Un aparato para obtención de imágenes de rayos x con contraste de fase de una muestra en una región de muestra (10),

que se caracteriza por comprender:

una fuente (2) de rayos x;

una máscara de muestra (8) entre la fuente de rayos x y la región de la muestra ( 5 10), incluyendo la máscara de muestra una pluralidad de aberturas (32) que definen una pluralidad respectiva de haces individuales de rayos x (16); y

un detector de rayos x (4) con una pluralidad de píxeles detectores (12) que tienen regiones sensitivas sensibles a los rayos x y regiones no sensitivas insensibles a los rayos x, estando delimitadas las regiones sensitivas de las regiones no sensitivas por bordes de píxeles;

en donde:

los píxeles (12) están dispuestos como una red bidimensional (5) de píxeles dispuestos en filas;

la fuente (2) de rayos x es una fuente de rayos x policromática y no colimada; y

las aberturas (32) en la máscara de muestra están dispuestas de tal modo que los haces de rayos x (16) pasan a través de la región de muestra (10) y chocan con los bordes de píxeles de una pluralidad de filas de píxeles correspondiente a la pluralidad de haces de rayos x, una pluralidad de columnas de píxeles correspondiente a la pluralidad de haces de rayos x o una pluralidad de píxeles individuales correspondiente a la pluralidad de haces de rayos x.

Obtención de imágenes con contraste de fase.

Campo de la Invención La invención consiste en un aparato para generar una imagen de rayos x con contraste de fase (PC) y un método de generación de una imagen de este tipo.

Antecedentes de la Técnica

El contraste de fase (PC) es una técnica de obtención de imágenes de rayos x emergente y apasionante que elimina la mayor parte de las limitaciones de la obtención de imágenes de rayos x convencionales. El contraste de fase puede aplicarse a todos los campos de la obtención de imágenes de rayos x, es decir el campo médico (planificación/suministro/monitorización de diagnosis y tratamiento) , industrial (inspecciones, ensayos no destructivos) así como a la seguridad nacional (inspecciones de seguridad) . Básicamente, todos estos campos podrían beneficiarse notablemente de la introducción de una técnica PC fiable, dado que esto podría dar como resultado una visibilidad fuertemente incrementada de todos los detalles y la posibilidad de detectar características que son invisibles a las técnicas convencionales.

Una revisión de la obtención de imágenes PC se proporciona en R. Lewis, Medical phase contrast x-ray imaging: current status and future prospects, Phys. Med. Biol. volumen 49 (2004) páginas 3573-83.

Al contrario que las técnicas más convencionales, que están basadas en absorción, la PC está basada en efectos de desplazamiento de fase. El término responsable de los efectos de fase es mucho mayor (~ 1000 veces) que el término que da cuenta de la absorción, de donde se deriva la sensibilidad espectacularmente incrementada del PC.

Existen tres vías convencionales de aprovechamiento de los efectos de fase. Una es optimizar la distancia de muestra a detector y detectar el patrón de interferencia que resulta de las perturbaciones de fase: este enfoque se conoce como propagación de espacio libre u holografía en línea. Los resultados proporcionados por este enfoque son acusadamente dependientes de las características de la fuente, lo que hace más bien pobres los resultados alcanzables con fuentes convencionales. Se obtienen imágenes excelentes con la radiación sincrotrónica, pero con objeto de transferir la técnica a fuentes convencionales tienen que aceptarse compromisos importantes en cuanto a la calidad de la imagen y/o los tiempos de exposición.

Ejemplos de este enfoque pueden encontrarse en A. Snigirev et al, On the possibilities of x-ray phase contrast microimaging by coherent high-energy synchrotron radiation, Rev. Sci, Instrum. volumen 66 (1995) páginas 5486-92, y S.W. Wilkins et al Phase-contrast imaging using polychromatic hard x-rays, Nature volumen 384 (1996) páginas 335-8.

Un segundo enfoque implica el uso de interferómetros. Tradicionalmente, éstos se obtienen por corte adecuado de cristales perfectos, lo que conduce a cierto número de problemas -sólo pueden observarse campos de visión muy pequeños, el haz requerido tiene que ser estrictamente paralelo y monocromático, y la dosis de radiación se suministra ineficazmente. Esto hace el método muy difícil de aplicar en la mayoría de las situaciones. Un ejemplo de este método es el descrito en A. Momose et al Phase-contrast x-ray computed tomography for observing biological soft tissues, Nature Medicine volumen 2 (1996) páginas 473-5.

Recientemente, se ha ideado un método basado en interferómetros de rejilla, que resuelve algunos de los problemas relacionados con el uso de los interferómetros convencionales basados en cristales. Este método se describe en F. Pfeiffer et al, Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance x-ray sources, Nature Physics 2 (2006) 258-61.

Sin embargo, este método tiene también limitaciones: los interferómetros se obtienen por técnicas de microfabricación complejas que permiten actualmente un campo de visión máximo de 5-6 cm, la dosis se suministra ineficazmente, la técnica es sensible a los efectos de fase sólo en una dirección, es necesario escalonar gradualmente las rejillas en al menos 4 posiciones diferentes para adquirir una sola imagen, y la anchura de banda espectral del haz de radiación tiene que ser menor que 10%.

El tercer método está basado en el hecho de que las deformaciones del frente de onda de rayos x debidas al cambio de fase dan como resultado microvariaciones locales en la dirección de los rayos x. Dicho de otro modo, después de salir de la muestra de la que se obtiene la imagen, la dirección de los rayos x ha cambiado en varias decenas de microrradianes, lo cual es un efecto que puede detectarse y traducirse en contraste de imagen.

Esto se realiza utilizando un cristal analizador que, caracterizándose por una curva de reflectividad muy estrecha, permite la traducción de desviaciones angulares en diferencias de intensidad. Ejemplos de este método se proporcionan en V.N. Ingal and E.A. Beliaevskaya, X-ray plane-wave topography observation of the phase contrast from a noncr y stalline object, J. Phys. D: Appl. Phys. volumen 28 (1995) páginas 2314-7, y D. Chapman et al, Diffraction enhanced x-ray imaging, Phys. Med. Biol. volumen 42 (1997) páginas 2015-25.

Esto permite un método muy flexible (la sensibilidad del sistema puede modificarse por cambio de la orientación del cristal) que da como resultado una calidad extremadamente alta de la imagen, en la mayoría de los casos mayor que la proporcionada por todos los restantes métodos mencionados.

Sin embargo, la necesidad de basarse en un cristal perfecto limita acusadamente la aplicabilidad del tercer método, por cuatro razones principales:

1) El sistema requiere radiación monocromática paralela. Esto lo convierte en la herramienta perfecta para la obtención de imágenes con radiación sincrotrónica, pero lo hace extremadamente ineficaz cuando se emplea una fuente de rayos x comercial. El resultado es un aumento en el tiempo de exposición de posiblemente dos o más órdenes de magnitud.

2) La dosis se suministra ineficazmente. El cristal absorbe una fracción considerable de los rayos x después que los mismos han atravesado la muestra. Por supuesto, las dosis incrementadas son un problema particular en aplicaciones médicas.

3) El sistema es muy sensible a las vibraciones ambientales: un cambio de 1 microrradián en la orientación del cristal es suficiente para afectar a la calidad de la imagen.

4) El sistema es intrínsecamente sensible a los efectos de fase en una sola dirección.

Así pues, los tres métodos tienen sus desventajas.

Otro método experimental utiliza radiación sincrotrónica, como se describe en A. Olivo et al, An Innovative Digital Imaging Set-up Allowing a Low-Dose Approach to Phase Contrast Applications in the Medical Field, Med. Phys. volumen 28 (2001) páginas 1610-1619.

En estos experimentos se ha observado que por iluminación con rayos x únicamente del borde la superficie activa de una línea de píxeles, es posible alcanzar una sensibilidad alta con respecto a desviaciones angulares muy pequeñas en la dirección de los fotones.

Desafortunadamente, este enfoque experimental es difícil de convertir en un sistema comercial por varias razones. En primer lugar, el método precisa inherentemente una lámina de rayos x plana tal como la disponible de un sincrotrón, y ésta no está disponible de fuentes convencionales. El uso de un sincrotrón suministra rayos x altamente colimados, y los métodos que utilizan dicha radiación son difíciles de convertir en fuentes convencionales para las cuales la divergencia del haz es un problema real. El uso de una rendija podría reducir en gran medida la intensidad de los rayos x de salida, haciendo necesarios largos tiempos de exposición. Adicionalmente, el método no funciona con detectores de imagen bidimensionales convencionales con una red de píxeles, lo que hace que el método sea incompatible con la mayor parte de los equipos existentes. Además, el barrido a través de una muestra para construir una imagen de una sola línea de detectores hace el proceso aún más lento y hace también que sea muy difícil mantener la alineación. Dicho barrido no es compatible por tanto con equipo comercial en el cual los límites de dosificación y la escala de tiempos para registrar los datos son factores importantes, por ejemplo para uso en aplicaciones médicas o de seguridad.

La comunidad científica implicada en la investigación de obtención de imágenes por rayos x está totalmente de acuerdo en... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para obtención de imágenes de rayos x con contraste de fase de una muestra en una región de muestra (10) , que se caracteriza por comprender:

una fuente (2) de rayos x;

una máscara de muestra (8) entre la fuente de rayos x y la región de la muestra (10) , incluyendo la máscara de muestra una pluralidad de aberturas (32) que definen una pluralidad respectiva de haces individuales de rayos x (16) ; y un detector de rayos x (4) con una pluralidad de píxeles detectores (12) que tienen regiones sensitivas sensibles a los rayos x y regiones no sensitivas insensibles a los rayos x, estando delimitadas las regiones sensitivas de las regiones no sensitivas por bordes de píxeles;

en donde:

los píxeles (12) están dispuestos como una red bidimensional (5) de píxeles dispuestos en filas;

la fuente (2) de rayos x es una fuente de rayos x policromática y no colimada; y las aberturas (32) en la máscara de muestra están dispuestas de tal modo que los haces de rayos x (16) pasan a través de la región de muestra (10) y chocan con los bordes de píxeles de una pluralidad de filas de píxeles correspondiente a la pluralidad de haces de rayos x, una pluralidad de columnas de píxeles correspondiente a la pluralidad de haces de rayos x o una pluralidad de píxeles individuales correspondiente a la pluralidad de haces de rayos x.

2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 que se caracteriza porque en el mismo la máscara de muestra (8) define una red bidimensional de aberturas que se ajustan al patrón de píxeles del detector de rayos x, correspondiendo cada abertura a un píxel individual respectivo del detector de rayos x.

3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 2, que se caracteriza porque en el mismo cada abertura respectiva

(32) en la máscara de muestra (8) es un cuadrado orientado a lo largo de las direcciones de filas y columnas dispuestas de tal modo que el haz individual de rayos x generado por cada abertura respectiva abarca el total de la región sensitiva del píxel individual respectivo y la región no sensitiva alrededor de la región sensitiva.

4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 2 que se caracteriza porque en el mismo cada abertura respectiva

(32) en la máscara de muestra (8) incluye una rendija (34) que se extiende en la dirección de la fila y una rendija (36) que se extiende en la dirección de la columna dispuestas de tal modo que el haz individual de rayos x generado por la abertura respectiva abarca exactamente dos bordes de píxel adyacentes que se extienden en la dirección de fila y columna del píxel respectivo.

5. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que se caracteriza porque en el mismo el detector de rayos x incluye una máscara detectora (6) enfrentada a la región de la muestra, en donde la máscara detectora tiene una pluralidad de aberturas (30) que definen las regiones sensitivas de los píxeles rodeadas por regiones sólidas que definen las regiones no sensitivas.

6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 5 que se caracteriza porque en el mismo las máscaras de muestra y detector (8, 6) absorben hasta 99, 5% de los rayos x de la energía media predeterminada.

7. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que se caracteriza porque en el mismo algunas de las aberturas (30, 32) tienen bordes en ángulo dispuestos de tal modo que los bordes en ángulo son paralelos a los rayos x emitidos por la fuente que pasa a través de las aberturas respectivas.

8. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que se caracteriza porque en el mismo la máscara de muestra (8) comprende un primer elemento de máscara (50) que incluye una pluralidad de primeras aberturas, y un segundo elemento de máscara (52) que incluye una pluralidad de segundas aberturas, en donde los elementos de máscara primero y segundo pueden moverse uno con relación al otro para ajustarse al tamaño efectivo de las aberturas de la máscara de muestra.

9. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que se caracteriza porque en el mismo la máscara de muestra (8) define una pluralidad de rendijas que corresponden a filas respectivas de píxeles, extendiéndose cada rendija en la dirección de la fila.

10. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 9 que se caracteriza porque en el mismo la máscara de muestra (8) define dos rendijas para cada fila de píxeles, estando dispuestas las dos rendijas de tal modo que generan un par de haces individuales de rayos x correspondientes a los bordes opuestos de los píxeles que se extienden en la dirección de la fila de cada fila de píxeles.

11. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende adicionalmente un posicionador (24) en el cual está montada la máscara de muestra para ajustar la posición de la máscara de muestra en la dirección de la fila y/o la columna.

12. Un método de obtención de imágenes de rayos x con contraste de fase que comprende:

generar rayos x policromáticos no colimados a partir de una fuente de rayos x (2) ;

iluminar una máscara de muestra (8) que tiene una pluralidad de aberturas (32) con rayos x para generar una pluralidad de haces individuales de rayos x (16) ; y hacer pasar la pluralidad de haces individuales de rayos x (16) a través de una muestra (14) hasta un detector de rayos x (4) en donde el detector de rayos x tiene una pluralidad de píxeles detectores (12) dispuestos como una red bidimensional (5) de píxeles que tienen filas de píxeles, teniendo los píxeles regiones sensitivas que son sensibles a los rayos x y regiones no sensitivas que son insensibles a los rayos x, estando delimitadas las regiones sensitivas de las regiones no sensitivas por bordes de píxel;

en donde las aberturas (32) en la máscara de muestra están dispuestas de tal modo que los haces de rayos x chocan con los bordes de píxel de una pluralidad de filas de píxeles correspondiente a la pluralidad de haces de rayos x, una pluralidad de columnas de píxeles correspondientes a la pluralidad de haces de rayos x o una pluralidad de píxeles individuales correspondiente a la pluralidad de haces de rayos x.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 12 que se caracteriza porque en el mismo la máscara de muestra

(8) define una red bidimensional de aberturas (32) que se ajustan al patrón de píxeles del detector de rayos x, correspondiendo cada abertura a un píxel respectivo individual del detector de rayos x, incluyendo el método alinear la máscara de muestra de tal modo que las aberturas respectivas definen haces individuales de rayos x que chocan con los píxeles respectivos, en donde cada abertura respectiva en la máscara de muestra (8) incluye una rendija

(34) que se extiende en la dirección de la fila y una rendija (36) que se extiende en la dirección de la columna, incluyendo el método disponer la máscara de muestra de tal modo que el haz individual de rayos x generado por la abertura respectiva cubre exactamente dos bordes de píxeles adyacentes que se extienden en la dirección de la fila y la columna del píxel respectivo.

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 12 ó 13, que se caracteriza porque en el mismo la máscara de muestra (8) define una pluralidad de rendijas correspondiente a filas de píxeles respectivas, extendiéndose cada rendija en la dirección de la fila, incluyendo el método disponer la máscara de muestra de tal modo que el haz individual de rayos x generado por las rendijas respectivas se extiende cada uno a través de al menos un borde de píxel que se extiende en la dirección de la fila de los píxeles en la fila respectiva.

15. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 14 que comprende adicionalmente una máscara detectora (6) en el detector de rayos (4) , estando orientada la máscara detectora (6) a la región de muestra que tiene una pluralidad de aberturas que definen las regiones sensitivas de los píxeles rodeadas por regiones sólidas que definen las regiones no sensitivas, incluyendo el método disponer la máscara detectora (6) de tal modo que la pluralidad de aberturas de la máscara detectora están alineadas con los píxeles (12) .

Haz conformado señalseñal señal señal 18

Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es para comodidad del lector únicamente. No forma parte del documento de la patente europea. Aun cuando se tuvo gran cuidado al reunir las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la Oficina Europea de Patentes (EPO) declina toda responsabilidad a este respecto.

Literatura no de patentes citada en la descripción

• R. LEWIS, Medical phase contrast x-ray imaging: current status and future prospects. Phys. Med. Biol., 2004, vol. 49, 3573-83 [0003]

• A. SNIGIREV et al. On the possibilities of x-ray phase contrast microimaging by coherent high-energy synchrotron radiation. Rev. Sci. Instrum., 1995, vol. 66, 5486-92 [0006]

• S.W. WILKINS et al. Phase-contrast imaging using polychromatic hard x-rays. Nature, 1996, vol. 384.

33. 8

• A. MOMOSE et al. Phase-contrast x-ray computed tomography for observing biological soft tissues. Nature Medicine, 1996, vol. 2.

47. 5 [0007]

• F. PFEIFFER et al. Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance x-ray sources. Nature Physics, 2006, vol. 2.

25. 61 [0008]

• V.N. INGAL; E.A. BELIAESKAYA. X-ray plane-wave topography observation of the phase contrast from a noncr y stalline object. J. Phys. D: Appl. Phys., 1995, vol. 28, 2314-7 [0011]

• D. CHAPMAN et al. Diffraction enhanced x-ray imaging Phys. Med. Biol., 1997, vol. 42, 2015-25 [0011]

• A. OLIVO et al. An Innovative Digital Imaging Set-up Allowing a Low-Dose Approach to Phase Contrast Applications in the Medical Field. Med. Phys., 2001, vol. 28, 1610-1619 [0015]