WO2017025570A1 - Technik zur tomografischen bilderfassung - Google Patents

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WO2017025570A1
WO2017025570A1 PCT/EP2016/069071 EP2016069071W WO2017025570A1 WO 2017025570 A1 WO2017025570 A1 WO 2017025570A1 EP 2016069071 W EP2016069071 W EP 2016069071W WO 2017025570 A1 WO2017025570 A1 WO 2017025570A1
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WO
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detector
axis
transverse dimension
sample
radiation source
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Application number
PCT/EP2016/069071
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English (en)
French (fr)
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Tim Salditt
Malte VASSHOLZ
Benno KOBERSTEIN-SCHWARZ
Original Assignee
Georg-August-Universitaet Goettingen Stiftung Oeffentlichen Rechts
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • G01N23/046—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material using tomography, e.g. computed tomography [CT]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/30—Accessories, mechanical or electrical features
    • G01N2223/309—Accessories, mechanical or electrical features support of sample holder
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/40—Imaging
    • G01N2223/419—Imaging computed tomograph

Definitions

  • a technique for tomographic image capture is described.
  • an apparatus and method for tomography by means of an anisotropic radiation source will be described, without being limited thereto.
  • an X-ray of defined geometry such as a collimated beam or a cone beam
  • a cone beam is used, which emanates from a possible point-like source in order to achieve a geometric enlargement of the object or a sufficient (partial) coherence for the generation of phase contrast.
  • Intensity is the line integral of the attenuation of the beam within the sample by absorption and scattering. For example, if the beam is collimated in the x and / directions and propagates in the direction, the detected signal contains no information about where in the direction structure-forming absorption or scattering centers are positioned.
  • the detector For an angular position, the detector detects a projection, i. a line integral as a function of / for a tomographic slice and possibly also as a function of ⁇ -for a spatial tomography image.
  • a projection i. a line integral as a function of / for a tomographic slice and possibly also as a function of ⁇ -for a spatial tomography image.
  • Radiation source limits the resolution of the tomographic image. For many reasons
  • one possible object of the present invention is to provide a tomographic image capture technique which enables more effective use of the source fluence.
  • an apparatus for tomographic image acquisition for this purpose.
  • the device comprises a radiation source which is designed to emit a beam, the radiation source being transverse to the beam
  • Beam has a first transverse dimension and a first transverse dimension substantially perpendicular second transverse dimension, wherein the second
  • Transverse dimension is greater than the first transverse dimension; a detector configured to detect the beam; and a sample holder disposed between the radiation source and the detector, which is designed to rotate a sample in the radiation beam about a first axis and about a second axis different from the first axis.
  • Embodiments of the device may more effectively utilize the source fluence and / or other anisotropic property of the radiation source for tomographic image acquisition.
  • the beam can be detected in the transmission direction.
  • the detector may be designed to detect an intensity of the beam.
  • the first and / or the second transverse dimension may be determined by a property of the radiation source and / or of the radiation beam.
  • the first and / or the second transverse dimension may be defined by an extension, a
  • the term "radiation source” can refer to the totality of the location points from which the beam emanates.
  • the extent of the radiation source may refer to the extent of an area at the radiation source from which the radiation beam emanates.
  • the second transverse dimension may be the maximum distance between location points from which the beam emanates.
  • the second transverse dimension can be more than twice the size of the first one
  • Any anisotropic radiation source can be used as the radiation source.
  • an anisotropic radiation source may be arranged
  • Radiation source forms the first transverse dimension and / or a maximum
  • Extension of the radiation source forms the second transverse dimension.
  • the detector may be anisotropic, for example, the resolution of the detector may be anisotropic.
  • the resolution may be in the first
  • Transverse dimension higher (i.e., finer) than in the second transverse dimension is higher (i.e., finer) than in the second transverse dimension.
  • pixels of the detector may each be anisotropic.
  • the detector may be arranged such that a minimum extension of the pixel coincides with the first transverse dimension and / or that a maximum extension of the pixel coincides with the second transverse dimension.
  • the radiation source is anisotropic according to the first
  • Transverse dimension which is smaller than the second transverse dimension, and the detector dissolves in the direction of the first transverse dimension and in the direction of the second transverse dimension.
  • the propagation direction of the beam and the second transverse dimension define the planes of the three-dimensional
  • the radiation source is in
  • the detector is anistorop with a first resolution in a first direction transverse to the propagation direction of the beam and a second resolution in a second direction transverse to the propagation direction of the beam, the first direction being perpendicular to the second direction, and the first resolution higher ( ie finer) than the second resolution is.
  • the propagation direction of the beam and the second direction define the planes of the three-dimensional radon transformation.
  • first and second variants for example, in that the radiation source is anisotropic according to the first transverse dimension, which is smaller than the second transverse dimension, and the detector is anisotropic with a first resolution in the direction of the first one
  • the evaluation may be based on an inversion of the three-dimensional radon transformation.
  • known numerical reconstruction methods can be adapted for the evaluation of the overall data record.
  • beam may designate a general direction of propagation and / or a direction of propagation of radiation.
  • the radiation at least in the region of the sample holder, can be approximately represented by one or more plane waves.
  • beam may denote the propagation direction of the plane wave or a common propagation direction of the plurality of plane waves.
  • the first axis may be substantially perpendicular to the second axis.
  • the first axis may be substantially parallel to the beam (for example, throughout tomographic imaging).
  • the second axis can be substantially perpendicular to the beam (for example, throughout tomographic imaging).
  • sample holder or the sample in the beam can be rotated by more than two axes.
  • the rotation of the sample or the sample holder in the beam may be realized as a rotation of the sample or the sample holder relative to the beam.
  • the beam can be rotated about the axes, for example by a corresponding rotation of the radiation source (and possibly also of the detector).
  • the radiation source (and possibly also the detector) can be stationary during image acquisition and the sample or the
  • Sample holder to be rotated. Furthermore, a combined rotation of sample or sample holder and radiation beam is possible. For example, the
  • Radiation source and / or the detector can be rotated about the first axis, and the sample holder can be rotated about the second axis, or vice versa.
  • the device may further include a controller.
  • the controller can coordinate the rotation about the first and second axes.
  • the controller can be designed for one (for example, one in each case) tomographic
  • the common rotation can be realized by a simultaneous or alternating rotation about the two axes.
  • the first axis and / or the second axis do not coincide with the direction of the second transverse dimension during the entire tomographic image acquisition or multiple exposures.
  • the common rotation can be realized, for example, in that the sample or the sample holder rotates about the second axis while the second axis tilts about the first axis.
  • the sample or the sample holder can rotate several times around the second axis while the second axis tilts about the first axis.
  • Tilting about the first axis may be less than a complete turn.
  • the second axis may tilt about 90 ° about the first axis.
  • the second axis may be parallel to the first transverse dimension at the beginning of the tomographic imaging, and the second axis may be at the end of the
  • the controller may be configured to use the beam (for example its intensity and / or its intensity) for the tomographic image acquisition
  • Each rotational position may correspond to a point on a sphere or hemisphere.
  • each of the rotational positions can be determined by a combination of a rotational angle about the first axis and a rotational angle ⁇ about the second axis.
  • the plurality of rotational positions may be evenly distributed on the sphere or hemisphere, for example, in terms of a perimeter of the sphere or hemisphere. For the large number of rotational positions, a linear one can occur between the angle ⁇ and the cosine of the angle ⁇
  • the detector and / or an evaluation unit connected to the detector can be designed to move the beam in the direction of the second transverse dimension unresolved or with low resolution (eg with a lower resolution than in FIG
  • the unresolved detection in the direction of the second transverse dimension may be a plane integral at least
  • a detector signal in the direction of the second transverse dimension can be summed up.
  • the detector and / or an evaluation unit connected to the detector can be designed to detect the radiation beam in the direction of the first transverse dimension in a resolved manner.
  • Transverse dimension can be a linear offset of a three-dimensional
  • Distances of the device can be chosen so that a diameter of the sample or a volume of the sample holder is small compared to the distance between the radiation source and the detector.
  • a linear dimension of the sample holding or a sample that can be taken in the sample holding can be a fraction of a distance between the radiation source and the sample and / or a distance between the detector and the sample.
  • the emitted beam may have electromagnetic radiation.
  • the emitted beam can (for example soft or hard)
  • the measured intensity can be a transmission intensity.
  • the measured intensity can be a measure of absorption and / or scattering.
  • the detector may also be designed to detect a phase of the radiation beam and / or an evaluation unit connected to the detector may be configured to reconstruct a phase of the radiation beam.
  • the detector can be a
  • Radon transformation required plane integrals e.g., flocks of parallel planes with normal vectors on the unit sphere
  • the evaluation unit can also be designed to have a three-dimensional
  • Three-dimensional radon transformation can be substantially parallel.
  • the family of parallel Urressebenen can determine a common normal vector of Radon transformation.
  • the normal vector can correspond to the rotational position.
  • the measured intensity can be converted into one or more sectional images (two-dimensional images with pixels) or a spatial graphic (three-dimensional image with voxels).
  • the implementation can be computer-implemented.
  • the technique can be attributed to computed tomography.
  • Tomographic intensity detection and / or spatial reconstruction of an object may be performed on a two-dimensional scan of rotational positions, i. a scan with two (or more) rotational degrees of freedom.
  • the at least two rotational degrees of freedom may include rotational positions relative to a pivot point.
  • the rotational positions can be parameterized according to the two rotational degrees of freedom, for example by means of two rotational angles.
  • the at least two angles of rotation may include the second and third Euler angles.
  • the reconstruction can be based on a three-dimensional radon transformation (3dRT) or its inverse.
  • the beam configuration may be anisotropic due to the larger second transverse dimension.
  • the radiation source In at least the direction of the second transverse dimension, which is not parallel to the beam direction, the radiation source may be extended.
  • the direction of the second transverse dimension may be at least substantially perpendicular to the beam direction. Despite the anisotropic
  • Beam configuration for example, regardless of the extent of
  • a spatial resolution of the tomographic image capture (at least with respect to the pivot point) may be isotropic.
  • the beam direction and the direction of the second transverse dimension e.g.
  • the extended direction of the radiation source can define the family of parallel planes.
  • An integral signal (eg the measured intensity) can be recorded for each of the levels.
  • a data value of the integral signal may correspond to one level at a time.
  • the spatial resolution of the tomographic image capture can be determined by the first transverse dimension and / or a resolution perpendicular to the planes.
  • a one-dimensional data set (e.g., a data series of data values) of the integral signal may be acquired.
  • the data set can be parameterized by the levels, for example by means of an index of the levels.
  • Each rotational position can correspond to a family of parallel planes.
  • the family of parallel planes may be parameterized according to the (at least) two rotational degrees of freedom.
  • An overall dataset for tomographic image acquisition can be parameterized by three indices.
  • the overall data set can be parameterized by the plane index and the two rotation angles.
  • a radiation source extended in one dimension can, for example, in comparison to a substantially punctiform radiation source and / or a radiation source with collimator diaphragm, a higher
  • Noise can be detected in a shorter time per rotational position.
  • Due to the extended radiation source can be a more compact and / or
  • the radiation source may comprise, for example, an x-ray tube.
  • the radiation can be generated by Bremsstrahlung.
  • a method of tomographic image capture includes emitting a beam from a radiation source having a first transverse dimension transverse to the beam and a second transverse dimension substantially perpendicular to the first transverse dimension, the second transverse dimension being greater than the first transverse dimension; detecting the beam by means of a detector; and rotating a sample in the beam by means of an
  • Radiation source and detector arranged sample holder about a first axis and about a second axis different from the first axis.
  • the method may further include any feature of the device aspect, or a corresponding method step.
  • Fig. 1 shows schematically a first embodiment of a device for tomographic image capture
  • Fig. 2 shows schematically a second embodiment of a device for tomographic image capture
  • Fig. 3 (a) schematically shows a third embodiment of an apparatus for tomographic image capture
  • Fig. 3 (b) schematically shows a first embodiment for determining a
  • Fig. 3 (c) schematically shows a second embodiment for determining a
  • Fig. 4 shows a scheme for scanning the rotational positions in the reference system of
  • the device 100 comprises a radiation source 102, a sample holder 104 and a detector 106.
  • the radiation source 102 emits a beam that is capable of at least partially illuminating a sample received in the sample holder 104 and is detected by the detector 106.
  • the beam may electromagnetic radiation (for example, electromagnetic radiation
  • the radiation source 102 is anisotropic.
  • the radiation beam emanating from the radiation source 102 has a first transverse dimension 108 and a second transverse dimension 110.
  • the first transverse dimension 108 is smaller than the second transverse dimension 110.
  • the first transverse dimension and the second transverse dimension are each perpendicular to a main propagation direction of the radiation beam, for example perpendicular to a connection line between radiation source 102 and detector 106
  • Main propagation direction is designated in Fig. 1 with the coordinate z.
  • Transverse dimensions 108 and 110 may be in a wavefront plane of the
  • the first transverse dimension 108 and the second transverse dimension 110 are perpendicular to each other. In the coordinate system of FIG. 1, the first transverse dimension 108 extends in the direction and the second transverse dimension 110 in the direction y.
  • the sample holder is capable of rotating the sample in the beam about a first axis 112 and about a second axis 114.
  • a first variant is the
  • Sample holder 104 between radiation source 102 and detector 106 for example, without being connected to the radiation source 102 and detector 106.
  • the sample holder 104 is connected to the radiation source 102 and the detector 106 such that the radiation source 102 and the detector 106 are rotated about the sample.
  • the radiation beam arriving at the detector 106 is, for example, in terms of intensity (or amplitude), phase and / or polarization, by the in the
  • Sample holder 104 modulates recorded object.
  • the detector 106 detects the modulated beam one-dimensionally resolved.
  • the direction of the resolution is hereinafter referred to by a vector n.
  • the vector n is shown by way of example in the figures.
  • the normal vector n is determined by the radiation source 102.
  • Normal vector n of the three-dimensional radon transformation is perpendicular to the propagation direction of the beam and perpendicular to the second Transverse dimension 110.
  • the normal vector n is the basis for a three-dimensional Radon transformation.
  • the detector 106 detects at least one signal to each level 116 of the
  • the family of detected levels 116 are each perpendicular to the vector n.
  • the vector n is (at least approximately) the common one
  • the coordinate s can be defined with the coordinate x
  • the coordinate 5 in the direction of the normal vector n can also be referred to as an offset.
  • the one-dimensionally resolved signal detected at a rotational position of the sample or sample holder 104 forms the basis of a data set 5 (s).
  • the data record 5 (5) can directly from the detected signals to the individual levels (for example, in a substantially simultaneous recording) or by post-processing (for example, normalization or averaging multiple shots at the same
  • the detector 106 may be limited to a one-dimensional resolution, for example by a corresponding arrangement of pixels.
  • the pixels can be anisotropic.
  • the pixels may each be extended in a detector plane in the direction of the second transverse dimension 110 and / or perpendicular to the normal vector n (for example, along the lines 118, respectively).
  • a higher-resolution detector 106 for example, a suitable for conventional tomography, two-dimensional resolution detector
  • its signal can be summed along lines 118, respectively.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the device 100. Same
  • a wave vector k of the beam may be substantially uniform or collimated along the second transverse dimension 110.
  • the wave vector may be non-uniform, for example divergent or uncorrelated.
  • the first transverse dimension 108 and the second transverse dimension 110 can each be defined as a correlation length of a radiation property.
  • the radiation property may be a polarization and / or a polarization
  • FIG. 3 (a) shows a third exemplary embodiment of the device 100.
  • An extension ⁇ ⁇ radiation source 102 is smaller than an extension ycy of the radiation source 102 according to the second transverse dimension 110 according to the first transverse dimension 108.
  • the detector 106 triggers in the direction of
  • the detected signal 5 is, as a result of the image, a projection R ' ⁇ r ⁇ direction z, for example a sum along the direction z with respect to material density,
  • the detector 106 solves exclusively in the
  • the individual signal 5 (FIG. 5), or individual contributions thereto, which are designated by reference numeral 302, can be obtained directly for an offset 5.
  • a progression of the signal S as a function of the offset is shown schematically at reference numeral 304. - -
  • a plane integral, / ff, of a property, f (A), of the sample can be detected.
  • Level integral [/? / ] (s) of the property f (x) extends over the section plane determined by the normal vector n and the offset s with the sample.
  • the sample is exemplified as a ball in Figs. 3 (b) and 3 (c).
  • the sample may have any external shape and internal inhomogeneity around it
  • Each rotational position can be represented by a point on a spherical surface (sphere) corresponding to the (at least) two rotational degrees of freedom. Since the plane integral RJ is invariant under a reflection or a space inversion, the entirety of the relevant rotational positions can be represented by a hemisphere. That is, a detection of the additional
  • Rotational positions in the lower hemisphere are already covered by the opposite sign at offset s.
  • FIG. 4 shows a schematic 400 for scanning the rotational positions 402 in the reference system of the sample
  • Sample holder 104 The normal vector (normalized as a unit vector).
  • the three-dimensional radon transformation indicates the instantaneous rotational position in the reference system shown in FIG.
  • the sample or sample holder 104 is rotated about the two axes 112 and 114, the radiation source 102 and the detector 106 around the sample or the
  • Sample holder 104 are rotated.
  • the sampling scheme 400 can be implemented in a spatially fixed reference system.
  • all other observables f (A) may be the basis of the data set 5 (s), which may be at least - -
  • R plane integral
  • fluorescence, small-angle scattering and wide-angle scattering contributions can be detected.
  • the plane integral R D f can be formed iteratively, for example as an integral due to the arrangement over the propagation direction z of the beam and as conditional by the detector integral in the direction of the lines 118. Furthermore, raster tomography measurements with the anisotropic radiation source 102 are possible.
  • the radiation can be any interacting with the matter to be investigated
  • Radiation include, for example, X-ray photons, electrons and / or
  • a wave-optical evaluation of the detected signal is possible in the context of phase contrast.
  • the detector or the evaluation unit can be designed to detect the wave-optical phases of the beam by numerical reconstruction.
  • the evaluation of the measurement data can be in the detector 106 or in one with the detector 106 for data exchange (at least indirectly or temporarily) connected
  • the evaluation can be carried out by means of Fourier transformation using the Fourier slice theorem. Furthermore, the evaluation can be carried out by filtering after the back projection (filtered layergram). Alternatively, the evaluation by filtering before the rear projection
  • the backprojection can be implemented by the following operator R * (which does not represent the inversion of the radon transformation): ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ -s) g (n 0 1 s), wherein the integration over the rotational position representative unit vector e e and the displacement of the planes 116 takes place.
  • R * which does not represent the inversion of the radon transformation
  • the parameter a ⁇ / 7 is freely selectable. For example, different ones
  • Embodiments of the evaluation implement various parameters ⁇ .
  • f (A) denotes the tomographically to be detected
  • the giant filter for the filtered backprojection can be implemented as a local operator, namely a differentiation.
  • the evaluation of the overall data set Rf takes place, for example, according to
  • the Riesz filter in contrast to conventional computed tomography, can be implemented as local differentiation.
  • the evaluation of the entire data set Rf takes place
  • Each embodiment of the evaluation is implementable in each embodiment of the apparatus 100.
  • Computed tomography possible, for example, by the radiation source 102 and the detector 106 are rotated about a static patient.
  • the geometric conditions for the distances Zi and z 2 shown in Fig. 3 (a) can be
  • the technique makes it possible to use the source fluence of a radiation source more efficiently, for example by not having to hide anisotropy of the radiation source, but rather contributing to tomographic image acquisition.
  • the technique can be made by using anisotropic and strong light
  • Radiation sources allow applications (such as laboratory instruments), which could previously be performed only with synchrotron radiation. Furthermore, the inverse transformation of the radon transform has odd
  • an optional resolution of the detector 106 in the direction of the second transverse dimension in each evaluation method (for example, with or without inversion of the Radiontransformation) as additional information incorporated. Due to the increased information content, for example, a spatial resolution of the reconstruction can be increased.
  • Embodiments may reduce or avoid a limitation of the image resolution by dimensions of the radiation source, as occur in conventional tomography. Thus embodiments can be described by means of
  • Three-dimensional radon transformation achieve a resolution that is finer than the extension of the radiation source in a transverse direction of the beam. Also, for image captures with phase contrast, the radiation source only in one
  • Quer estimates be limited to ensure a sufficiently high partial coherence.
  • the technique is compatible with a variety of available, highly anisotropic radiation sources such that the greater extension in one direction increases the effective intensity of the radiation without decreasing the resolution.

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Abstract

Eine Technik zur tomografischen Bilderfassung wird beschrieben. Gemäß einem Vorrichtungsaspekt (100) der Technik ist eine Strahlungsquelle (102) dazu ausgebildet, ein Strahlenbündel auszusenden. Die Strahlungsquelle (102) weist quer zum Strahlenbündel eine erste Querabmessung (108) und eine zur ersten Querabmessung (108) im Wesentlichen senkrechte zweite Querabmessung (110) auf. Die zweite Querabmessung (110) ist größer als die erste Querabmessung (108). Ein Detektor (106) ist dazu ausgebildet, das Strahlenbündel zu erfassen. Eine zwischen Strahlungsquelle (102) und Detektor (106) angeordnete Probenhalterung (104) ist dazu ausgebildet, eine Probe im Strahlenbündel um eine erste Achse (112) und um eine von der ersten Achse (112) verschiedene zweite Achse (114) zu drehen.

Description

Technik zur tomografischen Bilderfassung
Technisches Gebiet
Eine Technik zur tomografischen Bilderfassung wird beschrieben. Insbesondere werden, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Tomografie mittels einer anisotropen Strahlungsquelle beschrieben.
Stand der Technik
Bei der herkömmlichen Computertomografie (CT) wird ein Röntgenstrahl definierter Geometrie, beispielsweise ein kollimierter Strahl oder ein Kegelstrahl, durch eine Probe auf einen Detektor gerichtet. Insbesondere in der analytischen CT wird ein Kegelstrahl verwendet, der von einer möglichst punktförmigen Quelle ausgeht, um eine geometrische Vergrößerung des Objektes oder um eine hinreichende (partielle) Kohärenz für die Erzeugung von Phasenkontrast zu erzielen. Die gemessene
Intensität ist das Linienintegral der Abschwächung des Strahls innerhalb der Probe durch Absorption und Streuung. Ist der Strahl beispielsweise in x- und /Richtung kollimiert und breitet sich in ^Richtung aus, enthält das detektierte Signal keine Informationen darüber, wo in -Richtung strukturbildende Absorptions- oder Streuzentren positioniert sind.
Für eine Winkelstellung erfasst der Detektor eine Projektion, d.h. ein Linienintegral als Funktion von /für ein tomografisches Schnittbild und ggf. auch als Funktion von Λ-für ein räumliches Tomografiebild. Durch Drehung von Quelle und Detektor bzw. der Probe um die A--Achse senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird eine Vielzahl solcher Projektionen erfasst. Aus den einzelnen Linienintegralen für die
verschiedenen Winkelstellungen und deren Versatz in /-Richtung lässt sich durch Inversion der Radontransformation das Tomografiebild bestimmen.
Die herkömmliche CT hat den Nachteil, dass die lineare Ausdehnung der
Strahlungsquelle die Auflösung des Tomografiebildes limitiert. Für viele
Anwendungen sind deshalb die stark kollimierten oder fokussierten Strahlen einer Synchrotronquelle notwendig. Die Nutzung einer Synchrotronquelle ist jedoch mit einem erheblichen Wartungsaufwand verbunden und steht einem zeitlich und örtlich flexiblen Einsatz der CT entgegen. Für den Einsatz von Strahlungsquellen im Maßstab eines Untersuchungslabors oder einer medizinischen Praxis muss der Brennfleck der Strahlungsquelle, beispielsweise einer Röntgenröhre, durch Kollimatorblenden auf Kosten der Quellfluenz verkleinert werden. Eine effektivere Nutzung der Quellfluenz oder der partiellen Kohärenz würde eine tomografische Bilderfassung mit kompakteren und/oder kostengünstigeren Strahlungsquellen ermöglichen.
Abriss
Somit ist eine mögliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zur tomografi sehen Bilderfassung bereitzustellen, die eine effektivere Nutzung der Quellfluenz ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt wird hierzu eine Vorrichtung zur tomografischen Bilderfassung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Strahlungsquelle, die dazu ausgebildet ist, ein Strahlenbündel auszusenden, wobei die Strahlungsquelle quer zum
Strahlenbündel eine erste Querabmessung und eine zur ersten Querabmessung im Wesentlichen senkrechte zweite Querabmessung aufweist, wobei die zweite
Querabmessung größer als die erste Querabmessung ist; einen Detektor, der dazu ausgebildet ist, das Strahlenbündel zu erfassen; und eine zwischen Strahlungsquelle und Detektor angeordnete Probenhalterung, die dazu ausgebildet ist, eine Probe im Strahlenbündel um eine erste Achse und um eine von der ersten Achse verschiedene zweite Achse zu drehen.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung können die Quellfluenz und/oder eine andere anisotrope Eigenschaft der Strahlungsquelle effektiver nutzen zur tomografischen Bilderfassung.
Das Strahlenbündel kann in Transmissionsrichtung erfasst werden. Der Detektor kann zur Erfassung einer Intensität des Strahlenbündels ausgebildet sein.
Die erste und/oder die zweite Querabmessung können durch eine Eigenschaft der Strahlungsquelle und/oder des Strahlenbündels bestimmt sein. Beispielsweise können die erste und/oder die zweite Querabmessung durch eine Ausdehnung, einen
Brennfleck, eine Kollimation, eine Apertur, Kohärenz und/oder Polarisation der Strahlungsquelle bestimmt sein. Der Begriff "Strahlungsquelle" kann sich auf die Gesamtheit der Ortspunkte beziehen, von denen das Strahlenbündel ausgeht. Die Ausdehnung der Strahlungsquelle kann sich auf die Ausdehnung einer Fläche an der Strahlungsquelle beziehen, von der das Strahlenbündel ausgeht. Die zweite Querabmessung kann der maximale Abstand zwischen Ortspunkten sein, von denen das Strahlenbündel ausgeht.
Die zweite Querabmessung kann mehr als doppelt so groß wie die erste
Querabmessung sein. Beispielsweise kann (zumindest entgegen der
Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels betrachtet) die Gesamtheit der
Ortspunkte, von denen das Strahlenbündel ausgeht, ein Schlitz sein.
Jede anisotrope Strahlungsquelle kann als Strahlungsquelle eingesetzt werden.
Vorzugsweise kann eine anisotrope Strahlungsquelle so angeordnet sein,
beispielsweise durch Drehausrichtung, dass eine minimale Ausdehnung der
Strahlungsquelle die erste Querabmessung bildet und/oder eine maximale
Ausdehnung der Strahlungsquelle die zweite Querabmessung bildet.
Alternativ oder ergänzend kann der Detektor anisotrop sein, beispielsweise kann die Auflösung des Detektors anisotrop sein. Die Auflösung kann in der ersten
Querabmessung höher (d.h., feiner) sein als in der zweiten Querabmessung.
Beispielsweise können Pixel des Detektors jeweils anisotrop sein. Der Detektor kann so angeordnet sein, dass eine minimale Ausdehnung des Pixels mit der ersten Querabmessung zusammenfällt und/oder dass eine maximale Ausdehnung des Pixels mit der zweiten Querabmessung zusammenfällt.
In einer ersten Variante ist die Strahlungsquelle anisotrop gemäß der ersten
Querabmessung, die kleiner als die zweite Querabmessung ist, und der Detektor löst in Richtung der ersten Querabmessung und in Richtung der zweiten Querabmessung auf. In der ersten Variante definieren die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels und die zweite Querabmessung die Ebenen der dreidimensionalen
Radontransformation. In einer zweiten Variante ist die Strahlungsquelle im
Wesentlichen isotrop und der Detektor ist anistorop mit einer ersten Auflösung in einer ersten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des Strahls und einer zweiten Auflösung in einer zweiten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des Strahls, wobei die erste Richtung senkrecht zur zweiten Richtung ist, und die erste Auflösung höher (d.h. feiner) als die zweite Auflösung ist. In der zweiten Variante definieren die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels und die zweite Richtung die Ebenen der dreidimensionalen Radontransformation. Ferner können erste und zweite Variante kombiniert werden, beispielsweise indem die Strahlungsquelle anisotrop ist gemäß der ersten Querabmessung, die kleiner als die zweite Querabmessung ist, und der Detektor anisotrop ist mit einer ersten Auflösung in der Richtung der ersten
Querabmessung und einer zweiten Auflösung in Richtung der zweiten
Querabmessung, wobei die erste Auflösung höher (d.h. feiner) als die zweite
Auflösung ist.
In allen drei Fällen kann der Auswertung eine Inversion der dreidimensionalen Radontransformation zugrunde liegen. Alternativ können bekannte numerische Rekonstruktionsverfahren für die Auswertung des Gesamtdatensatzes angepasst werden.
Der Begriff "Strahlenbündel" kann eine allgemeine Ausbreitungsrichtung und/oder eine Hauptausbreitungsrichtung von Strahlung bezeichnen. Beispielsweise kann die Strahlung, zumindest im Bereich der Probenhalterung, näherungsweise durch eine oder mehrere ebene Wellen darstellbar sein. Der Begriff "Strahlenbündel" kann die Ausbreitungsrichtung der ebenen Welle oder eine gemeinsame Ausbreitungsrichtung der mehreren ebenen Wellen bezeichnen.
Die erste Achse kann im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achse sein. Die erste Achse kann (beispielsweise während der gesamten tomografischen Bilderfassung) im Wesentlichen parallel zum Strahlenbündel sein. Die zweite Achse kann
(beispielsweise während der gesamten tomografischen Bilderfassung) im
Wesentlichen senkrecht zum Strahlenbündel sein.
Auch kann die Probenhalterung bzw. die Probe im Strahlenbündel um mehr als zwei Achsen gedreht werden.
Die Drehung der Probe oder der Probenhalterung im Strahlenbündel kann als eine Drehung der Probe bzw. der Probenhalterung relativ zum Strahlenbündel realisiert sein. Insbesondere kann das Strahlenbündel um die Achsen gedreht werden, beispielsweise durch eine entsprechende Drehung der Strahlungsquelle (und ggf. auch des Detektors). Alternativ kann die Strahlungsquelle (und ggf. auch der Detektor) während der Bilderfassung ortsfest sein und die Probe bzw. die
Probenhalterung gedreht werden. Ferner ist eine kombinierte Drehung von Probe bzw. Probenhalterung und Strahlenbündel möglich. Beispielsweise kann die
Strahlungsquelle und/oder der Detektor um die erste Achse gedreht werden, und die Probenhalterung kann um die zweite Achse gedreht werden, oder umgekehrt. Die Vorrichtung kann ferner eine Steuerung umfassen. Die Steuerung kann die Drehung um die erste und zweite Achse koordinieren. Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, für eine (beispielsweise für jeweils eine) tomografische
Bilderfassung die Probe mittels der Probenhalterung um die erste Achse und die zweite Achse gemeinsam zu drehen. Die gemeinsame Drehung kann durch eine gleichzeitige oder alternierende Drehung um die beiden Achsen realisiert sein.
Vorteilhafterweise fällt die erste Achse und/oder die zweite Achse nicht während der gesamten tomograflschen Bilderfassung oder mehreren Aufnahmen mit der Richtung der zweiten Querabmessung zusammen.
Die gemeinsame Drehung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass sich die Probe bzw. die Probenhalterung um die zweite Achse dreht während die zweite Achse um die erste Achse kippt. Die Probe bzw. die Probenhalterung kann sich mehrfach um die zweite Achse drehen während die zweite Achse um die erste Achse kippt.
Das Kippen um die erste Achse kann weniger als eine vollständige Umdrehung sein. Beispielsweise kann die zweite Achse um im Wesentlichen 90° um die erste Achse kippen. Die zweite Achse kann bei Beginn der tomograflschen Bilderfassung parallel zur ersten Querabmessung sein, und die zweite Achse kann bei Ende der
tomograflschen Bilderfassung parallel zur zweiten Querabmessung sein, oder umgekehrt.
Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, für die tomografische Bilderfassung das Strahlenbündel (beispielsweise dessen Intensität und/oder dessen
Phasenverschiebung) mittels des Detektors bei einer Vielzahl an Drehstellungen zu erfassen. Jede Drehstellung kann einem Punkt auf einer Sphäre oder Hemisphäre entsprechen. Alternativ oder ergänzend kann jede der Drehstellungen durch eine Kombination aus einem Drehwinkel um die erste Achse und einem Drehwinkel φ um die zweite Achse bestimmt sein. Die Vielzahl der Drehstellungen kann auf der Sphäre oder der Hemisphäre gleichmäßig verteilt sein, beispielsweise bezüglich eines Flächenmaßes der Sphäre oder der Hemisphäre. Für die Vielzahl an Drehstellungen kann zwischen dem Winkel φ und dem Kosinus des Winkels ΰ ein linearer
Zusammenhang bestehen. Der Detektor und/oder eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinheit können dazu ausgebildet sein, das Strahlenbündel in Richtung der zweiten Querabmessung unaufgelöst oder mit geringer Auflösung (z.B. mit geringerer Auflösung als in
Richtung der ersten Querabmessung) zu erfassen. Die unaufgelöste Erfassung in der Richtung der zweiten Querabmessung kann ein Ebenenintegral zumindest
näherungsweise realisieren. Beispielsweise kann ein Detektorsignal in der Richtung der zweiten Querabmessung aufsummiert werden.
Alternativ oder ergänzend können der Detektor und/oder eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinheit dazu ausgebildet sein, das Strahlenbündel in Richtung der ersten Querabmessung aufgelöst zu erfassen. Die Richtung der ersten
Querabmessung kann einen linearen Versatz einer dreidimensionalen
Radontransformation realisieren.
Abstände der Vorrichtung können so gewählt werden, dass ein Durchmesser der Probe bzw. eines Volumens der Probenhalterung klein ist im Vergleich zum Abstand zwischen Strahlungsquelle und Detektor. Eine lineare Abmessung der Probenhaltung bzw. einer in der Probenhaltung aufnehmbaren Probe kann ein Bruchteil sein von einem Abstand zwischen Strahlungsquelle und Probe und/oder von einem Abstand zwischen Detektor und Probe.
Das ausgesendete Strahlenbündel kann elektromagnetische Strahlung aufweisen. Das ausgesendete Strahlenbündel kann (beispielsweise weiche oder harte)
Röntgenstrahlung aufweisen.
Die gemessene Intensität kann eine Transmissionsintensität sein. Die gemessene Intensität kann ein Maß für Absorption und/oder Streuung sein. Der Detektor kann ferner dazu ausgebildet sein, eine Phase des Strahlenbündels zu erfassen und/oder eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, eine Phase des Strahlenbündels zu rekonstruieren. Der Detektor kann einen
Phasenkontrast und/oder einen Kohärenzkontrast erfassen.
Alle für eine Rücktransformation (Inversion) der dreidimensionalen
Radontransformation erforderlichen Ebenenintegrale (z.B., Scharen paralleler Ebenen mit Normalenvektoren auf der Einheitskugel) können durch die gemeinsamen Drehungen um mehr als eine Achse realisiert werden. Dazu können die
Drehstellungen ein in der Steuerung vorprogrammiertes Abtastschema durchlaufen. Die Auswerteeinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, eine dreidimensionale
Radontransformation zu invertieren (Rekonstruktion). Urbildebenen der
dreidimensionalen Radontransformation können im Wesentlichen parallel sein. Die Schar der parallelen Urbildebenen kann einen gemeinsamen Normalenvektor der Radontransformation bestimmen. Der Normalenvektor kann der Drehstellung entsprechen. Die Urbildebenen können beispielsweise parallel zur zweiten
Querabmessung und/oder zum Strahlenbündel sein.
Die gemessene Intensität kann in ein oder mehrere Schnittbilder (zweidimensionale Bilder mit Pixeln) oder eine räumliche Grafik (dreidimensionales Bild mit Voxeln) umgesetzt werden. Die Umsetzung kann computer-implementiert sein. Die Technik kann der Computertomografie zugerechnet werden.
Die tomografische Intensitätserfassung und/oder die räumliche Rekonstruktion eines Objekts können auf einer zweidimensionalen Abtastung von Drehstellungen, d.h. einer Abtastung mit zwei (oder mehr) Drehfreiheitsgraden, basieren. Die mindestens zwei Drehfreiheitsgrade können Drehstellungen bezüglich eines Drehpunkts umfassen. Die Drehstellungen können gemäß den zwei Drehfreiheitsgraden parametrisiert sein, beispielsweise mittels zweier Drehwinkel. Die mindestens zwei Drehwinkel können den zweiten und den dritten Euler'sche Winkel umfassen.
Die Rekonstruktion kann auf einer dreidimensionalen Radontransformation (3dRT) bzw. deren Umkehrung basieren. Die Strahlkonfiguration kann durch die größere zweite Querabmessung anisotrop sein. In zumindest der Richtung der zweiten Querabmessung, die nicht parallel zur Strahlrichtung ist, kann die Strahlungsquelle ausgedehnt sein. Die Richtung der zweiten Querabmessung kann zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Strahlrichtung sein. Trotz der anisotropen
Strahlkonfiguration, beispielsweise unabhängig von der Ausdehnung der
Strahlkonfiguration in der Richtung der zweiten Querabmessung, kann eine räumliche Auflösung der tomografischen Bilderfassung (zumindest bezüglich des Drehpunkts) isotrop sein.
Die Strahlrichtung und die Richtung der zweiten Querabmessung (z.B. die
ausgedehnte Richtung der Strahlungsquelle) können die Schar paralleler Ebenen definieren. Jeweils ein integrales Signal (z.B. die gemessene Intensität) kann für jede der Ebenen erfasst werden. Ein Datenwert des integralen Signals kann jeweils einer Ebene entsprechen. Die räumliche Auflösung der tomografischen Bilderfassung kann durch die erste Querabmessung und/oder eine Auflösung senkrecht zu den Ebenen bestimmt sein.
Für jede Drehstellung kann ein eindimensionaler Datensatz (z.B. eine Datenreihe der Datenwerte) des integralen Signals erfasst werden. Der Datensatz kann durch die Ebenen parametrisiert sein, beispielsweise mittels eines Index der Ebenen. Jeder Drehstellung kann eine Schar paralleler Ebenen entsprechen. Die Schar der parallelen Ebenen kann gemäß den (mindestens) zwei Drehfreiheitsgraden parametrisiert sein. Ein Gesamtdatensatz für die tomografische Bilderfassung kann durch drei Indizes parametrisiert. Der Gesamtdatensatz kann durch den Ebenenindex und die zwei Drehwinkel parametrisiert sein.
Die Verwendung einer in einer Dimension ausgedehnten Strahlungsquelle kann, beispielsweise im Vergleich zu einer im Wesentlichen punktförmigen Strahlungsquelle und/oder einer Strahlungsquelle mit Kollimatorblende, eine höhere
Teilchenstromdichte aufweisen. Durch die Integration über die jeweilige Ebene kann eine gewünschte Fluenz und/oder ein gewünschtes Verhältnis von Signal zu
Rauschen in kürzerer Zeit je Drehstellung erfasst werden.
Durch die ausgedehnte Strahlungsquelle kann eine kompaktere und/oder
kostengünstigere Strahlungsquelle eingesetzt werden, beispielsweise ohne die Fluenz der Strahlungsquelle einzuschränken etwa durch Kollimatorblenden. Durch die Nutzung der ausgedehnten Strahlungsquelle kann auf Synchrotronstrahlung verzichtet werden. Dadurch ist eine kompaktere Vorrichtung und/oder
kostengünstigere Tomografie ermöglicht. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise eine Röntgenröhre umfassen. Die Strahlung kann durch Bremsstrahlung erzeugt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur tomografischen Bilderfassung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aussenden eines Strahlenbündels ausgehend von einer Strahlungsquelle, die quer zum Strahlenbündel eine erste Querabmessung und eine zur ersten Querabmessung im Wesentlichen senkrechte zweite Querabmessung aufweist, wobei die zweite Querabmessung größer als die erste Querabmessung ist; das Erfassen des Strahlenbündels mittels eines Detektors; und das Drehen einer Probe im Strahlenbündel mittels einer zwischen
Strahlungsquelle und Detektor angeordneten Probenhalterung um eine erste Achse und um eine von der ersten Achse verschiedene zweite Achse. Das Verfahren kann ferner jedes Merkmal des Vorrichtungsaspekts, oder einen entsprechenden Verfahrensschritt, umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Technik sind anhand von Ausführungsbeispielen nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur tomografischen Bilderfassung;
Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur tomografischen Bilderfassung;
Fig. 3 (a) zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur tomografischen Bilderfassung;
Fig. 3 (b) zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel zur Bestimmung eines
Ebenenintegrals;
Fig. 3 (c) zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel zur Bestimmung eines
Ebenenintegrals; und
Fig. 4 zeigt ein Schema zur Abtastung der Drehstellungen im Bezugsystem der
Probe.
Ausführliche Beschreibung
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiei einer allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Vorrichtung zur tomografischen Bilderfassung. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Strahlungsquelle 102, eine Probenhalterung 104 und einen Detektor 106. Die Strahlungsquelle 102 sendet ein Strahlenbündel aus, das eine in der Probenhalterung 104 aufgenommen Probe zumindest teilweise zu durchleuchten vermag und vom Detektor 106 erfasst wird.
Das Strahlenbündel kann elektromagnetische Strahlung (beispielsweise
Röntgenstrahlung), Elektronenstrahlung, Neutronenstrahlung oder Ionenstrahlung umfassen. Die Strahlungsquelle 102 ist anisotrop. Das von der Strahlungsquelle 102 ausgehende Strahlenbündel weist eine erste Querabmessung 108 und eine zweite Querabmessung 110 auf. Die erste Querabmessung 108 ist kleiner als die zweite Querabmessung 110.
Die erste Querabmessung und die zweite Querabmessung sind jeweils senkrecht zu einer Hauptausbreitungsrichtung des Strahlenbündels, beispielsweise senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen Strahlungsquelle 102 und Detektor 106. Die
Hauptausbreitungsrichtung ist in Fig. 1 mit der Koordinate z bezeichnet. Die
Querabmessungen 108 und 110 können in einer Wellenfrontebene des
Strahlenbündels liegen.
Die erste Querabmessung 108 und die zweite Querabmessung 110 sind zueinander senkrecht. Im Koordinatensystem der Fig. 1 erstreckt sich die erste Querabmessung 108 in Richtung und die zweite Querabmessung 110 in Richtung y.
Die Probenhalterung vermag die Probe im Strahlenbündel um eine erste Achse 112 und um eine zweite Achse 114 zu drehen. In einer ersten Variante ist die
Probenhalterung 104 zwischen Strahlungsquelle 102 und Detektor 106 angeordnet, beispielsweise ohne mit Strahlungsquelle 102 und Detektor 106 verbunden zu sein. In einer zweiten Variante ist die Probenhalterung 104 mit der Strahlungsquelle 102 und dem Detektor 106 derart verbunden sein, dass die Strahlungsquelle 102 und der Detektor 106 um die Probe gedreht werden. Die Beschreibung umfasst beide
Varianten, wobei das Ayz-Koordinatensystem durch die erste Querabmessung 108, die zweite Querabmessung 110 und die Hauptausbreitungsrichtung (oder eine optische Achse) bestimmt ist.
Das am Detektor 106 ankommenden Strahlenbündel ist, beispielsweise hinsichtlich Intensität (oder Amplitude), Phase und/oder Polarisation, durch das in der
Probenhalterung 104 aufgenommene Objekt moduliert. Der Detektor 106 erfasst das modulierte Strahlenbündel eindimensional aufgelöst. Die Richtung der Auflösung wird im Folgenden durch einen Vektor n bezeichnet. Der Vektor n ist beispielhaft in den Figuren eingezeichnet.
Der Normalenvektor n ist durch die Strahlungsquelle 102 bestimmt. Der
Normalenvektor n der dreidimensionalen Radontransformation steht senkrecht auf die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels und senkrecht auf die zweite Querabmessung 110. Der Normalenvektor n ist Grundlage für eine dreidimensionale Radontransformation.
Der Detektor 106 erfasst wenigstens ein Signal zu jeder Ebene 116 des
Strahlenbündels. Die Schar der erfassten Ebenen 116 ist jeweils senkrecht zum Vektor n. Der Vektor n ist (zumindest näherungsweise) der gemeinsame
Normalenvektor der erfassten Ebenen 116.
Eine (wahlweise diskretisierte) Koordinate in Richtung des Normalenvektors ? wird im Folgenden mit s bezeichnet. Die Koordinate s kann mit der Koordinate x
übereinstimmen oder eine lineare Funktion derselben sein. Die Koordinate 5 in Richtung des Normalenvektors n kann auch als Versatz bezeichnet werden.
Beispielsweise können die Ebenen 116 in der Probenhalterung 104 und/oder am Detektor 106 (an den jeweils mit Bezugszeichen 118 bezeichneten Linien) jeweils um 7 voneinander beabstandet sein, so dass die J-te Ebene 116 die Punkte x = (x,y,zf mit s = x■ n = j■ h umfasst und durch einen ganzzahligen Ebenenindex j bestimmt ist.
Das bei einer Drehstellung der Probe bzw. der Probenhalterung 104 erfasste, eindimensional aufgelöste Signal ist Grundlage eines Datensatzes 5(s). Der Datensatz 5(5) kann direkt aus den erfassten Signalen zu den einzelnen Ebenen (beispielsweise bei einer im Wesentlichen simultanen Aufnahme) oder durch Nachverarbeitung (beispielsweise Normierung oder Mittelung mehrere Aufnahmen bei gleicher
Drehstellung) gebildet werden.
Der Detektor 106 kann, beispielsweise durch eine entsprechende Anordnung von Pixeln, auf eine eindimensionale Auflösung beschränkt sein. Die Pixel können anisotrop sein. Beispielsweise können die Pixel jeweils in einer Detektorebene ausgedehnt sein in Richtung der zweiten Querabmessung 110 und/oder senkrecht zum Normalenvektor n (beispielsweise jeweils entlang der Linien 118).
Falls ein höherdimensional auflösender Detektor 106 (beispielsweise ein auch zur herkömmlichen Tomografie geeigneter, zweidimensional auflösender Detektor) eingesetzt wird, kann dessen Signal jeweils entlang der Linien 118 aufsummiert werden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100. Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen Merkmale, die jenen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen oder mit jenen übereinstimmen. Die Strahlungsquelle 102 ist nicht notwendigerweise hinsichtlich ihrer Ausdehnung anisotrop. Ein Wellenvektor k des Strahlenbündels kann entlang der zweiten Querabmessung 110 im Wesentlichen einheitlich oder kollimiert sein. Entlang der ersten Querabmessung 108 kann der Wellenvektor uneinheitlich sein, beispielsweise divergent oder unkorreliert.
Alternativ oder ergänzend können die erste Querabmessung 108 und die zweite Querabmessung 110 jeweils als Korrelationslänge einer Strahlungseigenschaft definiert sein. Die Strahlungseigenschaft kann eine Polarisation und/oder eine
Kohärenz des Strahlenbündels betreffen.
Fig. 3 (a) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100. Eine Ausdehnung Ρχ ζτ Strahlungsquelle 102 ist gemäß der ersten Querabmessung 108 kleiner als eine Ausdehnung ycy der Strahlungsquelle 102 gemäß der zweiten Querabmessung 110.
In einer ersten Implementierung löst der Detektor 106 in Richtung des
Normalenvektors n (erfasst durch die Detektorkoordinate s) und senkrecht dazu (erfasst durch die Detektorkoordinate f) auf. Wie in Fig. 3 (c) schematisch dargestellt, ist das erfasste Signal 5(5,/) abbildungsbedingt eine Projektion R'\r\ Richtung z, beispielsweise eine Summe entlang der Richtung z bezüglich Materialdichte,
Absorption und/oder Phasenverschiebung in der Probe. Durch numerische
Integration in Richtung der zweiten Querabmessung 110 entlang der Linien 118 wird das mit Bezugszeichen 304 bezeichnete Signal 5(5), oder Beiträge dazu, erhalten.
In einer zweiten Implementierung löst der Detektor 106 ausschließlich in der
Richtung des Normalenvektors z? auf. Dies ist schematisch in Fig. 3 (b) gezeigt.
Dadurch kann unmittelbar das mit Bezugszeichen 302 bezeichnete Einzelsignal 5(5), oder einzelne Beiträge dazu, für einen Versatz 5 erhalten werden. Ein Verlauf des Signals Sals Funktion des Versatzes ist beim Bezugszeichen 304 schematisch gezeigt. - -
Durch beide Implementierungen kann im Ergebnis, zumindest näherungsweise, ein Ebenenintegral, /ff, einer Eigenschaft, f(A), der Probe erfasst werden. Das
Ebenenintegral [/?/ ] (s) der Eigenschaft f(x) erstreckt sich dabei über die durch den Normalenvektor n und den Versatz s bestimmte Schnittebene mit der Probe. Die Probe ist exemplarisch als Kugel in den Fign. 3 (b) und 3 (c) dargestellt. Die Probe kann jede Außenform und jede innere Inhomogenität aufweisen, um sie
tomografisch zu erfassen.
Jede Drehstellung kann entsprechend der (mindestens) zwei Drehfreiheitsgrade durch einen Punkt auf einer Kugeloberfläche (Sphäre) repräsentiert werden. Da das Ebenenintegral RJ invariant unter einer Spiegelung oder einer Rauminversion ist, kann die Gesamtheit der relevanten Drehstellungen durch eine Halbkugelfläche (Hemisphäre) repräsentiert werden. D.h., eine Erfassung der zusätzlichen
Drehstellungen auf der unteren Hemisphäre ist bereits durch das entgegengesetzte Vorzeichen beim Versatz s erfasst.
Da das Ebenenintegral Raf invariant unter einer Drehung um den Normalenvektor n der dreidimensionalen Radontransformation Ra ist, bringt eine Drehung im Sinne der herkömmlichen Computertomografie keine Zusatzinformation für die Inversion der räumlichen Radontransformation. Insbesondere sollte deshalb, bis auf höchstens eine erfasste Drehstellung, die schnelle zweite Drehachse 114 nicht mit dem
Normalenvektor n der dreidimensionalen Radontransformation /^ zusammenfallen.
Grundsätzlich kann die Orientierung der Hemisphäre im Bezugsystem der Probe bzw. der Probenhalterung 104 frei gewählt werden. Fig. 4 zeigt ein Schema 400 zur Abtastung der Drehstellungen 402 im Bezugsystem der Probe bzw. der
Probenhalterung 104. Der (als Einheitsvektor normierte) Normalenvektor /? der dreidimensionalen Radontransformation gibt in dem in Fig. 4 gezeigten Bezugsystem die momentane Drehstellung an.
Ebenso wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Fign. 1 bis 3 die Probe bzw. die Probenhalterung 104 um die zwei Achsen 112 und 114 gedreht wird, kann auch die Strahlungsquelle 102 und der Detektor 106 um die Probe bzw. die
Probenhalterung 104 gedreht werden. In letzterem Fall kann das Abtastschema 400 in einem raumfesten Bezugsystem umgesetzt werden.
Weiterhin können neben Absorptionskontrast und Phasenkontrast alle weiteren Observablen f(A) Grundlage des Datensatzes 5(s) sein, die sich zumindest - -
näherungsweise als Ebenenintegral [R ](s) erfassen lassen. Beispielsweise können Fluoreszenz, Kleinwinkel-Streuung und Weitwinkel-Streubeiträge erfasst werden.
Das Ebenenintegral RDf kann iterativ gebildet sein, beispielsweise als durch die Anordnung bedingtes Integral über die Ausbreitungsrichtung zdes Strahlenbündels und als durch den Detektor bedingtes Integral in Richtung der Linien 118. Ferner sind Raster-Tomografiemessungen mit der anisotropen Strahlungsquelle 102 möglich.
Die Strahlung kann jede mit der zu untersuchenden Materie wechselwirkende
Strahlung umfassen, beispielsweise Röntgenphotonen, Elektronen und/oder
Neutronen. Eine wellenoptische Auswertung des detektierten Signals ist im Rahmen von Phasen kontrast möglich. Der Detektor oder die Auswerteeinheit können dazu ausgebildet sein, die wellenoptischen Phasen des Strahlenbündels durch numerische Rekonstruktion zu erfassen.
Um die Abhängigkeit des Normalenvektors /? von der Drehstellung (ι3, φ) im
Bezugsystem der Probe bzw. der Probenhalterung 104 auszudrücken, wird im
Folgenden die Drehstellung 0=(ι3, φ) als Index des Normalenvektors n geschrieben.
Zu jeder Drehstellung, η=ηθι und zu jeder Ebene 116, s=sJr erfasst der Detektor 106 jeweils einen Signal. Der daraus gebildete Gesamtdatensatz 3(ηθ, s,) sind die
Messdaten der tomografischen Bilderfassung.
Die Auswertung der Messdaten kann im Detektor 106 oder in einer mit dem Detektor 106 zum Datenaustausch (zumindest mittelbar oder zeitweise) verbundenen
Auswerteeinheit implementiert sein.
Die Auswertung kann mittels Fourier-Transformation unter Verwendung des Fourier- Slice-Theorems erfolgen. Ferner kann die Auswertung durch eine Filterung nach der Rückprojektion (gefilterte Ebenenaufzeichnung oder "filtered layergram") erfolgen. Alternativ kann die Auswertung durch eine Filterung vor der Rückprojektion
(gefilterte Rückprojektion) erfolgen.
Die Rückprojektion kann durch folgenden Operator R* (welcher nicht die Inversion der Radontransformation darstellt) implementiert sein: άηθ δ(χηθ - s)g(n0 1 s) , wobei die Integration über den die Drehstellung repräsentierenden Einheitsvektor ne und den Versatz der Ebenen 116 erfolgt. (Darin ist die Funktion g eine beliebige Platzhalter-Funktion zur Definition des Operators lt.)
Die Filterung kann mittels des Riesz-Operators Ia erfolgen, der definiert ist durch
Figure imgf000017_0001
wobei die /7-dimensionaie Fourier-Transformation ist (hier n=3). Somit ist 1° das neutrale Element und / ~~° ist das inverse Element zu 1°. (Darin ist die Funktion föes Raums mit Raumpunkten λ-eine beliebige Platzhalter-Funktion zur Definition des Operators J.)
Der Parameter a</7 ist frei wählbar. Beispielsweise können verschiedene
Ausführungsbeispiele der Auswertung verschiedene Parameter α implementieren.
Im Folgenden bezeichnet f(A) die tomografisch zu erfassende, und damit
bildgebende, Eigenschaft der Probe. Aus dem gemessenen Gesamtdatensatz
[AW](5)= 5(/?ß, sj) kann mittels der Rückprojektion i und der Riesz-Filterung Ia das tomografische Bild f(A) rekonstruiert werden, beispielsweise gemäß fix) = (2π)-η+ 1 (Γαπ#ια+1-ηπ (x) .
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Auswertung basiert auf o=0 und ergibt eine gefilterte Rückprojektion,
Figure imgf000017_0002
Da die Dimension ^7 der Radontransformation ungerade ist, kann der Riesz-Filter für die gefilterte Rückprojektion als ein lokaler Operator, nämlich eine Differentiation, implementiert werden. Dagegen ist bei der herkömmlichen Computertomografie (mit n=2) der Riesz-Filter nichtlokal. Da der Datensatz endlich ist, können bei der herkömmlichen Computertomografie Artefakte durch Ränder und Kanten des erfassten Volumens entstehen. Solche Artefakte werden hier (mit n=3) vermieden. -
Die Auswertung des Gesamtdatensatzes Rf erfolgt beispielsweise gemäß
Figure imgf000018_0001
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Auswertung basiert auf a=n-l und ergibt eine gefilterte Ebenenaufzeichnun
Figure imgf000018_0002
Auch im zweiten Ausführungsbeispiel der Auswertung kann der Riesz-Filter, im Gegensatz zur herkömmlichen Computertomografie, als lokale Differentiation implementiert werden. Die Auswertung des Gesamtdatensatzes Rf erfolgt
beispielsweise gemäß
/Gr) = \ (2π)-η+ 1 {AK*Kf) (*) .
Jedes Ausführungsbeispiel der Auswertung ist in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 implementierbar.
Anwendungsmöglichkeiten der Technik liegen in der analytischen
Computertomografie. Ebenfalls sind Anwendungen in der klinischen
Computertomografie möglich, beispielsweise indem die Strahlungsquelle 102 und der Detektor 106 um einen statischen Patienten gedreht werden. Die in Fig. 3 (a) gezeigten geometrischen Bedingungen für die Abstände Zi und z2 können
eingehalten werden, beispielsweise indem ein entsprechend kleines Teilvolumen des Körpers erfasst wird.
Wie anhand vorstehender Ausführungsbeispiele verdeutlicht, ermöglicht die Technik die Quellfluenz einer Strahlungsquelle effizienter zu nutzen, beispielsweise indem eine Anisotropie der Strahlungsquelle nicht ausgeblendet werden muss sondern zur tomografischen Bilderfassung beitragen kann.
Die Technik kann durch die Verwendung anisotroper und lichtstarker
Strahlungsquellen Anwendungen (etwa als Laborinstrumente) ermöglichen, die bislang nur mit Synchrotronstrahlung durchgeführt werden konnten. Ferner besitzt die Rücktransformation der Radontransformation für ungerade
Dimensionalität vorteilshafte lokale Eigenschaften, so dass die Rekonstruktion an einem beliebigen Objektpunkt nur durch die Objektfunktion und ihre Ableitungen bestimmt ist. Dies ist z.B. für lokale Tomografie (häufig auch als Region-of-Interest Tomografie bezeichnet) vorteilhaft. So kann ein Teilbereich der Probe mit höherer Auflösung erfasst und rekonstruieren werden als das für die ganze Probe notwendig oder aufgrund ihrer Größe möglich wäre. Die übliche zweidimensionale
Radontransformation (2dRT), die der herkömmlichen Röntgentomografie zu Grunde liegt, führt zu nichtlokalen Inversionsoperatoren und zeigt insbesondere bei der lokalen Tomografie oft (objektabhängige) Artefakte.
Alternative oder ergänzend kann die Auswertung des Gesamtdatensatzes
(beispielsweise ohne Verwendung einer Inversion der Radontransformation) durch Anpassung jedes für die Computertomografie bekannten Auswerteverfahrens erfolgen. Beispielsweise können die (vorzugsweise isotropen) Voxel der
tomografischen Bildgebung durch Regressionsverfahren und/oder
Entropiemaximierungsverfahren bestimmt werden.
Ferner kann eine optionale Auflösung des Detektors 106 in Richtung der zweiten Querabmessung in jedes Auswerteverfahren (beispielsweise mit oder ohne Inversion der Radiontransformation) als Zusatzinformation einfließen. Durch den erhöhten Informationsgehalt kann beispielsweise eine räumliche Auflösung der Rekonstruktion erhöht werden.
Ausführungsbeispiele können eine Limitierung der Bildauflösung durch Abmessungen der Strahlungsquelle, wie sie bei der herkömmlichen Tomografie auftreten, verringern oder vermeiden. So können Ausführungsbeispiele mittels der
dreidimensionalen Radontransformation eine Auflösung erreichen, die feiner ist als die Ausdehnung der Strahlungsquelle in einer Querrichtung des Strahls. Auch muss für Bilderfassungen mit Phasenkontrast die Strahlungsquelle nur in einer
Querabmessung eingeschränkt sein, um eine hinreichend hohe partielle Kohärenz zu gewährleisten.
Somit ist die Technik kompatibel mit einer Vielzahl verfügbaren, stark anisotropen Strahlungsquellen, derart dass durch die größere Ausdehnung in eine Richtung die wirksame Fluenz bzw. Intensität der Strahlung steigt, ohne dass die Auflösung sinkt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zur tomografischen Bilderfassung, umfassend:
eine Strahlungsquelle (102), die dazu ausgebildet ist, ein Strahlenbündel auszusenden, wobei die Strahlungsquelle (102) quer zum Strahlenbündel eine erste Querabmessung (108) und eine zur ersten Querabmessung (108) im Wesentlichen senkrechte zweite Querabmessung (110) aufweist, wobei die zweite Querabmessung (110) größer als die erste Querabmessung (108) ist;
einen Detektor (106), der dazu ausgebildet ist, das Strahlenbündel zu erfassen; und
eine zwischen Strahlungsquelle (102) und Detektor (106) angeordnete Pro- benhalterung (104), die dazu ausgebildet ist, eine Probe im Strahlenbündel um eine erste Achse (112) und um eine von der ersten Achse (112) verschiedene zweite Achse (114) zu drehen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Querabmessung (110) mehr als doppelt so groß wie die erste Querabmessung (108) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Achse (112) im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achse (114) und/oder im Wesentlichen parallel zum Strahlenbündel ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Achse (110) im Wesentlichen senkrecht zum Strahlenbündel ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner eine Steuerung umfassend, die dazu ausgebildet ist, für eine tomografische Bilderfassung die Probe mittels der Probenhalterung (104) um die erste Achse (112) und die zweite Achse (114) gemeinsam zu drehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Probe mehrfach um die zweite Achse gedreht wird während die zweite Achse (114) um die erste Achse (112) kippt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die zweite Achse (114) um im Wesentlichen 90° um die erste Achse (112) kippt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, für die tomographische Bilderfassung das Strahlenbündel mittels des Detektors (106) bei einer Vielzahl an Drehstellungen mit einem Drehwinkel i3 um die erste Achse (112) und einem Drehwinkel φ um die zweite Achse (114) zu erfassen, wobei wahlweise für die Vielzahl an Drehstellungen zwischen cos i3 und φ ein linearer Zusammenhang besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Detektor (106) und/oder eine mit dem Detektor (106) verbundene Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die das Strahlenbündel in Richtung der zweiten Querabmessung (110) unaufgelöst zu erfassen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Detektor (106) und/oder eine mit dem Detektor (106) verbundene Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, das Strahlenbündel in Richtung der ersten Querabmessung aufgelöst zu erfassen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Detektor (106) dazu ausgebildet ist, eine Intensität und/oder eine Phase des Strahlenbündels zu erfassen und/oder eine mit dem Detektor (106) verbundene Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die Intensität und/oder die Phase des Strahlenbündels zu rekonstruieren.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Detektor (106) und/oder die Auswerteeinheit ferner dazu ausgebildet ist, eine dreidimensionale Radontransformation zu invertieren, wobei Ebenen der dreidimensionale Radontransformation im Wesentlichen parallel sind
(a) zur zweiten Querabmessung, und/oder
(b) zum Strahlenbündel.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Detektor (106) und/oder die Auswerteeinheit ferner dazu ausgebildet ist, die dreidimensionale Radontransformation mittels eines lokalen Filters zu invertieren.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das ausgesendete Strahlenbündel elektromagnetische Strahlung, wahlweise Röntgenstrahlung, aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine lineare Abmessung einer in der Probenhaltung aufnehmbaren Probe mehrfach kleiner ist als
(a) ein Abstand (zi) zwischen der Strahlungsquelle (102) und einem Zentrum der Probenhalterung (104) oder der Probe, und/oder
(b) ein Abstand (z2) zwischen Detektor (106) und dem Zentrum der Probenhalterung (104) oder der Probe.
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