WO2007074029A1 - Fokus- detektor- anordnung zur erzeugung von phasenkontrast-röntgenaufnahmen und verfahren hierzu - Google Patents

Fokus- detektor- anordnung zur erzeugung von phasenkontrast-röntgenaufnahmen und verfahren hierzu Download PDF

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Franz Pfeiffer
Joachim Baumann
Martin Engelhardt
Jörg FREUDENBERGER
Eckhard Hempel
Martin Hoheisel
Thomas Mertelmeier
Stefan Popescu
Manfred Schuster
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Siemens Aktiengesellschaft
Paul Scherrer Institut
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Definitions

  • the invention relates to a focus-detector arrangement of an X-ray apparatus for producing projective or tomographic phase contrast recordings of an examination subject with a radiation source arranged on a first side of the examination subject, which generates a bundle of coherent beams of grid-like origin, one on the opposite second side of the examination subject arranged in the beam path phase grating, which generates an interference pattern of the X-radiation in a predetermined energy range of the X-radiation, and an analysis-detector system which detects at least the interference pattern generated by the phase grating locally with respect to its phase shift.
  • the invention also relates to a method for producing projective or tomographic X-ray phase contrast recordings with the above-mentioned focus detector arrangement.
  • Such focus-detector arrangements for producing projective or tomographic phase-contrast images of an examination subject or such methods are generally known.
  • phase contrast radiography or phase contrast tomography the phase shift caused by the object must be evaluated.
  • both projective images of the phase shift or also a plurality of projective images of tomographic representations of the phase shift, which is effected by a volume element can be calculated.
  • phase shifts to produce projective or tomographic images can be measured by use of interferometric grids.
  • interferometric measuring methods reference is also made to the previously cited documents.
  • a test object is irradiated by a coherent X-radiation, then passed through a grating with a period adapted to the wavelengths of the radiation, resulting in an interference pattern, which is dependent on the radiation shift occurring.
  • This interference pattern is measured by a subsequent analysis-detector arrangement, so that the phase shift can be determined.
  • the method described above requires a sufficient degree of spatial coherence in the radiation used.
  • a problem with this type of focus-detector combinations is that when using such source grids still a relatively high dose content is generated by radiation that does not count to quasi-coherent radiation and thus on the one hand provides a high background noise and on the other hand unnecessary radiation exposure of the examined patient leads.
  • the inventors propose the known focus-detector arrangement of an X-ray apparatus for generating projective or tomographic phase-contrast images of an examination object, at least consisting of:
  • a radiation source arranged on a first side of the object under examination, which generates a bundle of coherent beams of latticed origin
  • phase grating arranged in the beam path on the opposite second side of the examination subject, which diffracts adjacent coherent beams and thus produces an interference pattern / standing wave field of the X-radiation in a specific energy range of the X-radiation dependent on the phase shift of partial areas of the examination subject;
  • an analysis-detector system which at least detects the interference pattern generated by the phase grating with respect to its local intensity distribution for determining a local phase shift, in such a way that the bundle of coherent beams of grating origin is generated by an anode which is arranged in stripes Has areas of different radiation emission that are parallel to the grid lines of the phase grating.
  • At least the surface of the anode has strip-shaped regions of different material in the region of an electron beam focal spot generated for operation of the x-ray tube.
  • means for displacing the anode preferably perpendicular to the strip longitudinal direction, can be provided, these means being provided for displacing the strip-shaped regions, preferably acting perpendicular to the strip longitudinal direction.
  • an electron mask with strip-like openings between cathode and anode which are imaged on the anode and thereby lead to strip-like regions of different radiation emission on the anode.
  • at least one electron-optical lens can be arranged between the electron mask and the anode and / or between the cathode and the electron mask.
  • the electron-optical lens may be formed as a magnetic field lens or as an electric field lens.
  • means for shifting the electron mask preferably for displacement perpendicular to the strip longitudinal direction, be provided.
  • means for varying at least one electron-optical lens can be provided, which causes a displacement of the mask image on the anode, preferably perpendicular to the strip longitudinal direction.
  • the anode has at least in the region of an electron beam focal spot generated for the operation of the X-ray tube streaks and depths, whereby shadowing or due to the then forming field lines, the electrons preferably meet at the high on the anode and preferentially produce X-radiation there.
  • the course of the highs and lows may, for example, be wave-shaped, preferably sinusoidal, or else sayzahnartig, trapezoidal or rectangular.
  • the anode can preferably be designed as a rotary anode because of the better cooling situation.
  • the rotary anode may have aligned strips, strips on a conical surface of the rotary anode or strips on a cylinder jacket surface of the rotary anode in the direction of rotation.
  • the strips of the rotary anode have an axial direction component which is axial relative to the axis of rotation of the rotary anode, and means for generating and controlling a stroboscopic pulsation of the tube current can be provided.
  • means for tuning the frequency and phase of the pulsation of the tube current and the rotational speed can be provided such that the position of the strips of different material in the maximum of the tube current remains unchanged relative to the x-ray tube.
  • the means for tuning the frequency and phase of the pulsation of the tube current and the rotational speed can also be designed such that the position of the strips of different material in the maximum of the tube current relative to the x-ray tube, preferably stepwise, in the direction of rotation for measuring the phase shift at fixed phase grating and stationary Analytical grid wanders. As a result, the known per se movement of the source grid is modeled.
  • the strips should be arranged parallel to the grid lines of the phase grating.
  • the strips may also have an angle, preferably 45 °, to the radial direction.
  • the x-ray tube comprises means for generating and deflecting a bundle.
  • the electron beam is moved on an anode surface along at least one imaginary grid line.
  • a plurality of grid lines can be provided and the electron beam can jump from grid line to grid line.
  • the grid lines can have spacings between one another, which represent an integer multiple of a basic distance.
  • the periodicity of the grid is maintained, but at the same time allows different distances.
  • the simplest variant of this embodiment can simply be considered as a periodic lattice, in which all the lattice lines run parallel with the same distance, whereby the electron beam scans the lattice lines one after the other or in any order.
  • a rotary anode can be used here for better heat dissipation.
  • this rotary anode may have a conical anode surface, wherein the lines are aligned on this surface radially or tangentially to the axis of rotation of the rotary anode.
  • the rotary anode can have a cylindrical anode surface, wherein the lines on this surface are aligned parallel or perpendicular to the axis of rotation. It is also possible to align the lines at an angle to the axis of rotation and the radial direction.
  • the inventors propose in this embodiment that the sampling period, ie the period of a revolution, of the electron beam is small (factor 1/2 - 1/10), preferably very small (factor ⁇ 1/10), against the Sample period of the detector in the analysis-detector system.
  • the means for deflecting the electron beam may be designed such that the movement of a source grating for determining the phase shift is replicated.
  • focus-detector arrangements can be used without final listing, for example, in X-ray system for producing projective phase contrast recordings, in X-ray C-arm system for producing projective or tomographic phase contrast recordings or in X-ray CT system for generating tomographic phase contrast recordings.
  • the inventors also propose a method for generating projective or tomographic X-ray phase contrast images of an examination object with the aid of a focus-detector arrangement comprising an X-ray radiation source, a phase grating and an analysis detector system.
  • a focus-detector arrangement comprising an X-ray radiation source, a phase grating and an analysis detector system.
  • a bundle of coherent beams of lattice-like origin is generated by an A-node which has stripe-shaped regions with different radiation emission, which run parallel to the grid lines of the phase grating.
  • the strips of different radiation emission can be generated by strip-shaped regions of different material.
  • the strips of different radiation emission can also be generated by strip-shaped regions of different height and depth.
  • a rotary anode may be used to effect better heat dissipation and / or to simulate movement of the replaced source grating, preferably by operating the strips of the rotary anode with a directional component axial to the axis of rotation of the rotary anode and strobing the tube current in a stroboscopic manner.
  • the frequency and phase of the pulse In this case, the position of the strips of different radiation emission at the maximum of the tube current relative to the X-ray tube remains unchanged or the movement of a source grid for determining the phase shift is reproduced.
  • the inventors also propose that, in order to produce a bundle of coherent beams, an electron beam is moved on the anode surface according to the grating lines of an X-ray optical grating with the grating lines of the simulated source grating remaining stationary.
  • an electron beam is moved on the anode surface according to the grating lines of an X-ray source grating, simulating the movement of the grating lines of the simulated source grating to determine the phase shift.
  • the course of the strips or slots forming intensity peaks can be oriented parallel tangentially or obliquely to the axis of rotation.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a schematic diagram of a focus detector arrangement with phase grating, analysis grating and detector for displaying the interference phenomenon
  • FIG. 2 shows an intensity profile at selected detector elements with relative displacement of a grating
  • FIG 3 shows an embodiment of an anode with strips of material
  • FIG. 4 shows an embodiment of a rotary anode with radially aligned strips of material with different Z with respect to the anode base material
  • FIG. 5 shows an embodiment of an anode with an electrode beam which is selectively directed by an electrode mask
  • FIG. 6 shows an embodiment of an electron beam-bundled anode and a controlled beam deflection device
  • 7 shows a variant of an anode with incisions
  • 8 shows variants of various incisions in the anode material in cross section
  • FIG 9 shows an X-ray CT system in a 3D view with a focus detector system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a quasi-coherent radiation coming from the focus or individually coherent radiation coming from a source grid, which penetrates a sample P, whereby phase shift phenomena occur after the penetration of the sample P. This is when passing through the
  • Grating Gi generates an interference pattern, which is represented by the gray shading, which leads with the aid of the grating G 2 to the subsequent detector Di and its detector elements to different radiation intensities per detector element, wherein in a so-called Talbotabstand an interference pattern, so called Moire pattern, trains.
  • the detector element E 1 as a function of an offset x G of the analysis grid G 2 and carries the intensity I (E 1 (x G )) as a function of the offset x G on the intensity I
  • I E 1 (x G )
  • FIG Sinusoidal rise and fall of the intensity I at this detector element E first If one applies these measured radiation intensities I for each detector element E 1 or E 3 as a function of the offset x G , then the function I (E 1) is established for the various detector elements which ultimately form the spatial x-ray beam between the focus and the respective detector element (x G )) or I (E 3 (x G )) approximate.
  • the phase shift ⁇ and the relative phase shift ⁇ i: between the detector elements can be determined for each detector element.
  • the phase shift per beam can be determined by at least three measurements with each offset analysis grid, from which the pixel values of a projective image can either be calculated directly in the case of projective X-ray images or projections are created in the case of a CT examination whose pixel values correspond to the phase shift, so that it can be calculated therefrom with the aid of known reconstruction methods which volume element in the examination object is to be attributed which proportion of the measured phase shift. From this, sectional images or volume data are calculated which reflect the local effect of the examined object with respect to the phase shift of an X-ray radiation. Since even slight differences in the composition exert a strong effect on the phase shift, this can be very detailed and high-contrast volume data of relatively relatively similar materials, in particular of soft tissue, play.
  • This variant of the detection of phase shifts of the X-rays, which penetrate an examination subject, with the aid of a multiple offset analysis grid and measurement of the radiation intensity on a detector element behind the analysis grid requires that at least three measurements of each X-ray beam must be performed at each shifted analysis grid.
  • a field (array) of individually coherent radiation is not generated by a source grid behind a flat-shaped focus, but By a lattice-like configuration of the electron beam focal spot on the anode to simulate such a grid generated.
  • This array of individually coherent but mutually incoherent sources can be made by generating a corresponding intensity distribution of the x-rays emitted by the x-ray tube. This can be achieved in different ways:
  • FIG. 3 A first possible embodiment is shown in FIG. 3, in which a relatively further electron beam 14 is directed onto an anode base plate 12.
  • the anode base plate 12 is made of a low Z material, which should preferably have high heat conductivity, high melting point, good stability and sufficient current conductivity.
  • a low Z material for example, aluminum, beryllium or diamond can be used here. With diamond, the current conductivity can be achieved, for example, by doping the material or by coating it with a conductive layer.
  • a material with a high Z value for example copper, molybdenum or tungsten, should be present.
  • the strips 13 made of a high Z material thus emit relatively high intensity X-rays.
  • the characteristic lines of the material can be emitted by a suitable choice of the material according to the acceleration voltage present, while the surrounding material preferably has no characteristic lines in this area. It should be noted that even this material emits characteristic X-rays, but their energy is relatively low and is already largely absorbed by the tube window. In addition, the effectiveness of the production of Bremsstrahlung is less, since this is proportional to the Z value. Thus, in areas in which the anode base plate is struck by the electron beam, X-rays are also generated, but overall with significantly lower intensity than in the strip-shaped regions with a high Z value.
  • an X-ray tube with rotating anode can be used, which provides an increased heat capacity for a higher X-ray flux.
  • many radially oriented stripes may be distributed along a whole circular path. An example of this is shown in FIG.
  • the elemental sources are constantly shifting with respect to the interferometer grating because of anode rotation.
  • This effect can be used on the one hand to simulate a moving source grid for phase determination, on the other hand, this effect can also be avoided by the electron beam and thus the X-ray emission synchronously pulsed to the anode rotation such that its maximum is always achieved when the stripes have moved on for a period.
  • the position of the elemental X-ray emitters then appears to be static when viewed from the detector.
  • the electron mask 15 can be connected to a certain potential (voltage). This voltage should be low enough to avoid that the incident electrons already reach too high a kinetic energy, whereby the temperature of the electron mask 15 would rise too much and in addition unwanted secondary X-radiation would be generated. This can be avoided, for example, by applying the electron mask with a voltage below the energy to which the interferometer structure is set.
  • this electron mask can advantageously be used as a focusing electrode, which focuses the generated electrons on the anode surface.
  • the mask can also be connected to a well-defined control voltage (focusing voltage).
  • focusing voltage focusing voltage
  • the electron beam incident on the anode can be deflected correspondingly using an electric field generated by the optional electrode plates 17.1 and 17.2 or a magnetic field, ie an electron optics.
  • the electron beam can be switched on and off by such an arrangement.
  • FIG. 6 Such an arrangement is shown by way of example and in a highly schematic manner in FIG. 6 for the case of an electrostatic optics.
  • a collimated electron beam 14 is shown, which is controlled by two mutually perpendicular plate electrode pairs 17.1, 17.2 and 18.1, 18.2 with respect to its deflection in its direction.
  • the electron beam similar to the scanning of a television image lines with the desired spacing of the lines "scan" the anode and thereby generate the desired X-ray radiation Basically, in this case, looking at a snapshot, only a point focus is generated, but is about averaged over a longer period of radiation
  • a stripe pattern consisting of at least one or more stripes corresponding to the lines of a source lattice is generated. In terms of time, the function of a source grid is thereby also achieved.
  • Electron tubes such as a triode or pentode or can be done by traveling wave tubes.
  • a linear focus and only a single axis deflection may be applied perpendicular thereto.
  • the hot spot temperature is distributed along the line-shaped focus.
  • Another possibility for improvement is the use of an X-ray tube with a rotating anode, optionally with electron beam deflection.
  • the hot spot temperature is distributed along a longer circular track.
  • the rotation with sufficient speed smears the thermal stress homogeneously across the path of the electron beam.
  • the maximum brilliance of an X-ray tube is limited by the derivative of the heat generated at the focal point. If an X-ray source consisting of a plurality of strips is used, corresponding to the above-described embodiments according to the invention, an improved heat dissipation on the anode surface results. Unlike an arrangement that consists of a flat focal point and source lattice, no or less heat is produced at the areas between the strips, so that therefore a higher brilliance of the radiation can be achieved.
  • FIG. 1 Another embodiment of an anode 12 according to the invention is shown in FIG. This has incisions 19 which shade the anode material relative to the approaching electron e ⁇ , while the electrons e ⁇ impinge propagated on the plateaus 20 of the anode. Accordingly arise on the anode surface strip-shaped areas with increased and reduced swelling intensity of generated braking and X-rays ⁇ .
  • the source intensity Q of the X-ray radiation is schematically plotted as stair line 21 with respect to a random x-axis. It should be noted that other design variants, such as groove-shaped depressions or a wave or sinusoidal surface profile, are possible. It is only essential here that X-radiation with different intensity is formed on the anode surface.
  • FIG. 1 A complete computer CT system for using the focus detector system according to the invention or carrying out the method according to the invention is shown in FIG.
  • This shows the CT system 1, which has a first focus-detector system with an X-ray tube 2 and an opposite detector 3, which are arranged on a gantry, not shown, in a gantry housing 6.
  • the x-ray tube 2 in this case contains a multi-strip focus according to the invention which generates quasi-coherent x-rays.
  • an X-ray optical grating system as shown for example in FIG.
  • the control of the CT system is performed by a computing and control unit 10 in which programs 11 Prgi prg n are stored in a memory, which perform the above-described method in operation and also control the X-ray tube according to the invention with its multi-strip focus and Reconstruct tomographic images from the measured radiation-dependent phase shifts.
  • a second focus-detector system can be arranged in the gantry housing. This is indicated in FIG. 9 by the x-ray tube 4 shown in dashed lines and the detector 5 shown in dashed lines.
  • phase shifts of the X-ray radiation can be measured with the focus-detector systems shown, but these also continue to be used for the conventional measurement of the radiation absorptivity. tion and reconstruction of appropriate absorption recordings are suitable. Optionally, combined absorption and phase contrast images can also be generated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fokus-Detektor-Anordnung einer Röntgenapparatur (1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt (7, P), wobei ein Bündel kohärenter Röntgenstrahlen (Si) durch eine Anode (12) erzeugt wird, welche streifenförmig angeordnete Bereiche (13) mit unterschiedlicher Strahlungsemission aufweist, die parallel zu den Gitterlinien des Phasengitters (G1) der Fokus-Detektor-Anordnung verlaufen. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Röntgen-Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt mit Hilfe einer solchen Fokus-Detektor-Anordnung, wobei ein Bündel kohärenter Strahlung durch eine Anode (12) erzeugt wird, welche streifenförmig angeordnete Bereiche (13) mit unterschiedlicher Strahlungsemission aufweist, die parallel zu den Gitterlinien des Phasengitters (G1) verlaufen.

Description

FOKUS- DETEKTOR- ANORDNUNG ZUR ERZEUGUNG VON PHASENKONTRAST-RÖNTGENAUFNAHMEN UND VERFAHREN HIERZU
Die Erfindung betrifft eine Fokus-Detektor-Anordnung einer Röntgenapparatur zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt mit einer auf einer ersten Seite des Untersuchungsobjektes angeordneten Strahlungsquelle, welche ein Bündel von kohärenten Strahlen mit gitterartigem Ursprung erzeugt, einem auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Untersuchungsobjektes im Strahlengang angeordnetes Phasengitter, welches ein Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem vorbestimmten Energiebereich der Röntgenstrahlung erzeugt, und ein Analyse- Detektor-System, welches zumindest das vom Phasengitter erzeugte Interferenzmuster örtlich bezüglich seiner Phasenverschiebung detektiert. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Röntgen-Phasenkontrastaufnahmen mit der oben genannten Fokus- Detektor-Anordnung .
Solche Fokus-Detektor-Anordnungen zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt beziehungsweise solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielhaft wird auf die EP 1 447 046 Al und die nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10 2006 017 290.6, 10 2006 015 358.8, 10 2006 017 291.4, 10 2006 015 356.1 und 10 2006 015 355.3 verwiesen .
Für die Bildgebung durch ionisierende Strahlen, insbesondere durch Röntgenstrahlen können grundsätzlich zwei Effekte betrachtet werden, die beim Durchtritt der Strahlung durch Materie auftreten, nämlich die Absorption und die Phasenverschiebung der durch ein Untersuchungsobjekt durchtretenden Strahlung. Es ist auch bekannt, dass der Effekt der Phasen- Verschiebungen beim Durchtritt eines Strahles durch ein Untersuchungsobjekt wesentlich stärker auf geringere Unterschiede in der Zusammensetzung der durchdrungenen Materie reagiert, als die Absorptionseffekte.
Für eine solche Phasenkontrastradiographie oder Phasenkon- trasttomographie muss die vom Objekt verursachte Phasenverschiebung ausgewertet werden. Hierbei können analog zur Rönt- genradiographie beziehungsweise Röntgentomographie sowohl projektive Bilder der Phasenverschiebung oder auch eine Vielzahl von projektiven Bildern tomographischer Darstellungen der Phasenverschiebung, die durch ein Volumenelement bewirkt wird, berechnet werden.
Derartige Phasenverschiebungen zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Aufnahmen können durch die Verwendung durch interferometrische Gitter gemessen werden. Bezüglich dieser interferometrischen Messmethoden wird ebenfalls auf die zuvor zitierte Schriften verwiesen. Bei diesen Methoden wird ein Untersuchungsobjekt von einer kohärenten Röntgenstrahlung durchstrahlt, anschließend durch ein Gitter mit einer auf die Wellenlängen der Strahlung angepassten Periode geführt, wodurch ein Interferenzmuster entsteht, welches abhängig von der auftretenden Strahlungsverschiebung ist. Dieses Interfe- renzmuster wird durch eine anschließende Analyse-Detektor- Anordnung ausgemessen, so dass die Phasenverschiebung bestimmt werden kann.
Das oben beschriebene Verfahren erfordert einen ausreichenden Grad an räumlicher Kohärenz in der verwendeten Strahlung.
Dies kann beispielsweise durch einen extrem kleinen Fokus erreicht werden, wobei hier die erreichbare Dosisleistung wegen der zu langen erforderlichen Bestrahlungszeit für medizinische Anwendungen kaum nutzbar ist. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Synchrotronstrahlung. Derartige Apparaturen sind in der Praxis viel zu aufwendig. Schließlich wird im genannten Stand der Technik auch vorgeschlagen, einen Fokus mit einem konventionell großen Brennfleck zu verwenden, wie er im Bereich der bekannten Computertomographie bekannt ist, und zwischen Fokus und Untersuchungsobjekt ein sogenanntes Quellengitter anzuordnen. Die Schlitze dieses Quellengitters erzeugen ein Feld von individuell kohärenten Strahlen einer bestimmten Energie, deren Dosisleistung ausreicht, um mit Hilfe eines in Strahlrichtung hinter dem Objekt angeordneten Phasengitter das an sich bekannte Interferenzmuster zu erzeugen .
Auf diese Weise ist es möglich, Strahlungsquellen zu verwenden, die Ausdehnungen besitzen, die normalen Röntgenröhren in CT-Systemen beziehungsweise Durchlicht-Röntgen-Systemen entsprechen, so dass zum Beispiel im Bereich der allgemeinen medizinischen Diagnostik nun mit Hilfe von Röntgen-Geräten auch gut differenzierte Weichteilaufnahmen gemacht werden können.
Ein Problem bei dieser Art von Fokus-Detektor-Kombinationen besteht darin, dass bei der Verwendung solcher Quellengitter trotzdem noch ein relativ hoher Dosisanteil durch Strahlung entsteht, die nicht zur quasi-kohärenten Strahlung zählt und damit einerseits für ein hohes Untergrundrauschen sorgt und andererseits auch zu unnötiger Strahlenbelastung des untersuchten Patienten führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Fokus-Detektor-Anordnung zu finden, welche eine bei ausreichender Dosisleistung für medizinische Zwecke eine verbesserte Dosisnutzung zur Phasenkontrastbildgebung erreicht. Es soll also das Verhältnis von zur Phasenkontrastmessung nutzbaren Strahlung zur Strahlung, die nur zu Absorptionsmessungen nutzbar ist verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin- düng sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche. Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, den Effekt der Erzeugung eines Bündels von quasi-kohärenten Strahlen mit gitterartigem Ursprung durch ein Quellengitter auch direkt auf einer Anode auszuführen, indem streifenförmig angeordnete Bereiche erzeugt werden, die eine unterschiedliche Strahlungsemission aufweisen. Vorteilhaft kann damit auch eine Bewegung des Quellengitters nachgebildet werden.
Demgemäß schlagen die Erfinder vor, die an sich bekannte Fo- kus-Detektor-Anordnung einer Röntgenapparatur zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt, zumindest bestehend aus:
- einer auf einer ersten Seite des Untersuchungsobjektes angeordneten Strahlungsquelle, welche ein Bündel von kohärenten Strahlen mit gitterartigem Ursprung erzeugt,
- einem auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Untersuchungsobjektes im Strahlengang angeordneten Phasengitter, welches benachbarte kohärente Strahlen zur Beugung bringt und somit ein von der Phasenverschiebung von Teilbereichen des Untersuchungsobjektes abhängiges Interferenzmuster / stehendes Wellenfeld der Röntgenstrahlung in einem bestimmten Energiebereich der Röntgenstrahlung erzeugt, und
- einem Analyse-Detektor-System, welches zumindest das vom Phasengitter erzeugte Interferenzmuster bezüglich seiner ört- liehen Intensitätsverteilung zur Bestimmung einer örtlichen Phasenverschiebung detektiert, dahingehend zu verbessern, dass das Bündel von kohärenten Strahlen mit gitterartigem Ursprung durch eine Anode erzeugt wird, welche streifenförmig angeordnete Bereiche mit unter- schiedlicher Strahlungsemission aufweist, die parallel zu den Gitterlinien des Phasengitters verlaufen.
In einer ersten Ausführungsvariante der Fokus-Detektor-Anordnung wird vorgeschlagen, dass zumindest die Oberfläche der Anode im Bereich eines zum Betrieb der Röntgenröhre erzeugten Elektronenstrahlbrennfleckes streifenförmig angeordnete Bereiche unterschiedlichen Materials aufweist. Hierbei können Mittel zur Verschiebung der Anode, vorzugsweise senkrecht zur Streifenlangsrichtung, vorgesehen werden, wobei diese Mittel zur Verschiebung der streifenförmig angeordneten Bereiche, vorzugsweise senkrecht zur Streifenlangs- richtung wirkend, vorgesehen sind.
Alternativ wird vorgeschlagen zwischen Kathode und Anode eine Elektronenmaske mit streifenartigen Offnungen anzuordnen, welche auf der Anode abgebildet werden und dadurch auf der Anode zu streifenartigen Bereichen unterschiedlicher Strahlungsemission fuhren. Ergänzend kann zwischen der Elektronenmaske und der Anode und/oder zwischen Kathode und Elektronenmaske mindestens eine elektronenoptische Linse angeordnet werden .
Die elektronenoptische Linse kann als magnetische Feldlinse oder als elektrische Feldlinse ausgebildet werden.
Erfindungsgemaß wird auch vorgeschlagen, dass Mittel zur Ver- Schiebung der Elektronenmaske, vorzugsweise zur Verschiebung senkrecht zur Streifenlangsrichtung, vorgesehen werden.
Außerdem können Mittel zur Variation mindestens einer elektronenoptischen Linse vorgesehen werden, welche eine Verschie- bung der Maskenabbildung auf der Anode, vorzugsweise senkrecht zur Streifenlangsrichtung, bewirkt.
In einer weiteren Ausfuhrung wird auch vorgeschlagen, dass die Anode zumindest im Bereich eines zum Betrieb der Rontgen- röhre erzeugten Elektronenstrahlbrennfleckes streifenförmig angeordnete Hohen und Tiefen aufweist, wodurch Abschattungen entstehen oder aufgrund der dann sich ausbildenden Feldlinien die Elektronen bevorzugt an den Hohen auf die Anode treffen und dort bevorzugt Röntgenstrahlung produzieren.
Der Verlauf der Hohen und Tiefen kann beispielsweise wellenförmig, vorzugsweise sinusförmig, oder auch sagezahnartig, trapezartig oder rechteckig ausgebildet werden. Außerdem kann die Anode bevorzugt wegen der besseren Kühlungssituation als Drehanode ausgeführt werden. Hierbei kann die Drehanode je nach Anforderung in Rotationsrichtung ausge- richtete Streifen, Streifen auf einer Kegelmanteloberfläche der Drehanode oder Streifen auf einer Zylindermanteloberfläche der Drehanode aufweisen.
Weiterhin können in einer besonderen Ausführung der Fokus- Detektor-Anordnung die Streifen der Drehanode eine zur Drehachse der Drehanode axiale Richtungskomponente aufweisen und Mittel zur Erzeugung und Steuerung einer stroboskopartigen Pulsation des Röhrenstromes vorgesehen werden. Hierbei können Mittel zur Abstimmung von Frequenz und Phase der Pulsation des Röhrenstromes und der Drehzahl derart vorgesehen sein, dass die Position der Streifen unterschiedlichen Materials im Maximum des Röhrenstroms relativ zur Röntgenröhre unverändert bleibt.
Die Mittel zur Abstimmung von Frequenz und Phase der Pulsation des Röhrenstromes und der Drehzahl können auch derart ausgebildet sein, dass die Position der Streifen unterschiedlichen Materials im Maximum des Röhrenstroms relativ zur Röntgenröhre, vorzugsweise schrittweise, in Rotationsrichtung zur Messung der Phasenverschiebung bei ortsfestem Phasengitter und ortsfestem Analysengitter wandert. Hierdurch wird die an sich bekannte Bewegung des Quellengitters nachgebildet.
Grundsätzlich sollten in dieser Fokus-Detektor-Anordnung die Streifen parallel zu den Gitterlinien des Phasengitters angeordnet sein.
Die Streifen können allerdings auch einen Winkel, vorzugsweise 45°, zur radialen Richtung aufweisen.
In einer grundsätzlich anderen Variante der erfindungsgemäßen Fokus-Detektor-Anordnung schlagen die Erfinder vor, dass die Röntgenröhre Mittel zur Erzeugung und Ablenkung eines gebün- delten Elektronenstrahls aufweist, wobei der Elektronenstrahl auf einer Anodenoberfläche entlang mindestens einer gedachten Gitterlinie bewegt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können mehrere Gitterlinien vorgesehen sein und der Elektronenstrahl kann von Gitterlinie zu Gitterlinie springen. Hierbei können die Gitterlinien Abstände untereinander aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches eines Grundabstandes darstellen. Hierdurch wird die Periodizität des Gitters gewahrt, jedoch gleichzeitig unterschiedliche Abstände ermöglicht. Als einfachste Variante dieser Ausführung kann jedoch einfach ein periodisches Gitter angesehen werden, in dem alle Gitterlinien parallel mit gleichem Abstand verlaufen, wobei der Elektronenstrahl die Git- terlinien nacheinander oder in beliebiger Reihenfolge abtastet.
Bevorzugt kann hier eine Drehanode zur besseren Wärmeableitung verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführung kann diese Drehanode eine kegelförmige Anodenfläche aufweisen, wobei die Zeilen auf dieser Oberfläche radial oder tangential zur Drehachse der Drehanode ausgerichtet sind.
In einer weiteren Variante dieser Ausführung mit gebündeltem und gelenktem Elektrodenstrahl kann die Drehanode eine zylinderförmige Anodenfläche aufweisen, wobei die Zeilen auf dieser Oberfläche parallel oder senkrecht zur Drehachse ausge- richtet sind. Auch ist es möglich, die Zeilen schräg zur Drehachse und zur radialen Richtung auszurichten.
Zusätzlich schlagen die Erfinder in dieser Ausführungsvariante vor, dass die Abtastperiode, also die Periode eines Umlau- fes, des Elektronenstrahls klein ist (Faktor 1/2 - 1/10), vorzugsweise sehr klein ist (Faktor <l/10), gegen die Abtastperiode des Detektors im Analyse-Detektor-System. Außerdem können die Mittel zur Ablenkung des Elektronenstrahls derart gestaltet sein, dass die Bewegung eines Quellengitters zur Bestimmung der Phasenverschiebung nachgebildet wird.
Die oben beschriebenen Fokus-Detektor-Anordnungen können ohne abschließende Aufzählung beispielsweise in Röntgen-System zur Erzeugung projektiver Phasenkontrastaufnahmen, in Röntgen-C- Bogen-System zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen oder in Röntgen-CT-System zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen verwendet werden .
Entsprechend dem grundlegenden Erfindungsgedanken schlagen die Erfinder auch ein Verfahren zur Erzeugung projektiver o- der tomographischer Röntgen-Phasenkontrastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt mit Hilfe einer Fokus-Detektor-Anordnung, enthaltend eine Röntgen-Strahlungsquelle, ein Phasengitter und ein Analyse-Detektor-System, vor, bei dem ein Bündel von kohärenten Strahlen mit gitterartigem Ursprung durch eine A- node erzeugt wird, welche streifenförmig angeordnete Bereiche mit unterschiedlicher Strahlungsemission aufweist, die parallel zu den Gitterlinien des Phasengitters verlaufen.
Beispielsweise können die Streifen unterschiedlicher Strahlungsemission durch streifenförmig angeordnete Bereiche unterschiedlichen Materials erzeugt werden.
Auch können die Streifen unterschiedlicher Strahlungsemission durch streifenförmig angeordnete Bereiche unterschiedlicher Höhe und Tiefe erzeugt werden.
Es kann eine Drehanode genutzt werden, um eine bessere Wärmeableitung zu bewirken und/oder die Bewegung des ersetzten Quellengitters nachzubilden, wobei vorzugsweise die Streifen der Drehanode mit einer zur Drehachse der Drehanode axialen Richtungskomponente betrieben werden und der Röhrenstrom stroboskopartig gepulst wird. Die Frequenz und Phase der Pul- sation des Röhrenstromes auf die Drehfrequenz der Drehanode können dabei also wahlweise derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Position der Streifen unterschiedlicher Strahlungsemission im Maximum des Röhrenstroms relativ zur Röntgenröhre unverändert bleibt oder dass die Bewegung eines Quellengitters zur Bestimmung der Phasenverschiebung nachgebildet wird.
Gemäß einer anderen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfah- rens schlagen die Erfinder auch vor, dass zur Erzeugung eines Bündels von kohärenten Strahlen ein Elektronenstrahl auf der Anodenoberfläche entsprechend den Gitterlinien eines röntgen- optischen Quellengitters bewegt wird, wobei die Gitterlinien des simulierten Quellengitters ortsfest bleiben.
Außerdem wird auch vorgeschlagen, dass zur Erzeugung eines Bündels von kohärenten Strahlen ein Elektronenstrahl auf der Anodenoberfläche entsprechend den Gitterlinien eines röntgen- optischen Quellengitters bewegt wird, wobei die Bewegung der Gitterlinien des simulierten Quellengitters zur Bestimmung der Phasenverschiebung nachgebildet wird.
Zur Vollständigkeit wird darauf hingewiesen, dass bei allen hier dargestellten Ausführungsvarianten der Verlauf der In- tensitätsmaxima bildenden Streifen oder Schlitze parallel tangential oder schräg zur Drehachse ausgerichtet sein kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre; 5: zweiter Detektor; 6: Gan- trygehäuse; 7: Patient; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Steuer- und Recheneinheit; 11: Speicher; 12: Anodenbasis; 13: Streifen; 14: Elektronenstrahl; 15: Elektronenmaske; 16: Anode; 17.1, 17.2 18.1, 18.2: Plattenelektroden; 19: Einschnitt; 20: Plateau; 21: Verlauf der Quellintensität; d: Ab- stand des Phasengitters Gi zum Analysengitter G2; Di: Detektor; e": Elektronen; E1, E3: Detektorelement; Gi : Phasengitter; G2 : Analysengitter; I(Ex(xG)): gemessene Intensität am Detektorelement Ex beim Gitterversatz xG; I: gemessene Inten- sität des Photonenflusses; Prgn: Programme; S1: Röntgenstrahlen; xG: Versatz des Analysengitters; φx: Phasenverschiebung am Detektorelement Ex; φi: : relative Phasenverschiebung zwischen den Detektorelementen; λ: Brems- und Röntgenstrahlung.
Es zeigen im Einzelnen:
FIG 1 einen Längsschnitt durch eine Prinzipdarstellung einer Fokus-Detektor-Anordnung mit Phasengitter, Analysengitter und Detektor zur Darstellung der Interferenzer- scheinung;
FIG 2 einen Intensitätsverlauf an ausgewählten Detektorelementen bei Relativverschiebung eines Gitters;
FIG 3 eine Ausführung einer Anode mit Materialstreifen aus
Material mit unterschiedlichem Z gegenüber dem Anodenbasismaterial;
FIG 4 eine Ausführung einer Drehanode mit radial ausgerich- teten Materialstreifen aus Material mit unterschiedlichem Z gegenüber dem Anodenbasismaterial;
FIG 5 eine Ausführung einer Anode mit einem Elektrodenstrahl, der durch eine Elektrodenmaske selektiv ge- richtet ist;
FIG 6 eine Ausführung einer Anode mit gebündeltem Elektronenstrahl und einer gesteuerten Strahlablenkungsvorrichtung;
FIG 7 eine Ausführungsvariante einer Anode mit Einschnitten; FIG 8 Ausführungsvarianten von verschiedenen Einschnitten in das Anodenmaterial im Querschnitt; und
FIG 9: ein Röntgen-CT-System in 3D-Ansicht mit erfindungsge- mäßem Fokus-Detektor-System.
Zum besseren Verständnis wird nachfolgend das grundsätzliche Prinzip der Phasenkontrastmessung mit den Figuren 1 bis 2 beschrieben .
Die Figur 1 zeigt eine vom Fokus kommende quasi-kohärente Strahlung oder von einem Quellengitter kommende individuell kohärente Strahlung, die eine Probe P durchdringt, wobei es nach dem Durchdringen der Probe P zu Phasenverschiebungser- scheinungen kommt. Hierdurch wird beim Durchtritt durch das
Gitter Gi ein Interferenzmuster, welches durch die Grauschattierung dargestellt ist, erzeugt, das mit Hilfe des Gitters G2 auf den anschließenden Detektor Di und dessen Detektorelementen zu unterschiedlichen Strahlungsintensitäten je Detek- torelement führt, wobei sich in einem so genannten Talbotabstand ein Interferenzmuster, ein so genanntes Moire-Muster, ausbildet. Betrachtet man beispielsweise das Detektorelement E1 in Abhängigkeit eines Versatzes xG des Analysengitters G2 und trägt die Intensität I (E1 (xG) ) als Funktion des Versatzes xG über die Intensität I, so erhält man einen, in der Figur 2 gezeigten, sinusförmigen An- und Abstieg der Intensität I an diesem Detektorelement E1. Trägt man diese gemessenen Strahlungsintensitäten I für jedes Detektorelement E1 beziehungsweise E3 in Abhängigkeit vom Versatz xG auf, so erlässt sich für die verschiedenen Detektorelemente, die ja letztendlich den räumlichen Röntgenstrahl zwischen dem Fokus und dem jeweiligen Detektorelement bilden die Funktion I (E1 (xG) ) beziehungsweise I (E3 (xG) ) annähern. Aus den Funktionen lässt sich für jedes Detektorelement die Phasenverschiebung φ und die relative Phasenverschiebung φi: zwischen den Detektorelementen bestimmen. Es lässt sich somit für jeden Strahl im Raum durch mindestens drei Messungen mit jeweils versetztem Analysengitter die Phasenverschiebung je Strahl ermitteln, woraus entweder im Fall von projektiven Röntgenaufnahmen direkt die Pixelwerte einer projektiven Aufnahme berechnet werden können oder es werden im Fall einer CT-Untersuchung Projektionen erstellt, deren Pixelwerte der Phasenverschiebung entsprechen, so dass hieraus mit Hilfe an sich bekannter Rekonstruktionsmethoden berechnet werden kann, welches Volumenelement im Untersuchungs- objekt welchen Anteil an der gemessenen Phasenverschiebung zuzusprechen ist. Hieraus errechnen sich damit Schnittbilder oder Volumendaten, die die örtliche Wirkung des untersuchten Objektes bezüglich der Phasenverschiebung einer Röntgenstrahlung widerspiegelt. Da bereits geringe Unterschiede in der Zusammensetzung einen starken Effekt auf die Phasenverschiebung ausüben, lassen sich hierdurch sehr detailreiche und kontraststarke Volumendaten von an sich relativ ähnlichen Materialien, insbesondere von Weichteilgewebe, wiedergeben.
Diese Variante der Detektion von Phasenverschiebungen der Röntgenstrahlen, die ein Untersuchungsobjekt durchdringen, mit Hilfe eines mehrfach versetzten Analysengitters und Messung der Strahlungsintensität auf einem Detektorelement hinter dem Analysengitter bedingt, dass von jedem Röntgenstrahl mindestens drei Messungen bei jeweils verschobenem Analysengitter durchgeführt werden müssen.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, auf ein derartiges Analysengitter zu verzichten und stattdessen einen aus- reichend fein strukturierten Detektor zu verwenden, wobei in diesem Fall weniger Dosisverluste bei der Messung auftreten und mit einer einzigen Messung die Phasenverschiebung im betrachteten Strahl bestimmt werden kann.
Zur Messung des Phasenkontrastes ist es notwendig, kohärente Strahlung zu verwenden. Erfindungsgemäß wird hierzu ein Feld (Array) individuell kohärenter Strahlung nicht durch ein Quellengitter hinter einem flächig ausgebildeten Fokus, son- dern durch eine gitterartige Ausgestaltung des Elektronen- strahlbrennflecks auf der Anode zur Nachbildung eines solchen Gitters erzeugt.
Dieses Array individuell kohärenter, aber zueinander inkohärenter Quellen kann hergestellt werden, indem eine entsprechende Intensitätsverteilung der von der Röntgenröhre emittierten Röntgenstrahlen erzeugt wird. Dies kann auf die verschiedene Weise erreicht werden:
Eine erste mögliche Ausführungsform ist in der Figur 3 gezeigt, in der ein relativ weiter Elektronenstrahl 14 auf eine Anodenbasisplatte 12 gerichtet ist. Die Anodenbasisplatte 12 besteht aus einem Material mit niedrigem Z-Wert, welches be- vorzugt hohe Wärmeleitfähigkeit, hohen Schmelzpunkt, gute Stabilität und ausreichende Stromleitfähigkeit aufweisen sollte. Beispielsweise kann hier Aluminium, Beryllium oder Diamant verwendet werden. Bei Diamant kann die Stromleitfähigkeit beispielsweise dadurch erzielt werden, dass das Mate- rial dotiert oder mit einer leitenden Schicht beschichtet wird. An den streifenförmigen Bereichen 13, wo Röntgenstrahlen bevorzugt emittiert werden sollen, soll ein Material mit hohem Z-Wert, z.B. Kupfer, Molybdän oder Wolfram, vorliegen. Die aus einem Material mit hohem Z-Wert hergestellten Strei- fen 13 emittieren folglich Röntgenstrahlen mit relativ hoher Intensität. Durch eine geeignete Wahl des Materials entsprechend der vorliegenden Beschleunigungsspannung können insbesondere die charakteristischen Linien des Materials emittiert werden, während das umgebende Material vorzugsweise keine charakteristischen Linien in diesem Bereich aufweist. Es ist zwar anzumerken, dass auch dieses Material charakteristische Röntgenstrahlung emittiert, jedoch liegt deren Energie relativ niedrig und wird weitgehend bereits durch das Röhrenfenster absorbiert. Außerdem ist die Effektivität der Erzeugung von Bremsstrahlung geringer, da diese proportional zum Z-Wert ist. Somit werden in Bereichen, in denen die Anodenbasisplatte von dem Elektronenstrahl getroffen wird, zwar ebenfalls Röntgenstrahlen erzeugt, jedoch insgesamt mit wesentlich ge- ringerer Intensität als in den streifenförmigen Bereichen mit hohem Z-Wert.
Vorteilhaft kann auch eine Röntgenröhre mit rotierender Anode verwendet werden, die eine erhöhte Wärmekapazität für einen höheren Röntgenstrahlenfluss liefert. In diesem Fall können viele radial orientierte Streifen entlang einer ganzen kreisförmigen Bahn verteilt werden. Ein Beispiel hierfür ist in der Figur 4 dargestellt.
Bei kontinuierlicher Röntgenstrahlenemission verschieben sich jedoch bei dieser Anordnung die elementaren Quellen wegen der Anodenrotation ständig bezüglich des Interferometergitters . Dieser Effekt kann einerseits genutzt werden, um ein bewegtes Quellengitter zur Phasenbestimmung zu simulieren, andererseits kann dieser Effekt allerdings auch dadurch vermieden werden, indem der Elektronenstrahl und damit auch die Röntgenstrahlenemission synchron zur Anodenrotation derart gepulst wird, dass deren Maximum immer dann erreicht wird, wenn die Streifen um eine Periode weitergewandert sind. Durch einen stroboskopischen Effekt erscheint die Position der elementaren Röntgenstrahlenemitter dann bei einer Betrachtung vom Detektor aus statisch zu sein.
Durch Einstellen der Phase zwischen Pulsierung und Rotation kann zudem eine für die Phasenzerlegung erforderliche Quellenverschiebung, die sich von der Rotationsgeschwindigkeit der Anode unterscheidet, implementiert werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, einen Teil des auf die Anodenplatte 16 auftreffenden Elektronenstrahls 14 unter Verwendung einer Elektronenmaske 15, wie es in der Figur 5 skizziert ist, zu beschneiden. Die Elektronenmaske 15 kann mit einem bestimmten Potenzial (Spannung) verbunden werden. Diese Spannung sollte dabei niedrig genug sein, um zu vermeiden, dass die auftreffenden Elektronen bereits eine zu hohe kinetische Energie erreichen, wodurch die Temperatur der Elektronenmaske 15 zu stark ansteigen würde und zusätzlich unerwünschte sekundäre Röntgenstrahlung erzeugt werden würde. Dies kann vermieden werden, indem zum Beispiel die Elektronenmaske mit einer Spannung unterhalb der Energie, auf die der Interferometeraufbau eingestellt ist, beaufschlagt wird.
Zusätzlich kann hierdurch auf vorteilhafte Weise diese Elektronenmaske als Fokussierungselektrode eingesetzt werden, welche die erzeugten Elektronen auf die Anodenoberfläche fokus- siert. Dazu kann die Maske auch an eine wohl definierte Steuerspannung (Fokussierspannung) angeschlossen werden. Bei dieser verbesserten Anordnung entfernt die Elektronenmaske keine Elektronen, sondern konzentriert den austretenden Elektronenstrahl in mehrere stark fokussierte Teilstrahlen. Hierdurch wird die Effizienz stark verbessert.
Gemäß einer weitergehenden anderen beziehungsweise ergänzenden Ausführungsform der Fokus-Detektor-Anordnung kann der auf der Anode auftreffende Elektronenstrahl unter Verwendung ei- nes elektrischen Feldes - erzeugt durch die optionalen Elektrodenplatten 17.1 und 17.2 - oder eines Magnetfelds, also einer Elektronenoptik, entsprechend abgelenkt werden. Zudem kann durch eine solche Anordnung der Elektronenstrahl ein- und ausgeschaltet werden.
Beispielhaft und stark schematisiert ist eine solche Anordnung in der Figur 6 für den Fall einer elektrostatischen Optik gezeigt. In dieser Figur ist ein gebündelter Elektronenstrahl 14 dargestellt, der durch zwei senkrecht zueinander wirkende Plattenelektrodenpaare 17.1, 17.2 und 18.1, 18.2 bezüglich seiner Auslenkung in seiner Richtung gesteuert wird. Durch eine entsprechende Steuerung der Plattenelektrodenpaare kann der Elektronenstrahl ähnlich der Abtastung eines Fernsehbildes zeilenartig mit dem gewünschten Abstand der Zeilen die Anode „abtasten" und dabei die erwünschte Röntgenstrahlung erzeugen. Grundsätzlich wird hierbei, betrachten man eine Momentaufnahme, lediglich ein Punktfokus erzeugt, allerdings wird über längere Strahlungszeit hinweg gemittelt ein Streifenmuster, das aus zumindest einem oder mehreren Streifen entsprechend den Linien eines Quellgitters besteht, erzeugt. Im zeitlichen Mittel wird also auch hierdurch die Funktion eines Quellengitters erreicht.
Bezüglich der Pulsation des Elektronenstrahls ist zu bemerken, dass diese beispielsweise durch eine gezielte periodische Veränderung der Kathodentemperatur, schnelle und starke Ablenkung des Elektronenstrahls, Feldemissionskathoden, e- lektrisch steuerbare Elektronenemission, Photoemissionskathoden, Kathoden mit licht- oder laserinduzierter Emission, Streak-Röhren, gegatete Elektronenröhren wie eine Triode oder Pentode oder auch durch Wanderfeldröhren geschehen kann.
Alternativ kann ein linienförmiger Fokus und nur eine einzelne Achsenablenkung senkrecht hierzu angewendet werden. Bei diesem Ansatz wird die Hot-Spot-Temperatur entlang des linienförmigen Fokus verteilt. Wie bereits erwähnt kann man auch hier eine für die Phasenzerlegung mögliche, beziehungs- weise falls keine beweglichen Gitter oder Detektoren eingesetzt werden, erforderliche Quellenverschiebung über das Horizontalablenkmittel erhalten.
Eine weitere Verbesserungsmöglichkeit besteht in der Verwen- düng einer Röntgenröhre mit rotierender Anode, wahlweise mit Elektronenstrahlablenkung . Bei dieser Anordnung wird die Hot- Spot-Temperatur entlang einer längeren kreisförmigen Spur verteilt. Die Rotation mit ausreichender Geschwindigkeit verschmiert die thermische Belastung homogen über die Bahn des Elektronenstrahls.
Es ist weiterhin zu bemerken, dass die maximale Brillanz einer Röntgenröhre durch die Ableitung der beim Brennpunkt erzeugten Wärme begrenzt wird. Wenn eine aus mehreren Streifen bestehende Röntgenquelle, entsprechend den oben dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten, verwendet wird, so ergibt sich auch eine verbesserte Wärmeableitung auf der Anodenoberfläche. Im Gegensatz zu einer Anordnung, die aus einem flächigen Brennpunkt und Quellengitter besteht, wird an den Bereichen zwischen den Streifen keine oder weniger Wärme produziert, so dass deshalb eine höhere Brillanz der Strahlung erreicht werden kann.
Bezüglich der zuvor beschriebenen Anordnung mit einer Anode aus unterschiedlichen Materialien, die streifenförmig angeordnet sind, ergibt sich die Situation, dass zwar bei den Streifen und in den Bereichen zwischen den Streifen fast der gleiche Wärmefluss erzeugt wird, jedoch das Material zwischen den Streifen einen niedrigeren Z-Wert aufweist und damit eine signifikant höhere Eindringtiefe der Elektronen vorliegt, so dass der Wärmefluss auch tiefer reicht und damit eine verbesserte Wärmeableitung vorliegt.
Vorteilhaft ist auch, dass zur „virtuellen" Bewegung des „Gitters" keine mechanischen Vorrichtungen notwendig sind, sondern diese auf einfache Weise und sehr präzise, schnell und ohne mechanischen Verschleiß elektronisch erzeugt werden kann.
Eine andere Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Anode 12 ist in der Figur 7 dargestellt. Diese weist Einschnitte 19 auf, welche das Anodenmaterial gegenüber den anfliegenden E- lektronen e~ abschatten, während auf den Plateaus 20 der Anode die Elektronen e~ vermehrt auftreffen. Entsprechend entstehen auf der Anodenoberfläche streifenförmige Bereiche mit vermehrter und verminderter Quellintensität an erzeugter Brems- und Röntgenstrahlung λ. Rechts in der Figur ist die Quellintensität Q der Röntgenstrahlung gegenüber einer ge- willkürten x-Achse schematisch als Treppenlinie 21 aufgetragen. Es wird darauf hingewiesen, dass auch andere Ausführungsvarianten, z.B. nutenförmige Vertiefungen oder auch ein wellen- oder sinusförmiger Oberflächenverlauf, möglich sind. Wesentlich ist hierbei lediglich, dass auf der Anodenoberfläche Röntgenstrahlung mit unterschiedlicher Intensität entsteht. Vier Beispiele für andere mögliche Oberflächenverläufe sind in der Figur 8 im Querschnitt gezeigt. Ein vollständiges Computer-CT-System zur Verwendung des erfindungsgemäßen Fokus-Detektor-Systems beziehungsweise Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Figur 9 dargestellt. Diese zeigt das CT-System 1, welches über ein erstes Fokus-Detektor-System mit einer Röntgenröhre 2 und einem gegenüberliegenden Detektor 3 verfügt, die auf einer nicht näher dargestellten Gantry in einem Gantrygehäuse 6 angeordnet sind. Die Röntgenröhre 2 enthält hierbei einen er- findungsgemäßen Multistreifenfokus, welcher quasi-kohärente Röntgenstrahlen erzeugt. Im Strahlengang des ersten Fokus- Detektor-Systems ist weiterhin ein röntgenoptisches Gittersystem, wie es beispielsweise in der Figur 1 gezeigt ist, angeordnet, so dass der Patient 7, der sich auf einer längs der Systemachse 9 verschiebbaren Patientenliege 8 befindet, in den Strahlengang des ersten Fokus-Detektor-Systems geschoben werden kann und dort abgetastet wird. Hierbei wird die Phasenverschiebung der durchtretenden Röntgenstrahlen gemessen und über an sich bekannte Rekonstruktionsverfahren die räum- liehe Verteilung der Brechungsindizes bestimmt. Die Steuerung des CT-Systems wird durch eine Rechen- und Steuereinheit 10 durchgeführt, in der in einem Speicher 11 Programme Prgi bis Prgn gespeichert sind, die im Betrieb das zuvor beschriebene Verfahren durchführen und auch die erfindungsgemäße Röntgen- röhre mit ihrem Multistreifenfokus steuern und aus den gemessenen strahlenabhängigen Phasenverschiebungen entsprechende tomographische Bilder rekonstruieren.
Optional kann anstelle des einzigen Fokus-Detektor-Systems ein zweites Fokus-Detektor-System im Gantrygehäuse angeordnet werden. Dieses ist in der Figur 9 durch die gestrichelt gezeigte Röntgenröhre 4 und den gestrichelt dargestellten Detektor 5 angedeutet.
Ergänzend ist noch darauf hinzuweisen, dass mit den gezeigten Fokus-Detektor-Systemen nicht nur Phasenverschiebungen der Röntgenstrahlung gemessen werden können, sondern diese weiterhin auch zur konventionellen Messung der Strahlungsabsorp- tion und Rekonstruktion von entsprechenden Absorptionsaufnahmen geeignet sind. Gegebenenfalls können auch kombinierte Ab- sorptions- und Phasenkontrastaufnahmen erzeugt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Fokus-Detektor-Anordnung einer Röntgenapparatur (1) zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkon- trastaufnahmen von einem Untersuchungsobjekt (7, P), zumindest bestehend aus:
1.1. einer auf einer ersten Seite des Untersuchungsobjektes
(7, P) angeordneten Strahlungsquelle (2), welche ein Bündel von kohärenten Strahlen (S1) mit gitterartigem Ursprung erzeugt,
1.2. einem auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Untersuchungsobjektes im Strahlengang angeordnetes Phasengitter (Gi) , welches benachbarte kohärente Strahlen zur Beugung bringt und somit ein von der Phasenver- Schiebung von Teilbereichen des Untersuchungsobjektes (7, P) abhängiges Interferenzmuster der Röntgenstrahlung in einem bestimmten Energiebereich der Röntgenstrahlung erzeugt, und
1.3. einem Analyse-Detektor-System (G2, Di), welches zumin- dest das vom Phasengitter (Gi) erzeugte Interferenzmuster bezüglich seiner örtlichen Intensitätsverteilung (I) zur Bestimmung einer örtlichen Phasenverschiebung (φ) detektiert, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass 1.4. das Bündel von kohärenten Strahlen (S1) mit gitterartigem Ursprung durch eine Anode (12) erzeugt wird, welche streifenförmig angeordnete Bereiche (13) mit unterschiedlicher Strahlungsemission aufweist, die parallel zu den Gitterlinien des Phasengitters (Gi) verlaufen.
2. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Oberfläche der Anode (12) im Bereich eines zum Betrieb der Röntgenröhre (2) erzeugten Elekt- ronenstrahlbrennfleckes streifenförmig angeordnete Bereiche unterschiedlichen Materials aufweist.
3. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekenn zei chnet , dass Mittel (17.1, 17.2, 18.1, 18.2) zur Verschiebung der Anode (12), vorzugsweise senkrecht zur Streifen- langsrichtung, vorgesehen sind.
4. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekenn zei chnet , dass Mittel zur Verschiebung der streifenförmig ange- ordneten Bereiche unterschiedlichen Materials auf der Anode, vorzugsweise senkrecht zur Streifenlangsrich- tung, vorgesehen sind.
5. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch ge kenn¬ ze i chnet , dass zwischen Kathode und Anode (12) ei¬ ne Elektronenmaske (15) mit streifenartigen Offnungen angeordnet ist, welche auf der Anode (12) abgebildet werden und dadurch auf der Anode (12) zu streifenarti- gen Bereichen (13) unterschiedlicher Strahlungsemission fuhren .
6. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 5, dadurch gekenn zei chnet , dass zwischen der Elektronenmaske (15) und der Anode (12) mindestens eine elektronenoptische Linse (17.1, 17.2) angeordnet ist.
7. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 5 bis 6, dadurch ge kenn¬ ze i chnet , dass zwischen Kathode und Elektronenmas¬ ke (15) mindestens eine elektronenoptische Linse ange¬ ordnet ist.
8. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 7, dadurch ge kenn¬ ze i chnet , dass mindestens eine elektronenoptische Linse eine magnetische Feldlinse ist.
9. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 7, dadurch ge kenn¬ ze i chnet , dass mindestens eine elektronenoptische Linse eine elektrische Feldlinse (17.1, 17.2) ist.
10. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 5 bis 9, dadurch ge kenn¬ ze i chnet , dass Mittel zur Verschiebung der Elekt- ronenmaske, vorzugsweise senkrecht zur Streifenlängs¬ richtung, vorgesehen sind.
11. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 5 bis 10, dadurch ge kenn- ze i chnet , dass Mittel zur Variation mindestens ei¬ ner elektronenoptischen Linse vorgesehen sind, welche eine Verschiebung der Maskenabbildung auf der Anode (12), vorzugsweise senkrecht zur Streifenlängsrichtung, bewirkt .
12. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch ge kenn¬ ze i chnet , dass die Anode (12) zumindest im Bereich eines zum Betrieb der Röntgenröhre (2) erzeugten Elekt- ronenstrahlbrennfleckes streifenförmig angeordnete Hö¬ hen (20) und Tiefen (19) aufweist.
13. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekenn zei chnet , dass der Verlauf der Höhen (20) und Tiefen (19) wellen¬ förmig, vorzugsweise sinusförmig, ausgebildet ist.
14. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekenn zei chnet , dass der Verlauf der Höhen (20) und Tiefen (19) säge- zahnartig ausgebildet ist.
15. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, da du r ch ge ke nn z e i chn e t , dass der Verlauf der Höhen (20) und Tiefen (19) trapezartig ausgebildet ist.
16. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, da du r ch ge ke nn z e i chn e t , dass der Verlauf der Höhen (20) und Tiefen (19) rechteckig ausgebildet ist.
17. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 bis 16, dadurch ge kenn¬ ze i chnet , dass die Anode (12) als Drehanode ausge¬ bildet ist.
18. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 bis 16, dadurch ge kenn¬ ze i chnet , dass die Drehanode in Rotationsrichtung ausgerichtete Streifen aufweist.
19. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 18, dadurch gekenn zei chnet , dass die Streifen auf einer Kegelmanteloberfläche der Drehanode angeordnet sind.
20. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 18, dadurch gekenn zei chnet , dass die Streifen auf einer Zylindermanteloberfläche der Drehanode angeordnet sind.
21. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 18 bis 20, da du r ch ge ke n n z e i chn e t , dass :
21.1. die Streifen der Drehanode eine zur Drehachse der Dreh- anode axiale Richtungskomponente aufweisen und
21.2. Mittel zur Erzeugung und Steuerung einer stroboskopar- tigen Pulsation des Röhrenstromes vorgesehen sind.
22. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 21, dadurch gekennzeichnet , dass Mittel zur Abstimmung von Frequenz und Phase der Pulsation des Röhrenstromes und der Drehzahl derart vorgesehen sind, dass die Position der Streifen unterschiedlichen Materials im Maximum des Röhrenstroms relativ zur Röntgenröhre unverändert bleibt.
23 . Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Pa- tentanspruch 21 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Mittel zur Abstimmung von Frequenz und Phase der Pulsation des Röhrenstromes und der Drehzahl derart vorgesehen sind, dass die Position der vom Elektronenstrahl beleuchteten Streifen unterschiedlichen Materi- als im Maximum des Röhrenstroms relativ zur Röntgenröhre, vorzugsweise schrittweise, in Rotationsrichtung zur Messung der Phasenverschiebung bei ortsfestem Phasengitter und ortsfestem Analysengitter wandert.
24. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen (13) parallel zu den Gitterlinien des Phasengitters angeordnet sind.
25. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 17 oder 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet , dass die Streifen (13) in einem Winkel, vorzugsweise 45°, zur radialen Richtung angeordnet sind.
26. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenröhre (2) Mittel zur Erzeugung und Ablenkung eines gebündelten Elektronenstrahls aufweist, wobei der Elektronenstrahl auf einer Anodenoberfläche entlang mindestens einer gedachte Gitterlinie bewegt wird.
27. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 26, dadurch gekenn zei chnet , dass mehrere Gitterlinien vorgesehen sind und der E- lektronenstrahl von Gitterlinie zu Gitterlinie springt.
28. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 26 bis 27, dadurch gekenn¬ ze i chnet , dass die Gitterlinien Abstände unterein¬ ander aufweisen, die ganzzahlige Vielfache eines Grund- abstandes sind.
29. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 26 bis 28, dadurch gekenn¬ ze i chnet , dass eine Drehanode vorgesehen ist.
30. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 29, dadurch gekenn zei chnet , dass die Drehanode eine kegelförmige Anodenfläche auf¬ weist und die Zeilen auf dieser Oberfläche radial zur Drehachse der Drehanode ausgerichtet sind.
31. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 29, dadurch gekenn zei chnet , dass die Drehanode eine kegelförmige Anodenfläche auf- weist und die Zeilen auf dieser Oberfläche tangential zur Drehachse der Drehanode ausgerichtet sind.
32. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 29, dadurch gekenn zei chnet , dass die Drehanode eine zylinderförmige Anodenfläche aufweist und die Zeilen auf dieser Oberfläche parallel zur Drehachse ausgerichtet sind.
33. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß dem voranstehenden Pa- tentanspruch 29, da du r ch ge ke nn z e i chn e t , dass die Drehanode eine zylinderförmige Anodenfläche aufweist und die Zeilen auf dieser Oberfläche senkrecht zur Drehachse ausgerichtet sind.
34. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 30 bis 33, dadurch gekenn¬ ze i chnet , dass die Zeilen schräg zur Drehachse und zur radialen Richtung ausgerichtet sind.
35. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 26 bis 34, dadurch gekenn¬ ze i chnet , dass die Periode eines Umlaufs des E- lektronenstrahls klein ist (Faktor 1/2 - 1/10), vor¬ zugsweise sehr klein ist (Faktor <l/10), gegen die Ab¬ tastperiode des Detektors im Analyse-Detektor-System.
36. Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 26 bis 35, dadurch gekenn¬ ze i chnet , dass die Mittel (17.1, 17.2, 18.1, 18.2) zur Ablenkung des Elektronenstrahls, derart gestaltet sind, dass die Bewegung eines Quellengitters zur Be¬ stimmung der Phasenverschiebung nachgebildet wird.
37. Röntgen-System zur Erzeugung projektiver Phasenkon- trastaufnahmen, dadurch gekenn zei chnet , dass es eine Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 36 aufweist.
38. Röntgen-C-Bogen-System zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, dadurch ge kenn zei chnet , dass es eine Fokus-Detektor- Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprü- che 1 bis 36 aufweist.
39. Röntgen-CT-System zur Erzeugung tomographischer Phasenkontrastaufnahmen, dadurch gekenn zei chnet , dass es eine Fokus-Detektor-Anordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 36 aufweist.
40. Verfahren zur Erzeugung projektiver oder tomographischer Röntgen-Phasenkontrastaufnahmen von einem Unter- suchungsobjekt mit Hilfe einer Fokus-Detektor-Anordnung enthaltend eine Röntgen-Strahlungsquelle (2), ein Phasengitter (Gi) und ein Analyse-Detektor-System (G2, Di) , vorzugsweise gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 32, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass ein Bündel von kohärenten Strahlen mit gitterartigem Ursprung durch eine Anode erzeugt wird, welche streifenförmig angeordnete Bereiche mit unterschiedlicher Strahlungsemission aufweist, die parallel zu den Gitterlinien des Phasengitters (Gi) verlaufen.
41. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 40, dadurch gekennzeichnet , dass die Streifen
(13) unterschiedlicher Strahlungsemission durch strei- fenförmig angeordnete Bereiche unterschiedlichen Materials erzeugt werden.
42. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 40 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen (13) unterschiedlicher Strahlungsemission durch streifenförmig angeordnete Bereiche unterschiedlicher Höhe (20) und Tiefe (19) erzeugt werden .
43. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 40 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehanode verwendet wird.
44. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass:
44.1. die Streifen der Drehanode mit einer zur Drehachse der Drehanode axialen Richtungskomponente betrieben werden und
44.2. der Röhrenstrom stroboskopartig gepulst wird.
45. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 44, dadurch gekennzeichnet , dass die Frequenz und Phase der Pulsation des Röhrenstromes auf die Dreh- frequenz der Drehanode derart abgestimmt wird, dass die Position der Streifen unterschiedlicher Strahlungsemission im Maximum des Röhrenstroms relativ zur Röntgenröhre unverändert bleibt.
46. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 44, dadurch gekennzeichnet , dass die Frequenz und Phase der Pulsation des Röhrenstromes auf die Drehfrequenz der Drehanode derart abgestimmt wird, dass die Bewegung eines Quellengitters zur Bestimmung der Phasenverschiebung nachgebildet wird.
47. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 40, dadurch gekennzeichnet , dass zur Erzeugung eines Bündels von kohärenten Strahlen ein Elektronenstrahl (14) auf der Anodenoberfläche (12) entsprechend den Gitterlinien (13) eines röntgenoptischen Quellengitters bewegt wird, wobei die Gitterlinien des simulierten Quellengitters relativ zum Phasengitter (Gi) ortsfest bleiben.
48. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 40, dadurch gekennzeichnet , dass zur Erzeugung eines Bündels von kohärenten Strahlen (S1) ein Elektro- nenstrahl (14) auf der Anodenoberfläche (12) entsprechend den Gitterlinien eines röntgenoptischen Quellengitters bewegt wird, wobei eine Bewegung der Gitterlinien des simulierten Quellengitters relativ zum Phasengitter (Gi) zur Bestimmung der Phasenverschiebung er- zeugt wird.
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