DE102006037254B4

DE102006037254B4 - Fokus-Detektor-Anordnung zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen mit röntgenoptischen Gittern, sowie Röntgen-System, Röntgen-C-Bogen-System und Röntgen-Computer-Tomographie-System

Info

Publication number: DE102006037254B4
Application number: DE102006037254.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Baumann Joachim; Martin Engelhardt; Dr. Freudenberger Jörg; Dr. Hempel Eckhard; Dr. Hoheisel Martin; Dr. Mertelmeier Thomas; Dr. Schuster Manfred; Prof. Popescu Stefan
Original assignee: Scherrer Paul Institut; Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De; Scherrer Paul Institut
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: US20070183582A1; JP2007203064A; DE102006037254A1; US7564941B2; JP5127247B2

Abstract

Fokus-Detektor-Anordnung (F₁, D₁) einer Röntgenapparatur (1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt (7, P), zumindest bestehend aus:
1.1. einer Strahlungsquelle (2) mit einem Fokus zur Erzeugung von Röntgenstrahlung und Durchstrahlung des Untersuchungsobjektes (7, P),
1.2. einem im Strahlengang hinter dem Untersuchungsobjekt (7, P) angeordneten Phasengitter (G₁), welches ein Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich (E) der Röntgenstrahlung erzeugt, und
1.3. einem Analyse-Detektor-System (G₂, D₁) welches zumindest das von dem Phasengitter (G₁) erzeugte Interferenzmuster ortsaufgelöst bezüglich seiner Phasenverschiebung detektiert,
1.4. wobei im Strahlengang zwischen Fokus und Untersuchungsobjekt (7, P) ein röntgenoptisches Absorptionsgitter als Quellengitter eingesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
1.5. das Phasengitter (G₁) in den Lücken (L) zwischen seinen Stegen (S) ein Füllmaterial (B) aufweist, dessen linearer Schwächungskoeffizient im relevanten Energiebereich (E) höher ist als der der Stege (S), weiterhin
1.6. die Höhe (h_xF, h_xyF) des Füllmaterials (B) in den Lücken (L) einerseits derart bemessen ist, dass die Röntgenstrahlung der zur Messung der Phasenverschiebung genutzten Energie und Wellenlänge (λ) eine Phasenverschiebung in der Röntgenstrahlung derart erzeugt, dass nach dem Phasengitter (G₁) die Strahlen (a), welche die Stege (S) durchdringen, gegenüber den Strahlen (b), welche die Lücken (L) mit dem Füllmaterial (B) durchdringen, um eine halbe Wellenlänge (λ/2) phasenverschoben sind,
1.7. und andererseits derart bemessen ist, dass die Schwächung der Röntgenstrahlung, zumindest in Bezug auf die zur Messung der Phasenverschiebung genutzte Energie, beim Durchtritt durch die Stege (S) und beim Durchtritt durch das Füllmaterial (B) gleich ist.

Description

Fokus-Detektor-Anordnung zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen mit röntgenoptischen Gittern, sowie Röntgen-System, Röntgen-C-Bogen-System und Röntgen-Computer-Tomographie-System.
Die Erfindung betrifft eine Fokus-Detektor-Anordnung einer Röntgenapparatur zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt, mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung von Röntgenstrahlung und Durchstrahlung des Untersuchungsobjektes, mit einem im Strahlengang hinter dem Untersuchungsobjekt angeordneten Phasengitter, welches ein Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich der Röntgenstrahlung erzeugt, und mit einem Analyse-Detektor-System, welches das von dem Phasengitter erzeugte Interferenzmuster ortsaufgelöst bezüglich seiner Phasenverschiebung detektiert.
Solche Fokus-Detektor-Anordnungen zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt sind allgemein bekannt. Beispielhaft wird auf die Europäische Patentanmeldung EP 1 447 046 A1 und die nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen DE 10 2006 017 290 A1 , DE 10 2006 015 358 A1 , DE 10 2006 017 291 A1 , DE 10 2006 015 356 A1 und DE 10 2006 015 355 A1 verwiesen.
Das Dokument ”X-ray Phase imaging with a grating interferometer”; (WEITKAMP et al., Optics Express, Vol. 13, No. 16, 2005, pp. 6296–6304) beschreibt eine Fokus-Detektor-Anordnung zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen. Das Dokument US 2005/0207012 A1 beschreibt beugungsoptische Elemente.
Für die Bildgebung durch ionisierende Strahlen, insbesondere durch Röntgenstrahlen, können grundsätzlich zwei Effekte betrachtet werden, die beim Durchtritt der Strahlung durch Materie auftreten, nämlich die Absorption und die Phasenverschiebung der durch ein Untersuchungsobjekt durchtretenden Strahlung. Es ist auch bekannt, dass der Effekt der Phasenverschiebung beim Durchtritt eines Strahles durch ein Untersuchungsobjekt in vielen Fällen wesentlich stärker auf geringe Unterschiede in der Dicke und der Zusammensetzung der durchdrungenen Materie reagiert als die Absorptionseffekte. Für eine solche Phasenkontrastradiographie oder Phasenkontrasttomographie muss die vom Objekt verursachte Phasenverschiebung ausgewertet werden. Hierbei können analog zur konventionellen Absorptionskontrast-Röntgenradiographie beziehungsweise Absorptionskontrast-Röntgentomographie sowohl projektive Bilder der Phasenverschiebung erstellt werden als auch aus einer Vielzahl von projektiven Bildern tomographische Darstellungen der Phasenverschiebung berechnet werden.
Die Phase einer Röntgenwelle kann man nicht direkt bestimmen, sondern nur durch Interferenz mit einer Referenzwelle. Die Phasenverschiebungen relativ zu Referenzwellen beziehungsweise zu benachbarten Strahlen können durch Verwendung interferometrischer Gitter gemessen werden. Bezüglich der interferometrischen Messmethoden wird auf die zuvor zitierten Schriften verwiesen. Bei diesen Methoden wird ein Untersuchungsobjekt von einer kohärenten Röntgenstrahlung durchstrahlt, anschließend durch ein Phasengitter mit einer auf die Wellenlängen der Strahlung angepassten Steghöhe geführt, wodurch ein Interferenzmuster entsteht, welches abhängig von der im Objekt auftretenden Phasenverschiebung ist. Dieses Interferenzmuster wird durch eine anschließende Analyse-Detektor-Anordnung ausgemessen, so dass die Phasenverschiebung ortsaufgelöst bestimmt werden kann.
Grundsätzlich ist hierzu Folgendes anzumerken:
Die Emission von Röntgenphotonen von Laborröntgenquellen (z. B.: Röntgenröhren, Sekundärtargets, Plasmaquellen, radioaktive Quellen) und auch von herkömmlichen Synchrotronstrahlungsquellen der ersten bis dritten Generation unterliegt stochastischen Prozessen. Die emittierte Röntgenstrahlung besitzt deshalb per se keine räumliche Kohärenz. Die Strahlung von Röntgenquellen verhält sich jedoch in der Phasenkontrastradiographie und -tomographie bzw. einem beliebigen Interferenzexperiment wie räumlich kohärente Strahlung, wenn der Betrachtungswinkel hinreichend klein ist, unter dem die Quelle dem Beobachter bzw. dem Objekt, dem Gitter oder dem Detektor erscheint. Als Maß für die räumliche oder transversale Kohärenz einer ausgedehnten Röntgenquelle lässt sich die so genannte räumliche Kohärenzlänge L angeben: L_c = λ a / s. (1)
Dabei ist λ die Wellenlänge der Strahlung, s die transversale Quellgröße und a der Abstand Quelle-Beobachtungspunkt. Manche Autoren bezeichnen als räumliche Kohärenzlänge auch die Hälfte des oben definierten Werts. Der exakte Wert ist zweitrangig; wichtig ist, dass die Kohärenzlänge L, groß ist im Vergleich zur (transversalen) Abmessung des räumlichen Bereichs, aus dem Strahlen miteinander interferieren sollen.
Im Sinne der Patentanmeldung ist unter kohärenter Strahlung eine Strahlung zu verstehen, die unter den gegebenen Geometrien und gegebenen Abständen der röntgenoptischen Gitter zur Ausbildung eines Interferenzmuster führt. Es ist selbstverständlich, dass die räumliche Kohärenz und damit die räumliche Kohärenzlänge immer von dem Tripel von Größen Wellenlänge, Quellgröße und Beobachtungsabstand bestimmt wird. Im Sinne einer kompakten Formulierung wurde dieser Sachverhalt auf die Begriffe wie „kohärente Röntgenstrahlung”, „kohärente Röntgenstrahlungsquelle” oder „Punktquelle zur Erzeugung einer kohärente Röntgenstrahlung” verkürzt. Diesen Verkürzungen liegt zugrunde, dass die Wellenlänge oder die Energie E der Röntgenstrahlung in den hier diskutierten Anwendungen durch das gewünschte Durchdringungsvermögen des Untersuchungsobjekts einerseits und dem bei Laborröntgenquellen zur Verfügung stehendem Spektrum andererseits limitiert ist. Auch der Abstand a zwischen Quelle und Beobachtungspunkt unterliegt in Laboraufbauten zur zerstörungsfreien Materialprüfung oder medizinischen Diagnostik gewissen Einschränkungen. So bleibt meist als einziger Freiheitsgrad die Quellgröße s, auch wenn hier die Zusammenhänge zwischen Quellgröße und Röhrenleistung enge Grenzen setzen.
Die Forderung nach einer kleinen beziehungsweise punktförmigen Strahlungsquelle hat zur Folge, dass auch die verfügbare Intensität relativ gering ist. Zur Intensitätssteigerung wurde daher auch vorgeschlagen, dass eine Röntgenquelle mit einem relativ großflächigen Fokus verwendet wird und im Strahlengang zwischen Fokus und Untersuchungsobjekt ein röntgenoptisches Absorptionsgitter, ein so genanntes Quellengitter, eingesetzt wird. Der großflächige Fokus erlaubt die Verwendung größerer und damit leistungsstärkerer Röntgenquellen. Die schmalen Schlitze beziehungsweise Lücken des Quellengitters sorgen für die Einhaltung der geforderten räumlichen Kohärenz all der Strahlen, die aus ein und demselben Schlitz austreten. Die Schlitzbreite muss die sich aus Gleichung (1) ergebende Größenanforderung an die transversale Quellgröße s erfüllen. Zwischen den Photonen von Schlitz zu Schlitz des Quellengitters ist bei geeigneter Abstimmung von Quellengitterperiode g₀ und Interferenzmusterperiode g₂ sowie Abstand l zwischen Quellengitter G₀ und Phasengitter G₁ und Abstand d zwischen Phasengitter G₁ und Interferenzmuster gemäß g₀/g₂ = l/d (2) zumindest eine intensitätsmäßig richtige Überlagerung der Maxima und Minima des stehenden Wellenfeldes möglich.
In der verkürzten Formulierung der Patentanmeldung wird in diesem Zusammenhang der Begriff „quasi-kohärente Strahlung” oder „quasi-kohärente Strahlungsquelle” benutzt.
Die zeitliche oder longitudinale Kohärenz der Strahlung geht einher mit der Monochromasie der Röntgenstrahlung oder der Röntgenstrahlungsquelle. Die Röntgenstrahlung charakteristischer Linien besitzt für die hier diskutierten Anwendungen meist eine ausreichende Monochromasie bzw. zeitliche Kohärenzlänge. Vorgeschaltete Monchromatoren oder die Selektion der Resonanzenergie durch die Steghöhe des Phasengitters können auch aus einem Bremsstrahlungsspektrum oder Synchrotronspektrum einen hinreichend engen Spektralbereich herausfiltern und somit die Anforderungen an die zeitliche Kohärenzlänge in den vorliegenden Anordnungen erfüllen.
Ein Problem dieser Vermessung der Interferenzmuster besteht darin, dass man möglichst deutlich auftretende Interferenzerscheinungen hinter dem Phasengitter benötigt, um diese mit ausreichender Genauigkeit vermessen zu können. Bei der Verwendung einer normalen Röntgenröhre wird allerdings in der Regel ein breites Spektrum an Röntgenstrahlung geliefert, während nur Strahlung eines begrenzten Energiebereiches zur Erzeugung der phasenverschiebungsbedingten Interferenzmuster beiträgt. Somit liegt mitunter ein relativ hohes Untergrundrauschen gegenüber der zu messenden Interferenzmuster vor.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Fokus-Detektor-Anordnung zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen mit Hilfe von Phasengittern zu finden, welche ein möglichst ausgeprägtes Interferenzmuster erzeugt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass zumindest ein Beitrag zur Erzeugung möglichst starker Interferenzmuster und damit eines möglichst großen Signal-Rausch-Verhältnisses der Phasenmessungen in einer Fokus-Detektor-Anordnung dadurch erbracht werden kann, dass die Intensitätsbeiträge der interferierenden Strahlungsanteile möglichst gleich hoch sind. Weiterhin wurde erkannt, dass diese Situation beim Durchtritt von Strahlung durch ein Phasengitter genau dann erreicht werden kann, wenn das Phasengitter, welches bekanntermaßen aus einer Vielzahl von periodisch angeordneten Gitterstegen und zwischen den Gitterstegen vorliegenden Lücken besteht, derart ausgebildet ist, dass einerseits als Grundbedingung zur Entstehung des Interferenzmusters zwischen benachbarten Strahlen, welche die Stege und die Lücken durchdringen, ein Phasensprung von π beziehungsweise λ/2 entsteht, andererseits aber auch die Intensität der Strahlung hinter der Lücke und der Strahlung hinter dem Steg möglichst gleich ist.
Hierfür schlagen die Erfinder vor, dass das Phasengitter bezüglich Steghöhe und eines in den Gitterlücken befindlichen Füllmaterials so ausgestaltet wird, dass sowohl der gewünschte Phasensprung als auch eine identische Schwächung der Strahlung, unabhängig davon ob sie die Stege oder die Lücken mit dem Füllmaterial durchdringt, auftritt.
Demgemäß schlagen die Erfinder vor, eine an sich bekannte Fokus-Detektor-Anordnung einer Röntgenapparatur zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt, zumindest bestehend aus:

– einer Strahlungsquelle mit einem Fokus, zur Erzeugung von Röntgenstrahlung und Durchstrahlung des Untersuchungsobjektes,
– einem im Strahlengang hinter dem Untersuchungsobjekt angeordneten Phasengitter, welches ein Interferenzmusters der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich der Röntgenstrahlung erzeugt, und
– einem Analyse-Detektor-System, welches zumindest das von dem Phasengitter erzeugte Interferenzmuster örtlich bezüglich seiner Phasenverschiebung detektiert,
– wobei im Strahlengang zwischen Fokus und Untersuchungsobjekt ein röntgenoptisches Absorptionsgitter als Quellengitter eingesetzt ist, dahingehend zu verbessern, dass sie die folgenden Eigenschaften besitzt:
– das Phasengitter soll in den Lücken zwischen seinen Stegen ein Füllmaterial aufweisen, dessen linearer Schwächungskoeffizient im relevanten Energiebereich höher ist als der der Stege,
– die Höhe des Füllmaterials soll in den Lücken einerseits derart bemessen sein, dass die Röntgenstrahlung der zur Messung der Phasenverschiebung genutzten Energie eine Phasenverschiebung in der Röntgenstrahlung derart erzeugt, dass nach dem Phasengitter die Strahlen, welche die Stege durchdringen, gegenüber den Strahlen, welche die Lücken mit dem Füllmaterial durchdringen, um eine halbe Wellenlänge dieser Röntgenstrahlung phasenverschoben wird,
– und die Höhe des Füllmaterials soll in den Lücken andererseits derart bemessen werden, dass die Schwächung der Röntgenstrahlung, zumindest in Bezug auf die zur Messung der Phasenverschiebung genutzte Energie, beim Durchtritt durch die Stege und beim Durchtritt durch das Füllmaterial jeweils gleich ist.

Eine solche Abstimmung der Steghöhe des Gittermaterials zur Höhe des Füllmaterials kann durch Versuche mit entsprechenden zur Herstellung von Gittern geeigneten und zur Füllung der Stege geeigneten Materialien unschwer durchgeführt werden. Alternativ besteht natürlich auch die Möglichkeit, die entsprechenden Höhen der Stege und des Füllmaterials analytisch aus den bekannten Absorptionskoeffizienten und Brechungsindizes zu errechnen.
Damit die Strahlung, die durch die Gitterlücken und das Füllmaterial durchtritt, gegenüber der Strahlung, die durch die Gitterstege durchtritt, einen Phasenschubunterschied von π bzw. von λ/2 aufweist, muss folgende Bedingung erfüllt sein: δ_Fh_F = δ_Sh_S + λ/2. (3)
Hierbei bezeichnen δ_F beziehungsweise δ_S das reelle Dekrement des Brechungsindex des Füllmaterials beziehungsweise des Materials der Stege, h_F beziehungsweise h_S die Höhe des Füllmaterials beziehungsweise der Stege und λ die Wellenlänge der betrachteten Röntgenstrahlung.
Damit die Strahlung, die durch die Gitterlücken und das Füllmaterial durchtritt, gegenüber der Strahlung, die durch die Gitterstege durchtritt, die gleiche Schwächung aufweist, muss folgende Bedingung erfüllt sein: μ_Fh_F = μ_Sh_S. (4)
Hierbei bezeichnen μ_F beziehungsweise μ_S den Absorptionskoeffizienten des Füllmaterials beziehungsweise des Materials der Stege und h_F beziehungsweise h_S die Höhe des Füllmaterials. Streng genommen ist hierbei auch die Energieabhängigkeit der Absorptionskoeffizienten zu berücksichtigen.
Zur Vereinfachung der Herstellung der Gitter schlagen die Erfinder weiterhin vor, das Phasengitter aus mehreren unmittelbar hintereinander angeordneten Teilgittern aufzubauen. Hierdurch reduziert sich die Steghöhe, meist entsprechend der Anzahl der verwendeten Teilgitter, so dass auch einfache Herstellungsprozesse verwendet werden können.
Werden mehrere hintereinander angeordnete Teilgitter verwendet, so ist es weiterhin vorteilhaft, wenn für jedes der Teilgitter individuell gilt, dass die Höhe des Füllmaterials in den Lücken derart bemessen ist, dass die Röntgenstrahlung der zur Messung der Phasenverschiebung genutzten Energie eine Phasenverschiebung in der Röntgenstrahlung von λ/2 erzeugt, und dass nach jedem Teilgitter die Schwächung der Röntgenstrahlung, zumindest in Bezug auf die zur Messung der Phasenverschiebung genutzte Energie, beim Durchtritt durch die Stege und beim Durchtritt durch das Füllmaterial in den Lücken gleich ist.
Zur weiteren Vereinfachung der Herstellung wird in einer anderen vorteilhaften Ausführung vorgeschlagen, dass

– mindestens eines der Teilgitter Füllmaterial in der Höhe der Stege aufweist,
– mindestens eines der Teilgitter kein Füllmaterial in den Lücken aufweist,
– einerseits insgesamt die Höhe des gesamten Füllmaterials in übereinander angeordneten Lücken aller Teilgitter derart bemessen ist, dass die Röntgenstrahlung der zur Messung der Phasenverschiebung genutzten Energie eine Phasenverschiebung in der Röntgenstrahlung von λ/2 erzeugt,
– und andererseits die Höhe des Füllmaterials in den Lücken aller Teilgitter derart bemessen ist, dass nach dem Durchtritt aller Teilgitter die Strahlen, welche die Summe der in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Stege durchdringen, gegenüber den Strahlen, welche die Summe der in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Lücken mit und ohne Füllmaterial durchdringen, den gleichen Intensitätsverlust erfahren.

Hierdurch kann beispielsweise ein Teilgitter mit einer Steghöhe hergestellt werden, die der gewünschten Gesamthöhe an Füllmaterial entspricht und dieses auch in diesem Gitter einfach aufgefüllt werden, während ein oder mehrere Teilgitter vor und/oder hinter dem gefüllten Teilgitter nur aus Gittermaterial bestehen können. Es wird also hierdurch nicht mehr notwendig, die Lücken eines Gitters mit einer bestimmten von der Steghöhe abweichenden Höhe mit Füllmaterial gleichmäßig aufzufüllen.
Die Erfinder haben auch erkannt, dass durch die Verwendung von mehreren ebenen Teilgittern das Problem der Abschattung fächer- oder konusförmiger Strahlung an hohen Gitterstegen mit geringer Lücken- beziehungsweise Stegbreite verringert werden kann, indem die in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Teilgitter unterschiedliche Gitterperioden aufweisen, wobei der Periodenabstand der Gitterperioden von mindestens einem Teilgitter zu mindestens einem folgenden Teilgitter derart ansteigt und die Teilgitter derart zueinander ausgerichtet angeordnet sind, dass die Strahlen des Strahlenbündels im Wesentlichen entweder nur Gitterlücken oder nur Gitterstege durchdringen. Im Falle senkrecht angeordneter Stege auf ebenen Gittern kann so eine stufenartige Annäherung an radial ausgerichtete Stege erreicht werden. Auf diese Weise kann mit einem Satz einzelner ebener Teilgitter mit jeweils senkrechten Stegen ein Gitter angenähert werden, dessen Stege insgesamt radial ausgerichtet sind.
Es kann hierbei mindestens eines der Gitter – gemeint sind Quellengitter, Phasengitter, Teilgitter des Phasengitters oder Analysatorgitter – oder alle Gitter eben ausgebildet werden oder es kann mindestens eines der Gitter oder alle Gitter um den Strahlungsursprung in mindestens einer Ebene gekrümmt eben ausgebildet werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn mindestens eines der Gitter Stege und Lücken aufweist, die radial, in Strahlrichtung ausgerichtet sind.
Die erfindungsgemäße Fokus-Detektor-Anordnung kann beispielhaft bei Röntgen-Systemen zur Erzeugung projektiver Phasenkontrastaufnahmen, bei Röntgen-C-Bogen-System zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen oder bei Röntgen-Computer-Tomographie-Systemen zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Computer-Tomographie-System; 2: erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre; 5: zweiter Detektor; 6: Gantrygehäuse; 7: Patient; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Steuer- und Recheneinheit; 11: Speicher; A: Material des Gitters; a: Röntgenstrahl nach Durchtritt durch das Gittermaterial A; B: Füllmaterial in der Gitterlücke; b: Röntgenstrahl nach Durchtritt durch die Gitterlücken und Füllmaterial B; d: Abstand des Phasengitters G₁ zum Analysatorgitter G₂; D₁: Detektor; E: Energie; E_i: i-tes Detektorelement; F₁: Fokus; G₁: Phasengitter; G₂: Analysatorgitter; G₁₁, G₁₂, G₁₃: Teilgitter; h_1S, h_1F, h_11F, h_12F, h_13F, h_11S, h_12S, h_13S: Höhe der Stege; I(E_i(x_G)): gemessene Intensität am Detektorelement E_i beim Gitterversatz x_G; I_ph: gemessene Intensität des Photonenflusses; L_c: Kohärenzlänge; L: Lücke im Gitter; Prg_n: Programme; S: Steg eines Gitters; S_i: Röntgenstrahlen; x_G: Versatz des Analysatorgitters beziehungsweise der Detektorstreifen; x, z: kartesische Koordinaten; φ_Ex: Phase des sinusförmigen Intensitätsverlaufs am Detektorelement E_x; φ_ij: relative Phasenverschiebung zwischen den Detektorelementen E_i und E_j; λ: Wellenlänge.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Längsschnitt durch ein Prinzipdarstellung einer Fokus-Detektor-Anordnung mit Phasengitter, Analysatorgitter und Detektor zur Darstellung der Interferenzerscheinung für eine Parallelstrahlgeometrie;
2: Intensitätsverlauf an ausgewählten Detektorelementen bei Relativverschiebung eines Gitters;
3: Längsschnitt durch ein Phasengitter ohne Füllmaterial in den Lücken;
4: erfindungsgemäßes Phasengitter mit Füllmaterial in den Lücken zwischen den Stegen;
5: erfindungsgemäßes Phasengitter bestehend aus drei Teilgittern, jeweils mit Füllmaterial in den Lücken;
6: erfindungsgemäßes Phasengitter bestehend aus zwei Teilgittern, ein Gitter mit vollständig durch Füllmaterial gefüllte Lücken und ein Gitter ohne Füllmaterial in den Lücken mit höheren Gitterstegen;
7: erfindungsgemäßes Phasengitter bestehend aus drei ebenen Teilgittern, ein Gitter mit Füllmaterial in den Lücken und zwei Gitter ohne Füllmaterial, Lücken und Gitterstege der Gitter sind zueinander radial ausgerichtet;
8: erfindungsgemäßes Phasengitter bestehend aus zwei gekrümmten Teilgittern, ein Gitter mit bündig gefülltem Füllmaterial in den Lücken und ein Gitter ohne Füllmaterial, Lücken und Gitterstege der Gitter sind zueinander und in sich jeweils radial ausgerichtet;
9: erfindungsgemäßes Phasengitter bestehend aus zwei ebenen Teilgittern, ein Gitter mit bündig gefülltem Füllmaterial in den Lücken und ein Gitter ohne Füllmaterial, Lücken und Gitterstege der Gitter sind in sich jeweils radial ausgerichtet;
10: Röntgen-Computer-Tomographie-System in 3D-Ansicht mit erfindungsgemäßem Fokus-Detektor-System.
Zum besseren Verständnis wird zunächst das grundsätzliche Prinzip der Phasenkontrastmessung mit den 1 bis 2 beschrieben. Hierzu ist grundsätzlich anzumerken, dass die Figuren nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind, sondern den prinzipiellen Aufbau bzw. die beschriebenen Effekte hervorheben sollen. Die Querachse ist gegenüber der Längsachse (optischen Achse) gestreckt. Dadurch sind die Winkel übertrieben groß dargestellt. Insbesondere wurde das Interferenzmuster und das Analysatorgitter aus didaktischen Gründen räumlich etwas getrennt voneinander eingezeichnet, obwohl es gerade Ziel der Methode ist, das Analysatorgitter im Maximum des Interferenzmusters, d. h. im Talbotabstand zu positionieren. Die Maße d und r₂ beziehen sich deshalb sowohl auf das Interferenzmuster als auch auf das Analysatorgitter.
Die 1 zeigt eine vom Fokus kommende kohärente Strahlung oder erfindungsgemäß von einem Quellengitter kommende quasi-kohärente Strahlung, die eine Probe P durchdringt, wobei es nach dem Durchdringen der Probe P zu Phasenverschiebungserscheinungen kommt. Aufgrund der Tatsache, dass bei der Messung der Phasenverschiebung der lokale Gradient des Brechungsindexes des Phasenobjekts abgebildet wird, wird diese auch exakt als Differential-Phasenkontrast-Bildgebung bezeichnet.
Hier wird beim Durchtritt durch das Gitter G₁ in einem so genannten Talbotabstand ein Interferenzmuster ausbildet, das mit Hilfe des Gitters G₂ auf den anschließenden Detektor D₁ und dessen Detektorelementen zu unterschiedlichen Strahlungsintensitäten je Detektorelement führt. In 1 ist das Interferenzmuster durch die Grauschattierung dargestellt. Betrachtet man beispielsweise die gemessene Intensität des Detektorelements E_i in Abhängigkeit der Relativposition x_G des Analysatorgitters G₂ und trägt die Intensität I_ph als Funktion der Relativposition x_G an, so erhält man einen, in der 2 gezeigten, sinusfÖrmigen Verlauf der Intensität I(E_I(x_G)), I(E_J(x_G)) für jedes Detektorelement E_i; E_i. Aus diesen Funktionen lässt sich für jedes Detektorelement E_i; E_j die Phasenlage φ_Ei, φ_Ej bestimmen. Ein Vergleich der Phasenlagen φ_Ei, φ_Ej benachbarter Pixel ergibt die relative Phasenverschiebung φ_i,j zueinander. Auf diese Weise lassen sich relative Phasenverschiebungen kleiner 2π bestimmen. Wenn die Phasenverschiebung eines Objektes größer als 2π wird, ist es notwendig, aus einem Bereich in dem keine Phasenverschiebung vorliegt, in den gesuchten Bereich hinein die differenziellen Phasenverschiebungen bis zum gesuchten Ort des Objektes aufzuintegrieren. Aus den so bestimmten Phasenverschiebungen lässt sich ein projektives Pixelbild oder durch entsprechende Rekonstruktionsverfahren auch ein Volumenbild erstellen.
Dieses Verfahren benutzt also ein Phasengitter G₁, das als ein Beugungsgitter wirkt, und den Strahl in Strahlen +1. und –1. Ordnung aufteilt.
Ein solches Phasengitter kann durch Ätzen rechteckiger Strukturen in einen Siliziumwafer hergestellt werden. Eine Standardtechnik ist das Trockenätzen, bei dem man in der Regel eine Strukturhöhe von 20–50 μm bei einer Stegbreite von 1–2 μm mit einer Periode von 2–4 μm herstellt. Wie in der 3 gezeigt ist, wird die Höhe der Stege so gewählt, dass man eine Differenz von π beziehungsweise λ/2 in der Phasenverschiebung der an mit „a” markierten Positionen durchgelassenen Röntgenstrahlen im Vergleich zu an mit „b” markierten Positionen durchgelassenen Röntgenstrahlen erhält. Falls die an den Positionen „a” durchgelassenen Röntgenstrahlen die gleiche Intensität wie die an den Positionen „b” durchgelassenen Röntgenstrahlen aufweisen und das Gitter bezüglich seiner sonstigen Geometrieeigenschaften exakt gefertigt ist, verschwindet die Beugung nullter Ordnung. Weil jedoch die Weglänge, die die Röntgenstrahlen durch die Struktur zurücklegen, an den Positionen „a” im Vergleich zu Positionen „b” geringfügig länger ist, weisen die an Positionen „b” durchgelassenen Röntgenstrahlen eine geringfügig höhere Intensität auf und die Beugung nullter Ordnung verschwindet nicht, auch wenn das Gitter exakt gefertigt ist.
In dem Wellenfeld hinter dem Phasengitter interferieren die gebeugten Strahlen miteinander unter Ausbildung eines Stehwellenfeldes. Objekte vor oder hinter dem Phasengitter beeinflussen die lokalen Phasenverschiebungen, verformen die Wellenfront und modifizieren die Amplitude, die Phase und das Offset des Stehwellenfeldes lokal. Unter Verwendung einer Messung, die Informationen über das Stehwellenfeld liefert, wie etwa Amplitude, Phase und Offset des Stehwellenfeldes, kann deshalb der Einfluss der lokalen Phasenverschiebungen aufgrund der Objekte vor und hinter dem Phasengitter berechnet werden. Um das Wellenfeld mit der erforderlichen Auflösung zu scannen, wird meist ein Analysatorgitter schrittweise über das Wellenfeld verschoben, während synchron die Intensität je Detektorelement überwacht wird.
Es lässt sich somit für jeden Strahl im Raum durch mindestens drei Messungen mit jeweils versetztem Analysatorgitter die Phasenverschiebung je Strahl ermitteln, woraus entweder im Fall von projektiven Röntgenaufnahmen direkt die Pixelwerte einer projektiven Aufnahme berechnet werden können oder es werden im Fall einer Computer-Tomographie-Untersuchung Projektionen erstellt, deren Pixelwerte der Phasenverschiebung entsprechen, so dass hieraus mit Hilfe an sich bekannter Rekonstruktionsmethoden berechnet werden kann, welches Volumenelement im Untersuchungsobjekt welchen Anteil an der gemessenen Phasenverschiebung zuzusprechen ist. Hieraus errechnen sich damit Schnittbilder oder Volumendaten, die die lokale Wirkung des untersuchten Objektes bezüglich der Phasenverschiebung einer Röntgenstrahlung widerspiegeln. Da bereits geringe Unterschiede in der Dicke oder der Zusammensetzung des Untersuchungsobjekts einen starken Effekt auf die Phasenverschiebung ausüben, lassen sich hierdurch sehr detailreiche und kontraststarke Volumendaten von an sich relativ ähnlichen Materialien, insbesondere von Weichteilgewebe, wiedergeben.
Diese Variante der Detektion von Phasenverschiebungen der Röntgenstrahlen, die ein Untersuchungsobjekt durchdringen, mit Hilfe eines mehrfach versetzten Analysatorgitters und Messung der Strahlungsintensität auf einem Detektorelement hinter dem Analysatorgitter bedingt, dass von jedem Röntgenstrahl mindestens drei Messungen bei jeweils verschobenem Analysatorgitter durchgeführt werden müssen.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, auf ein derartiges Analysatorgitter zu verzichten und stattdessen einen Detektor ausreichend hoher Ortsauflösung zu verwenden, wobei in diesem Fall weniger Dosisverluste bei der Messung auftreten und mit einer einzigen Messung die Phasenverschiebung im betrachteten Strahl bestimmt werden kann.
Bei Verwendung eines bekannten Gitters, wie es in der 3 gezeigt ist, ist die Amplitude der sinusförmigen Intensitätsmodulation des Stehwellenfeldes nicht maximal und es gibt einen beziehungsweise es erhöht sich der Offset der minimalen Intensität des sinusförmigen Intensitätsverlaufs von Intensität null.
Ein Problem der Gitter, gemäß 3, liegt darin, dass die Strahlen, die die Stege durchdringen und die Strahlen, die durch die Lücken gehen, hinter dem Gitter unterschiedliche Intensitäten aufweisen, so dass keine optimale Ausbildung der gewünschten und zu vermessenden Interferenzmuster entstehen.
Hierdurch lässt sich die Position der Interferenzmaxima schlechter messen:
Mit dem Detektor wird bei verschiedenen Positionen des Amplitudengitters eine ortsaufgelöste Intensitätsverteilung gemessen. Aus mehreren solchen Bildern wird die Verschiebung des Interferenzmusters durch den durch die Probe verursachten relativen Phasenschub bestimmt. Wie zuvor beschrieben, kann das beispielsweise durch Verschiebung des Amplitudengitters senkrecht zu den Gitterlinien geschehen, wobei bei verschiedenen Gitterposition ein Bild aufgenommen wird. Betrachtet man dabei die Intensität desselben Detektorpixels in Abhängigkeit von der Gitterposition, dann kann man einen sinusförmigen Intensitätsverlauf beobachten. Aus der Position dieses Intensitätsverlaufs wird dann die Position eines oder mehrerer Interferenzmaxima des stehenden Wellenfeldes bestimmt, aus welcher wiederum der durch die Probe verursachte relative Phasenschub bestimmt werden kann.
Der Grauwert eines Detektorpixels, welcher in Abhängigkeit von der Gitterposition aufgetragen wird, um die Position eines oder mehrerer Interferenzmaxima des stehenden Wellenfeldes zu bestimmen, unterliegt Messfehlern wie Rauschen. Diese Messung der Position des stehenden Wellenfeldes wird dadurch beeinträchtigt.
Die zuvor beschriebene Messung funktioniert daher umso besser, je größer die Amplitude der sinusförmigen Intensitätsmodulation des Stehwellenfeldes im Verhältnis zu den Messfehlern ist.
Im Folgenden wird der Erwartungswert der Abweichung (Standardabweichung) eines tatsächlich gemessenen Grauwertes um dessen Erwartungswert verursacht durch statistische Messfehler als Rauschen σ bezeichnet. Unter der realistischen Annahme, dass dieses Rauschen unter anderem aus Quantenrauschen besteht, welches proportional zur Wurzel des Erwartungswertes der Anzahl der gezählten Photonen ist, erhöht sich mit dieser Anzahl bzw. dem Erwartungswert des Grauwertes eines Pixels das Rauschen σ.
Falls bei der zuvor beschriebenen Messung die Messzeit oder die Quellintensität erhöht wird, erhöht sich die Anzahl der mit einem Detektorpixel gezählten Photonen. Das zugehörige Quantenrauschen wächst mit der Wurzel dieser Photonenzahl. Gleichzeitig wächst proportional zu dieser Photonenzahl die Amplitude der sinusförmigen Intensitätsmodulation des Stehwellenfeldes, wodurch sich letztendlich das Verhältnis zwischen Amplitude der sinusförmigen Intensitätsmodulation des Stehwellenfeldes und den Messfehlern erhöht und die zuvor beschriebene Messung besser funktioniert.
Falls jedoch durch Verwendung eines bekannten Gitters, wie es in der 3 gezeigt ist, ein Offset der minimalen Intensität des sinusförmigen Intensitätsverlaufs von Intensität null entsteht oder dieser sich erhöht und sich gleichzeitig die Amplitude der sinusförmigen Intensitätsmodulation des Stehwellenfeldes nicht erhöht, lässt sich die Position der Interferenzmaxima schlechter messen. Der Offset beinhaltet keine Information, erhöht aber das Rauschen.
Idealerweise sollte also das Interferenzmuster eine möglichst hohe Amplitude und der Offset der minimalen Intensität des sinusförmigen Intensitätsverlaufs von Intensität null möglichst klein sein.
Dies beschreibt nur den Beitrag des Detektors zum Offset bzw. zum Signal-Rausch-Verhältnis. Hier geht es aber vor allem um den Offset bzw. den Untergrund, den das Phasengitter und die Abtastung mit dem Analysatorgitter beitragen. Die Lücken des Analysatorgitters sind nicht beliebig schmal; das übliche Verhältnis von Stegbreite zu Lückenbreite beträgt 50:50. Deshalb mittelt ein solches Analysatorgitter die gemessene Intensität über eine gewisse Breite des Interferenzmusters. Ein Analysatorgitter mit einem Verhältnis von Stegbreite zu Lückenbreite von 90:10 würde das Interferenzmuster wesentlich feiner abtasten, aber auf Kosten der Anzahl der Abtastungen bzw. der Messzeit. Auch die Resttransmission der Röntgenstrahlung durch die Stege des Gitters wirkt sich negativ auf das Signal-Rausch-Verhältnis aus. Aus diesem Grunde ist zur Erzielung eines hohen Signal-Rausch-Verhältnisses ein Analysatorgitter mit einer möglichst hohen Absorption in den Gitterstegen und einer möglichst geringen Absorption in den Gitterlücken erforderlich.
Um diese Problem zu lösen, werden nachfolgend verschiedene Lösungsvarianten der Gitterausbildung gezeigt, die einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden können.
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird in der 4 zunächst eine einfache Lösungsvariante des Problems gezeigt. Hier ist ein Phasengitter G₁ zu sehen, welches beispielhaft aus einem Siliziumwafer herausgeätzt wurde und Stege S einer bestimmten Höhe aufweist. Das Phasengitter ist bezüglich seiner Wirkung auf eine bestimmte Röntgenenergie E ausgelegt. In den Lücken L des Phasengitters G₁ ist Füllmaterial mit hohem linearen Schwächungskoeffizienten eingefügt. Die Höhen h_1S und h_1F von Gittersteg und Füllmaterial sind in Abhängigkeit vom jeweils verwendeten Material „A” für das Gitter und „B” für das Füllmaterial derart gewählt, dass die Absorption der Röntgenstrahlung der Strahlen „a” und die Absorption der Strahlen „b”, zumindest im Energiebereich E auf den das Phasengitter abgestimmt ist, gleich ist. Gleichzeitig wird jedoch auch darauf geachtet, dass die Phasenverschiebung der Strahlen „a” und „b” unmittelbar auf der Höhe des Endes der Stege S bezogen auf die Strahlrichtung um n beziehungsweise λ/2 verschoben ist.
In der Praxis kann dies beispielsweise dadurch geschehen, dass das Füllmaterial „B” auf das Gitter gesputtert wird, und anschließend die Oberfläche des Gitters, also die Enden der Stege, chemisch-mechanisch poliert werden.
Da das Höhen/Breiten-Verhältnis der Stege und Lücken, das so genannte Aspektverhältnis, ziemlich groß und daher aufwendig herzustellen ist, wird erfindungsgemäß auch vorgeschlagen, anstelle eines einzigen Beugungsgitters mehrere hintereinander angeordnete Beugungsgitter anzuwenden. Ein Beispiel hierzu ist in der 5 gezeigt. Hier sind drei hintereinander angeordnete und bezüglich der Stege und Lücken zueinander ausgerichtete Gitter G₁₁, G₁₂ und G₁₃ dargestellt, deren Steghöhe und auch deren Höhe des Füllmaterials jeweils nur ein Drittel der benötigten Höhe beträgt. Durch die gezeigte Anordnung addiert sich die Wirkung der einzelnen Gitter, so dass das Ergebnis einem einzigen Gitter gemäß der 4 entspricht.
Die 6 zeigt eine andere Variante dieser Ausführung, mit zwei additiv angeordneten Gittern G₁₁ und G₁₂, wobei hier als zusätzliche Besonderheit zu vermerken ist, dass eines der Gitter, hier das Gitter G₁₁, eine Steghöhe h_11S aufweist, die der Höhe des Füllmaterials h_11F entspricht. Die benötigte zusätzliche Höhe h_12S der Stege wird durch das zweite Gitter G₁₂ erreicht, welches allerdings frei von Füllmaterial ist. Diese Variante ist herstellungstechnisch wesentlich einfacher und auch exakter zu erreichen als das Ausfüllen der Lücken mit einer bestimmten Höhe an Füllmaterial, bewirkt jedoch den gleichen Zweck.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Kombinationen von in den Lücken gefüllten, teilgefüllten und leeren Gittern mit unterschiedlichen Steghöhen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, solange das Grundprinzip der gleichen Absorption im Bereich der Stege und Lücken eingehalten wird. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass in den gezeigten Beispielen die Stege der Gitter alle in eine Richtung ausgerichtet sind, jedoch ohne weiteres eine umgekehrte Ausrichtung oder Kombinationen unterschiedlicher Ausrichtungen möglich sind.
Für den Fall, dass die erfindungsgemäßen Phasengitter in Verbindung mit stark divergierender Strahlung, also für Konus- oder Fächerstrahlgeometrien, verwendet werden sollen, schlagen die Erfinder als zusätzliche Verbesserung bei der Verwendung mehrerer Teilgitter die Nutzung unterschiedlicher Perioden für die einzelnen Teilgitter vor, so dass gewährleistet ist, dass ein aufgefächerter Strahl entweder nur Gitterstege oder Gitterlücken durchdringt. Ein solches Beispiel ist in der 7 zu sehen. Hier werden bei Verwendung eines Fächerstrahls drei Gitter G₁₁, G₁₂ und G₁₃ mit in Strahlrichtung ansteigender Periodenlänge gezeigt, wobei ausschließlich das in Strahlrichtung letzte Gitter G₁₁ in den bündig aufgefüllten Lücken das Füllmaterial mit hohem linearen Schwächungskoeffizienten aufweist. Die Zunahme der Periodenlänge entspricht dabei der Auffächerung des Strahls im jeweiligen Abstand zum Fokus F₁. Hierdurch wird sichergestellt, dass die mit „a” bezeichneten Strahlen nur Stege S durchdringen, während die mit „b” bezeichneten Strahlen nur die Lücken L und gegebenenfalls das dort befindliche Füllmaterial B durchdringen.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine (Vor-)ausrichtung der Gitter zueinander unter Verwendung entsprechender Markierungen auf den Gittern bewerkstelligt werden kann.
Eine Feinjustierung der Gitter kann auch stückweise erfolgen. Hierzu wird ein erstes Gitter eingesetzt. Da dieses zu dünn für einen optimalen Aufbau ist, ist das resultierende stehende Wellenfeld zwar nur schlecht ausgeprägt, aber trotzdem vorhanden. Das Gitter kann also mit Hilfe des stehenden Wellenfeldes ausgerichtet werden:
1. Ausrichten der Gitterposition entlang der optischen Achse des Aufbaus:
Die Perioden des Phasengitters und des Analysatorgitters sind miteinander verknüpft, bei einer Konusstrahlgeometrie durch:
wobei

d: der Abstand zwischen den Gittern ist,
r₁: der Abstand zwischen der Quelle und dem ersten Gitter ist,
g₂: die Periode des Analysatorgitters G₂ ist (ist gleich der Transversalperiode des Stehwellenfeldes)
g₁: die Periode des Phasengitters G₁ ist.

Falls diese Bedingung nicht eingehalten wird, ergibt sich auf einem hinter dem Analysatorgitter platzierten Detektor kein Interferenzmuster, sondern ein so genanntes Teilungsmoirémuster, bestehend aus Schattenwurflinien, welche parallel zu den Gitterstegen sind. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Phasengitter entlang der optischen Achse in Bezug auf die vorgesehene Position verschoben ist. Das Gitter kann dann in der Position entlang der Strahlachse ausgerichtet werden, indem man das Phasengitter so verschiebt, dass dieses Muster verschwindet.
2. Paralleles Ausrichten der Gitterlinien:
Falls die Gitterlinien des Analysatorgitters nicht parallel zum stehenden Wellenfeld (und somit zu den Gitterlinien des Strahlteilergitters) sind, ergibt sich auf einem hinter dem Analysatorgitter platzierten Detektor kein Interferenzmuster, sondern ein so genanntes Verdrehungsmoirémuster, bestehend aus Schattenwurflinien, welche senkrecht zu den Gitterstegen sind. Die Gitterlinien können dann parallel ausgerichtet werden, indem man das Phasengitter so rotiert, dass dieses Muster verschwindet.
In der Praxis kann es zu einer Überlagerung eines Verdrehungs- und eines Teilungsmoirémusters kommen. Am Prinzip der Ausrichtung der Gitter bezüglich Winkel und Abstand ändert dies nichts. Es können zuerst die Gitterlinien parallel ausgerichtet werden, indem das Gitter so lange gedreht wird, bis ein reines Teilungsmoiré auf dem Detektor beobachtet wird, also ein Moirémuster mit Schattenwurflinien, welche parallel zu den Gitterlinien sind. Dann wird wie oben beschrieben der Abstand der Gitter korrigiert. Alternativ kann zuerst die Gitterposition entlang der optischen Achse ausgerichtet werden, indem das Gitter so lange verschoben wird, bis ein reines Verdrehungsmoiré auf dem Detektor beobachtet wird, also ein Moirémuster mit Schattenwurflinien, welche senkrecht zu den Gitterlinien sind. Dann wird wie oben beschrieben die Verdrehung der Gitter korrigiert.
Wenn zu den korrekt ausgerichteten Gittern ein weiteres nicht richtig ausgerichtetes Phasengitter hinzugefügt wird, wird das stehende Wellenfeld gestört. Es ergibt sich dann in derselben Art und Weise wie zuvor beschrieben ein Moirémuster. Das hinzugefügte Phasengitter wird auf dieselbe Art und Weise wie das erste Gitter ausgerichtet. Auf dieselbe Art und Weise werden weitere Gitter hinzugefügt.
Die 8 zeigt eine weitere Variante eines aus zwei Teilgittern G₁₁ und G₁₂ aufgebauten Phasengitters, wobei hier das Teilgitter G₁₁ leere Lücken und das Teilgitter G₁₂ mit Füllmaterial bündig gefüllte Lücken aufweist. Die beiden Teilgitter sind hier konzentrisch um den Fokus F₁ gebogen, wodurch auch die Stege S der einzelnen Teilgitter radial zum Fokus ausgerichtet sind, so dass keinerlei Abschattung der Strahlung an den Stegen S auftreten kann.
Eine andere Variante der Ausrichtung der Stege ist in der Version von 9 gezeigt. Hier werden ebene Teilgitter G₁₁ und G₁₂ verwendet, während die Stege S der Teilgitter radial zum Fokus F₁ ausgerichtet sind.
Beispielhaft und stellvertretend auch für andere Röntgensysteme, insbesondere Röntgensysteme zur Erzeugung projektiver Phasenkontrastaufnahmen und für C-Bogen-Geräte, ist in der 10 ein vollständiges Computer-Tomographie-System mit erfindungsgemäßen Fokus-Detektor-Systemen und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Diese Figur zeigt das Computer-Tomographie-System 1, welches über ein erstes Fokus-Detektor-System mit einer Röntgenröhre 2 und einem gegenüberliegenden Detektor 3 verfügt, die auf einer nicht näher dargestellten Gantry in einem Gantrygehäuse 6 angeordnet sind. Im Strahlengang des ersten Fokus-Detektor-Systems 2, 3 ist ein erfindungsgemäßes röntgenoptisches Gittersystem angeordnet, so dass der Patient 7, der sich auf einer längs der Systemachse 9 verschiebbaren Patientenliege 8 befindet, in den Strahlengang des ersten Fokus-Detektor-Systems geschoben werden kann und dort abgetastet wird. Die Steuerung des Computer-Tomographie-Systems wird durch eine Rechen- und Steuereinheit 10 durchgeführt, in der in einem Speicher 11 Programme Prg₁ bis Prg_n gespeichert sind, die die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren durchführen und aus den gemessenen strahlenabhängigen Phasenverschiebungen entsprechende tomographische Bilder rekonstruieren.
Optional kann anstelle eines einzigen Fokus-Detektor-Systems ein zweites Fokus-Detektor-System im Gantrygehäuse angeordnet werden. Dieses ist in der Darstellung durch die gestrichelt gezeigte Röntgenröhre 4 und den gestrichelt dargestellten Detektor 5 angedeutet.
Ergänzend ist noch darauf hinzuweisen, dass mit den gezeigten Fokus-Detektor-Systemen nicht nur Phasenverschiebungen der Röntgenstrahlung gemessen werden können, sondern diese weiterhin auch zur konventionellen Messung der Strahlungsabsorption und Rekonstruktion von entsprechenden Absorptionsaufnahmen geeignet sind. Gegebenenfalls können auch kombinierte Absorptions- und Phasenkontrastaufnahmen erzeugt werden.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Patentanmeldung dargestellten medizinischen Computer-Tomographie-Systeme lediglich eine beispielhafte Darstellung einer Anwendungsvariante der Erfindung sein sollen. Ebenso kann die Erfindung im Zusammenhang mit Systemen zur Untersuchung biologischer oder anorganischer Proben eingesetzt werden, ohne den Rahmen dieser Anmeldung zu verlassen. Insbesondere ist die Erfindung auf System zur Materialanalyse anzuwenden.

Claims

Fokus-Detektor-Anordnung (F₁, D₁) einer Röntgenapparatur (1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt (7, P), zumindest bestehend aus: 1.1. einer Strahlungsquelle (2) mit einem Fokus zur Erzeugung von Röntgenstrahlung und Durchstrahlung des Untersuchungsobjektes (7, P), 1.2. einem im Strahlengang hinter dem Untersuchungsobjekt (7, P) angeordneten Phasengitter (G₁), welches ein Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich (E) der Röntgenstrahlung erzeugt, und 1.3. einem Analyse-Detektor-System (G₂, D₁) welches zumindest das von dem Phasengitter (G₁) erzeugte Interferenzmuster ortsaufgelöst bezüglich seiner Phasenverschiebung detektiert, 1.4. wobei im Strahlengang zwischen Fokus und Untersuchungsobjekt (7, P) ein röntgenoptisches Absorptionsgitter als Quellengitter eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass 1.5. das Phasengitter (G₁) in den Lücken (L) zwischen seinen Stegen (S) ein Füllmaterial (B) aufweist, dessen linearer Schwächungskoeffizient im relevanten Energiebereich (E) höher ist als der der Stege (S), weiterhin 1.6. die Höhe (h_xF, h_xyF) des Füllmaterials (B) in den Lücken (L) einerseits derart bemessen ist, dass die Röntgenstrahlung der zur Messung der Phasenverschiebung genutzten Energie und Wellenlänge (λ) eine Phasenverschiebung in der Röntgenstrahlung derart erzeugt, dass nach dem Phasengitter (G₁) die Strahlen (a), welche die Stege (S) durchdringen, gegenüber den Strahlen (b), welche die Lücken (L) mit dem Füllmaterial (B) durchdringen, um eine halbe Wellenlänge (λ/2) phasenverschoben sind, 1.7. und andererseits derart bemessen ist, dass die Schwächung der Röntgenstrahlung, zumindest in Bezug auf die zur Messung der Phasenverschiebung genutzte Energie, beim Durchtritt durch die Stege (S) und beim Durchtritt durch das Füllmaterial (B) gleich ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (G₁) aus mehreren unmittelbar hintereinander angeordneten Teilgittern (G₁₁, G₁₂, G₁₃) zusammengesetzt ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der Teilgitter (G₁₁, G₁₂, G₁₃) individuell gilt, dass die Höhe des Füllmaterials (B) in den Lücken (L) derart bemessen ist, dass für die Röntgenstrahlung der zur Messung der Phasenverschiebung genutzten Energie eine Phasenverschiebung um eine halbe Wellenlänge (λ/2) erzeugt wird.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 4.1. mindestens eines der Teilgitter (G₁₁, G₁₂, G₁₃) Füllmaterial (B) in der Höhe der Stege (S) aufweist, 4.2. mindestens eines der Teilgitter (G₁₁, G₁₂, G₁₃) kein Füllmaterial (B) in den Lücken (L) aufweist, und 4.3. einerseits insgesamt die Höhe (h_xF, h_xyF) des gesamten Füllmaterials (B) in übereinander angeordneten Lücken (L) aller Teilgitter (G_xy) derart bemessen ist, dass für die Röntgenstrahlung der zur Messung der Phasenverschiebung genutzten Energie eine Phasenverschiebung um eine halbe Wellenlänge (λ/2) durchdringen, 4.4. und andererseits, dass nach dem Durchtritt aller Teilgitter (G₁₁, G₁₂, G₁₃) die Strahlen (a), welche die Summe der in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Stege (S) durchdringen gegenüber den Strahlen (b), welche die Summe der in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Lücken (L) mit und ohne Füllmaterial (B) durchdringen, den gleichen Intensitätsverlust erfahren.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass: 5.1. die verwendete Röntgenstrahlung einen fächer- oder konusförmigen Strahlenverlauf aufweist, 5.2. die in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Teilgitter (G₁₁, G₁₂, G₁₃) unterschiedliche Gitterperioden (g₁₁, g₁₂, g₁₃) aufweisen, wobei 5.3. der Periodenabstand der Gitterperioden (g₁₁, g₁₂, g₁₃) von mindestens einem Teilgitter (G₁₁) zu mindestens einem folgenden Teilgitter (G₁₂) derart ansteigt und die Teilgitter (G₁₁, G₁₂, G₁₃) derart zueinander ausgerichtet angeordnet sind, dass die Strahlen des Strahlenbündels entweder nur Gitterlücken (L) oder nur Gitterstege (S) durchdringen.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gitter (G_x, G_xy) eben ausgebildet ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gitter (G_x, G_xy) eben ausgebildet sind.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gitter (G_x, G_xy) um den Fokus in mindestens einer Ebene gekrümmt ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gitter (G_x, G_xy) um den Fokus in mindestens einer Ebene gekrümmt sind.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gitter (G_x, G_xy) Stege (S) und Lücken (L) aufweist, die in Strahlrichtung ausgerichtet sind.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gitter (G_x, G_xy) Stege (S) und Lücken (L) aufweisen, die in Strahlrichtung ausgerichtet sind.
Röntgen-System zur Erzeugung projektiver Phasenkontrastaufnahmen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Fokus-Detektor-Anordnung (F₁, D₁) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11 aufweist.
Röntgen-C-Bogen-System zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Fokus-Detektor-Anordnung (F₁, D₁) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11 aufweist.
Röntgen-Computer-Tomographie-System zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Fokus-Detektor-Anordnung (F₁, D₁) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11 aufweist.