CN101011255B - 带x射线光学光栅用于相位对比测量的焦点-检测器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生检查对象的投影或断层造影的相位对比照片的X射线设备的焦点-检测器装置(F₁，D)，其中，所采用的焦点-检测器装置(F₁，D)的至少一个光栅(G)至少部分地由一种宏观均匀的介质(13)组成，该介质通过超声波激发具有周期性的结构/驻波场，该结构在X射线束透过时导致射线分束或者形成干涉图形。

Description

带X射线光学光栅用于相位对比测量的焦点-检测器装置

技术领域

本发明涉及一种用于产生检查对象的投影或断层造影的相位对比照片的X射线设备的焦点-检测器装置，其组成至少如下：

-设置在检查对象第一侧的具有用于产生优选为扇形或锥形射束的焦点的辐射源，

-在检查对象的相对的第二侧在射线途径中设置的相位光栅，该相位光栅产生一个在X射线辐射的预定能量区域内X射线辐射的干涉图形，以及

-分析检测系统，该分析检测系统至少分辨位置地检测由相位光栅产生的关于其强度分布的干涉图形，以便从中分辨位置地确定相位移。

背景技术

这类用于产生检查对象的投影或断层造影的相位对比照片的焦点-检测器装置是已知。例如，可以参见欧洲专利申请EP 1447046A1和未在先公开的带有案卷号102006017290.6、102006015358.8、102006017291.4、102006015356.1以及102006015355.3的德国专利申请。

为了通过电离射线、尤其通过X射线来成像，基本上可以考虑两种在辐射穿过物质时出现的效应，即，通过检查对象的辐射的吸收和相位移。还已知，在很多情况下在射线穿过检查对象时发生的相位移对所穿越物质的厚度和成分方面的微小差别的反应明显比对射线的吸收强得多。由此，可以更好地识别检查对象的结构、尤其患者的软组织结构。

为了进行这种相位对比-射线照相或相位对比-断层造影必须分析由检查对象引起的相位移。在此，与传统的吸收率对比-射线照相及吸收率对比-断层造影类似，不仅制成相位移的投影图像，而且从多个投影图像中计算出相位移的断层造影表示。

此类相位移可以通过采用干涉仪光栅来确定以及用于产生投影或断层造影照片。有关干涉仪的测量方法可以参考前面所引用的文献。在这些方法中，用相干的或近似相干的X射线辐射透射检查对象，随后引导X射线通过带有与辐射的波长相适配的周期的光栅，由此，首先将射线分散开以及从被分散开的射线的叠加中产生干涉图形，通过由对象体引起的相位移调制该干涉图形。通过后续的分析检测器装置对该干涉图形进行测定，由此可以确定相位移。优选采用相位光栅作为射线分配器。已知，这样一种相位光栅以及还有分析光栅的基本结构例如可以通过硅晶片中蚀刻出长方形结构来制造。这类由硅晶片制成的刚性光栅、如作为射线分配光栅的相位光栅、作为分析光栅或源光栅的幅度/吸收光栅例如存在的问题是，一方面以合理的成本制造的结构精度不够。另外，这类硅晶片的长度尺寸受到基础材料的参数限制。多个分构件的组合可能在测量时导致伪影。此外还存在的问题是，实际上只能通过更换相应的光栅来达到适应于不同的辐射能量以及调整周期和干涉图形的塔尔波特距离(Talbotabstand)。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有光栅的焦点-检测器装置，一方面该焦点-检测器装置可以以合理的成本制造，而另一方面可以顺利地适应于不同的辐射能量，不必采取更换光栅就可实现改变相位光栅的周期以及进而改变干涉图形的周期和改变塔尔波特距离，以及最终在其面积延伸方面尽量少地受到限制。

发明人认识到，为了建立辐射光学或者X射线光学光栅，要在用作光栅材料的物质中引起足够的、周期性的结构差别，以便达到期望的光栅效果。为此，可以采用例如周期性的不同的单位长度的质量、不同的结构或不同的厚度。例如，通过在材料或介质中或其表面上产生恒定的超声波，来形成上述周期性的结构差别，该超声波取决于材料稠性地导致在结构和/或单位长度的质量或材料厚度内周期性重复的差别以及进而引起该材料具有期望的光栅特性。例如，为此可以采用在气室中的声驻波、在液体中的表面声驻波以及在固体材料中的表面声驻波。

在这类变化的光栅中调整周期和幅度的下述方案基本组成如下：

(i)通过改变起相位光栅作用的超声波光栅的光栅周期来改变X射线干涉图形的周期/位置频率，或者通过电控制信号的频率来改变所激发的超声波的频率

(ii)通过改变起相位光栅作用的超声波光栅的光栅幅度来改变相位光栅的共振能量以及进而改变X射线干涉图形，或者通过改变电控制信号的电压来改变所激发的超声波的波幅/强度

(iii)通过改变电控制信号的电压而使所激发的超声波的波幅/强度的改变来改变起相位光栅作用的超声波光栅的吸收/调制。

基于该基本思想，发明人建议，将一种本身公知的用于产生检查对象的投影或断层造影的相位对比照片的X射线设备的焦点-检测器装置，其包括：

设置在检查对象第一侧的具有用于产生射束(优选扇形或锥形射束)的焦点的辐射源，

在检查对象的相对的第二侧在射线途径中设置的相位光栅，该相位光栅产生一个在X射线辐射的预定能量区域内X射线辐射的干涉图形，以及

分析检测系统，该分析检测系统至少检测由相位光栅产生的关于其强度分布的干涉图形，

这样地改善，使得所述焦点-检测器装置的至少一个光栅至少部分地由一种宏观均质的介质(＝光栅介质)组成，该介质具有通过超声波激发的周期性的结构变化，该结构变化在X射线束透过时导致在X射线束中的干涉现象。

按照本发明，至少一个光栅的光栅介质可以为气体或液体的，其中，所述液体例如也可以由悬浮液构成。在气体、液体和固体中通过超声驻波主要使相同材料产生密度差别，而在悬浮液中能够形成固体物质的不均匀分布以及由此最终产生密度差别。以类似的方式在由木粉等形成的已知声图中颗粒聚集在波峰区域内，而波谷基本无颗粒存在。

在另一个按照本发明的方案中，光栅介质还可以由凝胶构成。这种光栅介质同样如液体或气体那样完全能适应于规定的空间形状。另外，所述凝胶可以具有触变特性，该触变特性能够导致强化周期性的结构差别。

另一种方案在于，至少一个光栅的光栅介质为固体。在此，尤其可以涉及压电材料，其中该压电材料也可以本身用于产生超声波。

另外建议，至少一个光栅的光栅介质布设一个封闭的空间内，该封闭空间在至少一侧具有用于在光栅介质内产生超声驻波的第一超声波发生器。为此，例如可以在相对置的一侧设置超声波反射器。也存在这样的可能性，即，在相对置侧设置第二超声波发生器，使得在此在相应地相互调谐这两个超声波发生器时也能够在光栅介质中产生驻波场。优选地，至少一个超声波发生器应该与光栅介质直接机械地连接。

超声波发生器产生传播的超声波。通过与相同波长的第二个超声波的干涉从中形成驻波。该第二波在最简单的情况下通过在壁上对第一波的反射而产生。作为替换，也可以利用第二个相对的发生器来产生。

在按照本发明的焦点-检测器装置中可以采用这样一种按照本发明的光栅作为相位光栅(＝射线分配器)或者还作为幅度光栅(源光栅、分析光栅)。这样一种相位光栅也可以在至少一个剖切平面内具有至少一个围绕着焦点的曲率半径。最简单的形式是所述光栅介质沿传播方向通过气室的平面形的平行室壁限定。对于锥形射束形状或扇形射束形状，所述室壁可以具有圆柱体扇形段或球拱形的形状。

相应地采用这种光栅还要求，该光栅至少满足下列几何关系：

$g_2=\frac{1}{2}\·\frac{r_2}{r_1}\·g_1,---\left(1\right)$

$r_1>\frac{{g_1}^2}{2\mathrm{\λ}},---\left(2\right)$

$r_2-r_1=d_m=(m-\frac{1}{2})\·\frac{{g_1}^2}{4\·\mathrm{\λ}},---\left(3\right)$

其中：

r₁＝焦点到相位光栅的径向距离；

r₂＝焦点到分析检测系统的径向距离；

g₁＝相位光栅(G₁)的周期；

g₂＝分析检测系统的周期；

λ＝所考虑的X射线辐射的波长；

d_m＝相位光栅到分析检测系统的距离＝第m序数(Ordnung)的塔尔波特距离。

在按照本发明的焦点-检测器装置的另一种结构中，发明人建议，将所述焦点尽可能构造为点状，但是另一方面也存在这样的可能性，即，将焦点构造为平面形以及为了达到一个具有从那发出相干X射线的场而在焦点与检查对象之间设置用于产生相干射线束的源光栅。这样一种源光栅按照本发明也可以通过用超声波激励的光栅介质构成，其中，该光栅介质能够具有前面所叙述的专门特征中的每一项。

此外，发明人建议，将所述分析检测系统设计为分辨位置的具有多个用于系统位置分辨的检测器元件的检测器与沿射线方向设置在前的用于确定各检测器元件的X射线辐射的平均相位移的分析光栅的组合，其中，检测器元件的尺寸决定了系统的位置分辩率。

在这样一种分析检测系统中，分析检测系统的检测器和/或分析光栅具有围绕所述焦点的曲率。

如果采用这样一种分析检测系统，则按照本发明的焦点-检测器装置的至少一个通过用超声波激励的光栅介质构成的光栅本身是分析光栅。

有关这种具有由分析光栅和在后连接的检测器的组合的特殊实施方式可以参见前面提到的带有案卷号DE 102006015358.8、102006015356.1以及102006015355.3的专利申请。在此尤其需要指出的是，按照本发明只须产生具有不同波长的不同的驻波，就可以由此更换X射线光学光栅。这例如可以如下地来实现：改变通过超声波产生的波长，但是同时使超声波发生器与相对置的反射器之间的距离保持是波长的整数倍，也就是说，以确定的突变量改变波长。

另一种用于更精细地调谐波长或光栅周期的方法在于，只是略微地改变超声波发生器与相对置的反射器或第二超声波发生器之间的距离，使得为了达到分别所期望的周期实施相应的调整。这种对在光栅介质内的超声波的共振器长度的改变可以例如通过设置至少一个压电元件实现。

在所述焦点-检测器装置的另一种不同的实施方案中建议，将所述分析检测系统构造为具有多个确定系统位置分辨率的检测器元件的分辨位置的检测器，其中，至少一部分检测器元件具有适用于确定各检测器元件的确定能量的X射线辐射的平均相位移的内部结构。

有关分析检测系统的这样实施方式尤其可以前面所引用的未在先公开的文献DE 102006017290.6和DE 102006017291.4。

在本发明的意义上，此类焦点-检测器装置可以为X射线系统制作产生纯投影的相位对比照片或者为X射线C形弓架系统制作产生投影和断层造影的相位对比照片或者用于X射线计算机断层造影系统产生断层造影的相位对比照片。

根据本发明的思想，发明人还建议一种用于运行用于产生投影和/或断层造影的相位对比照片的X射线系统的方法，在此，采用具有上述特征的焦点-检测器装置，其中为了在分析检测系统中测量X射线辐射的相位移通过改变超声“驻”波场来使光栅刻线达到必要的相对位置变化。

可以通过下述方式使超声驻波场变化或移动：

-改变所激励的超声波频率，

-改变两个相对置的超声波发生器之间或超声波发生器与超声波反射器之间的距离，

-改变两个相对置的激励驻波的超声波发生器之间的相位移，

-机械地移动全部的光栅。

基本上，与本发明相关在本发明的意义上还要指出下列一些对于“相干的X射线辐射”、“相干的X射线辐射源”和“近似相干的X射线辐射源”问题的事实：

经过随机过程从实验室X射线源(例如X射线管、次级靶、等离子体源、放射源)以及也从第一至第三代传统的同步加速辐射源发射X射线光子。因此，所发射的X射线辐射本身不具有空间相干性。但是当观察角度足够小时，X射线源的辐射如在空间中相干辐射那样在相位对比射线照相及相位对比断层造影或者任意干涉实验中实现，在所述观察角度下，为观察者、对象、光栅或检测器显现所述辐射源。作为衡量一个外展X射线源的空间或横向相干性的参数列举所谓的空间相干长度L_c：

$L_c=\mathrm{\λ}\frac{a}{s}---\left(4\right)$

其中，λ是波长，s是横向的辐射源尺寸，a是辐射源与观察点的距离。有些作者也将上面所定义的数值的一半称为空间相干长度。精确的数值是次要的；重要的是，与从中发出的射线应该相互干涉的空间范围的(横向)尺寸相比，相干长度L_c要大。

在本专利申请的意义上可以将相干辐射理解为这样的辐射，即，该辐射在给定几何形状以及间距的情况下导致所希望的X射线光学光栅形成干涉图形。当然，所述空间相干性以及进而空间的相干长度总是通过三个参数(波长、辐射源尺寸以及观察距离)确定。在紧凑表达方式的意义上实际情况是简略到如“相干的X射线辐射”、“相干的X射线辐射源”或“用于产生相干的X射线辐射的点源”等概念上。这些简略是基于，在此所讨论的用途中X射线辐射的波长或能量E一方面通过对检查对象所期望的透射能力以及另一方面通过在实验室X射线源内可利用的频谱来限制。辐射源与观察者之间的距离a在用于无破坏的材料检验或医学诊断中要受到一定的限制。因此，多数情况下辐射源尺寸s是最后的自由度，即使在此辐射源尺寸与管功率之间的关系是有紧密界限的。

源光栅允许采用更大的以及进而功率更强的X射线源。源光栅的狭窄缝隙用于保持所有从同一个缝隙中射出的射线所要求的空间相干性。只是来自缝隙的光子可能相互干涉，亦即相位正确地叠加。在光子从源光栅的缝隙到缝隙之间尽管不可能有相位正确的叠加，但是在按照g₀/g₂＝l/d适当地使源光栅周期g₀和干涉图形周期g₂以及源光栅G₀与相位光栅G₁之间的距离l和相位光栅G₁与干涉图形G₂之间的距离d相协调时，至少可以实现将所驻波场的波谷和波峰在强度方面的正确叠加。在本专利申请的简略表达方式中与此相关地采用“近似相干辐射”或“近似相干辐射源”的概念。

辐射随时间或纵向的相干性是随X射线辐射或X射线辐射源的单色性出现的。强度特性线的X射线辐射对于在此所讨论的用途多数具有足够的单色性及随时间的相干长度。连接在前的单色仪或者通过相位光栅的栅条高度选择共振能量也可以从阻滞辐射频谱或同步加速频谱中过滤出足够狭窄的频谱区以及进而满足对在本装置内随时间变化的相干长度的要求。

附图说明

下面借助于在附图中示出的优选实施方式对本发明予以详细阐述，其中只描述对于理解本发明所需要的特征。在此，采用了下述附图标记并对此不作过多累述：1：计算机断层造影系统；2：第一X射线管；3：第一检测器；4：第二X射线管；5：第二检测器；6：机架外壳；7：患者；8：患者卧榻；9：系统轴；10：控制和计算单元；11：存储器；12：气室；13：气体；14：超声波发生器；15：驻波；16：超声波反射器；17：液体；a：体素(Voxel)的尺寸；D₁：检测器；d：相位光栅G₁与干涉最大值或与分析检测系统的塔尔波特间距；E_i：检测器元件；F₁：焦点；G：光栅；G₀：源光栅；G₁：相位光栅；G₂：分析光栅；g₁：相位光栅G₁的周期；g₂：分析检测系统关于相位检测的周期；h：气室的气体体积厚度；I(E_i(x_G))：在光栅偏移x_G时在检测器元件E_i上测得的强度；I_ph：辐射强度；L_c：相干长度；l：光栅G₀与G₁之间的距离；n：折射指数；P：样品；Prg_x：程序；w：焦点的延伸；x_G：光栅沿X方向的偏移；x、y、z：笛卡儿坐标；Prg_n：程序；S_i：X射线；

：相位移；

在检测器元件E_x上的正弦形强度变化曲线的相位；

在检测器元件E_i与E_j之间的相对相位移；λ：所考虑的X射线辐射能量的波长；δ：折射指数(在此为光栅介质的折射指数)的真实消减量；Λ：超声波波长。附图中：

图1以纵剖视图表示具有作为射线分配器的相位光栅、分析光栅及用于表示干涉现象的检测器的焦点-检测器系统的原理性示意图；

图2表示所选择的检测器元件的取决于分析光栅相对于干涉图形的横向相对位置的强度变化曲线；

图3表示具有源光栅、相位光栅及分析光栅的焦点-检测器系统的纵剖视图；

图4表示X射线光学光栅的三维原理示意图，该光栅具有作为激发超声波的光栅介质的气体；

图5表示X射线光学光栅的三维原理示意图，该光栅具有作为激发超声波的光栅介质的液体；

图6表示X射线光学光栅的三维原理示意图，该光栅具有作为激发超声波的光栅介质的固体；

图7以三维视图表示具有本发明焦点/检测器系统的X射线计算机断层造影系统。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，首先利用图1至3描述相位对比测量的基本原理。

图1表示出来自焦点的近似相干辐射或者来自源光栅的个别相干的辐射，这些辐射穿过样品P，其中，通过在穿过样品P之后出现相位移现象。由此，在穿过光栅G₁时形成一个用灰色阴影表示的干涉图形，该干涉图形借助于光栅G₂在随后的检测器D₁以及其检测器元件上导致各检测器元件不同的辐射强度，其中在那里形成一个干涉图形或X射线驻波场。例如可以观察到检测器元件E_i与分析光栅G₂的移动x_G的关系以及I(E_i(x_G))强度(I(E_i(x_G)作为关于强度I_ph的侧向位移x_G的函数)，由此获得一种在图2中示出的对应于每个检测器元件E_i、E_j的强度I(E_i(x_G))、I(E_j(x_G))的正弦形变化曲线。从这些函数中对于每个检测器元件E_i、E_j可以确定相位

比较相邻像素的相位

得出相互间的相对相位移

从所述函数中对于每个检测器元件可以确定相互相对的相位移

。下列关系成立：

其中，a相当于在检查对象体内的体素或像素的尺寸，n是其折射指数以及λ表示X射线辐射的波长。

以此方式可以确定小于2π的相对相位移。如果一个对象的相位移大于2π，则需要从一个区域内呈现一个小的相位移，将直至对象的搜索位置的不同相位移集成到所搜索的区域内。从如此确定的相位移中建立一个投影的像素图像或者通过相应的再现方法也可以建立立体图像。

需要指出的是，在可变调谐超声波的光栅中光栅的位置不是必须指外壁的位置，而是横切光轴波谷的位置或声压最大处以及波峰或声压最小处。

因此，对于空间内的每条射线通过利用分别错开设置的分析光栅至少进行的三次测量来确定每条射线的相位移，从中或者能够在进行投影的X射线拍摄时直接计算出投影照片的像素值，或者能够在进行计算机断层造影检查时生成其像素值对应于相位移或吸收值的投影，使得从中可以借助于本身公知的再现方法计算出，所测量的相位移的那些份额属于检查对象体内的那些体素。因此，从中计算出可以反映所检查的对象对于X射线相位移和X射线吸收方面的影响的断层图像或体积数据。由于检查对象在厚度及组成方面的微小差别已经能够对相位移施加了强烈的影响，因此可以对本身相对类似的材料、尤其软组织描述出足够详细及对比强烈的体积数据。

这种借助于多次移位的分析光栅以及对在分析光栅之后的检测器元件上的辐射强度的测量对穿过检查对象的X射线相位移进行检测的方案导致，必须对每个检测器像素单元在分别以干涉图形周期的小数部分移动分析光栅的条件下实施至少三次测量。

原则上还存在下述可能性，即，取消此类分析光栅以及代之以采用足够精细结构的检测器，其中在这种情况下避免了由于在分析光栅的栅条内的吸收而造成的剂量损失以及通过进行唯一一次测量就可以确定所观察射线内的相位移。

为了测量相位对比需要采用相干的辐射或者至少近似相干的辐射。该辐射例如可以通过点状焦点或者作为各自相干的射线源的场通过在面形结构的焦点之后的源光栅或者通过在阳极上的光栅型结构的焦点产生。

在最后所提到的“多条源”(Multistreifenquelle)或源光栅中，为了计算相干长度必须采用各条或源光栅各缝隙的源尺寸。在条源中只需来自单个条的光子具有足够的相干长度。来自不同条的光子不需要具有这种相干要求。在此，在周期性光栅中足以达到，使每个条本身产生干涉图形。不同条的干涉图形仅仅在按照强度叠加。因此，来自不同条的光子之间不必存在相干性。

这样一种通过在面形结构焦点后面的源光栅产生个别相干辐射的场的方案在图3中利用具有光栅组G₀至G₂的焦点-检测器系统示意地表示。原则上所有在该图中示出的光栅都可以通过按照本发明的光栅代替。

具有侧向延伸的焦点F₁位于第一光栅G₀之前。该第一光栅G₀具有光栅刻线的周期g₀以及栅条的高度h₀。相应地，光栅G₁和G₂设有高度h₁或h₂以及周期g₁或g₂。为了实现相位测量的功能要求，光栅G₀与G₁之间的距离1以及光栅G₁与G₂之间的距离d相互要具有确定的比例关系。在此，下述关系成立：

$g_0=g_2\frac{l}{d}.---\left(6\right)$

具有检测器元件E₁至E_n的检测器D₁与最后一个光栅G₂的距离是次要的，不过为了避免强度损失和散射效应(Crossover)，要尽可能选择得短。在此，应该将相位光栅的栅条高度h₁选择成，根据所考虑的波长、亦即所考虑的X射线辐射能量以及有关各自光栅材料方面要满足下列公式：

$h_1=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n-1)}.---\left(7\right)$

在此，n表示光栅材料的折射指数，而λ表示要测量相位移的X射线的波长。可以有利地将该光栅调整到一个相当于所采用阳极的X射线频谱内特性线的能量上，至少应该在该能量范围内存在可供使用的足够的光子流。在目前通用的钨阳极中例如可以采用Kα线。但是，也可以采用相邻的Kβ线。在选择其他阳极材料(例如：Cu、Mo、Ag、......)相应地需要不同的能量以及进而需要不同地设计相位光栅的尺寸。原则上也可以采用L线或M线。除了所述特性线之外也可以采用阻滞射线频谱的某些区域。

为了在透射X射线辐射的栅条与光栅广泛空留的位置之间产生有效的吸收差别，分析光栅的高度h₂必须足够，以便在背面上提供相应的干涉图形或X射线驻波场。

通常将光栅G₀至G₂的刻线方向选择为，使现有光栅的光栅刻线以及必要时使检测器元件的现有条结构相互平行地延伸。另外有利的是，光栅刻线平行或垂直于系统轴S地定向，但这也不是必需的。

现在按照本发明建议，焦点-检测器装置的至少一个光栅至少部分地由一种宏观均匀的介质(＝光栅介质)组成，该介质具有通过超声波激发的周期性重复的结构差别，该结构差别如X射线光学光栅一样有助于透过的辐射以及相应地导致干涉图形。

为此，例如建议三种均能够改变光栅周期的不同实施方案。

A)作为衍射光栅在气室内的声驻波场：

图4表示一种按照本发明的方案，其中，用于X射线的衍射光栅在气室内产生具有高压力幅度的声驻波或超声驻波。在此，光栅G由一个箱室12组成，在该箱室内存在作为光栅介质的气体13。在箱室12的一侧设置超声波发生器14，在相对置的另一侧是超声波反射器16。因此，可以在超声波发生器14与超声波反射器16之间产生超声驻波场15，该超声驻波场用作具有超声波半个波长的周期的光栅。以这种方式不仅相位光栅而且幅度/吸收光栅均可以由在气室内的声学超声波驻波场构成。所述箱室应该是气密的。关于平面箱室其可以设计成大体矩形的，其中与射线方向垂直的侧壁应该相互平行以及尽量具有相同的厚度。对于围绕着焦点弯曲的箱室的情况垂直于射线方向的侧壁应该同心以及等距离地设计并且还要具有固定的厚度。

在箱室的两种方案中，超声波发生器与超声波反射器必须相互对置地设置，同时对于弯曲的箱室这两个部件不必一定要相互平行地定向，而是可以相互成一个角度，该角度可以大约相当于所采用的扇形射线的扇形角。也存在下述可能性，即，在所述扇形平面内设置这些部件。对于所述超声波反射器期望具有一个高的反射系数，以便获得一种未消弱的声学驻波场、亦即具有相对于中等气压而言高的压力幅度的强驻波场。超声波发生器通过声激励的气室的反射波传播声强度。另外，也可以采用另一个超声波发生器来取代超声波反射器，其中两个超声波发生器还必须在相位和频率上相互协调，使得产生所期望的驻波场。

如果要通过声激励的气室产生用于X射线的相位光栅，则对于用于声驻波的气室布局的要求是，要实现足够或正确的相位移。理想的情况是应该达到在声驻波的波峰与波谷之间π的相突变。

如果遭受声驻波场的气体体积的厚度h满足下述条件：

$h=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\δ}},---\left(8\right)$

则可以获得π的相位移。其中，δ为基于压力幅度的气体折射指数的真实消减量以及λ为X射线波长。在高光子能量E＞＞E_K或短波长λ＜＜λ_K时、亦即对于关于气体的K-壳层-电子构成能量的光子能量按照近似值适用于真实消减量δ

$\mathrm{\δ}=\frac{r_0{N}_A\mathrm{\ρZ}{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\π}{A}_r},---\left(9\right)$

其中，r₀为常规的电子半径，N_A为Avogadro数，Z为气体原子的序数，A_r为气体原子的相对原子质量。在理想气体中该表达式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{r_0{N}_A\mathrm{pZ}{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\π}{R}_0{T}_0}---\left(10\right)$

其中p为气体压强，R₀为气体常数以及T₀为气体的绝对温度。对于近似三相态的非理想气体必须采用用于理想气体的方程式或标准表中的数值。

在气室的声驻波场中波峰与波谷之间的相位移差还取决于压力差，在气室内的该压强差是由超声波发生器产生的。声驻波中的压力幅度Δp通过下列公式给出：

$\mathrm{\Δp}=\sqrt{8\mathrm{J\ρc}}---\left(11\right)$

其中，J为声强度〔W/m²〕，ρ为气体的密度以及c为声速。有效相位移等于在波峰与波谷之间δ内的差值、亦即压力幅度Δp。

在应用所有这些方程式时能够在满足对于相位移π所规定的条件下达到所述气体体积的厚度以及在采用变化参数的条件下调整到所期望的数值。

为了使气体体积的厚度保持得极小，使得可以忽略不均匀的压力波动和边缘效应，应该选择高密度的气体。高的气体密度还能够使发生器的波阻抗更好地适应于气体的波阻抗。适用的气体例如为Xe、SF₆和WF₆。但是对于压力而言也可以采用其他不同的气体。

无论如何，从由超声波发生器所产生的频率和气体体积内的声速中得出声驻波的周期。在气体内的声速c取决于气压p、气体密度ρ和气体类型，确切地说，按照下述公式

$c=\sqrt{\frac{\mathrm{p\κ}}{\mathrm{\ρ}}},---\left(12\right)$

其中，κ为气体的绝热指数。气体内的对应于声频率v的声波波长Λ、亦即声驻波的周期性通过下述公式给出：

Λ＝c/v。(13)

通过采用处于MHz和GHz频率范围内的超声波可以产生在少的几微米范围内周期的声驻波场，这适用于在开头所讨论的用途中。声波波长分别按照g＝Λ来确定光栅的周期g，确切地说，是在射线分配光栅/相位光栅G₁以及在分析光栅/吸收光栅G₂和在源光栅G₀的情况下，使得就周期而言在本说明书中不需要再加以区分。

但是，在采用声激励的气室作为对于X射线的分析光栅或吸收光栅时要确保正确的吸收。理想情况下，在波谷处的吸收应尽可能地高，而在波峰处的吸收应该消失、亦即趋于零。

B)作为衍射光栅在液体内的表面声驻波：

另外，建议将在具有裸露表面的液体箱室内的声驻波或超声驻波作为用于X射线的衍射光栅。在图5中表示出一种示例性的设计方案。

在那里光栅G由箱室12构成，在该箱室内存在作为光栅介质的液体17。在箱室12的一侧设置超声波发生器14，在相对置的另一侧是超声波反射器16。因此可以在超声波发生器14与超声波反射器16之间产生驻波15，该驻波用作具有半个超声波波长周期的光栅。

这样的箱室12必须是液密的。这些箱室对于平行射束形状而言要具有一种尽可能是长方六面体的形状，其中在两个相对置侧超声波发生器与超声波反射器或另一个超声波发生器位置相对。在超声波发生器与液体之间可以定位一个未详细示出的声阻适配器，但是为了超声波在液体内的耦合输入不是绝对需要一种此类声阻适配器。

在表面上的波对透射的X射线引起相位移。为了在+1和-1序数射线中获得最大的强度，波高应该感应一个π的相位移。对此，在典型的液体密度1g/cm³时几微米高的波已足够。具体地可借助于上面所给出的方程式(8)和(9)计算出适合的波高。

从超声波发生器的频率和在选择的液体内的特定声速中对应于按照方程式(13)选择的频率中，得出周期性或本振频率。可以通过在kHz和MHz范围内的超声波频率来达到在μm范围内的波周期。

C)作为衍射光栅在固体材料内的表面声驻波：

按照另一种方案还建议用固体介质作为光栅介质。在图6中详细地表示出了这样一种设计。在此不是绝对需要特定的箱室，因为光栅介质已经能够设计成形状固定的了。在所示出的实施例中通过相对设置的超声波发生器14和超声波反射器16激发设计为固定的光栅介质G形成驻波15。但是另外也可以采用压电作用的光栅介质，该介质本身产生振动。

压电材料、例如石英(SiO₂)、铅-锆酸盐-钛酸盐(缩写：PZT)Pb(Zr、Ti)O₃、LiNbO₃、LiTaO₃、ZnO良好地适用于将电信号转变为在kHz、MHz和GHz范围内的声/超声波振动。因此，必须使所激发的电场与晶体断面相互协调，使得可以造成压电张量特性，以便优化所述声/超声波振动。

另外，这样一种光栅介质可以用于制造传统的X射线光学光栅，其中通过对压电材料的长度改变的特性可以达到在细微区域内无级地改变光栅周期。

在图7中也示例性及代表性地对于其他X射线系统、尤其用于产生投影相位对比照片的X射线系统以及对于C形弓架装置表示出了具有本发明焦点-检测器系统的以及用于实施本发明方法的完整的计算机断层造影系统。该图示出了计算机断层造影系统1，其具有带有设置在机架外壳6内的一个未详细示出的机架上的X射线管2和相对置的检测器3的第一焦点-检测器系统。在该第一焦点-检测器系统2、3的射线途径中设置了一个按照图1至3所示的光栅系统，使得可以在第一焦点-检测器系统的射线途径中移动所述位于可沿光轴9运动的患者卧榻上的患者7以及在那里对其进行扫描。通过控制和计算单元10实施对X射线计算机断层造影系统的控制，在该控制和计算单元10中在存储器11内存储了程序Prg₁至Prg_n，这些程序用于实施前面所描述的按照本发明的方法以及从所测量的与射线有关的相位移中重建相应的断层造影图像。

另外，作为一个唯一的焦点检测系统替代方案，也可以在在机架外壳内设置一个第二焦点检测系统。该第二焦点检测系统在图中通过虚线示出的X射线管4和检测器5表示。

可选择地，作为一个唯一的焦点-检测器系统替代方案，也可以在机架外壳内设置第二焦点-检测器系统。该第二焦点检测系统在图中通过虚线示出的X射线管4和检测器5表示。

至少在焦点-检测器系统存在一个按照本发明的光栅，其中通过超声驻波在光栅介质中产生用于检测相位对比照片所需的光栅结构。

还需要补充说明的是，通过所示出的焦点-检测器系统不仅可以测量由于样品或患者造成的X射线的相位移，而且此外这样的焦点-检测器系统还适用于传统测量对射线的吸收以及用于重建相应的吸收图像。由此还可以生成组合的吸收和相位对比照片。明确要指出的是，所示的医学应用只表示一种示例性的用途，以及按照本发明的焦点-检测器装置在不限制普遍性的情况下也可以应用于无损材料检验领域。

总之结论是，按照所描述的发明表示出了一种用于X射线相位对比测量的焦点-检测器装置，该焦点-检测器装置至少具有一个可通过超声波调谐的光栅。这样一种光栅可以在一侧具有超声波发生器以及在相对置的一侧具有反射器或另一个超声波发生器，使得通过改变超声波频率和/或距离或者在两个发生器的情况下通过激励频率之间的相变产生由于密度变化或单位长度的质量变化而出现的光栅结构，单位长度的质量变化是可以灵活控制的。

不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，本发明的上述特征不仅可以用于所分别列举的组合中，而且也适用于其他组合或单独场合。

Claims (28)

1.一种用于产生检查对象的投影或断层造影的相位对比照片的X射线设备的焦点-检测器装置(F₁，D)，其组成至少如下：

1.1.设置在检查对象(7，P)第一侧的具有用于产生射束(Si)的焦点(F₁)的辐射源，

1.2.在检查对象(7，P)的与第一侧相对的第二侧在射线途径中设置的相位光栅(G₁)，该相位光栅产生一个在预定能量区域内的X射线辐射的干涉图形，以及

1.3.分析检测系统(G₂，D₁)，该分析检测系统至少检测由相位光栅(G₁)产生的关于其强度分布的干涉图形，

其特征在于，

1.4.所述焦点-检测器装置的至少一个光栅(G)至少部分地由一种宏观均匀的光栅介质(13)组成，该介质具有通过超声波激发的周期性的结构变化，该结构变化在X射线束透过时导致干涉现象。

2.按照权利要求1所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个光栅(G)的光栅介质具有气体(13)。

3.按照权利要求1所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个光栅(G)的光栅介质具有液体。

4.按照权利要求3所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述液体为(液-固)悬浮液。

5.按照权利要求1所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个光栅(G)的光栅介质为凝胶。

6.按照权利要求1所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个光栅(G)的光栅介质为固体。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个光栅(G)的光栅介质被布设在一个封闭的空间(12)内，该封闭空间在至少一侧具有第一超声波发生器(14)。

8.按照权利要求7所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个光栅(G)的光栅介质的封闭的空间(12)在与所述第一超声波发生器(14)相对置侧通过一个超声波反射器得到限制。

9.按照权利要求7所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个光栅的光栅介质的封闭的空间(12)在与所述第一超声波发生器(14)相对置侧具有第二超声波发生器(14)。

10.按照权利要求7所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个光栅(G)的光栅介质在一侧与所述超声波发生器(14)机械地耦合。

11.按照权利要求6所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述光栅介质的固体由一种压电材料构成以及本身产生超声波。

12.按照权利要求1至6中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个通过用超声波激励的光栅介质构成的光栅(G)是相位光栅(G₁)。

13.按照权利要求12所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述相位光栅(G₁)在至少一个剖切平面内具有至少一个围绕着焦点(F₁)的曲率半径(r₁)。

14.按照权利要求13所述的焦点-检测器装置，其特征在于，对于分析光栅(G₂)的周期满足下列几何关系：

$g_2=\frac{1}{2}\·\frac{r_2}{r_1}\·g_1,$

其中：

r₁＝焦点到相位光栅的径向距离；

r₂＝焦点到分析检测系统的径向距离；

g₁＝相位光栅(G₁)的周期；

g₂＝用于相位检测的分析检测系统的周期。

15.按照权利要求13或14所述的焦点-检测器装置，其特征在于，保持下列几何关系：

$r_1>\frac{{g_1}^2}{2\mathrm{\λ}},$

其中：

r₁＝焦点到相位光栅的径向距离；

g₁＝相位光栅(G₁)的周期；

λ＝所考虑的X射线辐射的波长。

16.按照权利要求14所述的焦点-检测器装置，其特征在于，作为相位光栅与分析光栅之间的距离d_m要保持如下几何关系：

$r_2-r_1=d_m=(m-\frac{1}{2})\·\frac{{g_1}^2}{4\·\mathrm{\λ}},$

其中：

r₁＝焦点到相位光栅的径向距离；

r₂＝焦点到分析检测系统的径向距离；

g₁＝相位光栅(G₁)的周期；

d_m＝相位光栅到分析检测系统的距离＝第m序数的塔尔波特距离；

λ＝所考虑的X射线辐射的波长。

17.按照权利要求1至6中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述焦点(F₁)尽可能构造为点状以及满足下列相干条件：

$L=\mathrm{\λ}\frac{r_1}{s}>g_1,$

其中：

r₁＝焦点到相位光栅的径向距离；

s＝横向源尺寸；

g₁＝相位光栅(G₁)的周期；

λ＝所考虑的X射线的波长。

18.按照权利要求1至6中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，在焦点(F₁)与检查对象(7，P)之间设置用于产生相干射线(5)射束的源光栅(G₀)。

19.按照权利要求18所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个通过用超声波激励的光栅介质构成的光栅(G)是源光栅(G₀)。

20.按照权利要求1至6中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述分析检测系统设计为分辨位置的具有多个用于确定系统位置分辨率的检测器元件(E_X)的检测器(D₁)与沿射线方向设置在前的用于确定各检测器元件(E_X)的特定能量的X射线辐射的平均相位移的分析光栅(G₂)的组合。

21.按照权利要求20所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述分析检测系统的检测器(D₁)具有围绕所述焦点(F₁)的曲率。

22.按照权利要求20所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述分析检测系统的分析光栅(G₂)具有围绕所述焦点的曲率。

23.按照权利要求20所述的焦点-检测器装置，其特征在于，至少一个设计为感应超声波的光栅的光栅(G)是分析光栅(G₂)。

24.按照权利要求1至6中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述分析检测系统设计为分辨位置的具有多个确定系统位置分辨率的检测器元件(E_X)的检测器(D₁)，其中，至少一部分检测器元件(E_X)具有适用于确定各检测器元件(E_X)的特定能量的X射线辐射的平均相位移的内部结构/分辨率。

25.一种用于产生投影的相位对比照片的X射线系统，其特征在于，所述X射线系统具有按照上述权利要求1至24中任一项所述的焦点-检测器装置。

26.一种用于产生投影或断层造影的相位对比照片的X射线C形弓架系统，其特征在于，所述X射线C形弓架系统具有按照上述权利要求1至24中任一项所述的焦点-检测器装置。

27.一种用于产生断层造影的相位对比照片的X射线计算机断层造影系统，其特征在于，所述X射线计算机断层造影系统具有按照上述权利要求1至24中任一项所述的焦点-检测器装置。

28.一种用于运行用于产生投影和/或断层造影的相位对比照片的X射线系统的方法，其特征在于，采用按照上述权利要求1至24中任一项所述的焦点-检测器装置以及为了在分析检测系统中测量X射线辐射的相位移进行在光栅(G₀，G₁，G₂)之间或光栅(G₀，G₁，G₂)与检测器(D₁)之间或光栅(G₀，G₁，G₂)与焦点(F₁)之间的用于测量相位移所需的相对移动，其中，控制感应超声波的光栅(G)的相位。

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