WO2014180901A1 - Phasenkontrast-röntgenbildgebungsvorrichtung und brechungsgitter für eine solche - Google Patents

Phasenkontrast-röntgenbildgebungsvorrichtung und brechungsgitter für eine solche Download PDF

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WO2014180901A1
WO2014180901A1 PCT/EP2014/059331 EP2014059331W WO2014180901A1 WO 2014180901 A1 WO2014180901 A1 WO 2014180901A1 EP 2014059331 W EP2014059331 W EP 2014059331W WO 2014180901 A1 WO2014180901 A1 WO 2014180901A1
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refraction
grating
phase
webs
gradient
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PCT/EP2014/059331
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Oliver PREUSCHE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators
    • G21K1/065—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators using refraction, e.g. Tomie lenses
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K2201/00—Arrangements for handling radiation or particles
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K2207/00—Particular details of imaging devices or methods using ionizing electromagnetic radiation such as X-rays or gamma rays
    • G21K2207/005—Methods and devices obtaining contrast from non-absorbing interaction of the radiation with matter, e.g. phase contrast

Definitions

  • the invention relates to a phase-contrast X-ray imaging device, that is to say an X-ray device for phase-contrast imaging.
  • the invention further relates to a diffraction grating for such.
  • the X-ray device and the diffraction grating are provided in particular for phase contrast imaging in the medical field.
  • the interaction of electromagnetic radiation in general, and X-ray radiation in particular, with a medium is usually described by specifying a complex refractive index.
  • the real part and the imaginary part of the refractive index are each dependent on the material composition of the medium to which the complex refractive index is assigned. While the imaginary part reflects the absorption of the electromagnetic radiation in the medium, the real part of the refractive index describes the material-dependent phase velocity, and thus the refraction of the electromagnetic radiation.
  • X-ray imaging devices usually detect only the material-dependent radiation absorption in an object to be examined, wherein the intensity of the transmitted X-ray transmitted through the object is recorded spatially resolved.
  • a Talbot-Lau interferometer is typically used, as described, for example, in "X-ray phase imaging with a grating interferometer, T. Weitkamp et al. , August 8, 2005 / Vol. 13, No. 16 / OPTICS EXPRESS "is described.
  • an X-ray source In a conventional Talbot-type interferometer, an X-ray source, a coherence grating G 0 , a phase grating (or diffraction grating) Gi, an analysis grating (or absorption grating) G 2, and an X-ray detector constructed of a plurality of pixels are arranged along an optical axis.
  • the coherence grating G 0 serves to ensure sufficient spatial coherence of the X-ray source. Accordingly, the coherence grating G 0 can be dispensed with in the case of an approximately punctiform X-ray radiation source.
  • the phase grating Gi With the aid of the phase grating Gi, which typically has a uniform striped structure, an interference pattern is generated whose intensity distribution is detected by means of the X-ray detector.
  • the period of this interference pattern is typically significantly smaller than the size of the pixels of the X-ray detector, so that a direct detection of the interference pattern with the X-ray detector is not possible.
  • the X-ray detector is therefore usually preceded by the analysis grid (or absorption grating) G 2 , by means of which the interference pattern can be scanned by spatial-periodic blanking of X-ray radiation.
  • the analysis grid G 2 is displaced in a plane perpendicular to the optical axis and the structure of the interference pattern.
  • the coherence grating G 0 or the phase grating Gi can also be shifted.
  • the object to be examined is positioned between the X-ray source (and the optional coherence grating) on the one hand and the phase grating Gi on the other hand.
  • the object can also be positioned between the phase grating Gi and the analysis grating G 2 .
  • the object causes a location-dependent varying phase shift of the X-ray radiation, which measurably changes the interference pattern generated by the phase grating Gi.
  • the changed interference pattern is detected in the manner described above by means of the X-ray detector. From the measured intensity distribution of the interference pattern is then calculated back to the location-dependent phase shift.
  • the image information is either obtained directly from the phase.
  • the image information may also be determined from the density (i.e., the integrated phase) or the angular spread (dark field).
  • the phase contrast image is sometimes used with the simultaneously obtained absorption contrast image in order to reduce the image noise.
  • phase-contrast X-ray imaging is that structures in the soft tissue (in particular tissue, water and body fats) usually stand out more in phase contrast than in absorption contrast.
  • Talbot-Lau interferometers either cause a strong loss of intensity (and thus a high X-ray dose) or a poor visibility of the interference pattern (and thus a poor phase contrast measurement efficiency), depending on the absorption behavior of the analysis grid used.
  • the invention has for its object to improve the phase contrast - X-ray imaging.
  • the invention proceeds from the idea of modifying the usual construction of a Talbot-Lau interferometer by positioning, instead of the analysis grating G 2 or in addition thereto, a diffraction grating G L (also referred to as a lens grating) in the beam path of the X-ray radiation.
  • the diffraction grating is configured in such a way that it breaks several adjacent, mutually corresponding structures (eg intensity maxima or intensity minima) of the interference pattern to a common focus, while structures lying between them (eg intensity minima or intensity maxima) of the interference pattern one of them spatially different focus will be broken.
  • the basic concept of this idea has already been described in the predecessor application WO 2013/160 153 AI. The entire disclosure content of this predecessor application is - unless otherwise described below - also part of the present invention.
  • the diffraction grating according to the invention in this case has a transverse surface, which is spanned by an x-axis and a y-axis perpendicular thereto, and which is to be aligned substantially (i.e., exactly or at least approximately) transversely to a radiation incident direction.
  • the intended direction of radiation incidence defines a z-axis of the refraction grating, which in the intended installation position of the refraction grating is in particular parallel to an optical grating
  • the transversal area can in principle be defined at any z-position (ie position along the z-axis) within the volume of space occupied by the refraction grid.
  • the transverse surface is formed by the "front" end face of the refraction grating over which the radiation is incident in the diffraction grating.
  • the axes introduced above span a Cartesian coordinate system.
  • the spatial directions defined by the orientation of the x, y and z axes are referred to below as (positive) x, y or z direction.
  • the respective opposite spatial directions are designated as (negative) as x, y or z direction.
  • Positions on the x, y, and z axes are labeled as x, y, and z positions, respectively.
  • the transverse surface is divided into elongated refraction strips in each case in the y-direction, which are lined up parallel next to one another in the x-direction.
  • Adjacent refraction strips differ from one another in that they are always aligned with respect to the refractive properties of the grating material arranged in the region of this refraction strip to different focuses.
  • the material of the refraction grating which is arranged along the z-axis above and / or below a refraction strip, is designed such that it breaks radiation of at least one specific design wavelength into a specific focus, while the material of the refraction grating, the along the z-axis above and / or below an adjacent one
  • Refraction strip is arranged, the radiation breaks into another focus.
  • the transverse surface and the refraction stripes formed on it are mathematically abstract structures.
  • the radiation-refractive effect of the refraction grating is generated by a plurality of refraction webs of an optically comparatively thin base material (ie a solid having a relatively low real part of the refractive index for X-rays), these refractive webs being arranged alternately with optically comparatively dense interspaces. Due to the separating gaps, the refraction webs run within the transverse surface forcibly at least approximately parallel.
  • the refractive webs are formed here from gold, nickel or silicon.
  • the interspaces are optionally formed by gaps (air- or liquid-filled) or by intermediate webs of an optically comparatively dense material (ie a solid having a relatively large real part of the refractive index for X-rays), for example of photoresist.
  • an optically comparatively dense material ie a solid having a relatively large real part of the refractive index for X-rays
  • photoresist for example of photoresist.
  • the surface areas respectively occupied by the refraction webs within the transversal surface are not congruent with the refraction stripes, which are defined only by the refractive properties of the refraction grating. Rather, according to the invention, the refraction webs are designed in such a way that they extend diagonally (ie obliquely) within the transverse surface at least in sections, that is to say at an angle exceeding 0 ° and falling below 90 ° to the y-axis.
  • the at least sectionally diagonal course of the refraction webs in the transverse surface is characterized in that for at least one refraction web, the web of this refraction web in x-
  • Direction limiting side surfaces extend within the transverse surface over at least two refraction strips. Since the refraction webs, due to the interspaces, must extend at least approximately parallel, this property necessarily extends to all refraction webs
  • the side surfaces of all refraction webs preferably extend over a multiplicity of refraction stripes, in particular over all refraction stripes, apart from any edge effects.
  • the "diagonal course" of the refractive webs in the transversal surface is characterized by the fact that at least one refraction web extends over at least four refraction stripes. This property also applies due to the at least approximately parallel course of the refraction stripes - of any edge effects Owing to the properties described above, the "diagonal layout" of the diffraction gratings of the invention differs qualitatively from the "stripe-shaped layout" of the diffraction gratings of the diffraction gratings given in WO 2013/160 153 A1 in the longitudinal direction of the refraction stripes, ie in y
  • each refraction web always remain within the space assigned to a single refraction stripe, whereby the stripe-shaped refraction webs can extend over only two or at most three refraction stripes.
  • the diffraction grating can be used according to the invention instead of the analysis grating of the conventional Talbot-Lau interferometer.
  • the diffraction grating is arranged at its focal distance from the X-ray detector, so that the X-ray radiation is focused by the diffraction grating directly onto the individual pixels or pixel columns of the X-ray detector.
  • the refraction grating as also already described in WO 2013/160 153 A1, can be interposed between the phase grating and the analysis grating. In this case, the X-radiation is focused through the diffraction grating on the slots and ridges of the analysis grid.
  • the diffraction grating acts as a periodic arrangement of converging lenses, by which the interference pattern is coarsened. This allows the use of a correspondingly coarser and better absorbing in the grid bars analysis grid, whereby the visibility (visibility) is improved. This in turn makes it possible to reduce the picture noise and the x-ray dose, in particular in the case of high-energy (short-wave) X-ray radiation.
  • the analysis grating is omitted, the absorption caused thereby is eliminated, whereby a reduction of the picture noise and the x-ray dose is also achieved, in particular with low-energy (long-wave) X-ray radiation.
  • a diffraction grating can usually be manufactured with a smaller height than an analysis grating, the stripe width of the diffraction grating can be made smaller compared to the typical stripe width of an analysis grating. In this way, a larger (ie corresponding to a higher multiple of the Talbot distance) distance can be set between the phase grating and the refraction grating than between the phase grating and the analysis grating of a typical Talbot-Lau interferometer. This results in a higher (angular) sensitivity, whereby the disadvantage of a slightly lower visibility is outweighed. This allows a further improvement of the picture noise and / or a further reduction of the X-ray dose.
  • the diffraction grating is preferably in a photolithographic production process, in particular dam so-called
  • LIGA lithographic electroplating-molding
  • a limiting factor for the production of the diffraction gratings is the aspect ratio, which is limited by production methods, and which, given the grating height in the z direction, can be determined by the minimum distances that can be established between the side grids. walls of the refractive webs is determined, namely - depending on the specific manufacturing process - by the minimum thickness of the refractive webs and / or the minimum thickness of the interstices.
  • the diagonal layout of the refracting webs for a given grating height and given refractive properties of the refracting strips allows particularly large minimum distances between the sidewalls of the refracting webs to be maintained both within the refracting webs and between adjacent refracting webs.
  • This in turn allows the production of refractive gratings with a particularly large grid height in the z-direction or a particularly small width of the refraction strips.
  • Such refraction gratings enable the realization of phase-contrast X-ray imaging.
  • the refraction webs are each formed in the manner of oblique prisms inclined in the y-direction, the base surface and top surface of which lie respectively in the end surfaces of the refraction grid parallel to the transversal surface.
  • the diffraction grating in particular, as already described in WO 2013/160 153 A1, is produced by X-radiation by means of a photolithographic method, in particular LIGA, under oblique exposure of the photoresist layer.
  • the base and the opposite top surface of the prism usually have a complex, polygonal shape here in each case.
  • the refraction webs can be cut off to form azimuthally aligned edge surfaces, differing from a pure prism shape.
  • the refractive webs are arranged in such a way that a material structure which repeats in the y direction with ay period period is produced in each refraction stripe.
  • the refraction webs are thus designed such that they always occupy parallel-displaced, congruent and uniformly spaced surface sections in each refraction strip.
  • the refraction webs are inclined in the y direction such that the cover surface of each refraction web opposite the base surface is offset from the base surface by an integer number of period lengths, in particular by exactly one period length.
  • the two opposite in the z-direction end faces of the refraction grid thus have an identical layout, ie an identical formed of refraction webs and spaces material structure.
  • the side surfaces of the refractive webs are each alternately composed of active sub-areas with comparatively strong refractive effect in the x-direction and passive sub-areas with little or vanishing refractive effect in the x-direction.
  • the active partial surfaces can be regarded as refracting surfaces of (partial) prisms which, with their non-refractive back surfaces, are combined to form the multi-prism forming the respective refractive segment.
  • the active and passive partial surfaces are preferably each formed by flat (non-curved) surface sections.
  • the refractive effect of each partial area is determined by the associated gradient.
  • Each active or passive partial surface preferably extends over an integral number of refraction strips within the transverse surface in the x-direction.
  • the transition between active and passive sub-areas of a side surface thus preferably coincides with the transition between two refraction strips.
  • Active and passive partial surfaces are preferably offset from one another on the two side surfaces of a refractive web.
  • the other side surface of the same ridge thus has a passive sub-area and vice versa.
  • refracting strips without refractive effect in the x-direction (neutral refraction strips), in which both side surfaces of a refraction ridge each have passive partial surfaces form an exception to this rule.
  • the passive subfaces also have a small gradient (offset slope).
  • this offset pitch is dimensioned such that the gradient Ay of the passive partial areas over a refraction strip, measured in the y direction, corresponds approximately to between 20% and 50%, preferably approximately 25%, of the strip width s L measured in the x direction (0.2 ⁇ Ay / s L -S 0.5).
  • the offset slope of the passive sub-areas also causes a flattening of the angle formed between the active and passive sub-areas, which favors the technical manufacturability of the diffraction grating. Since the offset slope affects equally the upper and lower edges of a column, it does not change the phase shift coded thereby.
  • the Offset increases a rectangle ("Gradient 0") into a parallelogram, which acts in the same way on the phase of the passing light as a rectangle, and the offset slope is suitably chosen to be the same between the upper edge and the lower edge of the material underneath.
  • different columns may also have different additional gradients for edges that have an x-component (purely vertical jumps in the y-direction are not affected.)
  • a column in the left and in the right part (in the x-direction) may have a different gradient Offset slope exists if there is a kink in between.
  • each refraction web within the transverse surface extends in alternating sections diagonally in the positive y-direction and in the negative y-direction.
  • the refraction webs thus have kinks.
  • the refraction webs are alternately oppositely bent at regular intervals along the x-axis, so that the respective refraction web runs meandering within the transverse surface in the direction of the x-axis.
  • the kinks are preferably provided in each case in the region of neutral or weakly refractive refraction strips.
  • the course of each refraction web within the transverse surface thus changes the direction respectively to refraction stripes with a small or vanishing refractive effect.
  • a uniformly predetermined number of refraction strips is assigned to a common position. kus aligned.
  • the focused on a common focus refraction strips are referred to collectively as a focusing group.
  • the focusing groups preferably each comprise an odd number of refraction stripes, for example 3, 5, 7 or 9 refraction stripes.
  • Such a focusing group comprises a neutral refractive index with a vanishing refractive effect, around which the further refraction stripes of the focusing group are symmetrically arranged, the refraction effect of which in the x-direction increases with increasing distance to the neutral refraction strip.
  • the refraction stripes of adjacent focusing groups are interleaved in this case.
  • one or more of the design features described above are further provided in order to further increase the minimum spacings within the diffraction webs and between adjacent refractive webs and / or to optimize the optical properties of the diffraction grating:
  • the gradient compression is realized by the active partial area is not guided over the full stripe width s L , but only over a proportion 1 / c (with c> 1) of this stripe width s L , while the active partial area in the z-direction preferably over the entire grid height h extends.
  • the gradient compression changes at least then little if the intensity in the remaining edge of the refracting strip is relatively low. For example, if the high intensity stripes of the interference pattern formed by the phase grating Gi in the diffraction grating G L exactly fall on a stripe, the main intensity flows in the stripe center
  • a method described in the application US 2012/0041679 A1 aims at aligning all grids in a computer tomograph based on phase-contrast imaging in such a way that in the absence of the patient in the beam, the bright stripes of the interference pattern generated by the phase grating Gi exactly on Strip boundaries of the analysis grid are aligned. For a full turn of the CT scanner (in the presence of the patient), the patient then strips once after e.g. right and (after 180 °
  • the gradient compression is expediently carried out asymmetrically.
  • it is expediently determined beforehand which gap boundaries of the refraction grid should receive the high intensity.
  • the compressed gradient is shifted from the center of the strip to this gap boundary.
  • the asymmetric compression thus has the gradient-free part of the width s.sub.il-1 / c) coherently on the initially unlit side of the refraction strip and the gradient up to the edge of the illuminated column boundary.
  • the strongest subprisms distribute the light intensity over a wide range (often over more than one pixel width or S 2 gap width). Their gradients are therefore not variable without further loss of visibility in the corresponding refraction stripes.
  • the weaker the partial prisms become the closer the subprisms lie along the x-axis to the corresponding focus), the closer the individual wavelengths are to each other, the narrower the overall illuminated area becomes. This provides the freedom to easily increase or decrease the gradient of these prisms without significantly degrading visibility.
  • the weakest subprisms are located regularly (along the x axis) between the strongest subprisms and the second strongest subprisms. prisms of the adjacent focusing group.
  • the minimum distances inside the refraction webs and between the refracting webs can be increased by compressing the associated partial surfaces in the z direction. Often it is also possible to reduce gradients of equally strong neighboring partial prisms, which reduces absorption by the diffraction grating.
  • the base height i.e., the rectangular or parallelogram portion of the material over the full stripe width in the layout
  • the aspect ratio is thereby reduced by increasing the base height by adding material in the layout across the full stripe width.
  • the free space aspect ratio can be improved by reducing the base height - this can also be used to reduce the proportion of material and hence absorption for a given and overfilled aspect ratio. This change mainly affects weak partial prisms (with a small gradient) and medium prisms.
  • Edge trimmed in the direction of the stripe center of the refraction strip with stripe width SL, so that the minimum distances can be increased.
  • the meander-shaped material strip of two adjacent columns becomes narrower overall.
  • the free space minimum distance can increase in this way. If the inner edge is cut to size (this is the edge in which there is a lot of material in the y direction), then ultimately the column boundary between the adjacent ones becomes
  • Refracted diffraction strips of the meandering strip of material in the direction of the weaker subprism The minimum material distance can be increased in this way become. In order to minimize the maximum visibility, a maximum of 10-15% of the strip width should be influenced.
  • phase jump saves material on the one hand, but on the other hand, material must be added in order to still have enough material at the jump points. In the end, that may mean adding material.
  • F7 - Additional phase jumps In contrast to the dispersion correction discussed under point F6, here the dispersion is increased (and is at low gradient then approximately independent of a variation of the gradient). The dispersion of the weakest partial prisms is expediently increased by one or more additional 2n jumps (jumps of one wavelength in each case). As a result, the proportion of material in the layout initially increases, and the material minimum distance can thereby - desirably - also increase.
  • the x-positions of the ⁇ phase jumps within the strip By choosing the x-positions of the ⁇ phase jumps within the strip, one can influence whether the free space distance (in the direction of the opposite strongest subprisms) is greater or less than the material distance (within the meandering material strip with the adjacent prism column). to be flown. For larger grid heights it may also be useful to distribute several complete phase jumps relatively evenly across the column width (eg three phase jumps at the positions 12.5%, 50%, 87.5% of the partial prism width or at the x-positions 25%, 50) %, 75% of SL). This also applies accordingly to the dispersion correction discussed under point F6.
  • 2013/160153 AI be used to further increase the minimum distances within the refractive webs and between adjacent refraction webs and / or to optimize the optical properties of the refraction grating.
  • Each of the features discussed under points Fl to F6 is therefore considered in isolation (irrespective of the large-scale running the refractive webs in the transverse surface) considered as an independent invention.
  • the (phase contrast x-ray imaging) device comprises an x-ray source, a phase grating and an x-ray detector having a one-dimensional or two-dimensional array of pixels.
  • the device according to the invention furthermore comprises a diffraction grating of the type described above arranged between the phase grating and the x-ray detector.
  • the device additionally comprises a coherence grating, which is interposed between the X-ray source and the phase grating.
  • the device additionally comprises an analysis grid, which is interposed between the refraction grid and the X-ray detector.
  • the diffraction grating may also be connected directly upstream of the x-ray detector in an alternative embodiment of the device.
  • the device further embodies one or more of the design features described below
  • Emax / E m i n ⁇ 3 1 2 satisfy (from the other pixel center must be deflected at least half a pixel width s 2/2 and a maximum of 3 s 2/2 Therefore, it must (max / cCmin -. 3 be valid.
  • tantalum 67.4 keV
  • tungsten (69.5 keV)
  • rhenium 71.7 keV
  • other design wavelengths have other useful materials.
  • phase changes along the x-axis and along the y-axis are measured simultaneously, eg using a coherence grating G 0 , which filters line by line and column by column with an opening fraction of 0 ⁇ q
  • G 0 coherence grating
  • a two-dimensional phase grating Gi is used, so that a checkerboard-like interference pattern (eg black checkerboard fields dark, white light) is formed at the location of the diffraction grating G L.
  • a corresponding diffraction grating is formed, for example, from two diffraction gratings of the type described above with diagonal layout, these refraction gratings being superimposed rotated through 90 ° so that overlapping piecewise lenses in the x-direction through one of the two diffraction gratings and overlapping piecewise lenses in y-Ri result from the other grid.
  • the advantage of this design is that there are now multiple paths for each pixel inside the measured image, along which the phase can be integrated (the farther in the center of the image, the more paths are worthwhile or have larger weights). Accordingly, the image noise can be reduced compared to the one-dimensional case by notifying these results along different paths (usually lines).
  • FIG. 4 shows a variant of the refraction grating according to FIG. 3, in which the profile of FIG 2, a further variant of the refraction grating according to FIG. 3, in which the course of the refraction webs within the transverse surface changes direction in uniformly spaced kinks, in nine individual representations according to FIG 2 different embodiments of the refraction grating, in which an offset slope of the refraction grating is varied, in six individual representations according to FIG.
  • FIG. 19 shows in two individual representations according to FIG. 2 further variants of the refraction grating according to FIG. 18, in which additionally a dispersion correction (point F6) is provided,
  • Refraction web in a central region of a diagonal layout, wherein the refraction web is shown in each case resolved into individual prisms.
  • the (phase-contrast X-ray imaging) device 2 shown schematically in FIG. 1 comprises an X-ray source 4, a coherence grating G 0 , a phase grating Gi, a diffraction grating G L , an analysis grating G 2 and an X-ray detector 6 constructed from a plurality of pixels P ,
  • the structure can be assigned a system axis (referred to below as optical axis 8), which is aligned in the case of the embodiment in a z-direction.
  • optical axis 8 The individual optical elements of the X-ray device 2 are configured flat in the exemplary embodiment, arranged along this optical axis 8 and aligned in each case perpendicular to this.
  • the X-ray device 2 is provided for obtaining medical differential phase contrast images. For image acquisition, a patient between the coherence grating G 0 and the phase grating Gi, preferably immediately before the phase grating Gi, positioned.
  • the metrological detection or rather the determination of the spatial distribution of the phase shift caused by the patient takes place in the X-ray device 2 presented here according to a known per se and, for example, in X-ray phase imaging with a grating interferometer, T. Weitkamp et al. , August 8, 2005 / Vol. 13, No. 16 / OPTICS EXPRESS "principle.
  • the coherence grating G 0 has a grating period (grating period) po and a grating height h 0 (measured in the z direction) and serves to ensure sufficient spatial coherence of the x-ray radiation used for the interferometric measuring method.
  • the coherence grating G 0 is typically positioned at a distance of approximately 10 cm from the X-ray source 4 and, in typical dimensioning, has approximately the same size as the X-ray source 4
  • a stamp on In an alternative embodiment of the device 2, instead of a spatially extended X-ray source 4, a X-ray source which is punctiform to a good approximation is used, which already emits sufficiently coherent X-ray radiation. In this case, the coherence grating G 0 is omitted.
  • the x - ray source 4 emits x - ray radiation with a photon energy of up to about 100 keV.
  • the phase grating Gi is arranged.
  • This serves as in a conventional Talbot-Lau interferometer to produce a strip-like interference pattern and for this purpose has a strip-like structure with webs and slots formed therebetween, wherein the webs and slots parallel to each other in a (perpendicular to the z-axis) y Direction bridge.
  • the y-axis is aligned perpendicular to the plane of the drawing.
  • the phase grating Gi is designed such that the incident x-ray radiation through the webs at a photon energy of e.g. 65 keV experiences a phase shift by a quarter of the wavelength, ie by ⁇ / 2, while the X-ray radiation incident in the region of the slots passes through the phase grating Gi without significant phase change.
  • a value of 42 ⁇ was chosen.
  • the phase grating Gi can also be designed so that it generates a phase shift of the X-radiation by half a wavelength in the region of its webs. In this case, the lattice constant pi is 2.84 ⁇ .
  • the diffraction grating G L is positioned at a distance d 1L of, for example, 55.91 mm offset from the phase grating Gi.
  • the geometry of the refraction grating G L is characterized by three axes, which are designated as x-axis, y-axis and z-axis in accordance with the intended orientation of the refraction grating G L in the device 2.
  • the diffraction grating G L is arranged within the device 2 such that its z-axis is arranged parallel to the optical axis 8, and thus to the z-direction and the averaged radiation propagation direction within the device 2.
  • the x-axis and the y-axis of the refraction grating G L which are aligned perpendicular to both the z-axis and each other, thus span a transversal surface 10 extending perpendicular to the radiation incident direction.
  • the diffraction grating G L has a grating height h L of approximately 60 ⁇ .
  • the diffraction grating G L is used for manipulating the X-ray field emanating from the phase grating Gi and for this purpose has a grating constant p L of, for example, 1 .mu.m, which corresponds to the periodicity. corresponds to the interference pattern generated by the phase grating Gi at the location of the refraction grating G L.
  • the transverse surface 10 of the refraction lattice G L shown in more detail in FIG. 2 is divided into individual elongated refraction laths 12 (FIG. 2) which extend over the entire transverse surface 10 in the y direction and in the x direction are lined up parallel to each other.
  • Each two adjacent refraction strips 12 thus have together one of the lattice constant p L corresponding width.
  • the end face of the refraction grating G L is identified by way of example with the transversal surface 10 which faces the X-ray source 4 and at which the X-ray radiation thus enters the refraction grating G L.
  • each refraction strip 12 is aligned with an associated focus F.
  • the material structure of the refraction grating G L arranged in the z-direction above the respective refraction strip 12 is selected such that the x-radiation falling in this refraction strip 12 is refracted into the associated focus F.
  • Adjacent refraction strips 12 are always aligned with different focuses F.
  • the number N describes the number of refraction strips 12, which are aligned to a common focus F. These refractive webs 12 aligned with a common focus F are-as already mentioned above-designated as the focusing group.
  • the number N is uniformly selected for all focusing groups and thus represents a global property of the diffraction grating G L.
  • each focus group has a neutral refraction stripe 12a in which incident x-ray radiation is not or only to a negligible extent refracted.
  • the said diffraction grating G L associated focuses F are in a (in the z direction of the diffraction grating G L was a waste d L2 of, for example 43,92 ⁇ spaced) arranged focal plane in which the analyzer grating is positioned G. 2
  • the distances of the foci F correspond to half the lattice constant p 2 of the analysis grid G 2 , which has a strip-like structure of webs and slots (columns), so that the foci F lie alternately in the webs and slots of the analysis grid G 2 .
  • the refraction grating G L depending on the relative x-position of the coherence grating Gi, the refraction grating G L and the analysis grating G 2 -
  • the intermediate interference minima (or interference maxima) are focused on the adjacent lands of the analysis grid G 2 .
  • the grid height h 2 of the analysis grid G 2 is, for example 400 ⁇ , the lattice constant p 2, for example, 7, 81 ⁇ .
  • the dimensions of the gratings Gi, G L , G 2 in the x-direction and in the y-direction are essentially the same in the exemplary embodiment according to FIG. Notwithstanding the schematic representation according to FIG. 1, the extent of the refraction grating G L and the analysis grating G 2 in the x direction and in the y direction preferably corresponds approximately to the extent of the X-ray detector 6, more precisely the detector surface spanned by the pixels P of the X-ray detector 6 , As with the coherence grating G 0 , the respective webs are preferably also made of gold in the case of the phase grating Gi and the anlead grating G 2 .
  • the analysis grid G 2 can be coarser structured than in a conventional Talbot -Lau interferometer, without thereby affecting the visibility of the interference pattern changed significantly.
  • the diffraction grating G L is formed from a number of approximately parallel refraction webs 14 made of gold, between which intermediate spaces 16 are formed.
  • the spaces 16 may be air-filled gaps. Alternatively, however, the spaces 16 may also be filled by intermediate webs of photoresist.
  • the refraction webs 14 and the optional intermediate webs are constructed on a base plate 17 (FIG.
  • the diffraction grating G L is preferably by means of the LIGA
  • a radiation-absorbing mask eg made of gold
  • X-radiation exposure radiation
  • filling areas in the form of holes or trenches, which form a negative mold for the refracting webs 14 to be produced detach from the photoresist layer.
  • These filling areas are filled with metal, in particular gold, in a subsequent electroplating process step.
  • the remaining in the interstices 16 photoresist can be left after the preparation of the refractive webs 14 to form the intermediate webs or be dissolved out to form the gaps.
  • the structure of the mask used in the LIGA method corresponds to the material structure that is visible on the transverse surface 10 of the finished refraction grid G L.
  • An example of this (hereinafter referred to as layout) material structure is shown in section in FIG.
  • the (corresponding to the gold structures of the mask) refraction webs 14 are shown here as dark areas.
  • the gaps 14 corresponding to the gaps in the mask are shown as white areas. It can be seen from this illustration that the refraction webs 14 (and correspondingly also the interspaces 16) extend diagonally across the transverse surface 10, that is to say at an angle which exceeds 0 ° and passes 90 ° in relation to the axis.
  • All refraction webs 14 have the same shape except for any edge effects (ie cut-off partial volumes at the edges of the refraction grid G L ).
  • the refraction webs 14 are arranged parallel to one another in the y-direction, so that the material structure in the
  • Transversal surface 10 has a periodicity with a period length p y .
  • the two side surfaces 18, over which each refraction web 14 is delimited from the adjacent interspace 16, are structured by a sequence of "steep" sub-surfaces 20, with relatively strong slope through the transverse surface 10 pull, and "flat" faces 22, in of the transverse surface 10 have only a slight (offset) incline (or, for example, in the exemplary embodiment according to FIG. 4), in some cases even horizontally (ie in the transverse plane 10 in the x direction).
  • each of the side surfaces 18, the steep partial surfaces 20 and flat partial surfaces 22 usually follow one another alternately, each partial surface 20 or 22 extending over the full strip width s L of a refraction strip 14.
  • the steep partial surfaces 20 and flat partial surfaces 22 of the two side surfaces 18 of a refractive web 14 are arranged in strips offset from one another.
  • the other side surface 18 has a flat partial surface 20, and vice versa.
  • neutral refraction strips 12a in the area of which both side surfaces 18 have flat partial surfaces 22.
  • the flat faces 22 extend over each over the full width of two refraction strips 12.
  • the steep faces 20 and flat faces 22 are sometimes interposed vertical jump surfaces 24 which extend in the transverse surface 10 in the y direction.
  • the diffraction grating G L is produced under oblique illumination in the LIGA process.
  • the mask is exposed with exposure radiation whose beam profile is aligned obliquely in the z plane.
  • the inclination of the beam path against the z-direction is expediently between 2 ° and 30 ° and in particular between 5 ° and 15 °.
  • the refractive webs 14 therefore each have the shape of an oblique prism in three-dimensional space. Except for any edge effects, the refractive webs 14 therefore have in the transverse plane 10 and the opposite end face of the refraction grid G L in the z-direction - the base area or
  • the refraction webs 14 can be mentally subdivided into active partial prisms each having a triangular base area, one edge of this base area delimiting one of the steep partial surfaces 20, and in
  • the steep partial surface 20 of each active subprism generates a comparatively strong refraction of the x-ray radiation incident along the optical axis 8 in the x direction.
  • the steep partial surfaces 20 are therefore also referred to as "active" partial surfaces 20.
  • the flat partial surface 22 of each passive partial prism generates no or only a negligible refraction of the x-ray radiation incident along the optical axis 8.
  • the flat partial surfaces 22 are therefore Also referred to as "passive" faces 22.
  • the passive partial prisms serve for the mechanical connection of the active partial prisms and are provided for production-technical reasons in order to comply with the minimum manufacturable material widths.
  • partial prisms are illustrated in the region of the second refraction strip 12 from the left-there at the central refraction web 14. It can be seen from the illustration that the active partial prism there has a material height y g in the y direction, while the passive part prism has a material height y m .
  • the adjacent intermediate spaces 16 each have a width y f measured in the y direction.
  • y m indicate the minimum manufacturable material height
  • y g the minimum manufacturable gap width in the y direction.
  • the vertical period length y in the layout thus exists first of all from a fixed y-proportion of material, namely here the material height y m ,
  • variable portion per refraction strip 12 here the material height y g , the actual Gradien- th and any phase jumps (eg in the context of a
  • Dispersion correction according to item F6 or in the context of additional phase jumps according to item F7) and the basic height can be coded and vary between proportions of material 0% to 100%, as well as
  • the height (h / p y ) (y m + y f ) represents an additional one
  • the width S L of G L encodes one edge (here, for example, the top one) from left to right. or material thickness that increases suddenly, the other edge (here, for example, the lower one), from left to right continuously or suddenly decreasing material thickness.
  • Each of the edges runs initially (in the 'pure' formulation) either from left to right or from bottom to top, or in a mixture of the two directions, but preferably never to the right or to the left.
  • the gradient is regularly pronounced differently.
  • the active sub-areas 20 of the five focusing groups associated refraction strips 12a, 12b and 12c in Figure 2 are each highlighted by rectangular frames.
  • kinks DK are provided in the diagonal layout, so that the refraction webs 14 in the transversal plane 10 meander around the x-axis and thus alternate in sections diagonally in the positive y-direction and in the negative y-direction.
  • the kinks DK are provided in the neutral refraction strips 12a.
  • the kinks DK are respectively provided in the refraction strips 12 with the weakest active partial prisms, ie the smallest gradient g different from zero.
  • the weakest active partial prisms are additionally given a base height (point F3) for a better material aspect ratio in the direction of the refraction strips 12 with the second strongest subprisms.
  • FIG. 7 shows the effect of the gradient compression described above under point F1.
  • this effect is shown for strip-like layouts, as basically disclosed in WO 2013/160 153 A1.
  • the right-hand column illustrates the effect of gradient compression on diagonal layouts.
  • the respective layouts without Grdientenkompression are shown.
  • the arrows inserted here point to the equal to the layouts of the top row shifted corners.
  • excerpts of the respective overlying layouts are enlarged. It can be seen that the gradients Ay / ⁇ of all the active partial areas 20 formed in the transverse plane 10 are increased to 150% as a result of the gradient compression.
  • the gradient is restricted to less than the stripe width. Shown is the case that the gradient is realized in the middle of the respective refraction strip 12, that is to say that the gradient in the x direction is uniformly compressed from both sides. A displacement of the gradient to one of the edges of the respective refraction strip 12 is alternatively also possible.
  • the second line from the top shows corresponding layouts in which the critical minimum distances are improved by means of gradient variation (point F2) (here registered arrows indicate changes from the top line).
  • point F2 the critical minimum distances are improved by means of gradient variation
  • the diagonal layout right column
  • gradients are also reduced to reduce material or to approximate gradients.
  • the third line from the top shows corresponding layouts in which the critical minimum distances are improved by varying the basic height (point F3) (the arrows entered here indicate changes from the top line). This increases the free space distance to the strongest prism and reduces material.
  • the bottom line shows corresponding layouts in which the critical minimum distances were improved by gradients narrowing (point F5).
  • interspaces were inserted according to the measure described above under point F4.
  • target positions between -35% and + 35% (relative to the radius of a "pixel" in G 2 , ie N s L / 2) to facilitate the production of the layout. improve or improve.
  • all target positions between -100% and + 100% allow the intensity maxima of all wavelengths to remain in the target range of width s 2 for all subprisms.
  • the width of the diffraction region and the number of openings in G 0 often result in a narrower choice of target positions.
  • Particularly suitable target positions between -35% and + 35% are recommended.
  • FIG. 10 the optimization of strip-type layouts according to WO 2013/160 153 A1 (left-hand column, S L ) or diagonal layouts (right-hand column D L ) is illustrated by the following measures: F6: dispersion correction and
  • the measure F6 removes material, which reduces the dispersion but would in itself lead to bottlenecks which are difficult to produce.
  • Measure F7 adds material elsewhere, widening these bottlenecks to facilitate manufacturing. The resulting increase in dispersion is tolerable in the area of small gradients - where this measure is used.
  • Figures 11 and 12 show schematically ways to change the shape of the refracting webs 14 for the realization of negative and positive phase jumps, avoiding hard-to-make bottlenecks.
  • FIG. 13 schematically shows two superimposed refraction gratings G L rotated by 90 ° relative to one another for a two-dimensional formulation of the phase contrast (as explained above under point F9). Shown are areas of action 26a-26c of the individual focusing groups, ie those areas to which they focus. Marked by a cross of solid lines are those areas of action 26a into which refraction gratings 12 L of each of the two refraction gratings G L are focused. Marked by a cross of dashed lines are those areas of action 26b into which the refractive gratings 12e, which are shown in white in FIG. 12, focus in each case from two refraction gratings G L.
  • the refraction gratings G L shown in FIG. 13 are each designed with a strip-shaped layout, as described in WO 2013/160 153 A1.
  • the crossed refraction gratings G L can also be designed with a diagonal layout, for example designed according to one of FIGS. 2 to 6.
  • FIGS. 14 to 19 show concrete simulations.
  • the lower picture shows an additional gradient variation
  • the upper left image shows a theoretical layout in which the refraction webs 14 form only gradients and no ground level is present. It can be seen that here at many points of the transverse surface 10, the minimum distances are not met.
  • the upper right image shows a layout which is improved by gradient variation (point F2), variation of the basic height (point F3) and gradient narrowing (point F5), but which does not yet have any phase jumps.
  • the lower picture shows an optimized layout in which compliance with the minimum distances was ensured by additional phase tests (point F7). With this layout, a maximum gradient of 130 is symmetric
  • the simulation was carried out for a diffraction grating G L with refraction webs 14 of nickel and photoresist-filled interstices 16. The picture above shows one already
  • the middle picture shows an improved variant of the layout, in which an additional phase jump (point F7) was introduced to maintain the minimum distances in the weakest prisms.
  • the lower picture shows an enlarged section of the middle picture.
  • the layout variant shown in the upper image of FIG. 18 was realized without gradient variation (point F2).
  • the layout variant shown in the lower image of FIG. 18 has been realized (to achieve larger minimum distances) with gradient variation (point F2).
  • the top image of FIG. 19 shows a layout variant in which the refraction webs 14 were additionally provided with a negative phase jump (point F6) for reducing chromatic aberrations.
  • point F6 negative phase jump
  • the lower image of FIG. 19 shows the reduction of color errors in 6 of 17 stripes per pixel. In each case three refraction webs 14 which follow each other within the focusing group, a phase jump is inserted for dispersion correction.
  • FIG. 20 finally shows schematically in two variants a part of a refraction web 14 in a central area of a diagonal layout.
  • Different partial prisms of the refraction web 14 are hereby emphasized for clarification by different filling or hatching. As in the preceding examples, these partial prisms are also made of the same material and are connected together in one piece to form the refraction web 14.
  • the variant of the refraction web 14 shown in the right-hand half of the figure differs from the variant shown in the right-hand half of the figure by added material for realizing a dispersion correction (point F6) and additional phase jumps (point F7).
  • the dispersion correction can be achieved by adding material on the half of the refraction strip 12 with the lower material fraction (in particular the refraction stripe 14 with the strongest prism part) and that the use of stripes can be useful in which the effects of the measures Cancel F6 and F7.
  • This is shown in the layout variant shown on the right for the weakest subprism, where in the left half additional material for the dispersion correction (point F6), and in the right half as much additional material for the realization of an additional phase jump (point F7) has been added.
  • Optical power (simulated with 21 discrete wavelengths 38keV, 41 keV, ..., 98keV with 3keV energy distance respectively), here on the basis of visibility of various boundary conditions and sections (columns). For the visibilities for one strip (the central) or two strips (two strips of the same prism geometry), the other columns were simulated as completely absorbing ("black").
  • FIG. 16 shows that in the case of strip-type layouts, as disclosed in principle in WO 2013/160 153 A1, gradients are possible which exceed the aspect ratio.
  • N 7: Measures Fl, F2, F3, F5 and F7 (phase shift) allow a maximum gradient of 130 with a symmetrical aspect ratio of 100.
  • the last line in the above table is the situation without diffraction grating G L (ie, G 2 instead of G L ). It was decided not to model the absorption of G 2 in particular.
  • the central strip of the layouts according to the partial images b) and c) has higher visibility than the situation without diffraction grating G L.
  • the reason is that a hardening takes place through 87 ⁇ gold, which removes the low-energy components and over 80.7 keV (gold K), which are less well represented by G L by diffraction between G L and G 2 . Therefore, relatively more intensity remains near the design wavelength.
  • the refraction webs 14 are made of nickel.
  • the spaces 16 are filled with photoresist.
  • N 17, strip-shaped
  • the target positions for the design of the prisms are descending (from the column or the stripe of the strongest prisms ("1.") to the stripe of the weakest prisms ("8.”), central stripe 9. always 0%):
  • Target positions 1. 0%, 2. 0%, 3. -30%, 4. + 25%. 5. + 25%, 6. + 25%, 7. + 35%, 8. + 25%,
  • Optical power (21 discrete photon energies at 18 keV, 19 keV, ..., 38 keV with intervals of 1 keV each), here on the basis of visibility of various boundary conditions and sections (stripes).
  • the transmission is about 74% with lens grid and about 94.5% without lens grid.
  • the upper image (partial image a)) in FIG. 18 is realized without gradient variation (point F2).
  • the lower image (partial image b)) in FIG. 18 is realized in order to achieve larger minimum distances with gradient variation.
  • the upper image (partial image c)) in FIG. 19 is additionally provided with a negative phase jump for the reduction of chromatic aberrations (point F6).
  • the lower image (partial image d)) from FIG. 19 shows the reduction of chromatic aberrations in 6 of 17 stripes per pixel.
  • Gi as in example C
  • Optical performance (spectrum as in example C), again based on visibility of various boundary conditions and sections (columns).
  • the transmission is about 75.8% with diffraction grating (77% in panel c)) and about 94.2% without diffraction grating.
  • the shortening of the distance improves the visibility only slightly and only between d) and e), because the highest photon energies are a little more broken.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all individual features described in connection with the exemplary embodiments are also combinable with one another in other ways, without departing from the subject matter of the invention.
  • the noise represented by the standard deviation ⁇ ⁇ ) is proportional to (At Io) "2. In order to halve the noise, the fourfold dose At Io is needed. the dependence of the noise ⁇ ⁇ on the stripe phase ⁇ (where V is the (stripe) visibility or visibility
  • V (Imax ⁇ 1min) / (Imax ⁇ 1min)
  • I max and I m i n denote the maximum / minimum intensities depending on the x position of a displaceable GQ: ⁇ ⁇ 2 oc 1 / (At Io V 2 T), wherein visibility V and the transmission T respectively in the Limits 0-100% can vary. In order to keep the noise at a certain value, At I 0 ⁇ / 2 T must remain unchanged.

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Abstract

Es wird ein Brechungsgitter (G L) für eine Phasenkontrast-Röntgenbildgebungsvorrichtung angegeben. Das Brechungsgitter (G L) ist gebildet durch eine Vielzahl von Brechungsstegen (14) aus einem optisch vergleichsweise dünnen Basismaterial, die alternierend mit optisch dichteren Zwischenräumen (16) angeordnet sind. Die Brechungsstege (14) sind dabei derart ausgebildet, dass sie eine quer zur einfallenenden Strahlung auszurichtende Transversalfläche (10) in langgestreckte, parallele Brechungsstreifen (12) gliedern, wobei benachbarte Brechungsstreifen (12) stets auf verschiedene Fokusse (F) ausgerichtet sind. Die Brechungsstege (14) verlaufen dabei zumindest abschnittsweise diagonal zur Längsrichtung der Brechungsstreifen (12), wobei sich die Seitenflächen (18) mindestens eines Brechungsstegs (14) über mehrere Brechungsstreifen (12) erstrecken.

Description

Beschreibung
Phasenkontrast -Röntgenbildgebungsvorrichtung und Brechungs - gitter für eine solche
Die Erfindung betrifft eine Phasenkontrast -Röntgenbildgebungsvorrichtung, also eine Röntgenvorrichtung für eine Phasenkontrastbildgebung . Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Brechungsgitter für eine solche. Die Röntgen- Vorrichtung und das Brechungsgitter sind dabei insbesondere für eine Phasenkontrastbildgebung im Medizinbereich vorgesehen .
Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung im All- gemeinen, und Röntgenstrahlung im Speziellen, mit einem Medium wird üblicherweise durch Angabe eines komplexen Brechungs - index beschrieben. Realteil und Imaginärteil des Brechungsindexes sind dabei jeweils abhängig von der materiellen Zusammensetzung des Mediums, dem der komplexe Brechungsindex zuge- ordnet ist. Während der Imaginärteil die Absorption der elektromagnetischen Strahlung in dem Medium wiedergibt, beschreibt der Realteil des Brechungsindex die materialabhängige Phasengeschwindigkeit, und damit die Brechung der elektromagnetischen Strahlung.
Derzeit eingesetzte Röntgenbildgebungsvorrichtungen detektie- ren meist ausschließlich die materialabhängige Strahlungsabsorption in einem zu untersuchenden Objekt, wobei die Intensität der durch das Objekt transmitierten Röntgenstrahlung ortsaufgelöst aufgezeichnet wird.
Weniger verbreitet ist derzeit noch die Ausnutzung der von dem Objekt verursachten Brechung und der damit einhergehenden materialabhängigen Phasenverschiebung zum Zweck der
Bildgebung. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen werden entwickelt . Zur messtechnischen Erfassung der Phasenverschiebung wird typischerweise ein Talbot -Lau- Interferometer eingesetzt, wie es beispielsweise in „X-ray phase imaging with a grating inter- ferometer, T. Weitkamp at al . , 8. August 2005/ Vol. 13, No . 16/OPTICS EXPRESS" beschrieben ist.
Bei einem herkömmlichen Talbot -Lau- Interferometer sind entlang einer optischen Achse eine Röntgenstrahlungsquelle, ein Kohärenzgitter G0, ein Phasengitter (oder Beugungsgitter) Gi , ein Analysegitter (oder Absorptionsgitter) G2 und ein aus einer Vielzahl von Pixeln aufgebauter Röntgendetektor angeordnet. Das Kohärenzgitter G0 dient dabei zur Sicherstellung einer ausreichenden räumlichen Kohärenz der Röntgenstrahlungs - quelle. Dementsprechend kann das Kohärenzgitter G0 im Falle einer annähernd punktförmigen Röntgenstrahlungsquelle entfallen. Mit Hilfe des Phasengitters Gi , welches typischerweise eine gleichmäßige gestreifte Struktur aufweist, wird ein Interferenzmuster erzeugt, dessen Intensitätsverteilung mittels des Röntgendetektors detektiert wird.
Die Periode dieses Interferenzmusters ist dabei typischerweise deutlich kleiner als die Größe der Pixel des Röntgendetektors, so dass eine direkte Erfassung des Interferenzmusters mit dem Röntgendetektor nicht möglich ist. Um dennoch das In- terferenzmuster vermessen zu können, ist dem Röntgendetektor daher üblicherweise das Analysegitter (oder Absorptionsgitter) G2 vorgeschaltet, mit dessen Hilfe das Interferenzmuster durch eine räumlich-periodische Ausblendung von Röntgenstrahlung abgetastet werden kann. Hierzu wird das Analysegitter G2 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse und der Struktur des Interferenzmusters verschoben. Alternativ zu dem Analysegitter G2 können auch das Kohärenzgitters G0 oder das Phasengitter Gi verschoben werden. Für die Phasenkontrastbildgebung wird das zu untersuchendes Objekt zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (und dem gegebenenfalls vorhandenen Kohärenzgitter) einerseits und dem Phasengitter Gi andererseits positioniert. Alternativ hierzu kann das Objekt auch zwischen dem Phasengitter Gi und dem Analysegitter G2 positioniert werden. In beiden Fällen verursacht das Objekt eine ortsabhängig variierende Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung, die das durch das Phasengit- ter Gi erzeugte Interferenzmuster messbar verändert. Das veränderte Interferenzmuster wird auf die oben beschriebene Weise mittels des Röntgendetektors detektiert. Aus der gemessenen Intensitätsverteilung des Interferenzmusters wird dann auf die ortsabhängige Phasenverschiebung zurückgerechnet.
Die Bildinformation wird entweder unmittelbar aus der Phase gewonnen. Alternativ kann die Bildinformation auch aus der Dichte (d.h. der integrierten Phase) oder der Winkelstreuung (Dunkelfeld) ermitteln werden. Ferner wird mitunter das Pha- senkontrastbild mit dem gleichzeitig gewonnenen Absorptionskontrastbild verrechnet, um das Bildrauschen zu reduzieren.
Der gewünschte Vorteil der Phasenkontrast -Rontgenbildgebung besteht darin, dass sich Strukturen im Weichteilgewebe (ins- besondere Gewebe, Wasser und Körperfette) im Phasenkontrast in der Regel stärker voneinander abheben als im Absorptions- kontrast .
Allerdings verursachen Talbot -Lau- Interferometer aufgrund der nötigen Gitter - je nach Absorptionsverhalten des eingesetzten Analysegitters - entweder einen starken Intensitätsverlust (und bedingen somit eine hohe Röntgendosis ) oder eine schlechte Sichtbarkeit des Interferenzmusters (und somit einen schlechten Wirkungsgrad der Phasenkontrastmessung) .
Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Phasenkontrast - Rontgenbildgebung zu verbessern.
Bezüglich eines Brechungsgitters für eine Phasenkontrast - Rontgenbildgebungsvorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer Phasenkontrast -Rontgenbildgebungsvorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des An- Spruchs 9. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Die Erfindung geht aus von der Idee, den üblichen Aufbau eines Talbot -Lau- Interferometers zu modifizieren, indem anstelle des Analysegitters G2 oder zusätzlich zu diesem ein (auch als Linsengitter bezeichnetes) Brechungsgitter GL in dem Strahlengang der Röntgenstrahlung positioniert wird. Das Brechungsgitter ist dabei derart gestaltet, dass es jeweils mehrere benachbarte, einander entsprechende Strukturen (z.B. In- tensitätsmaxima oder Intensitätsminima) des Interferenzmusters auf einen gemeinsamen Fokus bricht, während dazwi- sehen liegende Strukturen (z.B. Intensitätsminima bzw. Inten- sitätsmaxima) des Interferenzmusters auf einen davon räumlich verschiedenen Fokus gebrochen werden. Das Grundkonzept dieser Idee ist bereits in der Vorgänger-Anmeldung WO 2013/160 153 AI beschrieben. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Vorgän- ger-Anmeldung ist - soweit im Folgenden nicht abweichend beschrieben - auch Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
Das erfindungsgemäße Brechungsgitter weist hierbei eine Transversalfläche auf, die durch eine x-Achse und eine hierzu senkrechte y-Achse aufgespannt wird, und die im Wesentlichen (d.h. exakt oder zumindest näherungsweise) quer zu einer Strahlungseinfallrichtung auszurichten ist. Die vorgesehene Strahlungseinfallrichtung definiert hierbei eine z-Achse des Brechungsgitters, die in der vorgesehenen Einbauposition des Brechungsgitters insbesondere parallel zu einer optischen
Achse der Rontgenbildgebungsvorrichtung ausgerichtet ist. Die Transversalfläche kann hierbei innerhalb des von dem Brechungsgitters eingenommenen Raumvolumens grundsätzlich an beliebiger z-Position (d.h. Position entlang der z-Achse) defi- niert werden. Lediglich beispielhaft wird im Folgenden angenommen, dass die Transversalfläche durch die „vordere" Stirnfläche des Brechungsgitters gebildet ist, über die die Strahlung in das Brechungsgitter einfällt. Die vorstehend eingeführten Achsen spannen ein karthesisches Koordinatensystem auf. Die durch die Orientierung der x-, y- und z-Achse definierten Raumrichtungen sind dabei nachfolgend als (positive) x-, y- bzw. z-Richtung bezeichnet. Die jeweils entgegengesetzten Raumrichtungen sind als (negative) als x-, y- bzw. z-Richtung bezeichnet. Positionen auf der x-, y- und z-Achse sind als x-, y, bzw. z-Positionen bezeichnet. Entsprechend der gewünschten Eigenschaft, benachbarte verschiedenartige Strukturen des Interferenzmusters in unterschiedliche Fokusse (d.h. Fokalpunkte oder Fokallinien) zu brechen, ist die Transversalfläche in jeweils in y-Richtung langgestreckte Brechungsstreifen gegliedert, die in x- Richtung parallel nebeneinander aufgereiht sind. Benachbarte Brechungsstreifen unterscheiden sich hierbei dadurch, dass sie hinsichtlich der Brechungseigenschaften des im Bereich dieses Brechungsstreifens jeweils angeordneten Gittermaterials stets auf verschiedene Fokusse ausgerichtet sind. Mit an- deren Worten ist das Material des Brechungsgitters, das entlang der z-Achse über und/oder unter einem Brechungsstreifen angeordnet ist, derart ausgestaltet, dass es Strahlung zumindest einer bestimmten Designwellenlänge in einen bestimmten Fokus bricht, während das Material des Brechungsgitters, das entlang der z-Achse über und/oder unter einem benachbarten
Brechungsstreifen angeordnet ist, die Strahlung in einen anderen Fokus bricht. Bei der Transversalfläche und den darauf gebildeten Brechungsstreifen handelt es dabei sich um mathematisch-abstrakte Strukturen.
Die strahlungsbrechende Wirkung des Brechungsgitters wird durch eine Mehrzahl von Brechungsstegen aus einem optisch vergleichsweise dünnen Basismaterial (also einem Feststoff mit für Röntgenstrahlen vergleichsweise niedrigem Realteil des Brechungsindex) erzeugt, wobei diese Brechungsstege alternierend mit optisch vergleichsweise dichten Zwischenräumen angeordnet sind. Bedingt durch die trennenden Zwischenräume verlaufen die Brechungsstege innerhalb der Transversalfläche zwangsweise zumindest näherungsweise parallel. Vorzugsweise sind die Brechungsstege hierbei aus Gold, Nickel oder Silizium gebildet. Die Zwischenräume sind wahlweise durch (luft- oder flüssigkeitsgefüllte) Lücken oder durch Zwischenstege aus einem optisch vergleichsweise dichten Material (also einem Feststoff mit für Röntgenstrahlen vergleichsweise großem Realteil des Brechungsindex) , z.B. aus Photolack, gebildet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass für Röntgenstrahlen der Realteil des Brechungsindex in allen Materialien kleiner als Eins ist, so dass für Röntgenstrahlen - anders als für sichtbares Licht - Feststoffe im Vergleich zu Vakuum oder Luft stets das optisch dünnere Medium darstellen.
Die von den Brechungsstegen innerhalb der Transversalfläche jeweils eingenommenen Flächenbereiche sind dabei nicht deckungsgleich mit den Brechungsstreifen, die nur durch die strahlungsbrechenden Eigenschaften des Brechungsgitters definiert. Vielmehr sind die Brechungsstege erfindungsgemäß derart ausgebildet sind, dass sie innerhalb der Transversalflä- che zumindest abschnittsweise diagonal (also schrägwinklig, d.h. unter einem 0° übersteigenden und 90° unterschreitenden Winkel zu der y-Achse) verlaufen. Der zumindest abschnittsweise diagonale Verlauf der Brechungsstege in der Transversalfläche ist hierbei dadurch charakterisiert, dass für min- destens einen Brechungssteg die diesen Brechungssteg in x-
Richtung begrenzenden Seitenflächen sich innerhalb der Transversalfläche über mindestens zwei Brechungsstreifen erstrecken. Da die Brechungsstege, bedingt durch die Zwischenräume, zumindest näherungsweise parallel verlaufen müssen, erstreckt sich diese Eigenschaft zwangsweise auf alle Brechungsstege
(mit Ausnahme von etwigen Brechungsstegen an den Rändern der Transversalfläche, deren Seitenfläche sich aufgrund der Randlage nur über einen Brechungsstreifen erstrecken kann) . Vorzugsweise erstrecken sich - von etwaigen Randeffekten abgese- hen - die Seitenflächen aller Brechungsstege regelmäßig über eine Vielzahl von Brechungsstreifen, insbesondere über alle Brechungsstreifen . In anderer, aber inhaltlich völlig äquivalenter Formulierung ist der „diagonale Verlauf" der Brechungsstege in der Transversalfläche dadurch charakterisiert, dass sich mindestens ein Brechungssteg über mindestens vier Brechungsstreifen er- streckt. Auch diese Eigenschaft gilt aufgrund des zumindest näherungsweisen Parallelverlaufs der Brechungsstreifen - von etwaigen Randeffekten abgesehen - zwangsweise für alle Brechungsstege . Durch die vorstehend beschriebenen Eigenschaften unterscheiden sich das erfindungsgemäße „diagonale Layout" der Brechungsstege des Brechungsgitters qualitativ von dem „streifenförmigen Layout" der Brechungsstege der in WO 2013/160 153 AI angegebenen Brechungsgitter. Dort verlaufen die Brechungs- Stege in Längsrichtung der Brechungsstreifen, d.h. in y-
Richtung. Dabei bleiben die Seitenflächen eines jeden Brechungsstegs stets jeweils innerhalb des einem einzigen Brechungsstreifen zugeordneten Raums, wodurch sich die streifenförmigen Brechungsstege nur über zwei oder maximal drei Bre- chungsstreifen erstrecken können.
Wie bereits in WO 2013/160 153 AI beschrieben ist, kann das Brechungsgitter erfindungsgemäß anstelle des Analysegitters des herkömmlichen Talbot -Lau- Interferometers eingesetzt wer- den. Das Brechungsgitter wird hierbei in seinem Fokusabstand zu dem Röntgendetektor angeordnet, so dass die Röntgenstrahlung durch das Brechungsgitter direkt auf die einzelnen Pixel oder Pixelspalten des Röntgendetektors fokussiert wird. Alternativ hierzu kann das Brechungsgitter, wie ebenfalls be- reits in WO 2013/160 153 AI beschrieben ist, dem Phasengitter und dem Analysegitter zwischengeordnet werden. In diesem Fall wird die Röntgenstrahlung durch das Brechungsgitter auf die Schlitze und Stege des Analysegitters fokussiert. Durch die Eigenschaft des Brechungsgitters, jeweils mehrere benachbarte, einander entsprechende Strukturen (z.B. Intensi- tätsmaxima oder Intensitätsminima) des Interferenzmusters auf einen gemeinsamen Fokus zu brechen, wirkt das Brechungsgitter als periodische Anordnung von Sammellinsen, durch die das Interferenzmuster vergröbert wird. Dies ermöglicht den Einsatz eines entsprechend gröberen und in den Gitterstegen besser absorbierenden Analysegitters, wodurch die Sichtbarkeit (Visibilität) verbessert wird. Dies ermöglicht wiederum - insbesondere bei hochenergetischer (kurzwelliger) Röntgenstrahlung - eine Reduzierung des Bildrauschens und der Rönt- gendosis. Wird in alternativer Ausführung der Erfindung das Analysegitter weggelassen, so entfällt die hierdurch verur- sachte Absorption, wodurch - insbesondere bei niederenergetischer (langwelliger) Röntgenstrahlung - ebenfalls eine Reduzierung des Bildrauschens und der Röntgendosis erreicht wird. Da ein Brechungsgitter regelmäßig mit kleinerer Bauhöhe gefertigt werden kann als ein Analysegitter, kann die Streifenbreite des Brechungsgitters im Vergleich zu der typischen Streifenbreite eines Analysegitters kleiner gewählt werden. Hierdurch kann zwischen dem Phasengitter und dem Brechungs - gitter ein größerer (d.h. einem höheren Vielfachen des Tal- bot-Abstands entsprechender) Abstand eingestellt werden als zwischen dem Phasengitter und dem Analysegitter eines gewöhnlichen Talbot -Lau- Interferometers . Hierdurch ergibt sich eine höhere (Winkel- ) Empfindlichkeit , wodurch der Nachteil einer etwas geringeren Sichtbarkeit überwogen wird. Die ermöglicht eine weitere Verbesserung des Bildrauschens und/oder eine weitere Verringerung der Röntgendosis.
Wie bereits in WO 2013/160 153 AI beschrieben ist, ist das Brechungsgitter vorzugsweise in einem photolithographischen Herstellungsverfahren, insbesondere dam sogenannten
LIGA (Lithographie-Galvanik-Abformung- ) -Verfahren oder mittels reaktivem Ionen-Ätzen hergestellt. Ein einschränkender Faktor für die Herstellung der Brechungsgitter ist dabei das durch Herstellungsverfahren begrenzte Aspektverhältnis, das bei gegebener Gitterhöhe in z -Richtung durch die herstellbaren Minimalabstände zwischen den Seiten- wänden der Brechungsstege bestimmt ist, nämlich - je nach dem konkreten Herstellungsverfahren - durch die minimale Stärke der Brechungsstege und/oder die minimale Stärke der Zwischenräume .
Erkanntermaßen können durch das diagonale Layout der Brechungsstege bei gegebener Gitterhöhe und gegebenen Brechungseigenschaften der Brechungsstreifen besonders große Minimal - abstände zwischen den Seitenwänden der Brechungsstege - so- wohl innerhalb der Brechungsstege als auch zwischen benachbarten Brechungsstegen - eingehalten werden. Dies ermöglicht wiederum die Fertigung von Brechungsgittern mit besonders großer Gitterhöhe in z -Richtung oder besonders geringer Breite der Brechungsstreifen. Solche Brechungsgitter ermöglichen die Realisierung von Phasenkontrast -Röntgenbildgebungs -
Vorrichtungen mit besonders geringer Einbaulänge und besonders hoher Empfindlichkeit.
In bevorzugter Ausführung sind die Brechungsstege jeweils nach Art von in y-Richtung geneigten schiefen Prismen geformt, deren Grundfläche und Deckfläche jeweils in den zur Transversalfläche parallelen Stirnflächen des Brechungsgitters liegen. In dieser Ausführung wird das Brechungsgitter insbesondere, wie an sich bereits in WO 2013/160 153 AI be- schrieben ist, durch ein photolithographisches Verfahren, insbesondere LIGA, unter Schrägbelichtung der Photolackschicht durch Röntgenstrahlung hergestellt. Die Grundfläche und die gegenüberliegende Deckfläche des Prismas haben hierbei in der Regel jeweils eine komplexe, polygonale Form. An den Seitenrändern des Brechungsgitters können die Brechungs - Stege - abweichend von einer reinen Prismenform - zur Bildung von in z -Richtung ausgerichteten Randflächen abgeschnitten sein. Durch die Ausführung der Brechungsstege als zur Transversalfläche schiefe Prismen wird eine vergleichsweise starke Brechung erzielt, ohne andere optische Eigenschaften, insbesondere die Absorption und die Sichtbarkeit (Visibility) wesentlich zu verschlechtern. Die Brechungsstege sind insbesondere derart angeordnet, dass in jedem Brechungsstreifen eine sich in y-Richtung mit einer y-Periodenlänge wiederholende Materialstruktur ergibt. Die Brechungsstege sind also derart gestaltet, dass sie in jedem Brechungsstreifen stets parallelverschobene, kongruente und gleichmäßig beabstandete Flächenabschnitte einnehmen. Die Brechungsstege sind dabei derart in y-Richtung geneigt, dass die zu der Grundfläche entgegengesetzte Deckfläche eines jeden Brechungsstegs gegenüber der Grundfläche um eine ganze Anzahl von Periodenlängen, insbesondere um genau eine Periodenlänge versetzt ist. Die beiden in z-Richtung gegenüberliegenden Stirnflächen des Brechungsgitters weisen somit ein identisches Layout, also eine identische aus Brechungsstegen und Zwischenräumen gebildete Materialstruktur auf.
Vorzugweise sind die Seitenflächen der Brechungsstege jeweils alternierend aus aktiven Teilflächen mit vergleichsweise starker Brechungswirkung in x-Richtung und passiven Teilflächen mit geringer oder verschwindender Brechungswirkung in x- Richtung zusammengesetzt. Die aktiven Teilflächen können hierbei als brechende Flächen von (Teil- ) Prismen betrachtet werden, die mit ihren nicht -brechenden Rückenflächen zu einem den jeweiligen Brechungssteg bildenden Multi -Prisma zusammengesetzt sind.
Die aktiven und passiven Teilflächen sind hierbei vorzugsweise jeweils durch ebene (ungekrümmte) Flächenabschnitte gebildet. Die Brechungswirkung einer jeden Teilfläche wird dabei durch den zugehörigen Gradienten bestimmt. Als Gradient wird hierbei die Steigung g = Δζ / Δχ bzeichnet, den diese Teilfläche in einem Schnitt entlang einer xz-Ebene (also einer durch die x-Achse und die z -Achse aufgespannten Ebene) aufweist. Je größer der Gradient g, je steiler also die jeweilige Teilfläche gegen die Transversalfläche angestellt ist, desto stärker wird das einfallende Röntgenlicht in x-Richtung gebrochen . Jede aktive oder passive Teilfläche erstreckt sich innerhalb der Transversalfläche in x-Richtung dabei vorzugsweise über eine ganze Anzahl von Brechungsstreifen. Der Übergang zwischen aktiven und passiven Teilflächen einer Seitenfläche fällt somit vorzugsweise jeweils mit dem Übergang zwischen zwei Brechungsstreifen zusammen. Aktive und passive Teilflächen sind dabei vorzugsweise an den beiden Seitenflächen eines Brechungsstegs versetzt zueinander angeordnet. In einem Brechungsstreifen, in dem eine erste Seitenfläche eines jeden jeden Brechungsstegs eine aktive Teilfläche aufweist, hat die andere Seitenfläche desselben Brechungsstegs somit eine passive Teilfläche und umgekehrt. Ene Ausnahme von dieser Regel bilden hierbei Brechungsstreifen ohne Brechungswirkung in x- richtung (neutrale Brechungsstreifen) , in denen beide Seiten- flächen eines Brechungsstegs jeweils passive Teilflächen aufweisen .
Die passiven Teilflächen können exakt in der Transversalfläche parallel zur x-Achse ausgerichtet sein (g = 0) . Vorzugs- weise weisen auch die passiven Teilflächen aber einen kleinen Gradienten (Offset -Steigung) auf. Diese Offset -Steigung ist insbesondere derart bemessen, dass die dadurch verursachte Steigung Ay der passiven Teilflächen über einem Brechungsstreifen - in y-Richtung gemessen - etwa zwischen 20% und 50%, vorzugweise etwa 25% der in x-Richtung gemessenen Streifenbreite sL entspricht (0,2 < Ay/sL -S 0,5) .
Durch die Offset -Steigung der passiven Teilflächen können bei gegebener Gitterhöhe und gegebenen Brechungseigenschaften der Brechungsstreifen die Minimal -Abstände zwischen den Seitenwänden der Brechungsstege - sowohl innerhalb der Brechungs- stege als auch zwischen benachbarten Brechungsstegen - vorteilhafterweise weiter vergrößert werden. Die Offset -Steigung der passiven Teilflächen bewirkt des Weiteren eine Abflachung der zwischen den aktiven und passiven Teilflächen gebildeten Winkel, was die technische Herstellbarkeit des Brechungsgitters begünstigt. Da die Offset -Steigung jeweils die obere und die untere Materialkante einer Spalte gleichermaßen betrifft, ändert es die dadurch codierte Phasenverschiebung nicht. Aus einem Rechteck („Gradient 0") wird durch die Offset -Steigerung ein Parallelogramm. Das Parallelogramm wirkt genauso auf die Phase des hindurchtretenden Lichts wie ein Rechteck. Die Offset- Steigung ist zweckmäßigerweise zwischen Oberkante und darunterliegender Unterkante des Materials gleich gewählt. Unter- schiedliche Spalten dürfen auch unterschiedliche zusätzliche Gradienten erhalten für Kanten, die eine x-Komponente besitzen (rein vertikale Sprünge in y-Richtung werden nicht beein- flusst) . Auch kann eine Spalte im linken und im rechten Teil (in x-Richtung) eine unterschiedliche Offset -Steigung besit- zen, wenn dazwischen ein Knick erfolgt.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform des Brechungsgitters verläuft jeder Brechungssteg innerhalb der Transversalfläche in alternierenden Abschnitten diagonal in positiver y- Richtung und in negativer y-Richtung. Die Brechungsstege weisen also Knickstellen auf. Bevorzugt sind die Brechungsstege in regelmäßigen Abständen entlang der x-Achse alternierend gegensätzlich geknickt, so dass der jeweilige Brechungssteg innerhalb der Transversalfläche mäandrierend in Richtung der x-Achse verläuft. Durch das ein- oder mehrfach geknickte Layout für die Brechungsstege werden bei der Herstellung des Brechungsgitters im LIGA-Verfahren die zunächst durch Belichtung mit Röntgenstrahlung und anschließende Entwicklung herausgearbeiteten Zwischenstege aus Photolack mechanisch stabi- lisiert. Die Knickstellen sind vorzugsweise jeweils im Bereich von neutralen oder schwach brechenden Brechungsstreifen vorgesehen. Der Verlauf eines jeden Brechungsstegs innerhalb der Transversalfläche ändert somit jeweils an Brechungsstreifen mit geringer oder verschwindender Brechungswirkung die Richtung.
Zweckmäßigerweise sind stets jeweils eine einheitlich vorgegebene Anzahl von Brechungsstreifen auf einen gemeinsamen Fo- kus ausgerichtet. Die auf einen gemeinsamen Fokus ausgerichteten Brechungsstreifen werden hierbei zusammenfassend als Fokussierungsgruppe bezeichnet. Die Fokussierungsgruppen umfassen hierbei vorzugsweise jeweils eine ungeradzahlige An- zahl von Brechungsstreifen, z.B. 3, 5, 7 oder 9 Brechungsstreifen. Eine solche Fokussierungsgruppe umfasst einen neutralen Brechungsstreifen mit verschwindender Brechungswirkung, um den herum symmetrisch die weiteren Brechungsstreifen der Fokussierungsgruppe angeordnet sind, wobei deren Brechungs- Wirkung in x-Richtung mit zunehmenden Abstand zu dem neutralen Brechungsstreifen ansteigt. Die Brechungsstreifen benachbarter Fokussierungsgruppen sind hierbei ineinander verschachtelt . In bevorzugten Ausführungsformen des Brechungsgitters sind ferner ein oder mehrere der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungsmerkmale vorgesehen, um die Minimal -Abstände innerhalb der Brechungsstege und zwischen benachbarten Brechungs- stegen weiter zu vergrößern und/oder um die optischen Eigen- Schäften des Brechungsgitters zu optimieren:
- Fl - „Gradientenkompression": Dieses Ausgestaltungsmerkmal wird insbesondere auf die stärksten Teil- prismen (also die aktiven Teilflächen der Brechungsstege mit den jeweils größten Gradienten) angewandt, wenn bei gegebener Gitterhöhe h und gegebener Streifenbreite sL der Brechungstreifen durch eine aktive Teilfläche, die innerhalb der xz-Ebene linear über die gesamte Streifenbreite sL und Gitterhöhe h verläuft (g = h/sL), eine hinreichend starke Brechung nicht erzielt werden kann.
Die Gradientenkompression wird realisiert, indem die aktive Teilfläche nicht über die volle Streifenbreite sL geführt ist, sondern lediglich über einen Anteil 1/c (mit c > 1) dieser Streifenbreite sL, während sich die aktive Teilfläche in z-Richtung vorzugsweise über die gesamte Gitterhöhe h erstreckt . Der Gradient g erhöht sich in diesem Fall auf g = c-h/sL. An der maximalen Visibilität ändert die Gradientenkompression zumindest dann wenig, wenn die Intensität in dem verbleibenden Rand des Brechungsstreifens relativ gering ist. Wenn beispielsweise die Streifen hoher Intensität des durch das Phasengitter Gi gebildeten Interferenzmusters in dem Brechungsgitter GL genau auf einen Streifen fallen, so fließt die Hauptintensität in der Streifenmitte
(=Spaltmitte) und der Rand bleibt vergleichsweise dunkel. Durch den durch Gradientenkompression erhöhten Gradient wird ermöglicht, den Abstand zwischen dem Patien- ten und dem Röntgendetektor vergleichsweise klein zu halten, was auch die Empfindlichkeit verbessert. Der kleinere Abstand führt dazu, dass jeder Brechungsstreifen auf einen schmäleren Bereich abgebildet wird, dies verbessert die Sichtbarkeit für geringe Kompression (z.B. bei c^ < 2) . Bei größerer Kompression (z.B. c^ >
2) überwiegt dagegen die Reduktion der Sichtbarkeit durch die Randverluste in den am stärksten brechenden Teilprismen. In zweckmäßiger Dimensionierung ist c im Bereich 4/3 < c < 3/2 wie z.B. c = 21/2 gewählt . Die Gradientenkompression wird vorzugsweise symmetrisch bezüglich des zugehörigen Brechungsstreifens durchgeführt. Die in ihrer Breite (in x-Richtung) reduzierte aktive Teilfläche wird also bezüglich des zugehörigen Brechungsstreifens zentriert.
Variante: Eine aus der Anmeldung US 2012/0041679 AI beschriebene Methode zielt darauf ab, alle Gitter bei einem auf Phasenkontrastbildgebung beruhenden Computertomographen so auszurichten, dass in Abwesenheit des Pati- enten im Strahl die hellen Streifen des von dem Phasengitter Gi erzeugten Interferenzmusters genau auf die Streifengrenzen des Analysegitters ausgerichtet sind. Bei einer vollen Umdrehung des Computertomographen (in Anwesenheit des Patienten) wird dann durch den Patient der Streifen einmal nach z.B. rechts und (nach 180°
Gantry-Drehung) einmal in die Gegenrichtung (hier z.B. nach links) verschoben. Dies kann ohne jede Gitterverschiebung abgetastet und in Bilder umgerechnet werden. In Übertragung dieser Idee auf die erfindungsgemäße Phasenkontrast -Röntgenbildgebungsvorrichtung wird die Gradientenkompression zweckmäßigerweise asymmetrisch durchgeführt. In diesem Fall wird zweckmäßigerweise vorher festgelegt, welche Spaltgrenzen des Brechungsgitters die hohe Intensität erhalten sollen. Der komprimierte Gradient wird von der Streifenmitte an diese Spaltgrenze verschoben. Die asymmetrische Kompression hat also den gradientenfreien Teil der Breite s-^il-l/c) zusammenhängend auf der zunächst unbeleuchteten Seite des Brechungsstreifens und den Gradienten bis zum Rand der beleuchteten Spaltengrenze.
F2 - Gradienten-Variation: Bei den in WO 2013/160153 AI beschriebenen Brechungsgittern sind die Teilprismen bzw. Teilflächen stets derart ausgerichtet, dass alle Teilprismen bzw. Teilflächen eine Design-Wellenlänge λ0 bzw. Design-Photonenenergie möglichst exakt auf einen gemeinsamen Fokus fokussieren, in dem die Mitte des zugehörigen Elements des Analysegitters G2 (Spalt bzw. Steg) bzw. Detektor-Pixels platziert wird. Dies beschränkt allerdings das Layout stärker als notwendig:
Die stärksten Teilprismen verteilen aufgrund von Dispersion die Licht-Intensität über einen weiten Bereich (oft über mehr als eine Pixelbreite bzw. S2 -Spaltbreite ) . Ihre Gradienten sind daher nicht variierbar ohne weitere Sichtbarkeitsverluste in den zugehörigen Brechungsstreifen. Je schwächer jedoch die Teilprismen werden (je näher die Teilprismen entlang der x-Achse an dem zugehörigen Fokus liegen) , desto näher zueinander werden die einzelnen Wellenlängen abgebildet, desto schmäler wird also insgesamt der beleuchtete Bereich. Dies bietet die Freiheit, den Gradienten dieser Prismen leicht zu erhöhen oder zu verringern, ohne die Sichtbarkeit signifikant zu verschlechtern. Die schwächsten Teilprismen befinden sich regelmäßig (entlang der x-Achse) zwischen den stärksten Teilprismen und den zweitstärksten Teil- prismen der benachbarten Fokussierungsgruppe . Hier lassen sich durch leichte Verstärkung dieser schwächsten Teilprismen die Minimal -Abstände innerhalb der Brechungsstege und zwischen den Brechungsstege vergrößern, indem die zugehörigen Teilflächen in z-Richtung gestaucht werden. Oft können auch Gradienten nunmehr gleich starker Nachbar-Teilprismen reduziert werden, was die Absorption durch das Brechungsgitter reduziert.
F3 - Variation der Grundhöhe: Die Grundhöhe (d.h., der über die volle Streifenbreite im Layout vorhandene rechteckige oder parallelogrammförmige Teil des Materials) kann verändert werden, um das Material- Aspektverhältnis zu verbessern. Das Aspektverhältnis wird hierbei verringert, indem die Grundhöhe durch Hinzufügen von Material im Layout über die volle Streifenbreite erhöht wird. Alternativ hierzu kann das Freiraum- Aspektverhältnis verbessert werden, indem die Grundhöhe reduziert wird - dies kann bei gegebenem und übererfülltem Aspektverhältnis auch zur Reduzierung des Material-Anteils und damit der Absorption genutzt werden. Diese Änderung betrifft vorwiegend schwache Teilprismen (mit kleinem Gradienten) und mittelstarke Teilprismen.
Bei schwachen Teilprismen empfiehlt sich, zur materialsparenden Optimierung des Aspektverhältnisses, anstelle einer Erhöhung der Grundhöhe eine Gradientenerhöhung (siehe F2) einzusetzen, solange Sichtbarkeit nicht signifikant reduziert ist.
F4 - Zentrale Spalte: Bei den in WO 2013/160153 beschriebenen Brechungsgittern ist der zentrale (und optisch neutrale) Brechungsstreifen einer jeden Fokussie- rungsgruppe stets komplett mit Material gefüllt. Dies bedingt eine vergleichsweise starke Absorption in den zentralen Brechungsstreifen, wo eigentlich aus optischen Gründen gar nichts erforderlich wäre (da in den zentra- len Brechungsstreifen keinerlei Gradient realisiert werden muss) .
Hier ist die denkbar, den Aufbau an der zentralen Spalte komplett zu spiegeln (d.h., Aufbau achsensymmetrisch zur y-Achse in der Mitte der zentralen Spalte) und dafür rechteckige Materiallücken über die volle Breite der zentralen Brechungsstreifen (oder etwas mehr oder etwas weniger) einzubauen. Diese Lücken sind von der Brechung her neutral, reduzieren aber die Absorption. Sie sind so zu bemessen, dass minimale Materialbreiten nicht unterschritten werden. Vorzugsweise entsprechen sie einer Phasenverschiebung des hindurchtretenden Lichtes entlang der z-Achse um ein ganzzahliges Vielfaches an vollen Wellenlängen (analog F6 bzw. F7, für eine Wellenlänge des Spektrums nahe der Design-Wellenlänge) .
F5 „Gradienten-Verschmälerung" : Diese Maßnahme ist sehr ähnlich zu der unter Punkt Fl beschriebenen
Gradientenkompression, wird aber nicht auf die stärksten Teilprismen, sondern vorwiegend auf die schwächsten Teilprismen angewandt. Wird deren Gradient im streifenförmigen Layout am äußeren und/oder inneren Material -
Rand in Richtung der Streifenmitte des Brechungsstreifens mit Streifenbreite SL zurechtgeschnitten, so können damit die Mindestabstände erhöht werden.
Wird der äußere Rand zurechtgeschnitten (das sei der Rand, in dem sich in y-Richtung wenig oder kein Material befindet), so wird der mäanderförmige Materialstreifen aus zwei benachbarten Spalten insgesamt schmäler. Der Freiraum-Mindestabstand kann so zunehmen. Wird der innere Rand zurechtgeschnitten (das sei der Rand, in dem sich in y-Richtung viel Material befindet) , so wird letztlich die Spaltengrenze zwischen den benachbarten
Brechungsstreifen des mäanderförmigen Materialstreifens in Richtung des schwächeren Teilprismas verschoben. Der Material -Mindestabstand kann auf diese Weise vergrossert werden. Dabei sollte (um die maximale Sichtbarkeit wenig zu beeinflussen) maximal 10-15% der Streifenbreite be- einflusst werden.
F6 - Dispersionskorrektur: Durch die unter Punkt Fl erläuterte Gradientenkompression wird eine Erhöhung des geometrischen Gradienten der stärksten Teilprismen erreicht. Allerdings nimmt die Licht -Ablenkung der Brechungsstreifen nicht in demselben Maße zu. Dieser Effekt lässt sich zur Dispersionskorrektur bei den stärksten Teilprismen einsetzen. Da der Brechungsindex δ °= λ2 °= 1/E2 und der Ablenkwinkel γ = δ x g ist, folgt, dass γ °= λ2 oc 1/E2 ist. Gegeben sei ein starker Gradient, der die Materialhöhe (und damit die Phase aufgrund der höheren Phasengeschwindigkeit durch das Material) in Richtung positiver x-Achse steigert (und das Licht damit in negativer x-Richtung ablenkt) . Der x-Abstand Δχ sei nun passend zum Gradient g so gewählt, dass ΔΦ = 2π (d/ )g Δχ = 2π gilt, dass sich also entlang von Δχ die Phase durch den Gradient genau um ΔΦ = 2π ändert bzw. die Wellenfront um Δζ = +λ0 in Ausbreitungsrichtung verschoben wird (für eine vorzugsweise nahe der Mitte des Ausle- gungs -Spektrums liegende einer Design-Wellenlänge +λ0) . Wenn hier in der positiven x-Richtung der steigender Materialhöhe nun die Materialhöhe sprunghaft um Ah = g-Δχ reduziert wird, so dass ein Phasensprung von ΔΦ = -2π bzw. Δζ = -λ0 entsteht, so ist dies für die Design- Wellenlänge λ0 ohne jede Auswirkung (da nur die Phase modulo 2π relevant ist) . Für eine um einen Faktor f geänderte Wellenlänge λ = ί·λ0 gilt jedoch δ(λ)/λ °= ί·λ0, so dass wegen ΔΦ = 2π (δ/λ)Δη lokal an der Sprungstelle eine Phasen-Abweichung von 2π·(1—f) verbleibt. Falls man Abweichungen von ±π/4 toleriert, so muss also
3/4 < f < 5/4 gelten. Das Spektrum hat also eine Bandbreite vom Faktor 5/3=167% (was gut zur bisherigen Bandbreite des Brechungsgitters vom Faktor 31 2=173% passt) . Wird alle Δχ ein dem Gradient entgegengesetzter Phasensprung erzeugt (wodurch die Materialhöhe eine Sägezahn- kurve ohne jede mittlere Steigung beschreibt), so kompensieren sich jedoch die Phasen-Abweichung von 2π durch den Gradient mit der durch den Phasensprung, so dass sich die Phase (bis auf die lokale Abweichung von
2π·(1-£)) im Mittel durch die Gerade ΔΦ = 2π·χ/Δχ annähern lässt, und zwar unabhängig von f bzw. λ. Für die Röntgenstrahlung sieht es also wie eine fehlerbehaftete kontinuierliche Steigung bei δ °= λ1 °= 1/E1 aus. Es resultieren Ablenkungswinkel linear zu f : γ °= λ1 °= 1/E1 °= f. Der Farbfehler kann so also um eine Größenordnung reduziert werden. Wird in kürzeren Abständen als Δχ ein Phasensprung eingefügt, so wird ggf. überkompensiert, was in geringem Umfang sinnvoll sein kann. Es empfiehlt sich der Einsatz von Phasensprüngen erst zur Korrektur von Farbfehlern, wenn (5/ )g-sL größer oder zumindest nicht wesentlich kleiner als 1 ist.
Zahlenbeispiele: Für E=62 keV-Photonen entspricht ein voller Phasensprung einer Gold-Höhe von h=25 μιτι (Trans - mission 85%) oder einer Nickel-Höhe von 43 μιτι (Transmission 95%) . Bei E=29 keV dagegen ist es eine Nickel-Höhe von 20 μιτι (Transmission 82%) oder eine Silizium-Höhe von 75μιτι (Transmission 98%) . Bei E=19 keV Photonen entspricht der Sprung um eine Phase einer Silizium-Höhe von 50 μιτι (Transmission 95%) .
Ein Problem dieser Strategie ist es, dass an der Sprungstelle genug Material verbleiben muss, um die Mindest - breiten des Layouts zu erfüllen. Deshalb spart der nega- tive Phasensprung einerseits Material, es muss andererseits aber auch Material hinzugefügt werden, um an den Sprungstellen noch genug Material zu haben. Letzten Endes kann das bedeuten, dass man Material hinzufügen muss . F7 - Zusätzliche Phasensprünge: Im Gegensatz zu der unter Punkt F6 diskutierten Dispersionskorrektur wird hier die Dispersion erhöht (und ist bei kleinen Gradien- ten dann näherungsweise unabhängig von einer Variation des Gradienten) . Zweckmäßigerweise wird die die Dispersion der schwächsten Teilprismen durch einen oder mehrere zusätzliche 2n-Sprünge (Sprünge um jeweils eine Wellenlänge) erhöht. Dadurch nimmt der Materialanteil im Layout zunächst zu, und der Material -Mindestabstand kann dadurch - erwünschtermaßen - auch zunehmen. Diese Maßnahme erlaubt allerdings, die unter Punkt F3 disktierte Grundhöhe zu reduzieren und so den Freiraum-Mindestab- stand zu reduzieren. Letztlich nähert sich die Material/Freiraum-Grenze im Streifen der schwächsten Teilprismen damit der Material/Freiraum-Grenze der gegenüberliegenden stärksten Teilprismen in grober Näherung an.
Durch die Wahl der x-Positionen der λ- Phasensprünge innerhalb des Streifens kann man beeinflussen, ob der Freiraum-Abstand (in Richtung der gegenüberliegenden stärksten Teilprismen) stärker oder weniger stark als der Materialabstand (innerhalb des mäanderförmigen Materialstreifens mit der benachbarten Prismenspalte) beein- flusst werden soll. Bei größeren Gitterhöhen kann es auch sinnvoll sein, mehrere komplette Phasensprünge relativ gleichmäßig über die Spaltenbreite zu verteilen (z.B. drei Phasensprünge an den Positionen 12,5%, 50%, 87,5% der Teilprismenbreite oder an den x-Positionen 25%, 50%, 75% von SL) . Dies gilt entsprechend auch für die unter Punkt F6 diskutierte Dispersionskorrektur.
Die unter den Punkten Fl bis F6 diskutierten Ausgestaltungs - merkmale der Brechungsstege und der darin enthaltenen aktiven Teilflächen (Teilprismen) können vorteilhaft sowohl bei diagonalen Layouts der Brechungsstege gemäß der vorliegenden Erfindung als auch bei streifenförmigen Layouts gemäß WO
2013/160153 AI eingesetzt werden, um die Minimal -Abstände innerhalb der Brechungsstege und zwischen benachbarten Brechungsstegen weiter zu vergrößern und/oder um die optischen Eigenschaften des Brechungsgitters zu optimieren. Jedes der unter den Punkten Fl bis F6 diskutierten Merkmale wird daher auch für sich gesehen (unabhängig von dem großräumigen Ver- lauf der Brechungsstege in der Transversalfläche) als eigenständige Erfindung betrachtet.
Wie vorstehend erwähnt, umfasst die erfindungsgemäße (Phasen- kontrast-Röntgenbildgebungs- ) Vorrichtung eine Röntgenstrahlungsquelle, ein Phasengitter und einen Röntgendetektor, der eine eindimensionale oder zweidimensionale Anordnung von Pixel aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst des Weiteren ein zwischen dem Phasengitter und dem Röntgendetek- tor angeordnetes Brechungsgitter der vorstehend beschriebenen Art .
Sofern die Röntgenquelle nicht bereits von Haus aus hinreichend kohärente Röntgenstrahlung emittiert, umfasst die Vor- richtung zusätzlich ein Kohärenzgitter, das der Röntgenquelle und dem Phasengitter zwischengeschaltet ist.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltungsvariante umfasst die Vorrichtung zusätzlich ein Analysegitter, das dem Brechungsgit - ter und dem Röntgendetektor zwischengeschaltet ist. Wie vorstehend erwähnt, kann das Brechungsgitter dem Röntgendetektor in einer alternativen Ausführung der Vorrichtung aber auch unmittelbar vorgeschaltet sein. In bevorzugten Verfahrensvarianten sind bei der Vorrichtung ferner ein oder mehrere der nachstehend beschriebenen Ausgestaltungsmerkmale verwirklicht
- F8 - Filterung der Spektren: Je schmäler das ver- wendete Röntgenspektrum ist, desto besser lässt sich die
Geometrie auf dieses Spektrum optimieren (z.B. durch Wahl einer Design-Wellenlänge nahe der Mitte des Spektrums) . Der spektrale Breite, die das Prismengitter verträgt, muss aufgrund der Abhängigkeit des Ablenkwinkels von der Wellenlänge (oc = δ-g) die Bedingung A™ax/A™in =
Emax / Emin < 31 2 erfüllen (aus der fremden Pixelmitte muss mindestens eine halbe Pixelbreite s2/ 2 und höchstens 3 s2/ 2 abgelenkt werden. Es muss daher ( max/cCmin - 3 gelten. Je schmäler das Spektrum ist, desto besser fo- kussiert das Brechungsgitter und desto bessere Sichtbarkeit ergibt sich bei größerem Schlitzanteil von z.B.
25%. Um ein möglichst schmales Spektrum zu erreichen, kann z.B. nahe der Röntgenröhre gefiltert werden (z.B mittels einer flächigen Filterfolie oder Filterplatte) mit Materialien, welche das Spektrum anhand ihrer Ka- Kante begrenzen (also höhere Photonenenergien abschneiden) . Im nieder-energetischen Bereich (z.B. bei einer Design-Wellenlänge von λΌ ~ 25 keV) bietet sich z.B. eine Filterung mit Antimon an, welches Wellenlängen > 30,5 keV stark absorbiert (beispielsweise Filterung mit ΙΟΟμιτι Sb) , bei Iod wird dagegen > 33,2 keV gedämpft. Im höherenergetischen Bereich bieten sich z.B. Tantal (67,4 keV) , Wolfram (69,5 keV) oder Rhenium (71,7 keV) an, wenn die Design-Wellenlänge z.B. 60-65 keV beträgt. Natürlich gibt es bei anderen Design-Wellenlängen andere sinnvolle Materialien.
F9 - „Zweidimensionale Formulierung des Phasenkontrastes": Optional werden die Phasenänderungen entlang der x-Achse und entlang der y-Achse gleichzeitig gemessen, z.B. unter Verwendung eines Kohärenzgitters G0, das zeilenweise und spaltenweise filtert. Bei einem Öf f nungsanteil von 0 < q < 1 in jeder der beiden Dimensionen passiert also lediglich q2 der Intensität die Löcher in G0 (z.B. mit q = 30% oder q = 50%) . In diesem Fall wird ein zweidimensionales Phasengitter Gi eingesetzt, so dass ein schachbrettartiges Interferenzmuster (z.B. schwarze Schachbrettfelder dunkel, weiße hell) am Ort des Brechungsgitters GL entsteht. Ein entsprechendes Brechungsgitter ist beispielsweise aus zwei Brechungs- gittern der vorstehend beschriebenen Art mit diagonalem Layout gebildet, wobei diese Brechungsgitter um 90° gedreht übereinandergelegt sind, so dass sich überlappende stückweise Linsen in x-Richtung durch eines der beiden Brechungsgitter und überlappende stückweise Linsen in y- Richtung durch das andere Gitter ergeben. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, dass es nun für jedes Pixel im Inneren des gemessenen Bildes mehrere Pfade gibt, entlang derer die Phase aufintegriert werden kann (je weiter in der Bildmitte, desto mehr Pfade lohnen sich oder haben größere Gewichte) . Entsprechend lässt sich das Bildrauschen gegenüber dem eindimensionalen Fall durch Mitteilung dieser Ergebnisse entlang verschiedener Pfade (in der Regel Linien) reduzieren.
Auch die in den Punkten F8 und F9 offenbarten Ausgestaltungsmerkmale können sowohl bei Brechungsgittern mit diagonalem Layout und Brechungsgittern mit streifenförmigem Layout eingesetzt werden und werden daher als eigenständige Erfindungen angesehen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: in einer grob schematischen Schnittdarstellung eine Phasenkontrast -Röntgenbildgebungsvorrichtung mit einem Brechungsgitter, in schematischer Ansicht auf eine Transversalfläche ausschnitthaft eine Ausführungsform des Brechungsgitters, wobei die Transversalfläche von diagonal verlaufenden Brechungsstegen und dazwischen angeordneten Zwischenräumen durchzogen ist, und wobei die Transversalfläche in eine Anzahl paralleler Brechungsstreifen gegliedert sind, wobei je fünf Brechungsstreifen auf einen gemeinsamen Fokus ausgerichtet sind (N = 5) , in Darstellung gemäß FIG 2 eine alternative Ausführung des Brechungsgitters für N = 9,
FIG 4 in Darstellung gemäß FIG 2 eine Variante des Brechungsgitters gemäß FIG 3, bei der der Verlauf der Brechungsstege innerhalb der Transversalfläche in gleichmäßig beabstandeten Knickstellen die Richtung ändert , in Darstellung gemäß FIG 2 eine weitere Variante des Brechungsgitters gemäß FIG 3, bei der der Verlauf der Brechungsstege innerhalb der Transversal - fläche in gleichmäßig beabstandeten Knickstellen die Richtung ändert, in neun Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 verschiedene Ausführungsformen des Brechungsgitters, in denen eine Offset-Steigung des Brechungsgitters variiert ist , in sechs Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 verschiedene Ausführungsformen des Brechungsgitters, an denen der Einfluss der Gradientenkompression (Punkt Fl) demonstriert ist, in acht Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 verschiedene Ausführungsformen des Brechungsgitters, an denen die Optimierung des Aspektverhältnisses und der optischen Eigenschaften des Brechungsgitters mittels Gradientenvariation (Punkt F2), Änderung der Grundhöhe (Punkt F3 ) , Einführung zentraler Spalte (Punkt F4) und Gradientenverschmälerung (Punkt F 5) demonstriert ist, in einem schematischen Diagramm die Auslegung von Gradienten bei Einsatz von Gradientenkompression (Punkt Fl) und Gradientenvariation (Punkf F2), in vier Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 verschiedene Ausführungsformen des Brechungsgitters, an denen die Optimierung des Aspektverhältnisses und der optischen Eigenschaften des Brechungsgitters mittels Dispersionskorrektur (Punkt F6) und Einführung zu- sätzlicher Phasensprünge (Punkf F7) demonstriert ist , in schematischer Darstellung möglichkeiten zur Ver- meidung von Materialengstellen bei Brechungsstegen mit negativen Phasensprüngen, in schematischer Darstellung möglichkeiten zur Vermeidung von Materialengstellen bei Brechungsstegen mit positiven Phasensprüngen, in schematischer Darstellung für eine zweidimensionale Formulierung einer Phasenkontrast -Röntgenbild- gebung die Zusammenwirkung zweier um 90° gegenei- nander verdrehter Brechungsgitter, in einem Diagramm die Sichtbarkeit (Visibilität ) für verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung, in zwei Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 verschiedene Ausführungsformen des Brechungsgitters, an denen die Realisierung besonders großer Minimal -Abstände innerhalb der Brehungsstege mittels Gradientenvariation (Punkt F2) demonstriert ist, in drei Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 verschiedene Ausführungsformen des Brechungsgitters, an denen die Realisierung von das Aspektverhältnis übersteigenden Gradienten demonstriert ist, in zwei Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 eine für die Anwendung in der Mammographie ausgebildete Aus- führungsform des Brechungsgitter mit N = 17, wobei zur Einhaltung von Mindest -Abständen innerhalb der Brechungsstege zusätzliche Phasensprünge vorgesehen sind, FIG 18 in zwei Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 verschiedene Varianten einer weiteren Ausführungsformen des Brechungsgitters für N = 17, an denen die Realisierung besonders großer Minimal -Abstände innerhalb der Brehungsstege mittels Gradientenvariation (Punkt F2) demonstriert ist,
FIG 19 in zwei Einzeldarstellungen gemäß FIG 2 weitere Varianten des Brechungsgitters gemäß FIG 18, bei denen zusätzlich eine Dispersionskorrektur (Punkt F6) vorgesehen ist,
FIG 20 in zwei Einzeldarstellungen zwei Varianten eines
Brechungsstegs in einem zentralen Bereich eines diagonalen Layouts, wobei der Brechungssteg jeweils aufgelöst in einzelne Teilprismen dargestellt ist.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in FIG 1 schematisch dargestellte ( Phasenkontrast -Rönt - genbildgebungs -) Vorrichtung 2 umfasst eine Röntgenquelle 4, ein Kohärenzgitter G0, ein Phasengitter Gi , ein Brechungsgitter GL, ein Analysegitter G2 sowie einen aus einer Vielzahl von Pixeln P aufgebauten Röntgendetektor 6.
Dem Aufbau lässt sich dabei eine Systemachse (nachfolgend als optische Achse 8 bezeichnet) zuordnen, welche im Falle des Ausführungsbeispiels in einer z -Richtung ausgerichtet ist. Die einzelnen optischen Elemente der Rontgenvorrichtung 2 sind im Ausführungsbeispiel eben ausgestaltet, entlang dieser optischen Achse 8 angeordnet und jeweils senkrecht zu dieser ausgerichtet . Die Rontgenvorrichtung 2 ist zur Gewinnung medizinischer dif- ferentieller Phasenkontrastbilder vorgesehen. Zur Bildaufnahme wird ein Patient zwischen dem Kohärenzgitter G0 und dem Phasengitter Gi , bevorzugt unmittelbar vor dem Phasengitter Gi , positioniert. Die messtechnische Erfassung oder vielmehr die Ermittlung der durch den Patienten verursachten räumlichen Verteilung der Phasenverschiebung erfolgt bei der hier vorgestellten Röntgenvorrichtung 2 nach an sich bekanntem und beispielsweise in „X-ray phase imaging with a grating inter- ferometer, T. Weitkamp at al . , 8. August 2005/ Vol. 13, No . 16/OPTICS EXPRESS" beschriebenen Prinzip.
Das Kohärenzgitter G0 weist eine Gitterkonstante (Gitterperi- ode) po und eine (in z-Richtung gemessene) Gitterhöhe h0 auf und dient zur Sicherstellung einer ausreichenden räumlichen Kohärenz der für die interferometrische Messmethode genutzten Röntgenstrahlung. Das Kohärenzgitter G0 ist dabei typischerweise in einem Abstand von etwa 10cm zur Röntgenquelle 4 po- sitioniert und weist in typischer Dimensionierung etwa die
Abmessungen einer Briefmarke auf. In alternativer Ausgestaltung der Vorrichtung 2 ist anstelle einer räumlich ausgedehnten Röntgenstrahlungsquelle 4 eine in guter Näherung punktförmige Röntgenstrahlungsquelle eingesetzt, die bereits hin- reichend kohärente Röntgenstrahlung emittiert. In diesem Fall entfällt das Kohärenzgitter G0.
Im Betrieb der Vorrichtung 2 emittiert die Röntgenstrahlungs - quelle 4 Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie bis etwa 100keV. Für das vorzugsweise aus Gold (Au, Z=79) bestehende Kohärenzgitter G0 ist in zweckmäßiger Dimensionierung eine Höhe h0 von ΙΟΟΟμιτι und eine Gitterkonstante p0 von 26,83μιτι gewählt . In einem Abstand d0i von z.B. 1000mm in z-Richtung versetzt zum Kohärenzgitter G0 ist das Phasengitter Gi angeordnet.
Dieses dient wie bei einem herkömmlichen Talbot-Lau- Interferometer zur Erzeugung eines streifenförmigen Interferenzmusters und weist hierzu eine streifenförmige Struktur mit Stegen und dazwischen gebildeten Schlitzen auf, wobei sich die Stege und Schlitze parallel zueinander in einer (senkrecht zu der z-Achse ausgerichteten) y-Richtung erstre- cken . In der Darstellung gemäß FIG 1 ist die y-Achse senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet.
Das Phasengitter Gi ist dabei derart ausgestaltet, dass die einfallende Röntgenstrahlung durch die Stege bei einer Photonenenergie von z.B. 65 keV eine Phasenverschiebung um ein Viertel der Wellenlänge, also um π/2, erfährt, während die im Bereich der Schlitze einfallende Röntgenstrahlung das Phasengitter Gi ohne signifikante Phasenänderung durchläuft. Für die Höhe hi des Phasengitters Gi wurde ein Wert von 42 μιτι gewählt. Der Wert der Gitterkonstante (Gitterperiode) i des aus Silizium (SI, Z=14) gefertigten Phasengitters Gi beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1,42 μιτι. Alternativ kann das Phasengitter Gi auch so gestaltet sein, dass es im Bereich seiner Stege eine Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung um eine halbe Wellenlänge erzeugt. In diesem Fall ist die Gitterkonstante pi zu 2,84 μιτι.
In einem Abstand d1L von z.B. 55,91 mm versetzt zum Phasen- gitter Gi ist das Brechungsgitter GL positioniert. Die Geometrie des Brechungsgitters GL ist charakterisiert durch drei Achsen, die - entsprechend der bestimmungsgemäßen Orientierung des Brechungsgitters GL in der Vorrichtung 2 - als x- Achse, y-Achse und z -Achse bezeichnet sind. Bestimmungsgemäß wird das Brechungsgitter GL im Rahmen der Vorrichtung 2 derart angeordnet, dass seine z-Achse parallel zur optischen Achse 8, und somit zur z -Richtung und der gemittelten Strah- lungsausbreitungsrichtung innerhalb der Vorrichtung 2 angeordnet ist. Die x-Achse und die y-Achse des Brechungsgitters GL, die sowohl zur z-Achse als auch zueinander senkrecht ausgerichtet sind, spannen somit eine sich senkrecht zur Strahlungseinfallrichtung erstreckende Transversalfläche 10 auf. In z -Richtung weist weist das Brechungsgitter GL eine Gitterhöhe hL von etwa 60 μιτι auf.
Das Brechungsgitter GL dient zur Manipulation des vom Phasengitter Gi ausgehenden Röntgenstrahlungsfeldes und weist hierzu eine Gitterkonstante pL von z.B. 1 , 5μιτι auf, die der Perio- dizität des durch das Phasengitter Gi am Ort des Brechungs- gitters GL erzeugten Interferenzmusters entspricht. Die Periodizität der Struktur des Brechungsgitters GL ist durch N x pL gegeben, wobei N eine natürliche, vorzugsweise ungerade Zahl (N = 3, 5, ...) ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 weist N beispielsweise den Wert 5 auf (N = 5) .
Entsprechend der Gitterkonstante pL ist die in FIG 2 ausschnitthaft in größerem Detail dargestellte Transveralfläche 10 des Brechungsgitters GL in einzelne langgestreckte Brechungsstreifen 12 (FIG 2) gegliedert, die sich in y-Richtung jeweils über die gesamte Transversalfläche 10 erstrecken und in x-Richtung parallel nebeneinander aufgereiht sind. Die Brechungsstreifen 12 weisen eine einheitliche (in x-Richtung gemessene) Streifenbreite sL auf, die der Hälfte der Gitterkonstante pL entspricht (sL = 0,5-pL) . Je zwei benachbarte Brechungsstreifen 12 haben somit zusammen eine der Gitterkonstante pL entsprechende Breite. Wie vorstehend erwähnt, wird exemplarisch diejenige Stirnfläche des Brechungsgitters GL mit der Transversalfläche 10 identifiziert, die der Röntgenquelle 4 zugewandt ist und an der somit die Röntgenstrahlung in das Brechungsgitter GL einfällt.
Wie in FIG 1 angedeutet, ist jeder Brechungsstreifen 12 auf einen zugeordneten Fokus F ausgerichtet. Mit anderen Worten ist die in z-Richtung über dem jeweiligen Brechungsstreifen 12 angeordnete Materialstruktur des Brechungsgitters GL derart gewählt, dass die in diesem Brechungsstreifen 12 einfallende Röntgenstrahlung in den zugehörigen Fokus F gebrochen wird. Benachbarte Brechungsstreifen 12 sind dabei stets auf verschiedene Fokusse F ausgerichtet.
Die Zahl N beschreibt dabei die Anzahl der Brechungsstreifen 12, die auf einen gemeinsamen Fokus F ausgerichtet sind. Die- se auf einen gemeinsamen Fokus F ausgerichten Brechungsstege 12 sind - wie bereits vorstehend - als Fokussierungsgruppe bezeichnet. Die Zahl N ist für alle Fokussierungsgruppen einheitlich gewählt und stellt somit eine globale Eigenschaft des Brechungsgitters GL dar. Mit anderen Worten umfasst jede Fokussierungsgruppe des Brechungsgitters GL die gleiche Anzahl (im Beispiel gemäß FIG N=5) an zugehörigen Brechungs- streifen 12.
Sofern die Anzahl N ungerade ist, weist jede Fokussierungsgruppe einen neutralen Brechungstreifen 12a auf, in dem einfallende Röntgenstrahlung nicht oder nur in vernachlässigbarem Ausmaß gebrochen wird. Um den neutralen Brechungsstreifen 12a sind symmetrisch die weiteren Brechungsstreifen 12 der Fokussierunggruppe (bei N=5 beidseitig je zwei weitere Brechungsstreife 12b und 12c) angeordnet, deren Brechungswirkung mit zunehmenden Abstand zu dem neutralen Brechungsstreifen 12a zunimmt. Da das einfallende Interferenzmuster streifen- förmig ist und daher keine oder nur geringe Änderung in y-
Richtung aufweist, wird hier und im Folgenden nur die Strahlungsbrechung in x-Richtung betrachtet. Etwaige Anteile der Strahlungsbrechung in y-Richtung werden vernachlässigt. Da die Gitterkonstante pL des Brechungsgitters GL der Periode des von dem Phasengitters Pi am Ort des Brechungsgitters GL erzeugten Interferenzmusters entspricht, werden Interferenz- maxima und Interferenzminima des Interferenzmusters in jeweils verschiedene Fokusse F gebrochen. Die benachbarten Fo- kussierungsgruppen sind hierbei, wie in FIG 1 schematisch angedeutet ist, gleichmäßig ineinander verschachtelt.
Die dem Brechungsgitter GL zugeordneten Fokusse F sind in einer (in z -Richtung von dem Brechungsgitter GL um einen Ab- stand dL2 von z.B. 43,92μιτι beabstandeten) Fokusebene angeordnet, in der das Analysegitter G2 positioniert wird. Die Abstände der Fokusse F entsprechen dabei der halben Gitterkonstante p2 des Analysegitters G2, das eine streifenförmige Struktur aus Stegen und Schlitzen (Spalten) aufweist, so dass die Fokusse F alternierend in den Stegen und Schlitzen des Analysegitters G2 liegen. Somit werden durch das Brechungs- gitter GL - je nach der relattiven x-Position des Kohärenzgitters Gi, des Brechungsgitters GL und des Analysegitters G2 - je N Interferenzmaxima (oder Interferenzminima) auf einen Schlitz des Analysegitters G2 fokussiert, während die dazwischen liegenden Interferenzminima (bzw. Interferenzmaxima) auf die benachbarten Stege des Analysegitters G2 fokussiert werden. Die Gitterhöhe h2 des Analysegitters G2 beträgt beispielsweise 400μιτι, die Gitterkonstante p2 beispielsweise 7, 81μπι.
Die Ausdehnungen der Gitter Gi , GL, G2 in x-Richtung und in y- Richtung sind im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 im Wesentlichen gleich. Abweichend von der schematischen Darstellung gemäß FIG 1 entspricht die Ausdehnung des Brechungsgitters GL und des Analysegitters G2 in x-Richtung und in y-Richtung vorzugsweise etwa der Ausdehnung des Rontgendetektors 6, ge- nauer der von den Pixeln P des Rontgendetektors 6 aufgespannten Detektorfläche. Ebenso wie bei dem Kohärenzgitter G0 bestehen auch bei dem Phasengitter Gi und dem Anlysegitter G2 die jeweiligen Stege vorzugsweise aus Gold. Aufgrund der Wirkung des Brechungsgitters GL, Interferenzmaxima und Interferenzminima des Interferenzmusters zu separieren und jeweils gruppenweise zu fokussieren, lässt sich das Analysegitter G2 gröber strukturieren als bei einem herkömmlichen Talbot -Lau- Interferometer, ohne dass sich hierdurch die Sichtbarkeit (Visibilität ) des Interferenzmusters signifikant verändert. Während also bei einem herkömmlichen Talbot -Lau- Interferometer nach dem Stand der Technik bei einem vergleichbaren Aufbau, allerdings ohne Brechungsgitter GL, ein Wert für die Gitterkonstante p2 von etwa 1,5 bis 2 μιτι ge- wählt werden würde, liegt der Wert der Gitterkonstante p2 bei der Vorrichtung 2 gemäß FIG 1 und N = 5 bei dem Fünffachen dieses Wertes .
Betrachtet man die Wirkung des Brechungsgitters GL auf fünf unmittelbar benachbarte Strahlen gleicher Phase, dann entspricht diese der Wirkung einer Sammellinse, in deren Fokus F das Analysegitter G2 positioniert ist. Das Brechungsgitter GL ist deshalb auch als Linsengitter bezeichnet . Zur Erzielung der strahlungsbrechenden Wirkung ist das Brechungsgitter GL aus einer Anzahl von näherungsweise parallelen Brechungsstegen 14 aus Gold gebildet, zwischen denen Zwi- schenräume 16 gebildet sind. Bei den Zwischenräumen 16 kann es sich um luftgefüllte Lücken handeln. Alternativ können die Zwischenräume 16 allerdings auch durch Zwischenstege aus Photolack ausgefüllt sein. Die Brechungsstege 14 und die gegebenenfalls vorhandenen Zwischenstege sind auf einer Grundplatte 17 (FIG 1) des Brechungsgitters GL aufgebaut, die parallel zu der Transversalfläche 10 ausgerichtet ist und im Beispiel gemäß FIG 1 exemplarisch die hintere (von der Röntgenquelle 4 abgewandte) Stirnfläche des Brechungsgitters GL bildet. Das Brechungsgitter GL wird vorzugsweise mittels des LIGA-
Verfahrens hergestellt. Hierzu wird eine strahlungsabsorbie- rende Maske (z.B. aus Gold) über einer auf die Grundplatte 17 aufgebrachten, beispielsweise etwa ΙΟΟμιτι dicken, Photolackschicht positioniert und mit Röntgenstrahlung (Belichtungs - Strahlung) belichtet. Durch anschließende Entwicklung lösen sich aus der Photolackschicht Füllbereiche in Form von Löchern oder Gräben heruas, die eine Negativform für die herzustellenden Brechungsstege 14 bilden. Diese Füllbereiche werden in einem nachfolgenden Galvanik-Prozessschritt mit Me- tall, insbesondere Gold aufgefüllt. Der in den Zwischenräumen 16 verbleibende Photolack kann nach der Herstellung der Brechungsstege 14 zur Bildung der Zwischenstege belassen oder zur Bildung der Lücken herausgelöst werden. Die Struktur der im LIGA-Verfahren verwendeten Maske entspricht der Materialstruktur, die an der Transversalfläche 10 des fertigen Brechungsgitters GL sichtbar ist. Ein Beispiel für diese (nachfolgend auch als Layout bezeichnete) Materialstruktur ist ausschnitthaft in FIG 2 dargestellt. Die (den Goldstrukturen der Maske entsprechenden) Brechungsstege 14 sind hierbei als dunkle Flächen dargestellt. Die (den Lücken der Maske) entsprechenden Zwischenräume 14 sind als weiße Flächen dargestellt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass sich die Brechungsstege 14 (und entsprechend auch die Zwischenräume 16) diagonal - also unter einem 0° überschreitenden und 90° un- terschreitenden Winkel gegen die - Achse - über die Transversalfläche 10 ziehen. Alle Brechungsstege 14 haben bis auf etwaige Randeffekte (d.h. abgeschnittene Teilvolumina an den Rändern des Brechungsgitters GL) die gleiche Form. Die Brechungsstege 14 sind dabei in y-Richtung parallelverschoben zueinander angeordnet, so dass die Materialstruktur in der
Transversalfläche 10 eine Periodizität mit einer Periodenlänge py aufweist.
Die beiden Seitenflächen 18, über die jeder Brechungssteg 14 von dem benachbarten Zwischenraum 16 abgegrenzt ist, sind gegliedert durch eine Abfolge von „steilen" Teilflächen 20, sich mit vergleichweise starker Steigung durch die Transversalfläche 10 ziehen, und „flachen" Teilflächen 22, die in der Transversalfläche 10 eine nur geringe (Offset -) Steigung auf- weisen (oder z.B. im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 4) teilweise sogar horizontal (d.h. in der Transversalebene 10 in x- Richtung) verlaufen.
In jeder der Seitenflächen 18 folgen die steilen Teilflächen 20 und flachen Teilflächen 22 in der Regel alternierend aufeinander, wobei sich jede Teilfläche 20 oder 22 jeweils über die volle Streifenbreite sL eines Brechungsstreifens 14 erstreckt. Die steilen Teilflächen 20 und flachen Teilflächen 22 der beiden Seitenflächen 18 eines Brechungsstegs 14 sind dabei streifenweise versetzt zueinander angeordnet. In Brechungsstreifen 12, in denen eine der beiden Seitenflächen 18 eines Brechungsstegs 14 eine steile Teilfläche 22 aufweist, hat die andere Seitenfläche 18 eine flache Teilfläche 20, und umgekehrt .
Eine Ausnahme von dieser Regel bilden die neutralen Brechungsstreifen 12a, im Bereich derer jeweils beide Seitenflächen 18 flache Teilflächen 22 aufweisen. In der Umgebung der neutralen Brechungsstreifen 12a erstrecken sich die flachen Teilflächen 22 daher über jeweils über die volle Breite zweier Brechungsstreifen 12. Den steilen Teilflächen 20 und flachen Teilflächen 22 sind mitunter senkrechte Sprungflächen 24 zwischengeschaltet, die in der Transversalfläche 10 in y-Richtung verlaufen.
Das Brechungsgitter GL ist im LIGA-Verfahren unter Schrägbe- lichtung hergestellt. Die Maske wird hierbei mit Belichtungsstrahlung belichtet, deren Strahlverlauf schräg in der z- Ebene ausgerichtet ist. Die Neigung des Strahlverlaufs gegen die z -Richtung beträgt dabei in zweckmäßiger Ausführung zwischen 2° und 30° und insbesondere zwischen 5° und 15° .
Die Brechungsstege 14 haben daher im dreidimensionalen Raum jeweils die Form eines schrägen Prismas. Bis auf etwaige Randeffekte haben die Brechungsstege 14 daher in der Transversalebene 10 und der dieser in z-Richung gegenüberliegenden Stirnfläche des Brechungsgitters GL - der Grundfläche bzw.
Deckfläche eines Prismas entsprechend - parallele, kongruente und polygonale Flächenabschnitte, die zueinander in y- Richtung verschoben sind. Die Kanten der Seitenflächen 18 sind in z-Ebene um einen dem Einstrahlwinkel der Belichtungs- Strahlung entsprechenden Winkel geneigt. Diese Neigung ist derart auf die Gitterhöhe hL abgestimmt, dass sich die Kanten der Seitenflächen 18 in y-Richtung über genau eine Periodenlänge py erstrecken. Hierdurch ergibt sich in der Transversalfläche 10 und der gegenüberliegeden Stirnfläche des Bre- chungsgitters GL eine identische, in Blickrichtung entlang der z-Achse exakt überlappende (fluchtende) Materialstruktur.
Zur Visualisierung der optischen Eigenschaften des Brechungsgitters GL lassen sich die Brechungsstege 14 gedanklich un- tergliedern in - aktive Teilprismen mit jeweils dreieckiger Grundfläche, wobei jeweils eine Kante dieser Grundfläche eine der steilen Teilflächen 20 begrenzt, sowie in
- passive Teilprismen mit parallelogrammförmiger (oder rechteckiger) Grundfläche, wobei jeweils eine Kante dieser Grundfläche eine der flachen Teilflächen 22 begrenzt .
Im Rahmen der Vorrichtung 2 erzeugt die steile Teilfläche 20 jedes aktiven Teilprismas eine vergleichsweise starke Brechung der entlang der optischen Achse 8 einfallenden Röntgenstrahlung in x-Richtung. Die steilen Teilflächen 20 sind daher auch als „aktive" Teilflächen 20 bezeichnet. Die flache Teilfläche 22 eines jeden passiven Teilprismas erzeugt andererseits keine oder nur eine vernachlässigbare Brechung der entlang der optischen Achse 8 einfallenden Röntgenstrahlung in x-Richtung. Die flachen Teilflächen 22 sind daher auch als „passive" Teilflächen 22 bezeichnet. Die passi- ven Teilprismen dienen zur mechanischen Verbindung der aktiven Teilprismen und sind aus herstellungstechnischen Gründen vorgesehen, um die minimal fertigbaren Materialbreiten einzuhalten . Die Gliederung der Brechungsstege 14 in aktive und passive
Teilprismen ist in der Darstellung gemäß FIG 2 im Bereich des zweiten Brechungsstreifens 12 von links - dort an dem mittleren Brechungssteg 14 veranschaulicht. Aus der Darstellung ist erkennbar, dass das dortige aktive Teilprisma in y-Richtung eine Materialhöhe yg hat, während das passive Teilprisma eine Materialhöhe ym hat . Die benachbarten Zwischenräume 16 haben hier jeweils eine in y-Richtung gemessene Breite yf .
Im Beispiel gemäß FIG 2 geben ym die minimal fertigbare Mate- rialhöhe, und yg die minimal fertigbare Zwischenraumbreite in y-Richtung an.
Die vertikale Periodelänge y im Layout besteht dabei also - erstens aus einem festen y-Anteil an Material, nämlich hier der Materialhöhe ym,
zweitens einem variablen Anteil je Brechungsstreifen 12, hier der Materialhöhe yg, der den eigentlichen Gradien- ten sowie etwaige Phasensprünge (z.B. im Rahmen einer
Dispersionskorrektur gemäß Punkt F6 oder im Rahmen zusätzlicher Phasensprünge gemäß Punkt F7) und die Grundhöhe codiert und zwischen Materialanteilen 0% bis 100% variieren kann, sowie
- drittens einem festen y-Anteil an Freiraum mit der Breite yf .
Es gilt also: py = ym + yg + yf ·
Die Höhe (h/py) (ym + yf) repräsentiert dabei eine zusätzliche
Höhe, die nichts zum maximalen Gradient beiträgt und somit quasi „Verschnitt" bildet. Der Verschnitt -Anteil sinkt mit steigender y-Periode py, also mit steigender Materialhöhe h bzw. zunehmender Abweichung von der senkrechten Belichtungsrichtung, da er im wesentlichen vom Fertigungsprozess abhängt, also weitgehend unabhängig von Materialhöhe h und Belichtungswinkel ist. Bei z.B. g = 70 (stärkster Gradient
Δζ /Δχ ) und einem Belichtungswinkel, der 15° von der Senkrech- ten abweicht, sowie ym = Yf = sL ergibt sich beispielsweise py = 20,76 sL = h tan(15°) = 70 tan(15°) + 2 sL,
also
h =77,46 sL = (70+2 /tan(15°) ) SL und damit einen Anteil des Gradienten an der Gesamthöhe von
Figure imgf000038_0001
Bei einem diagonalen Materialstreifen (z.B. von links unten nach rechts oben in der Transversalebene 10, wie in FIG 2 abgebildet) codiert in jedem x-Streifen der Breite SL von GL eine Kante (hier z.B. die obere) von links nach rechts kontinu- ierlich oder sprunghaft zunehmende Materialdicke, die andere Kante (hier z.B. die untere) von links nach recht kontinuierlich oder sprunghaft abnehmende Materialdicke. Jede der Kanten verläuft dabei zunächst (in der 'reinen' Formulierung) entweder von links nach rechts oder von unten nach oben oder in einer Mischung der beiden Richtungen, jedoch vorzugsweise niemals nach rechts -unten oder nach links -oben. Dies wird erreicht, indem benachbarte Spalten passend anei- nandergefügt werden (alle Strukturen und damit alle Kanten wiederholen sich natürlich in y-Richtung periodisch wie für die Schrägbelichtung gefordert) . Wenn an einer Streifengrenze in y-Richtung dabei die Materiallänge in y in der linken Spalte größer ist als in der rechten, so werden die Spalten am oberen (positiven Ende in y-Richtung) aufeinander ausgerichtet (unten entsteht dann ggf. ein Sprung in y) , ansonsten am unteren Ende (dem in negativer y-Richtung) aneinandergefügt (es kann ein Sprung am oberen Ende entstehen) . Dadurch werden alle Winkel im Layout rechtwinklig oder flacher, was die Auswirkungen von Ecken-Verrundungen aufgrund des prozessbedingten Radius reduziert.
Das Brechungsgitter GL hat in jedem Brechungsstreifen 12 überall den gleichen optisch wirksamen Gradienten g = Δζ /Δχ , also die gleiche Steigung der jeweiligen aktiven Teilflächen 20 der Brechungsstege 14 in der xz-Ebene (für die neutralen Brechungsstreifen 12a gilt hierbei g = 0) . In den einer Fo- kussierungsgruppe zugeordneten Brechungsstreifen 12 ist der Gradient regelmäßig unterschiedlich stark ausgeprägt. Um dies zu veranschaulichen, sind die aktiven Teilflächen 20 der fünf einer Fokussierungsgruppe zugeordneten Brechungsstreifen 12a, 12b und 12c in FIG 2 jeweils durch rechteckige Rahmen hervorgehoben . FIG 3 zeigt eine Variante des Brechungsgitters GL mit ähnlichem Layout wie in FIG 2, allerdings für N = 9. FIG 4 und 5 zeigen Varianten des Brechungsgitters GL gemäß FIG 3 (ebenfalls für N = 9 und einer Offset-Steigung von 50%) , bei denen Knickstellen DK in dem diagonalen Layout vorgesehen sind, so dass die Brechungsstege 14 in der Transver- salebene 10 um die x-Achse mäandrieren und somit alternierend abschnittsweise diagonal in positive y-Richtung und in negative y-Richtung verlaufen. In der Ausführungsform gemäß FIG 4 sind die Knickstellen DK in den neutralen Brechungsstreifen 12a vorgesehen. In der Ausführungsform gemäß FIG 5 sind die Knickstellen DK jeweils in den Brechungsstreifen 12 mit dem schwächsten aktiven Teilprismen, also dem kleinsten von Null verschiedenen Gradienten g vorgesehen. Den schwächsten aktiven Teilprismen ist gemäß FIG 5 zusätzlich Grundhöhe (Punkt F3) hinzugefügt für ein besseres Material -Aspektverhältnis in Richtung der Brechungsstreifen 12 mit den zweitstärksten Teilprismen .
In den Spalten der FIG 6 sind verschiedene diagonale Layouts für N=5 mit unterschiedlicher Offset -Steigung der passiven Teilflächen 22 dargestellt (Offset-Steigung von der linken
Spalte zur rechten Spalte: 0%, 50%, 100%) . In der oberen Zeile sind hierbei jeweils diagonale Layouts ohne Knickstellen DK dargestellt, in der mittleren Zeile - analog zu FIG 4 - diagonale Layouts mit Knickstellen DK in den neutralen Bre- chungsstreifen 12a und in der unteren Zeile - analog zu FIG 5 - diagonale Layouts mit Knickstellen DK in den Brechungs- streifen 12 mit dem schwächsten aktiven Teilprismen.
In FIG 7 ist die Wirkung der vorstehend unter Punkt Fl erläu- terten Gradientenkompression dargestellt. In der linken Spalte ist dieser Effekt für streifenförmige Layouts gezeigt, wie sie grundsätzlich in WO 2013/160 153 AI offenbart sind. In der rechten Spalte ist die Wirkung der Gradientenkompression für diagonale Layouts veranschaulicht. In der oberen Zeile sind die jeweiligen Layouts ohne Grdientenkompression dargestellt. Darunter ist in der mittleren Spalte jeweils das entsprechende Layout mit Gradientenkompression (c=150%) dargestellt. Die hier eingefügten Pfeile weisen auf die im Ver- gleich zu den Layouts der oberen Zeile verschobenen Ecken hin. In der unteren Zeile sind Ausschnitte der jweils darüber liegenden Layouts vergrößert dargestellt. Es ist erkennbar, dass die - in der Transversalebene 10 gebildeten - Gradienten Ay/Δχ aller aktiven Teilflächen 20 infolge der Gradientenkompression auf 150% gesteigert werden. Bei den stärksten Teilprismen („++P") sowie - weniger ausgeprägt - auch bei den zweitstärksten Teilprismen („+P") wird der Gradient dadurch auf weniger als die Streifenbreite eingeschränkt. Dargestellt ist der Fall, dass der Gradient in der Mitte des jeweiligen Brechungsstreifens 12 realisiert wird, dass also der Gradient in x-Richtung von beiden Seiten gleichmäßig komprimiert wird. Eine Verschiebung des Gradien- ten zu einem der Ränder des jeweiligen Brechungsstreifens 12 ist alternativ auch möglich.
In FIG 8 sind Optionen zur Verbesserungen der
Aspektverhältnisse für streifenförmige Layouts gemäß WO 2013/160 153 AI (linke Spalte) bzw. diagonale Layouts (rechte Spalte) mittels folgender Maßnahmen veranschaulicht:
- F2 Gradientenvariation,
- F3 Variation der Grundhöhe,
- F4 Einführung zentraler Spalte
- F5 Gradientenverschmälerung
In der oberen Zeile der FIG 8 sind hierbei reguläre Layouts für N=9 ohne aspektverhältnisoptimierende Maßnahmen darge- stellt. Die hier hinzugefügten Pfeile deuten Stellen an, an denen in den darunter abgebildeten Layouts mittels der Maßnahmen F2 und F3 Minimal -Abstände im Material der Brechungs - Stege 14 bzw. in den Zwischenräumen 16 verbessert sind. Kritische Minimalabstände sind durch Radien veranschaulicht.
In der zweiten Zeile von oben sind entsprechende Layouts abgebildet, in denen die kritischen Minimalabstände mittels Gradienten-Variation (Punkt F2) verbessert sind (die hier eingetragenen Pfeile deuten Veränderungen gegenüber der oberen Zeile an) . Bei dem diagonalen Layout (rechte Spalte) werden Gradienten auch verringert, um Material zu reduzieren oder Gradienten einander anzunähern.
In der dritten Zeile von oben sind entsprechende Layouts abgebildet, in denen die kritischen Minimalabstände durch Variation der Grundhöhe (Punkt F3) verbessert sind (die hier eingetragenen Pfeile deuten Veränderungen gegenüber der oberen Zeile an) . Hierdurch werden der Freiraum-Abstand zum stärksten Teilprisma vergrößert und Material reduziert.
In der unteren Zeile sind entsprechende Layouts abgebildet, in denen in denen die kritischen Minimalabstände durch Gradi- enten-Verschmälerung (Punkt F5) verbessert wurden. Die hier eingefügten Pfeile deuten wiederum Veränderungen gegenüber der oberen Zeile an) . Ferner wurden bei dem streifenförmigen Layout in der linken Spalte in den zentralen Spalten, also den neutralen Brechungsstreifen 12a gemäß der vorstehend un- ter dem Punkt F4 beschriebenen Maßnahme Zwischenräume eingefügt .
FIG 9 verdeutlicht in einem Diagramm die Auslegung von Gradienten für Gradientenkompression (Punkt Fl) und Gradienten- Variation (Punkt F2) . Gezeigt ist, wie sich im Standardfall („Zielposition=0%" , dicke schwarze Linie) die Gradienten der Streifen von c (h/sL) linear bis zur zentralen Spalte auf 0 reduzieren. Für den Fall der Gradientenvariation (Punkt F2) sieht man, dass sich die Gradienten auch linear bis auf ande- re Positionen als den zentralen Streifen auf 0 absenken lassen. Dies führt zu einer Situation, in der alle Streifen die dort vom extremen Streifen (d.h. den stärksten Teilprismen) abgebildete Wellenlänge ebenfalls dorthin abbilden. Bei schwächeren Teilprismen sinkt aber der Bereich, in dem die unterschiedlichen Wellenlängen abgebildet werden stark, so dass man in der Praxis beispielsweise Zielpositionen zwischen -35% und +35% (bezogen auf Radius eines „Pixels" in G2, also N sL/2) wählen kann, um die Fertigung des Layouts zu erleich- tern bzw. zu verbessern. Optimistisch gesehen erlauben alle Ziel -Positionen zwischen -100% und +100%, dass die Intensi- täts-Maxima aller Wellenlängen für alle Teilprismen im Zielbereich der Breite s2 bleiben. Allerdings führen die Breite des Beugungsbereiches und die Anzahl an Öffnungen in G0 häufig zu einer engeren Wahl der Zielpositionen. Als besonders geeignet werden Zielpositionen zwischen -35% und +35% empfohlen . In FIG 10 ist die Optimierung von streifenförmigen Layouts gemäß WO 2013/160 153 AI (linke Spalte, SL) bzw. diagonalen Layouts (rechte Spalte DL) durch folgenden Maßnahmen veranschaulicht : - F6 : Dispersionskorrektur und
F7 : Einführung zusätzlicher Phasensprünge.
In der oberen Zeile der FIG 10 sind hierbei wiederum reguläre Layouts für N=7 ohne aspektverhältnisoptimierende Maßnahmen dargestellt. In der unteren Zeile sind die entsprechenden, durch die Maßnahmen F6 und F7 optimierten Layouts dargestellt .
Wie erkennbar, wird durch die Maßnahme F6 Material weggenom- men, was die Dispersion reduziert, aber an sich zu schwer fertigbaren Engstellen führen würde. Durch die Maßnahme F7 wird an anderer Stelle Material hinzugefügt, wodurch diese Engstellen zur Erleichterung der Fertigung verbreitert werden. Die dadurch wiederum erhöhte Dispersion ist im Bereich der kleinen Gradienten - wo diese Maßnahme eingesetzt wird - tolerabel .
In der Abbildung wurde jeweils ein einziger Sprung gewählt der sich in der Spaltmitte befindet. Dies kann natürlich va- riiert werden.
Die FIG 11 und 12 zeigen schematisch Möglichkeiten zur Veränderung der Form der Brechungsstege 14 zur Realisierung von negativen und positiven Phasensprüngen unter Vermeidung von schwer zu fertigenden Engstellen.
FIG 13 zeigt schematisch zwei aufeinandergelegte und um 90° gegeneinander verdrehte Brechungsgitter GL für eine zweidimensionale Formulierung des Phasenkontrastes (wie vorstehend unter Punkt F9 erläutert) . Gezeigt sind Wirkungsbereiche 26a- 26c der einzelnen Fokussierungsgruppen, d.h. derjenigen Bereiche, auf die diese fokussieren. Mit einem Kreuz aus durch- gezogenen Linien gekennzeichnet sind diejenigen Wirkungsbereiche 26a, in die aus beiden Brechungsgittern GL jeweils die in der FIG 13 dunkel unterlegten Brechungsstreifen 12d fokussieren. Mit einem Kreuz aus gestrichelten Linien gekennzeichnet sind diejenigen Wirkungsbereiche 26b, in die aus beiden Brechungsgittern GL jeweils die in der FIG 12 weiß unterlegten Brechungsstreifen 12e fokussieren. Gemischte Wirkungsbereiche 26c, in die aus einem der Brechungsgitter GL die dunkel unterlegten Brechungsstreifen 12d, und aus dem anderen Brechungsgitter GL die weiß unterlegten Brechungsstreifen 12e fokussieren, sind mit einem Kreuz aus einer durchgezogenen und einer gestrichelten Linie gekennzeichnet .
Die in FIG 13 gezeigten Brechungsgitter GL sind mit jeweils einem streifenförmigen Layout ausgestaltet, wie es in WO 2013/160 153 AI beschrieben ist. Alternativ hierzu können die gekreuzten Brechungsgitter GL auch mit diagonalem, z.B. gemäß einem der FIG 2 bis 6 gestaltetem Layout ausgeführt sein.
Die FIG 14 bis 19 zeigen konkrete Simulationen.
FIG 14 zeigt zunächst Simulationsergebnisse, die den Einfluss des Brechungsgitters GL und der hieran gegebenenfalls vorgenommenen Gradientenkompression (Punkt Fl) auf die Sichtbarkeit verdeutlichen. Simuliert wurde eine Vorichtung 2 mit doi=500mm, einer Design-Energie der Röntgenstrahlung von
19,5 keV, einer Wolfram-Röhre mit 30 kVp und einer Filterfolie aus 70μιτι Palladium, wobei in der Vorrichtung 2 teilweise ein Brechungsgitter GL mit N=5 eingesetzt wurde. Dargestellt ist die Sichtbarkeit in Abhängigkeit von Randbedingungen. Im Einzelnen wurden die nachfolgend von links nach rechts aufgezählten Messpunkte für folgende Randbedingungen simuliert:
„0% pO + GL": Punktquelle mit Brechungsgitter GL
„0% pO Point Source": Punktquelle ohne Bre chungsgitter GL, sondern nur mit den Gittern G0, Gi und G2,
„1x30% pO slit": G0 mit 30% offenen Schlitzen ohne Brechungsgitter GL,
„1x30% + GL (IrM, grad=60)": G0 mit einem offenem
30%-Schlitz mit Brechungsgitter GL (Photolack, Gradi- ent=60, also sehr schwache Brechung) ,
„1x30% + GL 117%": wie „1x30% + GL (IrM,
grad=60) " mit Kompression c=117%,
„1x30% + GL 133%": wie „1x30% + GL (IrM, grad=60) mit Kompression c=133%,
„1x30% + GL 150%": wie „1x30% + GL (IrM,
grad=60) " mit Kompression c=150%,
„1x30% + GL 167%": wie „1x30% + GL (IrM,
grad=60) " mit Kompression c=167%,
„1x30% + GL 183%": wie „1x30% + GL (IrM,
grad=60) " mit Kompression c=183%,
„1x30% + GL 200%": wie „1x30% + GL (IrM,
grad=60) " mit Kompression c=120%.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass bei Einsatz des Bre- chungsgitters GL eine optimale Sichtbarkeit für eine
Gradientenkompression von c=117% erreicht wird. Eine stärkere Gradientenkompression von c=133% verschlechtert die Sichtbarkeit allerdings nur wenig (ca. 2%) . FIG 15 zeigt das Ergebnis einer Simulation für 3;^=1,0μπι, in der durch Gradientenvariation (Punkt F2) mit einem diagonalen Layout Minimalabstände von 1,7μιτι sowohl in den Zwischenräumen als auch im Material der Brechungsstege 14 realisiert wurden (in der Darstellung wurden die Längen in y-Richtung auf 80% ihrer tatsächlichen Länge gestaucht für größtmögliche Darstellung) . Das obere Bild zeigt hierbei ein Layout mit einer Gradientenkompression von c=133% und geringer Grundhöhe, aber ohne Gradientenvariation. Eingefügte 1,7μπι-Ε3άίβη veranschaulichen die erforderlichen Mindestabstände. Die ebenfalls eingefügten Pfeile zeigen Verletzungen dieser Mindestabstände an. Das un- tere Bild zeigt ein durch zusätzliche Gradientenvariation
(Punkt F2) optimiertes Layout. Der Mindestabstand von 1,7μιτι ist hier überall eingehalten.
FIG 16 zeigt streifenförmige Layouts für N=7, einer Streifen- breite von Ι,Ομιτι, Minimalbreiten von 0,88μιτι und einer Bauhöhe von 87μιτι, bei denen der maximale Gradient größer als das Aspektverhältnis ist. In den Bildern sind wiederum Mindestradien eingetragen. Eingefügte Pfeile weisen wiederum auf deren Verletzung hin.
Das linke obere Bild zeigt ein theoretisches Layout, bei dem die Brechungsstege 14 nur Gradienten ausbilden und keinerlei Grundhöhe vorhanden ist. Es ist erkennbar, dass hier an zahlreichen Stellen der Transversalfläche 10 die Mindestabstände nicht eingehalten sind. Das rechte obere Bild zeigt ein durch Gradientenvariation (Punkt F2), Variation der Grundhöhe (Punkt F3 ) und Gradientenverschmälerung (Punkt F5) verbessertes Layout, das aber noch keine Phasensprünge aufweist. Das untere Bild zeigt ein optimiertes Layout, in dem durch zu- sätzliche Phasensprüge (Punkt F7) die Einhaltung der Mindestabstände sichergestellt wurde. Mit diesem Layout ist ein maximaler Gradient von 130 bei einem symmetrischen
Aspektverhältnis von 100 realisierbar. FIG 17 zeigt ein streifenförmiges Layout eines für die Anwendung in der Mammographie optimierten Brechungsgitters GL mit N=17, sL=l,00 μιτι, symmetrischen Minimalabständen von 0,76 μιτι, einem symmetrischen Aspektverhältnis von 48 und einer Höhe von 36 μιτι. Die Simulation wurde für ein Brechungsgitter GL mit Brechungsstegen 14 aus Nickel und photolackgefüllten Zwischenräumen 16 durchgeführt. Das obere Bild zeigt hierbei eine bereits durch
Gradientenkompression (Punkt Fl), Gradientenvariation (Punkt F2) und Einstellung der Grundhöhe (Punkt F3) optimierte Variante des Layouts. Den schwächsten und zweitschwächsten Teilprismen ist hierbei eine Zielposition von 35% zugeordnet. Trotz der vorstehend genannten Maßnahmen werden - wie wieder durch eingetragene Radien verdeutlicht ist - die Mindestabstände nicht überall eingehalten.
Das mittlere Bild zeigt eine verbesserte Variante des Lay- outs, bei dem zur Einhaltung der Mindestabstände in den schwächsten Prismen ein zusätzlicher Phasensprung (Punkt F7) eingeführt wurde.
Das untere Bild zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des mitt- leren Bilds.
Die FIG 18 und 19 zeigen Varianten eines diagonalen Layout eines für die Anwendung in der Mammographie optimierten Brechungsgitters GL mit N=17. Die in dem oberen Bild der FIG 18 dargestellte Layoutvariante wurde dabei ohne Gradientenvariation (Punkt F2) realisiert. Die in dem unteren Bild der FIG 18 dargestellte Layoutvariante wurde (zur Erreichung größerer Minimal -Abstände ) mit Gradientenvariation (Punkt F2) realisiert. Das obere Bild aus FIG 19 zeigt eine Layoutvari- ante, in der die Brechungsstege 14 zusätzlich mit einem negativem Phasensprung (Punkt F6) zur Reduzierung von Farbfehlern versehen wurde. Das untere Bild aus FIG 19 zeigt schließlich die Reduktion von Farbfehlern in 6 von 17 Streifen je Pixel. In je drei innerhalb der Fokussierungsgruppe aufeinanderfol - genden Brechungsstegen 14 ist dabei zur Dispersionskorrektur ein Phasensprung eingefügt. FIG 20 zeigt schließlich schematisch in zwei Varianten einen Teil eines Brechungsstegs 14 in einem zentralen Bereich eines diagonalen Layouts. Verschiedene Teilprismen des Brechungs- stegs 14 sind hierbei zur Verdeutlichung durch unterschiedli - che Füllung bzw. Schraffierung hervorgehoben. Wie in den voranstehenden Beispielen sind diese Teilprismen auch hier aus dem gleichen Material und sind miteinander einstückig zur Bildung des Brechungsstegs 14 verbunden. Die in der rechten Bildhälfte dargestellte Variante des Brechungsstegs 14 unterscheidet sich von der in der rechten Bildhälfte dargestellten Variante durch hinzugefügtes Material zur Realisierung einer Dispersionskorrektur (Punkt F6) und zusätzlicher Phasensprünge (Punkt F7) .
Dargestellt ist, dass sich die Dispersionskorrektur durch Hinzufügen von Material auf der Hälfte des Brechungstreifens 12 mit dem geringeren Materialanteil (insbesondere dem Brechungsstreifen 14 mit dem stärkstem Teilprisma) erreichen lässt und dass der Einsatz von Streifen sinnvoll sein kann, in denen sich die Wirkungen der Maßnahmen F6 und F7 gegenseitig aufheben. Das ist in der rechts dargestellten Layout- Variante beim schwächsten Teilprisma gezeigt, wo in der linken Hälfte zusätzliches Material für die Dispersionskorrektur (Punkt F6), und in der rechten Hälfte genauso viel zusätzliches Material zur Realisierung eines zusätzlichen Phasensprungs (Punkt F7) hinzugefügt wurde.
Konkretes Beispiel A (hohe Energie, große Minimalabstände) :
FIG 15 zeigt für 3-^=1, 0xm, dass sich mit einem diagonalen
Layout trotz Gradientenkompression (c=133%) Minimalbstände von 1,7μιτι (> s-^) symmetrisch ( =sowohl für Freiraum als auch für Material) realisieren lassen. Das obere Teilbild zeigt die Situation ohne Gradientenvariation. Hier ergeben sich Minimal -Abstände von lediglich 1,3μιτι für das Material (Pfeile zeigen Verletzungen des Minimalabstands von 1,7μιτι an) . Brechungsgitter Rahmendaten: N=7, diagonales Layout mit Off- set-Steigung von 50%, Belichtungswinkel = 12°, sL=l,C^m, py = 18,47μπι = ym {=5,2im) + yg { =7 , 97im) + yf (=5,3μπι),
Aspektverhältnis symmetrisch (d.h., sowohl für Freiraum als auch für Material) r = 53, Minimal -Abstände symmetrisch 1,7μιτι, Gitterhöhe h = 86,9μιτι (maximale Materialhöhe 62μιτι, durchschnittliche Materialhöhe 42,8μιτι), Maximaler Material- Gradient 50:1 = c x 37,5 : 1. In der Grafik entspricht 100% Gradient dem Gradienten 37,5 : 1. Das obere Bild (Teilbild a) ) verwendet Zielpositionen von 0%. Das untere Bild (Teilbild b) ) verwendet Zielpositionen von 0% (stärkste Teilprismen) , -37% (mittelstarke Teilprismen werden abgeschwächt) und +35% (schwächste Teilprismen werden verstärkt) . Gesamtaufbau Rahmendaten der optischen Simulation:
Röntgenröhre mit Wolfram-Anode, 100 kVp, Filterung flächig 20μπι Gold + 200μπι Rhenium (K( )=71,7 keV) .
G0 : Ρ0=20, 881μιτι, Stege als komplett absorbierend simuliert („schwarz"), jeweils zwei benachbarte von q=7 Schlitzen in G0 geöffnet zu 30% Öffnungsanteil (d.h., G0 wiederholt sich in x-Richtung alle q P0=146 , 168μιτι. Je mehr Schlitze geöffnet sind, desto heller wird das Bild, aber desto mehr verbreitern sich die Streifen in G2 und verschlechtern die Sichtbarkeit) .
Gl: ρι=1,8252 μιτι, 1ΐι=41,93μπι Silizium (alternativ 11,4μιτι Nickel) für einen Phasensprung von π/2 <-> λ/4 bei λ^=65 keV;
Figure imgf000049_0001
GL : Material Gold, Luft als Freiraum, Lichtbrechung 1:14100 für 47keV bis 1:32600 für 71keV; dL2=116,071 mm.
G2 : p2=15,4829 μιτι bzw. Detektor-Pixelbreite ca. 7,74μιτι, Höhe 1ΐ2=774μπι Gold, Aspektverhältnis 100.
Optische Leistung (simuliert mit 21 diskreten Wellenlängen 38keV, 41 keV, ... , 98keV mit 3keV Energie -Abstand jeweils), hier anhand von Sichtbarkeiten verschiedener Randbedingungen und Abschnitten (Spalten) . Bei den Sichtbarkeiten für einen Streifen (den zentralen) bzw. zwei Streifen (je zwei Streifen gleicher Prismen-Geometrie) wurden die anderen Spalten als komplett absorbierend („schwarz") simuliert.
Figure imgf000051_0001
Wird bei 2. (stärkste Prismen) auf Fl verzichtet (c=100%) und dL2=169,7mm entsprechend erhöht, so ergibt sich erneut 2.
39,4%. Die stärksten Prismen haben immer mit Dispersion bzw. Farbfehlern zu kämpfen. Die Gradientenkompression ist nicht der Grund für die schlechte Leistung.
Wird stattdessen ein Phasensprung zur Dispersionkorrektur
(Punkt F6) um -24μιτι Höhe Gold eingeführt, so steigt die
Sichtbarkeit der Spalten stärkster Prismen von 39,4% auf 42,2%. Wird zusätzlich die Distanz von 116,071 mm auf dL2=137,85 mm erhöht (was nun wegen den geringeren Farbfehler möglich ist), so steigt die Sichtbarkeit stark an auf 48,6%. Die Dispersionskorrektur ist somit hier der dominierende Effekt .
Konkretes Beispiel B (hohe Energie, hoher Gradient) :
FIG 16 zeigt, dass bei streifenförmigen Layouts, wie sie grundsätzlich in WO 2013/160 153 AI offenbart sind, Gradien- ten möglich sind, die das Aspektverhältnis übersteigen.
N=7: Mittels der Maßnahmen Fl, F2, F3 , F5 und F7 (Phasensprung) ist ein maximaler Gradient von 130 bei einem symmetrischen Aspektverhältnis von 100 realisierbar.
Brechungsgitter Rahmendaten: N=7, streifenförmiges Layout, Belichtungswinkel = 9°, sL=l,(^m, py = 13,73μιτι,
Aspektverhältnis symmetrisch r = 100, Minimal -Abstände symmetrisch 0,88 μιτι, Gitterhöhe h = 86,7 μιτι (maximale Material- höhe 86,7 μιτι) , Maximaler Material -Gradient
130:1 = c x 86,7: 1 mit Kompression (Punkt Fl) c=150%. In der Grafik entspricht 100% Gradient dem Gradienten 86,67 : 1. Das obere linke Bild (Teilbild a) ) verwendet Zielpositionen von 0%. Das obere rechte Bild (Teilbild b) ) ) und das untere Bild (Teilbild c) ) verwenden Zielpositionen von 0% (stärkste Teilprismen) , -20% (mittelstarke Teilprismen werden abgeschwächt) und +35% (schwächste Teilprismen werden verstärkt) . Das unte- re Teilbild enthält zusätzlich einen zusätzlichen Phasensprung (Punkt F7) von Δΐι=25μπι Gold.
Gesamtaufbau Rahmendaten der optischen Simulation (nur Unterschiede zu der der FIG 15 zugrundeliegenden Simulation angegeben) :
G0 : Jeweils vier benachbarte von q=17 Schlitzen in G0 geöffnet zu 30% Öffnungsanteil (d.h., G0 wiederholt sich in x alle q p0=17 x 20,881μιτι = 354,98μιτι), Stege wiederum perfekt absorbierend („schwarz") simuliert.
GL: Lichtbrechung 1:5400 für 47keV bis 1:12500 für 71keV; dL2=44, 9907mm.
G2 : p2=14,575 μιτι bzw. Detektor-Pixelbreite ca. 7,3 μιτι, wie G0 als perfekt absorbierend angenommen zur Vergleichbarkeit mit der Situation ohne Brechungsgitter (vgl. Zeile 4 in folgender Tabelle) .
Optische Leistung (Spektrum wie im Beispiel A, FIG 15) , hier anhand von Sichtbarkeiten verschiedener Randbedingungen und Abschnitten (Spalten) :
Figure imgf000054_0001
Um den Sichtbarkeitsverlust durch das Brechungsgitter GL zu zeigen, ist als letzte Zeile in der vorstehenden Tabelle die Situation ohne Brechungsgitter GL (d.h., G2 an Stelle von GL) dargestellt. Dabei wurde darauf verzichtet, die Absorption insbesondere von G2 zu modellieren.
Der Sichtbarkeitsverlust entsteht im Wesentlichen durch die hohe Kompression c=150% und die Anzahl geöffneter Spalten in G0 (ein äquivalentes Layout mit c=117%, in dem nur einer von dann 14 Spalten in G0 geöffnet ist, hat eine Gesamt- Sichtbarkeit von 62,7%) .
Zu erkennen ist, dass der zentrale Streifen der Layouts gemäß den den Teilbildern b) und c) höhere Sichtbarkeiten aufweist als die Situation ohne Brechungsgitter GL . Der Grund ist, dass eine Aufhärtung durch 87μιτι Gold erfolgt, welche die niederenergetischen Anteile und die über 80,7 keV (Gold K ) entfernt, die durch Beugung zwischen GL und G2 weniger gut durch GL abgebildet werden. Es verbleibt daher relativ mehr Intensität nahe der Design-Wellenlänge.
Konkretes Beispiel C (niedrigere Energie, große Minimalabstände, begrenzter Bauhöhe) : FIG 17 zeigt eine Mammographie -Konfiguration mit N=17 und streifenförmigem Layout, Gradientenkompression (Punkt Fl), Gradientenvariation (Punkt F2) und Grundhöhe (Punkt F3) sowie zusätzlichem Phasensprung (Punkt f7), sL=l,0im, Minimalabstände symmetrisch 0,76 μιτι, Aspektverhältnisse symmetrisch 48, Höhe 36μιτι. Die Brechungsstege 14 bestehen aus Nickel. Die Zwischenräume 16 sind mit Photolack gefüllt.
Je größer N ist, desto stärker sind die Gradienten-Unterschiede zwischen dem Streifen mit dem kleinsten Gradienten (schwächsten Teilprisma) und den Nachbarstreifen (der eine Nachbarstreifen ist durch Freiraum getrennt, der andere mit Material verbunden) . Brechungsgitter Rahmendaten: N=17, streifenförmiges
Layout wie grundsätzlich in WO 2013/160 153 AI offenbart, Belichtungswinkel = 10°, sL=l,00 μιτι, py = 6,348 μιτι,
Aspektverhältnis symmetrisch r = 48, Minimal -Abstände symmetrisch 0,76 μιτι, Gitterhöhe h = 36,00μιτι (durchschnittliche Materialhöhe 18,7 μιτι, bei kleineren Minimalabständen kann dies und damit die Absorption reduziert werden) , Maximaler Material-Gradient 48:1 = c x 36: 1 mit c=133%, in der Grafik entspricht 100% Gradient dem Gradienten 36: 1.
Die Zielpositionen zur Auslegung der Prismen sind (von der Spalte bzw. dem Streifen der stärksten Prismen („1.") zum Streifen der schwächsten Prismen („8.") hin absteigend, zentraler Streifen 9. immer 0%) :
· Oberes Bild (Teilbild a) ) , Minimal -Abstände 0,63μπι
(0,76μιτι eingezeichnet) :
Zielpositionen 1. 0%, 2. 0%, 3. 0%, 4. 0%, 5. 25%, 6. 35 , 7. 35 , 8. 3 E>
• Mittleres Bild (Teilbild b) ) , Minimal -Abstände wie einge- zeichnet 0,76μιτΐ:
Zielpositionen 1. 0%, 2. 0%, 3. -30%, 4. +25%. 5. +25%, 6. +25%, 7. +35%, 8. +25%,
dabei bei 7. (zweitschwächste Prismen-Spalten) : Gradien- ten-Verschmälerung (Punkt F5) auf 88% der Spaltbreite (6% der Streifenbreite rechts und links abgeschnitten) , sowie bei 8. (schwächste Prismen-Streifen) ein Phasensprung (Punkt F7) von Δΐι=20μπι Höhe (Δy=3,53μm) , aufgeteilt in zwei Teile je py, um die Spalte der Geometrie den benachbarten Spalten anzunähern.
Gesamtaufbau Rahmendaten der optischen Simulation: Röntgenröhre mit Wolfram-Anode, 40 kVp, Filterung ΙΟΟμιτι „Sb" Antimon (K(a) =30,5 keV) .
G0 : p0=26 , 6573μιτι, Stege sind komplett absorbierend
(„schwarz") (oder bestehen in guter Näherung aus Gold mit Höhe h0 > 130μιτι) . Jeweils fünf benachbarte von q=17 Schlitzen in G0 geöffnet zu 30% Öffnungsanteil (d.h., G0 wiederholt sich in x-Richtung alle q p0=453,174 μιτι) ;
Figure imgf000057_0001
.
Gl: ρι=3 , 7208μιτι, 1ΐι=8,4μπι Nickel für einen Phasensprung von π <-> λ/2 bei λ0= =25keV; diL=112,54 mm.
GL : Wie beschrieben, Material Nickel, Photolack als Freiraum (reduziert Brechkraft von Nickel um ca. 2/13 = 15,5% auf ca. 11/13), Lichtbrechung 1:5000 für 19 keV bis 1:12500 für 30 keV; dL2=130, 796mm.
G2 : ρ2=36,758μιτι bzw. Detektor-Pixelbreite ca. 18,38μιτι, als perfekt absorbierend simuliert für Vergleichbarkeit mit Situation ohne Linsengitter.
Optische Leistung (21 diskrete Photonen-Energien zu 18 keV, 19 keV, ... , 38 keV mit Abständen von jeweils 1 keV) , hier anhand von Sichtbarkeiten verschiedener Randbedingungen und Abschnitten (Streifen) . Die Transmission liegt bei etwa 74% mit Linsengitter und bei etwa 94,5% ohne Linsengitter.
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Figure imgf000058_0001
Konkretes Beispiel D (niedrigere Energie, Dispersionskorrektur) :
Die FIG 18 und 19 zeigen für N=17 diagonale Layouts mit dem Ziel, im niederenergetischeren Bereich direkt auf die Pixelgröße eines feinen Detektors zu vergröbern. Das obere Bild (Teilbild a) ) in FIG 18 ist ohne Gradientenvariation (Punkt F2) realisiert. Das untere Bild (Teilbild b) ) in FIG 18 ist zur Erreichung größerer Minimal -Abstände mit Gradienten- Variation realisiert. Das obere Bild (Teilbild c) ) in FIG 19 ist zusätzlich mit einem negativem Phasensprung zur Reduzierung von Farbfehlern (Punkt F6) versehen. Das untere Bild (Teilbild d) ) aus FIG 19 zeigt schließlich die Reduktion von Farbfehlern in 6 von 17 Streifen je Pixel.
Brechungsgitter Rahmendaten: N=17, diagonales Layout,
Belichtungswinkel =12°, sL=l,0C^m, py =7,653μιτι (Teilbilder a) und b) ) bzw. 10,083 xm (Teilbild c) ) bzw. 10,098μπι (Teilbild d) ) , Aspektverhältnis r und Minimal -Abstände Axy symmet- risch, aber je nach Teilabbildung unterschiedlich (ebenso wie die Gitterhöhe) , Maximaler Material -Gradient
30:1 = c x 22,5: 1 mit c=133%. In den FIG 18 und 19 entspricht 100% Gradient jeweils dem Gradienten 22,5: 1.
Aspektverhältnisse r, Minimal -Abstände Axy, Gitterhöhen h, Zielpositionen je Teilabbildung:
• Teilbild a) ohne Gradientenvariation (Punkt F2) und ohne Dispers ionskorrektur (Punkt F6) :
r=50, Axy=0,74 μιτι, h=36 μιτι, durchschnittl . Materialhöhe 14,94 μιτι, alle Zielpositionen 0%.
· Teilbild b) mit Gradientenvariation (Punkt F2) , aber ohne Dispers ionskorrektur (Punkt F6) :
r=46, Δxy=0,80μm, 1ι=36μπι, durchschnittl. Materialhöhe 14,38 μπι, Zielpositionen 1. 0%, 2. 0%, 3. -20%, 4. -20%. 5. -25%, 6. +7%, 7. +35%, 8. +35%.
· Teilbild c) mit Gradientenvariation (Punkt F2) und mit lx Dispers ionskorrektur (Punkt F6) :
r=97, Axy=0,50 μιτι, h=47,4 μιτι, durchschnittl. Materialhöhe 13,53 μιτι, Zielpositionen wie bei Teilbild b) . • Teilbild d) mit Gradientenvariation (Punkt F2) und Dispersionskorrektur (Punkt F6) in 3 Spalten:
r=97, Δχγ=0,50μιτι, η=47,5μιτι, durchschnittl . Materialhöhe 14,46 μπι, Zielpositionen 1. 0%, 2. 0%, 3. 0%, 4. +10%. 5. -5%, 6. -15%, 7. +25%, 8. +30%.
Gesamtaufbau Rahmendaten der optischen Simulation (nur Unterschiede zu der der FIG 17 zugrundeliegenden Simulation angegeben, insbesondere sind p0, pi, d0i , diL unverändert) :
G0 : Jeweils drei benachbarte von q=ll Schlitzen in G0 geöffnet zu 30% Öffnungsanteil (d.h., G0 wiederholt sich in x- Richtung alle q p0=ll x 26,6574μπι = 293,23 μπι) . Gi : wie im Beispiel C
GL : Nickel/Photolack wie im Beispiel C, Lichtbrechung 1:8000 für 19 keV bis 1:20 000 für 30 keV; dL2=211,496 mm. G2 : p2=38, 4593μπι bzw. Detektor-Pixelbreite ca. 19.23μπι (perfekt absorbierend simuliert) .
Optische Leistung (Spektrum wie im Beispiel C) , wiederum anhand von Sichtbarkeiten verschiedener Randbedingungen und Ab- schnitten (Spalten). Die Transmission liegt bei etwa 75,8% mit Brechungsgitter (77% bei Teilbild c) ) und bei etwa 94,2% ohne Brechungsgitter.
Figure imgf000061_0001
Die Sichtbarkeit bei den stärksten Teilprismen nimmt ca. 7% zu. Das gesamte Gitter profitiert nur mit 1% Zuwachs, da nur zwei von 17 Spalten zu den Stärksten zählen. Es soll nun gezeigt werden, wie sich der Sichtbarkeitsabstand zu der Situa- tion ohne Brechungsgitter verringern lässt. Dabei wird gemäß der folgenden Tabelle vertikal das Layout und horizontal die Anzahl offener Schlitze je q p0 in G0 variiert. Für die vorhergehenden Tabelle war dieser Wert 3 (eine Reduktion der Gradientenkompression von c=4/3 auf c=7/6 würde eine weitere Verbesserung bringen) .
Randbedingung Gesamtsichtbarkeit bei ... Spalten in G0 je q p= 203,23μm [Go, G2 perfekt
bierend]
a) Ohne F2/F6, 0,74 m 48,4 46, 5% 43, 4 39,3 b) Ohne F6 47, 5 45, 6% 42, 5 38,4 c) lx F6,
Figure imgf000063_0001
48, 9 46, 8% 43, 6 39,3 d) 3x F6, Δxy=0,5μm 50, 4 48,5% 45, 4 41, 1 e) wie d) , aber
dL2=191, 78mm <-> q=12 50, 5 48,8% 46, 2 42.6 q po= 319, 89μηΐ
Die Verkürzung des Abstands verbessert die Sichtbarkeit nur leicht und lediglich zwischen d) und e) , weil die höchsten Photonenenergien etwas stärker gebrochen werden. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Aus- führungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausfüh- rungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Anhang: Physikalische Grundlagen
Der Phasenkontrast einer Röntgenaufnahme visualisiert unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten cp =
c0/ (1 5)=c0(l δ) aufgrund des materialabhängigen Brechungsindex n = l-δ + iß .
Die Transmission T hinter dem Patienten ist durch das Intensitätsverhältnis T = I / Io bestimmt, wobei Io die durchschnitt - liehe Intensität ohne Gi und G2 ist. Das Rauschen (repräsentiert durch die Standardabweichung σφ) ist proportional zu (At Io)"2. Um das Rauschen zu halbieren, wird also die vierfache Dosis At Io benötigt. Bei dif ferentiellem Phasenkontrast (sowie auch bei Dunkelfeldaufnahmen) ergibt sich eine propor- tionale Abhängigkeit des Rauschens σφ von der Streifen-Phase φ (dabei ist V die (Streifen- ) Sichtbarkeit oder Visibilität mit
V = (Imax ~ 1min) / ( Imax ~ 1min)
Die Größen Imax und Imin bezeichnen dabei die maximalen/minimalen Intensitäten abhängig von der x-Position eines verschiebbaren G Q : σφ 2 oc 1/ (At Io V2 T) , wobei Sichtbarkeit V und die Transmission T jeweils in den Grenzen 0-100% variieren können. Um das Rauschen auf einem bestimmten Wert zu halten, muss also At I0 λ/2 T unverändert bleiben. Es kann eine Effizienz η der Optik hinter dem Patienten definiert werden als: ηφ = V2 T
Ein Ziel der vorliegenden Anmeldung ist, ηφ zu optimieren, d.h., eine Dosisminimierung bei gegebenem σφ (im Unterschied zu θφ- oder θφ) zu erreichen, wobei Φ die Phase der tatsäch- liehen Wellenfront und Φ' deren räumliche Änderung Φ' = 3Φ/3χ bezeichnen. Φ' ist gegeben durch
Figure imgf000066_0001
Mit der Definition der Empfindlichkeit S als S = d1L / PL gilt bei gegebener Design-Wellenlänge λ = λ0
ΟΦ- oc σφ / S
Je höher die Empfindlichkeit, desto geringer ist somit das Rauschen. Aus σΦ-2 oc σ<ρ 2 / s2 oc 1/ (At I 0S2V2T ) folgt wie oben bei vorgegebenem Rauschen σφΐ dass die Dosis At-I0 proportional ist mit ηφ mit η = ηφ = s2V2

Claims

Patentansprüche
1. Brechungsgitter (GL) für eine Phasenkontrast-Röntgenbild- gebungsvorrichtung (2) mit einer im Wesentlichen quer zu einer Strahlungseinfallrichtung auszurichtenden Transversalfläche (10), die durch eine x-Achse und eine hierzu senkrechte y-Achse aufgespannt ist, und mit einer Vielzahl von Brechungsstegen (14) aus einem optisch ver- gleichsweise dünnen Basismaterial, die alternierend mit optisch dichteren Zwischenräumen (16) angeordnet sind, wobei die Brechungsstege (14) derart ausgebildet sind,
- dass sie die Transversalfläche (10) in jeweils in y- Richtung langgestreckte Brechungsstreifen (12) glie- dern, die in x-Richtung parallel nebeneinander aufgereiht sind, wobei benachbarte Brechungsstreifen (12) stets auf verschiedene Fokusse (F) ausgerichtet sind, und
- dass sie innerhalb der Transversalfläche (10) zumindest abschnittsweise diagonal verlaufen, wobei sich die Seitenflächen (18) mindestens eines Brechungsstegs (14), die diesen Brechungssteg (14) in x-Richtung begrenzen, jeweils über mehrere Brechungsstreifen (12) erstrecken.
2. Brechungsgitter (GL) nach Anspruch 1,
wobei die Brechungsstege (14) jeweils nach Art von in y- Richtung geneigten schiefen Prismen geformt sind, deren Grundfläche und Deckfläche in den zur Transversalfläche (10) parallelen Stirnflächen des Brechungsgitters (GL) liegen.
3. Brechungsgitter (GL) nach Anspruch 2,
wobei die Brechungsstege (14) derart angeordnet sind, dass in jedem Brechungsstreifen (12) eine sich in y- Richtung mit einer y- Periodenlänge (py) wiederholende Materialstruktur ergibt, und wobei die Brechungsstege (14) derart in y-Richtung geneigt sind, dass eine zu der Grundfläche entgegengesetzte Deckfläche eines jeden Bre- chungsstegs (14) gegenüber der Grundfläche um eine ganze Anzahl von Periodenlängen (py) , insbesondere genau eine Periodenlänge (py) versetzt ist.
Brechungsgitter (GL) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder Brechungssteg (14) durch jeweils zwei Seitenflächen (18) an die zwischen den Brechungsstegen (14) angeordneten Zwischenräume (16) angrenzt, und wobei die Seitenflächen (18) alternierend aus aktiven Teilflächen (20) mit vergleichsweise starker Brechungswirkung in x- Richtung und passiven Teilflächen (22) mit geringer oder verschwindender Brechungswirkung in x-Richtung zusammengesetzt sind.
Brechungsgitter (GL) nach Anspruch 4,
wobei jede aktive oder passive Teilfläche (20,22) sich in x-Richtung über eine ganze Anzahl von Brechungsstreifen (12) erstreckt.
Brechungsgitter (GL) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeder Brechungssteg (12) innerhalb der Transversal - fläche (10) in alternierenden Abschnitten diagonal in positiver y-Richtung und in negativer y-Richtung verläuft.
Brechungsgitter (GL) nach Anspruch 6,
dass der Verlauf eines jeden Brechungsstegs (12) innerhalb der Transversalfläche (10) jeweils an Brechungs- streifen (12) mit geringer oder verschwindender Brechungswirkung die Richtung ändert.
Brechungsgitter (GL) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeweils eine einheitlich vorgegebene Anzahl von Brechungsstreifen (12) auf einen gemeinsamen Fokus (F) ausgerichtet ist .
Phasenkontrast -Röntgenbildgebungsvorrichtung (2) mit einer Röntgenstrahlungsquelle (4), mit einem Phasengitter ( Gi ) , mit einem Röntgendetektor (6), der eine eindimensi- onale oder zweidimensionale Anordnung von Pixeln (P) aufweist sowie mit einem zwischen dem Phasengitter ( Gi ) und dem Röntgendetektor (6) angeordneten Brechungsgitter ( GL ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Phasenkontrast -Röntgenbildgebungsvorrichtung (2) nach Anspruch 9, mit einem zusätzlichen Kohärenzgitter ( G0 ) , das der Röntgenstrahlungsquelle (4) und dem Phasengitter ( Gi ) zwischengeschaltet ist.
11. Phasenkontrast -Röntgenbildgebungsvorrichtung (2) nach Anspruch 9 oder 10, mit einem zusätzlichen Analysegitter ( G2 ) , das dem Brechungsgitter ( GL ) und dem Röntgendetektor (6) zwischengeschaltet ist.
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