DE102016204046A1

DE102016204046A1 - Verfahren und Röntgenvorrichtung zur interferometrischen Röntgen-2D-Bildgebung

Info

Publication number: DE102016204046A1
Application number: DE102016204046.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Bartl; Martino Leghissa; Marcus Radicke; Sven-Martin Sutter; Thomas Weber
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-12
Also published as: US10363005B2; US20170258423A1; DE102016204046B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Röntgenvorrichtung zur interferometrischen Röntgen-2D-Bildgebung unter Verwendung eines Talbot-Lau-Interferometers mit zumindest einem Phasengitter (G1) und einem Analysengitter (G2) zur Erzeugung von 2D-Abbildungen eines Untersuchungsobjektes unter Anwendung einer Phase-Stepping-Methode, wobei die schrittweise Auslesung des Detektors (D) an einer Vielzahl von Phasenpositionen (pi) des Interferenzmusters (M) fortdauernd erfolgt, aus den Auslesedatensätzen (A(ti) zeitliche Folgen von Ausleseintervalldatensätze (AI(ti–ti+7), AI(ti+1–ti+8), ...) extrahiert werden, die sich zeitlich überlappen, und aus jedem Ausleseintervalldatensatz (AI(ti–ti+7)) mindestens einen Ergebnisbilddatensatz (E(t)) aus einem Absorptionsbild (IA) und/oder einem Phasenkontrastbild (IPK) und/oder ein Dunkelfeldbild (IDF) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Röntgen-2D-Bildgebung unter Verwendung eines Talbot-Lau-Interferometers mit zumindest einem Phasengitter und einem Analysengitter zur Erzeugung von 2D-Abbildungen eines Untersuchungsobjektes unter Anwendung einer Phase-Stepping-Methode, wobei entsprechend der Lau-Bedingung durch das Phasengitter in Abständen jeweils ein Interferenzmuster mit einer Periode erzeugt wird, welches mit Hilfe des Analysengitters und eines in Strahlrichtung nachfolgend angeordneten pixelierten Detektors an mindestens drei Phasenpositionen innerhalb mindestes einer Periode des Interferenzmusters schrittweise nacheinander an verschiedenen Phasenpositionen ausgelesen wird, um einen Ergebnisbilddatensatz aus einem Absorptionsbild und/oder einem Phasenkontrastbild und/oder ein Dunkelfeldbild zu bestimmen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Röntgenvorrichtung zur interferometrischen Röntgenuntersuchung eines Untersuchungsobjektes mit einer interferometrischen Strahler-Detektor-Anordnung mit einem Strahlengang, in dem das Untersuchungsobjekt angeordnet werden kann, wobei im Strahlengang zumindest ein Phasengitter angeordnet ist, durch welches jeweils ein Selbstabbild des Phasengitters als Interferenzmuster in mindestens einem Abstand erzeugt wird, das mit Hilfe eines Analysengitter vor dem Detektor in einem Phase-Stepping-Modus ausgelesen wird, und einem Computersystem mit zumindest einem Programmspeicher, in dem Programmcode abgespeichert ist, der im Betrieb der Röntgenvorrichtung ausgeführt wird.
Die interferometrische Röntgenbildgebung ist eine Variante der Phasenkontrastbildgebung und basiert auf dem Einbringen von einem, zwei oder drei Gittern in den Strahlengang einer Strahler-Detektor-Anordnung eines Röntgenabbildungssystems.
Typischerweise werden die Gitter der Reihe nach in Strahlrichtung mit G₀, G₁ und G₂ bezeichnet.
Das erste Gitter G₀ ist ein Absorptionsgitter und befindet sich im Strahlengang nahe dem Fokus der Röntgenquelle und wird daher auch Quellengitter genannt. Es sorgt bei einem Fokus, der die benötigte räumliche Kohärenz nicht für die Bildgebung nicht bereitstellen kann, für die Einhaltung der für die Bildgebung wichtigen Kohärenzbedingung, indem er eine Vielzahl von quasikohärenten Einzelstrahlen erzeugt. Ist der Röntgenfokus sehr klein, wie er bei einer Mikrofokusröhre auftritt, dann wird das Quellengitter G₀ nicht gebraucht und kann weggelassen werden. Das Quellengitter G₀ ist normalerweise als Liniengitter aufgebaut, so dass die Kohärenzbedingung in einer Richtung erfüllt ist. Es kann jedoch auch Schachbrett-ähnlich aufgebaut werden und damit in zwei Richtungen die notwendige Kohärenz erfüllen. Die Abstände der Gitterlamellen sind typischerweise so ausgestaltet, dass der Lau-Effekt erfüllt wird, so dass in der Bildebene eine konstruktive Überlagerung der einzelnen Aussparungen des stattfindet.
Das zweite Gitter G₁ wird in der Regel als Phasengitter ausgelegt. Bei der Auslegung wird der Talbot-Effekt genutzt, welcher bezogen auf eine ausgewählte Röntgenenergie beziehungsweise Röntgenwellenlänge in bestimmten Abständen zum Phasengitter G1 ein Selbstabbild des Gitters in Form eines dort entstehenden Interferenzmusters erzeugt. Durch Einfügen eines Untersuchungsobjekts in den Strahlengang wird das Selbstabbild des Phasengitters G₁ gestört. Aus diesen Störungen können die Bildinformationen Absorption, differentielle Phasenverschiebung sowie Dunkelfeld gewonnen werden.
Wird zur Abtastung ein medizinischer Standarddetektor benutzt, so reicht im Allgemeinen die Pixelauflösung dieses Detektors nicht aus, um das Interferenzmuster auszulesen. In diesem Fall wird das Einbringen eines weiteren Analysengitters G₂ notwendig. Dieses Gitter wird von der Gitterperiode an das ungestörte Selbstabbild des Gitters G₁ angepasst. Durch Verschieben eines der im Strahlengang befindlichen Gitter, typischerweise wird hierfür meist das Analysengitter G₂ genutzt, und Auslesen des Detektors ohne Untersuchungsobjekt und mit Untersuchungsobjekt können die Bildinformationen Absorption, differentielle Phasenverschiebung sowie Dunkelfeld gewonnen werden. Das Verschieben des Gitters mit wird in der Literatur als Phase-Stepping bezeichnet. Beispielsweise wird auf die Druckschrift F. Pfeiffer et al., "Hard X-ray darkfield imaging using a grating interferometer", Nature Materials 7 (2008), verwiesen.
Durch die Auswertung der gewonnenen Bildinformationen lassen sich zweidimensionale Darstellungen eines Untersuchungsobjektes erzeugen, welche in allgemein bekannter Weise zur Diagnostik eines Patienten genutzt werden können.
Ein wesentliches Problem einer solchen Erzeugung von Bilddaten zur Diagnostik besteht darin, dass für die Erzeugung eines endgültigen Ergebnisbildes alle notwendigen im Phase-Stepping-Modus ablaufenden Messungen, nämlich mindestens 3, in der Praxis jedoch eher 8 bis 16, Messungen abgeschlossen sein müssen, um ein Ergebnisbild darstellen zu können. Da die Dauer jeder Messung etwa der Dauer einer konventionellen Absorptionsmessung entspricht, verlängert sich die Zeit für die Erstellung einer verwertbaren Bilddarstellung entsprechend auch um den Faktor von mindestens 3, in der Praxis eher um einen Faktor von 8 bis 16. Anders ausgedrückt reduziert sich die Bildrate einer Aufnahmesequenz um mindestens 1/3 beziehungsweise um 1/8 bis zu einem 1/16 in der Praxis.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Röntgenvorrichtung zu finden, die schnellere Bildergebnisse liefert, insbesondere eine aktuelle Durchleuchtung eines Patienten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei einer Fluoroskopie- beziehungsweise einer Video-Aufnahme-Sequenz das Phase-Stepping in einer Endlosschleife durchgeführt werden kann. Dabei werden die schrittweise ausgeführten Messungen mit jeweils verschobenem Gitter (Phase-Steps), beispielsweise die Messungen m bis n zur Rekonstruktion eines Bildsatzes herangezogen. Hierbei sollen die Variablen m und n mit n >= m + 3 eine durchgehende Nummerierung zeitlich nacheinander erfolgender Messungen zu den Zeitpunkten t_i mit i = 1 bis m beziehungsweise i = 3 bis n darstellen. Der nächste erfindungsgemäß ermittelte Bilddatensatz enthält dann die Phase-Stegs m + 1 bis n + 1 als Eingangsdaten. Damit wird eine Bildrate erzeugt, die gleich der Aufnahmerate der Phase-Step-Aufnahmen ist. Eine zeitliche Mittelung der Bildinformation ist dabei über das Intervall t_n bis t_m vorhanden.
Es kann als auf diese Weise erreicht werden, dass nicht mehr wie bisher üblich nach jedem durch mindestens drei Phase-Step-Messungen erstellten Ergebnisbild erneut auf die Durchführung von wiederum mindestens drei Phase-Step-Messungen gewertet werden muss, um ein neues Ergebnisbild zu erhalten. Stattdessen wird der vorhergehende Satz an Messdaten nochmals genutzt, wobei mindestens eine älteste Phase-Step-Messung gestrichen wird und eine gleiche Anzahl neuer Phase-Step-Messungen zeitlich vorne beziehungsweise in der Nummerierung hinten angehängt wird. Damit kann erfindungsgemäß die Bildrate für die Röntgenaufnahme bis zur Bildrate des Phasesteppings angehoben werden. Bisher wird erst nach einem vollständig durchgeführten Phase-Stepping ein Bildsatz angezeigt. Grundsätzlich besteht auch bei derart erzeugten Bilddarstellungen das Problem einer zeitlichen Verwaschung über die zur Ergebnisbilderstellung verwendeten Phase-Steps, also den gesamten Datenakquisitionszeitraum, hinweg. Dies stellt aber keine Verschlechterung gegenüber dem Stand der Technik dar.
Zusätzlich kann eine Gewichtung der Phase-Steps in der Rekonstruktion vorgenommen werden, wobei vorzugsweise die Gewichtung der Messwerte im Rekonstruktionsalgorithmus des Ergebnisbildes für die Absorption, die Phase und das Dunkelfeld über einen funktionalen Zusammenhang mit der Zeit vorgenommen werden kann. Besonders bevorzugt kann die Gewichtung umso geringer ausfallen, je länger der Phase-Step zeitlich zurück liegt. Außerdem können aus mehreren Teilmengen der insgesamt verwendeten Phase-Step-Messungen jeweils Zwischenbilddatensätze erzeugt werden, beispielsweise aus jeweils 3 Phase-Step-Messungen einer 12er-Serie 4 Zwischenbilddatensätze. Diese Zwischenbilddatensätze können dann wieder mit unterschiedlicher Gewichtung zu dem Ergebnisbilddatensatz kombiniert werden.
Weiterhin können auch, falls mehr als drei Phase-Step-Messungen für die Erzeugung eines Ergebnisbilddatensatzes oder jeweils eines Zwischenbilddatensatzes zur Verfügung stehen, durch Plausibilitätsüberlegungen oder Triggersignale ungültige Aufnahmen aus dem überbestimmten System der Bilddatenerzeugung eliminiert werden. Als Plausibilitätsbedingung kann beispielsweise eine besonders hohe Abweichung der Messdaten vom, gegebenenfalls pixelweisen, Rest der Messdaten oder deren Mittelwert gelten. Als Triggersignal kann ein im Röntgensystem auftretender technischer Fehler, zum Beispiel der Röntgenröhre, des Detektors oder der Phase-Stepping-Vorrichtung, genutzt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nun möglich, eine Phasenkontrast- oder Dunkelfeld-Bildgebung in einem Fluoroskopie-Modus auszuführen. Dies kann praktisch in „Echtzeit” geschehen, wenn die Rekonstruktion parallel zur Bildakquisition durchgeführt wird. Ein zeitlicher Versatz beziehungsweise eine zeitliche Ungenauigkeit der Darstellung ist lediglich durch den Zeitraum gegeben, der zur Aufnahme der zu rekonstruierenden Phase-Step-Messungen erforderlich ist.
Da das Phase-Stepping aus mechanischen Gründen nicht endlos kontinuierlich in eine Richtung fortgesetzt werden kann, kann das hier beschriebene Verfahren in unterschiedlichen Ausprägungen realisiert werden. Zum einen kann bei Erreichen einer Endposition des Phase-Stepping die Gitterposition wieder auf den ursprünglichen Startwert zurückgestellt werden und dort wieder mit den Phase-Stepping begonnen werden. Zum anderen kann bei Erreichen einer Endposition des Phase-Stepping die Phase-Stepping-Richtung der Gitter umgedreht werden und die Gitterpositionen quasi wieder zurückgefahren werden.
Bezüglich der im erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführten Phase-Stepping-Methode können drei unterschiedliche Methoden des Phase-Steppings genutzt werden:
In einer ersten Ausführungsform – „step-and-shoot”-Methode – werden die Gitterpositionen schrittweise angefahren und die Akquisition eines Phase-Step-Auslesedatensatzes durchgeführt, wenn die Gitterposition stabil erreicht ist. Dies entspricht der heute in der Literatur üblicherweise verwendeten Methode.
In einer zweiten Ausführungsform – „continuous-phasestepping”-Methode – werden die Gitterpositionen kontinuierlich verändert und während der Bewegung des Gitters Phase-Step-Auslesedatensätze akquiriert. Dieses Verfahren benötigt eine kurze Belichtungszeit des Detektors und ergibt eine hohe Bildrate. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass das Phase-Stepping mechanisch einfacher als kontinuierliche Bewegung beziehungsweise kontinuierlich oszillierende Bewegung realisiert werden kann.
In einer dritten Ausführungsform – „elektromagnetische Phase-Stepping-Methode” – wird das mechanisch bewegte Phase-Stepping durch die gesteuerte Bewegung des Röntgenbrennflecks durchgeführt. Hierfür lassen sich geschlossene Trajektorien der Fokusbrennbahn und damit des Phase-Steppings in Endlosschleifen realisieren.
Entsprechend der vorab beschriebenen Grundgedanken schlagen die Erfinder ein Verfahren zur interferometrischen Röntgen-2D-Bildgebung unter Verwendung eines Talbot-Lau-Interferometers mit zumindest einem Phasengitter und einem Analysengitter zur Erzeugung von 2D-Abbildungen eines Untersuchungsobjektes unter Anwendung einer Phase-Stepping-Methode vor, wobei entsprechend der Lau-Bedingung durch das Phasengitter in Abständen jeweils ein Interferenzmuster mit einer Periode erzeugt wird, welches mit Hilfe des Analysengitters und eines in Strahlrichtung nachfolgend angeordneten pixelierten Detektors an mindestens drei Phasenpositionen innerhalb mindestes einer Periode des Interferenzmusters zeitlich nacheinander Auslesedaten ausgelesen wird, und aus den Auslesedaten (a) je Auslesezeitpunkt (t_i) und Phasenposition (p_i~t_i) ein Auslesedatensatz A(t_i) und innerhalb eines Zeitintervalls (t_i–t_i+7) ein Ausleseintervalldatensatz (AI(t_i–t_i+7)) erzeugt wird.
Erfindungsgemäß verbessert wird dieses Verfahren dadurch, dass:

– die schrittweise Auslesung des Detektors an einer Vielzahl von Phasenpositionen des Interferenzmusters fortdauernd erfolgt,
– aus den Auslesedatensätzen zeitliche Folgen von Ausleseintervalldatensätze extrahiert werden, die sich zeitlich überlappen,
– und aus jedem Ausleseintervalldatensatz mindestens einen Ergebnisbilddatensatz aus einem Absorptionsbild und/oder einem Phasenkontrastbild und/oder ein Dunkelfeldbild berechnet wird.

Somit kann dadurch, dass nicht mehr alle für das Ergebnisbild notwendigen Auslesedatensätze neu erzeugt werden, sondern auf zurückliegende und bereits vorhandene Auslesedatensätze zurückgegriffen wird und nur ein Teil der älteren Auslesedatensätze durch einen gleich großen Teil neuer Auslesedatensätze für die Erzeugung eines neuen Ausleseintervalldatensatzes ersetzt wird, die Bildrate der Darstellung des Ergebnisbilddatensatzes bis zur Schrittsequenz des Phase-Steppings gesteigert werden. Der jeweilige Ergebnisbilddatensatz wird dabei aus dem jeweils aktuellen Ausleseintervalldatensatz berechnet. Je nachdem wie viele Auslesezyklen beziehungsweise Ausleseintervalldatensätze bis zur neue Erstellung der Ergebnisbilddatensätze abgewartet werden, ändert sich die erreichte Bildrate. Bestenfalls kann die Bildrate der Rate des Phase-Steppings angeglichen werden, wobei die erforderliche Rechenkapazität mit wachsender Bildrate entsprechend ansteigt beziehungsweise umgekehrt fällt. Hierdurch kann auch eine problemlose Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an die jeweils zur Verfügung stehende oder im System zur Verfügung gestellte Rechenkapazität erfolgen, wenn die Berechnung in Echtzeit stattfinden soll.
Entsprechend wird auch vorgeschlagen, dass sukzessive mit jeder n-ten Erzeugung eines neuen Auslesedatensatzes mit n >= 1 aus dem neuen und mindestens zwei zurückliegenden Auslesedatensätzen ein neuer Ausleseintervalldatensatz und daraus ein Ergebnisbilddatensatz erzeugt wird.
Ein vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens sieht somit auch vor, dass eine Bildsequenz an Ergebnisbilddatensätzen, also ein Video, erzeugt und vorzugsweise ausgegeben wird, wobei jeder Ergebnisbilddatensatz aus der gleichen Anzahl sich zeitlich im Mittel verschiebender Auslesedatensätze gebildet wird.
Weiterhin können bei der Erzeugung der Ergebnisbilddatensätze die verwendeten Auslesedatensätze unterschiedlich gewichtet verwendet werden, wobei besonders bevorzugt bei der Gewichtung der Auslesedatensätze die zeitlich weiter von einem Referenzzeitpunkt entfernt liegenden Auslesedatensätze geringer gewichtet werden als näher am Referenzzeitpunkt liegende Auslesedatensätze, wobei der Referenzzeitpunkt sich für jeden Ergebnisbilddatensatz verändert. Es werden also zunächst ungewichtet ermittelte Auslesedatensätze verwendet, die in der oben beschriebenen Weise zeitlich sukzessive nach vorne wandern und diese dann zur Berechnung des Ergebnisbilddatensatzes jeweils mit einer Gewichtsfunktion gewichtet, die sich nur an den jeweils genutzten Auslesedatensätzen orientiert.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn zur Erzeugung jeweils eines endgültigen Ergebnisbilddatensatzes zunächst mehrere Zwischenbilddatensätze aus jeweils mindestens drei zurückliegenden Auslesedatensätzen erzeugt werden und diese Zwischenbilddatensätze gewichtet zu einem endgültigen Ergebnisbilddatensatzes kombiniert werden.
Weiter vorteilhaft können bei der Gewichtung der Zwischenbilddatensätze die zeitlich weiter von einem weiteren Referenzzeitpunkt entfernt liegenden Zwischenbilddatensätze geringer gewichtet werden als näher am weiteren Referenzzeitpunkt liegende Zwischenbilddatensätze.
Entsprechend können zur Erzeugung des endgültigen Ergebnisbilddatensatzes m = k·n, vorzugsweise mit m = 12, n = 3 und k = 4, Auslesedatensätze verwendet werden. Wobei auch mit den m Auslesedatensätzen k Zwischenbilddatensätze aus jeweils n zeitlich benachbarten Auslesedatensätzen berechnet werden können und aus den k Zwischenbilddatensätzen ein endgültiger Ergebnisbilddatensatz kombiniert werden kann.
Die Erfinder schlagen außerdem vor, dass bei der räumlich schrittweisen Auslesung der Detektordaten, also dem Phase-Stepping, eine sägezahnartige Relativbewegung mit mehrfachen Vorwärtsschritten und einem Rückwärtsschritt stattfindet.
Weiterhin kann bei der räumlich schrittweisen Auslesung der Detektordaten auch eine zyklische Relativbewegung mit mehrfachen Vorwärtsschritten und mehrfachen Rückwärtsschritten stattfindet.
Außerdem kann für die räumlich schrittweise Auslesung der Detektordaten eine Relativbewegung eines der Röntgengitter oder des Untersuchungsobjektes oder mindestens eines Brennflecks im Strahler ausgeführt werden.
Die Auslesung der Detektordaten kann einerseits während eines Stillstandes der Relativbewegung stattfinden oder andererseits während eines Teils der zyklischen Relativbewegung. Das bedeutet, dass im letzteren Fall eine kontinuierliche Relativbewegung stattfindet.
Neben dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren schlagen die Erfinder auch eine Röntgenvorrichtung zur interferometrischen Röntgenuntersuchung eines Untersuchungsobjektes, insbesondere eines Patienten, vor, welche eine interferometrische Strahler-Detektor-Anordnung mit einem Strahlengang, in dem das Untersuchungsobjekt angeordnet werden kann, wobei im Strahlengang zumindest ein Phasengitter angeordnet ist, durch welches jeweils ein Selbstabbild des Phasengitters als Interferenzmuster in mindestens einem Abstand erzeugt wird, das mit Hilfe eines Analysengitter vor dem Detektor in einem Phase-Stepping-Modus ausgelesen wird, und ein Computersystem mit zumindest einem Programmspeicher, in dem Programmcode abgespeichert ist, der im Betrieb der Röntgenvorrichtung ausgeführt wird, aufweist, wobei auch Programmcode gespeichert ist, der im Betrieb das Verfahren gemäß einem der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt.
Vorteilhaft weist eine solche Röntgenvorrichtung auch ein Quellengitter auf, welches in Strahlrichtung nach dem Strahler im Strahlengang angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden Bezugszeichen verwendet: 1: Strahler-Detektor-Anordnung; 2: Phase-Stepping-Vorrichtung; 3: Steuerelement; 4: Steuer- und Recheneinheit; I–V: Verfahrensschritte; A(t_i): Auslesedatensatz des Detektors zur Zeit t_i; AI(t_i, t_i+7): Ausleseintervalldatensatz des Detektors im Zeitintervall t_i bis t_i+7; a(t_i): Auslesedaten der Detektorelemente zur Zeit t_i; D: Röntgendetektor; d: Detektorelemente; F: Fokus; G₀: Quellengitter; G₁: Phasengitter; G₂: Analysengitter; I_p: Strahlungsintensität an einem Detektorelement; M: Interferenzmuster; m: Messwert; n: Messwert; O: Untersuchungsobjekt; S: Röntgenstrahl; t_i: Messzeitpunkt.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Röntgensystems;
2: symbolisierte Darstellung des Zeitablaufes eines konventionellen Phase-Stepping-Verfahrens anhand des Strahlungsintensitätsverlaufes eines Detektorelementes;
3: symbolisierte Darstellung des Zeitablaufes eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Strahlungsintensitätsverlaufes eines Detektorelementes mit einer dem Phase-Stepping gleichen Bildrate;
4: symbolisierte Darstellung nach 3, jedoch mit einer zum Phase-Stepping halben Bildrate;
5: Darstellung einer beispielhaften Gewichtungsfunktion für fortlaufende Ausleseintervalldatensätze;
6: Flussschema für den Ablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Röntgenvorrichtung mit einer Strahler-Detektor-Anordnung, die eine Talbot-Laue-Gitteranordnung aufweist.
Diese erfindungsgemäße Strahler-Detektor-Vorrichtung 1 weist als Strahler einen Fokus F und einen in eine Vielzahl von Detektorelementen pixelierten Detektor D auf, zwischen denen sich einen Strahlengang ausbildet. In diesem Strahlengang befindet sich unmittelbar hinter dem Fokus F ein als Absorptionsgitter ausgebildetes Quellengitter G₀, welches quasikohärente Röntgenstrahlung in Form einer Vielzahl von in sich kohärenten Röntgenstrahlen S erzeugt. Es folgt darauf ein Phasengitter G₁, welches ein Interferenzmuster M erzeugt, das in vorbestimmten Abständen ein Selbstabbild des Phasengitters erzeugt. Unter Zuhilfenahme des nachfolgenden Analysengitters G₂ kann in einem Phase-Stepping-Modus mithilfe der Phase-Stepping-Vorrichtung 2, die das Analysengitter G₂ schrittweise während der Messung verschiebt, und dem nachfolgenden Detektor D das Interferenzmuster M pixelweise an den Detektorelementen E ausgelesen werden.
Die Steuerung der Phase-Stepping-Vorrichtung 2 erfolgt durch ein Steuersegment 3. Dieses Steuersegment 3 kann auch einen Teil der Steuer- und Recheneinheit 4 darstellen, die im Übrigen die Steuerung des Röntgensystems betreibt und gegebenenfalls auch Bildrekonstruktionen auf der Basis gemessener Projektionen ausführt. Insgesamt sind dabei für die Durchführung zumindest der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte und auch der an sich bekannten Betriebsweise einer interferometrischen Röntgenvorrichtung Computerprogramme Prg₁–Prg_n in einem Speicher der Steuer- und Recheneinheit 4 abgelegt, welche im Betrieb ausgeführt werden.
Diese hier gezeigte Gitteranordnung, in der ausschließlich das Analysengitter G₂ für das Phase-Stepping bewegt wird, stellt lediglich ein Beispiel einer Ausführungsvariante dar. Die vorliegende Erfindung kann auch in Kombination mit Phase-Stepping-Verfahren ausgeführt werden, bei denen eines der anderen Röntgengitter für das Phase-Stepping genutzt wird. Alternativ kann auch anstelle eines Gitters der Fokus beziehungsweise der Brennfleck auf einer Anode einer Röntgenröhre bewegt werden oder es kann ein gesamtes Brennfleckmuster auf einer Anode einer Röntgenröhre verschoben werden.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung des Intensitätsverlaufes eines beispielhaften Detektorelements E eines Detektors D bei der schrittweisen Auslesung der Strahlungsintensität Ip während eines Phase-Stepping-Verfahrens hinter einem sich relativ verschiebenden Analysengitter G₂ der Vorrichtung aus 1. Auf der Ordinate ist die gemessene Strahlungsintensität Ip eines Detektorelementes beziehungsweise des dadurch gebildeten Pixels aufgetragen, während die Abszisse die Zeitachse t bildet. Da die Relativbewegung mit der Zeit fortschreitet, repräsentiert jede zeitliche Position t_i auch eine entsprechende Phasenposition p_i im Interferenzmuster M. Die Messpunkte aus zwei konventionellen Messdatensätzen einer Phasenkontrastmessung sind mit m, m + 1, ... und n, n + 1, ... bezeichnet.
Erfindungsgemäß werden allerdings die Messungen und daraus resultierende Berechnungen von Ergebnisbilddatensätzen ausgeführt, wie es beispielhaft in der 3 dargestellt ist. Diese zeigt ähnlich der 2 den Intensitätsverlauf Ip eines Detektorelementes beziehungsweise eines daraus resultierenden Pixels über die Zeit t, wobei einzelne Messpunkte a(t_i) mit „+”-Zeichen markiert sind. Zusammengefasst bildet die Summe der ausgelesenen Messwerte a(t_i) aller Detektorelemente eines Detektors zur Zeit t_i einen Auslesedatensatz A(t_i). Zur Berechnung eines Ergebnisbilddatensatzes E(t) sind mindestens drei Auslesedatensätze A(t_i) innerhalb eines Zeitintervalles an mindestens drei Phasenpositionen p_i notwendig. Im gezeigten Beispiel werden solche Ausleseintervalldatensätze AI(j) über die Zeitintervalle t₁–t₈, t₂-t₉, etc. aus den vorliegenden Auslesedatensätzen A(ti) der relevanten Messzeitpunkte gebildet und unter der Abszisse beziehungsweise Zeitachse symbolisiert dargestellt. Es werden hier also Ausleseintervalldatensätze mit zeitlich fortschreitenden Intervallen gebildet, indem sukzessive von Ausleseintervalldatensatz zu Ausleseintervalldatensatz jeweils ein ältester Auslesedatensatz entnommen und ein neuester, vorzugsweise gerade gemessener, Auslesedatensatz zum Intervall hinzugefügt wird. Werden aus diesen Ausleseintervalldatensätzen jeweils Ergebnisbilddatensätze errechnet, so ergibt sich eine Bildrate, die der Auslesrate der Auslesedatensätze entspricht.
In der 4 ist eine der 3 entsprechende Darstellung gezeigt, wobei allerdings der Unterschied von Ausleseintervalldatensatz AI(j) zu Ausleseintervalldatensatz AI(j + 1) usw. jeweils zwei Messzyklen beziehungsweise zwei Auslesedatensätze beträgt. Entsprechend ergibt sich eine nur halb so große Bildrate.
Wie oben bereits ausgeführt, können die erzeugten und verwendeten Auslesedatensätze bei der Bildung der Berechnung der Ergebnisbilddatensätze gewichtet genutzt werden, wobei eine Verminderung des Gewichtes mit zunehmendem zeitlichen Abstand zum aktuellsten Auslesedatensatz bevorzugt wird. In der 5 sind solche Gewichtsverläufe g(AI(j)) passend zur Ausführung des Verfahrens nach der darüber stehenden 4 dargestellt. Demnach erhält jedes Zeitintervall einen eigenen Gewichtungsverlauf, wobei dieser sich relativ innerhalb der Zeitintervalle gleich verhält.
Schließlich zeigt die 6 noch ein Flussschema für den Ablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens ohne eine besondere Gewichtung der Auslesdaten. Dabei wird im Schritt I die sukzessive Messung der Auslesedaten a(t_i) gezeigt. Es wird dabei nochmals darauf hingewiesen, dass aufgrund der zeitlich voranschreitenden Relativverschiebung mindestens eines der Röntgengitter beziehungsweise des Fokus mit der Zeitänderung t_i auch eine Verschiebung des Interferenzmusters zu fortschreitenden Phasenpunkten p_i einhergeht.
Im zweiten Schritt II werden aus dem Datenpool der vorhandenen Auslesedaten jeweils acht Auslesedatensätze A(1) bis A(8) zu acht einander folgenden Zeitpunkten (1) bis (8) entnommen und im Schritt III zu einem entsprechenden Ausleseintervalldatensatz AI(t = 1–8) zusammengefasst. Aus diesem Ausleseintervalldatensatz AI(t = 1–8) wird im Schritt IV ein Ergebnisbilddatensatz E(1) errechnet, der zumindest einen Bilddatensatz enthält, die Absorption I_A(1), den Phasenkontrast I_PK(1) oder die Dunkelfeldinformation I_DF(1) enthält. Entsprechend erfolgt im Schritt V die Ausgabe und/oder Speicherung der entsprechenden Bilddatensätze I_A(1), I_PK(1) und/oder I_DF(1). Anschließend wird wieder zum Schritt II zurückgegangen und für ein weiteres Zeitintervall, hier (2) bis (9), die Schritte II bis V ausgeführt, wobei zuvor während der Ausführung der Schritte II bis V weitere Auslesedaten zu mindestens einem neuen Zeitpunkt ermittelt wurden. Wird dieses Vorgehen fortlaufend fortgeführt, ermöglicht dies eine Video-Darstellung mindestens eines der Ergebnisbilddatensätze bezüglich Absorption, Phasenkontrast und/oder Dunkelfeld mit einer Bilddatenrate, die maximal der Ausleserate des Detektors entspricht.
Insgesamt wird mit der Erfindung also ein ein Verfahren und eine Röntgenvorrichtung zur interferometrischen Röntgen-2D-Bildgebung unter Verwendung eines Talbot-Lau-Interferometers mit zumindest einem Phasengitter und einem Analysengitter zur Erzeugung von 2D-Abbildungen eines Untersuchungsobjektes unter Anwendung einer Phase-Stepping-Methode vorgeschlagen, wobei die schrittweise Auslesung des Detektors an einer Vielzahl von Phasenpositionen des Interferenzmusters fortdauernd erfolgt, aus den Auslesedatensätzen zeitliche Folgen von Ausleseintervalldatensätze extrahiert werden, die sich zeitlich überlappen, und aus jedem Ausleseintervalldatensatz mindestens einen Ergebnisbilddatensatz aus einem Absorptionsbild und/oder einem Phasenkontrastbild und/oder ein Dunkelfeldbild berechnet wird. Optional ergänzende Merkmale sind oben ausführlich beschrieben.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere beschränkt sich die Erfindung nicht auf die nachfolgend angegebenen Merkmalskombinationen, sondern es können auch für den Fachmann offensichtlich ausführbare andere Kombinationen und Teilkombination aus den offenbarten Merkmalen gebildet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

F. Pfeiffer et al., ”Hard X-ray darkfield imaging using a grating interferometer”, Nature Materials 7 (2008) [0007]

Claims

Verfahren zur interferometrischen Röntgen-2D-Bildgebung mit einem Talbot-Lau-Interferometer unter Verwendung eines Talbot-Lau-Interferometers mit zumindest einem Phasengitter (G₁) und einem Analysengitter (G₂) zur Erzeugung von 2D-Abbildungen eines Untersuchungsobjektes unter Anwendung einer Phase-Stepping-Methode, wobei: 1.1. entsprechend der Lau-Bedingung durch das Phasengitter (G₁) in Abständen jeweils ein Interferenzmuster (M) mit einer Periode (p_M) erzeugt wird, welches mit Hilfe des Analysengitters (G₂) und eines in Strahlrichtung nachfolgend angeordneten pixelierten Detektors (D) an mindestens drei (i >= 3) Phasenpositionen (p₁) innerhalb mindestes einer Periode (P_M) des Interferenzmusters (M) zeitlich nacheinander Auslesedaten (a) ausgelesen wird, 1.2. aus den Auslesedaten (a) je Auslesezeitpunkt (t_i) und Phasenposition (p_i~t_i) ein Auslesedatensatz A(t_i) und innerhalb eines Zeitintervalls (t_i–t_i+7) ein Ausleseintervalldatensatz (AI(t_i–t_i+7)) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass: 1.3. die schrittweise Auslesung des Detektors (D) an einer Vielzahl von Phasenpositionen (p_i) des Interferenzmusters (M) fortdauernd erfolgt, 1.4. aus den Auslesedatensätzen (A(t_i) zeitliche Folgen von Ausleseintervalldatensätze (AI(t_i–t_i+7), AI(t_i+1–t_i+8), ...) extrahiert werden, die sich zeitlich überlappen, 1.5. und aus jedem Ausleseintervalldatensatz (AI(t_i–t_i+7)) mindestens einen Ergebnisbilddatensatz (E(t)) aus einem Absorptionsbild (I_A) und/oder einem Phasenkontrastbild (I_PK) und/oder ein Dunkelfeldbild (I_DF) berechnet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sukzessive mit jeder n-ten Erzeugung eines neuen Auslesedatensatzes (A(t_i)) mit n >= 1 aus dem neuen und mindestens zwei zurückliegenden Auslesedatensätzen (A(t_i)) ein neuer Ausleseintervalldatensatz (AI(t_i–t_i+7)) und daraus ein Ergebnisbilddatensatz (E(t)) erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildsequenz (= Video) an Ergebnisbilddatensätzen (E(t)) erzeugt und vorzugsweise ausgegeben wird, wobei jeder Ergebnisbilddatensatz (E(t)) aus der gleichen Anzahl sich zeitlich im Mittel verschiebender Auslesedatensätzen (A(t_i)) gebildet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Ergebnisbilddatensätze (E(t)) die verwendeten Auslesedatensätze (A(t_i)) unterschiedlich gewichtet verwendet werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gewichtung der Auslesedatensätze (A(t_i)) die zeitlich weiter von einem Referenzzeitpunkt (t_i) entfernt liegenden Auslesedatensätze (A(t_i)) geringer gewichtet werden als näher am Referenzzeitpunkt (t_i) liegende Auslesedatensätze (A(t_i)), wobei der Referenzzeitpunkt (t_i) sich für jeden Ergebnisbilddatensatz (E(t)) verändert.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung jeweils eines endgültigen Ergebnisbilddatensatzes (E(t)) zunächst mehrere Zwischenbilddatensätze (Z(1), Z(2), Z(3)) aus jeweils mindestens drei zurückliegenden Auslesedatensätzen (A(t_i)) erzeugt werden und diese Zwischenbilddatensätze (Z(1), Z(2), Z(3)) gewichtet zu einem endgültigen Ergebnisbilddatensatzes (E(t)) kombiniert werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gewichtung der Zwischenbilddatensätze (Z(1), Z(2), Z(3)) die zeitlich weiter von einem weiteren Referenzzeitpunkt (t_i) entfernt liegenden Zwischenbilddatensätze (Z(1), Z(2), Z(3)) geringer gewichtet werden als näher am weiteren Referenzzeitpunkt liegende Zwischenbilddatensätze (Z(1), Z(2), Z(3)).
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des endgültigen Ergebnisbilddatensatzes (E(t)) m = k·n, vorzugsweise mit m = 12, n = 3 und k = 4, Auslesedatensätze (A(t_i)) verwendet werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit den m Auslesedatensätzen (A(t_i)) k Zwischenbilddatensätze (Z(t)) aus jeweils n zeitlich benachbarten Auslesedatensätzen (A(t_i)) berechnet werden und aus den k Zwischenbilddatensätzen (Z(t)) ein endgültiger Ergebnisbilddatensatz (E(t)) kombiniert wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der schrittweisen Auslesung (= Phase Stepping) der Detektordaten eine sägezahnartige Relativbewegung mit mehrfachen Vorwärtsschritten und einem Rückwärtsschritt stattfindet.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der schrittweisen Auslesung (= Phase Stepping) der Detektordaten eine zyklische Relativbewegung mit mehrfachen Vorwärtsschritten und mehrfachen Rückwärtsschritten stattfindet.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass bei der schrittweisen Auslesung (= Phase Stepping) der Detektordaten eine Relativbewegung eines der Röntgengitter (G₀, G₁, G₂) oder des Untersuchungsobjektes (O) oder mindestens eines Brennflecks (F) im Strahler stattfindet.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Auslesung während eines Stillstandes der Relativbewegung stattfindet.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Auslesung während eines Teils der zyklischen Relativbewegung stattfindet.
Röntgenvorrichtung (1) zur interferometrischen Röntgenuntersuchung eines Untersuchungsobjektes (O), insbesondere eines Patienten, aufweisend: 15.1. eine interferometrische Strahler-Detektor-Anordnung (F, G₁, D) mit einem Strahlengang, in dem das Untersuchungsobjekt (O) angeordnet werden kann, wobei im Strahlengang zumindest ein Phasengitter (G₁) angeordnet ist, durch welches jeweils ein Selbstabbild des Phasengitters (G₁) als Interferenzmuster (M) in mindestens einem Abstand (a) erzeugt wird, das mit Hilfe eines Analysengitter vor dem Detektor (D) in einem Phase-Stepping-Modus ausgelesen wird, 15.2. ein Computersystem (4) mit zumindest einem Programmspeicher, in dem Programmcode (Prg₁–Prg_m) abgespeichert ist, der im Betrieb der Röntgenvorrichtung ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass 15.3. auch Programmcode (Prg_m+1–Prg_n) gespeichert ist, der im Betrieb das Verfahren gemäß einem der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt.
Röntgenvorrichtung (1) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quellengitter (G₀) nach dem Strahler (F) angeordnet ist.