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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung mindestens einer projektiven oder tomographischen Phasenkontrast- und/oder Dunkelfelddarstellung eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Talbot-Lau-Gitter-Interferometers durch eine Phase-Stepping-Methode, bei der mit und ohne Untersuchungsobjekt eine Vielzahl von Intensitätsbildern mit unterschiedlichen Gitterpositionen aufgenommen werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Röntgensystem zur Erzeugung mindestens einer projektiven oder tomographischen Phasenkontrast- und/oder Dunkelfelddarstellung eines Untersuchungsobjektes mit mindestens einem als Talbot-Lau-Gitter-Interferometer ausgebildeten Strahler-Gitter-Detektor-System, zur Ausführung einer Phasestepping-Methode, wobei eine Steuer- und Recheneinheit im Betrieb zumindest das Strahler-Gitter-Detektor-System steuert.
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Ähnliche Verfahren und Röntgensysteme zur Erzeugung von Phasenkontrast- und/oder Dunkelfelddarstellungen eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe von Talbot-Lau-Gitteranordnungen unter Anwendung eines als „phase stepping“ bezeichneten Verfahrens im Bereich projektiver und tomographischer Röntgenbildgebung sind allgemein bekannt. Beispielhaft wird auf die Druckschrift F. Pfeiffer et al., „Hard X-ray dark-field imaging using a grating interferometer“, Nature Materials 7 (2008), und auf die Druckschrift
EP 1 731 099 A1 verwiesen.
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Mit einem auf einem Gitterinterferometer basierten Phasenkontrastaufbau ist es möglich, parallel Absorptions-, Phasensowie Dunkelfeldinformationen aus einem Bild zu extrahieren. Die Messung selbst erfolgt dabei durch das sogenannte Phase-Stepping, wobei eines der Gitter und vorzugsweise auch der Fokuspunkt des Röntgenstrahlers in mehreren diskreten Schritten um insgesamt eine Gitterperiode des relativbewegten Gitters verschoben werden.
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Zur Rekonstruktion der eigentlichen Signale wird an die durch das Stepping modulierte Intensitätskurve in jedem Bildpixel eine Sinusfunktion angefittet. Um diesen Fit durchzuführen, gibt es verschiedenste Ansätze, die aber alle darauf basieren, dass die Samplingpositionen der Sinuskurve, also die relativen Gitterpositionen während des Steppings, exakt bekannt sind. Reale Strahler-Gitter-Detektor-Anordnungen zeigen jedoch, dass es äußerst schwer ist, die exakte Position eines schrittweise verschobenen Gitters zu jedem Sampling zu bestimmen. Da die Schrittweiten der jeweils vorgenommenen Gitterverschiebung sich im Mikrometerbereich bewegen, treten störende Hysterese- und Temperatureffekte auf, die zu Ungenauigkeiten führen. Das Ergebnis solcher Ungenauigkeiten bei der Gitterpositionierung sind Bildartefakte wie Hintergrund-Offsets und Gradienten, die gegebenenfalls leicht korrigierbar sind, aber auch schwer mit reiner Bildverarbeitung zu korrigierende Moire-Muster im erzeugten Phasen- und Dunkelfeld- und auch im Absorptionsbild.
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Bezüglich der Verwendung der in Leer- und Objektaufnahmen auftretenden Moire-Muster bei der Phasenkontrast-Bildgebung zum Abgleich zwischen den Leer- und Objektaufnahmen durch Registrierungsverfahren wird auf die Druckschrift
US 2012/0250823 A1 verwiesen. Allerdings wird gemäß dieser Druckschrift keine Relativpositionsbestimmung zwischen Leer- und Objektaufnahmen ausgeführt und insbesondere keine Zwischenpositionen der Objektaufnahmen berücksichtigt, wodurch eine sehr hohe Anzahl an Leeraufnahmen notwendig wird, um eine ausreichende Genauigkeit relativen Positionsbestimmung der Gitter für die aufgenommenen Objektaufnahmen zu erhalten.
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Des Weiteren wird auf die im Prüfungsverfahren ermittelte Druckschrift Francisco P. M. OLIVEIRA, Joao Manuel R. S. TAVARES: „Medical Image Registration: a Review“ in: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 17(2)(2014), DOI: 10.1080/10255842.2012.670855, verwiesen, welche einen Überblick über Methoden der Registrierung von medizinischer Darstellungen aus unterschiedlichen Quellen wie CT, MRI, PET SPECT oder fMRI, unter anderem auch durch Methoden der iterativen Optimierung, liefert.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und ein Röntgensystem zur Erzeugung mindestens einer projektiven oder tomographischen Phasenkontrast- und/oder Dunkelfelddarstellung eines Untersuchungsobjektes mit mindestens einem als Talbot-Lau-Gitter-Interferometer ausgebildeten Strahler-Gitter-Detektor-System, zur Ausführung einer Phasestepping-Methode, zu finden, bei dem die auftretenden Bildartefakte in der jeweils erzeugten Röntgendarstellung reduziert sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Im Rahmen eines Phase-Stepping-Verfahrens werden zur Ermittlung der pixelweisen Phasenkontrastinformationen zunächst Leeraufnahmen, als Intensitätsaufnahmen ohne Untersuchungsobjekt, an einer Vielzahl von Gitterpositionen eines bewegten Gitters der Gitteranordnung aufgenommen und pixel- oder strahlweise der - idealerweise sinusförmige - Intensitätsverlauf relativ zur Gitterverschiebung über mindestens eine Periode des verschobenen Gitters ermittelt und ein Fit an einen Sinusverlauf ausgeführt. Anschließend wird das Untersuchungsobjekt in den Strahlengang gebracht und mehrere Objektaufnahmen mit ebenfalls unterschiedlichen Gitterpositionen aufgenommen. Auch hier wird strahlweise der Intensitätsverlauf ermittelt und ein Sinusfit des pixelweisen Intensitätsverlaufes aufgeführt. Beide so ermittelten Sinuskurven eines Strahls beziehen sich jeweils auf die Gitterpositionen. Der Unterschied der Sinuskurven der Objektaufnahmen zu den Sinuskurven der Leeraufnahmen bezüglich deren Phasenlage ergibt die Phasenverschiebung des jeweiligen Strahls. Das Verhältnis der Amplituden ergibt die Dunkelfeldinformation und das Verhältnis der Mittelwerte ergibt den Absorptionswert.
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Aufgrund minimaler Fehlausrichtungen der Gitteranordnung entstehen sowohl in den Leeraufnahmen als auch in den Objektaufnahmen Moire-Muster, die normalerweise zu Bildartefakten führen. Der Erfinder hat erkannt, dass die Moire-Muster sich jeweils mit der Ortsveränderung des bewegten Gitters kontinuierlich verändern und so als Hilfe dienen können, die Positionen des bewegten Gitters zwischen Leeraufnahmen und Objektaufnahmen zu normieren. Da beim Vergleich der Sinuskurven von Leeraufnahmen und Objektaufnahmen lediglich deren relative Position zueinander wesentlich ist, um korrekte Aussagen bezüglich der Phaseninformationen zu erhalten, kann das Moire-Muster als normierender Faktor beim Vergleich der Sinuskurven beziehungsweise für die relative Positionierung der Gitter bei Leer- und Objektmessungen verwendet werden.
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Der vorgeschlagene Algorithmus nutzt somit eine Nichtidealität des Interferometers, da selbst bei perfekter Ausrichtung der Gitter im Intensitätsbild einzelner Phase-Steps ein niederfrequentes Moire-Muster erhalten bleibt. Dieses Muster wird während eines Phasesteppings über eine Gitterperiode mit einer Periode von 2π moduliert. Jeder Gitterposition liegt in einer Leeraufnahme also ein eindeutig identifizierbares Moire-Muster zugrunde. Dieses niederfrequente Moire-Muster bleibt auch erhalten, wenn ein Objekt im Strahlengang eingefügt ist. Die durch das Objekt induzierten Phasenveränderungen bewegen sich in einem deutlich kleineren Bereich als die charakteristischen Moire-Streifen.
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Vorteilhaft kann bei diesem Verfahren der Referenzscan, also die Erzeugung von Leeraufnahmen, mit einer möglichst großen Anzahl an vielen Gitterpositionen beziehungsweise mit möglichst vielen Phase-Steps durchgeführt werden, so dass aufgrund einer guten Statistik Ungenauigkeiten in der Positionierung des Gitters und beim Fitten der Sinuskurve für die Referenzphase klein bleiben. Aus den gefitteten Sinuskurven können dann virtuelle Referenz-Phase-Steps mit einer sehr feinen Rasterung erzeugt werden (z.B n=256 pro Periode). Der Objektscan, also die Erzeugung von Objektaufnahmen im Phase-Stepping-Modus, kann dann sehr dosiseffizient, also mit einer wesentlich kleineren Anzahl von Objektaufnahmen beziehungsweise Phase-Steps, ausgeführt werden. Erfindungsgemäß werden dann die Phase-Steps des Objektscans auf die richtige Referenzposition des Referenzscans gematcht. Dies kann dadurch geschehen, dass man ermittelt, an welcher Gitterposition sich die Moire-Muster auslöschen. Als Kostenfunktion dafür kann vorzugsweise der Betrag des Bildgradienten beim Vergleich zwischen Leeraufnahme und Objektaufnahme verwendet werden.
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Bisher wurden extrem viele Messdaten, also eine hohe Anzahl an Phase-Steps, sowohl bei dem Leerscan als auch beim Objektscan akquiriert, damit sich die Ungenauigkeiten in der Gitterpositionierung herausmitteln. Messzeiten von mehreren Stunden sind dabei nicht unüblich. Hierdurch waren Objektdosen notwendig, die um Größenordnungen über einer vertretbaren Patientendosis liegen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren besteht nun die Möglichkeit die Hauptlast der Dosis auf den Referenzscan zu verlagern und bei der Abtastung des Untersuchungsobjektes beziehungsweise eines Patienten mit weitaus geringerer Dosisbelastung zu arbeiten und gleichzeitig wesentlich bessere Bilddaten zu erhalten.
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Entsprechend den oben geschilderten Grundgedanken der Erfindung schlägt der Erfinder ein Verfahren zur Erzeugung mindestens einer projektiven oder tomographischen Phasenkontrast- und/oder Dunkelfelddarstellung eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Talbot-Lau-Gitter-Interferometers durch eine Phasestepping-Methode, bei der mit und ohne Untersuchungsobjekt eine Vielzahl von Intensitätsbildern mit unterschiedlichen Gitterpositionen (=Phase-Steps) aufgenommen werden, vor, wobei erfindungsgemäß für einen Abgleich beziehungsweise eine Relativjustierung der Gitterpositionen von Intensitätsaufnahmen ohne Untersuchungsobjekt (=Leeraufnahmen) und Gitterpositionen von Intensitätsaufnahmen mit Untersuchungsobjekt (=Objektaufnahmen) ein in den Leeraufnahmen enthaltenes Moire-Muster mit einem in den Objektaufnahmen enthaltenes Moire-Muster verwendet werden.
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Hierbei gilt der Grundsatz, dass das Vorliegen gleicher Moire-Muster in Leer- und Objektaufnahme anzeigt, dass beide Aufnahmen mit der gleichen Gitterposition aufgenommen wurden. Es findet als über den Vergleich der Moire-Muster eine gegenseitige Normierung der Gitterpositionen, vorzugsweise eine Normierung der Gitterpositionen der Objektaufnahmen auf die Gitterpositionen der Leeraufnahmen statt. Entsprechend werden im Ergebnis hierdurch die an Sinuskurven gefitteten Intensitätsverläufe bezüglich ihrer Position in der Gitterperiode normiert. Im Ergebnis entstehen durch dieses Verfahren interferometrische Bilddaten des Untersuchungsobjektes, die wesentlich von Bildartefakten befreit sind. Außerdem können durch die Anwendung dieses Verfahren auch die Anforderungen an die mechanische Genauigkeit der Gitterpositionierung verringert werden, da das System quasi selbstjustierend wirkt.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Erzeugung mindestens einer projektiven oder tomographischen Phasenkontrast- und/oder Dunkelfelddarstellung eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Talbot-Lau-Gitter-Interferometers durch eine Phasestepping-Methode, insbesondere gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren, vorgeschlagen wobei:
- - ein Strahler-Gitter-Detektor-System mit einem Strahlengang mit einer Vielzahl von Strahlen zwischen einer Röntgenquelle und einem Detektorpixel mindestens eines flächig pixelierten Detektors verwendet wird,
- - im Strahlengang ein Gittersatz mit relativ zueinander verschiebbaren röntgenoptischen Gittern verwendet wird, wobei jeder Strahl ein als Absorptionsgitter ausgebildetes Quellengitter, ein Phasengitter und ein als Absorptionsgitter ausgebildeten Analysengitter durchtritt, wobei sich ein Interferenzmuster hinter dem Phasengitter ausbildet, welches durch die Phasestepping-Methode strahl- beziehungsweise pixelweise ausgemessen wird, indem:
- -- eine erste Anzahl m, mit m vorzugsweise wesentlich größer drei, an Leeraufnahmen (=pixelierte Intensitätsaufnahmen ohne Untersuchungsobjekt im Strahlengang) an unterschiedlichen relativen Gitterpositionen eines der Gitter innerhalb einer Periode (=2π) des relativbewegten Gitters ohne Untersuchungsobjekt aufgenommen werden, wobei die Leeraufnahmen Moire-Muster aufweisen, die sich in Abhängigkeit der Gitterposition verändern,
- -- eine zweite Anzahl n, vorzugsweise mit 3 <= n << m, an Objektaufnahmen (=pixelierte Intensitätsaufnahmen mit Untersuchungsobjekt im Strahlengang) an unterschiedlichen relativen Gitterpositionen des für die Leeraufnahmen bewegten Gitters innerhalb einer Periode dieses Gitters mit dem Untersuchungsobjekt aufgenommen werden, wobei diese ebenfalls gitterpositionsabhängige Moire-Muster aufweisen,
- -- aus den Leeraufnahmen und den Objektaufnahmen pixel- beziehungsweise strahlweise der gitterpositionsabhängige Intensitätsverlauf bestimmt wird, wobei aus den Unterschieden der Intensitätsverläufe die Absorption (= Quotient der Intensitätsmittelwerte über eine Periode) und/oder die Phasenverschiebung (=Veränderung der Phase der Intensitätsverläufe) und/oder die Dunkelfeldinformation (= Quotient der Amplitude der Intensitätsverläufe) entnommen werden können,
- - und wobei erfindungsgemäß die Gitterpositionen der Objektaufnahmen unter Verwendung des dort auftretenden einen Moire-Musters im Vergleich zu den gitterpositionsabhängigen Moire-Muster der Leeraufnahmen normiert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die vorgenannten Merkmale nicht nur im genannten Zusammenhang, sondern auch einzeln oder in anderer Zusammensetzung in Verbindung mit dem grundlegenden erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 kombinierbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Zur Verminderung der Dosisbelastung des Untersuchungsobjektes ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Anzahl an Leeraufnahmen wesentlich höher als die Anzahl der Objektaufnahmen, vorzugsweise das zehn- bis hundertfache, der Anzahl der Objektaufnahmen, ist.
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Außerdem wird zur Ermittlung der verwendeten Gitterposition einer Objektaufnahme an Gitterpositionen der Leeraufnahmen als Referenzpositionen eine iterative Optimierungsberechnung verwendet, wobei als Kostenfunktion in der Optimierungsberechnung der Betrag eines Bildgradienten zwischen Leeraufnahme und Objektaufnahme verwendet wird.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren schlägt der Erfinder auch ein Röntgensystem zur Erzeugung mindestens einer projektiven oder tomographischen Phasenkontrast- und/oder Dunkelfelddarstellung eines Untersuchungsobjektes vor, mit mindestens einem als Talbot-Lau-Gitter-Interferometer ausgebildeten Strahler-Gitter-Detektor-System, zur Ausführung einer Phasestepping-Methode, aufweisend mindestens eine Steuer- und Recheneinheit mit einem Speicher, in dem Programmcode gespeichert ist, der im Betrieb zumindest das Strahler-Gitter-Detektor-System steuert, wobei im Speicher auch Programmcode gespeichert ist, welcher im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren - wie oben beschrieben - ausführt.
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Vorteilhaft ist es, wenn ein solches Röntgensystem derart ausgebildet ist, dass:
- - das Strahler-Gitter-Detektor-System einen Strahlengang mit einer Vielzahl von Strahlen zwischen einer Röntgenquelle und einem Detektorpixel mindestens eines flächig pixelierten Detektors aufweist, und
- - im Strahlengang ein Gittersatz mit relativ zueinander verschiebbaren röntgenoptischen Gittern vorliegen, wobei jeder Strahl ein als Absorptionsgitter ausgebildetes Quellengitter, ein Phasengitter und ein als Absorptionsgitter ausgebildeten Analysengitter durchtritt und sich ein Interferenzmuster hinter dem Phasengitter ausbildet, welches durch die Phasestepping-Methode strahl- beziehungsweise pixelweise ausgemessen wird.
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Weiterhin kann ein solches Röntgensystem auch aufweisen:
- - eine Strahlenquelle mit einem Fokus und einem gegenüberliegenden flächigen Detektor mit einer Vielzahl von Detektorelementen,
- - mindestens einen Satz von im Strahlengang angeordneten röntgenoptischen Gittern mit paralleler Ausrichtung, wobei der mindestens eine Gittersatz zwischen Fokus und Detektor angeordnet ist, wobei der Gittersatz aufweist:
- - mindestens ein Quellengitter, welches zwischen dem mindestens einen Fokus und dem Untersuchungsobjekt angeordnet ist,
- - mindestens ein Phasengitter, die zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Detektor angeordnet und wechselweise in den Strahlengang eingebracht werden können,
- - mindestens ein Analysengitter, welches vor dem Detektor angeordnet ist, und
- - eine Vorrichtung zur Relativverschiebung eines der Gitter senkrecht zur Strahlenrichtung und senkrecht zur Längsrichtung der Gitterlinien.
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Es wird auch bezüglich des hier beschriebenen Röntgensystems darauf hingewiesen, dass die vorgenannten Merkmale nicht nur im genannten Zusammenhang, sondern auch einzeln oder in anderer Zusammensetzung in Verbindung mit dem grundlegenden erfindungsgemäßen Röntgensystem nach dem ersten Vorrichtungsanspruch kombinierbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Ein solches Röntgensystem kann ausschließlich zur Erzeugung projektiver Aufnahmen ausgebildet sein. Alternativ kann es auch als C-Bogen-System ausgebildet sein, welches sowohl projektive Phasenkontrast- oder Dunkelfeldaufnahmen als auch tomographische Rekonstruktionen aus einer Vielzahl solcher projektiver Aufnahmen aus unterschiedlichen Winkeln ausführt, wobei das Strahler-Gitter-Detektor-System an einem C-Bogen angeordnet ist. Schließlich kann das Röntgensystem auch als CT-System mit einer Gantry ausgebildet sein, auf der das mindestens eine Strahler-Gitter-Detektor-System angeordnet ist. Solche CT-System sind primär dafür prädestiniert Schnittbilddarstellungen oder 3D-Darstellungen aus den ermittelten Phasenkontrastinformationen zu rekonstruieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden Bezugszeichen und Variablen verwendet: 1: Röntgensystem / C-Bogen-System; 2: Strahler, Röntgenquelle; 3: Detektor; 4: C-Bogen; 5: Gehäuse; 6: Steuer- und Recheneinheit; A/Ao: Dunkelfelddarstellung; D: Detektor; E: Detektorpixel; F: Fokus; G0: Quellengitter; G1: Phasengitter; G2: Analysengitter; I/Io: Absorptionsdarstellung; IM: Interferenzmuster; Iobj: Objektaufnahme; IRef: Leeraufnahme; Moire-Muster; O: Untersuchungsobjekt; Prg1-Prgn: Programmcode; x: Gitterposition; Δϕ: Phasenkontrastdarstellung.
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Es zeigen im Einzelnen:
- 1: 3D-Ansicht eines erfindungsgemäßen Röntgensystems zur interferometrischen Bildgebung mit energieselektiven Detektor, hier ausgebildet als C-Bogen-System;
- 2: Schematische Darstellung einer Gitter-Detektoranordnung nach dem Talbot-Lau-Prinzip eines erfindungsgemäßen Röntgensystems mit einer Phase-Stepping-Vorrichtung;
- 3: Vergleich eines Projektionsbildes eines Referenzscans mit einem Objektscan des gleichen Phase-Steps;
- 4: Vergleich der Quotientenbilder aus Objekt- und Referenzscan aus Intensitätsaufnahmen;
- 5: Vergleich der Quotientenbilder aus Objekt- und Referenzscan aus Gradientenaufnahmen;
- 6: Darstellung ermittelter Gitterpositionen in rad (y-Achse) für sieben aufeinanderfolgende Scans mit jeweils 32 Phase-Steps (x-Achse);
- 7: Vergleich einer Phasengradientdarstellung, einerseits erzeugt mit einer vorbekannten Phase-Stepping-Methode und andererseits mit einer erfindungsgemäßen Phase-Stepping-Methode;
- 8: Vergleich einer Dunkelfelddarstellung, einerseits erzeugt mit einer vorbekannten Phase-Stepping-Methode und andererseits mit einer erfindungsgemäßen Phase-Stepping-Methode;
- 9: Vergleich einer Absorptionsdarstellung, einerseits erzeugt mit einer vorbekannten Phase-Stepping-Methode und andererseits mit einer erfindungsgemäßen Phase-Stepping-Methode.
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Die 1 zeigt eine 3D-Ansicht eines erfindungsgemäßen Röntgensystems 1 zur interferometrischen Bildgebung mit einem Strahler-Detektor-System (2, 3) mit einem energieselektiven Detektor, in dem auch eine Talbot-Lau-Gitteranordnung integriert ist. Das hier gezeigte beispielhafte Röntgensystem 1 ist, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, als C-Bogen-System ausgebildet. Derartige C-Bogen-System eignen sich aufgrund der Schwenkbarkeit des C-Bogens 4, der an einem Gehäuse 5 angelenkt ist, sowohl zur Erzeugung rein projektiver Aufnahmen, als auch zur Erzeugung von tomographischen Aufnahmen, die aus einer Vielzahl von projektiven Aufnahmen aus unterschiedlichen Aufnahmewinkeln rekonstruiert werden können. Hierzu verfügt das Röntgensystem 1 über eine Steuer- und Recheneinheit 7, welche in ihrem Speicher Programmcode Prg1-Prgn gespeichert hat, der im Betrieb ausgeführt wird. In diesem Programmcode sind auch Anweisungen enthalten, die das für die interferometrische Bildgebung notwendige Phase-Stepping mindestens eines der hier nicht näher dargestellten Röntgengitter steuert, die Datenauswertung übernimmt und gegebenenfalls die Rekonstruktion der Bilddaten ausführt.
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Das Grundprinzip einer Talbot-Lau-Gitteranordnung, wie sie in dem beispielhaft in der 1 gezeigten Röntgensystem 1 verwendet wird, ist in der 2 dargestellt. Die hier schematisch dargestellte Strahler-Detektor-Anordnung des Röntgensystems 1, bestehend aus dem Focus F einer Röntgenröhre und einem Detektor D, weist eine integrierte Talbot-Lau-Gitteranordnung auf. Grundsätzlich soll das gezeigte Röntgensystem stellvertretend für beispielsweise projektive Röntgensystem, C-Bogensysteme oder CT-Systeme stehen, deren prinzipieller Aufbau entsprechend ausgeführt ist. Demgemäß besteht das erfindungsgemäße Strahler-Detektor-System 1 aus einem Fokus F und einem in eine Vielzahl von Detektorelementen pixelierten, gegebenenfalls auch energiediskriminierenden, Detektor D, die einen Strahlengang bilden. In diesem Strahlengang befindet sich unmittelbar hinter dem Fokus F ein Quellengitter G0, welches eine quasikohärente Röntgenstrahlung erzeugt. Es folgt darauf ein Phasengitter G1, welches ein Interferenzmuster IM erzeugt, das wiederum unter Zuhilfenahme des nachfolgenden Analysengitters G2 im Phase-Stepping-Modus mithilfe des Steppers 8, der das Analysengitter G2 schrittweise während der Messung verschiebt, und mit der Auslesevorrichtung 7 ausgelesen wird. Analog hierzu kann auch statt des Analysengitters G2 das Quellengitter G0 oder das Phasengitter G1 schrittweise verschoben werden. Zwischen dem Quellgitter G0 und dem Analysengitter G1 befindet sich im Strahlengang ein Untersuchungsobjekt O. Grundsätzlich kann dieses Steuersegment 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 ist dabei für die Durchführung zumindest der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte Programmcode Prg1 - Prgn in einem Speicher der Steuer- und Recheneinheit 6 abgelegt, welcher im Betrieb ausgeführt wird.
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Werden mit solchen Röntgensystemen 1 aus den 1 oder 2 interferometrische Projektionsaufnahmen gewonnen, so wird mindestens eines der Röntgengitter G0-G2 verschoben und an unterschiedlichen Relativpositionen Intensitätsaufnahmen mit dem Detektor gewonnen und deren pixelweise Veränderung in Abhängigkeit von der relativen Gitterposition des verschobenen Gitters ermittelt, wobei die genaue Kenntnis der Gitterposition wesentlich zur Güte der letztlich gewonnenen Aufnahme beiträgt. Erfindungsgemäß wird nun zur verbesserten Positionsbestimmung des jeweils verschobenen Röntgengitters ein in der erzeugten Abbildung entstehendes Moire-Muster verwendet.
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Ein solches Moire-Muster M ist in der 3 beispielhaft gezeigt. Die linke Darstellung IRef zeigt dabei eine Intensitätsaufnahme an einer vorgegebenen Position des verschiebbaren Gitters ohne im Strahlengang befindliches Untersuchungsobjekt. Hierbei ist deutlich das durch geringe Fehlausrichtung der Gitteranordnung beziehungsweise Nichtparallelität der Gitter entstehende Moire-Muster M erkennbar. Gegebenenfalls könnte sogar bei fehlendem Moire bewusst ein geringer Ausrichtungsfehler erzeugt werden. Wird nun ein Untersuchungsobjekt in den Strahlengang eingeschoben, so wird zwar zusätzlich das Untersuchungsobjekt dargestellt, jedoch bleibt das, die Objektabbildung überlagernde Moire-Muster weiterhin erhalten. Da sich dieses Moire-Muster entsprechend der Verschiebung eines der Gitter beim Phase-Stepping kontinuierlich mit verändert und somit diese Veränderung umgekehrt einen sehr guten Positionsindikator für das bewegte Gitter darstellt, kann hiermit die im Phase-Stepping-Verfahren notwendige Korrelation zwischen den Gitterpositionen während der Referenzmessung ohne Untersuchungsobjekt und den Objektmessungen mit dem Untersuchungsobjekt über die Messwerte selbst, also über die aufgenommene Referenzintensitätsbilder IRef und die Objektintensitätsbilder IObj, bestimmt werden. Ungenauigkeiten bei der Messung der Gitterposition durch HystereseVerhalten der Verschiebevorrichtung des Gitters oder sonstige mechanische Unzulänglichkeiten können damit kompensiert werden.
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Rechts in der 3 ist ein beispielhaftes Objektintensitätsbild IObj gezeigt, in dem sich das typische Moire-Muster M des Referenzintensitätsbildes IRef wiederholt.
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Zur Verdeutlichung der Verbesserung durch das erfindungsgemäße Verfahren ist in den 4 und 5 jeweils ein Vergleich eines Quotientenbildes zwischen einem aufgenommenen Referenzbild und einem Objektbild dargestellt, wobei links die Positionsbestimmung gemäß Stand der Technik erfolgte und rechts die erfindungsgemäße Positionsbestimmung gewählt wurde. Die 3 zeigt dabei jeweils die Intensitätsbilder, während die 4 die Quotientenbilder der Intensitätsbilder und die 5 die Quotientenbilder der Bildgradienten zeigen. In den korrekt gematchten, jeweils rechts dargestellten, Referenz- und Objektbildern decken sich die Moire-Artefakte und verschwinden im Quotientenbild, während in den nach dem Stand der Technik aufgenommenen Bildern die Moire-Effekte nicht verschwinden. Der Bildgradient kann dabei als eine Kostenfunktion verwendet werden, die dieses Verhalten gut beschreibt.
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Die 6 zeigt den Verlauf der ermittelten Gitterpositionen x in rad auf der Ordinate für sieben aufeinanderfolgende Scans mit jeweils 32 Phase-Steps auf der Abszisse. Wie zu erkennen ist, ist die Variation der Gitterposition am jeweils gleichen Phase-Step relativ hoch. Entsprechend kommt es zu Ungenauigkeiten, wenn anhand der Phase-Step-Nummer die Position des Gitters definiert wird, wie es im Stand der Technik meist ausgeführt wird. Entsprechend wird durch die Bestimmung der Gitterposition anhand des Moire-Musters eine wesentlich bessere Korrelation zwischen der Gitterposition bei der Referenzmessung und der Gitterposition bei der Objektmessung erreicht.
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Da die Änderung des Moire-Musters stetig und kontinuierlich mit der Verschiebung des Röntgengitters erfolgt kann also durch eine hohe Anzahl von Leeraufnahmen eine eindeutige Korrelation zwischen der Größe der Verschiebung des Röntgengitters und der Positionierung beziehungsweise dem Aussehen des Moire-Musters hergestellt werden. Wird dann aus einer Objektaufnahme das dort vorliegende Moire-Muster mit einem Moire-Muster aus den Leeraufnahmen in Übereinstimmung gebracht, so lässt sich die genaue Position des Röntgengitters bei den Objektaufnahmen bestimmen. Für Zwischenschritte kann eine entsprechende Interpolation ausgeführt werden. Damit ist es nun möglich bei den Vergleichen der Intensitätswerte zwischen Leeraufnahmen und Objektaufnahmen jeweils die korrekte Korrelation zur Verschiebung der Gitter zu finden.
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Die 7 bis 9 zeigen Beispiele der erreichten Verbesserungen in den drei Aufnahmevarianten einer interferometrischen Abbildung durch das erfindungsgemäße Verfahren, wobei jeweils das obere Bild eine projektive Aufnahme gemäß dem Stand der Technik und das untere Bild die entsprechende Aufnahme unter Anwendung der erfindungsgemäßen Positionsbestimmung des Gitters anhand der Veränderung des Moire-Musters und dadurch korrigierte Korrelation der Gitterpositionen zwischen Referenzaufnahmen und Objektaufnahmen wiedergibt. In der 7 ist dabei eine Darstellung der ermittelten Phasenverschiebung ΔΦ gezeigt. Die 8 zeigt die entsprechende Dunkelfeldaufnahme A/Ao und die 9 ein entsprechendes Absorptionsbild I/Io.
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Wie aus den Beispielen der 7 bis 8 zu erkennen ist, führt das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren dazu, dass einerseits Moire-Artefakte sehr effektiv unterdrückt werden und andererseits eine wesentlich bessere Detaildarstellung erreicht wird, also insgesamt die Bildqualität stark verbessert wird. Vorteilhaft ist außerdem, dass das Verfahren ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand auskommt und stattdessen hauptsächlich Informationen, die ohnehin in den Bilddaten der einzelnen Aufnahmen an der Vielzahl der Phase-Steps enthalten sind, auswertet.
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Insgesamt wird mit der Erfindung also ausgehend von der Erkenntnis, dass ein in Leer- und Objektaufnahmen enthaltenes Moire-Muster bei gleicher Relativpositionierung zueinander gleich ist und sich stetig mit der Relativverschiebung der Röntgengitter beim Phase-Stepping verändert, ein Verfahren und eine Röntgenvorrichtung zur Erzeugung mindestens einer projektiven oder tomographischen Phasenkontrast- und/oder Dunkelfelddarstellung eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Talbot-Lau-Gitter-Interferometers durch eine Phasestepping-Methode vorgeschlagen, bei dem mit und ohne Untersuchungsobjekt eine Vielzahl von Intensitätsbildern mit unterschiedlichen Gitterpositionen (=Phase-Steps) aufgenommen werden, wobei erfindungsgemäß für einen Abgleich beziehungsweise eine Relativjustierung der Gitterpositionen von Intensitätsaufnahmen ohne Untersuchungsobjekt (=Leeraufnahmen) mit den Gitterpositionen von Intensitätsaufnahmen mit Untersuchungsobjekt (=Objektaufnahmen) das in den Leeraufnahmen enthaltene Moire-Muster und das in den Objektaufnahmen enthaltene Moire-Muster verwendet werden.
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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.
