Die Erfindung betrifft ein Fokus/Detektor-System (F1, D) einer Röntgenapparatur (1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, mindestens bestehend aus einer Strahlenquelle (2) mit einem Fokus (F1) und einem fokusseitigen Quellengitter (G0), welches im Strahlengang angeordnet ist und ein Feld von strahlweise kohärenten Röntgenstrahlen erzeugt, und einer Detektoranordnung mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Gitter/Detektor-Modulen (GDx), welche jeweils in Strahlrichtung hintereinander angeordnet aufweisen: - mindestens ein Phasengitter (G1x) zur Erzeugung eines ersten Interferenzmusters, - ein Analysengitter (G2x) zur Erzeugung eines weiteren Interferenzmusters - und flächig angeordnete Detektorelemente (Dx), - wobei die einzelnen Gitterlinien aller Gitter (G0, G1, G2) parallel zueinander ausgerichtet sind. Außerdem betrifft die Erfindung auch die Verwendung dieses Fokus/Detektor-Systems in einem Röntgensystem zur Erzeugung projektiver Aufnahmen, einem C-Bogengerät und einem CT-System.
Beschreibung[de]
Die Erfindung betrifft ein Fokus/Detektor-System einer Röntgenapparatur
zur Erzeugung projektiver und tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, bestehend
aus einer Strahlenquelle mit einem Fokus, einer Detektoranordnung zur Detektion
der Röntgenstrahlung und einem Satz röntgenoptischer Gitter, zur Bestimmung
der Phasenverschiebung beim Durchtritt der Röntgenstrahlung durch ein Untersuchungsobjekt.
In der Computertomographie werden allgemein tomographische Aufnahmen
eines Untersuchungsobjektes, insbesondere eines Patienten, mit Hilfe von Absorptionsmessungen
von Röntgenstrahlen, die das Untersuchungsobjekt durchdringen, vorgenommen,
wobei in der Regel eine Strahlungsquelle kreisförmig oder spiralförmig
um das Untersuchungsobjekt bewegt wird und auf der, der Strahlungsquelle gegenüberliegenden
Seite ein Detektor, meistens ein mehrzeiliger Detektor mit einer Vielzahl von Detektorelementen,
die Absorption der Strahlung beim Durchtritt durch das Untersuchungsobjekt misst.
Zur tomographischen Bilderstellung werden aus den gemessenen Absorptionsdaten aller
gemessenen räumlichen Strahlen tomographische Schnittbilder oder Volumendaten
rekonstruiert. Mit diesen computertomographischen Aufnahmen lassen sich sehr schön
Absorptionsunterschiede in Objekten darstellen, allerdings werden Gebiete ähnlicher
chemischer Zusammensetzung, die naturgemäß auch ein ähnliches Absorptionsverhalten
aufweisen, nur ungenügend detailliert dargestellt.
Es ist weiterhin bekannt, dass der Effekt der Phasenverschiebung beim
Durchtritt eines Strahls durch ein Untersuchungsobjekt wesentlich stärker ist
als der Absorptionseffekt der von der Strahlung durchdrungenen Materie. Derartige
Phasenverschiebungen werden bekannter weise durch die Verwendung von zwei interferometrischen
Gittern gemessen. Bezüglich dieser interferometrischen Messmethoden wird beispielsweise
auf „X-ray phase imaging with a grating interferometer, T. Weitkamp at all,
8. August 2005/Vol. 12, No. 16/OPTICS EXPRESS" hingewiesen. Bei dieser Methode wird
ein Untersuchungsobjekt von einer kohärenten Röntgenstrahlung durchstrahlt,
anschließend durch ein Gitterpaar geführt und unmittelbar nach dem zweiten
Gitter die Strahlungsintensität gemessen. Das erste Gitter erzeugt ein Interferenzmuster,
das mit Hilfe des zweiten Gitters auf dem dahinterliegenden Detektor ein Moiré-Muster
abbildet. Wird das zweite Gitter geringfügig verschoben, so ergibt sich hieraus
ebenfalls eine Verschiebung des Moiré-Musters, also eine Änderung der
örtlichen Intensität im dahinterliegenden Detektor, welche relativ zur
Verschiebung des zweiten Gitters bestimmt werden kann. Trägt man für jedes
Detektorelement dieses Gitters, das heißt für jeden Strahl, die Intensitätsänderung
in Abhängigkeit vom Verschiebungsweg des zweiten Gitters auf, so lässt
sich die Phasenverschiebung des jeweiligen Strahls bestimmen. Problematisch, und
daher für die Praxis der Computertomographie größerer Objekte nicht
anwendbar, ist, dass dieses Verfahren eine sehr kleine Strahlungsquelle fordert,
da zur Ausbildung des Interferenzmusters eine kohärente Strahlung notwendig
ist.
Das in der oben genannten Schrift gezeigte Verfahren erfordert entweder
eine Strahlungsquelle mit einem extrem kleinen Fokus, so dass ein ausreichender
Grad an räumlicher Kohärenz in der verwendeten Strahlung vorliegt. Bei
der Verwendung eines derart kleinen Fokus ist dann jedoch wiederum die zur Untersuchung
eines größeren Objektes ausreichende Dosisleistung nicht gegeben. Es besteht
aber auch die Möglichkeit, eine monochrom kohärente Strahlung, beispielsweise
eine Synchrotron-Strahlung als Strahlenquelle zu verwenden, hierdurch wird jedoch
das CT-System im Aufbau sehr teuer, so dass eine breitgefächerte Anwendung
nicht möglich ist.
Dieses Problem lässt sich dadurch umgehen, dass innerhalb der
Fokus-/Detektorkombination im Strahlengang, unmittelbar im Anschluss an den Fokus,
ein erstes Absorptionsgitter angeordnet wird. Die Ausrichtung der Gitterlinien ist
hierbei parallel zu den Gitterlinien des nach dem Untersuchungsobjekt folgenden
Interferenz-Gitters.
Die Schlitze des ersten Gitters erzeugen ein Feld von individuell
kohärenten Strahlen einer bestimmten Energie, welches ausreicht, um mit Hilfe
des in Strahlrichtung hinter dem Objekt angeordneten Phasengitters das an sich bekannte
Interferenzmuster zu erzeugen.
Auf diese Weise ist es möglich, Strahlenquellen zu verwenden,
die Ausdehnungen besitzen, die normalen Röntgenröhren in CT-Systemen beziehungsweise
Durchlicht-Röntgen-Systemen entsprechen, so dass zum Beispiel im Bereich der
allgemeinen medizinischen Diagnostik nun mit Hilfe von Röntgen-Geräten
auch gut differenzierte Weichteilaufnahmen gemacht werden können.
Es hat sich bei der Realisierung einer solchen Röntgenvorrichtung
zur Messung der Phasenverschiebung an großen Objekten, wie beispielsweise einem
Patienten, gezeigt, dass ein grundsätzliches Problem darin besteht, ausreichend
große Phasen- und Analysengitter herzustellen, so dass die bei solchen Untersuchungen
notwendigen großen Detektoren hierdurch abgedeckt werden können. Ein weiteres
Problem besteht darin, dass die erforderlichen Mechaniken zur Verschiebung der Analysengitter,
insbesondere bei der Verwendung in einem Computertomographen, bei dem der Detektor
mit hoher Geschwindigkeit rotiert, schwierig handelbar ist, so
dass bei zu großen röntgenoptischen Gittern alleine aus der Instabilität
des Gitters selbst so große Bewegungen entstehen können, dass diese zu
starken Fehlern bei der Aufnahme der Phasenverschiebung führen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Fokus/Detektor-System für eine
Röntgenapparatur zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen
zu finden, welches es ermöglicht, mit röntgenoptischen Gittern geringerer
Größe auszukommen und gleichzeitig auch geringere Ansprüche an die
mechanische Stabilität der Gitter stellt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter
Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, das Fokus/Detektor-System
derart modular aufzubauen, dass im Strahlengang des Fokus einerseits ein einziges
Quellengitter zur Erzeugung der quasi-kohärenten Strahlung verwendet wird,
wobei auf der Detektorseite ein modular aufgebauter Satz an Phasen- und Analysengitter
verwendet wird, wobei jedes einzelne Gitter eine Größe aufweist, die problemlos
über eine normale Waferproduktion herstellbar ist. In der Regel handelt es
sich hierbei um Wafergrößen von etwa 5 × 5 cm2 beziehungsweise
ähnlich ausgebildete Wafer in der Größenordnung von 15 × 2 cm2.
Unter Verwendung solcher kompakter Gitter ist es möglich, einzelne Module aufzubauen,
die aus einem fokusseitigen Phasengitter, einem danach folgenden Analysengitter
und einem direkt hinter dem Analysengitter angeordneten Teildetektor besteht, der
in sich wiederum aus einer Vielzahl von einzelnen Detektorelementen besteht.
Je nach Aufbau der Gitter/Detektor-Module ist es dann möglich,
zur Messung der Phasenverschiebung eines das Untersuchungsobjekt durchlaufenden
Strahls, das Analysengitter dieses Moduls individuell zu verschieben. Es besteht
jedoch auch die Möglichkeit, für eine Reihe von Detektormodulen einen
gemeinsamen Antrieb für die dort angeordneten Analysengitter vorzusehen. Es
wird allerdings darauf hingewiesen, dass der Antrieb nicht unbedingte Voraussetzung
für ein erfindungsgemäßes Gitter/Detektor-Modul ist, da bei ausreichend
örtlich auflösenden Detektoren, die Verschiebung des Analysengitters zur
Messung der Phasenverschiebung nicht unbedingt notwendig ist.
Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung, schlagen die Erfinder
ein Fokus/Detektor-System einer Röntgenapparatur zur Erzeugung von projektiven
oder tomographischen Phasenkontrastaufnahmen vor, welches mindestens aus folgenden
Elementen besteht:
– einer Strahlenquelle mit einem Fokus und einem fokusseitigen Quellengitter,
welches im Strahlengang angeordnet ist und ein Feld von strahlweise kohärenten
Röntgenstrahlen erzeugt,
– und einer Detektoranordnung mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten
Detektormodulen, welche jeweils in Strahlrichtung hintereinander angeordnet aufweisen:
– mindestens ein Phasengitter, zur Erzeugung eines ersten Interferenzmusters,
– ein Analysengitter, zur Erzeugung eines weiteren Interferenzmusters,
– und flächig angeordnete Detektorelemente,
– wobei die einzelnen Gitterlinien aller Gitter parallel zueinander ausgerichtet
sind.
Wie oben beschrieben ermöglicht ein derartiger Aufbau eines Fokus/Detektor-Systems
die Verwendung von relativ kleinen röntgenoptischen Gittern, die problemlos
über eine gängige Waferproduktion herstellbar sind.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Modulvarianten
unterschiedlich auszuführen, so können beispielsweise die durch die Gitterlinien
gebildeten Gitterflächen der Phasen- und Analysengitter der Module parallel
zueinander ausgerichtet werden, oder es besteht die Möglichkeit, die Gitterflächen
jeweils senkrecht zu einem Strahl auszurichten, der vom Fokus zum Detektormodul
verläuft und die Gitterflächen schneidet.
In der erstgenannten Variante entsteht auf diese Weise eine gemeinsame
Gitterfläche, sowohl für das Phasengitter als auch für das nachfolgende
Analysengitter, gegebenenfalls auch für das danach folgende Detektorarray.
Vorteilhaft kann eine derartige Ausführung insbesondere bei der Verwendung
mit C-Bogen-Systemen oder bei der Verwendung in Röntgen-Systemen zur Erstellung
von projektiven Aufnahmen sein. Ein Problem kann hierbei darin bestehen, dass nicht
alle Module eines größeren Detektorsystems identisch ausgebildet sein
können. Das heißt, es ist zwar möglich identische Gittersysteme zu
verwenden, jedoch ist es notwendig, die einzelnen Gitter in unterschiedlich ausgestaltete
Gehäuse „zu verpacken".
Die andere, zweitgenannte Variante erzeugt die Möglichkeit, dass
beispielsweise bei einem CT-Detektor die einzelnen Gitterebenen tangential an einer
Kugel oder Zylinderfläche um den Fokus angeordnet werden. Beispielsweise kann
die Anordnung so erfolgen, dass der Strahl der die Gitterflächen jeweils senkrecht
schneidet, der jeweilige Mittelstrahl ist, der die Gitterflächen in deren jeweiligem
Mittelpunkt schneidet.
Gemäß einer weiteren Variante der Anordnung,
können die Gitter/Detektor-Module so angeordnet sein, dass die Mittelpunkte
aller Phasengitterflächen den gleichen Abstand zum Fokus aufweisen. Das heißt
die Gitter/Detektor-Module werden also über ein bestimmtes Segment hinweg sphärisch
um den Fokus angeordnet. Vorteilhaft kann hierbei eine Ausbildung sein, bei der
die Mittelpunkte aller Phasengitterflächen und/oder die Mittelpunkte aller
Analysengitterflächen und/oder die Mittelpunkte aller Detektorflächen
der einzelnen Module den gleichen Abstand zum Fokus aufweisen. Bei diesen Varianten
wird jeweils davon ausgegangen, dass die Gitterflächen in sich eben ausgebildet
sind. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Phasengitterflächen
und/oder die Analysengitterflächen und/oder die Detektorflächen der einzelnen
Gitter/Detektor-Module entsprechend einem Kugeloberflächensegment mit dem Fokus
als Mittelpunkt ausgebildet werden.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Fokus/Detektor-Systems
kann vorsehen, dass mindestens eine Vorrichtung zur Relativverschiebung mindestens
eines Analysengitters gegenüber den Phasengittern senkrecht zur Strahlenrichtung
und senkrecht zur Längsrichtung der Gitterlinien vorgesehen ist, die auf mindestens
zwei Analysengitter mindestens zweier Gitter/Detektor-Module wirkt. Das bedeutet
also, dass im Fokus/Detektor-System eine Antriebsvorrichtung oder Verstellvorrichtung
vorliegt, die wenigstens zwei Analysengitter unterschiedlicher Detektormodule antreibt.
Beispielsweise kann eine derartige Ausführung verwendet werden, wenn mehrere
Analysengitter auf dem gleichen Radius beziehungsweise auf der gleichen Ebene angeordnet
sind, so dass das Verschieben eines Analysengitters gleichzeitig mit dem Versatz
der anderen auf dieser Ebene oder Sphäre angeordneten Analysengitter anher
geht.
Eine andere Variante kann vorsehen, dass je Gitter/Detektor-Modul
eine eigene Antriebsvorrichtung für das Analysengitter vorgesehen ist, so dass
diese Antriebsvorrichtung auch nur dieses Analysengitter bewegt. Bezüglich
der Antriebsvorrichtung kann neben elektromotorischen Antriebsvorrichtungen auch
beispielsweise ein Piezoelement verwendet werden, welches einerseits sehr exakte
Verschiebungswege erlaubt und auf der anderen Seite auch nur wenig anfällig
gegen die hohen Zentrifugalkräfte, die in einem CT-Detektor wirken, ist.
Betrachtet man die Anordnung der einzelnen Gitter/Detektor-Module
im Fokus/Detektor-System, so können diese beispielsweise schachbrettartig angeordnet
werden. Dies wird eine bevorzugte Variante für Fokus/Detektor-Systeme sein,
die für ein C-Bogen-System verwendet würden oder für die Verwendung
in Röntgen-Systemen zur Erzeugung projektiver Aufnahmen.
Besonders bevorzugt für CT-Systeme mit Detektoren, die in einer
Gantry eingebaut werden, ist eine Anordnung, bei der die einzelnen Gitter/Detektor-Module
in der Projektion vom Fokus aus gesehen eine einzige Zeile bilden. Derartige Detektormodule
haben dann keine quadratische oder annähernd quadratische Ausbildung, sondern
werden eher in z-Richtung des CT-Systems ausgerichtet sein, so dass der Detektor,
der aufgrund der vielzeilig nebeneinander angeordneten Detektorelemente auch als
Mehrzeilen- oder Vielzeilendetektor ausgebildet ist, jedoch nur eine einzige Zeile
an Detektormodulen aufweist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere
Aufbaumöglichkeiten im Rahmen der Erfindung liegen.
Erfindungsgemäß sollten die Gitter/Detektor-Module derart
ausgebildet und angeordnet sein, dass jedes Gitter/Detektor-Modul und dessen Gitteranordnung
– insbesondere auch in Verbindung mit dem Quellengitter auf der Seite des
Fokus – den folgenden geometrischen Bedingungen genügt:
Hierbei bedeuten:
po
= Gitterperiode des Quellengitters G0,
p1
= Gitterperiode des Phasengitters G1,
p2
= Gitterperiode des Analysengitters G2,
d
= Abstand des Phasengitters G1 zum Analysengitter G2 in
Fächerstrahlgeometrie,
d≡
= Abstand des Phasengitters G1 zum Analysengitter G2 unter
Parallelgeometrie,
l
= Abstand des Quellengitters G0 zum Phasengitter G1,
&lgr;
= ausgewählte Wellenlänge der Strahlung,
h1
= Steghöhe des Phasengitters G1 in Strahlrichtung,
n
= Brechungsindex des Gittermaterials des Phasengitters.
Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung schlagen die Erfinder
vor, dass die oben beschriebenen Fokus/Detektor-Systeme beispielsweise in einem
Röntgen-System zur Erzeugung projektiver Phasenkontrastaufnahmen mit mindestens
einem Fokus/Detektor-System verwendet werden.
Außerdem können derartige Fokus/Detektor-Systeme
in C-Bogen-Systemen genutzt werden, die zur Erzeugung projektiver und tomographischer
Phasenkontrastaufnahmen verwendet werden können.
Des Weiteren und insbesondere bevorzugt schlagen die Erfinder vor,
die beschriebenen Fokus/Detektor-Systeme in Röntgen-CT-Systemen zur Erzeugung
tomographischer Phasenkontrastaufnahmen einzusetzen, wobei diese Röntgen-CT-Systeme
mindestens ein Fokus/Detektor-System, in der zuvor beschriebenen Art, oder auch
mehrere Fokus/Detektor-Systeme besitzen können, die jeweils auf einer rotierbaren
Gantry angeordnet sind. Werden mehrere Fokus/Detektor-Systeme verwendet, so können
diese sowohl winkelversetzt als auch in Richtung der Systemachse des CT-Systems
versetzt angeordnet werden. Kombinationen hierzu liegen ebenfalls im Rahmen der
Erfindung.
Zum Rahmen der Erfindung zählt auch ein Verfahren zur Erzeugung
tomographischer Aufnahmen von einem Untersuchungsobjekt, vorzugsweise einem Patienten,
wobei zumindest die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:
– das Untersuchungsobjekt wird mit mindestens einem modular aufgebauten
Fokus/Detektor-System der zuvor beschriebenen Art kreis- oder spiralförmig
abgetastet, wobei durch mindestens drei Intensitätsmessungen mit jeweils versetzt
angeordneten Analysengittern die Phasenverschiebung der Strahlen beim Durchtritt
durch das Objekt ermittelt werden,
– für Strahlen, die aufgrund des modularen Aufbaus des Detektors
nicht oder nicht genau gemessen werden können, wird die Phasenverschiebung
durch benachbarte Werte interpoliert,
– aus den gemessenen und den durch Interpolation ermittelten Phasenverschiebungen
der Strahlen werden tomographische Phasenkontrastaufnahmen rekonstruiert.
Auf diese Weise wird das Problem des modularen Aufbaus derartiger
Fokus/Detektor-Systeme kompensiert, wonach aufgrund der nicht beliebigen Packungsdichte
im Bereich der Stoßflächen der Detektormodule eine etwas ungleichmäßige
Abtastung stattfindet. Durch eine entsprechend Interpolation dieser nicht gemessenen
Werte kann ein entsprechender Ausgleich geschaffen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis
der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden
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: Piezoelement; 13: Federelement;
14: Wandung des Gitter/Detektor-Moduls; D: gesamter Detektor; Di:
Detektor eines Gitter/Detektor-Moduls; Dx: Detektormodul; d: Abstand
des Phasengitters G1 zum Analysengitter G2 in Fächerstrahlgeometrie;
d≡: Abstand des Phasengitters G1 zum Analysengitter
G2 unter Parallelgeometrie; F1: Fokus; G0: Quellengitter;
G1, G1i: Phasengitter; G2, G2i: Analysengitter;
GDx: Gitter/Detektor-Modul; h0: Steghöhe des Quellengitters;
h1: Steghöhe des Phasengitters; h2: Steghöhe des
Analysengitters; l: Abstand des Quellengitters G0 zum Phasengitter G1;
n: Brechungsindex des Gittermaterials des Phasengitters; P: Patient; po:
Gitterperiode des Quellengitters; p1: Gitterperiode des Phasengitters;
p2: Gitterperiode des Analysengitters; Prgx: Programme; S:
Systemachse; xG: Versatz des Analysengitters; &lgr;: Wellenlänge
der Röntgenstrahlen.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1: Schematische 3D-Darstellung eines Fokus/Detektor-Systems
mit Gittersatz zur Bestimmung von Phasenverschiebungen;
2: Schematische 3D-Darstellung eines Fokus/Detektor-Systems
mit drei Gitter/Detektor-Modulen;
3: Aufsicht auf einen CT-Detektor bestehend aus acht
Gitter/Detektor-Modulen;
4: Querschnitt senkrecht zur Systemachse auf die Gitter/Detektor-Module
des CT-Detektors aus 3;
5: Aufsicht auf einen Detektor zur Aufnahme von projektiven
Phasenkontrastaufnahmen bestehend aus 8 × 6 schachbrettartig zusammengesetzter
Gitter/Detektor-Module;
6: 3D-Darstellung eines Fokus/Detektor-Systems eines
C-Bogen-Systems mit ebenen Gittern und ebenem Detektor;
7: Schnitt durch ein Analysengitter mit Verschiebevorrichtung;
8: Röntgen-CT-System mit erfindungsgemäßen Fokus/Detektor-Systemen
in 3D-Ansicht.
Die 1 zeigt eine schematische 3D-Darstellung
eines Fokus/Detektor-Systems eines Röntgen-CT's mit einem im Strahlengang liegenden
Patienten P als Untersuchungsobjekt. Der Fokus F1 und der Detektor D
sind auf einer hier nicht näher dargestellten Gantry angeordnet und bewegen
sich kreisförmig um die Systemachse S. Wird zusätzlich während der
Rotation des Fokus/Detektor-Systems eine Linearbewegung des Patienten P in Systemachsenrichtung
durchgeführt, so entsteht eine an sich bekannte spiralförmige Abtastung
des Patienten P. Im Strahlengang des Fokus/Detektor-Systems sind drei röntgenoptische
Gitter G0, G1 und G2 angeordnet, wobei das erste
Gitter G0, welches auch Quellengitter genannt wird, in unmittelbarer
Nähe des Fokus F1 angebracht ist und von der Röntgenstrahlung
durchstrahlt wird. In Ausbreitungsrichtung der Röntgenstrahlung folgt danach
das eigentliche Untersuchungsobjekt oder der Patient P. Vor dem auf der anderen
Seite der Systemachse S liegenden Detektor D folgt zunächst das zweite Gitter
G1, genannt Phasengitter. Danach folgt in Strahlungsrichtung das dritte
Gitter G2, genannt Analysengitter, welches vorteilhaft unmittelbar vor
dem Detektor D angeordnet ist. Der Detektor D verfügt über mindestens
eine Zeile mit einer Vielzahl von Detektorelementen, vorzugsweise ist der Detektor
D als Mehrzeilen- oder Vielzeilendetektor aufgebaut, der mit einer Vielzahl von
parallel angeordneten Detektorzeilen mit jeweils einer Vielzahl von Detektorelementen
ausgestattet ist. Die Verbindungslinien zwischen dem Fokus F1 und den
einzelnen Detektorelementen repräsentieren bei der Abtastung jeweils einen
im Raum angeordneten Röntgenstrahl, dessen Intensitätsänderung durch
das jeweilige Detektorelement gemessen wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass im Fall von sogenannten C-Bogen-Geräten,
die auch unter die Klasse der hier erwähnten CT-Systeme fallen, der Detektor
D nicht, wie gezeigt, als Zylindersegment um den Fokus F1 ausgebildet
ist, sondern eine ebene Form aufweist. Bei projektiven Röntgen-Systemen, die
keine Bewegung um das Untersuchungsobjekt während der Abtastungen durchführen,
ist in der Regel der Detektor D ebenfalls eben ausgebildet.
Die Linienorientierung der Gitter G0 bis G2
ist so ausgebildet, dass die Gitterlinien aller drei Gitter parallel zueinander
verlaufen. Vorteilhaft aber nicht notwendig ist es, wenn diese Gitterlinien außerdem
parallel oder senkrecht zur Systemachse S orientiert sind. In den gezeigten Varianten
sind die Gitter G0 bis G2 eben ausgebildet und senkrecht zur
Mittellinie zwischen Fokus- und Detektormittelpunkt ausgerichtet.
Das erste Gitter G0 verfügt über eine Periode
p0 der Gitterlinie und einer Höhe h0 der Gitterstege.
Entsprechend sind auch die Gitter G1 und G2 mit einer Höhe
h1 beziehungsweise h2 und einer Periode p1 beziehungsweise
p2 ausgestattet. Zur Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es notwendig, dass der Abstand l zwischen dem Gitter G0 und dem G1
und der Abstand d zwischen dem Gitter G1 und dem G2 in einem
bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Es gilt hierbei
P0 = p2 × ld
Der Abstand des Detektors D1 mit seinen Detektorelementen
vom letzten Gitter G2 ist unerheblich. 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:
Hierbei bezeichnet n den Brechungsindex des Gittermaterials und &lgr;
die Wellenlängen der Röntgenstrahlen, bei der die Phasenverschiebung gemessen
werden soll. Vorteilhaft wird dieses Gitter auf eine Energie eingestellt, die einer
charakteristischen Linie im Röntgenspektrum der verwendeten Anode entspricht.
Die Höhe h2 des Analysengitters 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 Moiré-Muster zu schaffen.
Des weiteren gelten auch die folgenden geometrischen Beziehungen im
Gittersatz:
mit d≡ dem Abstand des Phasengitters G1 zum Analysengitter
G2 unter Annahme einer Parallelgeometrie, und dem Abstand d des Phasengitters
G1 zum Analysengitter G2 in Fächerstrahlgeometrie.
Wie aus dieser Darstellung ersichtlich wird, nehmen die Dimensionen
des Phasengitters G1 und des Analysengitters G2 Größen
an, die über die normale Produktion von Wafern kaum mehr darstellbar sind oder
zumindestens nicht mehr kostengünstig durchführbar ist. Im Sinne der Erfindung
wird daher vorgeschlagen, die Gitter G1 und G2 modular aufzuteilen.
Beispielsweise kann das geschehen, wie es in der 1
angedeutet ist, nämlich es können die Gitter G1 und G2
in Richtung der Systemachse unterteilt werden, so dass längliche Gitterelemente
entstehen, die dann allerdings modulweise im Fokus/Detektor-Element befestigt werden
müssen. In dieser schematischen Darstellung der 1
sind die einzelnen Phasen- und Analysengitter so angeordnet, dass die Summe aller
Phasengitter zusammen auf einer gemeinsamen Ebene liegen, während die Analysengitter
der Module ebenfalls eine gemeinsame Gitterebene bilden.
In der 2 ist eine andere Variante dargestellt.
Hier ist im gezeigten Fokus/Detektor-System – ähnlich wie in der
1 – ebenfalls ein einziges Quellengitter G0
gezeigt, jedoch besteht das Fokus/Detektor-System auf der Detektorseite aus drei
Gitter/Detektor-Modulen, wobei die Phasen- und Analysengitter und die Flächen
der Detektorelemente jedes Modul parallel zueinander ausgerichtet sind und alle
drei Gitter/Detektor-Module fächerartig zum Fokus F1 angeordnet
sind. Jedes einzelne Modul besteht aus einem Phasengitter G1x, einem
in Strahlenrichtung folgenden Analysengitter G2x, mit dem unmittelbar
danach folgenden Detektormodul Dx, wobei jedes einzelne Detektormodul
aus einer Vielzahl von schachbrettartig angeordneten Detektorelementen besteht,
die hier allerdings nicht gezeigt sind.
Wird ein derartiger Aufbau des Fokus/Detektor-Systems verfeinert,
so dass mehr Detektormodule verwendet werden, so ergibt sich in der Projektion vom
Fokus ausgesehen, eine Anordnung der Gitter/Detektor-Module, wie es in der
3 dargestellt ist. Hier sind acht fächerartig
angeordnete Gitter/Detektor-Module gezeigt, wobei die Ausrichtung der Gitterlinien
in diesem Gitter/Detektor-Modulen senkrecht zur Systemachse vorliegt.
Schneidet man diese Anordnung senkrecht zur Systemachse, so ergibt
sich eine Darstellung, wie in 4. Diese 4zeigt
die fächerartige Anordnung von acht Gitter/Detektor-Modulen GD1
bis GD8, die in sich in diesem Schnitt rechteckig ausgebildet sind und
jeweils ein Phasengitter G1x mit einem nachfolgenden Analysengitter G2x
und einem Detektormodul Dx aufweisen. Wie aus dieser Figur ersichtlich
ist, entsteht bei dieser Konstruktion auf der dem Fokus abgewandten Seite im Bereich
der Detektormodule Dx jeweils eine Lücke. Ähnliche Lücken
können beispielsweise alleine durch die endliche Dicke von Modulgehäusen
entstehen. Solche Lücken führen auch zu Lücken bei der Abtastung
oder zumindest zu Abtastfehlern und Artefakten. Hierfür ist es vorteilhaft
derartige Bereiche durch Interpolationen zu überbrücken beziehungsweise
so aneinander anzugleichen, dass Artefakte in der Bildgebung vermieden werden. Dies
kann vorzugsweise schon bei der Erstellung vollständiger Projektionsdatensätze
geschehen oder es können auch die fertigen Volumendatensätze entsprechend
aufbereitet werden.
Während in den 3 und 4
die Ausbildung eines Detektors für ein CT-System mit einer umlaufenden Gantry
gezeigt wird, ist in der 5 der Aufbau eines Fokus/Detektor-Systems
für ein C-Bogen-System oder für ein einfaches projektives Röntgen-System
dargestellt. Hier sind die einzelnen Gitter/Detektor-Module schachbrettartig angeordnet,
wobei die Ausrichtung der Gitterlinien aller verwendeten Gitter gleich ist und der
Ausrichtung des Quellengitters entspricht.
Die Anordnung solcher Gitter/Detektor-Module in dem gesamten Fokus/Detektor-System
ist in der 6 dargestellt. Diese zeigt das erfindungsgemäße
Fokus/Detektor-Modul mit einem flach und nahezu quadratisch ausgerichteten Detektor
D, der aus einer Vielzahl von Gitter/Detektor-Modulen besteht, die in der Summe
die Fläche des Phasengitters G1 und des nachfolgenden Analysengitters
G2 bilden.
Die 7 zeigt eine Detaillaufnahme aus
einem Gitter/Detektor-Modul im Bereich des Analysengitters im Schnitt senkrecht
zu den Gitterlinien. Das Analysengitter G2 ist beidseits in die Wandungen
14 des Gitter/Detektor-Moduls eingespannt, wobei auf einer Seite zwischen
den Analysengitter G2i und der Wandung 14 ein Piezoelement
12 angeordnet ist und auf der gegenüberliegenden Seite ein Federelement
13 vorliegt. wird das Piezoelement 12 mit einer entsprechenden
Spannung beaufschlagt, so erfolgt eine Längsverschiebung xG des
Analysengitters G2i, die benötigt wird, um mit Hilfe von mindestens
drei Messungen bei unterschiedlich ausgelenktem Analysengitter die Phasenverschiebung
des Strahls an diesem Ort zu bestimmen.
Ein vollständiges Computer-CT-System zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der 8 dargestellt.
Diese zeigt das CT-System 1, welches über ein erstes Fokus/Detektor-System
mit einer Röntgenröhre 2 und einem gegenüber liegenden 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 Prgn gespeichert sind, die die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahren durchführen und aus den gemessenen strahlenabhängigen Phasenverschiebungen
und Absorptionen entsprechende tomographische Bilder rekonstruieren.
Optional kann anstelle des einzigen Fokus/Detektor-Systems ein zweites
Fokus/Detektor-System im Gantrygehäuse angeordnet werden. Dieses ist in der
8 durch die gestrichelt gezeigte Röntgenröhre
4 und den gestrichelt dargestellten Detektor 5 angedeutet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Anspruch[de]
Fokus/Detektor-System (F1, D) einer Röntgenapparatur
(1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen,
mindestens bestehend aus:
1.1. einer Strahlenquelle (2) mit einem Fokus (F1) und einem
fokusseitigen Quellengitter (G0), welches im Strahlengang angeordnet
ist und ein Feld von strahlweise kohärenten Röntgenstrahlen erzeugt,
1.2. und einer Detektoranordnung mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten
Gitter/Detektor-Modulen (GDx), welche jeweils in Strahlrichtung hintereinander
angeordnet aufweisen:
1.2.1. mindestens ein Phasengitter (G1x), zur Erzeugung eines ersten
Interferenzmusters,
1.2.2. ein Analysengitter (G2x), zur Erzeugung eines weiteren Interferenzmusters,
1.2.3. und flächig angeordnete Detektorelemente (Dx),
1.2.4. wobei die einzelnen Gitterlinien aller Gitter (G0, G1x,
G2x) parallel zueinander ausgerichtet sind.Fokus/Detektor-System gemäß dem voranstehenden Patentanspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Gitterlinien gebildeten Gitterflächen
der Phasen- und Analysengitter der Module (GDx) parallel zueinander ausgerichtet
sind.Fokus/Detektor-System gemäß dem voranstehenden Patentanspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterflächen jeweils senkrecht zu einem
Strahl ausgerichtet sind, der vom Fokus zum Gitter/Detektor-Modul verläuft
und die Gitterflächen schneidet.Fokus/Detektor-System gemäß dem voranstehenden Patentanspruch
3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl, der die Gitterflächen jeweils senkrecht
schneidet, der Mittelstrahl ist, der die Gitterflächen in deren jeweiligem
Mittelpunkt schneidet.Fokus/Detektor-System gemäß dem voranstehenden Patentanspruch
4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GDx) so angeordnet
sind, dass die Mittelpunkte aller Phasengitterflächen den gleichen Abstand
zum Fokus (F1) aufweisen.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GDx)
so angeordnet sind, dass die Mittelpunkte aller Analysengitterflächen den gleichen
Abstand zum Fokus (F1) aufweisen.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GDx)
so angeordnet sind, dass die Mittelpunkte aller Detektorflächen, bestehend
aus der Summe von flächig angeordneten Detektorelementen, den gleichen Abstand
zum Fokus (F1) aufweisen.Fokus/Detektor-System gemäß dem voranstehenden Patentanspruch
4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasengitterflächen jeweils auf einem Kugeloberflächensegment
mit dem Fokus (F1) als Mittelpunkt ausgebildet sind.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysengitterflächen jeweils auf
einem Kugeloberflächensegment mit dem Fokus (F1) als Mittelpunkt
ausgebildet sind.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
4 oder 8–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorflächen eines Gitter/Detektor-Moduls
(GDx), bestehend aus der Summe von flächig angeordneten Detektorelementen,
jeweils auf einem Kugeloberflächensegment mit dem Fokus (F1) als
Mittelpunkt verlaufen.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung (12,
13) zur Relativverschiebung mindestens eines Analysengitters (G2x)
gegenüber den Phasengittern (G1x) senkrecht zur Strahlenrichtung
und senkrecht zur Längsrichtung der Gitterlinien vorgesehen ist, die auf mindestens
zwei Analysengitter (G1x) mindestens zweier Gitter/Detektor-Module (GDx)
wirkt.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass je Gitter/Detektor-Modul (GDx)
eine Vorrichtung zur Relativverschiebung des Analysengitters dieses Gitter/Detektor-Moduls
(GDx) gegenüber dem Phasengitter dieses Gitter/Detektor-Moduls (GDx)
senkrecht zur Strahlenrichtung und senkrecht zur Längsrichtung der Gitterlinien
vorgesehen ist.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GDx)
in der Projektion vom Fokus (F1) aus gesehen schachbrettartig angeordnet
sind.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GDx)
in der Projektion vom Fokus (F1) aus gesehen eine einzige Zeile bilden.Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GDx)
derart ausgebildet und angeordnet sind, dass jedes Gitter/Detektor-Modul (GDx)
und dessen Gitteranordnung (G1x, G2x) den folgenden geometrischen
Bedingungen genügt:
wobei gilt:
po = Gitterperiode des Quellengitters G0,
p1 = Gitterperiode des Phasengitters G1,
p2 = Gitterperiode des Analysengitters G2,
d = Abstand des Phasengitters G1 zum Analysengitter G2 in
Fächerstrahlgeometrie,
d≡ = Abstand des Phasengitters G1 zum Analysengitter
G2 unter Parallelgeometrie,
l = Abstand des Quellengitters G0 zum Phasengitter G1,
&lgr; = ausgewählte Wellenlänge der Strahlung,
h1 = Steghöhe des Phasengitters G1 in Strahlrichtung,
n = Brechungsindex des Gittermaterials des Phasengitters.Röntgen-System zur Erzeugung projektiver Phasenkontrastaufnahmen
mit mindestens einem Fokus/Detektor-System (F1, D) gemäß einem
der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15.Röntgen-C-Bogen-System zur Erzeugung projektiver und tomographischer
Phasenkontrastaufnahmen mit einem Fokus/Detektor-System gemäß einem der
voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, welches auf einem um ein Untersuchungsobjekt
rotierbaren C-Bogen angeordnet ist.Röntgen-CT-System (1) zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen
mit mindestens einem Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden
Patentansprüche 1 bis 15, welches auf einer um ein Untersuchungsobjekt (7)
rotierbaren Gantry angeordnet ist.Röntgen-System (1) gemäß einem der voranstehenden
Patentansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit
(10) zur Steuerung der Analysengitter (G2x) und Berechnung der
Phasenverschiebung (&phgr;) aus mehreren Intensitätsmessungen des gleichen
Strahls mit unterschiedlich versetzten Analysengittern (G2x) vorgesehen
ist.Röntgen-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche
16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Rechen- und Steuereinheit (10)
aufweist, die Programmcode (Prgx) enthält, welcher im Betrieb das
Verfahren gemäß dem nachstehenden Verfahrensanspruch 22 ausführt.Speichermedium eines Röntgen-Systems oder für ein Röntgen-System,
dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (11) Programmcode (Prgx)
enthält, welcher im Betrieb des Röntgen-Systems gemäß dem nachstehenden
Verfahrensanspruch 22 ausführt.Verfahren zur Erzeugung tomographischer Aufnahmen von einem Untersuchungsobjekt,
vorzugsweise einem Patienten (7), wobei zumindest die folgenden Verfahrensschritte
durchgeführt werden:
22.1. das Untersuchungsobjekt (7) wird mit mindestens einem modular aufgebauten
Fokus/Detektor-System (F1, D) gemäß einem der Ansprüche
1 bis 15 kreis- oder spiralförmig abgetastet, wobei durch mindestens drei Intensitätsmessungen
mit jeweils versetzt angeordneten Analysengittern (G2x) die Phasenverschiebung
(&phgr;) der Strahlen beim Durchtritt durch das Untersuchungsobjekt (7)
ermittelt werden,
22.2. für Strahlen, die aufgrund des modularen Aufbaues des Detektors (D) nicht
oder nicht genau gemessen werden können, wird die Phasenverschiebung (&phgr;)
durch benachbarte Werte interpoliert,
22.3. aus den gemessenen und durch Interpolation ermittelten Phasenverschiebungen
(&phgr;) der Strahlen werden tomographische Phasenkontrastaufnahmen rekonstruiert.
