WO2015052017A1 - Phasenkontrast-röntgenbildgebungsvorrichtung und phasengitter für eine solche - Google Patents

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phase grating
ray
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Oliver PREUSCHE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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, ie an X-ray device for phase contrast imaging.
  • the invention further relates to a phase grating for such.
  • the device and the phase grating are in particular for a
  • a Talbot-Lau interferometer For metrological detection of the phase shift typically a Talbot-Lau interferometer is used, as it 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.
  • a coherence grid Go is additionally arranged between the X-ray source and the phase grating, which serves to ensure sufficient spatial coherence of the X-ray radiation.
  • the coherence grating can be dispensed with if the X-ray source can already be considered in a sufficiently good approximation as punctiform.
  • an optical component is generally referred to as a phase grating, which changes the phase position of a radiation beam incident thereon transversely to the propagation direction of the radiation in a spatially periodic manner, as a result of which the
  • Radiation after passing through the phase grating on the analysis grid a - usually stripe - forms interference pattern.
  • the period length of the coherence of the grating is ⁇ art chosen such that the maxima of the interference in each case emanating from the individual columns of the lattice coherence light beams are mapped to each other.
  • the known phase grating has a uniform striped structure of lattice webs of an optically comparatively thin base material (here silicon) and intermediate Intervals on.
  • the interspaces are either empty (air-filled) or filled with non-metallic material such as photoresist in conventional Pha ⁇ sengittern.
  • the real part of the refractive index in all ma- terialien is less than one, make the spaces for X-rays - unlike visible light - in comparison ⁇ equal to the grid bars always the optically denser medium is the term "optical” is here. and in the following also used in the sense of "X-ray optical", thus also refers to the wave propagation of X-radiation.
  • the grating webs form a structure of juxtaposed grating strips in a transversal surface to be aligned transversely to the direction of incidence of the x-ray radiation.
  • the base material in each of these grating strips has a constant thickness (material height h) in the direction of incidence of the x-ray radiation between adjacent grid strips is always different.
  • the material height has a positive value.
  • the material height against it regularly has the Be ⁇ contractual zero.
  • the phase angle of the incident X-ray radiation is affected by the varying height of material such that the Rönt ⁇ -radiation after passing through the phase grating (of transition effects apart) in exactly two sub-beams but with each other is divided different phase position in each case the same.
  • the commonly employed Phasengit ⁇ ter produce a phase shift between the two sub-bundles, corresponding to half or a quarter of the wavelength in the rule.
  • Phase gratings of the former type are also referred to as ⁇ -grating, phase grating of the latter type also called ⁇ / 2 lattice.
  • the intensity distribution of the interference pattern is detected.
  • the period of the interference pattern caused by the phase grating is typically much smaller than the size of the pixels of the X-ray detector, so that a direct detection of the Interfe ⁇ ence pattern with the X-ray detector is not possible regularly.
  • the X-ray detector is therefore usually preceded by the analysis grid, with the aid of which the interference pattern can be scanned by a spatial-periodic suppression of X-radiation.
  • the analysis grid is displaced in a plane perpendicular to the optical axis and the structure of the interference pattern.
  • the coherence grating or the phase grating can also be shifted.
  • the phase contrast imaging is the examined
  • the object can also be positioned between the phase grating and the analysis grating.
  • the Whether ⁇ ject causes a location-dependent varying phase shift of the X-ray radiation that alters the interference pattern generated by the phase grating measurable.
  • the altered Interfe ⁇ ence pattern is detected in the above described manner by means of the X-ray detector. From the measured intensity ⁇ distribution of the interference pattern is then calculated back to the ortsab ⁇ dependent phase shift.
  • the image information is either obtained directly from the phase. Alternatively, the image information also from the
  • phase-contrast X-ray imaging is that structures in the soft tissue (in particular ⁇ tissue, water and body fats) in phase contrast usually stand out more strongly than in the absorption contrast.
  • Talbot-Lau interferometer cause because of the necessary grid - depending on the absorption behavior of the gratings - either a comparatively strong intensity loss (and therefore subject to a high X-ray dose) or a ver ⁇ tively poor visibility of the interference pattern (and thus a bad resolution of the Phasenkontrastmes- solution ).
  • Talbot-Lau interferometer have due to the lattice often a comparatively strong chromatic Selek ⁇ tivity.
  • the grids work well only in a narrow wavelength range around a particular design wavelength for which the particular grating is designed.
  • An ⁇ parts of the X-radiation with aberrant wavelengths (and quantum energies) are often not usable here for imaging or reduce the image quality.
  • Optimization of the optical properties of conventional phase gratings is limited by the fact that complex grating structures often can not be produced, or at least can not be produced with justifiable effort.
  • the invention has for its object to improve the phase contrast X-ray imaging.
  • phase grating for a phase contrast X-ray imaging apparatus, this object is achieved by the features of claim 1.
  • a phase-contrast X-ray imaging apparatus this object is achieved by the features of at ⁇ entitlement 8.
  • Advantageous and partly per se erfinderi- see embodiments and further developments of the invention are set forth in the dependent claims and the description below.
  • the phase grating according to the invention has a transverse surface which is spanned by an x-axis and a y-axis perpendicular thereto, and which is to be aligned substantially (ie exactly or at least approximately) transversely to a radiation incident direction.
  • the intended radiation incident direction defines a z-axis of the phase grating, which is aligned in the intended installation position of the phase grating, in particular parallel to an optical axis of the x-ray imaging device.
  • the transverse surface can hereby (as a mathematically abstract structure) be defined at any z-position (ie position along the z-axis) within the space volume occupied by the phase grating. For example only, it is assumed below that the transverse surface is formed by the "front" end face of the phase grating over which the radiation is incident into the phase grating.
  • the axes introduced above span a Cartesian coordinate system.
  • orientation (direction of arrow) of the x-, y- and z-axis defined spatial directions are referred to as (positive) x-, y- and z-direction ⁇ be distinguished.
  • the respective opposite spatial directions are designated as (negative) x, y or z direction.
  • Positions on the x, y, and z axes are labeled as x, y, and z positions, respectively.
  • the phase grating according to the invention also has a plurality of grating webs made of an optically comparatively thin base material, these grating webs being separated by optically denser intermediate spaces.
  • the lattice webs are formed such that they divide the transverse surface into elongated lattice strands, which are lined up next to each other in parallel in the x-direction and in each case in the y-direction over the entire transversal surface pull.
  • grating strips are characterized in that the phase grating in each grating strip along the z-axis (and therefore in the direction of incidence of the X-ray radiation) has a homogeneous (ie the same everywhere) total thickness of the base material, but which is always different between adjacent grating strips.
  • the total thickness of the existing above a certain point of the transverse surface along the z-axis of the base material is also referred to as "material level.”
  • the Mate ⁇ rialffle here denotes the optical path length of Pha ⁇ scorching itters at the associated point of the transverse surface.
  • phase grating of the grid bars In contrast to conventional phase gratings are in the inventive phase grating of the grid bars and
  • the grating strips of cross-self ⁇ shaft extends forcibly to all the grid webs (with the exception of edge effects, namely any grid bars at the edges of the transverse surface, which can only extend over a grid strip due to their peripheral location).
  • all grating webs preferably extend over a multiplicity of grating strips, in particular over all grating strips, again, apart from edge effects.
  • the idea of forming the lattice webs of the phase lattice across grids makes it possible, as is known, to construct lattice structures with a complex spatial distribution of the height of the material above the transversal surface conventional design could not or at most be made with great effort.
  • the grid stripe-cross layout of the grid webs with the result that it is in the grating strips of the phase grating according to the invention - is to mathematically abstract structures forms ⁇ not usually UNMIT ⁇ telbar bring by physical structures of the phase grating - unlike conventional phase gratings. Rather, the grating strips are defined solely by the above-described spatial distribution of the grating height and the associated optical properties of the phase grating.
  • the grating strips ha ⁇ ben preferably in the x-direction, a homogeneous (that is the same for all lattice stripes) in simple embodiments of the invention grating width.
  • the grid strips may also have different widths. As shown below, such execution ⁇ shape of the phase grating are even more advantageous in certain specifications.
  • the grid bars are preferably formed of gold, nickel or Sili ⁇ zium.
  • the gaps are (ei ⁇ nem solid thus with X-ray comparatively large real part of the refractive index) optionally substituted by (air or liquid filled) voids or by intermediate webs from an optically comparatively dense solid, for example, of photoresist is formed.
  • the phase grating is preferably produced in a photolithographic production method, in particular the so-called LIGA (lithographic electroplating-molding) method or by means of reactive ion etching.
  • LIGA lithographic electroplating-molding
  • phase gratings A limiting factor for the production of the phase gratings is the limited by manufacturing process
  • the grid bars are formed such that they extend within the transverse surface with diagonal (ie in a 0 ° überstei- constricting and 90 ° below border angle to the y-axis ste ⁇ budding) preferential direction over a plurality of grid strips.
  • the preferred direction is formed by the averaged over a plurality of grid strips orientation of the grid bars within the transverse surface.
  • the grid bars can also run parallel to the x-axis or the y-axis.
  • the lattice web extending diagonally across the transversal surface with respect to its preferred direction can be composed in a step-like manner of sections which are aligned alternately parallel to the x-axis or the y-axis.
  • the above-described dia ⁇ gonal layout of the grid bars for a given grid height and given diffraction properties of the grid strip particularly large minimum distances between the side walls of the grid bars - both within the grid bars and between adjacent grid bars - be maintained.
  • This in turn allows the production of phase gratings with a particularly large grid height in the z-direction or particularly small width of the grid strip.
  • Such phase gratings enable the realization of phase-contrast X-ray imaging devices with a particularly short installation length and particularly high sensitivity.
  • the grid bars are each after
  • the phase grating is produced in particular by a photolithographic method, in particular LIGA, under oblique exposure of the photoresist layer by X-radiation.
  • the base and the opposite deck ⁇ surface of the prism have here usually each one complex, polygonal shape.
  • the lattice webs on the side edges of the phase lattice may be cut off to form z-directional edge surfaces, as distinct from a pure prismatic shape.
  • the grid strips are particularly constructed and arranged to ⁇ that in each grid strip results in a y-direction with a y-period length repetitive material ⁇ structure.
  • the grid webs are thus designed such that they always occupy parallel-displaced, congruent and uniformly spaced surface sections in a grid strip.
  • the grid strips are so inclined in the y direction, that the opposite to the base deck ⁇ area of each grid bar opposite the base by a whole number of period lengths, and in particular to a period length is exactly offset.
  • the two ge ⁇ genschreibicide disturb in the z-direction end surfaces of the phase grating thus have an identical layout, so an identical, formed from Gitterste ⁇ gene and spaces material structure.
  • the side surfaces of the lattice webs on the adjacent grid strips to the adjacent intermediate spaces in each case alternately formed of first surface portions, which are pa ⁇ rallel aligned to the y axis, and second partial surfaces, which are aligned parallel or diagonal to the x-axis are.
  • the first and second partial surfaces are preferably each formed by flat (non-curved) surface sections.
  • the second surface portions extend in the transverse surface ⁇ ner endeavour advantageously always a whole number of grid strips.
  • the transition between the first and second partial surfaces of a side surface thus preferably coincides with the transition between two lattice strips .
  • Partial areas of the grid webs against the x-axis is advantageous ⁇ way, especially as thus comparatively flat angle Zvi ⁇ 's first and second surface portions of the same grid bar resulting, whereby the manufacturing technology by
  • Corner rounding conditional disturbance of the lattice structure is kept small.
  • This gradient g is also referred to below as "offset slope.”
  • all second subareas ie, the second subareas of all grid webs traversing this grid strip
  • the second partial areas of the grid bars may have different offset slopes in different grid strips, since the offset slope affects the two material edges of a grid bar in a grid strip equally, it does not change the phase shift coded in this grid bar.
  • each grating web runs within the transverse surface in al ⁇ ternierenden sections with diagonal preferred direction in the positive y-direction and in the negative y-direction.
  • the grid bars thus have kinks.
  • Git ⁇ TerStege at regular intervals along the x-axis are preferably kinked alternately oppositely, so that the respective grating ⁇ web meander within the transverse surface running around the x axis.
  • the phase grating according to the invention can be configured as a binary (two-stage) grating in which the material height in the x-direction (ie with the sequence of the adjacent rows of lattice stripes) alternately jump back and forth between exactly two values.
  • the invention shown SSE phase grating is provided as a multi-level grating abandonedbil ⁇ det.
  • the term "multistage” is used here and below in the sense of "more than two stages” and thus designates ⁇ with a phase grating in which the material height changes between at least three values. With a multi-stage phase grating, it is recognized that particularly favorable optical properties can be achieved.
  • Sun can be achieved than for conventional binary phase grating ⁇ a higher value for the product of sensitivity and visibility of such a phase grating.
  • the chromatic selectivity of the phase grating can be kept particularly low .
  • Phase lattice visibility can be increased because the Pha ⁇ sengitter polychromatic X-ray better tolerated.
  • the sensitivity can be increased without impairing the visibility in comparison with a conventional phase grating. Since the time necessary to achieve a given image quality x-ray dose men accommodate square together ⁇ with the product of sensitivity and visibility, the inventive design of the Pha ⁇ scorching itters allows a considerable reduction of the X-ray dose without that this will be caused by a loss of image quality in purchase genome ⁇ men would.
  • phase grating or the so-equipped phase contrast X-ray imaging apparatus further comprises one or realized more of the design features described above to the optical properties of the phase grating to optimization ⁇ ren: (1) reduction of the period of coherence grating:
  • the phase grating is designed such that it (when irradiated by means of a punctiform X-ray radiation) source) narrow interference maxima generated in the plane of the analysis ⁇ grating, the width of a quarter of the period length P 2 of the analyzer grating below.
  • the coherence grating is thus staltet ⁇ ge such that the interference maxima of two ver of adjacent columns of the lattice coherency of outgoing radiation beam ⁇ sets to each other on the analyzer grating are illustrated. As a result, between every two interference maxima of a
  • Multiplicity m called - increasing number of interference maxima generated per period of Pha ⁇ scorching itters. This increases the sensitivity without the width of the spectrum would be limited ⁇ .
  • the period length is compared to the typical construction ei ⁇ ner conventional phase contrast X-ray imaging device po of Ko Schm ⁇ ence lattice (halved what a doubling of
  • the Periodenlän ⁇ ge P 2 of the analyzer grating is halved, whereas the distance d 2 is preferably maintained between the phase grating and the analyzer grating. This doubles the sensitivity S and quadruples the sensitivity factor f of the phase grating.
  • phase gratings which are suitable for this construction often initially have only e.g. half
  • phase grating having 7 strips of equal width Pi / 7 per period length pi can beispielswei ⁇ se on the analysis grid 2 or 3 interference maxima per period of the phase grating cause (in dependence on the selected distance di 2) ⁇
  • Optimal material heights and strip widths may differ slightly from the analytically determined material heights and strip widths. This can be useful to better adapt the structure to the specific tube spectrum.
  • polychromatic X-ray radiation also the material height of such lattice strips, already original have a nonzero material height to increase one or more times the height interval Ah.
  • 1 is a rough schematic sectional view of a Phasenkontrast-
  • FIG 2 is a schematic view of a transversal cut-out area by way ⁇ a layout for the Pha ⁇ scorching itter, wherein the transverse surface of diagonally extending grid strips of a base material and interposed spaces is traversed, and wherein the
  • Transversal surface is divided into a number of parallel grid strip, wherein the phase grid in each grid strip in the direction of radiation propagation direction has a constant total thickness (material height) between adjacent grid strips on the base material,
  • FIG. 3 to 17 show an illustration according to FIG. 2 alternative layouts for the phase grating, FIG.
  • FIG 18 in three superposed diagrams of X-ray intensity on the y-axis, the in ⁇ interference pattern of the phase grating shown in FIG 9 (middle panel) and a three-stage comparison grating (upper diagram) as well as the phase grating shown in FIG 9, the interference pattern with half the grating period of the Konos ⁇ rence grating (bottom graph),
  • FIG 19 in two superimposed diagrams shown in FIG 18, the interference pattern of the phase grating shown in FIG 15 at standard according Git ⁇ terkonstante the coherence grating (upper slide ⁇ gram) as well as gedrittelter lattice constant of the coherence grating (bottom graph), and
  • FIG. 20 shows a diagram according to FIG. 18 of the interference pattern of the phase grating according to FIG. 17.
  • the (phase-contrast X-ray imaging) device 2 shown schematically in FIG. 1 comprises an X-ray source 4, a coherence grating Go, a phase grating d, an analysis grating G2 and an X-ray detector 6 constructed from a multiplicity of pixels P.
  • Assign axis z (hereinafter referred to as z-axis or optical axis 8), which in the case of the embodiment in a z-direction is rich ⁇ tet.
  • the individual optical elements of the X-ray device 2 are configured in a planar manner, arranged along this optical axis 8 and aligned in each case perpendicularly thereto.
  • the X-ray device 2 is provided for obtaining medical phase contrast images.
  • a patient is positioned between the coherence grating Go and the phase grating Gi, preferably immediately in front of the phase grating Gi.
  • the metrological detection or rather the determination of the spatial distribution of the phase shift caused by the patient takes place in the case of the X-ray apparatus 2 presented here according to a known per se and, for example, in X-ray phase imaging with a grating interferometer, T.
  • the coherence grating Go serves to ensure sufficient spatial coherence of the X-radiation used for the interferometric measuring method. It has a grid structure made of - preferably gold existing - Gitterste ⁇ gene having a (measured in the z-direction) grating height H 0, and arranged between the grid strips arranged slots, wherein the grid webs and slots ner parallel to ei ⁇ - perpendicular to the axis z standing and directed vertically out of the plane of the drawing of Figure 1 - y axis
  • a spatially extended X-ray source 4 is a point-shaped in a good approximation X-ray source is turned ⁇ sets that already emits sufficiently coherent X-radiation. In this case, the coherence grid Go is omitted.
  • the X-ray source 4 ⁇ X-rays emitted with a photon energy up to about 100 keV.
  • the phase grating d (only roughly schematically indicated in FIG. 1) is arranged at a distance doi in the z-direction offset from the coherence grating Go. This serves as a forth ⁇ conventional Talbot-Lau interferometer for producing a strip-shaped interference pattern, wherein the (Interfe ⁇ renz-) strips extend parallel to one another, this interference pattern in the y direction.
  • the grating constant Po of the coherence grating in the standard design of the device 2 is dimensioned in such a way that interference maxima of Sub-beams R, which emanate from adjacent columns of the coherence grid Go, are mapped to each other.
  • the phase grating d (described in more detail below) has a grating height Hi and, in order to produce the interference pattern, has a strip-shaped, in the x-direction with a lattice constant (period length) pi periodic variation of the optical
  • the analysis grid G 2 is positioned, having a measured in the z-direction grid height H 2 and a lattice constant (period length) P2.
  • the analysis grid G 2 like the coherence grid Go, consists of strip-shaped grid bars made of gold and stripe-shaped spaces formed therebetween.
  • the dimensions of the grids Gi and G 2 in the x-direction and in the y-direction are essentially the same in the exemplary embodiment according to FIG. Deviating from the schematic representation according to FIG. 1, the extent of the analysis grid G 2 in the x-direction and in the y-direction actually 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.
  • the geometry of the phase grating Gi is characterized by three axes x, y and z, which coincide in the intended orientation of the phase grating Gi in the device 2 with the above-introduced axes x, y and z of the device 2.
  • the phase grating Gi in the context of the device 2 is thus arranged such that its axis z is arranged parallel to the optical axis 8, and thus to the averaged radiation propagation direction of the device 2.
  • the axes x and y of the phase grating Gi span a transversal surface 10 extending perpendicular to the radiation incident direction.
  • the end face of the phase grating Gi with the transverse surface 10, that of the X-ray source is identified by way of example 4 and at the thus the X-radiation is incident in the phase grating d.
  • the transversal surface 10 of the phase grating Gi shown in detail in FIG. 2 is divided into individual elongate lattice strips 12 (FIG. 2) which extend over the entire transverse surface 10 in the y direction and which in FIG x-direction are lined up next to each other in parallel.
  • the phase grating Gi is formed from a number of approximately parallel grating webs 14 made of a base material (eg nickel, silicon or gold), between which intermediate spaces 16 are formed.
  • the spaces 16 are air-filled gaps. Alternatively, however, the gaps 16 can also be filled by intermediate webs from Pho ⁇ tolack.
  • the lattice webs 14 and the given ⁇ existing intermediate webs are constructed on a base plate 17 (FIG 1) of the phase grating Gi, which is aligned parallel to the transverse surface 10 and in the example shown in FIG 1 by way of example the rear (abge ⁇ from the X-ray source 4) Forming face of the phase grating Gi.
  • the phase grating Gi is preferably produced by means of the LIGA
  • a yield strahlungsabsorbie- mask (for example made of gold) is positioned over a layer applied to the base plate 17 and with X-ray photoresist layer ⁇ radiation (exposure beam) exposed.
  • X-ray photoresist layer ⁇ radiation (exposure beam) exposed.
  • 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 phase grating Gi.
  • An example of this material structure (also referred to below as the layout) is shown in section in FIG.
  • the (corresponding to the gold structures of the mask) lattice webs 14 are shown here as hatched areas.
  • the spaces 16 corresponding to the gaps in the mask are shown as white areas.
  • the grating strips 12 of the phase grating Gi are characterized defi ⁇ defined that the phase grating Gi in the area of each grid strip 12 (that is, over each pixel of the delimited by the grid ⁇ stripes 12 area of the transverse surface 10) in the z-direction (optionally in total several material ⁇ sections) everywhere has the same total thickness of the base material ⁇ al. This total thickness is also referred to below as the respective grating strip 12 associated material height h. In contrast, the material height h is always different between different grid strips.
  • the (conceived as a mathematical ⁇ specific function of the x and y position within the transverse surface 10) material height h so changes at the transition between two adjacent grating strips 12 by leaps and bounds the amount.
  • the material height h correlates the optical path traveled by each sub-beam of the incident X-ray radiation within the phase grating Gi, and thus the phase position of the respective sub-beam when exiting the phase grating Gi. Due to the periodic variation of the material height h in the x-direction with the lattice constant pi, the phase lattice thus likewise generates a periodic modification of the phase of the x-ray radiation in the x direction. This is the basis grid generating the interference effect of the Phasengit ⁇ ters Gi. As can be seen from FIG. 2, that of each is
  • Grid web 14 within the transverse surface 10 each ⁇ taken area not congruent with one of the grid strip 12.
  • the grid bars 14 and the intermediate spaces 16 are not consistently in the y direction. Rather, the grating bars extend 14 and the intermediate spaces 16 with a diagonal preferred direction over the transverse surface 10. All grid bars 14 have up on any edge effects (ie, cut part ⁇ volumes at the edges of the phase grating Gi) of the same shape. Likewise, all interstices 16 have the same shape except for any edge effects (ie cut-off partial volumes at the edges of the phase grating Gi).
  • the grating bars 14 and spaces 16 are arranged to each other so that the material ⁇ structure in the transverse surface 10 having a periodicity having a period length p y in the embodiment of FIG 1 in the transverse surface 10 in the y-direction paral ⁇ lelverschoben.
  • This embodiment of the grid webs 14 described above is also referred to below as "diagonal layout”.
  • the two side surfaces 18, over which each grid web 14 is delimited from the adjacent gap 16, are divided by a sequence of first sub-areas 20, which are aligned in the y direction, and second sub-areas 22, which in the exemplary embodiment according to FIG are in the x direction being directed ⁇ .
  • first sub-areas 20 and second partial surfaces 22 follow one another alternately.
  • the second partial surfaces 22 each extend over the full width of an integral number of grid strips 12, so that the first partial surfaces 20 always run along the boundaries between two grid strips 12.
  • exposure angle a 15 °.
  • the mask is exposed with exposure radiation whose beam course is aligned obliquely in the yz plane.
  • the lattice webs 14 each have the shape of a (oblique) prism inclined in the y-direction. Apart from edge effects (that is to say cut-off partial volumes at the edges of the phase grating Gi), the grating webs 14 therefore have in the transverse plane 10 and the end face of the phase grating Gi -the opposite side in the z-direction
  • the edges of the side surfaces 18 are inclined in the yz plane by an angle corresponding to the angle of incidence of the exposure radiation. This inclination is matched to the grating height Hi such that the edges of the side surfaces 18 extend in y-direction over exactly one period length p y .
  • the phase grating Gi is designed as a merely binary grating in which the material height h changes periodically in the x direction between only two discrete values.
  • the period length p y is 8.12 ⁇ .
  • nickel is provided here.
  • the intermediate ⁇ spaces 16 are filled with air.
  • the material height h changes depending ⁇ wells at the transition between adjacent lattice strips 12 PE riodisch between 26 56 ⁇ (87.7% ⁇ Hi) and 3,73 ⁇ (12.3% ⁇
  • phase grating Gi acts as a ⁇ -grating. Partial bundle of X-rays, the pass through adjacent grating strip of the phase grating Gi, thus leaving the phase grating Gi with a retardation of half a wavelength (corresponding to a phase difference of the amount ⁇ ).
  • FIG. 3 shows a variant of the above-described grid layout.
  • the phase grating Gi shown in FIG 3 is similar in structure and optical properties - unless otherwise stated below - the embodiment of FIG 2.
  • the variant according to FIG 3 is a binary ⁇ grid for ei ⁇ ne Design Energy of 62keV.
  • FIGS. 4 to 6 show variants of the phase grating Gi according to FIG. 3, again with corresponding optical properties, but in contrast to FIG. 3 kinks DK are provided in the diagonal layout (with different frequencies), so that the grating webs 14 are in the transverse plane 10 Meander around the x-axis and thus alternately ab ⁇ cut diagonally in the positive y-direction and in the negative y-direction. Due to the kinks, the grid bars 14 are advantageously stabilized. Simulation results for specific embodiments of the Pha ⁇ scorching itters Gi: According to the illustrated embodiments below of the phase grating Gi is shown that the above-
  • the optical properties of the grating Gi in the device 2 according to FIG. 1 were determined by simulation for these embodiments of the phase grating Gi.
  • Sensitivity factor f For the coherence grid Go, an opening fraction (duty cycle) of 30 ⁇ 6 was assumed. Corresponding simulations are labeled "V30.” Part of the coherence grid was Go
  • V50 Corresponding simulations are designated by the designation "V50.” Again, alternatively, a punctiform radiation source was assumed.These simulations are identified by the designation "V0".
  • tungsten anode and an x-ray voltage of 100 kVp were always assumed for the x-ray source 4.
  • the simulations were partly based on the unfiltered X-ray spectrum, screened in 3keV steps. These simulations are identified by the suffix "U.” Part of the filtering of the irradiated X-radiation by a 200 ⁇ m Rhenium (Re) filter, followed by a 20 ⁇ Gold (Au) filter. These simulations are labeled with the suffix "F.”
  • the spectrum of the filtered radiation was also rasterized in 3keV increments.
  • V50F thus refers to a simulation that was based on filtered X-ray radiation and an opening fraction of 50% for the coherence grating Go. For the simulation, it was assumed that the X-ray detector 6 is a quantum-counting detector.
  • the transverse surface 10 of the layout to be generated was first divided into parallel, aligned in the y direction layout strips, each of which a group of 4, 8 and 14 layout strips in the x direction - depending on the desired diffraction properties of the Layouts - extends over one or two grating periods p 1 . According to the value of their calculation
  • Each of these layout strips was assigned a calculated phase deviation, which was then converted into a corresponding material height h for the layout.
  • the layout strips are not necessarily
  • Phase grating Gi generates the interference maxima (in projection along the z axis) centered with respect to a layout stripe or between two layout stripes, is the above
  • Interference maxima per grating period pi is generated, this plurality is in the grid or simulation designation following the letter “c” or “b” by the abbreviation "x2" (for 2 interference maxima per grating period pi), "x3" (for 3 Interference maxima per grating period Pi), etc.
  • x2 for 2-d T
  • x3 for 3-d T
  • the actual sensitivity factor f gives
  • the phase grating d is multistage, then the number of stages is indicated by an abbreviation "L3" (for a three-level grid), "L4" for a four-level grid, etc.
  • binary grids can optionally be designated with the abbreviation "L2.” However, the number of stages in the designation of binary grids is generally omitted.
  • Phase grating Gi and the simulation thus carried out so that the phase grating Gi a from a periodic sequence of eight layout strips, each with a constant material height h
  • L3 three-stage (L3), ie fluctuates between three different levels of material height h.
  • FIGS. 7 to 17 show, as explained below
  • phase grating Gi shown in FIG. 7 is based on the simulation with the designation "% 4c 0.50"
  • Phase grating Gi is a binary ⁇ / 2 grating.
  • phase grating Gi shown in FIG. 8 lies with the simulations with the designations "% 4cx2_0, 50",
  • the phase grating Gi is a binary ⁇ -grating.
  • phase grating Gi is also a binary grid in which
  • adjacent grating strips 12 have one
  • the layouts of the phase grating Gi shown in FIGS. 10 to 12 are the simulations with the designation
  • Each of the three layouts will produce one layout layout consisting of 8 layout strips (four layout strips per grid period pi),
  • Grating strip 12 of the layout is increased, so that there is a 2 ⁇ increased phase shift.
  • the phase deviation thus changes from (l, 0,2,0) / 2 ⁇ 2 ⁇ to (l, 0,4,0) / 2 ⁇ 2 ⁇ (see TAB 1.1 in Appendix 1).
  • Material height h of the first and third layout strip (corresponding to the first and third respectively
  • Phase-shifting sequence (2, 1, 5, 1) / 2 ⁇ 2 ⁇ thus changes into (0, 1, 3, 1) / 2 ⁇ 2 ⁇ (see TAB 1.1 in Appendix 1).
  • FIGS. 13 and 14 are variants of the layout according to FIG. 12
  • Grid bars 14 are provided with kinks DK.
  • Phase grating Gi are the layouts according to FIGS. 13 and 14
  • phase grating Gi shown in FIG. 15 is given to the simulations labeled "% 14b 0.14 L4_inv",
  • FIGS. 16 and 17 are the layouts shown in FIGS. 16 and 17.
  • Grating period pi is a phase sweep sequence of
  • the middle diagram of FIG. 18 shows, in the same representation, the interference pattern which is suitable for a
  • Coherence grating Go outgoing, diffracted partial beams R overlap each other in this interference pattern, whereby good visibility and narrow "shoulders" of the polychromatic intensity profile are achieved.
  • the layouts according to FIGS 12 to 14 (“% 8cx2_l, 00x3_L3_adj -100") have a sensitivity at 3 times Talbot distance, which would have a ⁇ -sliding grid at 6 times the distance 14 but a visibility that reaches a ⁇ -sliding grating at 3 times the distance.Thus, the layouts according to FIG 12 to 14 with a ⁇ -sliding grid even at
  • FIG 19 shows - analogous to the
  • Diagrams of FIG. 18 show the interference pattern that results from the simulant O ⁇ "614b 0.14 L4 inv" for the layout according to FIG was won.
  • the lower diagram of FIG. 19 shows, for the same layout, the interference pattern resulting from the simulation
  • Lattice constant po (“% 14bx2_0, 57 L4_inv") is suggested by weak side maxima, which can be seen in the upper diagram of FIG.
  • FIG. 20 shows - again analogous to the diagrams of FIG. 18 - the interference pattern resulting from the simulation
  • Appendix 1 Properties of the layouts of the phase grating Gi according to FIGS. 7 to 17
  • TAB 1.1 lattice constant pi and geometry of the layout stripes (sequence of phase shifts in the design energy, based on 2 ⁇ , stripe width, based on the lattice constant pi)
  • TAB 1.2 maximum material height h max , base material
  • Annex 3 Performance data of the layouts according to FIGS. 7 to 17 from simulation
  • TAB 3.1 Visibility S for "VOF” (point source, filtered X-ray spectrum), "V50F” (coherence grid Go with 50% aperture, filtered X-ray spectrum) and "V50U” (coherence grid Go with 50% aperture, unfiltered X-ray spectrum) Designation Transmission T
  • the noise represented by the standard deviation ⁇ ⁇ ) is proportional to
  • V - (Imax - Imin) / (Imax - Imin) the values I max and I m i n denote the maxima ⁇ len / minimum intensities depending on the x position of a displaceable Go: ⁇ ⁇ 2 x 1 / (At Io V 2 T), whereby visibility V and the transmission T can each vary within the limits 0-100%.

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Abstract

Es werden eine Phasenkontrast-Röntgenbildgebungsvorrichtung und ein Phasengitter (Gi) für eine solche angegeben. Das Phasengitter (Gi) umfasst eine im Wesentlichen quer zu einer Strahlungseinfallrichtung auszurichtende Transversalfläche (10) die durch eine x-Achse (x) und eine hierzu senkrechte y-Achse (y) aufgespannt ist. Das Phasengitter (Gi) ist gebildet aus einer Vielzahl von Gitterstegen (14) aus einem Basismaterial, die alternierend mit optisch dichteren Zwischenräumen (16) angeordnet sind. Die Gitterstege (14) sind derart ausgebildet, dass sie die Transversalfläche (10) in jeweils in y-Richtung langgestreckte Gitterstreifen (12) gliedern, die in x-Richtung parallel nebeneinander aufgereiht sind. Das Phasengitter (Gi) weist in jedem Gitterstreifen (12) entlang einer senkrecht zu der Transversalebene (10) ausgerichteten z-Achse (z) eine homogene Gesamtstärke (h) an dem Basismaterial auf, die zwischen benachbarten Gitterstreifen (12) stets verschieden ist. Mindestens ein Gittersteg (14) erstreckt sich innerhalb der Transversalfläche (10) über mehrere Gitterstreifen (12).

Description

Beschreibung
Phasenkontrast-Röntgenbildgebungsvorrichtung und Phasengitter für eine solche
Die Erfindung betrifft eine Phasenkontrast-Röntgenbild- gebungsvorrichtung, also eine Röntgenvorrichtung für eine Phasenkontrastbildgebung . Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Phasengitter für eine solche. Die Vorrichtung und das Phasengitter sind dabei insbesondere für eine
Phasenkontrastbildgebung im Medizinbereich vorgesehen.
Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung im Allgemeinen, und Röntgenstrahlung im Speziellen, mit einem Medi- um wird üblicherweise durch Angabe eines komplexen Brechungs¬ index beschrieben. Realteil und Imaginärteil des Brechungsin¬ dex sind dabei jeweils abhängig von der materiellen Zusammensetzung des Mediums, dem der komplexe Brechungsindex zugeord¬ net ist. Während der Imaginärteil die Absorption der elektro- magnetischen Strahlung in dem Medium wiedergibt, beschreibt der Realteil des Brechungsindex die materialabhängige Phasen¬ geschwindigkeit, und damit die Brechung der elektromagneti¬ schen Strahlung. Derzeit eingesetzte Röntgenbildgebungsvorrichtungen detektie- ren meist ausschließlich die materialabhängige Strahlungsab¬ sorption in einem zu untersuchenden Objekt, wobei die Intensität der durch das Objekt transmittierten 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 derzeit 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 dem bekannten Talbot-Lau-Interferometer sind entlang einer optischen Achse eine Röntgenstrahlungsquelle, ein Phasen¬ gitter (oder Beugungsgitter) d, ein Analysegitter (oder Absorptionsgitter) G2 und ein aus einer Vielzahl von Pixeln aufgebauter Röntgendetektor angeordnet. Häufig ist zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Phasengitter zusätzlich ein Kohärenzgitter Go angeordnet, das zur Sicherstellung einer ausreichenden räumlichen Kohärenz der Röntgenstrahlung dient. Das Kohärenzgitter kann entfallen, wenn die Röntgenstrahlungsquelle bereits von Haus aus in hinreichend guter Näherung als punktförmig betrachtet werden kann.
Als Phasengitter wird dabei allgemein ein optisches Bauteil bezeichnet, das die Phasenlage eines darauf einfallenden Strahlungsbündels quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung in einer räumlich periodischen Weise verändert, wodurch die
Strahlung nach dem Durchlaufen des Phasengitters auf dem Analysegitter ein - in der Regel streifenförmiges - Interferenzmuster bildet. Die Periodenlänge des Kohärenzgitters ist der¬ art gewählt, dass die Interferenzmaxima der von den einzelnen Spalten des Kohärenzgitters jeweils ausgehenden Lichtbündel aufeinander abgebildet werden.
Das Analysegitter ist in einem Abstand di2 zu dem Phasengit¬ ter angeordnet, der dem Ein- oder Mehrfachen des Talbot- Abstands dT entspricht (di2 = k-dT; mit k = 1,2,3,...) . Hier¬ durch wird mittels des durch das Phasengitter erzeugten Interferenzmusters (sofern das Phasengitter durch eine ebene Welle bestrahlt wird) die Struktur des Phasengitters auf das Analysegitter abgebildet.
Das bekannte Phasengitter weist eine gleichmäßige gestreifte Struktur aus Gitterstegen aus einem optisch vergleichsweisen dünnen Basismaterial (hier Silizium) und dazwischenliegenden Zwischenräumen auf. Die Zwischenräume sind bei üblichen Pha¬ sengittern entweder leer (luftgefüllt) oder mit nichtmetallischem Material wie z.B. Photolack gefüllt. Da für Röntgenstrahlen der Realteil des Brechungsindex in allen Ma- terialien kleiner als Eins ist, stellen die Zwischenräume für Röntgenstrahlen - anders als für sichtbares Licht - im Ver¬ gleich zu den Gitterstegen stets das optisch dichtere Medium dar. Der Begriff „optisch" wird hier und im Folgenden auch im Sinne von „röntgenoptisch" verwendet, bezieht sich somit auch auf die Wellenausbreitung von Röntgenstrahlung.
Bei dem bekannten Phasengitter bilden die Gitterstege mit den dazwischenliegenden Zwischenräumen in einer quer zur Einfallrichtung der Röntgenstrahlung auszurichtenden Transversalflä- che eine Struktur aus nebeneinanderliegenden Gitterstreifen, wobei das Basismaterial in jedem dieser Gitterstreifen in Einfallsrichtung der Röntgenstrahlung eine konstante Stärke (Materialhöhe h) aufweist, die aber zwischen benachbarten Gitterstreifen stets verschieden ist. In den von den Gitter- Stegen gebildeten Gitterstreifen hat die Materialhöhe einen positiven Wert. In den von den Zwischenräumen gebildeten Gitterstreifen hat die Materialhöhe dagegen regelmäßig den Be¬ trag Null. Bei den üblicherweise eingesetzten Phasengittern handelt es in der Regel um binäre (zweistufige) Gitter, bei denen alle Gitterstege eine gleiche (erste) Materialhöhe aufweisen, und bei dem alle Zwischenräume eine gleiche (zweite) Materialhöhe (insbesondere h=0) aufweisen. Bei einem solchen Gitter wird die Phasenlage der einfallenden Röntgenstrahlung durch die variierende Materialhöhe derart beeinflusst, dass die Rönt¬ genstrahlung nach dem Durchlauf durch das Phasengitter (von Übergangseffekten abgesehen) in genau zwei Teilbündel mit jeweils gleicher, untereinander aber verschiedener Phasenlage geteilt wird. Die herkömmlicherweise eingesetzten Phasengit¬ ter erzeugen in der Regel einen Phasenhub zwischen den beiden Teilbündeln, der der Hälfte oder einem Viertel der Wellenlänge entspricht. Phasengitter des erstgenannten Typs werden auch als π-Gitter, Phasengitter des letztgenannten Typs auch als π/2-Gitter bezeichnet.
Mittels des Röntgendetektors wird die Intensitätsverteilung des Interferenzmusters detektiert. Die Periode des durch das Phasengitter verursachten Interferenzmusters ist allerdings typischerweise deutlich kleiner als die Größe der Pixel des Röntgendetektors, so dass eine direkte Erfassung des Interfe¬ renzmusters mit dem Röntgendetektor regelmäßig nicht möglich ist. Um dennoch das Interferenzmuster vermessen zu können, ist dem Röntgendetektor daher üblicherweise das Analysegitter vorgeschaltet, mit dessen Hilfe das Interferenzmuster durch eine räumlich-periodische Ausblendung von Röntgenstrahlung abgetastet werden kann. Hierzu wird das Analysegitter in ei- ner Ebene senkrecht zur optischen Achse und der Struktur des Interferenzmusters verschoben. Alternativ zu dem Analysegit¬ ter können auch das Kohärenzgitter oder das Phasengitter verschoben werden. Für die Phasenkontrastbildgebung wird das zu untersuchende
Objekt zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (und dem gegebe¬ nenfalls vorhandenen Kohärenzgitter) einerseits und dem Phasengitter andererseits positioniert. Alternativ hierzu kann das Objekt auch zwischen dem Phasengitter und dem Analysegit- ter positioniert werden. In beiden Fällen verursacht das Ob¬ jekt eine ortsabhängig variierende Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung, die das durch das Phasengitter erzeugte Interferenzmuster messbar verändert. Das veränderte Interfe¬ renzmuster wird auf die oben beschriebene Weise mittels des Röntgendetektors detektiert. Aus der gemessenen Intensitäts¬ verteilung des Interferenzmusters wird dann auf die ortsab¬ hängige 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 Absorptions¬ kontrastbild verrechnet, um das Bildrauschen zu reduzieren.
Der gewünschte Vorteil der Phasenkontrast-Röntgenbildgebung besteht darin, dass sich Strukturen im Weichteilgewebe (ins¬ besondere Gewebe, Wasser und Körperfette) im Phasenkontrast in der Regel stärker voneinander abheben als im Absorptionskontrast . Allerdings verursachen Talbot-Lau-Interferometer aufgrund der nötigen Gitter - je nach Absorptionsverhalten der Gitter - entweder einen vergleichsweise starken Intensitätsverlust (und bedingen somit eine hohe Röntgendosis ) oder eine ver¬ gleichsweise schlechte Sichtbarkeit des Interferenzmusters (und somit eine schlechte Auflösung der Phasenkontrastmes- sung) . Zudem weisen Talbot-Lau-Interferometer aufgrund der Gitter häufig eine vergleichsweise starke chromatische Selek¬ tivität auf. Typischerweise funktionieren die Gitter nur in einem engen Wellenlängenbereich um eine bestimmte Design- Wellenlänge gut, für die das jeweilige Gitter ausgelegt. An¬ teile der Röntgenstrahlung mit abweichenden Wellenlängen (und Quantenenergien) sind hierbei häufig nicht für die Bildgebung nutzbar oder vermindern die Bildqualität. Einer Optimierung der optischen Eigenschaften von herkömmlichen Phasengittern sind enge Grenzen gesetzt dadurch, dass komplexe Gitterstrukturen oft nicht oder zumindest nicht mit zu rechtfertigendem Aufwand herstellbar sind. Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Phasenkontrast- Röntgenbildgebung zu verbessern.
Bezüglich eines Phasengitters für eine Phasenkontrast- Röntgenbildgebungsvorrichtung wird diese Aufgabe erfindungs- gemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer Phasenkontrast-Röntgenbildgebungsvorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des An¬ spruchs 8. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderi- sehe Ausgestaltungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Das erfindungsgemäße Phasengitter weist eine Transversalflä¬ che 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 Strahlungs- einfallrichtung definiert eine z-Achse des Phasengitters, die in der vorgesehenen Einbauposition des Phasengitters insbesondere parallel zu einer optischen Achse der Röntgenbildge- bungsvorrichtung ausgerichtet ist. Die Transversalfläche kann hierbei (als mathematisch abstrakte Struktur) innerhalb des von dem Phasengitter eingenommenen Raumvolumens grundsätzlich an beliebiger z-Position (d.h. Position entlang der z-Achse) definiert werden. Lediglich beispielhaft wird im Folgenden angenommen, dass die Transversalfläche durch die „vordere" Stirnfläche des Phasengitters gebildet ist, über die die Strahlung in das Phasengitter einfällt.
Die vorstehend eingeführten Achsen spannen ein karthesisches Koordinatensystem auf. Die durch die Orientierung (Pfeilrichtung) der x-, y- und z-Achse definierten Raumrichtungen sind dabei nachfolgend als (positive) x-, y- bzw. z-Richtung be¬ zeichnet. Die jeweils entgegengesetzten Raumrichtungen sind als (negative) x-, y- bzw. z-Richtung bezeichnet. Positionen auf der x-, y- und z-Achse sind als x-, y, bzw. z-Positionen bezeichnet .
Analog zu herkömmlichen Phasengittern weist auch das erfindungsgemäße Phasengitter eine Vielzahl von Gitterstegen aus einem optisch vergleichsweise dünnen Basismaterial auf, wobei diese Gitterstege durch optisch dichtere Zwischenräume ge- trennt sind. An sich ebenso wie bei herkömmlichen Phasengit¬ tern sind die Gitterstege derart ausgebildet, dass sie die Transversalfläche in langgestreckte Gitterstreifen gliedern, die in x-Richtung parallel nebeneinander aufgereiht sind und sich in y-Richtung jeweils über die gesamte Transversalfläche ziehen. Diese Gitterstreifen sind dabei dadurch charakterisiert, dass das Phasengitter in jedem Gitterstreifen entlang der z-Achse (und somit in Einfallsrichtung der Röntgenstrah- lung) eine homogene (d.h. überall gleiche) Gesamtstärke an dem Basismaterial aufweist, die aber zwischen benachbarten Gitterstreifen stets verschieden ist. Wie bereits eingangs eingeführt, ist die Gesamtstärke des über einem bestimmten Punkt der Transversalfläche entlang der z-Achse vorhandenen Basismaterials auch als „Materialhöhe" bezeichnet. Die Mate¬ rialhöhe kennzeichnet hierbei die optische Weglänge des Pha¬ sengitters an dem zugehörigen Punkt der Transversalfläche.
Abweichend von herkömmlichen Phasengittern sind bei dem er- findungsgemäßen Phasengitter die von den Gitterstegen und
Zwischenräumen innerhalb der Transversalfläche jeweils einge¬ nommenen Flächenbereiche aber nicht deckungsgleich mit den Gitterstreifen. Mit anderen Worten existiert keine Eins-zuEins-Zuordnung zwischen Gitterstreifen einerseits und Gitter- Stegen bzw. Zwischenräumen andererseits. Vielmehr erstreckt sich innerhalb der Transversalfläche mindestens einer der Gitterstege über mehrere Gitterstreifen.
Da die Gitterstege, bedingt durch die einzuhaltenden Zwi- schenräume, zumindest näherungsweise parallel verlaufen müs¬ sen, erstreckt sich die gitterstreifen-übergreifende Eigen¬ schaft zwangsweise auf alle Gitterstege (mit Ausnahme von Randeffekten, nämlich etwaigen Gitterstegen an den Rändern der Transversalfläche, die sich aufgrund ihrer Randlage nur über einen Gitterstreifen erstrecken können) . Vorzugsweise erstrecken sich insbesondere - wiederum von Randeffekten abgesehen - alle Gitterstege regelmäßig über eine Vielzahl von Gitterstreifen, insbesondere über alle Gitterstreifen. Die Idee, die Gitterstege des Phasengitters gitterstreifen- übergreifend auszubilden, ermöglicht erkanntermaßen die Konstruktion von Gitterstrukturen mit komplexer räumlicher Verteilung der Materialhöhe über der Transversalfläche, die in herkömmlichem Design nicht oder allenfalls mit hohem Aufwand gefertigt werden könnten. Das gitterstreifen-übergreifende Layout der Gitterstege hat zur Folge, dass es sich bei den Gitterstreifen des erfindungsgemäßen Phasengitters - anders als bei herkömmlichen Phasengittern - um mathematischabstrakte Strukturen handelt, die in der Regel nicht unmit¬ telbar durch körperliche Strukturen des Phasengitters abge¬ bildet werden. Die Gitterstreifen sind vielmehr ausschließlich durch die vorstehend beschriebene räumliche Verteilung der Gitterhöhe und die damit verbundenen optischen Eigenschaften des Phasengitters definiert. Die Gitterstreifen ha¬ ben in einfachen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gitters vorzugsweise in x-Richtung eine homogene (d.h. für alle Gitterstreifen gleiche) Breite. Allerdings können im Rahmen der Erfindung die Gitterstreifen auch unterschiedliche Breite aufweisen. Wie nachfolgend gezeigt, sind solche Ausführungs¬ formen des Phasengitters unter bestimmten Vorgaben sogar besonders vorteilhaft. Die Gitterstege sind vorzugsweise aus Gold, Nickel oder Sili¬ zium gebildet. Die Zwischenräume sind wahlweise durch (luft- oder flüssigkeitsgefüllte) Lücken oder durch Zwischenstege aus einem optisch vergleichsweise dichten Feststoff (also ei¬ nem Feststoff mit für Röntgenstrahlen vergleichsweise großem Realteil des Brechungsindex), z.B. aus Photolack, gebildet.
Das Phasengitter ist vorzugsweise in einem photolithographischen Herstellungsverfahren, insbesondere dem sogenannten LIGA (Lithographie-Galvanik-Abformung- ) -Verfahren oder mittels reaktivem Ionen-Ätzen hergestellt.
Ein einschränkender Faktor für die Herstellung der Phasengitter ist dabei das durch Herstellungsverfahren begrenzte
Aspektverhältnis, das bei gegebener Gitterhöhe in z-Richtung durch die einzuhaltenden Minimalabstände zwischen den Seitenwänden der Gitterstege bestimmt ist, nämlich durch die mini¬ male Stärke der Gitterstege sowie die minimale Stärke der Zwischenräume . In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung sind die Gitterstege dabei derart ausgebildet, dass sie innerhalb der Transversalfläche mit diagonaler (also in einem 0° überstei- genden und 90° unterschreitenden Winkel zu der y-Achse ste¬ hender) Vorzugsrichtung über mehrere Gitterstreifen verlaufen. Die Vorzugsrichtung ist dabei durch die über mehrere Gitterstreifen gemittelte Orientierung der Gitterstege innerhalb der Transversalfläche gebildet. Lokal, d.h. innerhalb eines einzelnen Gitterstreifens, können die Gitterstege auch parallel zu der x-Achse oder der y-Achse verlaufen. Insbesondere kann der hinsichtlich seiner Vorzugsrichtung diagonal über die Transversalfläche verlaufende Gittersteg stufenartig aus Abschnitten zusammengesetzt sein, die alternierend paral- lel zu der x-Achse bzw. der y-Achse ausgerichtet sind.
Erkanntermaßen können durch das vorstehend beschriebene dia¬ gonale Layout der Gitterstege bei gegebener Gitterhöhe und gegebenen Beugungseigenschaften der Gitterstreifen besonders große Minimalabstände zwischen den Seitenwänden der Gitterstege - sowohl innerhalb der Gitterstege als auch zwischen benachbarten Gitterstegen - eingehalten werden. Dies ermöglicht wiederum die Fertigung von Phasengittern mit besonders großer Gitterhöhe in z-Richtung oder besonders geringer Brei- te der Gitterstreifen. Solche Phasengitter ermöglichen die Realisierung von Phasenkontrast-Röntgenbildgebungs- vorrichtungen mit besonders geringer Einbaulänge und besonders hoher Empfindlichkeit. In bevorzugter Ausführung sind die Gitterstege jeweils nach
Art von in y-Richtung geneigten schiefen Prismen geformt, deren Grundfläche und Deckfläche jeweils in den zur Transver¬ salfläche parallelen Stirnflächen des Phasengitters liegen. In dieser Ausführung wird das Phasengitter insbesondere durch ein photolithographisches Verfahren, insbesondere LIGA, unter Schrägbelichtung der Photolackschicht durch Röntgenstrahlung hergestellt. Die Grundfläche und die gegenüberliegende Deck¬ fläche des Prismas haben hierbei in der Regel jeweils eine komplexe, polygonale Form. An den Seitenrändern des Phasengitters können die Gitterstege im Rahmen der Erfindung - abweichend von einer reinen Prismenform - zur Bildung von in z- Richtung ausgerichteten Randflächen abgeschnitten sein.
Die Gitterstege sind insbesondere derart ausgebildet und an¬ geordnet, dass in jedem Gitterstreifen eine sich in y- Richtung mit einer y-Periodenlänge wiederholende Material¬ struktur ergibt. Die Gitterstege sind also derart gestaltet, dass sie in einem Gitterstreifen stets parallelverschobene, kongruente und gleichmäßig beabstandete Flächenabschnitte einnehmen. Die Gitterstege sind dabei derart in y-Richtung geneigt, dass die zu der Grundfläche entgegengesetzte Deck¬ fläche eines jeden Gitterstegs gegenüber der Grundfläche um eine ganze Anzahl von Periodenlängen, insbesondere um genau eine Periodenlänge versetzt ist. Die beiden in z-Richtung ge¬ genüberliegenden Stirnflächen des Phasengitters weisen somit ein identisches Layout, also eine identische, aus Gitterste¬ gen und Zwischenräumen gebildete Materialstruktur auf.
Vorzugweise sind die Seitenflächen der Gitterstege, über die die Gitterstege an die benachbarten Zwischenräume angrenzen, jeweils alternierend gebildet aus ersten Teilflächen, die pa¬ rallel zur y-Achse ausgerichtet sind, und zweiten Teilflä- chen, die parallel oder diagonal zur x-Achse ausgerichtet sind. Die ersten und zweiten Teilflächen sind hierbei vorzugsweise jeweils durch ebene (ungekrümmte) Flächenabschnitte gebildet. Die zweiten Flächenabschnitte erstrecken sich in¬ nerhalb der Transversalfläche zweckmäßigerweise stets über eine ganze Anzahl von Gitterstreifen. Der Übergang zwischen ersten und zweiten Teilflächen einer Seitenfläche fällt somit vorzugsweise jeweils mit dem Übergang zwischen zwei Gitter¬ streifen zusammen. Die vorstehend erwähnte diagonale Anstellung der zweiten
Teilflächen der Gitterstege gegen die x-Achse ist vorteil¬ haft, zumal sich hierdurch vergleichsweise flache Winkel zwi¬ schen ersten und zweiten Teilflächen desselben Gitterstegs ergeben, wodurch die fertigungstechnisch durch
Eckenverrundung bedingte Störung der Gitterstruktur klein gehalten wird. Der den Anstellwinkel der Gitterstege gegen die die x-Achse charakterisierende Gradient g = Δγ/Δχ in der Transversalfläche ist hierbei vorzugsweise derart gewählt, dass sein Absolutbetrag 0,5 nicht überschreitet (0 < |g| < 0,5) . Dieser Gradient g ist nachfolgend auch als „Offset- Steigung" bezeichnet. Innerhalb desselben Gitterstreifens verlaufen zweckmäßigerweise alle zweiten Teilflächen (d.h. die zweiten Teilflächen aller Gitterstege, die diesen Gitterstreifen durchqueren) parallel, also in x-Richtung oder diagonal mit gleicher Offset- Steigung. In verschiedenen Gitterstreifen können die zweiten Teilflächen der Gitterstege im Rahmen der Erfindung allerdings unterschiedliche Offset-Steigungen aufweisen. Da die Offset-Steigung hierbei jeweils die beiden Materialkanten eines Gitterstegs in einem Gitterstreifen gleichermaßen betrifft, ändert sie die in diesem Gitterstreifen codierte Pha- senverschiebung nicht.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform des Phasengitters verläuft jeder Gittersteg innerhalb der Transversalfläche in al¬ ternierenden Abschnitten mit diagonaler Vorzugsrichtung in positiver y-Richtung und in negativer y-Richtung. Die Gitterstege weisen also Knickstellen auf. Bevorzugt sind die Git¬ terstege in regelmäßigen Abständen entlang der x-Achse alternierend gegensätzlich geknickt, so dass der jeweilige Gitter¬ steg innerhalb der Transversalfläche mäandrieren um die x- Achse läuft. Durch das ein- oder mehrfach geknickte Layout für die Gitterstege werden bei der Herstellung des Phasengit¬ ters im LIGA-Verfahren die zunächst durch Belichtung mit Röntgenstrahlung und anschließende Entwicklung herausgearbei¬ teten Zwischenstege aus Photolack mechanisch stabilisiert.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Phasengitter als binäres (zweistufiges) Gitter ausgestaltet sein, bei dem die Materialhöhe in x-Richtung (d.h. mit der Abfolge der aneinan- dergereihten Gitterstreifen) alternierend zwischen genau zwei Werten hin- und herspringt. Bevorzugt ist das erfindungsgemä¬ ße Phasengitter allerdings als mehrstufiges Gitter ausgebil¬ det. Der Begriff „mehrstufig" ist hier und im Folgenden im Sinne von „mehr als zweistufig" gebraucht und bezeichnet so¬ mit ein Phasengitter, bei dem die Materialhöhe zwischen mindestens drei Werten wechselt. Mit einem mehrstufigen Phasengitter lassen sich erkanntermaßen besonders günstige optische Eigenschaften erzielen. So lässt sich für ein solches Phasen- gitter ein höherer Wert für das Produkt aus Empfindlichkeit und Sichtbarkeit erzielen als für herkömmliche binäre Phasen¬ gitter. Insbesondere lässt sich bei einem mehrstufigen Gitter die chromatische Selektivität des Phasengitters besonders ge¬ ring halten. Es kann somit einerseits bei gegebener Empfind- lichkeit durch die vorstehend beschriebene Gestaltung des
Phasengitters die Sichtbarkeit erhöht werden, weil das Pha¬ sengitter polychromatische Röntgenstrahlung besser toleriert. Andererseits kann die Empfindlichkeit erhöht werden, ohne im Vergleich zu einem herkömmlichen Phasengitter die Sichtbar- keit zu beeinträchtigen. Da die für die Erzielung einer vorgegebenen Bildqualität erforderliche Röntgendosis quadratisch mit dem Produkt aus Empfindlichkeit und Sichtbarkeit zusam¬ menhängt, ermöglicht die erfindungsgemäße Gestaltung des Pha¬ sengitters eine erhebliche Reduzierung der Röntgendosis, ohne dass dies durch einen Verlust an Bildqualität in Kauf genom¬ men werden müsste.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind bei dem Phasengitter oder der damit ausgestatteten Phasenkontrast- Röntgenbildgebungsvorrichtung ferner ein oder mehrere der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungsmerkmale verwirklicht, um die optischen Eigenschaften des Phasengitters zu optimie¬ ren : (1) Reduzierung der Periode des Kohärenzgitters:
Vorzugsweise ist das Phasengitter derart gestaltet, dass es (bei Bestrahlung mittels einer punktförmigen Röntgenstrahlen- quelle) schmale Interferenzmaxima in der Ebene des Analyse¬ gitters erzeugt, deren Breite ein Viertel der Periodenlänge P2 des Analysegitters unterschreitet. Dies ermöglicht es, die Periodenlänge o des Kohärenzgitters im Vergleich zu üblichen Designs auf einen Bruchteil zu reduzieren (z.B. zu halbieren, zu dritteln, etc.) . Das Kohärenzgitter wird somit derart ge¬ staltet, dass die Interferenzmaxima zweier von benachbarten Spalten des Kohärenzgitters ausgehender Strahlungsbündel ver¬ setzt zueinander auf das Analysegitter abgebildet werden. Hierdurch werden zwischen je zwei Interferenzmaxima eines
Strahlungsbündels eine entsprechende Anzahl von weiteren In¬ terferenzmaxima erzeugt. Mithin wird die - auch als
Multiplizität m bezeichnete - Anzahl der pro Periode des Pha¬ sengitters erzeugten Interferenzmaxima erhöht. Dies erhöht die Empfindlichkeit, ohne dass die Breite des Spektrums ein¬ geschränkt würde.
Beispielsweise wird im Vergleich zu dem typischen Aufbau ei¬ ner herkömmlichen Phasenkontrast- Röntgenbildgebungsvorrichtung die Periodenlänge po des Kohä¬ renzgitters halbiert (was einer Verdoppelung der
Multiplizität entspricht) . Entsprechend wird die Periodenlän¬ ge P2 des Analysegitters halbiert, wohingegen der Abstand di2 zwischen dem Phasengitter und dem Analysegitter vorzugsweise beibehalten wird. Hierdurch werden die Empfindlichkeit S verdoppelt und der Empfindlichkeitsfaktor f des Phasengitters vervierfacht .
Die Phasengitter, die sich für diese Konstruktion eignen, ha- ben oft zunächst nur z.B. den halben
Empfindlichkeitsfaktor f=k/4 im Vergleich zu herkömmlichen π- Gittern ( für die f=k/2 gilt) . Durch die Halbierung von p0 und P2 erreichen diese Phasengitter jedoch mit f=k im Vergleich zu π-Gittern den doppelten Empfindlichkeitsfaktor.
Detail-Hinweise : - Die Streifenanzahl des Phasengitters pro Periode und die Anzahl der von dem Phasengitter auf dem Analysegitter pro Periode des Phasengitters erzeugten Interferenzmaxi- ma (bei paralleler Beleuchtung) müssen keine gemeinsamen Teiler aufweisen. Ein Phasengitter mit 7 Streifen gleicher Breite Pi/7 pro Periodenlänge pi kann beispielswei¬ se auf dem Analysegitter 2 oder 3 Interferenzmaxima pro Periode des Phasengitters hervorrufen (im Abhängigkeit von dem gewählten Abstand di2) ·
- Materialhöhen können zunächst derart bestimmt oder aus¬ legt werden, dass in dem Abstand di2 alle Strahlen an einer x-Position mit derselben Phase eintreffen. Bei fester x-Position auf dem Analysegitter gilt dies für alle Perioden des Phasengitters. Je mehr Streifen es pro Gitterperiode gibt, desto mehr ähnelt diese Konstruktion einer diskretisierten Linse. Diese x-Stelle auf dem Ana¬ lysegitter kann (wiederum bei paralleler Beleuchtung) auf dem Phasengitter z.B. einer Streifenmitte („c" = „center") oder einer Streifengrenze („b" = „border") entsprechen. Interessanterweise ergeben sich auch sinnvolle Gitter mit zum Teil größerem Empfindlichkeitsfaktor f, wenn man „einen Vorzeichenfehler begeht" und die Phasenverschiebungen ΔΦ jedes Streifens ersetzt durch 2π—ΔΦ. Hat man für k=l eine Gitter-Geometrie, so kann es sinnvoll werden, diese bei k>l jeweils lokal für eine Änderung zu optimieren, nacheinander Streifenbreiten unterschiedlich zu wählen oder Phasenverschiebungen je Streifen anzupassen. Diese lokalen Optimierungen werden insbesondere angewendet, um das Phasengitter an ein kon¬ kret vorgegebenes polychromatischem Spektrum der einzustrahlenden Röntgenstrahlung anzupassen.
- Optimale Materialhöhen und Streifenbreiten können, insbesondere wenn der Abstand di2 zwischen dem Phasengitter und dem Analysegitter einem Mehrfachen des Talbot- Abstandes entspricht (k > 1), leicht von den analytisch ermittelten Materialhöhen und Streifenbreiten abweichen. Dies kann sinnvoll sein, um den Aufbau besser an das konkrete Röhrenspektrum anzupassen.
- Die Reduzierung der Periode des Kohärenzgitters ist auch dann möglich (und sogar besonders sinnvoll) , wenn zwi¬ schen den ursprünglichen schmalen, aber intensiven
Hauptmaxima des Interferenzmusters noch weitere schwä¬ chere Interferenzmaxima vorkommen, die aber bei Reduzie¬ rung der Periode des Kohärenzgitters mit den verschobe- nen Hauptmaxima zusammenfallen (und damit plötzlich positiv zur Sichtbarkeit beitragen) .
Die vorstehend beschriebene Reduzierung der Periode des Kohärenzgitters stellt eine eigenständige Erfindung dar, die grundsätzlich auch vorteilhaft bei Phasenkontrast- Röntgenbildgebungsvorrichtungen mit andersartigen (nicht erfindungsgemäßen) Phasengittern einsetzbar ist, sofern diese Phasengitter hinreichend schmale Interferenzmaxima erzeugen .
(2) Reduktion von Farbfehlern durch Verschieben der Phase um Mehrfache von 2π:
Wird die Materialhöhe an bestimmten Gitterstreifen um ein Höhenintervall Ah = δ · λ0 erhöht oder erniedrigt (wobei δ ein Dekrement im komplexen Brechungsindex des Basismaterials mit n = Ι-δ+iß ist) , so wird die Phase eines durch diese Gitter¬ streifen transmittierten Teilstrahls von Röntgenstrahlung der Design-Energie λ0 um 2π gegenüber einem Teilstrahl, der eine um Ah geringere bzw. größere Materialhöhe durchläuft, ver¬ schoben. Entsprechend wird die Wellenfront des durch den er¬ höhten Gitterstreifen transmittierten Teilstrahls um eine Wellenlänge verschoben. Diese Modifikation lässt die opti¬ schen Eigenschaften des Phasengitters bei der Design-Energie unverändert. Allerdings verhält sich das solchermaßen modifi¬ zierte Gitter bei abweichenden Energien (bzw. Wellenlängen) der Röntgenstrahlung anders. Da lediglich Unterschiede der Materialhöhe zwischen den be¬ nachbarten Gitterstreifen zählen, kann die Materialhöhe aller Gitterstreifen dabei stets verkürzt werden, so dass die Git¬ terstreifen mit der geringsten Materialhöhe eine verschwin- dende Materialhöhe (h « 0) erhalten.
Beispielsweise sei angenommen, dass die Gitterstreifen des Phasengitters in regelmäßiger Abfolge die drei Materialhöhen h0 = 0, hi = ΙΟμη und h2 = 30μη aufweisen, und dass das Höhen- intervall Ah den Wert 50μη hat.
In diesem Fall kann die Materialhöhe h0 um das Höhenintervall Ah auf h0 = 50μη erhöht werden. In einem weiteren Schritt können die Materialhöhen h0, hi, h2 um je ΙΟμη gekürzt werden, so dass die Materialhöhe hi den Wert Null annimmt: h0 = 40μιη, hi = 0 und h2 = 20μιη. In ähnlicher Weise können in weiteren Schritten die Materialhöhe hi um das Höhenintervall Ah auf hi = 50μη erhöht, und die Materialhöhen h0, hi, h2 um je 20μm ge¬ kürzt werden, so dass die Materialhöhe h2 den Wert Null an- nimmt: h0 = 20μιη, hi = 30μm und h2 = 0. Alle vorstehend be¬ schriebenen Modifikationen der Gitterstruktur können hierbei vorgenommen werden, ohne die optischen Eigenschaften des Phasengitters bei der Design-Wellenlänge zu ändern. Bei einem L-stufigen Phasengitter, bei dem die Gitterstreifen des Phasengitters L (mit L = 2,3,4,...) verschiedene Material¬ höhen aufweisen, sind auf diese Weise L verschiedene Modifi¬ kationen desselben Gittertyps erzeugbar. Selbst bei binären Phasengittern (mit L = 2) - allerdings nicht bei π-Gittern und π/2-Gittern - wirkt das modifizierte Gitter anders auf
Röntgenstrahlung mit von der Design-Wellenlänge abweichender Wellenlänge als das ursprüngliche Phasengitter.
Mitunter hat es sich ferner als vorteilhaft für die Sichtbar- keit unter Bestrahlung des Phasengitters mit
polychromatischer Röntgenstrahlung herausgestellt, auch die Materialhöhe solcher Gitterstreifen, die bereits ursprünglich eine von Null verschiedene Materialhöhe aufweisen, um das Ein- oder Mehrfache des Höhenintervalls Ah zu überhöhen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 in einer grob schematischen Schnittdarstellung eine Phasenkontrast-
Röntgenbildgebungsvorrichtung mit einem Phasen- gitter,
FIG 2 in schematischer Ansicht auf eine Transversal¬ fläche ausschnitthaft ein Layout für das Pha¬ sengitter, wobei die Transversalfläche von dia- gonal verlaufenden Gitterstegen aus einem Basismaterial und dazwischen angeordneten Zwischenräumen durchzogen ist, und wobei die
Transversalfläche in eine Anzahl paralleler Gitterstreifen gegliedert ist, wobei das Pha- sengitter in jedem Gitterstreifen in Strah- lungsausbreitungsrichtung eine konstante, zwischen benachbarten Gitterstreifen aber verschiedene Gesamtstärke (Materialhöhe) an dem Basismaterial aufweist,
FIG 3 bis 17 in Darstellung gemäß FIG 2 alternative Layouts für das Phasengitter,
FIG 18 in drei übereinander angeordneten Diagrammen der Röntgenintensität über der y-Achse das In¬ terferenzmuster des Phasengitters gemäß FIG 9 (mittleres Diagramm) und eines dreistufigen Vergleichsgitters (oberes Diagramm) sowie für das Phasengitter gemäß FIG 9 das Interferenz- muster bei halbierter Gitterperiode des Kohä¬ renzgitters (unteres Diagramm) , FIG 19 in zwei übereinander angeordneten Diagrammen gemäß FIG 18 das Interferenzmuster des Phasengitters gemäß FIG 15 bei standardgemäßer Git¬ terkonstante des Kohärenzgitters (oberes Dia¬ gramm) sowie bei gedrittelter Gitterkonstante des Kohärenzgitters (unteres Diagramm) , und
FIG 20 in einem Diagramm gemäß FIG 18 das Interferenzmuster des Phasengitters gemäß FIG 17.
Einander entsprechende Teile, Größen und Strukturen 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 Go, ein Phasengitter d, ein Analysegitter G2 sowie einen aus einer Vielzahl von Pixeln P aufgebauten Röntgendetektor 6. Dem Aufbau lässt sich dabei eine Achse z (nachfolgend als z- Achse oder optische Achse 8 bezeichnet) zuordnen, welche im Falle des Ausführungsbeispiels in einer z-Richtung ausgerich¬ tet ist. Die einzelnen optischen Elemente der Röntgenvorrich- tung 2 sind im Ausführungsbeispiel eben ausgestaltet, entlang dieser optischen Achse 8 angeordnet und jeweils senkrecht zu dieser ausgerichtet.
Die Röntgenvorrichtung 2 ist zur Gewinnung medizinischer Pha- senkontrastbilder vorgesehen. Zur Bildaufnahme wird ein Pati- ent zwischen dem Kohärenzgitter Go 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 Rönt- genvorrichtung 2 nach an sich bekanntem und beispielsweise in „X-ray phase imaging with a grating interferometer, T.
Weitkamp at al . , 8. August 2005/ Vol. 13, No . 16/OPTICS
EXPRESS" beschriebenen Prinzip. Das Kohärenzgitter Go dient zur Sicherstellung einer ausreichenden räumlichen Kohärenz der für die interferometrische Messmethode genutzten Röntgenstrahlung. Es weist eine Gitter- struktur aus - vorzugsweise aus Gold bestehenden - Gitterste¬ gen mit einer (in z-Richtung gemessenen) Gitterhöhe H0, sowie zwischen den Gitterstegen angeordneten angeordneten Schlitzen auf, wobei sich die Gitterstege und Schlitze parallel zu ei¬ ner - senkrecht auf die Achse z stehenden und senkrecht aus der Zeichnungsebene der FIG 1 herausgerichteten - Achse y
(auch y-Achse) erstrecken. In Richtung einer - wiederum senkrecht auf die Achsen z und y stehenden - Achse x (auch x- Achse) bilden die Gitterstege und Schlitze des Kohärenzgit¬ ters Go eine periodische Struktur mit einer Gitterkonstante (Periodenlänge) po- Das Kohärenzgitter Go ist typischerweise in einem Abstand von etwa 10cm zur Röntgenquelle 4 positio¬ niert .
In alternativer Ausgestaltung der Vorrichtung 2 ist anstelle einer räumlich ausgedehnten Röntgenstrahlungsquelle 4 eine in guter Näherung punktförmige Röntgenstrahlungsquelle einge¬ setzt, die bereits hinreichend kohärente Röntgenstrahlung emittiert. In diesem Fall entfällt das Kohärenzgitter Go . Im Betrieb der Vorrichtung 2 emittiert die Röntgenstrahlungs¬ quelle 4 Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie bis etwa 100keV.
In einem Abstand doi in z-Richtung versetzt zum Kohärenzgit- ter Go ist das (in FIG 1 nur grob schematisch angedeutete) Phasengitter d angeordnet. Dieses dient wie bei einem her¬ kömmlichen Talbot-Lau-Interferometer zur Erzeugung eines streifenförmigen Interferenzmusters, wobei sich die (Interfe¬ renz- ) Streifen dieses Interferenzmusters parallel zueinander in y-Richtung erstrecken. Wie in FIG 1 durch gestrichelte Linien lediglich grob angedeutet ist, ist die Gitterkonstante Po des Kohärenzgitters in der standardgemäßen Ausbildung der Vorrichtung 2 derart bemessen, dass Interferenzmaxima von Teilstrahlen R, die von benachbarten Spalten des Kohärenzgitters Go ausgehen, aufeinander abgebildet werden.
Das (nachfolgend näher beschriebene) Phasengitter d hat eine Gitterhöhe Hi und weist zur Erzeugung des Interferenzmusters eine streifenförmige, in x-Richtung mit einer Gitterkonstante (Periodenlänge) pi periodische Variation der optischen
Weglänge auf. In einem Abstand di2 in z-Richtung versetzt zu dem Phasengit¬ ter Gi ist das Analysegitter G2 positioniert, das eine in z- Richtung gemessene Gitterhöhe H2 sowie eine Gitterkonstante (Periodenlänge) p2 aufweist. Das Analysegitter G2 besteht ebenso wie das Kohärenzgitter Go aus streifenförmigen Gitter- Stegen aus Gold und dazwischen gebildeten, streifenförmigen Zwischenräumen .
Die Ausdehnungen der Gitter Gi und G2 in x-Richtung und in y- Richtung sind im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 im Wesentli- chen gleich. Abweichend von der schematischen Darstellung gemäß FIG 1 entspricht die Ausdehnung des Analysegitters G2 in x-Richtung und in y-Richtung tatsächlich etwa der Ausdehnung des Röntgendetektors 6, genauer der von den Pixeln P des Röntgendetektors 6 aufgespannten Detektorfläche.
Die Geometrie des Phasengitters Gi ist charakterisiert durch drei Achsen x,y bzw. z, die in der bestimmungsgemäßen Orientierung des Phasengitters Gi in der Vorrichtung 2 mit den vorstehend eingeführten Achsen x, y und z der Vorrichtung 2 zusammenfallen. Bestimmungsgemäß wird das Phasengitter Gi im Rahmen der Vorrichtung 2 also derart angeordnet, dass seine Achse z parallel zur optischen Achse 8, und somit zu der ge- mittelten Strahlungsausbreitungsrichtung der Vorrichtung 2 angeordnet ist. Die Achsen x und y des Phasengitters Gi span- nen eine sich senkrecht zur Strahlungseinfallrichtung erstreckende Transversalfläche 10 auf. Wie vorstehend erwähnt, wird exemplarisch diejenige Stirnfläche des Phasengitters Gi mit der Transversalfläche 10 identifiziert, die der Röntgenquelle 4 zugewandt ist und an der somit die Röntgenstrahlung in das Phasengitter d einfällt.
Entsprechend der Gitterkonstante pi ist die in FIG 2 aus- schnitthaft in größerem Detail dargestellte Transveralflache 10 des Phasengitters Gi in einzelne langgestreckte Gitter¬ streifen 12 (FIG 2) gegliedert, die sich in y-Richtung jeweils über die gesamte Transversalfläche 10 erstrecken und die in x-Richtung parallel nebeneinander aufgereiht sind.
Zur Beeinflussung der Phasenlage der eingestrahlten Röntgenstrahlung ist das Phasengitter Gi aus einer Anzahl von näherungsweise parallelen Gitterstegen 14 aus einem Basismaterial (z.B. Nickel, Silizium oder Gold) gebildet, zwischen denen Zwischenräume 16 gebildet sind. Bei den Zwischenräumen 16 handelt es sich um luftgefüllte Lücken. Alternativ können die Zwischenräume 16 allerdings auch durch Zwischenstege aus Pho¬ tolack ausgefüllt sein. Die Gitterstege 14 und die gegebenen¬ falls vorhandenen Zwischenstege sind auf einer Grundplatte 17 (FIG 1) des Phasengitters Gi aufgebaut, die parallel zu der Transversalfläche 10 ausgerichtet ist und im Beispiel gemäß FIG 1 exemplarisch die hintere (von der Röntgenquelle 4 abge¬ wandte) Stirnfläche des Phasengitters Gi bildet. Das Phasengitter Gi wird vorzugsweise mittels des LIGA-
Verfahrens hergestellt. Hierzu wird eine strahlungsabsorbie- rende Maske (z.B. aus Gold) über einer auf die Grundplatte 17 aufgebrachten Photolackschicht positioniert und mit Röntgen¬ strahlung (Belichtungsstrahlung) belichtet. Durch anschlie- ßende Entwicklung lösen sich aus der Photolackschicht Füllbe¬ reiche in Form von Löchern oder Gräben heraus, die eine Negativform für die herzustellenden Gitterstege 14 bilden. Diese Füllbereiche werden in einem nachfolgenden Galvanik- Prozessschritt mit dem Basismaterial aufgefüllt. Der in den Zwischenräumen 16 verbleibende Photolack kann nach der Herstellung der Gitterstege 14 zur Bildung der Zwischenstege be¬ lassen 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 Phasengitters Gi sichtbar ist. Ein Beispiel für diese (nachfolgend auch als Layout bezeichnete) Material- struktur ist ausschnitthaft in FIG 2 dargestellt. Die (den Goldstrukturen der Maske entsprechenden) Gitterstege 14 sind hierbei als schraffierte Flächen dargestellt. Die (den Lücken der Maske) entsprechenden Zwischenräume 16 sind als weiße Flächen dargestellt.
Die Gitterstreifen 12 des Phasengitters Gi sind dadurch defi¬ niert, dass das Phasengitter Gi in dem Bereich eines jeden Gitterstreifens 12 (also über jedem Punkt des von dem Gitter¬ streifen 12 abgegrenzten Bereichs der Transversalfläche 10) in z-Richtung (gegebenenfalls in Summe über mehrere Material¬ abschnitte) überall dieselbe Gesamtstärke an dem Basismateri¬ al aufweist. Diese Gesamtstärke ist nachfolgend auch als die dem jeweiligen Gitterstreifen 12 zugeordnete Materialhöhe h bezeichnet. Zwischen verschiedenen Gitterstreifen ist die Ma- terialhöhe h dagegen stets verschieden. Die (als mathemati¬ sche Funktion der x- und y-Position innerhalb der Transversalfläche 10 aufgefasste) Materialhöhe h wechselt also am Übergang zwischen zwei benachbarten Gitterstreifen 12 sprunghaft den Betrag. Mit der Materialhöhe h korreliert der opti- sehe Weg, den jedes Teilbündel der einfallenden Röntgenstrahlung innerhalb des Phasengitters Gi zurücklegt, und somit die Phasenlage des jeweiligen Teilbündels beim Austritt aus dem Phasengitter Gi . Durch die in x-Richtung mit der Gitterkonstante pi periodische Variation der Materialhöhe h wird somit durch das Phasengitter eine ebenso in x-Richtung periodische Modifizierung der Phase der Röntgenstrahlung erzeugt. Hierauf beruht die interferenzerzeugende Gitterwirkung des Phasengit¬ ters Gi. Wie aus der FIG 2 ersichtlich ist, ist die von einem jeden
Gittersteg 14 innerhalb der Transversalfläche 10 jeweils ein¬ genommene Fläche nicht deckungsgleich mit einem der Gitterstreifen 12. Insbesondere verlaufen die Gitterstege 14 und die zwischengeordneten Zwischenräume 16 nicht durchwegs in y- Richtung. Vielmehr erstrecken sich die Gitterstege 14 und die zwischengeordneten Zwischenräume 16 mit diagonaler Vorzugsrichtung über die Transversalfläche 10. Alle Gitterstege 14 haben bis auf etwaige Randeffekte (d.h. abgeschnittene Teil¬ volumina an den Rändern des Phasengitters Gi ) die gleiche Form. Ebenso haben auch alle Zwischenräume 16 bis auf etwaige Randeffekte (also abgeschnittene Teilvolumina an den Rändern des Phasengitters Gi ) die gleiche Form. Die Gitterstege 14 und Zwischenräume 16 sind dabei im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 innerhalb der Transversalfläche 10 in y-Richtung paral¬ lelverschoben zueinander angeordnet, so dass die Material¬ struktur in der Transversalfläche 10 eine Periodizität mit einer Periodenlänge py aufweist. Diese vorstehend beschriebe- ne Ausführung der Gitterstege 14 ist nachfolgend auch als „diagonales Layout" bezeichnet.
Die beiden Seitenflächen 18, über die jeder Gittersteg 14 von dem benachbarten Zwischenraum 16 abgegrenzt ist, sind geglie- dert durch eine Abfolge von ersten Teilflächen 20, die in y- Richtung ausgerichtet sind, und zweiten Teilflächen 22, die in dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 in x-Richtung ausge¬ richtet sind. In jeder der Seitenflächen 18 folgen die ersten Teilflächen 20 und zweiten Teilflächen 22 alternierend aufeinander. Die zweiten Teilflächen 22 erstrecken sich dabei jeweils über die volle Breite einer ganzzahligen Anzahl von Gitterstreifen 12, so dass die ersten Teilflächen 20 stets entlang der Grenzen zwischen zwei Gitterstreifen 12 laufen.
Das Phasengitter Gi ist im LIGA-Verfahren unter Schrägbelichtung (Belichtungswinkel a=15°) hergestellt. Die Maske wird hierbei mit Belichtungsstrahlung belichtet, deren Strahlver- lauf schräg in der yz-Ebene ausgerichtet ist.
Im dreidimensionalen Raum haben die Gitterstege 14 jeweils die Form eines in y-Richtung geneigten (schrägen) Prismas. Bis auf Randeffekte (also abgeschnittene Teilvolumina an den Rändern des Phasengitters Gi ) haben die Gitterstege 14 daher in der Transversalebene 10 und der dieser in z-Richtung gegenüberliegenden Stirnfläche des Phasengitters Gi - der
Grundfläche und Deckfläche eines Prismas entsprechend - pa¬ rallele, kongruente und polygonale Flächenabschnitte, die zu¬ einander in y-Richtung verschoben sind. Die Kanten der Seitenflächen 18 sind in der yz-Ebene um einen dem Einstrahlwinkel der Belichtungsstrahlung entsprechenden Winkel geneigt. Diese Neigung ist derart auf die Gitterhöhe Hi 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 gegenüberliegenden Stirnfläche des Phasengitters Gi eine identische, in Blickrichtung entlang der z-Achse exakt überlappende (fluchtende) Material¬ struktur. Somit wird sichergestellt, dass die Materialhöhe h in jedem Gitterstreifen 12 jeweils konstant ist.
In der einfachen Ausführungsform gemäß FIG 2 ist das Phasen- gitter Gi als lediglich binäres Gitter ausgebildet, bei dem die Materialhöhe h in x-Richtung zwischen lediglich zwei diskreten Werten periodisch wechselt. Die Gitterstreifen 12 des Phasengitters Gi weisen zudem in dieser Ausführungsform eine einheitliche Streifenbreite sL auf, so dass die Streifenbrei- te sL der Hälfte der Gitterkonstante px entspricht (sL =
0, 5·ρχ) .
In einer geeigneten Dimensionierung hat das Phasengitter Gi gemäß FIG 2 eine Gitterhöhe Ηι=30, 29μιη, eine Gitterkonstante
Figure imgf000026_0001
(und entsprechend einer Streifenbreite
Die Periodenlänge py beträgt 8,12μιη. Als Basismaterial für die Gitterstege 14 ist hier Nickel vorgesehen. Die Zwischen¬ räume 16 sind luftgefüllt. Die Materialhöhe h wechselt je¬ weils am Übergang zwischen benachbarten Gitterstreifen 12 pe- riodisch zwischen 26, 56μιη (87,7% · Hi ) und 3,73μη (12,3% ·
Hi ) . In Auslegung auf eine Design-Energie der Röntgenstrahlung von 62keV wirkt das solchermaßen dimensionierte Phasengitter Gi als π-Gitter. Teilbündel der Röntgenstrahlung, die benachbarte Gitterstreifen des Phasengitters Gi durchlaufen, verlassen das Phasengitter Gi somit mit einem Gangunterschied von einer halben Wellenlänge (entsprechend einem Phasenunterschied des Betrags π) .
In FIG 3 ist eine Variante des vorstehend beschriebenen Git¬ ter-Layouts dargestellt. Das in FIG 3 gezeigte Phasengitter Gi gleicht hinsichtlich des Aufbaus und der optischen Eigenschaften - sofern nicht nachfolgend anders beschrieben - der Ausführungsform gemäß FIG 2. Insbesondere handelt es sich auch der Variante gemäß FIG 3 um ein binäres π-Gitter für ei¬ ne Design-Energie von 62keV. Im Unterschied zu der Ausfüh¬ rungsform gemäß FIG 2 sind bei dem Phasengitter Gi gemäß FIG 3 die zweiten Teilflächen 22 der Seitenflächen 18 der Gitter- Stege 14 nicht parallel zu der x-Achse ausgerichtet, sondern schräg (mit einer Offset-Steigung von g=0,5 · Δγ/Δχ ) zu der x-Achse angestellt, wodurch die Zwischenwinkel zwischen den ersten Teilflächen 20 und zweiten Teilflächen 22 und die fertigungstechnisch bedingte Eckenverrundung im Bereich dieser Zwischenwinkel reduziert werden.
Da alle zweiten Teilflächen 22 (zumindest innerhalb eines Gitterstreifens 12) in gleicher Weise gegen die x-Achse ange¬ stellt sind und somit parallel zueinander verlaufen, lässt die Schrägstellung der zweiten Teilflächen 22 die optischen Eigenschaften des Phasengitters Gi (insbesondere die durch das Phasengitter Gi hervorgerufene Phasenunterschiede) unbe¬ rührt . Die FIG 4 bis 6 zeigen Varianten des Phasengitters Gi gemäß FIG 3 mit wiederum entsprechenden optischen Eigenschaften, bei denen aber im Unterscheid zu FIG 3 (in unterschiedlicher Häufigkeit) Knickstellen DK in dem diagonalen Layout vorgesehen sind, so dass die Gitterstege 14 in der Transversalebene 10 um die x-Achse mäandrieren und somit alternierend ab¬ schnittsweise diagonal in positive y-Richtung und in negative y-Richtung verlaufen. Durch die Knickstellen werden die Gitterstege 14 vorteilhafterweise stabilisiert. Simulationsergebnisse für konkrete Ausführungsformen des Pha¬ sengitters Gi : Anhand der nachfolgend dargestellten Ausführungsformen des Phasengitters Gi wird gezeigt, dass der vorstehend
beschriebene Aufbau des Phasengitters Gi zur Reduzierung der Röntgendosis bei einer Phasenkontrast-Röntgenbildgebung vorteilhaft ist, zum dieser Aufbau eine vergleichsweise einfache Realisierung von Gitterstrukturen mit verbesserter Effizienz η erlaubt.
Für diese Ausführungsformen des Phasengitters Gi wurden jeweils die optischen Eigenschaften des Gitters Gi in der Vorrichtung 2 gemäß FIG 1 durch Simulation ermittelt.
Für die Abstände doi und di2 wurden dabei feste Werte von 1000mm bzw. 200mm angenommen (
Figure imgf000028_0001
. Die Gitterkonstanten p0, P i und P2 wurden in den einzelnen
Simulationen verändert. Hierdurch ist insbesondere die
Empfindlichkeit S proportional zur Quadratwurzel des
Empfindlichkeitsfaktors f. Für das Kohärenzgitter Go wurde teils ein Öffnungsanteil (Duty Cycle) von 30 ~6 angenommen . Entsprechende Simulationen sind mit der Bezeichnung „V30" gekennzeichnet. Teils wurde für das Kohärenzgitter Go
alternativ ein Offnungsanteil von 50 ~6 angenommen .
Entsprechende Simulationen sind mit der Bezeichnung „V50" gekennzeichnet. Wiederum alternativ wurde eine punktförmige Strahlungsquelle angenommen. Diese Simulationen sind mit der Bezeichnung „V0" gekennzeichnet.
Für die Simulation wurden für die Röntgenquelle 4 stets eine Wolfram-Anode und eine Röntgenspannung von 100 kVp (peak kilovoltage) angenommen. Den Simulationen wurde teils das ungefilterte Röntgenspektrum, gerastert in 3keV-Schritten zugrundegelegt. Diese Simulationen sind mit dem Suffix „U" gekennzeichnet. Teils wurde eine Filterung der eingestrahlten Röntgenstrahlung durch einen 200μη Rhenium (Re) -Filter, gefolgt von einem 20μη Gold (Au) -Filter angenommen. Diese Simulationen sind mit dem Suffix „F" gekennzeichnet. Das Spektrum der gefilterten Strahlung wurde ebenfalls in 3keV- Schritten gerastert.
Die Bezeichnung „V50F" bezeichnet somit eine Simulation, der gefilterte Röntgenstrahlung und ein Öffnungsanteil von 50% für das Kohärenzgitter Go zugrundegelegt wurde. Für die Simulation wurde angenommen, dass der Röntgendetektor 6 ein quantenzählender Detektor ist.
Es wurde stets eine Design-Energie der Röntgenstrahlung von 62keV zugrundegelegt.
Für eine strukturierte Entwicklung komplexer Gitterstrukturen für das Phasengitter d wurden die zur Erzielung eines gewünschten Interferenzmusters bei der Design-Energie
erforderlichen Phasenhübe der die Transversalfläche 10 durchdringenden Teilbündel der Röntgenstrahlung mittels modularer ganzzahliger Arithmetik (mod N mit N = 2,3,4,...) berechnet. Hierbei hat sich herausgestellt, dass sich für N=4, 8 und 14 besonders einfache, regelmäßige Phasenhubfolgen ergeben. Entsprechend wurde die Transversalfläche 10 des zu erzeugenden Layouts zunächst in parallele, in y-Richtung ausgerichtete Layout-Streifen gegliedert, von denen sich jeweils eine Gruppe von 4, 8 bzw. 14 Layout-Streifen in x- Richtung - je nach den gewünschten Beugungseigenschaften des Layouts - über eine oder zwei Gitterperioden p1 erstreckt. Entsprechend dem Wert des bei ihrer Berechnung
zugrundegelegten Divisors N sind die Layouts im Folgenden mit der Grundbezeichnung „%4", „%8" oder „%14" versehen.
Jedem dieser Layout-Streifen wurde hierbei ein berechneter Phasenhub zugeordnet, der dann in eine korrespondierende Materialhöhe h für das Layout umgerechnet wurde. Die Layout-Streifen sind dabei nicht notwendigerweise
identisch mit den Gitterstreifen 12 des fertigen Layouts. Vielmehr können mehrere benachbarte Layout-Streifen mit dem gleichen Phasenhub versehen sein und somit einen gemeinsamen Gitterstreifen 12 bilden.
Je nachdem, ob die jeweilige Ausführungsform des
Phasengitters Gi die Interferenzmaxima (in Projektion entlang der z-Achse) zentriert bezüglich eines Layout-Streifens oder zwischen zwei Layout-Streifen erzeugt, ist der obigen
Grundbezeichnung des Phasengitters Gi einer der Buchstaben „c" (für „center") oder „b" (für „border") nachgestellt.
Sofern durch das Phasengitter Gi - intrinisch oder durch Reduzierung der Gitterkonstante po - eine Mehrzahl von
Interferenzmaxima pro Gitterperiode pi erzeugt wird, ist diese Mehrzahl in der Gitter- bzw. Simulationsbezeichnung in Anschluss an den Buchstaben „c" oder „b" durch das Kürzel „x2" (für 2 Interferenzmaxima pro Gitterperiode pi) , „x3" (für 3 Interferenzmaxima pro Gitterperiode Pi) , etc.
vermerkt .
Dem schließt sich in der Gitter- bzw. Simulationsbezeichnung eine Angabe zu dem Wert des Empfindlichkeitsfaktors f des Phasengitters Gi in einfachem Talbot-Abstand an, z.B. 1,00
Figure imgf000030_0001
Wird das Phasengitter Gi in mehrfachem Talbot-Abstand
verwendet, so wird dies durch ein wiederum nachgestelltes Kürzel „x2" (für
Figure imgf000030_0002
2-dT) , „x3" (für 3-dT) , etc.
angegeben. Dabei ist zu berücksichtigen, das bei komplexen Phasengittern Gi der Abstand di2 auch in einem ungeradzahligen Verhältnis zu dem Talbot-Abstand stehen kann, z.B. „x0,57" (für di2= 0,57-dT). Der tatsächliche Empfindlichkeitsfaktur f ergibt sich hierbei aus dem Produkt des für einfachen Talbot- Abstands angegebenen Werts und des Abstands di2 im Verhältnis zu dem Talbot-Abstand. Aus der Angabe „1,00x3" folgt somit f = 1,00-3 = 3. Ist das Phasengitter d mehrstufig, so wird die Stufenzahl durch ein Kürzel „L3" (für ein dreistufiges Gitter) , „L4" für ein vierstufiges Gitter), etc. vermerkt. Binäre Gitter können in diesem Fall optional mit dem Kürzel „L2" bezeichnet sein. In der Regel wird die Stufenzahlangabe bei der Bezeichnung von binären Gittern aber weggelassen.
Die beispielhafte Gitter- bzw. Simulationsbezeichnung
„%8cx2_l, 00x3_L3" charakterisiert das so bezeichnete
Phasengitter Gi und die damit durchgeführte Simulation somit dahingehend, dass das Phasengitter Gi ein aus einer periodischen Abfolge von acht Layout- Streifen mit jeweils konstanter Materialhöhe h
gebildetes Layout aufweist (%8),
pro Gitterperiode pi zwei streifenzentrierte
Interferenzmaxima erzeugt (cx2),
für einfachen Talbot-Abstand einen
Empfindlichkeitsfaktor k=l,00 aufweist,
für dreifachen Talbot-Abstand simuliert wurde, woraus ein tatsächlicher Empfindlichkeitsfaktor von
k=l, 00-3=3, 00 resultiert, sowie
dreistufig ist (L3) , also zwischen drei verschiedenen Niveaus der Materialhöhe h fluktuiert.
Zur Realisierung eindeutiger Bezeichnungen sind den
solchermaßen konstruierten Bezeichnungen teilweise weitere Suffixe, z.B. „inv", „inv-100", „inv-200" oder „adj-100" hinzugefügt, die verschiedene Modifikationen desselben
Gittertyps kennzeichnen.
Die FIG 7 bis 17 zeigen, wie nachfolgend erläutert
ausgewählte Layouts, für die die optischen Eigenschaften des Phasengitters Gi simuliert wurden. Der Eigenschaften des jeweiligen Layouts ergeben sich im Einzelnen TAB 1.1 und TAB 1.2 (Anhang 1) . Die Randbedingungen der jeweiligen Simulation sind im Einzelnen in TAB 2.1 (Anhang 2) niedergelegt. Die aus der Simulation erhaltenen Leistungsdaten der Layouts sind in TAB 3.1 bis TAB 3.3 (Anhang 3) zusammengefasst .
Das in FIG 7 gezeigte Layout des Phasengitters Gi liegt der Simulation mit der Bezeichnung „%4c 0,50" zugrunde. Bei dem
Phasengitter Gi handelt es sich hier um ein binäres π/2- Gitter .
Das in FIG 8 gezeigte Layout des Phasengitters Gi liegt den Simulationen mit den Bezeichnungen „%4cx2_0, 50",
„%4cx2_0, 50x3", „%4cx2_0, 50x5", „%4cx2_0 , 50x7" und
„%4cx2_0 , 50x9" zugrunde. Bei dem Phasengitter Gi handelt es sich hier um ein binäres π-Gitter. Das in FIG 9 gezeigte Layout des Phasengitters Gi liegt der
Simulation mit der Bezeichnung „%8c 0,25_L2" und
„%8cx2_l, 00_L2" zugrunde. Bei dem Phasengitter Gi handelt es sich hier ebenfalls um ein binäres Gitter, bei dem
benachbarte Gitterstreifen 12 allerdings eine
unterschiedliche Streifenbreite sL aufweisen.
Die in FIG 10 bis 12 gezeigten Layouts des Phasengitters Gi liegen den Simulationen mit der Bezeichnung
„%8cx2 1, 00x3_L3_inv-100" bzw. „%8cx2 1 , 00x3_L3_inv-200" bzw. „%8cx2 1, 00x3_L3_adj -100" zugrunde. Die in den FIG 10 bis 12 dargestellten Layouts entsprechen dabei drei
Modifikationen desselben Gittertyps (d.h. Phasengittern Gi mit gleichen optischen Eigenschaften bei der Design- Wellenlänge λ0) .
Alle drei Layouts geben jeweils ein aus 8 Layout-Streifen (je vier Layout-Streifen pro Gitterperiode pi) erzeugtes,
dreistufiges Gitter wieder, wobei die einzelnen
Modifikationen durch Erhöhung oder Erniedrigung der
Materialhöhe h in einzelnen Gitterstreifen 12 um ein
Höhenintervall von Ah = δ · λ0 sowie gleichmäßige Erhöhung der Materialhöhe h in allen Gitterstreifen 12 auseinander abgeleitet sind. Konkret ist das Layout gemäß FIG 10 („%8cx2 l,00x3_L3_ invlOO") pro Gitterperiode pi aus vier Layout-Streifen mit der Phasenhub-Abfolge (l,0,2,0)/2 · 2π und Breiten von
(2,l,4,l)/8 · Pi erzeugt (siehe TAB 1.1 im Anhang 1).
Das Layout gemäß FIG 11 („%8cx2 1 , 00x3_L3_inv-200" ) wird aus de Layout gemäß FIG 10 („%8cx2 1, 00x3_L3_inv-100")
abgeleitet, indem die Materialhöhe h des dritten Layout- Streifens (hier identisch mit dem jeweils dritten
Gitterstreifen 12 des Layouts) erhöht wird, so dass sich ein um 2π vergrößerter Phasenhub ergibt. Die Phasenhubabfolge ändert sich somit von (l,0,2,0)/2 · 2π auf (l,0,4,0)/2 · 2π (vgl. TAB 1.1 im Anhang 1).
Das Layout gemäß FIG 12 („%8cx2 1, 00x3_L3_adj -100") wird wiederum wie folgt aus dem Layout gemäß FIG 11
(„%8cx2 1, 00x3_L3_inv-200") abgeleitet: - In einem ersten Schritt wird zunächst die Materialhöhe h aller Layout-Streifen und Gitterstreifen 12) zunächst rechnerisch einheitlich erhöht, so dass sich ein um π vergrößerter Phasenhub ergibt. Die Phasenabfolge
(l,0,4,0)/2 · 2π geht somit über in (2,l,5,l)/2 · 2π.
- In einem zweiten Schritt wird anschließend die
Materialhöhe h des ersten und dritten Layout-Streifens (entsprechend dem jeweils ersten und dritten
Gitterstreifen 12) rechnerisch reduziert, so dass sich ein um 2π verringerter Phasenhub ergibt. Die
Phasenhubabfolge (2,l,5,l)/2 · 2π geht somit über in (0,l,3,l)/2 · 2π (vgl. TAB 1.1 im Anhang 1).
Von diesen Modifikationen des Layouts bleiben die optischen Eigenschaften des Phasengitters Gi bei der Design-Wellenlänge λ0, wie vorstehend erläutert, unbeeinflusst . Die den FIG 13 und 14 sind Varianten des Layouts gemäß FIG 12
(„%8cx2 1, 00x3_L3_adj -100") dargestellt, bei denen die
Gitterstege 14 mit Knickstellen DK versehen sind.
Hinsichtlich der Phasenhübe der aufeinanderfolgenden
Gitterstreifen 12 und der optischen Eigenschaften des
Phasengitters Gi sind die Layouts gemäß FIG 13 und 14
identisch mit dem Layout gemäß FIG 12.
Das in FIG 15 gezeigte Layout des Phasengitters Gi liegt den Simulationen mit den Bezeichnung „%14b 0,14 L4_inv",
„%14bx2_0,57 L4_inv" und „%14bx2_l,29 L4_inv" zugrunde.
Die in FIG 16 und 17 gezeigten Layouts liegen den
Simulationen mit der Bezeichnung „%14bx2_0 , 57x2 , 5_L4" bzw. „%14bx3_l, 29x1, 33_L4" zugrunde .
Im oberen Diagramm der FIG 18 ist ein Interferenzmuster eines dreistufigen Phasengitters Gi dargestellt, das pro
Gitterperiode pi eine Phasenhubabfolge der
aufeinanderfolgenden Gitterstreifen 12 von (0,l,4,l)/8 · 2π aufweist. Dargestellt ist hierbei konkret der
Intensitätsverlauf der von dem Phasengitter Gi gebeugten Röntgenstrahlung in x-Richtung, wie er sich aus einer
Simulation „%8c 0,25_L3" ergibt. Eingetragen sind der
Intensitätsverlauf für die Design-Energie 62keV
(durchgezogene Linie) , sowie für abweichende Quantenenergien der Röntgenstrahlung von 56keV (gestrichelte Linie) und 50keV (gepunktete Linie) . Das mittlere Diagramm der FIG 18 zeigt in gleicher Darstellung das Interferenzmuster, das sich für eine
Simulation „%8c 0,25_L2" mit einem binären Vergleichsgitter (wie 8cx2_l , 00_L2" , aber mit po=21,9um) ergibt.
Nach dem oberen Diagramm der FIG 18 beleuchtet das
dreistufige Gitter („%8c_0, 25_L3") bei der Design-Energie einen Streifen einer Breite, die einem Viertel der
Gitterkonstante p2 des Analysegitters G2 entspricht. Die
Mitte zwischen den Interferenzmaxima ist relativ dunkel. Für abweichende Quantenenergien ist das Interferenzmaximum aber deutlich verbreitert. Nahe des Interferenzmaximums bilden sich somit „Schultern" des polychromatischen
Intensitätsprofils.
Das Interferenzmuster des vereinfachten binären Gitter
(„%8c 0,25_L2") zeigt gemäß dem mittleren Diagramm der FIG
18 in der Mitte zwischen den intensiven Interferenzmaxima noch ein schwächeres Nebenmaximum. Dafür sind jedoch die Bereiche zwischen den Haupt- und Nebenmaxima dunkler als im oberen Diagramm (die Interferenzmaxima haben also schmälere „Schultern") .
Wird das binäre Gitter durch ein Kohärenzgitter Go mit halber Gitterkonstante p0 beleuchtet („%8cx2_l, 00_L2") , so ergibt sich das im unteren Diagramm der FIG 18 dargestellte
Interferenzmuster, das durch eine halbierte p2-Periode gekennzeichnet ist. Haupt- und Nebenmaxima der von dem
Kohärenzgitter Go ausgehenden, gebeugten Teilstrahlen R überdecken sich in diesem Interferenzmuster wechselweise, wodurch gute Sichtbarkeit und schmale „Schultern" des polychromatischen Intensitätsprofils erreicht werden.
Wird dieses Gitter im 3-fachen Talbot-Abstand abgetastet (statt im einfachen Talbot-Abstand gemäß „%8cx2_l, 00_L2") , so sinkt die durchschnittliche Sichtbarkeit erheblich.
Allerdings zeigt sich, dass eine Korrektur möglich ist, indem auf der Breite von px/2 Material hinzugefügt wird, der einen Phasenhub von -2π oder -4π erzeugt. Dieser Kniff ist
überraschend erfolgreich (s. TAB 3.1 bis 3.3) . Während die solchermaßen kreierten Layouts gemäß FIG 10
(„%8cx2_l, 00x3_L3_inv-100") und 11 („%8cx2_l, 00x3_L3_inv- 200") eine relativ schwer durch Schrägbelichtung zu
fertigende Struktur besitzen (deshalb wird hier anstelle von Nickel vorzugsweise Gold als Basismaterial benutzt, was eine geringere Transmission und damit eine geringere Leistung bedingt) , ermöglicht das modifizierte Layout gemäß FIG 12 („%8cx2_l, 00x3_L3_adj -100") eine vergleichsweise einfache Fertigung des Phasengitters Gi . Der Belichtungswinkel für das Layout gemäß FIG 12 wurde aus darstellungstechnischen Gründen reduziert auf 12°. Für die Layouts gemäß FIG 13 und 14 wurde der Belichtungswinkel weiter reduziert auf 4°. Die Layouts gemäß FIG 12 bis 14 („%8cx2_l, 00x3_L3_adj -100") haben bei 3-fachem Talbot-Abstand eine Empfindlichkeit, die ein π-schiebendes Gitter beim 6-fachen Abstand aufweisen würde. Gleichzeitig haben die Layouts gemäß FIG 12 bis 14 aber eine Sichtbarkeit, die ein π-schiebendes Gitter beim 3- fachen Abstand erreicht. Dadurch können die Layouts gemäß FIG 12 bis 14 mit einem π-schiebenden Gitter selbst bei
Verwendung des letzeren in 9-fachem Talbot-Abstand mithalten oder es deutlich übertreffen. Das obere Diagramm der FIG 19 zeigt - analog zu den
Diagrammen der FIG 18 - das Interferenzmuster, das aus der SimulatΪ OΠ "614b 0,14 L4 inv" für das Layout gemäß FIG 15 unter Berücksichtigung von
Figure imgf000036_0001
gewonnen wurde. Das untere Diagramm der FIG 19 zeigt für dasselbe Layout das Interferenzmuster, das aus der Simulation
,,„%14bx3_l , 29 L4_inv" für eine auf ein Drittel reduzierte
Gitterkonstante
Figure imgf000036_0002
erhalten wurde.
Die Diagramme zeigen, dass das nach dem Layout
„%14b 0,14 L4_inv" gefertigte Phasengitter d die
Interferenzmaxima auf einen schmalen Streifen fokussiert, dessen Breite einem Siebtel der Gitterkonstante p2
entspricht, so dass es eine Halbierung oder sogar Drittelung der Gitterkonstante po möglich ist. Die Halbierung der
Gitterkonstante po („%14bx2_0 , 57 L4_inv") wird nahegelegt durch schwache Nebenmaxima, die in dem oberen Diagramm der FIG 19 erkennbar sind.
FIG 20 zeigt - wiederum analog zu den Diagrammen der FIG 18 - das Interferenzmuster, das aus der Simulation
„%14bx3_l , 29x1 , 33_L4" für das Layout gemäß FIG 17 gewonnen wurde. Dieses Layout sowie das der Simulation
„%14bx2_0 , 57x2 , 5_L4" zugrundeliegende Layout (FIG 16) haben invertierte Phasenhübe und wirken bei längeren Abständen. Die Abbildung zeigt, dass bei diesen Layouts nur jedes zweite oder dritte Interferenzmaximum einander gleicht. Die in den FIG 16 und 17 dargestellten Layouts sind
vergleichsweise einfach fertigbar. Aspektverhältnisse von 55 bzw. 59 sind realisierbar.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Aus- führungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Va¬ rianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Anhang 1 : Eigenschaften der Layouts des Phasengitters Gi gemäß FIG 7 bis 17
Bezeichnung Pi/ Streifen-Geometrie :
ym
Phasenhub Breite
[... 2π] [... pl]
%4c 0, 50 2, 582 (0,1) /4 (1,1) /2
%4bx2 0,50 5, 164 (0,1,1,0) 12 (1,1,1,1) /4
%4bx2 0 , 50x3 2, 981 (0,1,1,0) 12 (1,1,1,1) /4
%4bx2 0 , 50x5 2,309 (0,1,1,0) 12 (1,1,1,1) /4
%4bx2 0, 50x7 1, 952 (0,1,1,0) /2 (1,1,1,1) /4
%4bx2 0, 50x9 1,721 (0,1,1,0) 12 (1,1,1,1) /4
%8c 0 r 25 L3 3, 651 (0,l,4,l)/8 (1,1,1,1) /4
%8cx2 1, 00 L2 3, 651 (0,1,1,1) /2 (1,1,1,1) /4
%8cx2 1 , 00x3 L3 inv- 100 2,108 (1,0,2,0) 12 (2,l,4,l)/8
%8cx2 1 , 00x3 L3 inv- 200 2,108 (l,0,4,l)/2 (2,l,4,l)/8
%8cx2 1 , 00x3 L3 adj - 100 2,108 (0,1,3,1) /2 (2,l,4,l)/8
%14b 0, 14 L4 inv 4, 830 (4,5,0,3,0,5,4) /7 (1, 1,.··, 1) n
%14bx2 0,57 L4 inv 4, 830 (4,5,0,3,0,5,4) /7 (1, 1,.··, 1) /7
%14bx3 1,29 L4 inv 4, 830 (4,5,0,3,0,5,4) /7 (1, 1,.··, 1) n
%14bx2 0 , 57x2 , 5 L4 3, 055 (6,5,3,0,3,5, 6) /7 (1, 1,.··, 1) /7
%14bx3 1^23x1^33 L4 4,183 (6,5,3,0,3,5, 6) /7 (1, 1,..., 1) /7
TAB 1.1: Gitterkonstante pi und Geometrie der Layout-Streifen (Abfolge der Phasenhübe bei der Design-Energie, bezogen auf 2π; Streifenbreite, bezogen auf die Gitterkonstante pi)
Bezeichnung Basis¬ Hi R
[ym] material [ym]
%4c 0,50 10, 9 Ni 20° 16, 4 21
%4bx2 0,50 21,8 Ni 20° 27,3 35
%4bx2 0 , 50x3 21,8 Ni 20° 27,3 35
%4bx2 0 , 50x5 21,8 Ni 20° 27,3 35
%4bx2_0, 50x7 21,8 Ni 20° 27,3 35
%4bx2_0, 50x9 21,8 Ni 20° 27,3 35
%8c 0,25 L3 21,8 Ni 20° 27,3 35
%8cx2 1,00 L2 21,8 Ni 20° 27,3 35
%8cx2 1,00x3 L3 inv-100 24,7 Au 20° 40,5 85
%8cx2 1,00x3 L3 inv-200 49, 4 Au 20° 66,6 133
%8cx2 1 , 00x3 L3 adj-100 65, 3 Ni 12° 74, 1 95
%14b 0, 14 L4_inv 31, 1 Ni 20° 35, 6 55
%14bx2 0,57 L4 inv 31, 1 Ni 20° 35, 6 55
%14bx3_l, 29 L4_inv 31, 1 Ni 20° 35, 6 55
%14bx2_0, 57x2, 5_L4 37, 3 Ni 12° 45, 8 59
%14bx3_l, 29x1, 33_L4 37, 3 Ni 12° 45, 8 59
TAB 1.2: Maximale Materialhöhe hmax, Basismaterial,
Belichtungswinkel a, Gitterhöhe Hi und Aspektverhältnis
Anhang 2: Randbedingungen für die Simulationen
Bezeichnung Po P2 f
[ym] [ym]
%4c 0, 50 15,5 3, 098 0,50
%4bx2 0,50 15,5 3, 098 0,50
%4bx2 0 , 50x3 8, 9 1,789 1,50
%4bx2 0 , 50x5 6, 9 1,386 2,50
%4bx2 0, 50x7 5, 9 1, 171 3,50
%4bx2 0, 50x9 5,2 1, 033 4,50
%8c 0 , 25 L3 21, 9 4, 382 0,25
%8cx2 1, 00 L2 11,0 2,191 1,00
%8cx2 1 , 00x3 L3 inv- 100 6, 3 1, 265 3, 00
%8cx2 1 , 00x3 L3 inv- 200 6, 3 1, 265 3, 00
%8cx2 1 , 00x3 L3 adj - 100 6, 3 1, 265 3, 00
%14b 0, 14 L4 inv 29, 0 5,796 0,14
■%14bx2 _0, 57 L4_inv 14,5 2, 898 0, 57
%14bx3 1,29 L4 inv 9,7 1, 932 1,29
%14bx2 _0, 57x2, 5_L4 9,2 1, 833 1,43
%14bx3 1 29x1 ^ 33 L4 8,4 1, 673 1,71
Tab 2.1: Gitterkonstanten p0 und P2 sowie Leistungsfaktor f
Anhang 3: Leistungsdaten der Layouts gemäß FIG 7 bis 17 aus Simulation
Bezeichnung Sichtbarkeit V
v=vA v=vB v=vc
VOF V50F V50U
%4c 0,50 79, 4% 48,2% 40,8%
%4bx2_0, 50 77,3% 47,2% 38,0%
%4bx2 0 , 50x3 63,2% 41,8% 29, 4%
%4bx2_0, 50x5 56, 8% 37, 3% 27, 6%
%4bx2_0, 50x7 50,5% 33, 4% 28,1%
%4bx2_0, 50x9 44,2% 29, 7% 27,0%
%8c 0,25 L3 86, 5% 65, 9% 46, 1%
%8cx2_l, 00 L2 77,8% 49, 6% 42, 6%
%8cx2 1,00x3 L3 inv-100 63,2% 40,8% 28,5%
%8cx2 1 , 00x3 L3 inv-200 70,4% 46, 3% 33,6%
%8cx2 1,00x3 L3 adj -100 70,3% 44, 6% 34, 5%
%14b 0, 14 L4_inv 86, 3% 72, 9% 56, 4%
%14bx2 0,57 L4 inv 85, 0% 62,5% 53, 1%
%14bx3_l, 29 L4_inv 73, 9% 48, 6% 39, 3%
%14bx2_0, 57x2, 5_L4 66, 7% 46, 8% 28,7%
%14bx3_l, 29x1, 33_L4 70, 6% 46, 4% 29, 4%
TAB 3.1: Sichtbarkeit S für „VOF" (punktförmige Strahlungs- quelle, gefiltertes Röntgenspektrum) , „V50F" (Kohärenzgitter Go mit 50% Öffnungsanteil, gefiltertes Röntgenspektrum) und „V50U" (Kohärenzgitter Go mit 50% Öffnungsanteil, ungefilter- tes Röntgenspektrum) Bezeichnung Transmission T
T=TF T=Tn
F U
%4c 0,50 99,0% 98,4%
%4bx2___0, 50 98,4% 97,7%
%4bx2_0, 50x3 98,2% 97,6%
%4bx2 0 , 50x5 97,8% 97,2%
%4bx2_0, 50x7 97,6% 96,1%
%4bx2_0, 50x9 97,4% 96,9%
%8c 0,25 L3 98,5% 97,7%
%8cx2_l, 00 L2 97,6% 96,5%
%8cx2 1,00x3 L3 inv-100 86,9% 81,6%
%8cx2 1,00x3 L3 inv-200 79,7% 73,0%
%8cx2 1,00x3 L3 adj -100 93,6% 90,7%
%14b 0, 14 L4 inv 97,3% 95,9%
%14bx2 0, 57 L4 inv 97,0% 95,8%
%14bx3 1,29 L4 inv 97,1% 95,9%
%14bx2 0,57x2,5 L4 95,1% 93,0%
%14bx3_l, 29x1, 33_L4 96,1% 94,2%
Tab 3.2: Transmission T für „F" (gefiltertes Röntgenspektrum) bzw. „U" (ungefiltertes Röntgenspektrum)
Bezeichnung Effizienz (S-V)2T
f-VA 2TF f-VB 2TF f-Vc 2"Tu VOF V50F V50U
%4c 0,50 31,2% 11,5% 8,2%
%4bx2_0, 50 29,4% 11,0% 7,1% %4bx2 0 , 50x3 58,9% 25,8% 12,7% %4bx2 0 , 50x5 78,8% 34,0% 18,6% %4bx2_0, 50x7 87,2% 38,1% 26,5% %4bx2 0 , 50x9 85,6% 38,7% 31,8%
%8c 0,25 L3 18,4% 10,7% 5,2%
%8cx2_l, 00 L2 59,1% 24,0% 17,5%
%8cx2 1,00x3 L3 inv-100 104,3% 43,3% 19,8% %8cx2 1,00x3 L3 inv-200 118,3% 51,3% 24,7% %8cx2 1,00x3 L3 adj -100 138,6% 55,9% 32,4%
%14b 0, 14 L4 inv 10,4% 7,4% 4,4% %14bx2 0,57 L4 inv 40,1% 21,6% 15,4% %14bx3 1,29 L4 inv 68,2% 29,5% 19,1% %14bx2_0, 57x2, 5_L4 60,4% 29,7% 10,9% %14bx3 1, 29x1, 33 L4 82,2% 35,4% 13,9%
TAB 3.3: Effizienz für „VOF" (punktförmige Strahlungsquelle, gefiltertes Röntgenspektrum; V=VA; T=TF) , „V50F" (Kohärenz- gitter Go mit 50% Öffnungsanteil, gefiltertes Röntgenspekt¬ rum; V=VB; T=TF) und „V50U" (Kohärenzgitter G0 mit 50% Öff¬ nungsanteil, ungefiltertes Röntgenspektrum; V=VC; T— J-u) ; we i terhin wurde für konstanten Abstand di2 geltende Beziehung Socf1 2 eingesetzt Anhang 4: Physikalische Grundlagen
Der Phasenkontrast einer Röntgenaufnahme visualisiert unter¬ schiedliche Phasengeschwindigkeiten cp =
Figure imgf000044_0001
Co (1+δ) aufgrund des materialabhängigen Brechungsindex n = Ι-δ+iß.
Die Transmission T hinter dem Patienten ist durch das Intensitätsverhältnis T = I / Io bestimmt, wobei Io die durchschnitt¬ liche Intensität ohne Gi und G2 ist. Das Rauschen (repräsen- tiert durch die Standardabweichung σφ) ist proportional zu
(At Ιο ) ~2 · Um das Rauschen zu halbieren, wird also die vierfa¬ che Dosis At Io benötigt. Bei differentiellem Phasenkontrast (sowie auch bei Dunkelfeldaufnahmen) ergibt sich eine proportionale Abhängigkeit des Rauschens σφ von der Streifen-Phase φ (dabei ist V die ( Streifen- ) Sichtbarkeit oder Visibilität mit
V — ( Imax — Imin ) / ( Imax — Imin ) Die Größen Imax und Imin bezeichnen dabei die maxima¬ len/minimalen Intensitäten abhängig von der x-Position eines verschiebbaren Go : σφ 2 x 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 al- so At Io v2 T unverändert bleiben. Es kann ein Wirkungsgrad ηφ der Optik hinter dem Patienten definiert werden als: ηφ = V2 T mit ηφ e [ 0 ; 1 ] Ein Ziel der vorliegenden Anmeldung ist, ηφ zu optimieren, d.h., eine Dosisminimierung bei gegebenem σφ (im Unterschied zu σφ' oder σφ) zu erreichen, wobei Φ die Phase der tatsäch- liehen Wellenfront und Φλ deren räumliche Änderung Φλ = δΦ/δχ bezeichnen. Φλ ist gegeben durch
Figure imgf000045_0001
Mit der Definition der Empfindlichkeit S als S = di2 / P2 gilt bei gegebener Design-Wellenlänge λ = λ0 σΦ> oc σφ / S
Je höher die Empfindlichkeit, desto geringer ist somit das Rauschen. Aus σΦ<2 oc σφ 2 / S2 oc l/(At I0S2V2T) folgt wie oben bei vorgegebenem Rauschen θφ ι dass die Dosis At-Io proportional ist zu der Effizienz η = ηφ< = S2V2T
Der Empfindlichkeitsfaktor f des Phasengitters Gi ergibt sich aus di2 = f · Ρ2 2/λ0 und ist mit der Empfindlichkeit S über S = f · Ρ2/λ0 verknüpft.

Claims

Patentansprüche
1. Phasengitter (d) für eine Phasenkontrast-Röntgenbild- gebungsvorrichtung (2), mit einer im Wesentlichen quer zu einer Strahlungseinfallrichtung auszurichtenden Transversalfläche (10), die durch eine x-Achse (x) und eine hier¬ zu senkrechte y-Achse (y) aufgespannt ist, mit einer Vielzahl von Gitterstegen (14) aus einem Basismaterial, die alternierend mit optisch dichteren Zwischenräumen (16) angeordnet sind, wobei die Gitterstege (14) derart ausgebildet sind, dass sie die Transversalfläche (10) in jeweils in y-Richtung langgestreckte Gitterstreifen (12) gliedern, die in x-Richtung parallel nebeneinander aufgereiht sind, wobei das Phasengitter ( Gi ) in jedem Gitter- streifen (12) entlang einer senkrecht zu der Transversalebene (10) ausgerichteten z-Achse (z) eine homogene, zwi¬ schen benachbarten Gitterstreifen (12) verschiedene Gesamtstärke (h) an dem Basismaterial aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich mindestens ein Gittersteg (14) innerhalb der
Transversalfläche (10) über mehrere Gitterstreifen (12) erstreckt .
2. Phasengitter ( Gi ) nach Anspruch 1,
wobei die Gitterstege (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 Phasengitters ( Gi ) lie¬ gen .
3. Phasengitter ( Gi ) nach Anspruch 2,
wobei die Gitterstege (14) derart ausgebildet und ange¬ ordnet sind, dass in jedem Gitterstreifen (12) eine sich in y-Richtung mit einer y-Periodenlänge (py) wiederholen- de Materialstruktur ergibt, und wobei die Gitterstege
(14) derart in y-Richtung geneigt sind, dass die zu der Grundfläche entgegengesetzte Deckfläche eines jeden Git¬ terstegs (14) gegenüber der Grundfläche um eine ganze An- zahl von Periodenlängen (py) , insbesondere genau eine Periodenlänge (py) versetzt ist.
Phasengitter ( Gi ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder Gittersteg (14) durch jeweils zwei Seitenflä¬ chen (18) an die zwischen den Gitterstegen (14) angeordneten Zwischenräume (16) angrenzt, und wobei die Seiten¬ flächen (18) alternierend aus ersten Teilflächen (20), die parallel zur y-Achse (y) ausgerichtet sind, und zwei¬ ten Teilflächen (22), die parallel oder diagonal zu der x-Achse (x) ausgerichtet sind.
Phasengitter ( Gi ) nach Anspruch 4,
wobei jede zweite Teilfläche (22) sich in x-Richtung über eine ganze Anzahl von Gitterstreifen (12) erstreckt.
Phasengitter ( Gi ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeder Gittersteg (12) innerhalb der Transversalflä¬ che (10) in alternierenden Abschnitten mit jeweils diagonaler Vorzugsrichtung in positiver y-Richtung und in negativer y-Richtung verläuft.
Phasengitter ( Gi ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die entlang der z-Achse (z) gemessene Gesamtstärke (h) an dem Basismaterial zwischen mindestens drei diskre¬ ten Werten variiert.
Phasenkontrast-Röntgenbildgebungsvorrichtung (2) mit einer Röntgenstrahlungsquelle (4), mit einem Röntgendetek- tor (6), der eine eindimensionale oder zweidimensionale Anordnung von Pixeln (P) aufweist sowie mit einem zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (4) und dem Röntgende- tektor (6) angeordneten Phasengitter ( Gi ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Phasenkontrast-Röntgenbildgebungsvorrichtung (2) nach spruch 8, mit einem zusätzlichen Kohärenzgitter ( Go ) , das der Rönt¬ genstrahlungsquelle (4) und dem Phasengitter ( Gl ) ZWl schengeschaltet ist.
Phasenkontrast-Röntgenbildgebungsvorrichtung (2) nach Anspruch 8 oder 9, mit einem zusätzlichen Analysegitter
( G2 ) , das dem Phasengitter ( GL ) und dem Röntgendetektor
(6) zwischengeschaltet ist.
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