，许多其它方法仍使用此限制，因为这可以大大减少背景，但同样会过多地削弱信号，以致灵敏度无法达到最大。然而，要求(2)允许这种准直器，所述准直器当然不会削减针束的体积区，但会最大程度地阻塞射束体积区之外的所有区域。

通过沿着扫描X射线束2布置的放射状筛片32可以满足这两个要求。这些筛片32不限制整个射束体积区的视野，而是阻挡已经再次散射到射束体积区之外的光子。

背景减少中的基本增益，例如以因子570增益，是通过对如上所述的检测器信号进行所谓的“空间滤波”实现的，即在由于筛片32而出现第一背景减少后，通过对所有现有检测器元件的子集进行识别来实现。该方法基于图12中所示背景的各向异性(另请参见图14)。图12示意性地示出了在传统方法(图12A)中的信号处理中所考虑的检测器元件31以及例如在根据本发明的方法(图12B)中的信号处理中所考虑的检测器元件31的已开发视图。所选择的检测器元件31的识别是基于以下考虑。

(1)每个检测器元件(或像素)31(例如，在圆筒表面上沿着射束方向围绕物体1)是其自身的具有特定能量分辨率的检测器，即，每个像素都测量能量谱。

(2)检测器元件31中的每一个都具有信号和背景光子两者的输入。就此而言，可以从射束体积区内的所有部位发射和检测信号光子。为了使XRF成像也能对患者起作用，即在大型物体中也能实现依旧高的灵敏度，必须在不过度减少信号光子数量的情况下，相比于现有方法明显更多地减少背景。

(3)根据本发明的背景减少是基于像素选择，使得不再读取所有像素，而仅读取特定像素。如果人们读取太多(或甚至全部)像素，则检测到太多背景，从而信号光子被完全掩盖。相反，如果人们只读取很少的像素，则背景可能会减少，但是信号也会减少。通过分别精确地从信号处理中迭代地放弃下述像素，所述像素的去除提高其余像素的合量信号的显著性，根据本发明的方法使得能够接近或甚至达到明显的优化。当下一个要删除的像素不会在显著性方面带来另外提高时，像素选择方法便会终止。于是达到图12B中的情形：仍然存在的像素的合量谱具有最大的信号显著性，其结果是达到信号曲线，如图13中的示例所示，即现在可以感知所述荧光信号。

图10和图11示出了显著性检测器元件的识别的两阶段变型，其中在第一个选择步骤(图10中，未拟合的基于背景的像素选择)中，主要检测背景X射线散射辐射的检测器元件被放弃，并在第二选择步骤(图11，具有拟合的基于显著性的像素选择)中，放弃其检测信号不会实现其余检测器元件的合量信号的统计显著性的任何提高的另外的检测器元件。替代地，对显著性检测器元件的识别的性能可限于根据图10的方法。

在识别显著性检测器元件之前，针状X射线束2沿横截面扫描物体1，由此将每个步骤称为扫描位置。因此，物体1的投影平面中的所有位置都被覆盖。X射线束2垂直地与投影平面交汇。

此后，为每个扫描位置分别选择识别出的检测器元件(这可以与检测同时进行或在检测之后进行；即，在所有检测器元件的检测期间存储数据)：

如果存在荧光信号，即两条金荧光线(参见图13)，则在所考虑的检测器元件的合量信号的能谱中，这些荧光线会被纯背景区域彼此分开，并且在信号区域的左侧和右侧同样有背景区域(参见图13)：在背景区域中，只能有背景光子，而没有信号光子。因此，这些区域是参考值。如果没有荧光信号，则信号区域与背景区域在统计学上不会有显著差异。

通过步骤S1_3至S1_7，根据图10的方法放弃了检测器元件的进一步考虑(即忽略了这些像素的所检测的能谱)，直到三个背景区域B1、B2和B3(图13)中的输入已减少到如果有的话那么两个信号区域中背景上升的统计显著性超过了例如≥2(步骤S1_2中的测试)的值。如果不存在信号，则将永远不会达到该终止标准，并且算法在最后其余的像素处停止(或者例如当所有像素的80％已经被放弃时)(步骤S1_10)。

如果在步骤S1_2中满足测试要求(过渡条件)，则现在开始第二算法(图11)：在此，为进行进一步的像素选择，将仍其余像素的所有光谱加和为合量谱，并借助两个信号区域通过拟合函数直接确定信号显著性(步骤S2_1至S2_8)。这种算法的关键优势在于，拟合函数更好地映射背景区域(在图10的第一步中，假定背景在所有区域上都是恒定的，然而这仅仅是近似)，并且荧光信号可以通过拟合将其与背景区分开来，即仅通过拟合，就可以从合量谱中确定荧光光子对比背景光子的数量，并且从而放弃对背景的贡献比对信号的贡献更大的像素。

一旦要移除的下一个检测器元件不再进一步提高(步骤S2_10)，而是降低了显著性(仅因为人们会移除另外的背景，但由此也移除过多信号，因此人们会一无所获)，此“基于拟合”的像素选择就会停止。因此，在步骤S2_11中输出识别出的检测器元件的最佳选择。然后，将检测到目标粒子的扫描位置作为目标扫描位置输出。

此后，包括源装置10、检测器阵列装置30和扫描装置20的组合与摆动装置60一起摆动，以便根据目标扫描位置在第二投影平面(x-z平面)中扫描扫描线。沿着扫描线的扫描位置产生目标粒子在z方向上的位置，并且因此与第一投影平面中的扫描位置一起产生目标粒子的坐标。

图14示出了使用如图12所示的检测器元件31的模拟X射线光谱对本发明的优点的进一步说明。图14A示出了如果使用准直器则将被测量的X射线光谱，但是没有应用根据本发明的方法(使用根据图12A的所有检测器元件)。测量信号被康普顿散射(1至5次)强烈覆盖。图14B示出了根据本发明将被测量的X射线光谱(使用根据图12B的识别出的检测器元件)，并且其特征在于显著的背景减少。来自图14B中两条荧光线的信号的统计显著性是标准偏差的10倍以上。

在以上说明书、附图和权利要求书中公开的本发明的特征对于在其不同实施例中实现本发明而言，无论是单独地还是以组合或子组合的方式，都具有重要意义。