DE10245676B4

DE10245676B4 - Phasenkontrast-Röntgengerät mit Strichfokus zur Erstellung eines Phasenkontrast-Bildes eines Objekts und Verfahren zum Erstellen des Phasenkontrast-Bildes

Info

Publication number: DE10245676B4
Application number: DE10245676A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schuster
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: US7154992B2; US20040062349A1; DE10245676A1

Abstract

Phasenkontrast-Röntgengerät (1) zur Erstellung eines Phasenkontrast-Bildes (17) mindestens eines Objekts (4), mit
– mindestens einer Röntgenquelle (2) zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung (11), die in einem bestimmten optischen Abstand (6) zur Röntgenquelle (2) eine bestimmte räumliche Kohärenz (15) aufweist, und
– mindestens einer Auswerteeinrichtung (16) zur Umwandlung der Röntgenstrahlung (12, 13) nach einem Durchstrahlen der Röntgenstrahlung (11) durch das im optischen Abstand (6) zur Röntgenquelle (2) angeordnete Objekt (4) in das Phasenkontrast-Bild (17) des Objekts (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Röntgenquelle (2) eine Leistung aus dem Bereich von einschließlich 50 W bis einschließlich 10 kW aufweist,
– eine räumliche Kohärenzlänge (14) der Röntgenstrahlung (11) im optischen Abstand (6) zur Röntgenquelle (2) aus dem Bereich von einschließlich 0,05 μm bis einschließlich 10 μm ausgewählt ist,
– die Röntgenquelle (2) einen strichförmigen Fokus (7) mit einer Fokuslänge (s) von einigen mm und einer Fokusbreite (b) von...

Description

Die Erfindung betrifft ein Phasenkontrast-Röntgengerät zur Erstellung eines Phasenkontrast-Bildes mindestens eines Objekts, mit mindestens einer Röntgenquelle zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung, die in einem bestimmten optischen Abstand zur Röntgenquelle eine bestimmte räumliche Kohärenz aufweist und mindestens einer Auswerteeinrichtung zur Umwandlung der Röntgenstrahlung nach einem Durchstrahlen der Röntgenstrahlung durch das im optischen Abstand zur Röntgenquelle angeordnete Objekt in das Phasenkontrast-Bild des Objekts. Daneben wird ein Verfahren zum Erstellen eines Phasenkontrast-Bildes eines Objekts unter Verwendung des Phasenkontrast-Röntgengeräts beschrieben.
Im röntgenoptischen Bereich muss genauso wie im lichtoptischen Bereich eine Umwandlung eines Phasenkontrasts in einen Amplitudenkontrast erfolgen, um ein Phasenkontrastobjekt sichtbar zu machen. Daher ist unter einem Phasenkontrast-Bild eine bildliche Darstellung eines in einen Amplitudenkontrast umgewandelten Phasenkontrast zu verstehen. Es werden aber durchwegs Bilder von Objekten betrachtet, in denen die Kontrastbildung im Wesentlichen auf Phasenkontrast und nicht auf Amplitudenkontrast beruht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Phasenkontrast-Radiographie basiert darauf, dass Röntgenstrahlen, die durch ein Phasenkontrastobjekt, also durch benachbarte Bereiche verschiedener optischer Dicke, hindurchtreten, zueinander einen wohldefinierten Phasenunterschied besitzen. Diese Röntgenstrahlen können somit miteinander interferieren (Röntgeninterferenz). Als Folge dieser Röntgeninterferenz beobachtet man in ausreichendem Abstand ein Amplituden- bzw. Intensitätskontrastbild. Mit der Interferenz ist auch eine Ablenkung der Strahlung gegenüber der Einfallsrichtung (Beugung) verbunden. Das oben erwähnte Phasenkontrastobjekt kann als ein transparentes Objekt mit einer lateralen Variation der Dicke, des Brechnungsindex oder beidem angesehen werden. Durch die Phasenkontrast-Radiographie ist es im Gegensatz zur Röntgenabsorptions-Radiographie möglich, eine Abbildung eines Objekts zu erzeugen, das aufgrund der Dicke, der Dichte oder der Elementzusammensetzung eine geringe Absorption für Röntgenstrahlen aufweist und geringe Absorptionskontraste besitzt.
Ein Phasenkontrast-Röntgengerät der eingangs genannten Art und ein dazugehöriges Verfahren sind beispielsweise aus Wilkins et al., Nature, 384 (1996), Seiten 335–338, bekannt (vgl. 2). Die Röntgenquelle des bekannten Röntgengeräts ist punktförmig und weist einen sehr kleinen Durchmesser von 5 μm bis 15 μm auf. Die Auswerteeinrichtung ist beispielsweise ein Röntgenfilm. Zwischen der punktförmigen Röntgenquelle und der Auswerteeinrichtung wird das zu untersuchende Objekt im optischen Abstand zur Röntgenquelle angeordnet. Der optische Abstand ergibt sich aus der Weglänge des von der Röntgenstrahlung beschriebenen Strahlengangs zwischen der Röntgenquelle und dem Objekt. Das Objekt wird von der von der punktförmigen Röntgenquelle ausgesandten, divergenten Röntgenstrahlung durchstrahlt. An einer Phasengrenze des Objekts kommt es beim Durchstrahlen des Objekts zu einem Phasensprung der Röntgenstrahlung. Phasenverschobene und nicht phasenverschobene Röntgenstrahlen gelangen zur Auswerteeinrichtung, werden dort in einen Amplitudenkontrast umgewandelt und als sog. Phasenkontrast-Bild sichtbar gemacht.
Aus den Druckschriften WO 96/31098 A1 und WO 95/05725 A1 sind Phasenkontrast-Röntgengerste mit jeweils punktförmiger Röntgenquelle bekannt. Die DE 692 28 285 T2 und die US 5 175 291 beschäftigen sich jeweils mit einem Phasenkontrast-Röntgengerät, bei denen Kristalle als Analysatoren zur Analyse der durch ein Objekt hindurchgetretenden Röntgenstrahlung.
Aufgrund des geringen Durchmessers der punktförmigen Röntgenquelle des bekannten Phasenkontrast-Röntgengeräts ist eine (Aufnahme-)Leistung der Röntgenquelle auf unter 50 W begrenzt. Wegen der geringen Leistung eignet sich das Phasenkontrast-Röntgengerät zum Erstellen eines Phasenkontrast-Bildes eines dünnen, kleinen Objekts, beispielsweise eines Insekts. Für größere und dickere Objekte, beispielsweise einen Menschen, ist das bekannte Phasenkontrast-Röntgengerät wegen der geringen Leistung nicht geeignet. Deshalb eignet sich das Phasenkontrast-Röntgengerät auch nicht für einen Einsatz in der Medizintechnik.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein im Vergleich zum bekannten Stand der Technik verbessertes Phasenkontrast-Röntgengerät anzugeben, mit dessen Hilfe ein Phasenkontrast-Bild eines größeren bzw. dicken Objekts erstellt werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines im Vergleich zum bekannten Stand der Technik verbesserten Verfahrens zum Erstellen eines Phasenkontrast-Bildes.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Phasenkontrast-Röntgengerät zur Erstellung eines Phasenkontrast-Bildes mindestens eines Objekts angegeben, mit mindestens einer Röntgenquelle zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung, die in einem bestimmten optischen Abstand zur Röntgenquelle eine bestimmte räumliche Kohärenz aufweist, und mindestens einer Auswerteeinrichtung zur Umwandlung der Röntgenstrahlung nach einem Durchstrahlen der Röntgenstrahlung durch das im optischen Abstand zur Röntgenquelle angeordnete Objekt in das Phasenkontrast-Bild des Objekts. Das Phasenkontrast-Röntgengerat ist dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle eine Leistung aus dem Bereich von einschließlich 50 W bis einschließlich 10 kW aufweist, eine räumliche Kohärenzlänge der Röntgenstrahlung im optischen Abstand zur Röntgenquelle aus dem Bereich von einschließlich 0,05 μm bis einschließlich 10 μm ausgewählt ist, die Röntgenquelle einen strichförmigen Fokus mit einer Fokuslänge von einigen mm und einer Fokusbreite von einigen μm aufweist und eine Längsausdehnung des strichförmigen Fokus in Richtung zum Objekt ausgerichtet ist, wobei eine dadurch festgelegte Längsausrichtung der Bedingung sin α << λ·L/D·s folgt, wobei der Winkel α eine Winkelabweichung einer Fokuslängsrichtung von einer Tangentialgrenzfläche ist, die sichtbar gemacht werden soll, λ eine Wellenlänge der Röntgenstrahlung, L der optische Abstand zwischen dem Fokus der Röntgenquelle und den Grenzflächen des Objekts und D ein minimaler Abstand zwischen den abzubildenden Grenzflächen entsprechen.
Zur Lösung der weiteren Aufgabe wird ein Verfahren zum Erstellen eines Phasenkontrast-Bildes eines Objekts unter Verwendung des Phasenkontrast-Röntgengeräts mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:

a) Anordnen des Objekts im optischen Abstand zur Röntgenquelle,
b) Durchstrahlen des Objekts mit der Röntgenstrahlung und
c) Erstellen des Phasenkontrast-Bildes aus der das Objekt durchstrahlenden Röntgenstrahlung mit Hilfe der Auswerteeinrichtung.

Das Objekt zeichnet sich durch mindestens eine Grenzfläche aus, die mit Hilfe des Phasenkontrast-Bildes sichtbar gemacht werden kann. Die Grenzfläche wird beispielsweise durch unterschiedliche, aneinander angrenzende Teile des Objekts gebildet. Diese Teile können beispielsweise verschiedene Gefäße einer Pflanze oder eines Tieres sein.
Die Auswerteeinrichtung weist einen Detektor für die durch das Objekt hindurchtretende Röntgenstrahlung auf. Der Detektor ist beispielsweise ein Röntgenfilm. Denkbar ist auch ein Röntgenleuchtstoff oder ein Röntgenspeicherleuchtstoff, die die Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umwandeln. Aus dem sichtbaren Licht wird das Phasenkontrast-Bild erstellt.
Die grundlegende Idee besteht darin, ein Phasenkontrast-Röntgengerät mit einer Röntgenquelle für Röntgenstrahlung bereitzustellen, wobei die Röntgenstrahlung im optischen Abstand zur Röntgenquelle eine Röntgenstrahlung aufweist, die zur Aufnahme eines Phasenkontrast-Bildes eines Objekts geeignet ist. Dazu weist die Röntgenstrahlung im optischen Abstand eine bestimmte, für die Aufnahme eines Phasenkontrast-Bildes geeignete räumliche Kohärenz auf. Die räumliche Kohärenz wird auch als transversale Kohärenz bezeichnet. Die räumliche Kohärenzlänge der Röntgenstrahlung beträgt im optischen Abstand wenige μm. Über diese grundlegende Voraussetzung für die Aufnahme eines Phasenkontrast-Bildes hinaus ist die Leistung der Röntgenquelle zwischen 50 W und 10 kW ausgewählt. Damit ist die Leistung gegenüber dem bekannten Phasenkontrast-Röntgengerät erhöht. Das Phasenkontrast-Röntgengerät eignet sich zum Erstellen eines Phasenkontrast-Bildes sowohl eines kleineren Objekts, beispielsweise eines Insekts, als auch eines größeren Objekts, beispielsweise eines Menschen. Eine Aufnahmezeit des Phasenkontrast-Bildes ist auch bei größeren Objekten akzeptabel. Das Phasenkontrast-Röntgengerät ist somit für den Einsatz in der Medizintechnik, beispielsweise in einem Labor oder einem Krankenhaus, geeignet. Denkbar ist auch der Einsatz des Phasenkontrast-Röntgengeräts in der Botanik, der Halbleitertechnologie und der Mikrostrukturtechnik. In der Halbleitertechnologie ließe sich beispielweise ein dünner Bonddraht aus Aluminium auf einem Silizium-Chip abbilden. Denkbar ist auch der Einsatz in der Sicherheitstechnik zur Überprüfung eines sicherheitsrelevanten Objekts. Das sicherheitsrelevante Objekt ist beispielsweise eine Tasche, deren Inhalt mit Hilfe des Phasenkontrast-Röntgengeräts abgebildet werden soll. Die Konturen von Sprengstoffen oder Drogen könnten im Phasenkontrast-Bild sichtbar gemacht werden.
Die Röntgenquelle weist einen strichförmigen Fokus auf. Der Fokus ist längsgestreckt. Eine Fokuslänge des Fokus ist wesentlich größer ist als eine Fokusbreite des Fokus. Der Fokus kann dabei eine rechteckige Fokusfläche aufweisen. Denkbar ist auch eine ellipsenförmige Fokusfläche. Beispielsweise beträgt die Fokusbreite wenige μm, die Fokuslänge dagegen bis zu einigen mm. Der strichförmige Fokus erlaubt eine wesentlich höhere Röhrenleistung und damit eine höhere Intensität als eine vergleichbare Röhre mit punktförmigem Fokus.
In einer Ausgestaltung ist eine Längsausdehnung des strichförmigen Fokus im Wesentlichen in Richtung zum Objekt ausgerichtet. Die Längsausdehnung wird durch die Fokuslänge bestimmt. Die Richtung zum Objekt ist durch den Strahlengang der Röntgenstrahlung von der Röntgenquelle zum Objekt gegeben. Der Fokus ist längsgestreckt ausgerichtet. Die längsgestreckte Ausrichtung gewährleistet eine brauchbare räumliche Kohärenzlänge (vgl. F.S. Crawford Jr., "Schwingungen und Wellen" (Vieweg, Braunschweig, 1989), Seiten 259–271).
Die Röntgenröhre ähnelt einer Feinfokus- oder Feinstfokus-Röntgenröhre aus der Röntgendiffraktometrie. Im Gegensatz zur Röntgendiffraktometrie ist der strichförmige Fokus längsgestreckt ausgerichtet. Für einen derart flachen Abgriff erweist sich eine Andenrauhigkeit im (sub)μm-Bereich als günstig.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Röntgenquelle eine Röntgenröhre mit einer Transmissions-Anode auf. Die Röntgenröhre ist eine Transmissions-Röntgenröhre. Bei dieser Art Röntgenröhre wird die Röntgenstrahlung in Einschussrichtung der Elektronen – also in Transmission – von der Anode abgegriffen (vgl. L.M.N. Tavora, E.J. Morton, W.B. Gilboy, SPIE vol 3771 (1999) 61–71). Vielfach wird bei Transmissions-Röntgenröhren die Anode gleichzeitig als Röhrenfenster benutzt.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Röntgenquelle eine Parametrische Röntgenstrahlungsquelle auf. Die Parametrische Röntgenstrahlungsquelle ist eine sehr effiziente und leistungsstarke Röntgenstrahlungsquelle, die sich ebenfalls in das beschriebene Röntgenstrahlungsgerät einbauen lässt. Bei einer Parametrischen Röntgenstrahlungsquelle werden Elektronen mit typischerweise 50 MeV in ein einkristallines Anodenmaterial, Z.B. Graphit, Diamant oder Beryllium geschossen. Dabei entsteht Röntgenstrahlung, die wesentlich verstärkt ist, wenn sie unter dem der Röntgenstrahlung entsprechenden Braggwinkel abgegriffen wird.
Parametrische Röntgenstrahlung (PXR: parametric x-radiation, vgl. M.A. Piestrup, Xizeng Wu, V.V. Kaplan, S.R. Uglov, J.T. Cremer, D.W. Rule, R.B. Fioroto, Rev. Sci. Instrum. 72 (2001) 2159–2170) ist eine Art von Röntgenstrahlung aus einer Vielzahl von mehreren Röntgenstrahlungsarten, deren Erzeugungsprozess sich ähnelt, deren Erzeugung aber unterschiedliche Betriebsparameter erfordert. Diese Röntgenstrahlungsarten sind beispielsweise kohärente Röntgenstrahlung in Kristallen (CBS), Vavilov-Cerenkov-Strahlung (VR), Channelingstrahlung (CHR) und Resonante Strahlung (RR) (vgl. V.G. Baryshevsky, I.D. Feranchuk, Nucl. Instr. Meth. 228 (1985) 490–495; W. Knüpfer, M.G. Huber, Physik in unserer Zeit 6 (1984) 163–172). Diese Röntgenstrahlungsarten können im Phasenkontrast-Röntgengerät der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen.
Neben den beschriebenen Röntgenquellen ist auch eine elektronenangeregte Plasma-Röntgenquelle oder eine laserangeregte Plasma-Röntgenquelle (Laser Compton Scattering) denkbar (vgl. A. Tsunemi et al. IEEE 3 (1999) 926–927; A. Tsunemi et al. IEEE 4 (1999) 2552–2554).
In einer besonderen Ausgestaltung bildet die Röntgenstrahlung nach dem Durchstrahlen des Objekts ein Interferenzmuster, das zum Erstellen des Phasenkontrast-Bildes detektiert wird. Das Interferenzmuster wird beispielsweise von einem Röntgenfilm erfasst.
In einer besonderen Ausgestaltung werden mit Hilfe von Röntgenstrahlung unterschiedlicher räumlicher Kohärenz mehrere Phasenkontrast-Bilder erstellt, die mit Hilfe einer Bildverarbeitungseinrichtung zu einem Gesamt-Phasenkontrast-Bild verarbeitet werden. Dabei werden beispielsweise die einzelnen Phasenkontrast-Bilder digitalisiert und dann von der Bildverarbeitungseinrichtung zum Gesamt-Phasenkontrast-Bild umgesetzt. Denkbar ist auch, dass die einzelnen Phasenkontrast-Bilder mit einem einzigen Röntgenfilm erfasst und so zum Gesamt-Phasenkontrast-Bild überlagert werden.
Eine größere Kohärenzlänge bewirkt einen stärkeren Beugungseffekt und ermöglicht einen höheren Phasenkontrast und schärfere Grenzen. Allerdings kann es bei komplizierten Objektstrukturen zu einer Überlagerung von Beugungsbildern verschiedener Objektstrukturen kommen, die schwer zu interpretieren sind. Bei einer kleineren Kohärenzlänge ist der Phasenkontrast geringer, dagegen ist der Phasenkontrast bestimmten Objektstrukturen einfacher zuzuordnen. Ohne Bildverarbeitung lassen sich Phasenkontrastbilder mit größerer Kohärenzlängen möglicherweise gar nicht mehr deuten. Aber auch Bildverarbeitungsprogramme liefern Artefakte, wenn ein Phasenkontrast-Bild mit großer Kohärenzlänge bearbeitet werden soll. Deshalb wird ein iterativer Auswertealgorithmus vorgeschlagen, bei dem zunächst in Bildern mit kleiner Kohärenzlänge die groben Konturen/Grenzen der Objektstrukturen erfasst werden und dann mit Hilfe der Bilder mit großer Kohärenzlänge diese Konturen/Grenzen verfeinert werden.
Vorzugsweise wird zum Erzeugen der unterschiedlichen räumlichen Kohärenz der optische Abstand zwischen dem Objekt und der Röntgenquelle variiert. Dabei wird die räumliche Kohärenzlänge in beiden Dimensionen in gleichem Maße mit dem Abstand vergrößert.
Alternativ dazu wird zum Erzeugen der unterschiedlichen räumlichen Kohärenz eine Orientierung des Objekts zur Ausbreitungsrichtung der Röntgenstrahlung variiert. Beispielsweise wird das Objekt bei nicht geändertem Strahlengang gedreht. Voraussetzung hierfür ist eine Anisotropie der räumlichen Kohärenzlänge, d.h. dass sich die räumliche Kohärenzlänge in den beiden transversalen Richtungen unterscheidet.
Denkbar ist auch, dass zwar das Objekt laborfest verbleibt, aber die Anisotropieausrichtung gedreht wird, indem zum Beispiel die beiden lateralen Ausdehnungen der Röntgenquelle variiert werden. In einer Röntgenröhre kann durch eine entsprechende Elektronenoptik der Fokus und damit eine Röntgenquellform verändert werden.
Bei dem Verfahren wird vorzugsweise ein Objekt verwendet, das im Wesentlichen aus einem Material mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten für die Röntgenstrahlung besteht. Ein derartiges Objekt, oder ein Teil des Objekts, lässt sich nicht direkt, d.h. unter Ausnutzung der Röntgenabsorption, abbilden. Dieses Objekt oder ein Teil des Objekts kann ein beliebiges Weichteil eines Menschen, eines Tieres oder einer Pflanze sein. Das Weichteil ist beispielsweise ein Gefäß einer Körperflüssigkeit eines Tieres. Insbesondere können mit Hilfe des vorgestellten Phasenkontrast-Röntgengeräts auch solche Organe abgebildet werden, die nicht in der Lage sind, ein für die direkte Erstellung eines Röntgenabsorptions-Bildes notwendiges Kontrastmittel aufzunehmen. Ein derartiges Organ ist beispielsweise ein Knorpel oder eine Knochenhaut.
In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Vielzahl von Phasenkontrast-Bildern des Objekts aufgenommen, um damit ein Phasenkontrast-Computer-Tomogramm des Objekts zu erstellen. Obwohl die Phasenkontrast-Röntgenradiographie auch bei Fehlen eines Absorptionskontrasts einen ausreichenden Kontrast erzeugen kann, können die lokalen Details – wie bei einer Projektionstechnik üblich – nur überlagert abgebildet werden. Die Methode der Computer-Tomographie überwindet dieses Problem: Das zu untersuchende Objekt wird linear abgetastet und zwischendurch um kleine Winkel gedreht. Anschließend wird aus den positions- und winkelabhängigen Intensitäten nach dem bekannten Verfahren der computertomographischen Rekonstruktion ein transversales Sektor-Tomogramm erzeugt.
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende besonderen Vorteile:

• Aufgrund der höheren Röhrenleistung kann das vorgestellte Phasenkontrast-Röntgengerät insbesondere in der Medizintechnik zur Abbildung von Weichteilen von größeren Objekten eingesetzt werden.
• Durch den Einsatz einer Röntgenquelle mit strichförmigem Fokus wird die Intensität der Röntgenstrahlung im optischen Abstand erhöht beziehungsweise effizienter genutzt.
• Durch die Form und Ausrichtung der Röntgenquelle kann die für das Erstellen eines Phasenkontrast-Bildes geeignete räumliche Kohärenz der Röntgenstrahlung sichergestellt werden.

Anhand mehrerer Figuren wird das Phasenkontrast-Röntgengerät und das Verfahren zum Erstellen des Phasenkontrast-Bildes eines Objekts mit Hilfe des Phasenkontrast-Röntgengeräts vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt ein Phasenkontrast-Röntgengerät mit Röntgenquelle mit strichförmigem Fokus im Querschnitt.
2 zeigt ein im Stand der Technik bekanntes Phasenkontrast-Röntgengerät im Querschnitt.
3 zeigt ein Verfahren zum Erstellen eines Phasenkontrast-Bildes mit Hilfe des Phasenkontrast-Röntgengeräts.
Das in der Einleitung beschriebene, aus dem Stand der Technik bekannte Phasenkontrast-Röntgengerät 101 ist in 2 gezeigt. Ausgehend von der punktförmigen Röntgenquelle 10 gelangen divergente Röntgenstrahlen zu dem im optischen Abstand 6 zur Röntgenquelle 10 angeordneten Objekt 4. Nach dem Durchstrahlen des Objekts 4 mit der Röntgenstrahlung gelangt nicht abgelenkte und abgelenkte Röntgenstrahlung auf eine Auswerteeinrichtung 16 in Form eines Röntgenfilms, mit dessen Hilfe das Phasenkontrast-Bild erzeugt wird. Um die für die Aufnahme eines Phasenkontrast-Bildes ausreichende Kohärenzlänge zu erreichen, ist der Durchmesser der punktförmigen Röntgenquelle 10 begrenzt und damit ist auch die Leistung der Röntgenquelle 10 auf maximal 50 W beschränkt.
Dagegen beträgt die Leistung der Röntgenquelle 2 des vorliegenden Phasenkontrast-Röntgengeräts 1 über 50 W. (1) Mit Hilfe des Phasenkontrast-Röntgengeräts 1 mit Strichfokus 7 wird jeweils ein Phasenkontrast-Bild eines Objekts 4 erstellt. Bei dem Objekt 4 handelt es sich um einen Knorpel auf einem Knochen. Dazu wird das Objekt 4 im optischen Abstand 6 zur Röntgenquelle 2 angeordnet Das Objekt 4 zeichnet sich durch mit Hilfe der Phasenkontrast-Radiographie abbildbare Grenzflächen 5 aus. Nach dem Anordnen erfolgt das Durchstrahlen des Objekts mit der Röntgenstrahlung und das Erstellen des Phasenkontrast-Bildes aus der das Objekt durchstrahlenden Röntgenstrahlung mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 16. Die Auswerteeinrichtung 16 verfügt dazu über einen Röntgenfilm, 17 mit dessen Hilfe die Röntgenstrahlung detektiert wird. Es wird ein Phasenkontrast-Bild erstellt. Die einzelnen Verfahrensschritte sind aus 3 entstellter.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Erstellen des Phasenkontrast-Bildes wird die räumliche Kohärenz der verwendeten Röntgenstrahlung sukzessive durch Variation des optischen Abstandes geändert. Auf diese Weise werden mehrere Phasenkontrast-Bilder mit Röntgenstrahlung unterschiedlicher räumlicher Kohärenz erstellt. Diese verschiedenen Phasenkontrast-Bilder werden digitalisiert und mit Hilfe einer Bildverarbeitungseinrichtung zu einem Gesamt-Phasenkontrast-Bild verarbeitet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Vielzahl von Phasenkontrast-Bildern durch Drehen des Objekts erzeugt. Aus der Vielzahl von Phasenkontrast-Bildern wird über eine Bildverarbeitungseinrichtung ein Phasenkontrast-Tomogramm erstellt.
Im Folgenden wird beschrieben, wie die Leistung der Röntgenquelle 2 des Phasenkontrast-Röntgengeräts 1 erhöht und eine Bildqualität des damit erzeugbaren Phasenkontrast-Bildes gesteigert werden kann (1).
Die Röntgenquelle 2 weist einen strichförmigen Fokus 7 auf. Im optischen Abstand 6, in dem das zu untersuchende Objekt 4 anzuordnen ist, weist die Röntgenquelle 2 eine Leistung von 1500 W auf.
Die Längsausrichtung 8, also die Ausrichtung einer Fokuslänge (Längsausdehnung) des Fokus 7 erfolgt entlang zweier Grenzflächen 5 des Objekts 4. Für einen nötigen Phasenkontrast folgt die Ausrichtung der Bedingung sin α << λ·L/D·s, wobei der Winkel α eine Winkelabweichung der Fokuslängsrichtung von der Tangentialgrenzfläche, die sichtbar gemacht werden sollen, ist, s die Fokuslänge des Fokus, b die Fokusbreite des Fokus, λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlung, L der optische Abstand zwischen dem Fokus der Röntgenquelle und den Grenzflächen des Objekts und D ein minimaler Abstand zwischen den abzubildenden Grenzflächen 5 entsprechen. Der minimale Abstand D zwischen den abzubildenden Grenzflächen entspricht der räumlichen Kohärenzlänge 14. Mit λ = 0,070 nm, s = 2 mm, L = 1 m und D = 1 μm ergibt sich für den Winkel α die Auslegungsvorschrift α << 2° und für die Fokusbreite b < s·sin α. Bei einem Abgriffwinkel von 2° erscheint die Fokuslänge in der Projektion der Verbindungslinie vom Fokus zur Objekt-Tangentialgrenzfläche in der Größe von s·sin α; im obigen Zahlenbeispiel in einer Größe von 70 μm. Mit einer Fokusbreite von beispielsweise b = 10 μm wäre also auch die zweite Bedingung b < s·sin α erfüllt. Bei einer Fokuslänge s von 2 mm hat die Ausrichtung genauer als auf 2° zu erfolgen.
Die Ausrichtung des Fokus 7 ist leicht möglich, wenn bekannt ist, wie die abzubildenden Grenzflächen 5 orientiert sind. Ist eine Orientierung der Grenzflächen 5 zueinander unbekannt, so werden mehrere Phasenkontrast-Bilder aufgenommen, um die optimale Ausrichtung zu bestimmen. Eine gute Ausrichtung zeigt sich in einem deutlichen Phasenkontrast. Die gesuchten Grenzflächen 5 führen zu deutlichen Säumen aus hellen und dunklen Linien im Phasenkontrast-Bild.

Claims

Phasenkontrast-Röntgengerät (1) zur Erstellung eines Phasenkontrast-Bildes (17) mindestens eines Objekts (4), mit – mindestens einer Röntgenquelle (2) zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung (11), die in einem bestimmten optischen Abstand (6) zur Röntgenquelle (2) eine bestimmte räumliche Kohärenz (15) aufweist, und – mindestens einer Auswerteeinrichtung (16) zur Umwandlung der Röntgenstrahlung (12, 13) nach einem Durchstrahlen der Röntgenstrahlung (11) durch das im optischen Abstand (6) zur Röntgenquelle (2) angeordnete Objekt (4) in das Phasenkontrast-Bild (17) des Objekts (4), dadurch gekennzeichnet, dass – die Röntgenquelle (2) eine Leistung aus dem Bereich von einschließlich 50 W bis einschließlich 10 kW aufweist, – eine räumliche Kohärenzlänge (14) der Röntgenstrahlung (11) im optischen Abstand (6) zur Röntgenquelle (2) aus dem Bereich von einschließlich 0,05 μm bis einschließlich 10 μm ausgewählt ist, – die Röntgenquelle (2) einen strichförmigen Fokus (7) mit einer Fokuslänge (s) von einigen mm und einer Fokusbreite (b) von einigen μm aufweist und – eine Längsausdehnung des strichförmigen Fokus (7) in Richtung zum Objekt (4) ausgerichtet ist, wobei – eine dadurch festgelegte Längsausrichtung der Bedingung sin α << λ·L/D·s folgt, wobei der Winkel α eine Winkelabweichung einer Fokuslängsrichtung von einer Tangentialgrenzfläche ist, die sichtbar gemacht werden soll, λ eine Wellenlänge der Röntgenstrahlung, L der optische Abstand zwischen dem Fokus der Röntgenquelle und den Grenzflächen des Objekts und D ein minimaler Abstand zwischen den abzubildenden Grenzflächen (5).
Röntgengerät nach einem der Ansprüche 1, bei dem die Röntgenquelle (2) eine Röntgenröhre mit einer Transmissions-Anode aufweist.
Röntgengerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Röntgenquelle (2) eine Parametrische Röntgenstrahlungsquelle (PXR) aufweist.
Röntgengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Röntgenstrahlung (11) eine bestimmte zeitliche Kohärenz (15) aufweist, wobei zur Erzeugung der zeitlichen Kohärenz (15) der Röntgenstrahlung (11) zumindest ein Monochromator (18) vorhanden ist.
Röntgengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Auswerteeinrichtung (16) zumindest einen Analysator (19) aufweist zur Analyse der Röntgenstrahlung (12, 13) nach dem Durchstrahlen des Objekts (4).
Verfahren zum Erstellen eines Phasenkontrast-Bildes eines Objekts unter Verwendung eine Phasenkontrast-Röntgengeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den Verfahrensschritten: a) Anordnen des Objekts im optischen Abstand zur Röntgenquelle, b) Durchstrahlen des Objekts mit der Röntgenstrahlung und c) Erstellen des Phasenkontrast-Bildes aus der das Objekt durchstrahlenden Röntgenstrahlung mit Hilfe der Auswerteeinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zum Erstellen des Phasenkontrast-Bildes eine beim Durchstrahlen des Objekts abgelenkte Röntgenstrahlung und/oder eine beim Durchstrahlen des Objekts nicht abgelenkte Röntgenstrahlung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die abgelenkte Röntgenstrahlung und/oder die nicht abgelenkte Röntgenstrahlung mit Hilfe eines Analysators ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem mit Hilfe von Röntgenstrahlung unterschiedlicher räumlicher Kohärenz mehrere Phasenkontrast-Bilder erstellt werden, die mit Hilfe einer Bildverarbeitungseinrichtung zu einem Gesamt-Phasenkontrast-Bild verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zum Erzeugen der unterschiedlichen räumlichen Kohärenz der optische Abstand zwischen dem Objekt und der Röntgenquelle variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem ein Objekt verwendet wird, das im Wesentlichen aus einem Material mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten für die Röntgenstrahlung besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem eine Vielzahl von Phasenkontrast-Bildern des Objekts erstellt wird zum Erzeugen eines Phasenkontrast-Computer-Tomogramms des Objekts.