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Die vorliegende Erfindung betrifft ein bildgebendes System mit einer Strahlungsquelle zum Aussenden von Strahlung, einem Strahlungsdetektor und einer Schattenmaske. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildgebung mit einem solchen System. Insbesondere betrifft die Erfindung ein bildgebendes System mit einer Röntgenquelle und ein Verfahren zur Bildgebung, bei dem Röntgenstrahlung verwendet wird.
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Bei bekannten Systemen zur Röntgenbildgebung wird typischerweise die Schwächung der Intensität der Röntgenstrahlung durch die Materie eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise eines menschlichen Körperteils, gemessen. Die Absorption und die Streuung der Röntgenstrahlung in dem zu untersuchenden Objekt bewirkt dabei eine Schwächung der auf dem Detektor auftreffenden Strahlung, die von der Masse, der Kernladungszahl und dem durchstrahlten Materialvolumen abhängt. Bei Verwendung eines pixelierten Detektors werden dann Abbildungen der über verschiedene Positionen des Objekts variierenden Massenschwächung erhalten. Bei der einfachen Durchleuchtung wird dabei ein zweidimensionales Bild aus einer Projektionsrichtung erhalten, bei der Computertomographie dagegen wird ein dreidimensionaler Datensatz an Schwächungskoeffizienten aus einer Vielzahl verschiedener Durchleuchtungsmessungen mit unterschiedlichen Projektionsrichtungen rekonstruiert.
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Stark röntgenabsorbierende Gewebe wie Knochen und Kalkablagerungen können über die bekannten Verfahren der Absorptionsbildgebung sehr gut dargestellt werden. Eine größere Herausforderung ist das Erreichen eines hohen Weichteilkontrasts, um diagnostisch relevante Unterschiede zwischen verschiedenen schwach absorbierenden Gewebearten gut abbilden zu können.
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Um den Weichteilkontrast in der Röntgenbildgebung zu verbessern, wurde in den letzten Jahren die Methode der Phasenkontrastbildgebung mit Röntgenlicht entwickelt. Beim Phasenkontraströntgen wird anstelle der Absorptionskoeffizienten der räumlich variable Brechungsindex für Röntgenstrahlung in einem Objekt abgebildet. Hierzu wird neben der Absorption auch die Phasenveränderung der Strahlungswellen nach Durchstrahlung des Objekts gemessen. Nach dem Stand der Technik wird hierzu ein Talbot-Lau-Interferometer verwendet, bei dem mehrere sehr feine Gitter teils vor und teils hinter dem zu untersuchenden Objekt angeordnet werden und bei mehreren nacheinander durchgeführten Messungen definiert gegeneinander verschoben werden. Mit dieser Methode werden mit schwach absorbierenden Gewebestrukturen gute Kontraste erzielt, da der Brechungsindex für Röntgenstrahlung viel stärker als der Absorptionskoeffizient von der Konzentration leichter Atome wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff bestimmt wird. Das bekannte Verfahren ist jedoch apparativ sehr aufwendig, vor allem bedingt durch die Herstellung und Positionierung der feinen Röntgengitter, die Gitterkonstanten im Bereich von 2 µm benötigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein bildgebendes System anzugeben, welches zur Darstellung des Verlaufs der Brechungsindices in einem Objekt geeignet ist und die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Bildgebung mit einem solchen System anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene bildgebende System und das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren zur Bildgebung gelöst.
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Das erfindungsgemäße bildgebende System umfasst eine Strahlungsquelle zum Aussenden von Strahlung, einen Strahlungsdetektor mit einer regelmäßigen Anordnung von Detektorelementen und eine Schattenmaske mit einem sich regelmäßig wiederholenden Muster. Die Schattenmaske und der Strahlungsdetektor sind so angeordnet, dass durch die Strahlung am Ort des Detektors eine Projektion des Musters der Schattenmaske erzeugt wird. Eine räumliche Wiederholungslänge der Projektion des Musters weicht von dem Zweifachen einer räumlichen Wiederholungslänge der Anordnung der Detektorelemente ab.
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Unter den jeweiligen räumlichen Wiederholungslängen sind dabei die Wiederholungslängen bezüglich irgendeiner vorgegebenen Raumrichtung zu verstehen. Es reicht also aus, wenn wenigstens bezüglich einer ausgewählten Raumrichtung die Wiederholungslängen auf die angegebene Weise abweichen.
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Das beschriebene bildgebende System ist besonders geeignet, um die räumliche Verteilung des für die Strahlung wirksamen Brechungsindex zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsdetektor abzubilden. Mit dem System können also Objekte und Materialien räumlich abgebildet werden, indem Unterschiede der Brechungsindices entlang verschiedener Winkelanteile des von der Quelle ausgesandten Strahlungsbündels gemessen werden.
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Die Schattenmaske ist zweckmäßig zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsdetektor positioniert. In jedem Fall ist sie so positioniert, dass durch die Schattenmaske eine Projektion des Musters am Ort des Detektors erzeugt wird. Bei einem homogenen Brechungsindex für die Strahlung im Bereich zwischen Strahlungsquelle und Detektor ist diese Projektion wiederum als regelmäßiges Muster am Ort des Strahlungsdetektors ausgebildet. Je nach Art und möglicherweise Fokussierung des Strahlungsverlaufs kann die Projektion gegenüber der Größe der Schattenmaske vergrößert, verkleinert oder auch gleich groß sein. Bei der Verwendung einer Röntgenquelle als Strahlungsquelle mit einem möglichst kleinen Brennfleck als Ausgangspunkt der Strahlung handelt es sich vorteilhaft um eine vergrößerte Projektion, da Röntgenstrahlung nicht leicht durch optische Elemente fokussiert werden kann.
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Wäre die räumliche Wiederholungslänge einer solchen unverzerrten Projektion exakt gleich der räumlichen Wiederholungslänge der Anordnung der Detektorelemente, dann würde mit Hilfe dieses Strahlungsdetektors ein im Wesentlichen gleichmäßiger Intensitätsverlauf gemessen werden. Eine Abweichung der von den verschiedenen Detektorelementen gemessenen Intensitäten würde dann im Wesentlichen nur durch eventuell vorliegende unterschiedliche Abstände der Detektorelemente zur Strahlungsquelle und/oder durch eventuell vorliegende absorbierende Materialien in unterschiedlichen Bereichen des Strahlungsbündels verursacht. Die Schattenmaske würde jedoch bei einer solchen Anpassung der räumlichen Wiederholungslängen nicht zu unterschiedlichen Intensitäten auf den einzelnen Detektorelementen führen.
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Bei einer exakten Anpassung der räumlichen Wiederholungslänge der unverzerrten Projektion an das Zweifache oder ein anderes ganzzahliges Vielfaches n der Wiederholungslänge der Detektoranordnung würde sich für jedes Paar oder jede Gruppe von n Detektorelementen ein im Wesentlichen einheitlicher Intensitätsverlauf ergeben. Innerhalb des Paares oder der Gruppe von n Detektorelementen würde dann das Muster der Schattenmaske abgebildet. Beispielsweise würde eine Schattenmaske mit abwechselnden, gleich breiten Streifen mit jeweils starker und schwacher Absorption zu abwechselnden schwachen und starken Messsignalen der benachbarten Detektorelemente führen.
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Bei dem erfindungsgemäßen bildgebenden System ist jedoch die Wiederholungslänge der unverzerrten Projektion gerade nicht an das Zweifache der Wiederholungslänge der Detektoranordnung angepasst. Sie ist zweckmäßig auch nicht an die einfache Wiederholungslänge der Detektoranordnung angepasst. Zweckmäßig weicht sie nur leicht von einem ganzzahligen Vielfachen der Wiederholungslänge der Detektoranordnung ab, beispielsweise um bis zu 20% nach oben oder unten.
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Diese leichte Fehlanpassung führt zu einem Schwebungseffekt im Verlauf der durch die einzelnen Detektorelemente gemessenen Intensitäten. Durch den Moiré-Effekt entsteht ein dem feineren Muster der Projektion der Schattenmaske überlagertes Muster, dessen räumliche Wiederholungslänge deutlich größer ist als die Wiederholungslängen der Projektion der Schattenmaske und der Detektoranordnung. Je näher die Wiederholungslängen von Projektion und Detektoranordnung beieinander liegen, je knapper also die Fehlanpassung ist, desto größer ist die Wiederholungslänge des überlagerten Moiré-Musters.
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Bei dem erfindungsgemäßen bildgebenden System wird der Effekt ausgenutzt, dass das überlagerte Moiré-Muster empfindlich auf kleine Störungen im Wechselspiel der beiden zugrundeliegenden periodischen Strukturen reagiert. Insbesondere führen leichte Verzerrungen im Muster der Projektion der Schattenmaske zu räumlich wesentlich größeren Verzerrungen im übergeordneten Moiré-Muster. Eine leichte Verzerrung im Muster der Projektion der Schattenmaske wird aber gerade durch einen räumlich variierenden Brechungsindex eines im Strahlengang positionierten Objekts oder Materials verursacht. Das vorgeschlagene bildgebende System nutzt also den Effekt aus, dass durch eine Variation des Brechungsindex im Bereich des Strahlenbündels eine ursprünglich gleichmäßige Winkelverteilung der Strahlung zu einer unregelmäßigen Winkelverteilung verzerrt wird. Dies bewirkt wiederum eine Verzerrung der Projektion des Musters der Schattenmaske und dadurch eine vergrößerte Verzerrung im überlagerten Moiré-Muster. Durch diese Vergrößerung der Verzerrung wird die Messung von sehr kleinen Winkeländerungen erleichtert. Durch die genaue Wahl der Fehlanpassung der beiden zugrundeliegenden regelmäßigen Strukturen wird das Ausmaß der Vergrößerung bestimmt. Hierdurch kann für jede Bildgebungssituation eine geeignete Wahl der Parameter getroffen werden, bei der die Vergrößerung an die benötigte Empfindlichkeit und an die benötigte sowie apparativ mögliche Ortsauflösung angepasst wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildgebung wird ein erfindungsgemäßes bildgebendes System verwendet, um mit Hilfe des Strahlungsdetektors eine durch ein zu untersuchendes Objekt bewirkte Verschiebung der Projektion des Musters der Schattenmaske am Ort des Strahlungsdetektors zu vermessen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann das bildgebende System zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Die räumliche Wiederholungslänge der unverzerrten Projektion des Musters kann vorteilhaft um wenigstens 0.5 % und um höchstens 20 % von dem Zweifachen der räumlichen Wiederholungslänge der Anordnung der Detektorelemente abweichen. Durch eine Fehlanpassung in diesem Bereich ist das entstehende übergeordnete Moiré-Muster um einen Faktor zwischen etwa 200 und etwa 5 gegenüber den beiden feineren Mustern vergrößert. Dies ermöglicht vorteilhaft eine vergrößerte Empfindlichkeit bei der Vermessung kleiner Brechungsindexunterschiede im durchstrahlten Volumen.
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Insbesondere bei Vergrößerungen zwischen 5 und 20 kann vorteilhaft trotz des prinzipiellen Verlusts an Ortsauflösung noch eine relativ hohe räumliche Genauigkeit bei der Bestimmung der Brechungsindexunterschiede erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft weicht die räumliche Wiederholungslänge der unverzerrten Projektion des Musters um wenigstens 1% und um höchstens 10% von dem Zweifachen der räumlichen Wiederholungslänge der Detektoranordnung ab. Dann liegt der Vergrößerungsfaktor vorteilhaft zwischen etwa 100 und etwa 10.
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Die räumliche Wiederholungslänge der Projektion des Musters und das Zweifache der räumlichen Wiederholungslänge der Anordnung der Detektorelemente können in einem ganzzahligen Verhältnis stehen, dessen ganze Zahlen jeweils zwischen 1 und 100, besonders vorteilhaft zwischen 1 und 20 liegen. Die Wahl eines solchen ganzzahligen Verhältnisses hat den Vorteil, dass sich bei einer unverzerrten Projektion das auf den Detektorelementen entstehende Schwebungsmuster jeweils nach einer zusammenliegenden Gruppe von Detektorelementen regelmäßig wiederholt. Dies kann eine Auswertung einer Störung dieses idealen Schwebungsmusters durch ein zu untersuchendes Objekt zusätzlich erleichtern.
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Die Strahlungsquelle kann eine Röntgenquelle und der Strahlungsdetektor kann ein Röntgendetektor sein. Für ein auf Röntgenstrahlung basierendes bildgebendes System ist die vorgeschlagene Anordnung besonders geeignet, da gerade für Röntgenstrahlung die Variationen der Brechungsindices in den meisten Objekten sehr klein sind. Durch die Ausnutzung des Moiré-Effekts kann die Empfindlichkeit des bildgebenden Systems gegenüber solchen kleinen Variationen so weit gesteigert werden, dass auch die Brechungsindexunterschiede für Röntgenstrahlung sichtbar gemacht werden können. Bei der Röntgenbildgebung wird die Messung solcher sehr kleinen Verschiebungen durch Brechungsindexunterschiede zusätzlich dadurch erschwert, dass die meisten Röntgendetektoren nur eine geringe räumliche Auflösung aufweisen. Beispielsweise können die Detektorelemente des Röntgendetektors zwischen 10 µm und 1000 µm groß sein. Gerade im unteren Teil dieses Bereichs, also beispielsweise bei einer Wiederholungslänge der Detektorelemente zwischen 10 µm und 200 µm ist bei Röntgendetektoren das räumliche Übersprechen zwischen benachbarten Detektorelementen sehr groß. Dies ist sowohl für szintillatorbasierte Röntgendetektoren der Fall als auch für Röntgendetektoren, die nach dem Prinzip der Direktkonversion von Röntgenstrahlung, beispielsweise in einem Halbleitermaterial, funktionieren. Auch bei einer Wiederholungslänge zwischen 200 µm und mehreren mm kann das räumliche Übersprechen zwischen benachbarten Detektorelementen noch erheblich sein. Dieser Effekt führt dazu, dass gerade bei Röntgendetektoren die erreichbare Ortsauflösung wesentlich gröber ist, als die räumliche Wiederholungslänge dies nahelegen würde. Auch gerade deswegen ist die vorliegende Erfindung besonders geeignet, um Brechungsindexunterschiede für Röntgenstrahlung sichtbar zu machen, denn durch den Vergrößerungseffekt kann das übergeordnete Moiré-Muster so groß eingestellt werden, so dass räumliches Übersprechen der Detektorpixel auf der resultierenden Skala keine wesentliche Rolle mehr spielt.
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Ein Bildgebungsbereich zum Positionieren eines zu untersuchenden Objektes kann zwischen Schattenmaske und Strahlungsdetektor angeordnet sein. Grundsätzlich kann das zu untersuchende Objekt an beliebiger Stelle zwischen Strahlungsquelle und Detektor angeordnet sein, um die Projektion des Musters der Schattenmaske am Ort des Detektors durch seinen variierenden Brechungsindex zu beeinflussen. Gerade im Fall eines Röntgensystems für die medizinische Bildgebung ist es aber vorteilhaft, wenn das Objekt, also in diesem Fall meist der Patient, zwischen Schattenmaske und Strahlungsdetektor angeordnet ist. Denn dann ist die Dosis der auf dem Objekt auftreffenden Strahlung schon durch die Schattenmaske auf den bildwirksamen Anteil der Strahlung reduziert, und die Belastung des Patienten mit schädlicher Röntgenstrahlung ist niedriger.
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Die Schattenmaske kann ein zweidimensionales regelmäßiges Muster aufweisen, und der Strahlungsdetektor kann eine zweidimensionale regelmäßige Anordnung von Detektorelementen aufweisen. Zweckmäßig können diese beiden zweidimensionalen Anordnungen im Wesentlichen senkrecht zu einer mittleren Strahlausbreitungsrichtung liegen. Besonders vorteilhaft können dann in mehreren Raumrichtungen die Wiederholungslängen von Projektionsmuster und Detektoranordnung auf die angegebene Weise voneinander abweichen, so dass die Erzeugung eines zweidimensionalen Moiré-Musters die Bestimmung von Brechungsindexvariationen in zwei Dimensionen erlaubt. Mit anderen Worten kann damit eine zweidimensionale Abbildung von Brechungsindexvariationen quer zur mittleren Strahlungsausbreitungsrichtung erhalten werden. Die Wiederholungslängen von Detektor und/oder Schattenmaske können in verschiedenen Raumrichtungen der Bildebene unterschiedlich sein. Sie können alternativ auch in verschiedenen Raumrichtungen gleich ausgebildet sein.
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Die Schattenmaske kann einen regelmäßigen Wechsel zwischen für die Strahlung der Strahlungsquelle höchstens schwach absorbierenden und stark absorbierenden Bereichen aufweisen. Unter höchstens schwach absorbierenden Bereichen sind beispielsweise Bereiche zu verstehen, bei denen die Absorption der Strahlung höchstens 20 %, besonders vorteilhaft höchstens 10 % beträgt. Jedenfalls kann die Absorption in diesen Bereichen größer als Null sein, ohne dass dies die grundsätzliche Funktionalität des bildgebenden Systems beeinträchtigt. Sie ist nur vorteilhaft möglichst gering, damit nicht unnötig hohe und nicht genutzte Strahlungsintensitäten von der Quelle produziert werden müssen. Die höchstens schwach absorbierenden Bereiche können auch als Lücken in der Schattenmaske ausgebildet sein, die in diesem Fall also gar keine Absorption aufweisen. Sie können aber auch im Fall von Röntgenstrahlung aus leichtem, schwach absorbierendem Material ausgebildet sein, oder im Fall von sichtbarer Strahlung als optisch transparente Bereiche. Unter stark absorbierenden Bereichen sind beispielsweise Bereiche zu verstehen, bei denen die Absorption der Strahlung wenigstens 50 %, besonders vorteilhaft wenigstens 75 % beträgt. Jedenfalls muss in diesen Reichen keine vollständige Absorption der Strahlung erfolgen. Insbesondere bei der Röntgenbildgebung ist es aufgrund der niedrigen Schwächungskoeffizienten vieler Materialien schwierig, feine Schattenmasken herzustellen, die eine präzise geformte Struktur haben und in den Absorptionsbereichen die Strahlung nahezu vollständig absorbieren. Es reicht für das vorgeschlagene System jedoch aus, wenn eine genügend hohe Modulation der durch die Schattenmaske tretenden Strahlung vorhanden ist, um auf einem gegebenen Detektor als Muster beziehungsweise als Schwebungsmuster abgebildet zu werden. Die Grenze zwischen stark absorbierenden und schwach absorbierenden Bereichen muss keine scharfe Kante sein, es kann auch dazwischen ein Übergangsbereich mit mittleren Absorptionswerten vorliegen.
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Der Anteil an höchstens schwach absorbierenden Bereichen an einer für den Durchtritt der Strahlung wirksamen Gesamtfläche der Schattenmaske kann vorteilhaft zwischen 20% und 60% liegen, besonders vorteilhaft zwischen 25% und 50%. Die wirksame Gesamtfläche der Schattenmaske ist beispielsweise in einer Ebene senkrecht zur mittleren Strahlrichtung angeordnet. Beispielsweise kann der Anteil etwa 50% getragen, insbesondere können die höchstens schwach absorbierenden und die stark absorbierenden Bereiche gleich groß und gleich häufig sein. Dies ist jedoch nicht notwendig. Insbesondere kann mit niedrigeren Anteilen an höchstens schwach absorbierenden Bereichen gewissermaßen ein noch schärferes Muster erzeugt werden, dass bei gleicher Ortsfrequenz noch engere Bereiche mit hoher Strahlungsintensität bei der Projektion auf den Detektor erzeugt. Dies kann zu einer verbesserten Darstellung des übergeordneten Moiré-Musters und somit der Brechungsindexvariationen beitragen.
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Die Schattenmaske kann ein Material aufweisen, das ein Metall und/oder eine metallische Legierung umfasst. Insbesondere für die Röntgenbildgebung ist die Verwendung von Metalle enthaltenden Masken vorteilhaft, da Metalle einen hohen Schwächungskoeffizienten für Röntgenstrahlung aufweisen. Besonders vorteilhaft kann die Schattenmaske Gold, Blei und/oder Wolfram enthalten. Sie kann vorteilhaft in Strahlrichtung wenigstens 100 µm, besonders vorteilhaft wenigstens 200 µm dick sein. Bei der Verwendung von Strahlung im sichtbaren Bereich können vorteilhaft optisch intransparente Materialien, besonders vorteilhaft schwarze Materialien zum Einsatz kommen.
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Das regelmäßige Muster der Schattenmaske kann aus Rechtecken zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann das Muster im Wesentlichen schachbrettartig ausgeführt sein. Es kann jedoch auch als ein zweidimensionales, wechselndes Muster aus stark absorbierenden und höchstens schwach absorbierenden Rechtecken ausgeführt sein, bei dem beispielsweise die höchstens schwach absorbierenden Rechtecke etwas kleiner sind als ihr Abstand voneinander. Alternativ kann auch eine regelmäßige Anordnung von Quadraten und/oder Rechtecken vorliegen, bei der beispielsweise nur jeder vierte Quadrant durchlässig oder schwach absorbierend ist. Ein solches Muster der Schattenmaske kann beispielsweise effektiv durch Hintereinanderschalten von zwei zueinander senkrechten Streifenmasken erzielt werden.
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Das regelmäßige Muster der Schattenmaske kann eine dreizählige und/oder sechszählige Symmetrie aufweisen. Beispielsweise kann das Muster der Schattenmaske eine hexagonale Symmetrie aufweisen. Ein solches wabenartiges Muster ist besonders geeignet, um regelmäßige Schattenmasken mit hoher Genauigkeit und hoher Röntgenabsorption auf einfache Weise zu fertigen. Beispielsweise können durch Walzen und Stanzen von Bleiblechen solche wabenartigen Masken hergestellt werden.
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Die Schattenmaske kann auch aus einem massiven Körper durch Entfernen von Material in regelmäßigen Abständen erzeugt werden. Beispielsweise können kreiszylindrische Löcher oder Löcher mit rechteckiger oder hexagonaler Grundfläche erzeugt werden. Die Löcher können beispielsweise durch Ätzen erzeugt werden. Alternativ kann die regelmäßige Struktur der Schattenmaske auch durch dreidimensionale Druckverfahren, Stereolithographie, Lasersintern und/oder Spritzgussverfahren hergestellt werden. Es können also zylinderförmige Ausnehmungen vorgesehen sein. Die Basisfläche der Zylinder kann beispielsweise eine rechteckige, hexagonale oder kreisförmige Form aufweisen.
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Die Schattenmaske kann ein sich regelmäßig wiederholendes Muster aus unregelmäßig ausgebildeten Teilmustern aufweisen. Unter unregelmäßig ist hier zumindest zu verstehen, dass das Teilmuster nicht dieselbe Symmetrie wie das regelmäßige Gesamtmuster aufweist. Es kann ein Muster ganz ohne Symmetrie sein, oder es kann eine andere Symmetrie als das übergeordnete Muster aufweisen. Beispielsweise kann es ein komplexes Teilmuster sein, dass sich als eine Art Stempel immer wieder wiederholt und so dem vom Detektor gemessenen Moiré-Muster eine charakteristische Signatur aufprägt. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das resultierende Bild einen hohen Anteil an niedrigen Ortsfrequenzen enthält, und dass kleinere Variationen im Brechungsindex besonders empfindlich detektiert werden können. Hierzu wird allerdings im Rahmen einer mathematischen Nachbearbeitung eine Entfaltung der Maskenfunktion aus der gemessenen Abbildung benötigt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens zur Bildgebung gehen aus den von Anspruch 13 abhängigen Ansprüchen hervor.
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So kann bei dem Verfahren aus der Verteilung der von den einzelnen Detektorelementen gemessenen Strahlungsintensitäten eine Verteilung von Brechungsindices des Objekts über verschiedene Winkelbereiche der Projektion berechnet werden. Hierzu kann beispielsweise ein Vergleich der mit und ohne Objekt gemessenen Abbildungen der Schattenmaske durchgeführt werden. Zur Berechnung der Brechungsindexverteilung können Differenzen zwischen diesen verschiedenen Bildern gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich können Fourier-Transformationen der gemessenen Bilder berechnet werden. Die Bilder können dann beispielsweise im Ortsfrequenzraum miteinander verglichen und/oder verrechnet. Sie können mit anderen Funktionen gefaltet und/oder entfaltet werden. Die im Ortsfrequenzraum erhaltenen Spektren können nach der Bearbeitung wieder in den Bildraum zurück transformiert werden. Zusätzlich zu der Verteilung der Brechungsindices des Objekts kann auch eine Bestimmung der Verteilung der Absorptionskoeffizienten erfolgen.
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Bei der Berechnung der Verteilung der Brechungsindices kann vorteilhaft eine Entfaltung der Struktur der Schattenmaske und/oder der Projektion der Schattenmaske aus der gemessenen Intensitätsverteilung durchgeführt werden. Dies ist vor allem dann zweckmäßig, wenn die Schattenmaske ein sich regelmäßig wiederholendes Muster aus unregelmäßig ausgebildeten Teilmustern aufweist. Auf diese Weise kann die dem Moiré-Muster aufgeprägte Signatur dieses Teilmusters aus dem Bild heraus gerechnet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen:
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1 einen schematischen Querschnitt eines bildgebenden Systems nach einem ersten Ausführungsbeispiel ohne ein zu untersuchendes Objekt zeigt,
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2 einen schematischen Querschnitt desselben bildgebenden Systems mit einem zu untersuchenden Objekt zeigt,
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3 einen Ausschnitt aus dem bildgebenden System im Bereich des Strahlungsdetektors zeigt,
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4 eine schematische Darstellung des entstehenden Moiré-Musters zeigt,
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5 eine Schattenmaske nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
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6 eine Schattenmaske nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
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7 eine Schattenmaske nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt und
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8 eine Schattenmaske nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines bildgebenden Systems 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist der Strahlengang der Strahlung 5 von der Strahlungsquelle 3 durch die Schattenmaske 15 und den Bildgebungsbereich 11 hin zum Strahlungsdetektor 13. Die Strahlungsquelle 5 ist in diesem Beispiel eine Röntgenquelle mit einem kleinen Brennfleck 7, der einen nahezu punktförmigen Ausgangspunkt für die sich kegelförmig von der Quelle 5 aus ausbreitende Röntgenstrahlung 5 bildet. Die Schattenmaske 15 ist hier eine ebene Maske, die sich im Wesentlichen senkrecht zur mittleren Strahlungsrichtung 9 erstreckt. Die Schattenmaske 15 weist ein regelmäßiges zweidimensionales Muster auf. In der 1 gezeigten Schnittebene wechseln durchlässige Bereiche mit stark absorbierenden Bereichen periodisch ab. Durch die durchlässigen Bereiche tritt eine Mehrzahl von Strahlungsbündeln 15i, von denen in der Figur exemplarisch nur vier gezeigt sind. In Wirklichkeit weist die Schattenmaske 15 jedoch in jeder Raumrichtung eine Vielzahl von durchlässigen Bereichen auf, so dass auch eine Vielzahl von Strahlungsbündeln 15i gebildet wird. Beispielsweise können in einer solchen beispielhaften Schnittebene einige Tausend solcher Strahlungsbündel 15i liegen. Die Strahlungsbündel breiten sich nach der Schattenmaske weiter aus und treffen nach Durchtritt des Bildgebungsbereichs 11 auf den Strahlungsdetektor 13. In 1 ist der Fall einer Referenzmessung ohne abzubildendes Objekt 12 dargestellt. In diesem Fall entsteht in der Ebene des Strahlungsdetektors 13 eine regelmäßige, unverzerrte Projektion 25, die in diesem Beispiel eine vergrößerte Abbildung des Musters der Schattenmaske 15 darstellt. Der Strahlungsdetektor 13 weist eine Mehrzahl von Detektorelementen 13i auf, wobei auch diese hier nur exemplarisch durch eine geringe Anzahl wiedergegeben sind. In realen Ausführungsbeispielen wird der Detektor 13 eine Vielzahl von solchen Detektorelementen 13i aufweisen, auch hier beispielsweise einige Tausend in jeder Raumrichtung der Detektorebene. Das Abstandsraster der Detektorelemente 13i ist ähnlich, aber nicht genau gleich dem halben Abstandsraster der abgeschatteten und bestrahlten Bereiche der Projektion 25, so dass in der von den Detektorelementen gemessenen Intensitätsverteilung ein Schwebungsmuster entsteht. Für ein solches Schwebungsmuster ist jedoch eine größere Anzahl als die in der schematisierten Darstellung gezeigte Anzahl an Strahlungsbündeln 15i und Detektorelementen 13i erforderlich.
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2 zeigt einen entsprechenden schematischen Querschnitt desselben bildgebenden Systems 1 mit einem zu untersuchenden Objekt 12 im Bildgebungsbereich 11. Das bildgebende System 1 kann zusätzlich eine hier nicht gezeigte Anordnung zur Halterung eines zu untersuchenden Objekts 12 umfassen. Dies kann beispielsweise eine Patentenliege oder eine Einrichtung zur Aufnahme eines Körperteils sein. Für Anwendungen in der Mammographie besteht die Halterung typischerweise aus zwei Platten zur Fixierung und Kompression der weiblichen Brust.
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Bei Durchtritt durch das zu untersuchende Objekt 12 wird die Röntgenstrahlung 5 sowohl durch Absorption in ihrer Amplitude geschwächt, als auch durch Brechungsindexunterschiede in der Richtung der einzelnen Strahlungsbündel 15i verzerrt. Diese Verzerrung bewirkt eine leichte Verzerrung im Muster der auf dem Strahlungsdetektor 13 auftreffenden Projektion 25‘. Diese Verzerrung der Projektion 25‘ kann durch die beiden nicht ganz miteinander übereinstimmenden Raster des projizierten Musters 25‘ und der Detektoranordnung 13 und durch die entstehenden Schwebungseffekte leichter sichtbar gemacht werden.
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In 3 ist ein Ausschnitt des bildgebenden Systems 1 in dem Bereich gezeigt, in dem die Strahlungsbünden 15i auf den Strahlungsdetektor 13 auftreffen. In diesem Beispiel ist kein Objekt 12 im Strahlengang positioniert, und die Strahlenbündel bilden eine unverzerrte Projektion 25 auf dem Detektor 13 ab. Die leichte Fehlanpassung der beiden Raster ist in diesem Beispiel so ausgeführt, dass die räumliche Wiederholungslänge 26 der unverzerrten Projektion 25 etwa 10% größer ist als das Zweifache der räumlichen Wiederholungslänge 14 der Detektoranordnung 13. Durch diese leichte Fehlanpassung entsteht die rechts von den einzelnen Detektorelementen 13i angegebene Verteilung der relativen Intensitäten. Dieses Intensitätsmuster entsteht als Moiré-Muster oder räumliches Schwebungsmuster aus den beiden zueinander nicht angepassten Rastern mit ähnlicher Größenskala. Ein Einbringen eines Objekts 12 in den Strahlengang bewirkt nun eine charakteristische Verzerrung dieses Schwebungsmusters.
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In 4 ist die Ausbildung des Schwebungsmusters 30 noch etwas deutlicher für eine größere Anzahl an Detektorelementen 13i gezeigt. Das Raster der Projektion 31 ist hier schematisch als regelmäßiges Balkenraster aus hellen und dunklen Bereichen wiedergegeben. Auch das Raster des Detektors 32 ist hier stark vereinfacht als regelmäßiges Balkenraster wiedergegeben, wobei hier jeder Balken und jede Lücke zwischen zwei Balken als Detektorelement 13i verstanden werden soll. In dieser teilweise überlappenden Balkendarstellung ist die Ausbildung eines Schwebungsmusters schon mit dem Auge gut zu erkennen. In der darüber gezeigten Kurve ist das entstehende Moiré-Muster 30 als schematische Intensitätsverteilung wiedergegeben, die dem Verlauf der von den einzelnen Detektorelementen 13i gemessenen Intensitäten überlagert ist. Die Wiederholungslänge 29 des Schwebungsmusters 30 ist dabei ein Mehrfaches der Wiederholungslängen der beiden zugrundeliegenden Raster 31 und 32. In Ortsfrequenzen ausgedrückt, ergibt sich die Ortsfrequenz der Schwebung als Betrag der Differenz der Ortsfrequenzen der beiden zugrundeliegenden kleineren Raster 31 und 32. Die Ortsfrequenz ist dabei jeweils der Kehrwehrt der jeweiligen räumlichen Wiederholungslänge 14, 16 oder 29.
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Eine leichte Verzerrung im Muster der Projektion 25‘, die mit einem im Strahlengang befindlichen Objekt 12 gemessen wird, wird durch den Moiré-Effekt nun besonders empfindlich sichtbar gemacht. Die sehr kleinen Brechungsindexunterschiede, die bei den meisten Objekten 12 im Bereich der Röntgenstrahlung vorliegen, können durch die Verzerrung des vergrößerten Schwebungsmusters besonders gut sichtbar gemacht werden. Allerdings wird diese höhere Empfindlichkeit durch eine niedrigere räumliche Auflösung erkauft, denn die Ortsauflösung für die gemessenen Brechungsindexunterschiede entspricht in etwa der Wiederholungslänge 29 des Schwebungsmusters 30. Schon hieraus ist ersichtlich, dass die in den 1 und 2 gezeigten Anzahlen an Strahlenbündeln 15i und Detektorelementen 13i nur stellvertretend für wesentlich größere Anzahlen von Elementen zu verstehen ist.
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5 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Schattenmaske 15, die in dem bildgebenden System nach 1 Verwendung findet. Gezeigt ist ein beispielhafter Ausschnitt einer räumlich ausgedehnten regelmäßigen Anordnung. In diesem Beispiel ist die Schattenmaske 15 als schachbrettartiges Muster aus stark absorbierenden Bereichen 15b und schwach absorbierenden Bereichen 15a ausgeführt. Die schwach absorbierenden Bereiche 15a können auch als nicht absorbierende Bereiche verstanden werden. Sie können also als völlig materialfreie Bereiche ausgebildet sein, durch die die Strahlung 5 ungehindert hindurchtreten kann. Die stark absorbierenden Bereiche 15b sind für das bildgebende System 1 aus 1 aus stark röntgenabsorbierendem Material ausgebildet, beispielsweise können sie Gold, Wolfram und/oder Blei enthalten. Die Schichtdicke der Schattenmaske in Strahlungsrichtung ist so hoch gewählt, dass beispielsweise mindestens 50% der Strahlung absorbiert wird. Die Fertigung und/oder die mechanische Stabilität einer solchen schachbrettartigen Schattenmaske kann verbessert werden, wenn die schwach absorbierenden Bereiche 15a nicht völlig leer sind, sondern wenn sie wenigstens teilweise mit einem schwach absorbierenden Material gefüllt sind.
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6 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Schattenmaske 15. Auch in diesem Beispiel ist der Wechsel der stark absorbierenden Bereiche 15b und der schwach absorbierenden Bereiche 15a eine schachbrettähnliche Anordnung von Rechtecken. Die schwach absorbierenden Bereiche 15a sind in diesem Beispiel jedoch kleiner ausgeführt, so dass sie insgesamt weniger als 50% der für den Strahlungsdurchtritt wirksamen Fläche bedecken. Dies kann die Herstellung und/oder mechanische Stabilität einer Schattenmaske erleichtern, bei der in den schwach absorbierenden Bereichen 15a gar keine Materie vorhanden ist.
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7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Schattenmaske 15, bei der eine Vielzahl von sechseckigen Löchern 15a in einem hexagonalen Mustern angeordnet ist. Eine solche Anordnung kann beispielsweise relativ einfach aus einem Stapel aus geformten Bleiblechen erhalten werden. Alternativ kann auch ein massiver Körper aus einem stark absorbierenden Material mit Löchern versehen werden. Dies können beispielsweise auch kreiszylindrische Löcher sein.
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8 zeigt einen Ausschnitt aus einer Schattenmaske 15 nach einem vierten Ausführungsbeispiel. In diesem Beispiel ist die Schattenmaske 15 durch eine in Strahlungsrichtung 9 hintereinandergeschaltete Anordnung aus zwei zueinander senkrechten, jeweils eindimensionalen Linienrastern gebildet. Solche eindimensionalen Linienraster sind beispielsweise als Stapel nebeneinander angeordneter Metallplatten auf einfache Weise herzustellen. Die Metallplatten können dabei jeweils von einem Träger aus schwach strahlungsabsorbierenden Material gehalten werden. Wenn für jedes eindimensionale Raster ein Abschattungsanteil von 50% gewählt wird, ergibt sich für das überlagerte Raster ein Abschattungsanteil von 75%. Die zugrundeliegenden eindimensionalen Raster können aber alternativ auch dichter oder durchlässiger gewählt werden, um eine vorgegebene Durchlässigkeit des übergeordneten Rasters zu erreichen.
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Bei der Verwendung von Röntgenstrahlung kann die Schattenmaske 15 beispielsweise zwischen 100 µm und einigen mm dick sein, um einen Großteil der energiereichen Strahlung 5 zu absorbieren. Die schwach absorbierenden Bereiche 15b können dann beispielsweise als Schar zueinander parallel verlaufender Ausnehmungen in einem stark absorbierenden Körper ausgebildet sein. Sie können alternativ auch als Schar von leicht gewinkelten Ausnehmungen ausgebildet sein, die insgesamt auf den Fokus der Strahlung 5, also beispielsweise auf den Brennfleck 7 der Röntgenquelle ausgerichtet sind.