成像设备和成像方法
阅读说明：本技术 成像设备和成像方法 (Image forming apparatus and image forming method ) 是由 马塞尔·坎特 马尔特·辰切尔 于 2020-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明实现一种X射线成像方法以及一种X射线成像设备。成像设备构成具有：用于发出X射线辐射的X射线光源；用于待借助X射线辐射扫描的对象的容纳区域；转换装置,用于将已经经过容纳区域的X射线辐射空间分辨地转换成可见光；探测器装置,所述探测器装置构成用于基于通过探测器装置检测到的来自转换装置的可见光来输出探测器信号；图案生成器装置,借助于所述图案生成器装置,通过作用于已经经过容纳区域的X射线辐射和/或由转换装置产生的可见光可时间错开地实现多个光影图案,LSM,使得基于相应的LSM产生每个探测器信号；以及评估装置,所述评估装置设计用于,基于探测器信号以及基于关于LSM的预确定的信息来生成对象的图像。(The invention realizes an X-ray imaging method and an X-ray imaging device. The image forming apparatus is constituted with: an X-ray source for emitting X-ray radiation; a receiving area for an object to be scanned by means of X-ray radiation; a conversion device for spatially resolved converting the X-ray radiation that has passed through the accommodation area into visible light; a detector arrangement configured to output a detector signal based on visible light from the conversion arrangement detected by the detector arrangement; a pattern generator device, by means of which a plurality of light and shadow patterns, LSMs, are realized in a time-staggered manner by acting on the X-ray radiation that has passed through the receiving region and/or on the visible light generated by the conversion device, such that each detector signal is generated on the basis of the respective LSM; and an evaluation device, which is designed to generate an image of the object on the basis of the detector signals and on the basis of predetermined information about the LSM.)
技术领域
本发明涉及一种X射线成像设备和一种X射线成像方法，尤其用于执行鬼成像(英文：“Ghost-imaging”)。
背景技术
在传统的(投影)X射线技术中，图像质量与所使用的光子通量密度成比例，所述光子通量密度又与对象的对应的射线负荷(射线剂量)相关。因此，在保持可接受的图像质量的情况下尽可能大程度地减少射线剂量是医学X射线成像的重要挑战。此外，在高分辨率记录的情况下，由于图像伪影，在当前的X射线成像时存在挑战，所述图像伪影在射线路径的均匀性方面提出了苛刻的要求。
通过所谓的鬼成像(英文“ghost imaging”，有时也称为“coincidence imaging，符合线路显像”)提供用于在成像时减少到对象上的射线剂量的可行性。
鬼成像或双光子成像或关联光子成像涉及基于两个电磁射线路径的关联性的成像方法。在两个射线路径中的第一射线路径中，通常存在应对其进行成像的对象(即应被扫描的对象)。在第一射线路径中，在对象的后方设置有单像素探测器(英文：“bucketdetector”)，所述单像素探测器能够探测入射到其上的光射线。在第二射线路径中，存在高分辨率探测器，例如具有探测器像素网格的相机，但不存在对象。单像素探测器和高分辨率探测器通常具有相同的有效探测器面。然后，引导电磁射线(或简称为：光射线，其中所述光射线不必处于可见频谱中)，使得如果不存在任何对象，则所述电磁射线同时在相同位置分别在单像素探测器和高分辨率探测器上入射，即两者同时入射到左上角等。借助光射线经过(扫描)有效探测器面，即引导光射线，使得其逐渐入射到所述整个有效探测器面上。
分析装置记录：何时高分辨率探测器的探测器像素中的一个探测器像素探测到光入射且与此同时单像素探测器也探测到光入射。
如果现在将对象设置在第一射线路径中，则光射线在第二射线路径中继续逐渐经过有效探测器面。相反地，在第一射线路径中，光射束有时由对象吸收，并且因此不射到单像素探测器上。然后，分析装置识别到，没有发生同步探测，并且通过高分辨率探测器的配准像素同时清楚的是，这在第一射线路径中的哪个位置处已经发生。因此，借助于第二射线路径中的高分辨率探测器能够产生对象的整齐的剪影，而不探测与对象相互作用的所述光射线。
所述技术具有多个应用方式，并且尤其提高设计自由度，因为例如，能够在不同的射线路径中使用不同类型的光射线，只要给出所述光射线的空间同步性，即有效探测器面的关联的空间扫描。例如能够在第一射线路径中使用能够由单像素探测器检测的相对弱的(即具有低功率或低光子通量的)光射线，而能够在第二射线路径中使用相对强的光射线。因此，能够保护光敏对象，并且能够为此在第二射线路径中使用较低灵敏度的从而通常成本较低的探测器。因此，在X射线成像中，能够在第一射线路径中使用具有相对较低的光子通量密度的X射线辐射。
在所述方法中的缺点是，高能X射线辐射通常使图案生成变得困难，并且用于单独探测对于光影图案的强度分布的射线光学装置通常无法提供。
鬼成像的一个改进方案在于，仅使用一个唯一的射线路径，并且替代地，从呈不同光影图案的形式的光源发出成像光(例如X射线辐射)，或者在射到对象上之前，通过图案生成器转换成这种光影图案。为此，首先对于每个光影图案i借助于空间高分辨率探测器来检测强度分布Ii。所述强度分布Ii能够保存在存储器中。
然后，为了扫描对象，将所述对象设置在低分辨率探测器、例如单像素探测器(“bucket detector”)的前方，并且借助各个光影图案i照射，其中低分辨率探测器分别检测所属的强度Si。
从空间2维分辨的强度分布Ii(x,y)中，鬼图像G(x，y)能够利用分别在所述光影图案中/借助所述光影图案记录的强度Si通过使用关联性来计算成：
其中关于光影图案的数量从i＝1..N相加，并且其中S描述积分的探测到的强度。
也称为计算机鬼成像(英文“computational ghost imaging”)的所述方法的应用例如在Zhang，He等人的科技文献：“Tabletop x-ray ghost imaging with ultra-lowradiation”，Optica，第5卷，第4期，2018年4月，374-377页，https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000374中描述。
在US 2002/075990 A1中描述一种方法，其中使用掩模和与其互补的反掩模，以便为X射线辐射在其射到闪烁探测器前设有图案。
EP 2 581 733 A1描述了一种多色数字X射线探测器，其具有用于借助于单次曝光进行能量敏感的X射线成像的图案化掩模。
然而，即使在所述方法中，对于产生用于高能X射线辐射的可靠的射线光学装置、对于在各个光影图案之间切换以及对于结果的可复现性，仍存在大的挑战。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种改进的成像设备和一种改进的成像方法，所述改进的成像设备和改进的成像方法尤其克服上述挑战。
所述目的通过实施例来实现，其中在下文中描述有利的改进方案、实施方式和变型方案。
因此，一方面，本发明提供具有实施例的特征的成像设备。
因此，本发明的基本构思是，改变已知的计算机鬼成像方法，使得不在光源附近、而是在探测器附近实现光影图案LSM。以这种方式，实现光源无关的X射线鬼成像。
转换装置尤其能够包括闪烁探测器或者由闪烁探测器构成。“X射线辐射的空间分辨的转换”尤其应理解为，在转换装置处转换从容纳区域接收到的、因此被引导经过容纳区域中的对象的X射线辐射，使得(部分在物体处吸收的)X射线辐射的空间信息由此不会丢失。
在此，图案生成器装置能够根据在下文中详细阐述的多个变型方案来实现。图案生成器装置仅与可见光、尤其由转换装置产生的光相互作用，以便避开在处理高能X射线辐射时的挑战。
图案生成器装置设计用于，给可见光施加光影图案，使得能够取消用于在X射线辐射中/处的图案生成的耗费的射线光学装置。通过图案生成器装置的图案生成例如能够通过超调(使像素变为白色，而不管所述像素最初是黑色、灰色或白色)和/或通过遮暗(使像素变为黑色，而不管所述像素最初是黑色、灰色或白色)来进行。
例如引起基于相应的光影图案产生每个探测器信号，使得通过光影图案LSM，射到探测器信号上的可见光通过超调和/或遮暗来修改。
此外，图案生成器装置有利地构成为，使得时间错开地(即依次地)实现的光影图案是线性无关的。以这种方式，来自每个扫描过程的信息为描绘对象贡献新的空间信息。此外，图案生成器装置能够构成用于离散地实现光影图案LSM，或者构成用于连续地实现光影图案LSM。
关于光影图案LSM的预确定的信息优选地存储在评估装置的非易失性的计算机可读的数据存储器中。关于光影图案LSM的预确定的信息优选地包括关于每个单独的光影图案LSM的预确定的信息，这在如下情况下是尤其有利的：即时间精确地已知，在探测器装置检测到可见光期间，哪个光影图案LSM恰好通过图案生成器装置实现。
应指出，当前在所有考虑中都忽略了光速，从而仅由于光速而彼此错开地发生的事件称为同时。
关于相应的光影图案LSM的预确定的信息优选地是相应的强度分布Ii(x,y)，所述强度分布针对每个光影图案LSM借助于空间分辨的探测器空间分辨地确定和存储，如在上文中已经阐述的那样。
替选地，预确定的信息也能够仅是相应的光影图案本身的空间构造，尤其如果光影图案为已知的且清晰定义的图案，在不存在对象的情况下无需测量就能够计算所述图案的光强度。
此外替选地能够提出，对由探测器装置接收到的光强度(例如已经通过探测器装置本身)积分(或求和)。在这种情况下，如果已知关于引起积分/求和的光强度的光影图案LSM的整体的预确定的信息，也可能就足够了。
探测器信号尤其能够包括或描述一个测量到的光强度(例如在单像素探测器作为探测器装置的情况下)或多个测量到的光强度(在具有若干探测器像素的低分辨率探测器作为探测器装置的情况下)。
所描述的成像设备例如具有如下优点：通过使用与X射线光源无关的图案生成器装置，也降低对于X射线光源在可复现性方面的要求。此外，能够使光影图案LSM匹配于空间频率的所期望的分辨率，这使成像获得更大的自由度。
在一些实施方式、实施方式的改进方案或变型方案中，图案生成器装置通过对可见光的局部遮暗和/或超调来产生光影图案。以这种方式，多个已知的图案生成器装置可供使用，例如光栅光阀(grating light valves)等可供使用，这带来了高的设计自由度。
在示例性的成像设备中，图案生成器装置和转换装置彼此集成，使得转换装置仅将射到转换装置的根据相应的LSM确定的区域上的X射线辐射转换成可见光。以这种方式，在产生可见光时，光影图案已经施加到可见光上。此外，这种设置能够特别节省空间地实现。
图案生成器装置和转换装置也能够以其他方式和方法彼此集成。例如能够设有影像板，所述影像板存储通过X射线辐射的激励，并且能够通过可见光空间分辨地读取。因此，通过有针对性地空间读取影像板来实现光影图案LSM。
在示例性的成像设备中，图案生成器装置和探测器装置彼此集成，使得光影图案直接在探测器装置上产生。也能够特别节省空间地实现这种设置。
在一些实施方式、实施方式的改进方案和变型方案中，探测器装置具有大于等于五个探测器像素且小于等于一百个探测器像素、优选地大于等于五个探测器像素且小于等于五十个探测器像素、特别优选地大于等于五个探测器像素且小于等于二十五个探测器像素的分辨率。这种传感器能够借助相对少的技术耗费实现，并且能够对应地——在技术耗费总体保持不变的情况下——构成具有更高的灵敏度。这又能够实现，在扫描期间使用具有较低灵敏度的X射线辐射，由此待扫描的对象(即待被X射线照射的对象)有利地以更少的射线剂量负荷。
在一些实施方式、实施方式的改进方案和变型方案中，多个探测器像素组合(“像素合并”)成读取单元，以用于评估。以这种方式，能够进一步提高现有的探测器的灵敏度。因为空间信息基本上在光影图案LSM中以及在对于所述光影图案LSM已知的强度分布Ii中编码，所以在本发明中，在一方面探测器装置的像素数量与另一方面探测器装置的灵敏度之间进行权衡，由此不一定必须在空间分辨率中进行妥协。
在一些实施方式、实施方式的改进方案和变型方案中，探测器装置构成为单探测器像素探测器(英文“bucket detector”)。在这种极端情况下，在探测器装置的技术耗费小的同时存在高的灵敏度，另一方面，必须使用比较多数量的光影图案LSM，以便充分地获得用于生成对象的图像(即用于重建)的信息。较多数量的光影图案LSM意味着在其他条件不变的情况下，尤其在每光影图案LSM的照射时间不变的情况下，照射时间更长从而对象的射线负荷更高。因此，根据所期望的应用和对象相对于X射线辐射的灵敏度，也能够个体化地调整探测器装置的探测器像素数量。因此，本发明为开发人员提供多种构造可行性和调节螺丝，以便能够为每种应用设立最优配置。
在一些实施方式、实施方式的改进方案和变型方案中，光影图案LSM的分辨率大于探测器装置的分辨率。这也能够实现基本上在光影图案LSM和所属的强度分布中对空间信息进行编码，由此能够将探测器装置的分辨率节约成本地保持为低的。
在一些实施方式、实施方式的改进方案和变型方案中，成像设备构成为，使得对于单个成像依次穿行的光影图案LSM的总数小于对于光影图案LSM的强度分布I(x,y)的像素的总数，或者至少小于对于光影图案LSM的强度分布I(x,y)的像素的总数乘以探测器装置的探测器像素的数量。以这种方式，相对于对象的传统扫描和高分辨率探测器的使用，减少了待传输的数据量，因为对于每个光影图案LSM，如果已经存在评估装置的先前测量的强度分布I(x,y)，则仅必须分别将在探测器装置的每探测器像素测量到的强度值传输给评估装置。因此，能够将探测器装置的数据存储容量和/或数据传输容量选择为更低，这又能够减少成像设备的技术耗费和成本。
在一些实施方式、实施方式的改进方案和变型方案中，在探测器装置中执行探测器信号的时间积分或求和。以这种方式，能够减少例如必须从探测器装置传输给评估装置的数据量。
成像设备也能够构成和设置成，使得借助X射线辐射连续地照射对象，并且进行光影图案LSM的连续的图案变化，并且对由探测器装置检测到的光强度进行积分。以这种方式，回避了必要的快速探测器读取的问题。此外，通过本发明所基于的关联方法，即使用在光影图案的已知的光强度与在扫描对象之后测量到的光强度之间的关联性，消除自动出现的系统伪影。因此，例如减小或甚至消除通过射线路径中的系统杂质引起的不均匀性。
本发明还提供一种具有实施例的特征的用于通过借助X射线辐射照射对象来创建对象的图像的成像方法。
只要有意义，上述设计方案和改进方案能够任意地彼此组合。本发明的其他可行的设计方案、改进方案和实现方案也包括在上文中或在下文中关于实施例描述的本发明的特征的未明确提及的组合。在此，本领域技术人员尤其也添加单独方面作为对本发明的相应的基本形式的改进或补充。
在下文中根据附图和所属的附图说明来阐述其他有利的改进方案和实施方式。
附图说明
在下文中根据在示意图中给出的实施例详细地阐述本发明。在此示出：
图1示出用于阐述根据本发明的一个实施方式的成像设备的示意方框图；以及
图2示出用于阐述根据本发明的另一实施方式的成像方法的示意流程图。
所附的附图应促成对本发明的实施方式的进一步理解。所述附图图解说明实施方式，并且结合说明书用于阐述本发明的原理和构思。附图的元素不一定彼此间符合比例地示出。说明方向的术语，如例如“上”、“下”、“左”、“右”、“上方”、“下方”、“水平”、“垂直”、“前”、“后”以及类似说明仅用于阐述目的，并且不用于将普遍性限制于如在图中所示的特定的设计方案。
在绘图的附图中，相同的、功能相同的和相同作用的元件、特征和部件——只要未另外说明——分别设有相同的附图标记。
方法步骤的标记用于更好的概览；只要未明确陈述或明显暗含对立内容，所述方法步骤的编号虽然能够暗含时间顺序，但不一定必须暗含时间顺序。多个方法步骤尤其也能够部分地或完全地重叠，即尤其也能够同时执行。
具体实施方式
图1示出示意方框图，用于阐述根据本发明的一个实施方式的用于通过借助X射线辐射2照射对象1来创建对象1的图像5的成像设备100。
成像设备100包括用于发出X射线辐射2的X射线光源10以及用于待借助X射线辐射2扫描的对象1的容纳区域30。待扫描的对象1例如能够为工件，但也能够为生物，例如人类患者。
容纳区域30例如能够包括用于放置对象1的台、用于容纳对象1的可闭锁的腔等。在容纳区域30与X射线光源10之间能够设有光学装置20、例如孔(Apertur)。
在容纳区域30后的射线路径中设置有成像设备100的转换装置40，所述转换装置构成和设置用于，将已经经过容纳区域30的X射线辐射空间分辨地转换成可见光。因此，在所述时刻，仍可从所转换的可见光中提取关于对象1的全部空间信息。但是，如上所述，为此需要强的光子通量密度，所述强的光子通量密度可能对于多个对象1有害。转换装置40例如能够为闪烁探测器。
成像设备100还包括探测器装置60，所述探测器装置构成用于基于通过探测器单元60检测到的可见光来输出探测器信号61，其中所述可见光优选地来自转换装置40。在其他变型方案中，在此期间能够发生所产生的可见光的其他转换。成像设备100构成为，使得已经经过容纳区域30的X射线辐射2射到转换装置40上，使得由所述转换装置(通过转换)产生的可见光在经过图案生成器装置50之后射到探测器装置60上。这有利地进行成，使得在所有辐射能够不变地经过的完全空的光影图案LSM51的情况下，来自容纳区域30的全部X射线辐射2也射到探测器装置60上。
如在上文中已经详细阐述的那样，成像设备100尤其能够具有单探测器像素探测器(或由其构成)，或者具有分辨率相对低的探测器(或由其构成)，其中如果探测器装置60的分辨率(即探测器像素数量)低于光影图案LSM 51的分辨率(即像素数量)，则能够实现显著的优点。此外，也能够使用像素合并，以便提高探测器装置60的灵敏度，从而减少在每光影图案LSM 51对象1借助X射线辐射2的需要的曝光时间(或照射时间)。
此外，成像设备100包括图案生成器装置50，借助于所述图案生成器装置，通过作用于已经经过容纳区域30的X射线辐射2和/或通过作用于由转换装置40产生的可见光能够时间错开地实现多个光影图案LSM 51，使得基于相应的光影图案LSM 51产生每个探测器信号61。
图案生成器装置50有利地作用于可见光，使得可用低的耗费来实现所述图案生成器装置。通过图案生成器装置50的图案生成例如能够通过超调(使像素变为白色，而不管所述像素最初是黑色、灰色或白色)和/或通过遮暗(使像素变为黑色，而不管所述像素最初是黑色、灰色或白色)来进行。
此外，图案生成器装置50有利地构成为，使得时间错开地(即依次地)实现的光影图案LSM 51是线性无关的。以这种方式，来自每个扫描过程的信息为描绘对象贡献新的空间信息。此外，图案生成器装置能够构成用于，离散地实现光影图案LSM 51，或者图案生成器装置能够构成用于，连续地实现光影图案LSM 51。
最后，成像设备100包括评估装置70，所述评估装置设计用于，基于探测器信号61以及基于关于光影图案LSM 51、优选关于相应的属于探测器信号61的光影图案LSM 51的预确定的信息，生成对象1的图像5。如上所述，这尤其能够借助于计算机鬼成像来进行。
对于每个光影图案LSM 51，尤其能够以借助高分辨率探测器记录的方式预确定所属的强度分布I(x,y)，并且将所述强度分布存储在评估装置70的数据存储器中。因此，利用所述强度分布I(x,y)之间的相关性、分别通过探测器装置60测量的强度以及哪个光影图案LSM 51在探测器装置60处产生了何种强度的信息，能够根据已知的算法来生成对象1的图像5。
在图1中，示例性示出成像设备100，使得转换装置40、图案生成器装置50和探测器装置60分别作为彼此分离的块描绘。
然而，如在上文中所阐述的那样，应用相关地能够有利的是，将多个或甚至所有所述功能块彼此集成。
例如，图案生成器装置50和转换装置40能够彼此集成，使得转换装置40仅将射到转换装置40的根据相应的光影图案LSM 51确定的区域上的X射线辐射2转换成可见光。此外，能够设有成像板，所述成像板存储通过X射线辐射2的激励，并且能够通过可见光空间分辨地读取。因此，能够通过影像板的有针对性的空间读取来实现光影图案LSM 51。再次替选地，图案生成器装置50和探测器装置60能够彼此集成，使得直接在探测器装置60上产生相应的光影图案LSM 51。
因此，能够根据多个上述变型方案和可选方案改变在图1中示意性示出的成像设备100。
图2示出示意流程图，用于阐述根据本发明的另一实施方式的用于通过借助X射线辐射2照射对象1来创建对象1的图像5的成像方法。根据图2的方法尤其能够借助于根据图1的成像设备100来执行。因此，根据图2的方法也能够根据关于成像设备100所描述的所有可选方案、变型方案和改进方案调整，并且反之亦然。
在步骤S10中，将待扫描的对象1设置在容纳区域30中。
在步骤S20中，通过X射线光源10发出X射线辐射2，以照射容纳区域30，从而也照射对象1。可选地，在进入容纳区域30之前，能够通过光学装置20成型、例如聚焦X射线辐射。
在步骤S30中，已经经过容纳区域30的X射线辐射2(即未由对象1吸收或完全散射离开射线路径)例如通过转换装置40空间分辨地转换成可见光，如在上文中已经详细阐述的那样。
在步骤S40中，通过作用于已经经过容纳区域30的X射线辐射2和/或作用于通过转换产生的可见光来时间错开地实现多个光影图案LSM 51，使得基于在转换之后射到探测器装置60上的可见光以及基于相应的光影图案LSM 51来产生在步骤S50中通过探测器装置60产生的探测器信号61。如所描述的那样，能够对于每个光影图案LSM 51产生单个探测器信号61；替选地，在积分/求和之后，探测器信号16也能够基于多个光影图案LSM 51。
例如，产生S40光影图案LSM 51能够包括：将来自转换装置40的光局部遮暗和/或超调。替选地或附加地，产生S50光影图案LSM 51也能够包括：空间分辨地、有针对性地抑制X射线辐射2通过转换装置40的转换。再次替选地或附加地，产生S50光影图案LSM 51也能够包括：空间分辨地、有针对性地抑制可见光通过探测器装置60的探测。在这些情况中的每种情况中，“空间分辨”分别涉及例如白色和黑色像素的由相应的光影图案LSM 51预设的图案序列。这些变型方案中的每个变型方案具有如下共同点：最终由探测器装置60产生的探测器信号61不仅与所扫描的对象1、而且与分别应用/产生的光影图案LSM 51相关。
在步骤S60中，基于探测器信号61以及基于关于光影图案LSM 51的预确定的信息，生成对象1的图像5。如在上文中已经详细描述的那样，这能够借助于已知的计算机鬼成像方法(“computational ghost imaging”)来进行，尤其利用对于光影图案LSM 51中的每个光影图案的预确定的强度分布I(x,y)。
在上面的详细描述中，已经总结了用于改进显示的严格性的不同特征。然而，在此应清楚的是，以上描述仅是说明性的，而绝非是限制性的。所述描述用于覆盖不同特征和实施例的所有替选方案、修改方案和等效方案。鉴于上述描述，基于本领域技术人员的技术知识，多个其他实例对于本领域技术人员是立即且直接清楚的。
选择且描述了实施例，以便能够尽可能好地示出本发明所基于的原理和其在实践中的应用可行性。由此，本领域技术人员能够关于预期的使用目的最佳地修改和使用本发明及其不同实施例。
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