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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Röntgenvorrichtung zur Erzeugung einer projektiven Röntgendarstellung eines Untersuchungsobjektes, unter Verwendung eines Strahler-Detektor-Systems mit einer Talbot-Lau-Gitteranordnung mit einem linearen Phasengitter, wobei ein Absorptionsbild und ein differentielles Phasenkontrastbild ermittelt werden.
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Solche Verfahren und projektive Röntgenvorrichtungen sind grundsätzlich bekannt. Die interferometrische Röntgenbildgebung (IR) ist eine Variante der Phasenkontrastbildgebung und basiert auf dem Einbringen zumindest eines Phasengitters (G1) in ein Röntgenabbildungssystem. Vorzugsweise wird auch ein Quellengitter (G0) zur Erzeugung ausreichender Dosisleistung und quasikohärenter Strahlung und gegebenenfalls eines Analysengitters (G2) zur Vermessung des vom Phasengitter erzeugten Interferenzmusters mit einem relativ grob aufgeteilten Detektor nach dem Phasengitter in den Strahlengang des Röntgenabbildungssystems eingebracht. Durch Ausmessung des Interferenzmusters hinter dem Phasengitter können drei Bildsignale, nämlich ein klassisches Absorptionsbild, ein Dunkelfeldbild, sowie ein differentielles Phasenkontrastbild ermittelt werden. Beispielsweise wird diesbezüglich auf die Druckschrift
F. Pfeiffer et al., "Hard X-ray dark-field imaging using a grating interferometer", Nature Materials 7 (2008), verwiesen.
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Ein Problem dieser projektionsbasierten Röntgenbildgebung ist, dass Strukturen, wie beispielsweise Knochen, Blutgefäße und Organe im durchstrahlten Untersuchungsobjekt aufgrund von gegenseitiger Überlagerung häufig nur schwer zu differenzieren sind.
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Eine mögliche Lösung, diese strukturellen Überlagerungen zu reduzieren sind tomographische Verfahren, die möglichst überlagerungsfreie Schnittbilder liefern, wie die Computertomographie oder die Tomosynthese. Hierbei gehen allerdings die Vorteile der rein projektiven Bildgebung verloren, da die tomographischen Methoden relativ aufwendig sind und auch gegenüber einer rein projektiven Abtastung aus einem oder wenigen Raumwinkeln eine höhere Strahlenbelastung erzeugen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung Möglichkeit zu finden, mit welcher der Informationsgehalt einer rein projektiven Abbildungsinformation, die mit der eingangs beschriebenen Methode aufgenommen wurde, zu separieren und ein Ergebnisbild einer Struktur eines Untersuchungsobjektes zu generieren, das weitgehend frei von anderen Strukturen ist. Also zum Beispiel eine Weichteildarstellung ohne Knochenüberlagerung und umgekehrt aus einer interferometrischen Messung zu erzeugen.
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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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Die Erfinder haben erkannt, dass im unteren Bereich der diagnostisch relevanten Energie bei der Röntgenbildgebung, also mit Röntgenspektren bis ca. 70 keV Beschleunigungsspannung, das Phasensignal und das Absorptionssignal komplementäre Informationen enthalten, da hier tragen vor allem Photo- und Comptoneffekt zur Erzeugung des Bildsignals beitragen. Dadurch ist es möglich, mit einer gewichtete Linearkombination beider Bilder einzelne Materialien, wie Knochen und Weichteile, getrennt darzustellen, ohne, dass eine Belichtung mit unterschiedlichen Energiespektren notwendig wäre, wie es bei der „Dual Energy“-Bildgebung stattfindet.
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Da die ermittelte Phaseninformation in einer differentiellen Form und demgegenüber die Absorptionsinformation jedoch in absoluten Werten vorliegt, müssen das Phasenbild und das Absorptionsbild vor einer Kombination in die gleiche Darstellungsform überführt werden. Dies kann durch Ableitung des Absorptionsbildes, vorzugsweise senkrecht zur Ausrichtung der Gitterlinien des Phasengitters bei der Phasenbildgebung, geschehen. Oder es wird eine Integration mindestens eines Phasenbildes ausgeführt. Vorzugsweise können auch zwei Phasenbilder mit zueinander verdrehten Phasengittern aufgenommen werden und beide senkrecht zu den Gitterlinien integriert und entsprechend einer zweidimensionalen Integration zusammengefasst werden. Dieses Bild mit absoluten Bildinformationen kann dann mit dem vollen Absorptionsbild zu einem Ergebnisbild verarbeitet beziehungsweise liniearkombiniert werden.
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Ein besonderer Vorteil der hier beschriebenen Methode besteht darin, dass aus den mit einer typischen interferometrischen Messung mit einem einzigen Röntgenspektrum generierten Daten weitere Informationen erzeugt werden können, ohne zusätzliche Messungen zu erfordern. Es wird also aus einer interferometrischen Messung unter Verwendung eines Energiebereiches die Information für ein Absorptionsbild und mindestens ein Phasenbild gewonnen und aus diesen beiden Informationen ein Ergebnisbild erzeugt, welches eine Separierung unterschiedlicher Materialien ermöglicht. Zur gegenseitigen Verarbeitung der Bilddaten ist es jeweils notwendig eines der Bilder bezüglich ihrer Darstellungsform, also absolut oder differentiell, auf die jeweils andere durch Integration oder Differentiation anzugleichen.
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Entsprechend diesem Erfindungsgedanken schlagen die Erfinder in einer allgemeinen Grundvariante ein Verfahren zur Erzeugung einer projektiven Röntgendarstellung eines Untersuchungsobjektes mit den folgenden Verfahrensschritten vor:
- – Durchführen einer interferometrischen projektiven Bildgebung unter Verwendung eines Strahler-Detektor-Systems mit einer Talbot-Lau-Gitteranordnung mit einem ersten linearen Phasengitter mit einer ersten Ausrichtung,
- – Ermittlung eines projektiven Absorptionsbildes mit absoluten Absorptionswerten in absoluter Darstellungsform,
- – Ermittlung eines ersten projektiven differentiellen Phasenkontrastbildes mit differentiellen Phasenkontrastwerten in differentieller Darstellungsform,
- – Angleichung der Darstellungsform eines der ermittelten Bilder an das jeweils andere Bild,
- – Erzeugung mindestens eines neuen Ergebnisbildes durch Kombination eines unveränderten Bildes und eines bezüglich der Darstellungsform angeglichenen Bildes,
- – Speicherung und/oder Ausgabe mindestens eines Ergebnisbildes.
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In einer ersten Variante wird das Absorptionsbild an Phasenbild anglichen, indem zur Angleichung der Darstellungsform für das Absorptionsbild pixelweise Ortsableitungen senkrecht zur ersten Ausrichtung der Gitterlinien des mindestens einen Phasengitters gebildet werden und das so entstehende differentielle Absorptionsbild mit dem differentiellen Phasenkontrastbild kombiniert wird.
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In einer zweiten Variante kann das ermittelte Phasenbild eindimensional integriert an Absorptionsbild anglichen werden, indem zur Angleichung der Darstellungsform das differentielle Phasenkontrastbild pixelweise Absolutwerte durch Integration senkrecht zur ersten Ausrichtung der Gitterlinien gebildet werden und das so entstandene absolute Phasenkontrastbild mit dem absoluten Absorptionsbild kombiniert wird.
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Ein Problem bei solchen eindimensionalen Integrationen von Phasenbildern liegt darin, dass häufig lineare Artefakte entstehen. Um dies zu vermeiden, kann ein zweites Phasenbild mit einem in zweite Richtung, vorzugsweise senkrecht zur Ausrichtung des ersten Phasengitters ausgerichteten Phasengitter ermittelt werden.
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Entsprechend wird in einer dritten Variante des Verfahrensvorgeschlagen, dass zusätzlich eine Ermittlung eines zweiten projektiven differentiellen Phasenkontrastbildes mit differentiellen Phasenkontrastwerten in differentieller Darstellungsform unter Verwendung eines in einer zweiten Richtung ausgerichteten Phasengitters stattfindet.
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Grundsätzlich kann zur Ermittlung der beiden Phasenbilder mit unterschiedliche orientiertem Phasengitter das erste Phasengitter für die zweite Messung gedreht werden oder es kann zur Ermittlung des zweiten Phasenkontrastbildes anstelle des ersten Phasengitters ein zweites Phasengitter mit einer anderen Ausrichtung verwendet werden.
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Bevorzugt wird die Orientierung zweier Phasengitter bezüglich deren Gitterlinien senkrecht zueinander verlaufend ausgerichtet sein.
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Werden ein Absorptionsbild mit absoluten Bildwerten und zwei Phasenkontrastbilder mit differentiellen Bildwerten mit jeweils anderer Ausrichtung der erzeugenden Phasengitter ermittelt, so können:
- – die beiden differentiellen Phasenkontrastbilder durch jeweils eindimensionale Integration senkrecht Ausrichtung der erzeugenden Phasengitter in absolute Phasenkontrastbilder konvertiert werden, und
- – das Ergebnisbild durch pixelweise gewichtete Kombination aus dem Absorptionsbild und den absoluten Phasenkontrastbildern berechnet werden.
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Alternativ zur vorgenannten Variante mit zweifacher eindimensionaler Integration können auch:
- – die differentiellen Phasenkontrastbilder durch zweidimensionale Integration senkrecht zu den Ausrichtungen der erzeugenden Phasengitter in ein absolutes Phasenkontrastbild konvertiert werden, und
- – das Ergebnisbild durch pixelweise Kombination aus dem absoluten Absorptionsbild und dem absoluten Phasenkontrastbildern berechnet werden.
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Erfindungsgemäß wird zudem vorgeschlagen zur Kombination der Bilder ein Polynom, vorzugsweise des Grades 1 bis 3, zu verwenden. Hierbei können im verwendeten Polynom Polynomfaktoren eingesetzt werden, die vorab im Rahmen einer Kalibrierung ermittelt wurden.
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Wird das von dem Phasengitter erzeugte Interferenzmuster durch ein Analysengitter mit nachfolgendem Detektor ausgelesen, so kann dies durch ein sogenanntes Phase-Stepping geschehen, bei dem eines der Gitter, vorzugsweise das Analysengitter, schrittweise verschoben wird und nach jedem Schritt eine Messung ausgeführt wird. Insgesamt müssen je Pixel mindestens drei Messungen durchgeführt werden, um die an diesem Pixel vorliegende Phasenverschiebung zu detektieren. Entsprechend wird vorgeschlagen, dass die Phasenkontrastmessung durch ein Phase-Stepping eines der verwendeten Gitter durchgeführt wird.
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Alternativ zum Phase-Stepping kann auch ein hochauflösender Detektor verwendet werden, der aufgrund seiner hohen Auflösung in der Lage ist unmittelbar die Intensitätsmodulation des vom Phasengitter erzeugten Interferenzmusters zu Analysieren. In diesem Fall kann auf ein Analysengitter verzichtet werden. Entsprechend wird vorgeschlagen, dass die Phasenkontrastmessung durch Verwendung eines Detektors durchgeführt wird, dessen Auflösung im Bereich Gitterabstände eines Analysengitters liegt.
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Weiterhin kann die Ermittlung des Absorptionsbildes einerseits unmittelbar durch eine Messung in Abwesenheit des Quellgitters und/oder des Phasengitters und/oder des Analysengitters ausgeführt werden. Allerdings können bevorzugt jedoch die ohnehin vorhandenen Messungen aus der Ermittlung der Phasenverschiebung verwendet und das Absorptionsbild aus der Summe der Intensitätsmessungen der Phasenkontrastmessung ermittelt werden.
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Weiterhin wird bezüglich einer optimierten Anordnung der Gitter in Relation zum Untersuchungsobjekt vorgeschlagen, das Phasengitter zwischen dem Strahler und dem Untersuchungsobjekt zu positionieren.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren schlagen die Erfinder auch eine Röntgenvorrichtung zur Erzeugung einer projektiven Röntgendarstellung eines Untersuchungsobjektes vor, welche zumindest die folgenden Merkmale aufweist:
- – einen Strahler-Detektor-System zur Durchleuchtung des in einem Strahlengang angeordneten Untersuchungsobjektes,
- – eine Talbot-Lau-Gitteranordnung im Strahlengang mit einem ersten linearen Phasengitter mit einer ersten Ausrichtung,
- – eine Steuer- und Recheneinheit, welche in einem Speicher Programmcode aufweist, der im Betrieb zur Steuerung der Röntgenvorrichtung und zur Datenverarbeitung empfangener Signale aus dem Detektor dient, wobei auch Röntgendarstellungen des Untersuchungsobjektes erstellt werden.
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Erfindungsgemäß ist im Speicher der Steuer- und Recheneinheit auch Programmcode gespeichert, welcher im Betrieb die Verfahrensschritte eines der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden Bezugszeichen und Abkürzungen verwendet: D: Detektor; dx: Schrittweite beim „phase stepping“; F: Fokus; f(): Kombinationsfunktion; G1: Phasengitter; G2: Anlagengitter; Go: Quellengitter; E1, E2: Ergebnisbilder; Σ: Intergration; O: Untersuchungsobjekt; P: Programmcode; R: Steuer- und Recheneinheit; S: Strahlengang; S1–S5: Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens; δ: Differentiation; Δφ(|): Differentielles Phasenkontrastbild mit senkrechter Gitterorientierung; Δφ(–): differentielles Phasenkontrastbild mit waagrechter Gitterorientierung; Δ(I/Io): differentielles Absorptionsbild; ||φ(|): Phasenkontrastbild mit Absolutwerten mit senkrechter Gitterorientierung; ||φ(–): Phasenkontrastbild mit Absolutwerten mit waagrechter Gitterorientierung; ||(I/Io): Absorptionsbild in Absolutwerten.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Röntgenvorrichtung;
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2: Verfahrensablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Vereinheitlichung der Darstellungsform durch Differentiation des Absorptionsbildes;
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3: Verfahrensablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Vereinheitlichung der Darstellungsform durch lineare eindimensionale Integration des Phasenkontrastbildes;
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4: Verfahrensablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Vereinheitlichung der Darstellungsform durch lineare eindimensionale Integration zweier Phasenkontrastbilder mit unterschiedlicher, senkrecht zueinander angeordneter, Gitterorientierung.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Röntgenvorrichtung mit einem Strahler-Detektor-System bestehend aus einem Fokus F einer nicht näher dargestellten Röntgenröhre und einem Detektor D zur Detektion der im Strahlengang S ausgesendeten Röntgenstrahlung. Der Strahlengang S ist durch den Mittenstrahl und die beiden Radstrahlen schematisch dargestellt. Im Strahlengang S sind außerdem drei Röntgengitter entsprechend einer Talbot-Lau-Gitteranordnung platziert, wobei sich unmittelbar am Fokus F ein Quellgitter G0 befindet, welches ein quasikohärentes Strahlenbündel erzeugt. Entsprechend der Ausbildung des Strahlengangs S trifft dieses quasikohärente Strahlenbündel auf das danach angeordnete Untersuchungsobjekt O, das mit der Röntgenstrahlung wechselwirkt. Anschließend folgt das Phasengitter G1, welches ein Interferenzmuster bildet, das durch schrittweise Verschiebung (Phase Stepping) des Analysengitters G2 und mit Hilfe des nachfolgenden Detektors D pixelweise vermessen wird.
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Die Steuerung des Strahler-Detektor-Systems mit den Röntgengittern zur Ausführung des „Phase Steppings“ und Auswertung der Messergebnisse erfolgt durch eine Steuer- und Recheneinheit R, in deren Speicher Programmcode P gespeichert ist, der im Betrieb die an sich bekannte projektive Phasenkontrast- und Absorptionsmessung einschließlich der Bildgebung ausführt.
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Außerdem befindet sich in der erfindungsgemäßen Röntgenvorrichtung auch Programmcode P, welcher die Schritte des zuvor geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. Insbesondere kann auch Programmcode gespeichert sein und die Röntgenvorrichtung dazu ausgestaltet sein, ein Verfahren zur projektiven Bildgebung auszuführen, wie es nachfolgend zu den 2 bis 4 beschrieben ist.
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Wird durch eine projektive Röntgenvorrichtung mit einer Talbot-Lau-Gitteranordnung ein Absorptionsbild und ein Phasenkontrastbild erstellt, so kann erfindungsgemäß das Absorptionsbild mit dem Phasenkontrastbild kombiniert, vorzugsweise linearkombiniert werden. Da jedoch die Darstellungsform des Absorptionsbildes in Absolutwerten besteht, während die Darstellungsform des Phasenkontrastbildes aus Differenzwerten besteht, ist es notwendig, diese Darstellungsform vor einer Kombination aneinander anzupassen, also entweder die Ableitung der Absolutwerte des Absorptionsbildes zu bestimmen oder die Differenzwerte des Phasenkontrastbildes zu integrieren.
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In der 2 ist ein Verfahrensablaufschema gezeigt, bei dem erfindungsgemäß die Vereinheitlichung der Darstellungsform durch lineare eindimensionale Differentiation des Absorptionsbildes geschieht. Entsprechend findet in einem ersten Schritt S1 eine Abtastung des Untersuchungsobjektes mit einem einzigen Röntgenspektrum statt, wobei das Phasengitter auf eine einzige Röntgenenergie abgestimmt ist. Damit werden im Schritt S2a die Absolutwerte eines Absorptionsbildes ||(I/Io) und im Schritt S2b die Differenzwerte eines Phasenkontrastbildes Δφ(–) ermittelt.
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Zur Angleichung der Darstellungsform werden im Schritt S3a die Absolutwerte des Absorptionsbildes durch Differentiation δ (Bildung einer Ableitung d(I/Io)/dx) senkrecht zur Ausrichtung der Gitterlinien des für das Phasenkontrastbild verwendeten Phasengitters) Differenzwerte der Absorption gebildet und das differentielle Absorptionsbild Δ(I/Io) erzeugt. Im Schritt S4 erfolgt eine Kombination, vorzugsweise eine Linearkombination, der beiden differentiellen Bilder f(Δ(I/Io), Δφ(–)) zu mindestens einem Ergebnisbild, das dann im Schritt S5 zur Weiterverarbeitung gespeichert und/oder angezeigt wird.
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Ergänzend kann für dieses und auch die anderen hier geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren an der Röntgenvorrichtung – gestützt durch entsprechenden Programmcode – vorgesehen werden, die Gewichtungsparameter der Kombinationsfunktion f() oder die Polynomfaktoren einer alternativ verwendeten Polynomfunktion für die Ausgabe unterschiedlicher Ergebnisbilder zu variieren.
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In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Vereinheitlichung der Darstellungsform auch durch eine lineare eindimensionale Integration des Phasenkontrastbildes geschehen. Ein beispielhaftes Verfahrensablaufschema hierzu ist in der 3 dargestellt. Dabei wird wiederum im Schritt S1 eine Abtastung des Untersuchungsobjektes mit einem einzigen Röntgenspektrum ausgeführt, wobei das verwendete Phasengitter auf eine einzige Röntgenenergie abgestimmt ist. Im Schritt S2a werden die Absolutwerte eines Absorptionsbildes ||(I/Io) bestimmt und im Schritt S2b die Differenzwerte eines Phasenkontrastbildes Δφ(–) ermittelt.
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Zur Angleichung der Darstellungsform wird nun im Schritt S3b Integrale – dargestellt durch das Zeichen Σ – senkrecht zur Orientierung der Gitterlinien des verwendeten Phasengitters gebildet und so aus den differentiellen Bildwerten des ursprünglich ermittelten Phasenkontrastbildes Δφ(–) nun die Absolutwerte des Phasenkontrastbildes ||φ(–) berechnet. Damit liegen beide Darstellungen in Absolutwerten vor und können miteinander kombiniert werden, dies geschieht im Schritt S4. Das mindestens eine so entstandene Ergebnisbild kann dann im Schritt S5 zur weiteren Verarbeitung abgespeichert und/oder Ausgegeben werden.
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Bei dem zur 3 geschilderten Verfahren besteht allerdings das Problem, dass durch die nur eindimensionale Integration häufig Linienartefakte auftreten. Eine Vermeidung solcher Linienartefakte kann durch eine zweidimensionale Integration erreicht werden. Hierbei kann in einer besonderen Variante auch eine zweifache Messung eines Phasenkontrastbildes erfolgen, wobei die Orientierung des dabei verwendeten Phasengitters möglichst unabhängig voneinander, also senkrecht zueinander, ausgeführt sein sollte. Beispielsweise kann das Phasengitter zwischen den Phasenkontrastmessungen um 90° gedreht werden.
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Ein hierfür entsprechendes Verfahrensablaufschema wird in der 4 dargestellt. Im Gegensatz zu den Verfahren gemäß der 2 und 3 wird hierbei im Schritt S1 zusätzlich ein weiteres Phasenkontrastbild mit einem relativ zum ersten Phasenkontrastbild um 90° gedrehten Phasengitter. Selbstverständlich ist hierbei, dass – falls vorhanden – auch die Orientierung des Quellgitters und des Analysengitters gedreht werden muss, so dass alle Röntgengitter gleich ausgerichtet sind. Grundsätzlich kann auch das gesamte Strahler-Detektor-System einschließlich der Talbot-Lau-Gitteranordnung gedreht werden.
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Im Schritt S2a wird demnach ein Absorptionsbild ||(I/Io) mit Absoluten Bildwerten, im Schritt S2b ein differentielles Phasenkontrastbild Δφ(–) mit beispielhaft waagrechter Gitterorientierung und im Schritt S2c – ein ebenfalls differentielles Phasenkontrastbild Δφ(|) mit beispielhaft senkrechter Gitterorientierung erzeugt. In den Schritten S3b und S3c werden die differentiellen Bilder in jeweils einer Richtung – senkrecht zur Ausrichtung des verwendeten Phasengitters – integriert und die nun aus absoluten Bildwerten bestehenden Phasenkontrastbilder ||φ(–) und ||φ(|) erhalten. Nachdem die drei vorliegenden Bilder nun bezüglich ihrer Darstellungsform auf Absolutwerte vereinheitlicht wurden kann im Schritt S4 mindestens eine Kombination f(||(I/Io), ||φ(–), ||φ(|)) als Ergebnisbild berechnet werden. Im Schritt S5 wird das Ergebnisbild dann abgespeichert und/oder ausgegeben.
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Insgesamt wird mit der Erfindung ein Verfahren und eine Röntgenvorrichtung zur Erzeugung einer projektiven Röntgendarstellung eines Untersuchungsobjektes vorgeschlagen, wobei aus zwei aus einer Phasenkontrastmessung erhaltene projektive Bilder in ihrer Darstellungsform einander angeglichen werden und durch Kombination der angeglichenen Bilder ein Ergebnisbild erzeugt wird, welches eine weitgehende Trennung unterschiedlicher Strukturen im verwendeten Untersuchungsobjekt ermöglicht.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- F. Pfeiffer et al., "Hard X-ray dark-field imaging using a grating interferometer", Nature Materials 7 (2008) [0002]
