DE102006037282B4

DE102006037282B4 - Fokus-Detektor-Anordnung mit röntgenoptischem Gitter zur Phasenkontrastmessung

Info

Publication number: DE102006037282B4
Application number: DE102006037282.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Baumann Joachim; Martin Engelhardt; Dr. Freudenberger Jörg; Dr. Hempel Eckhard; Dr. Hoheisel Martin; Dr. Mertelmeier Thomas; Prof. Popescu Stefan; Dr. Schuster Manfred
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: JP2007203060A; US20070183584A1; US7453981B2; DE102006037282A1

Abstract

Fokus-Detektor-Anordnung (F1, D1) einer Röntgenapparatur (1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen eines Untersuchungsobjektes (7, P), mindestens bestehend aus: 1.1. einer auf einer ersten Seite des Untersuchungsobjektes (7, P) angeordneten Röntgenstrahlenquelle (2) mit einem Fokus (F1) zur Erzeugung eines Strahlenbündels (Si), 1.2. einem auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Untersuchungsobjektes (7, P) im Strahlengang angeordnetem Phasengitter (G1), welches ein Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich erzeugt, und 1.3. einem Analyse-Detektor-System (G2, D1), welches zumindest das vom Phasengitter (G1) erzeugte Interferenzmuster bezüglich seiner örtlichen Intensitätsverteilung detektiert, 1.4. wobei zwischen Fokus (F1) und Untersuchungsobjekt (7, P) ein Quellengitter (G0) zur Erzeugung eines Bündels kohärenter Strahlen (5) angeordnet ist und1.5. wobei mindestens ein Gitter (G0, G1, G2) der Fokus-Detektor-Anordnung (F1, D1) zumindest teilweise aus einem makroskopisch homogenen Medium (13) (= Gittermedium) besteht, welches angeregt durch Ultraschall periodische Strukturveränderungen aufweist, die beim Durchtritt des Röntgenstrahlenbündels zu Interferenzerscheinungen führen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fokus-Detektor-Anordnung einer Röntgenapparatur zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen eines Untersuchungsobjektes, mindestens bestehend aus:

– einer auf einer ersten Seite des Untersuchungsobjektes angeordneten Strahlenquelle mit einem Fokus zur Erzeugung eines, vorzugsweise fächer- oder konusförmigen, Strahlenbündels,
– einem auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Untersuchungsobjektes im Strahlengang angeordnetem Phasengitter, welches ein Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich der Röntgenstrahlung erzeugt, und
– einem Analyse-Detektor-System, welches zumindest das vom Phasengitter erzeugte Interferenzmuster bezüglich seiner Intensitätsverteilung ortsaufgelöst detektiert, um daraus ortsaufgelöst die Phasenverschiebung zu bestimmen.

Solche Fokus-Detektor-Anordnungen zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt sind 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 US 2005/0286680 A1 beschreibt eine Fokus-Detektor-Anordnung zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen. Das Dokument ”Control of synchroton x-ray diffraction by means fo standing acoustic waves” (Review of Scientific Instruments, Volume 75, Number 3, March 2004,; E. Zolotoyabko, J. P. Quintana) beschreibt die Diffraktion von Röntgenstrahlen mit transversen Ultraschallwellen.
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 in vielen Fällen beim Durchtritt eines Strahles durch ein Untersuchungsobjekt die Phasenverschiebung wesentlich stärker von geringen Unterschieden bezüglich der Dicke und der Zusammensetzung der durchdrungenen Materie abhängt, als die Absorption. Hierdurch ist es möglich, Strukturen eines Untersuchungsobjektes, insbesondere die Weichteilstrukturen eines Patienten, besser zu erkennen.
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 tomographische Darstellungen der Phasenverschiebung aus einer Vielzahl von projektiven Bildern berechnet werden.
Derartige Phasenverschiebungen können durch die Verwendung interferometrischer Gitter bestimmt und zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Aufnahmen genutzt werden. Bezüglich dieser interferometrischen Messmethoden wird auf die zuvor zitierten Schriften verwiesen. Bei diesen Methoden wird ein Untersuchungsobjekt von einer kohärenten beziehungsweise quasi-kohärenten Röntgenstrahlung durchstrahlt, anschließend durch ein Gitter mit einer auf die Wellenlängen der Strahlung angepassten Periode geführt, wodurch zunächst eine Strahlteilung erfolgt und aus der Überlagerung der geteilten Strahlen ein Interferenzmuster entsteht, welches durch die vom Objekt herrührende Phasenverschiebung moduliert wird. Dieses Interferenzmuster wird durch eine anschließende Analyse-Detektor-Anordnung ausgemessen, so dass die Phasenverschiebung bestimmt werden kann. Als Strahlteiler wird vorzugsweise ein Phasengitter verwendet. Es ist bekannt, solche Phasengitter und auch die Grundstrukturen der Analysatorgitter beispielsweise durch Ätzen rechteckiger Strukturen aus einem Silizium-Wafer herzustellen. Ein Problem solcher starren Gitter aus Silizium-Wafern, wie Phasengitter als Strahlteilergitter, Amplituden/Absorbergitter als Analysatorgitter oder Quellgitter, besteht zum Beispiel darin, dass die Genauigkeit der Strukturen, die mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden können, zum Teil ungenügend ist. Des Weiteren ist die Ausdehnung solcher Silizium-Wafer begrenzt durch die Größe des Grundmaterials. Ein Zusammensetzen mehrerer Teilstücke kann bei der Messung zu Artefakten führen. Des Weiteren besteht auch das Problem, dass eine Anpassung an unterschiedliche Strahlungsenergien und eine Anpassung der Periode und des Talbotabstands des Interferenzmusters praktisch nur durch einen Austausch der entsprechenden Gitter möglich ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Fokus-Detektor-Anordnung zu finden, welche Gitter aufweist, die einerseits mit vertretbaren Kosten herstellbar sind, andererseits problemlos an unterschiedliche Strahlungsenergien angepasst werden können, eine Variation der Periode des Phasengitters und damit des Interferenzmusters sowie eine Variation des Talbotabstandes ermöglichen, ohne einen Austausch der Gitter vornehmen zu müssen, und schließlich bezüglich ihrer Flächenausdehnung möglichst wenig Begrenzungen unterliegen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass es zur Erstellung von strahlungsoptischen beziehungsweise röntgenoptischen Gittern ausreicht, periodische Strukturunterschiede in einer als Gittermaterial verwendeten Materie hervorzurufen, um die gewünschten Gittereffekte zu erreichen. Hierzu können beispielsweise periodisch unterschiedliche Massenbelegungen, unterschiedliche Strukturen oder unterschiedliche Dichte dienen. Solche periodischen Strukturunterschiede entstehen beispielsweise dadurch, dass in einem Material beziehungsweise Medium oder an seiner Oberfläche stehende Ultraschallwellen erzeugt werden, die je nach Konsistenz des Materials zu periodisch wiederkehrenden Unterschieden in der Struktur und/oder Massenbelegung beziehungsweise Dichte des Materials führen und damit die gewünschten Gittereigenschaften dieses Materials hervorrufen. Beispielsweise können hierfür akustische Stehwellen in Gaszellen, oberflächenakustische Stehwellen in Flüssigkeiten oder oberflächenakustische Stehwellen in festem Material verwendet werden.
Grundsätzlich bestehen die folgenden Varianten der Anpassung von Periode und Amplitude in solch variablen Gittern:

(i) Variation der Periode/Ortsfrequenz des Röntgen-Interferenzmusters durch Variation der Gitterperiode des als Phasengitter fungierenden Ultraschallgitters oder Variation der Frequenz des anregenden Ultraschalls durch Variation der Frequenz des elektrischen Steuersignals
(ii) Variation der Resonanzenergie des Phasengitters und damit des Röntgen-Interferenzmusters durch Variation der Gitteramplitude des als Phasengitters fungierenden Ultraschallgitters oder Variation der Amplitude/Intensität des anregenden Ultraschalls durch Variation der Spannung des elektrischen Steuersignals
(iii) Variation der Absorption/Modulation des als Analysatorgitter/Amplitudengitter fungierenden Ultraschallgitters durch Variation der Amplitude/Intensität des anregenden Ultraschalls durch Variation der Spannung des elektrischen Steuersignals.

Auf der Basis dieses Grundgedankens schlagen die Erfinder vor, eine an sich bekannte Fokus-Detektor-Anordnung einer Röntgenapparatur zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen eines Untersuchungsobjektes, mit einer auf einer ersten Seite des Untersuchungsobjektes angeordneten Strahlenquelle mit einem Fokus zur Erzeugung eines, vorzugsweise fächer- oder konusförmigen, Strahlenbündels, einem auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Untersuchungsobjektes im Strahlengang angeordneten Phasengitter, welches ein Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich der Röntgenstrahlung erzeugt, und mit einem Analyse-Detektor-System, welches zumindest das vom Phasengitter erzeugte Interferenzmuster bezüglich seiner Intensitätsverteilung ortsaufgelöst detektiert und daraus ortsaufgelöst die Phasenverschiebung bestimmt, dahingehend zu verbessern, dass das mindestens eine Gitter der Fokus-Detektor-Anordnung zumindest teilweise aus einem makroskopisch homogenen Medium (= Gittermedium) besteht, welches angeregt durch Ultraschall periodische Strukturveränderungen aufweist, die beim Durchtritt des Röntgen-Strahlenbündels zu Interferenzerscheinungen im Röntgen-Strahlenbündel führen.
In erfindungsgemäßen Varianten kann das Gittermedium mindestens eines Gitters gasförmig oder flüssig sein, wobei die Flüssigkeit beispielsweise auch aus einer Suspension bestehen kann. Während bei Gas, Flüssigkeit und Festkörper durch die eine stehende Ultraschallwelle im Wesentlichen Dichteunterschiede eines gleichen Materials erzeugt werden, kann bei einer Suspension eine Ungleichverteilung der festen Substanz und dadurch letztlich ein Dichteunterschied erzeugt werden. Auf ähnliche Weise sammeln sich bei den bekannten Schallfiguren aus Holzmehl oder ähnlichem die Partikel im Bereich der Wellenknoten an, während die Wellenbäuche weitgehend frei von Partikeln bleiben.
In einer anderen erfindungsgemäßen Variante kann das Gittermedium auch aus einem Gel bestehen. Dieses Gittermedium passt sich ebenso wie Flüssigkeit oder Gas problemlos vorgegebenen Raumformen an. Zusätzlich kann das Gel thixotrope Eigenschaften aufweisen, die zu einer Verstärkung von periodischen Strukturunterschieden führen können.
Eine andere Variante besteht darin, dass das Gittermedium des mindestens einen Gitters ein Festkörper ist. Besonders bevorzugt kann es sich hierbei um ein piezoelektrisches Material handeln, wobei dieses piezoelektrische Material auch selbst zur Ultraschallerzeugung verwendet werden kann.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass das Gittermedium mindestens eines Gitters in einem geschlossenen Raum angeordnet ist, welcher an mindestens einer Seite einen ersten Ultraschallgenerator zur Erzeugung der stehenden Ultraschallwellen im Gittermedium aufweist. Hierfür kann auf der gegenüberliegenden Seite beispielsweise ein Ultraschallreflektor angeordnet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, einen zweiten Ultraschallgenerator auf der gegenüberliegenden Seite anzuordnen, so dass auch hier bei entsprechender Abstimmung der beiden Ultraschallgeneratoren aufeinander ein stehendes Wellenfeld im Gittermedium erzeugt werden kann. Bevorzugt sollte der mindestens eine Ultraschallgenerator mit dem Gittermedium mechanisch direkt gekoppelt sein.
Ein Ultraschallgenerator erzeugt eine propagierende Ultraschallwelle. Durch Interferenz mit einer zweiten Ultraschallwelle gleicher Wellenlänge wird daraus eine stehende Welle. Die zweite Welle erzeugt man am einfachsten durch Reflexion der ersten Welle an einer Wand. Alternativ kann man sie auch mit einem zweiten gegenüberliegenden Generator erzeugen.
Innerhalb der erfindungsgemäßen Fokus-Detektor-Anordnung kann ein solches erfindungsgemäßes Gitter als Phasengitter (= Strahlteiler) oder auch als Amplitudengitter (Quellengitter, Analysatorgitter) verwendet werden. Ein solches Phasengitter kann auch in mindestens einer Schnittebene mindestens einen Krümmungsradius um den Fokus aufweisen. In der einfachsten Form ist das Gittermedium in Transmissionsrichtung durch ebene parallele Wände einer Gaszelle begrenzt. Für eine Konusstrahlgeometrie oder Fächerstrahlgeometrie können die Wände die Form von Zylindersegmenten oder Kugelkalotten besitzen.
Entsprechend der Verwendung dieses Gitters wird weiterhin gefordert, dass dieses Gitter zumindest eine der folgenden geometrischen Beziehungen erfüllt:
wobei gilt:

r₁: = radialer Abstand vom Fokus zum Phasengitter;
r₂: = radialer Abstand vom Fokus zum Analyse-Detektor System;
g₁: = Periode des Phasengitters;
g₂: = Periode des Analyse-Detektor-Systems;
λ: = Wellenlänge der betrachteten Röntgenstrahlung;
d_m: = Abstand Phasengitter zum Analyse-Detektor-System = Talbotabstand m-ter Ordnung.

In einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Fokus-Detektor-Anordnung schlagen die Erfinder vor, dass der Fokus weitestgehend punktförmig ausgebildet ist, andererseits besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Fokus flächig auszubilden. Erfindungsgemäß ist zur Erreichung eines Feldes mit dort ausgehenden kohärenten Röntgenstrahlen ein Quellengitter zur Erzeugung eines Bündels kohärenter Strahlen zwischen Fokus und Untersuchungsobjekt anzuordnen. Auch ein solches Quellengitter kann gemäß einer Ausfürhungsform durch ein mit Ultraschall angeregtes Gittermedium gebildet werden, wobei dieses jedes der zuvor geschilderten besonderen Merkmale aufweisen kann.
Die Erfinder schlagen außerdem vor, dass das Analyse-Detektor-System als eine Kombination eines ortsauflösenden Detektors mit einer Vielzahl von Detektorelementen, deren Größe die Ortsauflösung des Systems bestimmt, und einem in Strahlungsrichtung vorgelagerten Analysatorgitter zur Bestimmung der mittleren Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung je Detektorelement, ausgebildet ist.
Auch bei einem solchen Analyse-Detektor-System kann der Detektor und/oder das Analysatorgitter des Analyse-Detektor-Systems eine Krümmung um den Fokus aufweisen.
Wird ein solches Analyse-Detektor-System verwendet, so kann mindestens das eine Gitter der erfindungsgemäßen Fokus-Detektor-Anordnung, welches durch ein mit Ultraschall angeregtes Gittermedium gebildet wird, das Analysatorgitter selbst sein.
Bezüglich dieser besonderen Ausführungsformen mit einer Kombination aus Analysatorgitter und nachgeschaltetem Detektor wird insbesondere auf die zuvor genannten Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen DE 10 2006 015 358 A1 , 10 2006 015 356 A1 und 10 2006 015 355 A1 verwiesen. Es wird dabei insbesondere darauf hingewiesen, dass der Austausch von röntgenoptischen Gittern dadurch erfolgen kann, dass gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich unterschiedliche stehende Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden müssen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Wellenlänge, die durch den Ultraschall erzeugt wird, verändert wird, wobei jedoch der Abstand zwischen Ultraschallgenerator und gegenüberliegendem Reflektor ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge bleibt, das heißt, die Wellenlänge wird in bestimmten Sprüngen verändert.
Eine andere Möglichkeit zur feineren Abstimmung der Wellenlänge beziehungsweise der Periode des Gitters besteht darin, den Abstand zwischen Ultraschallgenerator und gegenüberliegendem Reflektor beziehungsweise zweitem Ultraschallgenerator nur geringfügig zu verändern, so dass für die jeweils gewünschte Periode eine entsprechende Anpassung durchgeführt wird. Eine solche Veränderung der Resonatorlänge des Ultraschalls im Gittermedium kann beispielsweise durch die Anbringung mindestens eines Piezoelementes geschehen.
In einer anderen Ausführungsvariante der Fokus-Detektor-Anordnung wird vorgeschlagen, das Analyse-Detektor-System als ortsauflösender Detektor mit einer Vielzahl von Detektorelementen, welche die Ortsauflösung des Systems bestimmen, auszubilden, wobei zumindest ein Teil der Detektorelemente eine interne Struktur aufweist, welche zur Bestimmung der mittleren Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung einer bestimmten Energie je Detektorelement geeignet ist.
Bezüglich dieser Ausführungsform des Analyse-Detektor-Systems wird insbesondere auf die zuvor zitierten, nicht vorveröffentlichten Schriften DE 10 2006 017 290 A1 und DE 10 2006 017 291 A1 verwiesen.
Im Sinne der Erfindung können derartige Fokus-Detektor-Anordnungen beispielsweise für Röntgen-Systeme zur Erzeugung rein projektiver Phasenkontrastaufnahmen oder für Röntgen-C-Bogen-Systeme, mit denen projektive und tomographische Phasenkontrastaufnahmen erstellt werden können, oder auch für reine Röntgen-CT-Systeme zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen verwendet werden.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Gedanken schlagen die Erfinder auch ein Verfahren zum Betrieb eines Röntgen-Systems zur Erzeugung projektiver und/oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen vor, bei dem eine Fokus-Detektor-Anordnung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen verwendet wird, wobei im Analyse-Detektor-System eine zur Messung der Phasenverschiebung notwendige relative Positionsänderung der Gitterlinien dadurch erzeugt wird, dass das „stehende” Ultraschallwellenfeld verändert wird.
Eine Änderung oder Verschiebung des stehenden Ultraschallfeldes kann erzeugt werden durch:

– Änderung der anregenden Ultraschallfrequenz,
– Änderung des Abstandes zwischen zwei gegenüberliegenden Ultraschallgeneratoren oder zwischen Ultraschallgenerator und Ultraschallreflektor,
– Phasenverschiebung zwischen zwei gegenüberliegenden die Stehwelle anregenden Ultraschallgeneratoren,
– mechanische Verschiebung des gesamten Gitters.

Grundsätzlich ist im Zusammenhang mit der Erfindung noch auf folgende Sachverhalte zur Problematik „kohärenter Röntgenstrahlung”, „kohärenten Röntgenstrahlungsquellen” und „quasi-kohärenten Röntgenstrahlungsquellen” im Sinne der Erfindung hinzuweisen:
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 Kohärenz einer ausgedehnten Röntgenquelle lässt sich die so genannte laterale Kohärenzlänge L angeben: L = λ a / s
Dabei ist λ die Wellenlänge, s die transversale Quellgröße und a der Abstand Quelle-Beobachter. 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 (lateralen) 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 Abständen dem gewünschten röntgenoptischen Gitter zur Ausbildung eines Interferenzmusters 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 Beobachter unterliegt in Laboraufbauten zur zerstörungsfreien Materialprüfung oder medizinischen Diagnostik gewissen Einschränkungen. So bleibt meist als letzter Freiheitsgrad die Quellgröße s, auch wenn hier die Zusammenhänge zwischen Quellgröße und Röhrenleistung enge Grenzen setzen.
Das Quellengitter erlaubt die Verwendung größerer und damit leistungsstärkerer Röntgenquellen. Die schmalen Schlitze des Quellgitters sorgen für die Einhaltung der geforderten räumlichen Kohärenz all der Strahlen, die aus ein und demselben Schlitz austreten. Nur Photonen aus einem Schlitz können miteinander interferieren, d. h. phasenrichtig überlagern. Zwischen den Photonen von Schlitz zu Schlitz des Quellengitters ist zwar keine phasenrichtige Überlagerung möglich, allerdings ist bei geeigneter Abstimmung der Quellengitterperiode g₀ und Interferenzmusterperiode g₂, sowie des Abstandes l zwischen Quellengitter G₀ und Phasengitter G₁ und des Abstandes d zwischen Phasengitter G₁ und Interferenzmuster G₂ gemäß g₀/g₂ = l/d zumindest eine intensitätsmäßig richtige Überlagerung der Wellenbäuche und der Wellenknoten 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 intensiver 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.
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 soweit nicht explizit genannt die folgende Bezugszeichen verwendet: 1: CT-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; 12: Gaszelle; 13: Gas; 14: Ultraschallgenerator; 15: stehende Welle; 16: Ultraschallreflektor; 17: Flüssigkeit; a: Größe eines Voxels; D₁: Detektor; d: Talbotabstand = Abstand vom Phasengitter zu den Interferenzmaxima beziehungsweise zum Analyse-Detektor-System; E_i: Detektorelemente; F₁: Fokus; G: Gitter; G₀: Quellengitter; G₁: Phasengitter; G₂: Analysatorgitter; g₁: Periode des Phasengitters G₁; g₂: Periode des Analyse-Detektor-Systems bezüglich Phasendetektion; h: Dicke des Gasvolumens einer Gaszelle; I(E_i(x_G)): gemessene Intensität am Detektorelement E_i beim Gitterversatz x_G; I_ph: Strahlungsintensität; L_c: Kohärenzlänge; l: Abstand zwischen Gitter G₀ und G₁; n: Brechungsindex; P: Probe; Prg_x: Programme; w: Ausdehnung des Fokus; x_G: Versatz des Gitters in x-Richtung; x, y, z: kartesische Koordinaten; Prg_n: Programme; S_i: Röntgenstrahlen; φ: Phasenverschiebung; φ_Ex: Phase des sinusförmigen Intensitätsverlaufs am Detektorelement E_x; φ_ij: relative Phasenverschiebung zwischen den Detektorelementen E_i und E_j; λ: Wellenlänge der Energie der betrachteten Röntgenstrahlung; δ: reelles Dekrement des Brechungsindexes, hier des Gittermediums; Λ: Ultraschallwellenlänge.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Längsschnitt durch eine Prinzipdarstellung einer Fokus-Detektor-Anordnung mit Phasengitter als Strahlteiler, Analysatorgitter und Detektor zur Darstellung der Interferenzerscheinung;
2: Intensitätsverlauf eines ausgewählten Detektorelements in Abhängigkeit der transversalen Relativposition des Analysatorgitters zum Interferenzmuster;
3: Längsschnitt durch ein Fokus-Detektor-System mit Anordnung von Quellengitter, Phasengitter und Analysatorgitter;
4: Dreidimensionale Prinzipdarstellung eines röntgenoptischen Gitters mit Gas als ultraschallangeregtem Gittermedium;
5: Dreidimensionale Prinzipdarstellung eines röntgenoptischen Gitters mit Flüssigkeit als ultraschallangeregtem Gittermedium;
6: Dreidimensionale Prinzipdarstellung eines röntgenoptischen Gitters mit einem Festkörper als ultraschallangeregtem Gittermedium;
7: Röntgen-CT-System in 3D-Ansicht mit erfindungsgemäßem Fokus/Detektor-System.
Zum besseren Verständnis wird nachfolgend das grundsätzliche Prinzip der Phasenkontrastmessung mit den 1 bis 3 beschrieben.
Die 1 zeigt eine vom Fokus kommende quasi-kohärente Strahlung oder von einem Quellengitter kommende individuell kohärente Strahlung, die eine Probe P durchdringt, wobei es nach dem Durchdringen der Probe P zu Phasenverschiebungserscheinungen kommt. Hierdurch wird beim Durchtritt durch das Gitter G₁ ein Interferenzmuster, welches durch die Grauschattierung dargestellt ist, erzeugt, das mit Hilfe des Gitters G₂ auf dem anschließenden Detektor D₁ und dessen Detektorelementen zu unterschiedlichen Strahlungsintensitäten je Detektorelement führt, wobei sich dort ein Interferenzmuster beziehungsweise Röntgenstehwellenfeld ausbildet. Betrachtet man beispielsweise das Detektorelement E_i in Abhängigkeit einer Verschiebung x_G des Analysatorgitters G₂ und trägt die Intensität I(E_i(x_G)), I(E_i(x_G)) als Funktion der Lateralverschiebung x_G über die Intensität I_ph auf, 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_j. 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.
Aus den Funktionen lässt sich für jedes Detektorelement die Phasenverschiebung φ relativ zueinander bestimmen. Es gilt: φ = 2πn a / λ, (5) wobei a der Größe eines Voxels beziehungsweise Pixels im untersuchten Objekt entspricht, n dessen Brechungsindex ist und λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlung darstellt.
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.
Es wird darauf hingewiesen, dass unter der Position des Gitters bei einem variablen ultraschalldurchstimmbaren Gitter hier nicht notwendigerweise die Position der Außenwände gemeint ist, sondern die Position der Wellenbäuche beziehungsweise Druckmaxima und Wellenknoten beziehungsweise Druckminima transversal zur optischen Achse.
Es lässt sich somit für jeden Strahl im Raum durch mindestens drei Messungen mit jeweils versetztem Analysatorgitter die Phasenverschiebung je Strahl bestimmen, woraus entweder im Fall von projektiven Röntgenaufnahmen direkt die Pixelwerte einer projektiven Aufnahme berechnet werden können oder es werden im Fall einer CT-Untersuchung Projektionen erstellt, deren Pixelwerte der Phasenverschiebung oder den Absorptionswerten entsprechen, so dass hieraus mit Hilfe an sich bekannter Rekonstruktionsmethoden berechnet werden kann, welchem 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 Röntgenphasenverschiebung und der Röntgenabsorption widerspiegeln. Da bereits geringe Unterschiede in der Dicke und Zusammensetzung einen starken Effekt auf die Phasenverschiebung ausüben können, 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 Detektorpixelelement mindestens drei Messungen bei jeweils um Bruchteile der Periode des Interferenzmusters verschobenem Analysatorgitter durchgeführt werden müssen.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, auf ein derartiges Analysatorgitter zu verzichten und stattdessen einen ausreichend fein strukturierten Detektor zu verwenden, wobei in diesem Fall die Dosisverluste durch Absorption in den Stegen des Analysatorgitters entfallen und mit einer einzigen Messung die Phasenverschiebung im betrachteten Strahl bestimmt werden kann.
Zur Messung des Phasenkontrastes ist es notwendig, kohärente Strahlung oder zumindest quasi-kohärente Strahlung zu verwenden. Diese kann beispielsweise durch einen punktförmigen Fokus oder als Feld individuell kohärenter Strahlquellen durch ein Quellengitter hinter einem flächig ausgebildeten Fokus oder durch einen gitterartig ausgebildeten Brennfleck auf einer Anode erzeugt werden.
Bei der letztgenannten „Multistreifenquelle” beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Quellgitter muss die Quellgröße des einzelnen Streifens beziehungsweise des Quellgittereinzelschlitzes für die Berechnung der Kohärenzlänge verwendet werden. Bei der Streifenquelle müssen nur die Photonen, die aus einem einzelnen Streifen stammen, eine ausreichende Kohärenzlänge besitzen. Die Photonen von Streifen zu Streifen brauchen diese Kohärenzanforderung nicht aufweisen. Hier reicht bei einem periodischen Gitter, dass jeder Streifen für sich ein Interferenzmuster erzeugt. Die Interferenzmuster der verschiedenen Streifen überlagern sich nur intensitätsmäßig. Folglich brauchen zwischen den Photonen aus den verschiedenen Streifen keine Kohärenzen bestehen.
Eine solche Variante, bei der ein Feld individuell kohärenter Strahlung durch ein Quellengitter hinter einem flächig ausgebildeten Fokus erzeugt wird, ist in der 3 schematisch mit einem Fokus-Detektor-System mit einem Gittersatz G₀ bis G₂ gezeigt. Grundsätzlich können alle dort dargestellten Gitter durch erfindungsgemäße Gitter ersetzt werden.
Vor dem ersten Gitter G₀ befindet sich der Fokus F₁ mit einer lateralen Ausdehnung. Das erste Gitter G₀ verfugt über eine Periode g₀ der Gitterlinien und einer Höhe h₀ der Gitterstege. Entsprechend sind auch die Gitter G₁ und G₂ mit einer Höhe h₁ beziehungsweise h₂ und einer Periode g₁ beziehungsweise g₂ ausgestattet. Zur Funktion der Phasenmessung ist es notwendig, dass der Abstand l zwischen dem Gitter Grund G₁ und der Abstand d zwischen dem Gitter G₁ und dem G₂ in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Es gilt hierbei g₀ = g₂ l / d. (6)
Der Abstand des Detektors D₁ mit seinen Detektorelementen E₁ bis E_n vom letzten Gitter G₂ ist unkritisch, sollte jedoch, um Intensitätsverluste und Streustrahleneffekte (Crossover) zu vermeiden, möglichst kurz gewählt werden. Die Höhe h₁ der Stege des Phasengitters sollte dabei so gewählt werden, dass entsprechend der betrachteten Wellenlängen, also der betrachteten Energie der Röntgenstrahlung und bezogen auf das jeweilige Gittermaterial die folgende Formel gilt: h₁ = λ / 2(n – 1). (7)
Hierbei bezeichnet n den Brechungsindex des Gittermaterials und λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlen, bei der die Phasenverschiebung gemessen werden soll. Vorteilhaft kann dieses Gitter auf eine Energie eingestellt werden, die einer charakteristischen Linie im Röntgenspektrum der verwendeten Anode entspricht, zumindest sollte in diesem Energiebereich ein ausreichender Photonenfluss zur Verfügung stehen. Bei den derzeit üblichen Wolfram-Anoden kann beispielsweise die Kα-Linie verwendet werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die benachbarte Kβ-Linie zu verwenden. Bei der Wahl anderer Anodenmaterialien (z. B.: Cu, Mo, Ag, ...) werden entsprechend andere Energien und damit andere Dimensionierungen des Phasengitters notwendig. Man kann im Prinzip auch L- oder M-Linien verwenden. Neben den charakteristischen Linien kann man auch gewisse Bereiche des Bremsstrahlungsspektrums verwenden.
Die Höhe h₂ des Analysatorgitters muss ausreichend sein, um effektive Absorptionsunterschiede zwischen den von der Röntgenstrahlung durchstrahlten Stegen und den weitgehend freien Stellen des Gitters zu erzeugen, um auf der Rückseite ein entsprechendes Interferenzmuster beziehungsweise Röntgenstehwellenfeld zu schaffen.
Die Linienorientierung der Gitter G₀ bis G₂ wird in der Regel so gewählt, dass die Gitterlinien der vorhandenen Gitter und gegebenenfalls vorhandener Streifenstrukturen der Detektorelemente parallel zueinander verlaufen. Vorteilhaft, jedoch nicht notwendig, ist es weiterhin, wenn die Gitterlinien parallel oder senkrecht zur Systemachse S orientiert sind.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das mindestens ein Gitter der Fokus-Detektor-Anordnung zumindest teilweise aus einem makroskopisch homogenen Medium (= Gittermedium) besteht, welches angeregt durch Ultraschall periodisch wiederkehrende Strukturunterschiede aufweist, die auf die durchtretende Strahlung wie ein röntgenoptisches Gitter wirken und entsprechend zu Interferenzmustern führen.
Hierzu werden beispielhaft drei unterschiedliche Ausführungsvarianten vorgeschlagen, die alle in der Lage sind, die Gitterperioden zu variieren.
A) Akustisches Stehwellenfeld in Gaszellen als Beugungsgitter:
Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Variante, bei der akustische Stehwellen beziehungsweise Ultraschallstehwellen mit hohen Druckamplituden in Gaszellen Beugungsgitter für Röntgenstrahlen erzeugen. Hier wird das Gitter G durch eine Zelle 12 gebildet, in der sich als Gittermedium ein Gas 13 befindet. Auf einer Seite der Zelle 12 ist ein Ultraschallgenerator 14 angeordnet, dem auf der anderen Seite ein Ultraschallreflektor 16 gegenüberliegt. Zwischen dem Ultraschallgenerator 14 und dem Ultraschallreflektor 16 kann damit ein stehendes Ultraschallwellenfeld 15 erzeugt werden, das als Gitter mit der Periode einer halben Wellenlänge des Ultraschalls wirkt. Auf diese Weise können sowohl Phasengitter als auch Amplituden/Absorptions-Gitter durch akustische Ultraschallstehwellen in Gaszellen ausgebildet werden. Die Zellen sollten gasdicht sein. Bezogen auf eine ebene Zelle sollte diese weitgehend rechteckig ausgebildet sein, wobei die zur Strahlrichtung senkrechten Wände zueinander parallel und möglichst von gleicher Dicke sein sollten. Im Falle von um den Fokus gekrümmten Zellen sollten die senkrecht zur Strahlrichtung stehende Wände konzentrisch und äquidistant ausgeführt und auch von konstanter Dicke sein.
Bei beiden Varianten der Zelle müssen der Ultraschallgenerator und der Ultraschallreflektor einander gegenüberliegen, wobei bei der gekrümmten Zelle diese beiden Elemente nicht unbedingt parallel zueinander ausgerichtet sein müssen, sondern in einem Winkel zueinander stehen können, der etwa dem Fächerwinkel eines verwendeten Fächerstrahls entsprechen könnte. Es besteht auch die Möglichkeit, dass diese Elemente in der Fächerebene angeordnet werden. Für den Ultraschallreflektor ist ein hoher Reflexionskoeffizient erwünscht, um ein ungedämpftes akustisches Stehwellenfeld, d. h. ein intensives Stehwellenfeld mit hohen Druckamplituden im Vergleich zum mittleren Gasdruck, zu erhalten. Der Ultraschallgenerator breitet die Schallintensität durch die reflektierenden Wellen der akustisch angeregten Gaszelle aus. Alternativ kann an Stelle des Ultraschallreflektors auch ein weiterer Ultraschallgenerator eingesetzt werden, wobei dann beide Ultraschallgeneratoren in Phase und Frequenz so aufeinander abgestimmt werden müssen, dass das gewünschte stehende Wellenfeld entsteht.
Wenn mit der akustisch angeregten Gaszelle ein Phasengitter für Röntgenstrahlen erzeugt werden soll, lautet eine Hauptanforderung an das Layout einer Gaszelle für akustische Stehwellen, eine ausreichende oder die richtige Phasenverschiebung zu erzielen. Im Idealfall sollte ein Phasensprung von π zwischen den Knoten und den Bäuchen der akustischen Stehwellen erreicht werden.
Es wird eine Phasenverschiebung von π erhalten, wenn die Dicke h des Gasvolumens, das dem akustischen Stehwellenfeld ausgesetzt ist, die folgende Bedingung erfüllt: h = λ / 2δ, (8) wobei δ das reelle Dekrement des Brechungsindexes des Gases aufgrund der Druckamplitude und λ die Röntgenstrahlenwellenlänge ist. Bei hohen Photonenenergien E >> E_K oder kurzen Wellenlängen λ << λ_K, d. h. für Photonenenergien über der K-Schalen-Elektronenbildungsenergie des Gases gilt nach einer Approximierung für das reelle Dekrement δ
wobei r₀ der klassische Elektronenradius, N_A die Avogadro'sche Zahl, Z die Ordnungszahl der Gasatome, A_r die relative Atommasse der Atome des Gases ist. Im idealen Gas lautet dieser Ausdruck:
wobei p der Gasdruck, R₀ die Gaskonstante und T₀ die absolute Temperatur des Gases ist. Bei nicht-idealen Gasen nahe dem Trippelpunkt müssen Gleichungen für reale Gase oder tabulierte Werte verwendet werden.
In dem akustischen Stehwellenfeld der Gaszelle hängt die Phasenverschiebungsdifferenz zwischen den Knoten und den Bäuchen auch von den Druckdifferenzen ab, die in der Gaszelle von dem Ultraschallgenerator erzeugt werden. Die Druckamplitude Δp in einer akustischen Stehwelle ist gegeben durch: Δp = √8Jρc, (11) wobei J die Schallintensität [W/m²], ρ die Dichte des Gases und c die Schallgeschwindigkeit ist. Die effektive Phasenverschiebung entspricht den Differenzen in δ zwischen den Knoten und den Bäuchen, d. h. der Druckamplitude Δp.
Unter Verwendung aller dieser Gleichungen kann man die Dicke des Gasvolumens bei den gegebenen Bedingungen für eine Phasenverschiebung von π erhalten und unter Verwendung der variablen Parameter auf den gewünschten Wert einstellen.
Um die Dicke des Gasvolumens gering zu halten, so dass unregelmäßige Druckfluktuationen und Randeffekte vernachlässigt werden können, sollten Gase mit hoher Dichte gewählt werden. Eine hohe Gasdichte gestattet auch eine bessere Anpassung des Wellenwiderstands des Generators an den Wellenwiderstand des Gases. Geeignete Gase sind z. B. Xe, SF₆ und WF₆. Unter Druck könnten jedoch auch andere Gase verwendet werden.
In jedem Fall ergibt sich die Periode des akustischen Stehwellenfelds aus der Frequenz, die von dem Ultraschallgenerator erzeugt wird, und der Schallgeschwindigkeit im Gasvolumen. Die Schallgeschwindigkeit c in Gasen hängt vom Gasdruck p, der Gasdichte ρ und der Gasart ab, und zwar gemäß
wobei κ der Adiabatenexponent des Gases ist. Die Wellenlänge Λ der Schallwelle im Gas, d. h. die Periodizität der akustischen Stehwelle, für die Schallfrequenz ν ist gegeben durch: Λ = c/v. (13)
Durch die Verwendung von Ultraschall im MHz- und GHz-Frequenzbereich kann ein akustisches Stehwellenfeld mit einer Periode im Bereich von einigen wenigen μm erzeugt werden, was sich für die am Anfang erörterten Anwendungen eignet. Die akustische Wellenlänge Λ definiert jeweils die Periode g des Gitters gemäß g = Λ, und zwar sowohl beim Strahlteilergitter/Phasengitter G₁ als auch beim Analysatorgitter/Absorbergitter G₂ und beim Quellgitter G₀, so dass hinsichtlich der Periode in der Beschreibung keine Differenzierung erforderlich ist.
Bei Verwendung von akustisch angeregten Gaszellen als Analysator- bzw. Absorbergitter für Röntgenstrahlen muss jedoch die richtige Absorption sichergestellt werden. Im Idealfall sollte die Absorption an den Wellenbäuchen möglichst hoch sein und an den Wellenknoten verschwinden, d. h. gegen Null gehen.
B) Oberflächenakustische Stehwellen in Flüssigkeiten als Beugungsgitter:
Alternativ werden akustische Stehwellen beziehungsweise Ultraschallstehwellen in Flüssigkeitszellen mit einer offenen Oberfläche als Beugungsgitter für Röntgenstrahlen vorgeschlagen. Eine beispielhafte Ausführung ist in der 5 dargestellt.
Dort wird das Gitter G durch eine Zelle 12 gebildet, in der sich als Gittermedium eine Flüssigkeit 17 befindet. Auch hier befindet sich auf einer Seite der Zelle 12 ein Ultraschallgenerator 14, dem auf der anderen Seite ein Ultraschallreflektor 16 gegenüberliegt. Zwischen dem Ultraschallgenerator 14 und dem Ultraschallreflektor 16 kann damit eine stehende Welle 15 erzeugt werden, die als Gitter mit der Periode einer halben Wellenlänge des Ultraschalls wirkt.
Solche Zellen 12 müssen flüssigkeitsdicht sein. Die Zelle sollte für eine Parallelstrahlgeometrie eine möglichst quaderförmige Gestalt aufweisen, wobei an zwei gegenüberliegenden Seiten der Ultraschallgenerator und der Ultraschallreflektor beziehungsweise ein weiterer Ultraschallgenerator einander gegenüberliegen. Zwischen dem Ultraschallgenerator und der Flüssigkeit kann ein nicht näher dargestellter Schallwiderstandsadapter positioniert sein, jedoch ist zum Koppeln von Ultraschall in Flüssigkeiten ein solcher Schallwiderstandsadapter nicht unbedingt erforderlich.
Die Wellen an der Oberfläche bewirken Phasenverschiebungen für durchtretende Röntgenstrahlen. Damit man in Strahlen +1. und –1. Ordnung eine maximale Intensität erhält, sollte die Höhe der Wellen eine Phasenverschiebung von π induzieren. Bei typischen Dichten von Flüssigkeiten vom 1 g/cm³ reichen dafür mehrere μm hohe Wellen. Im Einzelnen kann die geeignete Wellenhöhe anhand der oben angegebenen Gleichungen (8) und (9) berechnet werden.
Die Periodizität beziehungsweise Ortsfrequenz ergibt sich aus der Frequenz des Ultraschallgenerators und der spezifischen Schallgeschwindigkeit in der ausgewählten Flüssigkeit für die ausgewählte Frequenz nach Gleichung (13). Wellenperioden im μm-Bereich können mit Ultraschallfrequenzen im kHz- und MHz-Bereich erzielt werden.
C) Oberflächenakustische Stehwellen in einem festen Material als Beugungsgitter:
Gemäß einer weiteren Alternative wird auch ein festes Medium als Gittermedium vorgeschlagen. Eine solche Ausführung ist in der 6 näher dargestellt. Hier ist nicht unbedingt eine spezielle Zelle notwendig, da das Gittermedium bereits formstabil ausgeführt sein kann. Im dargestellten Beispiel wird das als Festkörper ausgebildete Gittermedium G durch einen Ultraschallgenerator 14 und einen gegenüber angeordneten Ultraschallreflektor 16 zu einer stehenden Welle 15 angeregt. Alternativ kann allerdings auch ein piezoelektrisch wirkendes Gittermedium verwendet werden, welches selbst die Schwingungen erzeugt.
Piezoelektrisches Material, z. B. Quarz (SiO₂), Blei-Zirkonat-Titanat (Abkürzung PZT) Pb(Zr, Ti)O₃, LiNbO₃, LiTaO₃, ZnO, eignet sich gut zum Umwandeln elektrischer Signale in Schall-/Ultraschallschwingungen im kHz-, MHz- oder GHz-Bereich. Deshalb muss die Orientierung des anregenden elektrischen Felds und der Schnitt des Kristalls so aufeinander abgestimmt werden, dass den piezoelektrischen Tensoreigenschaften Rechnung getragen wird, um die Schall-/Ultraschallschwingungen zu optimieren.
Alternativ kann ein solches Gittermedium zur Herstellung eines konventionellen röntgenoptischen Gitters dienen, wobei durch die Eigenschaften der Längenveränderung des piezoelektrischen Materials eine stufenlose Variation der Gitterperiode im Feinbereich erreicht werden kann.
Beispielhaft und stellvertretend auch für andere Röntgensysteme, insbesondere Röntgensysteme zur Erzeugung projektiver Phasenkontrastaufnahmen und für C-Bogen-Geräte, ist in der 7 ein vollständiges Computer-CT-System mit erfindungsgemäßen Fokus-Detektor-Systemen und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Diese Figur zeigt das CT-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 Gittersystem gemäß den 1 bis 3 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 CT-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 7 durch die gestrichelt gezeigte Röntgenröhre 4 und den gestrichelt dargestellten Detektor 5 angedeutet.
Zumindest in einem Fokus-Detektor-System befindet sich ein erfindungsgemäßes Gitter, bei dem durch eine stehende Ultraschallwelle die Gitterstruktur, die zur Detektion von Phasenkontrastaufnahmen notwendig ist, im Gittermedium erzeugt wird.
Ergänzend ist noch darauf hinzuweisen, dass mit den gezeigten Fokus-Detektor-Systemen nicht nur Phasenverschiebungen der Röntgenstrahlung, die durch die Probe oder den Patienten verursacht werden, gemessen werden können, sondern diese weiterhin auch zur konventionellen Messung der Strahlungsabsorption und Rekonstruktion von entsprechenden Absorptionsaufnahmen geeignet sind. So können auch kombinierte Absorptions- und Phasenkontrastaufnahmen erstellt werden. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die gezeigte medizinische Anwendung lediglich eine beispielhafte Anwendung darstellt und die erfindungsgemäße Fokus-Detektor-Anordnung ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch im Bereich der zerstörungsfreien Materialprüfung eingesetzt werden kann.
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass entsprechend der dargestellten Erfindung eine Fokus-Detektor-Anordnung zur Röntgen-Phasenkontrast-Messung gezeigt wird, welche mindestens ein durch Ultraschall abstimmbares Gitter aufweist. Ein solches Gitter kann auf einer Seite einen Ultraschallgenerator und auf der gegenüberliegenden Seite einen Reflektor oder einen weiteren Ultraschallgenerator aufweisen, so dass durch Änderung der Ultraschallfrequenz und/oder des Abstandes oder im Falle zweier Generatoren durch Phasenänderung zwischen den Anregungsfrequenzen Gitterstrukturen durch Dichteänderung oder Massenbelegungsänderungen entstehen, die flexibel steuerbar sind.

Claims

Fokus-Detektor-Anordnung (F₁, D₁) einer Röntgenapparatur (1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen eines Untersuchungsobjektes (7, P), mindestens bestehend aus: 1.1. einer auf einer ersten Seite des Untersuchungsobjektes (7, P) angeordneten Röntgenstrahlenquelle (2) mit einem Fokus (F₁) zur Erzeugung eines Strahlenbündels (S_i), 1.2. einem auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Untersuchungsobjektes (7, P) im Strahlengang angeordnetem Phasengitter (G₁), welches ein Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich erzeugt, und 1.3. einem Analyse-Detektor-System (G₂, D₁), welches zumindest das vom Phasengitter (G₁) erzeugte Interferenzmuster bezüglich seiner örtlichen Intensitätsverteilung detektiert, 1.4. wobei zwischen Fokus (F₁) und Untersuchungsobjekt (7, P) ein Quellengitter (G₀) zur Erzeugung eines Bündels kohärenter Strahlen (5) angeordnet ist und 1.5. wobei mindestens ein Gitter (G₀, G₁, G₂) der Fokus-Detektor-Anordnung (F₁, D₁) zumindest teilweise aus einem makroskopisch homogenen Medium (13) (= Gittermedium) besteht, welches angeregt durch Ultraschall periodische Strukturveränderungen aufweist, die beim Durchtritt des Röntgenstrahlenbündels zu Interferenzerscheinungen führen.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gittermedium mindestens eines Gitters (G) ein Gas (13) aufweist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gittermedium mindestens eines Gitters (G) eine Flüssigkeit aufweist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine Suspension (flüssig-fest) ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gittermedium mindestens eines Gitters (G) ein Gel ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gittermedium mindestens eines Gitters (G) ein Festkörper ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gittermedium mindestens eines Gitters (G) in einem geschlossenen Raum (12) angeordnet ist, welcher an mindestens einer Seite einen ersten Ultraschallgenerator (14) aufweist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (12) des Gittermediums mindestens eines Gitters (G) auf der dem ersten Ultraschallgenerator (14) gegenüberliegenden Seite durch einen Ultraschallreflektor (16) begrenzt ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (12) des Gittermediums mindestens eines Gitters (G) auf der dem ersten Ultraschallgenerator (14) gegenüberliegenden Seite einen zweiten Ultraschallgenerator (14) aufweist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gittermedium mindestens eines Gitters (G) an einer Seite mit dem Ultraschallgenerator (14) mechanisch gekoppelt ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper des Gittermediums aus einem piezoelektrischen Material besteht und vorzugsweise selbst den Ultraschall erzeugt.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gitter (G), welches durch ein mit Ultraschall angeregtes Gittermedium gebildet wird, das Phasengitter (G₁) ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (G₁) in mindestens einer Schnittebene mindestens einen Krümmungsradius (r₁) um den Fokus (F₁) aufweist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Periode des Analysatorgitters (G₂) die folgende geometrische Beziehung erfüllt ist:
wobei gilt: r₁ = radialer Abstand vom Fokus (F₁) zum Phasengitter (G₁); r₂ = radialer Abstand vom Fokus (F₁) zum Analyse-Detektor-System (G₂, D₁); g₁ = Periode des Phasengitters (G₁); g₂ = Periode des Analyse-Detektor-Systems (G₂, D₁) zur Phasendetektion.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass folgende geometrische Beziehung eingehalten wird:
wobei gilt: r₁ = radialer Abstand vom Fokus (F₁) zum Phasengitter (G₁); g₁ = Periode des Phasengitters (G₁); λ = Wellenlänge der betrachteten Röntgenstrahlung.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstand d zwischen Phasengitter (G₁) und Analysatorgitter (G₂) folgende geometrische Beziehung eingehalten wird:
wobei gilt: r₁ = radialer Abstand vom Fokus (F₁) zum Phasengitter (G₁); r₂ = radialer Abstand vom Fokus (F₁) zum Analyse-Detektor-System (G₂, D₁); g₁ = Periode des Phasengitters (G₁); d_m = Abstand Phasengitter (G₁) zum Analyse-Detektor-System (G₂, D₁) = Talbotabstand m-ter Ordnung; λ = Wellenlänge der betrachteten Röntgenstrahlung.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (F₁) weitestgehend punktförmig ausgebildet ist und folgende Kohärenzbedingung erfüllt ist:
wobei gilt: r₁ = radialer Abstand vom Fokus (F₁) zum Phasengitter (G₁); s = transversale Quellgröße; g₁ = Periode des Phasengitters (G₁); λ = Wellenlänge der betrachteten Röntgenstrahlung.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gitter (G), welches durch ein mit Ultraschall angeregtes Gittermedium gebildet wird, das Quellengitter (G₀) ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Analyse-Detektor-System (G₂, D₁) als eine Kombination eines ortsauflösenden Detektors (D₁) mit einer Vielzahl von Detektorelementen (E_x), welche die Ortsauflösung des Systems bestimmen, und einem in Strahlungsrichtung vorgelagerten Analysatorgitter (G₂) zur Bestimmung der mittleren Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung einer bestimmten Energie je Detektorelement (E_x) ausgebildet ist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (D₁) des Analyse-Detektor-Systems (G₂, D₁) eine Krümmung um den Fokus (F₁) aufweist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysatorgitter (G₂) des Analyse-Detektor-Systems (G₂, D₁) eine Krümmung (r₂) um den Fokus (F₁) aufweist.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gitter (G), welches als ultraschallinduziertes Gitter ausgebildet ist, das Analysatorgitter (G₂) bildet.
Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Analyse-Detektor-System (G₂, D₁) als ortsauflösender Detektor (D₁) mit einer Vielzahl von Detektorelementen (E_x), welche die Auflösung des Systems bestimmen, ausgebildet ist, wobei zumindest ein Teil der Detektorelemente (E_x) eine interne Struktur/Auflösung aufweist, welche zur Bestimmung der mittleren Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung einer bestimmten Energie je Detektorelement (E_x) geeignet ist.
Röntgen-System zur Erzeugung projektiver Phasenkontrastaufnahmen, welches eine Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 23 aufweist.
Röntgen-C-Bogen-System zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, welches eine Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 23 aufweist.
Röntgen-CT-System zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, welches eine Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 23 aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Röntgen-Systems zur Erzeugung projektiver und/oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, wobei eine Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 23 verwendet wird und die zur Messung der Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung im Analyse-Detektor-System (G₂, D₁) notwendige relative Verschiebung zwischen den Gittern (G₀, G₁, G₂) oder zwischen den Gittern (G₀, G₁, G₂) und dem Detektorsystem (D₁) oder zwischen den Gittern (G₀, G₁, G₂) und dem Fokus (F₁) bereitgestellt wird, wobei die Phasenlage des ultraschallinduzierten Gitters (G) gesteuert wird.