DE102006015358B4

DE102006015358B4 - Fokus/Detektor-System einer Röntgenapparatur zur Erzeugung von Phasenkontrastaufnahmen, zugehöriges Röntgen-System sowie Speichermedium und Verfahren zur Erzeugung tomographischer Aufnahmen

Info

Publication number: DE102006015358B4
Application number: DE102006015358.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Heismann Björn; Dr. Hempel Eckhard; Prof. Popescu Stefan
Original assignee: Scherrer Paul Institut; Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: DE102006015358A1; US20070183562A1; US7522698B2; JP5142539B2; JP2007203061A

Abstract

Fokus/Detektor-System (F, D) einer Röntgenapparatur (1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, mindestens bestehend aus:1.1. einer Strahlenquelle (2) mit einem Fokus (F) und einem fokusseitigen Quellengitter (G) , 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 (GD) mit seitlichen Wandungen (14), jeweils wobei die Gitter/Detektor-Module (GDx) in Strahlrichtung hintereinander angeordnet aufweisen:1.2.1. mindestens ein Phasengitter (G), zur Erzeugung eines ersten Interferenzmusters,1.2.2. ein Analysengitter (G), zur Erzeugung eines weiteren Interferenzmusters,1.2.3. wobei auf einer Seite zwischen dem Phasengitter (G) oder dem Analysengitter (G2x) und der Wandung (14) ein Piezoelement (12) angeordnet ist und auf der gegenüberliegenden Seite ein Federelement (13) vorliegt,1.2.4. und flächig angeordnete Detektorelemente (D) ,1.2.5. wobei die einzelnen Gitterlinien aller Gitter (G, G, G) parallel zueinander ausgerichtet sind,1.2.6. und wobei ein Untersuchungsobjekt (P, 7) zwischen dem Quellengitter (G) und dem Phasengitter (G) anzuordnen ist.

Description

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 mehrzelliger 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 OPTICS EXPRESS, „X-ray phase imaging with a grating interferometer“, T. Weitkamp et all, 2005, Vol.13, No. 16, S. 6296-6304 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 Moire-Muster abbildet. Wird das zweite Gitter geringfügig verschoben, so ergibt sich hieraus ebenfalls eine Verschiebung des Moire-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 SynchrotronStrahlung 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.
Ergänzend wird auf die Druckschriften US 5,812,629 A , US 2005/02 86 680 A1 , EP 1 731 099 A1 und WO 2004 / 07 12 98 A1 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 des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger 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 nach einer nicht erfindungsgemäßen Variante der Antrieb nicht unbedingte Voraussetzung für ein maßes 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 mit seitlichen Wandungen, welche jeweils in Strahlrichtung hintereinander angeordnet aufweisen:
- mindestens ein Phasengitter, zur Erzeugung eines ersten Interferenzmusters,
- ein Analysengitter, zur Erzeugung eines weiteren Interferenzmusters,
- wobei auf einer Seite zwischen dem Analysengitter und der Wandung ein Piezoelement angeordnet ist und auf der gegenüberliegenden Seite ein Federelement vorliegt,
- und flächig angeordnete Detektorelemente,
- wobei die einzelnen Gitterlinien aller Gitter parallel zueinander ausgerichtet sind,
- und wobei ein Untersuchungsobjekt zwischen dem Quellengitter und dem Phasengitter anzuordnen ist.

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/DetektorSystems 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 einher geht.
Eine andere Variante kann vorsehen, dass je Gitter/DetektorModul eine eigene Antriebsvorrichtung für das Analysengitter vorgesehen ist, so dass diese Antriebsvorrichtung auch nur dieses Analysengitter bewegt. Als Antriebsvorrichtung können nicht erfindungsgemäß elektromotorische Antriebsvorrichtungen sowie erfindungsgemäß 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/DetektorModule 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/DetektorModul und dessen Gitteranordnung - insbesondere auch in Verbindung mit dem Quellengitter auf der Seite des Fokus - den folgenden geometrischen Bedingungen genügt: $p_{0} = p_{2} \times \frac{l}{d},$
$p_{1} = 2 \times \frac{p_{0} \times p_{2}}{p_{0} + p_{2}}$
$d \frac{l \times d^{\equiv}}{l - d^{\equiv}} {mit d}^{\equiv} = \frac{1}{2} \times (\frac{p_{1}^{2}}{4 λ}),$
$h_{1} = \frac{λ}{2 (n - 1)} .$
Hierbei bedeuten:

p_o =: 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,
1 =: Abstand des Quellengitters G₀ zum Phasengitter G₁ ,
λ =: 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, mit einem erfindungsgemäßen Röntgen-CT-System, 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; D_i : Detektor eines Gitter/Detektor-Moduls; D_x : 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 , G_1i : Phasengitter; G₂ , G_2i : Analysengitter; GD_x : Gitter/DetektorModul; 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; p_o : Gitterperiode des Quellengitters; p₁ : Gitterperiode des Phasengitters; p₂ : Gitterperiode des Analysengitters; Prg_x : Programme; S: Systemachse; x_G : Versatz des Analysengitters; λ: Wellenlänge der Röntgenstrahlen.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1: Schematische 3D-Darstellung eines Fokus/DetektorSystems mit Gittersatz zur Bestimmung von Phasenverschiebungen;
2: Schematische 3D-Darstellung eines Fokus/DetektorSystems 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 8x6 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-CTs 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 1 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 $p_{0} = p_{2} \times \frac{l}{d}$
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: $h_{1} = \frac{λ}{2 (n - 1)}$
Hierbei bezeichnet n den Brechungsindex des Gittermaterials und λ 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 Moire-Muster zu schaffen.
Des Weiteren gelten auch die folgenden geometrischen Beziehungen im Gittersatz: $p_{1} = 2 \times \frac{p_{0} \times p_{2}}{p_{0} + p_{2}}$

und $d = \frac{l \times d^{\equiv}}{l - d^{\equiv}} {mit d}^{\equiv} = \frac{1}{2} \times (\frac{p_{1}^{2}}{4 λ}),$

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 liegt, 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 Moduls parallel zueinander ausgerichtet sind und alle drei Gitter/Detektor-Module fächerartig zum Fokus F₁ angeordnet sind. Jedes einzelne Modul besteht aus einem Phasengitter G_1x , einem in Strahlenrichtung folgenden Analysengitter G_2x , mit dem unmittelbar danach folgenden Detektormodul D_x , 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 aus gesehen eine Anordnung der Gitter/Detektor-Module, wie es in der 3 dargestellt ist. Hier sind acht fächerartig angeordnete Gitter/DetektorModule 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 4 zeigt die fächerartige Anordnung von acht Gitter/DetektorModulen GD₁ bis GD₈ , die in sich in diesem Schnitt rechteckig ausgebildet sind und jeweils ein Phasengitter G_1x mit einem nachfolgenden Analysengitter G_2x und einem Detektormodul D_x aufweisen. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, entsteht bei dieser Konstruktion auf der dem Fokus abgewandten Seite im Bereich der Detektormodule D_x 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 Detailaufnahme 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 G_2i 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 x_G des Analysengitters G_2i , 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 Prg_n 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.

Claims

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 (GD_x) mit seitlichen Wandungen (14), jeweils wobei die Gitter/Detektor-Module (GDx) in Strahlrichtung hintereinander angeordnet aufweisen: 1.2.1. mindestens ein Phasengitter (G_1x), zur Erzeugung eines ersten Interferenzmusters, 1.2.2. ein Analysengitter (G_2x), zur Erzeugung eines weiteren Interferenzmusters, 1.2.3. wobei auf einer Seite zwischen dem Phasengitter (G_1x) oder dem Analysengitter (G2x) und der Wandung (14) ein Piezoelement (12) angeordnet ist und auf der gegenüberliegenden Seite ein Federelement (13) vorliegt, 1.2.4. und flächig angeordnete Detektorelemente (D_x) , 1.2.5. wobei die einzelnen Gitterlinien aller Gitter (G₀, G_1x, G_2x) parallel zueinander ausgerichtet sind, 1.2.6. und wobei ein Untersuchungsobjekt (P, 7) zwischen dem Quellengitter (G₀) und dem Phasengitter (G₁) anzuordnen ist.
Fokus/Detektor-System gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Gitterlinien gebildeten Gitterflächen der Phasen- und Analysengitter der Module (GD_x) 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/DetektorModul 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 (GD_x) 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 (GD_x) 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 ge kennzeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GD_x) 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 g e kennzeichnet, 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 gekenn- zeichne t, dass die Detektorflächen eines Gitter/Detektor-Moduls (GD_x), 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 gekenn- zeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung (12, 13) zur Relativverschiebung mindestens eines Analysengitters (G_2x) gegenüber den Phasengittern (G_1x) senkrecht zur Strahlenrichtung und senkrecht zur Längsrichtung der Gitterlinien vorgesehen ist, die auf mindestens zwei Analysengitter (G_1x) mindestens zweier Gitter/Detektor-Module (GD_x) wirkt.
Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass je Gitter/Detektor-Modul (GD_x) eine Vorrichtung zur Relativverschiebung des Analysengitters dieses Gitter/Detektor-Moduls (GD_x) gegenüber dem Phasengitter dieses Gitter/Detektor-Moduls (GD_x) senkrecht zur Strahlenrichtung und senkrecht zur Längsrichtung der Gitterlinien vorgesehen ist.
Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, da durch gekenn- zeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GD_x) in der Projektion vom Fokus (F₁) aus gesehen schachbrettartig angeordnet sind.
Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Gitter/Detektor-Module (GD_x) 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 (GD_x) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass jedes Gitter/Detektor-Modul (GD_x) und dessen Gitteranordnung (G_1x, G_2x) den folgenden geometrischen Bedingungen genügt: $p_{0} = p_{2} \times \frac{l}{d},$
$p_{1} = 2 \times \frac{p_{0} \times p_{2}}{p_{0} + p_{2}}$
$d \frac{l \times d^{\equiv}}{l - d^{\equiv}} {mit d}^{\equiv} = \frac{1}{2} \times (\frac{p_{1}^{2}}{4 λ}),$
$h_{1} = \frac{λ}{2 (n - 1)} .$
wobei gilt: p_o = 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, 1 = Abstand des Quellengitters G₀ zum Phasengitter G₁, λ = 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 oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen mit einem Fokus/Detektor-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, welches auf einem um das Untersuchungsobjekt (P, 7) 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 Gantry angeordnet ist.
Röntgen-System (1) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichne t, dass eine Recheneinheit (10) zur Steuerung der Analysengitter (G_2x) und Berechnung der Phasenverschiebung (φ) aus mehreren Intensitätsmessungen des gleichen Strahls mit unterschiedlich versetzten Analysengittern (G_2x) vorgesehen ist.
Röntgen-System gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeich- net, dass es eine Rechen- und Steuereinheit (10) aufweist, die Programmcode (Prg_x) enthält, welcher im Betrieb das Verfahren gemäß dem nachstehenden Verfahrensanspruch 22 ausführt.
Speichermedium eines Röntgen-Systems oder für ein Röntgen-System, wobei das Speichermedium (11) Programmcode (Prg_x) enthält, welcher im Betrieb des Röntgen-Systems gemäß dem nachstehenden Verfahrensanspruch 22 ausführt.
Verfahren zur Erzeugung tomographischer Aufnahmen von einem Untersuchungsobjekt (P, 7), vorzugsweise einem Patienten, wobei zumindest die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden: 22.1. das Untersuchungsobjekt (P, 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 (G_2x) die Phasenverschiebung (φ) der Strahlen beim Durchtritt durch das Untersuchungsobjekt (P, 7) ermittelt wird, 22.2. für Strahlen, die aufgrund des modularen Aufbaues des Detektors (D) nicht oder nicht genau gemessen werden können, wird die Phasenverschiebung (φ) durch benachbarte Werte interpoliert, 22.3. aus den gemessenen und durch Interpolation ermittelten Phasenverschiebungen (φ) der Strahlen werden tomographische Phasenkontrastaufnahmen rekonstruiert.