使用激光康普顿X射线源的2色射线成像的方法技术

经由激光康普顿X射线源的扫描照射产生对象的高对比度减影X射线图像。利用激光康普顿散射过程的光谱角相关性和特别设计的孔和/或检测器来产生/记录X射线的窄射束，X射线的窄射束的光谱含量包括由稍微较低能量的X射线的区域围绕的高能量X射线的同轴区域。激光康普顿源的端点能量被设置成使得高能量X射线区域包含高于要成像的对象内的特定造影剂或特定材料的k壳吸收边缘(k边缘)的光子，而外部区域包括其能量低于相同造影剂或特定材料的k边缘的光子。通过该射束对对象的扫描照射将同时记录和映射对象的高于k边缘和低于k边缘吸收响应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2014年5月8日提交的题为“Two-ColorRadiographySystemandMethodwithLaser-ComptonX-RaySources”的美国临时申请61/990642的权益，该申请通过引用并入本文。这是2014年5月9日提交的题为“ModulatedMethodforEfficient,Narrow-Bandwidth,LaserComptonX-RayandGamma-RaySources,”的美国专利申请序列号14/274348的部分延续申请，美国专利申请序列号14/274348通过引用并入本文。美国专利申请序列号14/274,348要求于2013年5月10日提交的题为“Modulated,Long-PulseMethodforEfficient,Narrow-Bandwidth,LaserComptonX-RayandGamma-RaySources,”的美国临时专利申请第61/821,813号的权益，美国临时专利申请第61/821,813号通过引用并入本文。美国专利申请序列号14/274,348要求2014年5月8日提交的题为“Ultralow-Dose,FeedbackImagingSystemandMethodUsingLaser-ComptonX-RayorGamma-RaySource”的美国临时专利申请61/990,637的权益，美国临时专利申请61/990,637通过引用并入本文。美国专利申请序列号14/274,348要求于2014年5月8日提交的题为“Two-ColorRadiographySystemandMethodwithLaser-ComptonX-RaySources”的美国临时申请61/990,642的权益，美国临时申请61/990,642通过引用并入本文。关于联邦资助研究或开发的声明根据美国能源部与劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司之间的用于劳伦斯利弗莫尔国家实验室运作的合同号DE-AC52-07NA27344，美国政府享有本专利技术的权利。
本专利技术涉及经由激光康普顿散射产生X射线和伽玛射线，并且更具体地，涉及利用激光康普顿X射线源的减影射线成像。
技术介绍
在常规的2D的X射线/伽玛射线成像中，使用平的X射线或伽玛射线场来照射患者或对象，并且所发射的信号被记录在2D膜或检测器的阵列上。对象内的材料密度的变化引起用于贯穿辐射的射束传输的变化，并且这些变化显示为膜或检测器阵列上的阴影。这种成像技术的动态范围由检测器系统的响应函数以及对象的厚度和对象的次级X射线散射来确定。此外，该对象的所有部分经受相同的输入通量(每单位面积的光子)，并且撞击到对象上的总剂量按照对象的面积以及贯穿对象的最密集的区域所需的通量(即分辨对象内关注的结构所需的通量)来设置。在该成像模式中，整个对象经受高剂量。对于其中期望的对象为小密度或低密度的一些成像过程，注射或摄入更高原子序数的造影剂，以提供关于目标结构的特定信息。例如在冠状动脉造影术中，目标是对血管成像，特别是定位血管孔减小或阻塞的区域。因为血液和血管是软组织并且尺寸小，与它们存在的背景基质相比，它们的总X射线衰减小，因此在常规的全身X射线图像中很难(如果不是不可能的话)充分地分辨它们。为了克服该问题，将通常比周围生物材料更高原子序数的致密材料注入血流中，以增加关注区域中的X射线衰减，并且通过这样做来提高对比度。用于人体成像任务的造影剂当然必须被证明是生物惰性的或至少相对地生物惰性。对于冠状动脉造影术，含碘化合物已经用作造影剂。应当注意，尽管该过程的确改善了对比度并提供了所需的空间信息，但是患者接收的剂量可能非常高。一些冠状动脉造影术可使患者暴露于全年允许的剂量。为了提高对比度以及/或者降低在所期望的对比度水平下图像所需剂量，已经建议并证明2色减影成像。在该模式下，用可调的准单能X射线源照射患者两次。在一种情况下，X射线源的能量设置稍微高于造影剂的k壳吸收边缘，而在另一种情况下，其设置为略低于造影剂的k壳吸收边缘。如图1所示，对比材料的吸收横截面围绕k壳吸收区域显著地变化，而周围材料的吸收横截面可以相对不变。如果两个图像被归一化为在不包含造影剂的区域中具有相同的信号，则归一化图像的减影将是其内容主要由造影剂引起的图像。虽然使用来自同步加速器X射线源的滤波光进行的早期实验证明该过程可以显著地增加图像对比度以及/或者减少至患者的剂量，但是由于缺乏临床兼容性的准单能X射线源，其在真实世界的临床环境中的实施相对受限。同步加速器源昂贵(>1亿美元)、较大(直径>100m)并且相对不常见。此外，同步加速器源的输出是恒定的，并且不能快速调整，也不容易横跨对象进行扫描。还应当注意，一些人已经尝试通过改变撞击在旋转阳极式上的电子束的端点能量来将常规的韧致辐射源用于k边缘成像，使得最高能量光子高于或略低于期望的k边缘吸收。然而，在实践中，这不能很好地工作，因为韧致辐射源的总X射线含量从电子束的端点能量延伸至DC，因此高于k边缘的射束谱的部分与总X射线产生相比相对小，因此图像由背景吸收来控制。在该模式下，患者的剂量也较高，因为它主要来自源的韧致辐射光谱的低能量尾部。在某种程度上，这个问题可以通过用低原子序数材料使射束衰减来最小化，所述低原子序数材料优先地使光谱的相对于高能部分的低能量部分减少，但这当然减少了可用于成像的总X射线通量，增加了照射X射线束内的图像劣化散射X射线含量的比例，并且需要更高电流的阳极装置，以在对象处产生相同数量的有用的高于和低于k边缘的光子。注意，k壳边缘而不是外壳吸收边缘(即L和M通常用于2色临床成像)，因为去除k壳电子所需的X射线能量通常落在临床射线成像的关注的X射线区域中，而外壳吸收发生在较低的X射线能量处。然而，如果对象和源是兼容的，则可以使用外壳吸收边缘在较低能量处实现相同的2色图像减影方案。
技术实现思路
描述了一种用于通过激光康普顿X射线源的扫描照射来创建对象的高对比度减影X射线图像的新方法。本专利技术利用激光康普顿散射过程的光谱角相关性和特别设计的孔和/或检测器来产生/记录X射线的窄射束，X射线的窄射束的光谱含量包括由具有略微较低能量的X射线的区域围绕的高能X射线的同轴区域。激光康普顿源的端点能量被设置成使得高能量X射线区域包含高于要成像的对象内的特定的造影剂或特定材料的k壳吸收边缘(k边缘)的光子，而外部区域包括其能量低于相同造影剂或特定材料的k边缘的光子。通过该射束照射对象将同时记录由射束的相应部分照射的区域的对象的高于k边缘吸收响应和低于k边缘吸收响应。通过扫描射束或相对于射束扫描对象，可以建立对象的全高于和低于k边缘空间响应。这些空间响应在被适当地归一化和相互减影时产生对对象内特定造影剂或特定材料的存在或不存在的敏感的图，并且因而减影图像表示对对象内存在的造影剂或特定材料的高对比度射线成像。该技术可以用于各种X射线成像任务，以在对对象的固定X射线剂量下增加图像对比度或者减少获得期望对比度的X射线图像所需的X射线剂量。特别值得注意的是，该方法获得对象的高于和低于k边缘图二者，而不需要对X射线源的端点能量或X射线源的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：提供X射线束，所述X射线束包括具有大于测试元件的k壳吸收边缘的能量的第一射束区域，并且其中，所述X射线束还包括具有小于所述测试元件的k壳吸收边缘的能量的第二射束区域；将所述X射线束引导至对象上的第一位置上；在每个部分透射通过所述第一位置之后，检测所述第一射束区域的第一能量和所述第二射束的第二能量；计算所述第一能量的图案与所述第二能量的图案之间的差；以及显示所述差。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.08 US 61/990,642;2014.05.08 US 61/990,637;1.一种方法，包括：提供X射线束，所述X射线束包括具有大于测试元件的k壳吸收边缘的能量的第一射束区域，并且其中，所述X射线束还包括具有小于所述测试元件的k壳吸收边缘的能量的第二射束区域；将所述X射线束引导至对象上的第一位置上；在每个部分透射通过所述第一位置之后，检测所述第一射束区域的第一能量和所述第二射束的第二能量；计算所述第一能量的图案与所述第二能量的图案之间的差；以及显示所述差。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用激光康普顿X射线源来产生所述X射线束。3.根据权利要求1所述的方法，其中，显示所述差的步骤包括将所述差显示为数据或图像。4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在不同位置处多次重复权利要求1所述的步骤。5.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过重置所述对象和所述X射线束的彼此的相对位置来多次重复权利要求1所述的步骤。6.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述X射线束在所述源和所述对象之间穿孔，使得所述X射线束的仅所述第一射束区域和所述第二射束区域传播至所述对象上。7.根据权利要求6所述的方法，其中，一次仅允许所述第一射束区域或所述第二射束区域中的一个传播至所述位置上，然后允许所述第一射束区域或所述第二射束区域中的另一个传播至所述位置上。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用高Z管使由所述对象已散射的X射线的至少一部分被排除检测。9.根据权利要求1所述的方法，其中，使用具有用于检测所述第一能量的内部区域和用于检测所述第二能量的外部区域的X射线检测器来执行检测步骤。10.根据权利要求1所述的方法，其中，使用2DX射线检测器阵列来执行检测步骤。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述2D检测器阵列的仅由所述第一能量完全覆盖的像素用于计算所述第一能量，并且所述2D检测器阵列的仅由所述第二能量完全覆盖的像素用于计算所述第二能量。12.根据权利要求1所述的方法，还包括：使所述X射线束穿过狭缝，使得所述第一射束区域和所述第二射束区域的一个维度相同。13.根据权利要求1所述的方法，还包括：使所述X射线束穿孔，使得在所述第一射束区域和所述第二射束区域之间存在没有任何区域的光子的不同区域。14.根据权利要求1所述的方法，其中，使用具有足够小的面积的X射线检测器来执行检测步骤，使得所述检测器一次仅可以检测所述第一能量或所述第二能量中的一个，所述方法还包括：使所述检测器在所述第一射束区域和所述第二射束区域之间抖动。15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一区域和所述第二区域被穿孔以具有大约相同的面积。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二区域的尺寸被设置成使得包含在所述第二射束区域中的光子的总数等于所述第一区域的光子的总数。17.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述对象之前的所述射束的路径中放置孔，其中，所述孔被配置成仅允许所述第一射束区域或所述第二射束区域中的一个通过，所述方法还包括：抖动所述孔，以允许第一个射束区域通过，然后允许另一个射束区域通过。18.一种设备，包括：源，用于提供X射线束，所述X射线束包括具有大于测试元件的k壳吸收边缘的能量的第一射束区域，并且其中，所述X射线束还包括具有小于所述测试元件的k壳吸收边缘的能量的第二射束区域；检测器，其被配置成用于在每个部分透射通过对象的第一位置之后检测所述第一射束区域的第一能量和所述第二射束的第二能量；处理器，其被配置成用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·P·J·巴季，
申请(专利权)人：劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US