DE69633618T2

DE69633618T2 - Vereinfachte bedingungen und konfigurationen für phasenkontrast-bilderzeugung mit harten röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE69633618T2
Application number: DE69633618T
Authority: DE
Inventors: William Stephen WILKINS
Original assignee: X Ray Technologies Pty Ltd
Current assignee: X Ray Technologies Pty Ltd
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: CA2216907A1; KR100455232B1; KR19980703516A; EP0818131B1; JP2006061712A; EP0818131A1; ATE279850T1; CN1183886A; JP3971776B2; JP3836509B2; EP0818131A4; DE69633618D1; AUPN201295A0; CA2216907C; HK1012871A1; JPH11502620A; WO1996031098A1; US6018564A; US6212254B1; CN1184862C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Beobachtung eines strukturellen Merkmals eines Objekts unter Verwendung einer durchdringenden Strahlung, wie beispielsweise die Röntgenstrahlung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Röntgenkontrastaufzeichnung und -abbildung von Merkmalen interner Grenzen.
Die internationale Patentveröffentlichung WO 95/05725 (PCT/AU94/00480) der vorliegenden Anmelderin offenbart mehrere Anordnungen und Bedingungen, die zur differentiellen Phasenkontrastabbildung unter Verwendung von harter Röntgenstrahlung geeignet sind. Die Sovietische Patentschrift 1402871 und die US-Patentschrift 5319694 enthalten weitere Offenbarungen. Es sollen einfachere Bedingungen und Anordnungen, die zumindest in einigen Ausführungsformen mehr den herkömmlichen Verfahren der Absorptionskontrastradiografie zuzuordnen sind, bei der differentiellen Phasenkontrastabbildung mit harter Röntgenstrahlung anwendbar sein.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Gewinnen einer Phasenkontrastaufzeichnung einer Grenze, wie in den Ansprüchen 1 und 17 festgelegt.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Bestimmung der Phasenverteilung an einer Bildebene, einschließlich der Verarbeitung der Phasenkontrastbilddaten der Abbildung.
Die Aufzeichnung und somit das Bild kann photografisch oder elektronisch sein. Der Ausdruck „Bild" kann sich daher z. B. auf einen beobachtbaren Effekt bei einem Satz von Intensitätsdaten, wie z. B. einer Tabelle, oder auf eine andere gespeicherte Aufzeichnung von Intensitätsdaten beziehen; der Ausdruck beschränkt sich nicht auf einen visuellen Zusammenhang. Das Aufzeichnungsmedium kann ein zweidimensionaler Bildpunktdetektor, wie z. B. ein elektronischer Detektor sein, wie beispielsweise eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD).
Das Bestrahlungsmittel umfasst vorzugsweise eine Röntgenquelle mit einem Durchmesser von 20 Micron oder weniger, wobei der Durchmesser die gesamte Breite der Intensitätsverteilung der Quelle bei halber Maximalintensität betrifft. Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung darüber hinaus eine geeignete Ablage oder ein Haltemittel für Proben, die die abzubildenden internen Grenzen enthalten, aufweisen.
Die durchdringende Strahlung, wie z. B. die Röntgenstrahlung, kann polychromatisch sein und liegt vorzugsweise im harten Röntgenstrahlungsbereich, d. h. in einem Bereich von 1 KeV bis 1 MeV.
Die Trennung der Grenzen und der Erfassungsmittel wird vorzugsweise gewählt, um die Auflösung des Bildes zu verbessern. Es wurde beispielsweise beobachtet, dass ein schärferes Bild, d. h. eines mit einem besseren Kontrast, durch eine zunehmende Trennung erreichbar ist. Z. B. ist der Kontrast bereits bei einer Trennung von in etwa 1 m gegenüber einer Trennung von 0,4 m verbessert. Dies kann teilweise der Fall sein, da Hintergrundgeräusche bei einer zunehmenden Trennung verringert sind, jedoch der Effekt der Änderung der Intensität, der durch die Veränderung der örtlichen Richtung der Ausbreitung entsteht, im Wesentlichen erhalten bleibt.
Der Ausdruck „laterale räumliche Kohärenz" bezieht sich im Folgenden auf die Korrelation der komplexen Amplituden der Wellen zwischen verschiedenen Punkten quer zur Richtung der Ausbreitung der Wellen. Eine laterale räumliche Kohärenz tritt auf, wenn jeder Punkt an einer Wellenfront eine Ausbreitungsrichtung hat, die sich im Zeitablauf nicht ändert. In der Praxis kann eine hohe laterale räumliche Kohärenz durch die Verwendung einer Quelle mit einer geringen effektiven Größe oder durch die Beobachtung des Strahls in großer Distanz von der Quelle erreicht werden. Z. B. wäre für Röntgenstrahlen von 20 KeV eine Quellengröße mit einem Durchmesser von 20 μm oder weniger typischerweise ausreichend. Je kleiner die Quellengröße umso besser ist es für die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, vorausgesetzt, dass der Gesamtfluss von der Quelle ausreichend ist. Die laterale räumliche Kohärenz muss möglicherweise durch geschickte Auswahl des Röntgenstrahlenfensters der Quelle aufrechterhalten werden, z. B. derart, dass sie möglichst gleichmäßig dick und homogen ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen:
1 ein zum Zwecke der Darstellung in drei Abschnitten dargestelltes Diagram ist, welches einen kreisförmigen Objektquerschnitt zeigt, der mit einem parallelen Strahl bestrahlt wird;
2 ein Diagramm eines kreisförmigen Objektquerschnitts, der mit einem polychromatischen Strahl bestrahlt wird, und der Intensität des erzeugten Phasenkontrastbildes ist;
3 ein Diagramm einer Röntgenstrahlen-Optikkonfiguration gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; und
4 & 5 Röntgenbilder von verschiedenen Grenzen, die gemäß der Erfindung gewonnen wurden, wie im Folgenden näher beschrieben.
Es soll zunächst die mathematische Grundlage der vorliegenden Erfindung festgelegt werden.
Abweichungen der Dicke und des Brechungsindex der Röntgenstrahlen, n(λ)= 1 –δ(λ) – iβ(λ), einer Probe führen immer zu einer Veränderung der Form einer Wellenfront der Röntgenstrahlung beim Durchdringen der Probe. Der Realteil 1 – δ(λ) von n bezieht sich auf den Brechungsgrad, wohingegen sich der Imaginärteil –iβ(λ) auf den Absorptionsgrad bezieht. Insbesondere ist für eine Einzelsubstanz
wobei μ(λ) der lineare Absorptionskoeffizient ist, r_o der klassische Radius eines Elektrons ist, N_o die Anzahl der Atome pro Volumeneinheit ist und f_R der Realteil des atomaren Streufaktors bei einem Streuwinkel von Null ist. Der Koeffizient δ ist proportional zu λ², β ist proportional zu λ⁴, und λ ist proportional zu 1/Energie eines von der Quelle emittierten Photons.
Die Größenordnung der Wellenfront-Verzerrungen steht in Beziehung zum Gradienten der Phasenabweichungen quer zur Richtung der Ausbreitung der Wellenfront. Bei einer geometrisch-optischen Annäherung ist die Phasendifferenz Φ für eine Strahlenbahn durch ein Objekt proportional zum Integral des Dekrements des Realteils des Brechungsindex δ entlang dieser Strahlenbahn. Für das Koordinatensystem in 1 kann dies allgemein ausgedrückt werden durch Φ(x, z) = k∫zo {n(x, z') – 1)dz' (3)wobei k gleich 2π/λ ist. Die Winkelabweichung Δα des lokalen Vektors der Streuwellen vom lokalen Vektor der einfallenden Welle ist proportional zur Steigung der Phasendifferenz in Richtung senkrecht zum lokalen Vektor der einfallenden Welle. Das Wort „lokal" bezieht sich auf einen Punkt (x, y, z) an der Wellenfront. Mathematisch kann der lokale Streuwellenvektor für das Koordinatensystem in 1 angegeben werden durch
wobei s(x, y, z) die Normale der Wellenfront am Punkt (x, y, z) ist und die zuvor angegebene Beziehung in der Achsenparallelversatz-Annäherung gültig ist, wenn {∂ϕ/∂x)² + (∂ϕ/∂y)² << k² ist. Die Winkelabweichung Δα kann wie folgt ausgedrückt werden:
Die Winkelabweichung Δα ist daher abhängig von einer Abweichung des Brechungsindex senkrecht zu einem Ausbreitungswellenvektor, wobei die Höhe der Abweichung von der Länge abhängig ist, über der die Abweichung in Richtung des Wellenvektors auftritt, wie z. B. die Dicke einer Probe.
Um den Einfluss zu veranschaulichen, wird der Fall betrachtet, bei dem ein kugelförmiges Objekt Ω mit einem Brechungsindex n_M in einem Medium mit einem Brechungsindex n_o = 1 eingebettet ist, wie in den 1 und 2 gezeigt.
Die Längenunterschiede zwischen der optischen Bahn der Röntgenstrahlen durch die Probe und durch ein Vakuum führen zu einer Phasendifferenz Φ(x) und folglich zu einem Phasengradienten ∂ϕ/∂x in Richtung (1) quer zur lokalen Richtung der Ausbreitung. Die Phasendifferenz zwischen dem Strahl 1, der durch das Objekt Ω parallel zur z-Achse in konstantem Abstand davon durchtritt, und dem Referenzstrahl 0 ist gegeben durch:
wobei z(x, y) die Länge der Überschneidung von Strahl 1 mit Ω ist und
und R der Radius von Ω ist und δ das Dekrement des Brechungsindexkoeffizienten ist. Mathematisch ist für ein Objekt mit kreisförmigem Querschnitt in der x-z-Ebene der Ausdruck für ∂ϕ/∂x und die Winkelabweichung Δα zwischen einem einfallenden Strahl und dem entsprechenden Brechungsstrahl für ein gegebenes x:
In Gleichung (8) ist δ(λ) langsam veränderlich und es ist bereits erkennbar, dass der Phasengradient bei x = ±R abweicht, wobei die Strahlen um sehr große Winkel von der optischen Achse abweichen können. Innerhalb dieser Grenzen können die Winkelabweichungen der Streustrahlen sehr groß sein und zu einem beobachtbaren Intensitätsverlust 1 in der entsprechenden Vorwärtsrichtung führen, wobei deren Position unabhängig von der Wellenlänge ist, wie in 2 für einen polychromatischen Strahl B gezeigt. Das Dekrement des Brechungsindexkoeffizienten 6 hat typischerweise eine Größenordung von 10^–5 bis 10^–6 für leichte Elemente und harte Röntgenstrahlen, wobei der Abweichungswinkel Δα dennoch sehr groß sein kann, wenn x nahe bei ±R liegt, d. h. an der Grenze der Probe oder an einem internen Grenzmerkmal.
Die Kontrastcharakteristik, die durch unterschiedliche Bedingungen der Quellengröße, des Abstands zwischen Objekt und Quelle, des Abstands zwischen Objekt und Bild, und der Spektralverteilung der Quelle erhalten wird, muss berücksichtigt werden. Eine weitere, den Kontrast beeinflussende Größe ist der Modifizierungsgrad der in das Objekt eingeleiteten Wellenfront.
Um den Einfluss dieser Faktoren auf den Kontrast bei der Bilderzeugung besser zu verdeutlichen, kann im Falle einer ebenen Welle für eine erste Annäherung die von Cowley (J. M. Cowley, „Diffraction Physics", 2nd Ed., p. 60, North Holland, 1981) abgeleitete Formel für den Fresnel-Beugungskontrast eines Phasenobjekts verwendet werden. Gemäß dieser Formel ist für ein eindimensionales Phasenobjekt, welches eine Phasenabweichung Φ(x) unter Belichtung mit einer ebenen Welle mit einer Wellenlänge λ bewirkt, die Intensitätsverteilung bei einem Abstand R₂ vom Objekt gegeben durch die Formel
die in erster Linie für die Quantität (R₂λ/2π) Φ''(x), die als klein angenommen wird, gültig ist. Aus dieser offenbar einfachen Formel können einige wesentliche Schlussfolgerungen gezogen werden, nämlich:

i) der Kontrast verändert sich direkt mit R₂,
ii) die Struktur des Bildes ist λ-unabhängig. Es wird lediglich der Kontrast beeinflusst. Bei einer polychromatischen Quelle würde man einfach in der Formel λ durch eine spektral gewichtete Summe ersetzen.

Um eine Vorstellung von dem Gültigkeitsbereich der zuvor angegebenen Formel für den vorliegenden Fall einer Röntgenstrahlung zu bekommen, wird ein Objektmerkmal angenommen, für das die durch das Objekt übertragene Phase über eine laterale Strecke von zehn Microns um ein rad abweicht. Für Φ'' ~ 10¹⁰ m^–2, λ ~ 1 Å, und R₂ ~ 1 m ergibt sich, dass (R₂ λ/2π) '''(x) ≤ 1. Folglich ist die Formel auch bei kleineren Phasenobjekten oder bei sehr schnellen Veränderungen in der Phase gültig. Jedoch kann bei sehr scharten Rändern oder Änderungen der Steigung, wie sie häufig bei Berechnungen von künstlichen Testobjekten (z. B. Fasern) verwendet werden, Φ'' zu groß werden (sogar bis unendlich), so dass die Formel nicht anwendbar ist. Auch in diesen Fällen wird die übliche Form des Bildes (d. h. eine Schwarz/Weißlinie eines Objekts mit scharfem Rand) wiedergegeben, jedoch nicht die nebengeordneten Randbereiche, die typisch für Beugungen infolge derartiger Unstetigkeiten sind. Andererseits und möglicherweise noch mehr von praktischer Bedeutung ist, dass für ein kleineres Φ''(x), d. h. größere Merkmale mit einer langsameren lateralen Abweichung, der Kontrast gering ist und die praktische Sichtbarkeit sehr begrenzt ist.
Eine genauere mathematische Betrachtung diese Bildtyps mit ebenen Wellen wurde bereits in Bezug auf die Fresnel-Beugung durchgeführt (P. Cloetens, R. Barrett, J. Baruchel, J. P. Guigay, and M. Schlenker, J. Phys. D.: Appld. Phys., 1996 29, 133–46; J. P. Guigay, Optik, 1977 49, 121–5). Diese Betrachtung liefert dieselbe Gleichung wie die zuerst angegebene. Jedoch führt die. genauere Betrachtung zu der Schlussfolgerung, dass der Maximalkontrast für eine räumliche Frequenz u zumindest für den Normalbereich der Bedingungen, die in der Phasen-Kontrast-Radiografie zu erwarten sind, auftritt, wenn 2 λ R₂ u² = 1. Die räumliche Frequenz u bezieht sich auf die Struktur des abgebildeten Objekts, wobei u gleich 1/A ist, wobei A die räumliche Periode einer Fourier-Komponente des abgebildeten Objekts ist.
Sämtliche dieser Betrachtungen beziehen sich auf die Illumination mit einer idealen ebenen Welle. Irgendeine Divergenz des Strahls trübt das Bild in einer Größenordnung proportional R₂ (d. h. es verhält sich wie bei der konventionellen Radiografie). Die zuvor angegeben Autoren (Cloetens et al.) zeigen anschließend auf, dass das Gesamtoptimum R₂ unter Berücksichtigung sowohl des Kontrasts als auch der Auflösung gegeben ist durch R2 ≤ 2 λ/α2 (10)wobei α = s/R₁ der Winkel der Quelle gegenüber dem Objekt ist und sich auf den (fast) Fall einer ebenen Welle bezieht. Man beachte, dass Cloetens et al. im Speziellen die Erfordernis einer möglichst monochromatischen Röntgenstrahlenquelle angibt und im Gegensatz zu den hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen lediglich den Fall einer ebenen Welle betrachtet.
Wie festgestellt wurde, bezieht sich die zuvor angegebene Betrachtung speziell auf den Fall einer ebenen Welle, wohingegen wir uns prinzipiell mit dem Fall der kugelförmigen Welle befassen wollen, der sich mehr auf die herkömmliche Radiografie bezieht. Um den Fall einer räumlichen Welle zu verstehen, wird im Folgenden die Beziehung zwischen diesen beiden untersucht, was zweckmäßigerweise durch eine einfache Analyse des Fresnel-Kirchhoff'schen Ausdrucks zur Abbildung eines Objekts mit einer Punktquelle in einem Abstand R₁ vom Objekt (d. h. der Fall einer kugelförmigen Welle) erfolgen kann. Dies zeigt, dass es eine einfache Beziehung für den Fall einer kugelförmigen Welle gibt, wobei die Ausdrücke des Falls einer ebenen Welle enthalten sind, jedoch mit einem modifizierten Objekt-Bild-Abstand R', so dass
und wobei das Bild um den Faktor (R₁ + R₂)/R₁ vergrößert ist. Eine einfache geometrische Argumentation basierend auf der Röntgenoptik ergibt, dass der Verlust beim Kontrast oder bei der Auflösung infolge der Quellengröße im Fall einer kugelförmigen Welle kein Problem darstellt, da das Bild sowie die Quelle vergrößert sind, wobei letztere um den Faktor R₂/R₁ vergrößert ist, und sie sich für ein großes R₂ dem selben Faktor annähern. Der Faktor, der im Falle einer kugelförmigen Welle den Kontrast beeinträchtigt, ist derart, dass (im Bereich, der für die Energien und die räumlichen Auflösungen in der Radiografie relevant ist) 2 λ R₂(1 + R₂/R₁)u² groß sein sollte (jedoch typischerweise geringer als 1 ist). Dieser Ausdruck kann groß sein, da R₂ groß ist oder λ groß oder die räumliche Frequenz u groß ist. Zur Verdeutlichung können zu praktischen radiografischen Zwecken die folgenden Werte als charakteristische Werte dienen, wobei λ = 0.2 Å; u ≤ 2 × 10⁵ (entsprechend der räumlichen Periode von 20 Micron oder mehr), so dass R₂ ≈ 2.5 m (unter der Annahme R₂/R₁ = 3) einen Maximalkontrast für die höchste räumliche Frequenz ergibt. Größere Werfe von R₂ wären für einen Maximalkontrast bei niedrigeren räumlichen Frequenzen geeignet.
Man beachte, dass die Funktion Φ'' dazu tendiert, die Ränder und Grenzen eines Phasenobjekts in einem Bild zu verbessern. Liegt darüber hinaus eine absorbierende Komponente des Objekts vor, wird es zumindest zunächst direkt zum Bildkontrast beitragen (wie z. B. in Gleichung 7 in Guigay, 1977 zu sehen). Die vorliegende Technik könnte die herkömmlichen radiologischen Bilder ergänzen und verbessern sowie neue Information bringen. Man beachte darüber hinaus, dass eine korrekte Behandlung eines Kontrasts in einem Bild durch differenziellen Phasen-Konstrast (mit dem Laplace von Φ) zahlreiche Bearbeitungsschritte des Bildes, wie z. B. die Lösung der Transport-Intensitätsgleichungen erfordert (siehe T. E. Gureyev, A. Roberts and K. Nugent, Journal of Optical Society of America, Vol. A12, pp. 1932 und pp. 1942, 1995, die hierin durch Bezugnahmen enthalten ist), um die Phase Φ(x) zu gewinnen.
Im Folgenden werden praktische Anordnungen für die Anwendung des Konzepts, die sich aus diesen Festlegungen ergeben, beschrieben. Bei einer ersten Ausführungsform (3) ist eine Quelle S mit einer hohen räumlichen Kohärenz und ein Röntgenstrahlen-Bilddetektor D, wie z. B. Film, lichtempfindliche Phosphorplatten (wie z. B. Fuji-Bildplatten) oder ein zweidimensionaler elektronischer Detektor vorgesehen. Bereiche mit einer großen Abweichung des Brechungsindex quer zur Richtung der Ausbreitung oder mit einer Veränderung der Dicke in Richtung der Ausbreitung können zu erheblichen Änderungen der lokalen Richtung der Ausbreitung der Wellenfront, die in diesen Bereiche durchtritt, führen. Folglich wird eine kugelförmige Wellenfront W1, die von einer Punktquelle S austritt, beim Durchdringen des Objekts O zu W2 verzerrt. Durch das Aufzeichnen der Intensität der Wellenfront in einem ausreichenden Abstand von der Probe können Intensitätsabweichungen infolge einer großen Veränderung des Brechungsindex und einer Veränderung der Dicke in der Probe erfasst werden und deren Lage in einem Bild aufgezeichnet werden. Dies entspricht einer Form der differentiellen Phasenkontrastabbildung. Die Lage des Bilddetektors wird so gewählt, dass die räumliche Auflösung des Detektors ausreichend ist, um die Intensitätsunterschiede, die durch die starken Verzerrungen der Wellenfront entstehen, aufzulösen und den Kontrast zu optimieren, wie zuvor anhand der praktischen Betrachtungen beschrieben.
Typischerweise sind die steilen Gradienten beim Brechungsindex oder der Dicke als drastische Verluste oder rasche Veränderungen der Intensität an entsprechenden Punkten des Bildes dargestellt. Dieses Merkmal des Intensitätsverlusts oder der raschen Veränderung in einem bestimmten Punkt im Bild ist im Wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge und kann daher zu sehr großen Kontrastunterschieden im Bild führen, auch wenn eine polychromatische Quelle verwendet wird.
Die Besonderheit bei dieser Anordnung besteht darin, dass bei einer kreisförmigen Quellenverteilung die räumliche Auflösung im Bild für beide Richtungen gleich ist und im Wesentlichen durch die Quellengröße bestimmt wird. Sie hat außerdem den Vorteil, dass eine beträchtliche Vergrößerung des Bildes möglich ist und folglich Aufzeichnungsmedien, wie beispielsweise Fuji-Bildplatten, verwenden werden können, die eine Reihe guter Eigenschaften haben, wie z. B. einen weiten dynamischen Bereich und eine hohe Empfindlichkeit, jedoch keine hohe räumliche Auflösung.
Zusätzlich zur Quelle und zum Detektor, der bei dieser Anordnung verwendet wird, kann eine Winkelanalysiereinrichtung mit hoher Auflösung zwischen der Probe und dem Detektor eingesetzt werden. Die Winkelanalysiereinrichtung mit hoher Auflösung kann beispielsweise ein entsprechend gekrümmter Kristall in Laue-Geometrie sein, mit einer Krümmung, die für einige geeignete charakteristische Wellenlängen der Quelle ausgewählt ist. Diese Variante des Verfahrens wird erreicht durch die Auflösung von schwächeren Abweichungen des Brechungsindex und der Dicke der Probe, wie bei der zuerst beschriebenen Anordnung zu beobachten ist.
Man beachte, dass eine wesentliche Vergrößerung des Bildes möglich ist, so dass sehr hohe räumliche Auflösungen im Bild auch bei Detektoren mit einer sehr viel niedrigeren räumlichen Auflösung, wie z. B. Fuji-Bildplatten, erreicht werden können. Man beachte auch, dass, da das Verfahren zur Bilderzeugung im Wesentlichen unabhängig von der Energie der Röntgenstrahlung ist, die Quellen mit einer hohen Röhrenspannung betreibbar sind und somit zu einer geringeren absorbierten Dosis der Probe führt, was bei klinischen Anwendungen von großer Bedeutung ist.
Einige Beispiele von Phasen-Kontrastbildern, die unter Verwendung der zuvor genannten Technik aufgezeichnet wurden, sind in den 4 und 5 dargestellt. 4 zeigt ein Bild des Rands einer 10 μm Plastikfolie, die der entspricht, die bei Davis, Gao, Gureyev, Stevenson und Wilkins (Phys. Rev. Letters, 1995, Vol. 74, p. 3173) verwendet wird und einem reinen Phasenobjekt entspricht. 5 zeigt Bilder einer Luftblase und von Glasfasern in einer Polymermatrix basierend auf einer ähnlichen Probe, wie sie bei Davis, Gao, Gureyev, Stevenson und Wilkins (Nature Vol. 373 pp. 595–8, 1995) beschrieben ist und entspricht einem annähernd reinen Phasenobjekt. In beiden Fällen ist ein klarer zusätzlicher Kontrast über dem bei einem zu erwartenden normalen Absorptionskontrastbild zu sehen. Insbesondere sind in 4 die Ränder der Folie als ein Schwarz/Weiß-Kontrastmerkmal sowie die Ränder der Blasen und der Fasern deutlich zu sehen. Es wurde eine Mikrofokusquelle (Kevex Model PXS) mit einem Nenndurchmesser von 10 μm und mit einer Cu-Anode, die bei 40 KV betrieben wird, verwendet. In 4 betrugen der Quelle/Probe-Abstand und der Probe/Folie-Abstand jeweils 700 mm während in 5 die entsprechenden Abstände 120 mm bzw. 1000 mm betrugen. Man beachte, dass der Kontrast in den vorliegenden Fällen infolge der hohen räumlichen Kohärenz der Quelle fast vollständig sichtbar ist. Der Kontrast ist in erster Linie ein Intensitätsverlustkontrast und gleicht in diesem Sinne der normalen Absorption, der sich jedoch dadurch unterscheidet, dass er einen Intensitätsverlust infolge der Brechungsstreuung (oder Fresnel-Diffraktion) an den Objektgrenzen darstellt, wie durch die Gleichung (8) gezeigt. Eine normale Quelle mit einem feinen Fokus mit einem Durchmesser von 0,1 mm hätte eine projizierte Größe von in etwa. der Länge von 0,1 mm Maßeinheit, wie in den Photografien gezeigt, wodurch der Kontrast weitgehend verwischt.
Zum Vergleich des hierin beschriebenen Phasenkontrastbildes mit dem standardgemäßen Absorptionsbild ist in der nachfolgenden Tabelle die Absorptionsdicke t_a einer Karbonprobe, die für eine 65%ige Absorption erforderlich ist, und die Phasendicke t_p der Probe, die zum Erreichen einer Phasenänderung Φ von 2π erforderlich ist, für unterschiedliche Quellenenergien E angegeben.
TABELLE 1
Die Ergebnisse in der Tabelle zeigen, wie das Phasenkontrastbild zur Abbildung von sehr kleinen Objekten mit hohen Energiequellen verwendet werden kann.
In vorteilhafter Weise kann die Strahlenbahn zwischen Probe und Detektor evakuierte Röhren mit röntgendurchlässigen Fenstern oder ähnliche Mittel zum Verringern des Einflusses der Luftbeugung aufweisen, um sicherzustellen, dass ihre optische Qualität derart ist, dass sie keinen nachteiligen Effekt auf die Kohärenz des Röntgenstrahls hat.
Das vorliegende Verfahren ist besonders geeignet zur Abbildung von Merkmalen, wie z. B. Risse, Hohlräume und Auflösungserscheinungen in verschiedenen Materialarten, da diese Merkmale maximale Unterschiede des Brechungsindex haben können und die räumliche Abweichung sehr stark sein kann. Um einen beobachtbaren Kontrast zu liefern, ist die Quelle vorzugsweise eine Quelle mit einer sehr kleinen wirksamen Größe, d. h. in der Größenordnung von in etwa 20 μm, wobei der Detektor vorzugsweise ein Hochauflösungs-Bilddetektor, wie z. B. ein Röntgenfilm oder ein zweidimensionaler elektronischer Detektor, wie z. B. eine CCD-Einrichtung, ist. Dieses Verfahren kann auch in vorteilhafter Weise eine wesentliche Verbesserung des Kontrasts von wichtigen Merkmalen bei der klinischen Radiografie liefern.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt einige vereinfachte Bedingungen und Anordnungen für die differentielle Phasenkontrastabbildung unter Verwendung von eindringender Strahlung, wie beispielsweise von Röntgenstrahlen, die insbesondere auf klinische und industrielle Anwendungen ausgerichtet sind. Diese neuen Methoden beziehen sich mehr auf herkömmliche Verfahren, die bei der Absoptions-Kontrast-Radiografie verwendet werden, und sind insbesondere bei großen Bestrahlungsbereichen einfacher durchführbar als die zuvor beschriebenen Verfahren der zuvor genannten WO95/05725 und PN5811/95. Des Weiteren haben sie eine erheblich kürzere Belichtungszeit bei einer bestimmten Quellenleistung als die herkömmlichen monochromatischen Verfahren, da sie ein sehr breites Spektrum der Quelle verwenden.
In der gesamten Beschreibung bedeutet das Wort „aufweisen" oder Abwandlungen wie z. B. „weist auf" oder „aufweisend", die Einbeziehung einer angegeben ganzen Zahl oder einer Gruppe von ganzen Zahlen jedoch nicht den Ausschluss irgendeiner anderen ganzen Zahl oder einer Gruppe von ganzen Zahlen.

Claims

Verfahren zum Gewinnen eines Phasenkontrastbilds einer internen Grenze eines Objekts (O), wobei diese Grenze eine Brechungsindexabweichung darstellt, das folgendes umfasst: Bestrahlen der Grenze mit einer sich ausbreitenden Wellenfront (W1) von Röntgenstrahlung, die in das Objekt eindringt und die eine Ausbreitungsrichtung hat, so dass eine wesentliche Komponente des Ausbreitungsvektors quer zur Richtung der Brechungsindexabweichung vorhanden ist und die weiter eine laterale räumliche Kohärenz aufweist, die ausreichend hoch ist, dass die Abweichung des Brechungsindex eine erfassbare Änderung der örtlichen Richtung der Ausbreitung der Röntgenstrahlungswellenfront an der Grenze verursacht, die sich über Fresnelsche Beugung als Kontrast offenbart; und Erfassen und Aufzeichnen von Intensität von mindestens einem Teil der Wellenfront (W2) der Strahlung, nachdem Sie die Grenze überquert hat und aus dem Objekt ausgetreten ist, derart, dass ein Effekt der Änderung der örtlichen Richtung der Ausbreitung in der Intensitätsaufzeichnung als dieser Kontrast beobachtbar ist und dadurch als örtliche Abnahme oder schnelle Abweichung der Intensität der Röntgenstrahlung aufgezeichnet wird, wodurch die Intensitätsaufzeichnung im Wesentlichen ein Bild der Grenze bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Strahlung um polychromatische Röntgenstrahlung handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der Strahlung um Röntgenstrahlung mit Energie im Bereich von 1 keV bis 1 MeV handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das das Bestrahlen der Grenze mit einer Quelle von Röntgenstrahlen mit einem Durchmesser quer zur optischen Achse von 20 μm oder weniger einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das das Trennen der Grenze und der Position der Erfassung der Strahlung um einen Abstand einschließt, der den Kontrast und/oder die Auflösung des Teils eines Bildes verbessert, der die Aufzeichnung der örtlichen Abnahme beziehungsweise schnellen Abweichung der Wellenfrontintensität umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Abstand größer oder gleich 0,3 m ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Abstand größer oder gleich 0,7 m ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Abweichung in der erfassten Intensität der Wellenfront schart und örtlich begrenzt ist.
Verfahren zur Bestimmung der Phasenverteilung an einer Bildebene, das die Verarbeitung einer durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gewonnenen Aufzeichnung einschließt.
Verfahren zur Bestimmung der Phasenverteilung an einer Bildebene nach Anspruch 9, wobei die Verarbeitung auf den Maxwellschen Gleichungen für elektromagnetische Strahlung beruht.
Verfahren zur Bestimmung der Phasenverteilung an einer Bildebene nach Anspruch 10, wobei es sich bei den Gleichungen um die Intensitätstransportgleichungen handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Strahlung ohne Braggsche Beugung von einer Quelle erzeugt und von dort an die Grenze geliefert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das weiter das Verarbeiten der Aufzeichnung einschließt, so dass die örtliche Abnahme beziehungsweise die schnelle Abweichung der erfassten Intensität der Röntgenstrahlung aus der Aufzeichnung gewonnen und so die Darstellung der Grenze identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Bestrahlens der Grenze das Bestrahlen der Grenze mit einer nicht fokussierten sich ausbreitenden Wellenfront von Röntgenstrahlen umfasst und wobei der Schritt des Erfassens von Intensität das Erfassen von Intensität von mindestens einem Teil der durch die Grenze laufenden Wellenfront der Röntgenstrahlung umfasst, um die Aufzeichnung zu bilden, ohne die Wellenfront zu fokussieren, nachdem sie die Grenze durchlaufen hat.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Verarbeitung auf den Maxwellschen Gleichungen für elektromagnetische Strahlung beruht.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei es sich bei den Gleichungen um die Intensitätstransportgleichungen handelt.
Vorrichtung zum Gewinnen eines Fhasenkontrastbilds einer internen Grenze eines Objekts (O), wobei diese Grenze eine Brechungsindexabweichung darstellt, die folgendes umfasst: ein Mittel (S) zum Bestrahlen der Grenze mit einer sich ausbreitenden Wellenfront (W1) von Röntgenstrahlen, die in das Objekt eindringt und die eine Ausbreitungsrichtung hat, so dass eine wesentliche Komponente des Ausbreitungsvektors quer zur Richtung der Brechungsindexabweichung vorhanden ist und die weiter eine laterale räumliche Kohärenz aufweist, die ausreichend hoch ist, dass die Abweichung des Brechungsindex eine erfassbare Änderung der örtlichen Richtung der Ausbreitung der Röntgenstrahlungswellenfront an der Grenze verursacht, die sich über Fresnelsche Beugung als Kontrast offenbart; und ein Mittel (D) zum Erfassen und Aufzeichnen von mindestens einem Teil der Wellenfront (W2) der Strahlung, nachdem sie die Grenze überquert hat und aus dem Objekt ausgetreten ist, derart, dass ein Effekt der Änderung der örtlichen Richtung der Ausbreitung in der Intensitätsaufzeichnung als dieser Kontrast beobachtbar ist und dadurch als örtliche Abnahme oder schnelle Abweichung der Intensität der Röntgenstrahlung aufgezeichnet wird, wodurch die Intensitätsaufzeichnung im Wesentlichen ein Bild der Grenze bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei es sich bei der Strahlung um polychromatische Röntgenstrahlung handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei es sich bei der Strahlung um Röntgenstrahlung mit Energie im Bereich von 1 keV bis 1 MeV handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei es sich beim Mittel zum Bestrahlen um eine Quelle von Röntgenstrahlen mit einem Durchmesser quer zur optischen Achse von 20 μm oder weniger handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, die weiter ein Haltemittel zum Halten eines die Grenze enthaltenden Objekts einschließt, um so die Grenze an einer vorbestimmten Position zu positionieren, wodurch für die Trennung der Grenze und der Position der Erfassung des Teils der Strahlung ein Abstand eingestellt werden kann, der den Kontrast und/oder die Auflösung für einen Teil eines Bilds verbessert, der die Aufzeichnung der örtlichen Abnahme beziehungsweise schnellen Abweichung der Intensität umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Erfassungsmittel und das Haltemittel so angeordnet sind, dass der Abstand größer oder gleich 0,3 m ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Erfassungsmittel und das Haltemittel so angeordnet sind, dass der Abstand größer oder gleich 0,7 m ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die Strahlung ohne Braggsche Beugung von einer Quelle erzeugt und von dort an die Grenze geliefert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, die weiter ein Mittel zum Verarbeiten der Aufzeichnung einschließt, um die entsprechende Abweichung in der erfassten Intensität der Wellenfront aus der Aufzeichnung zu gewinnen und so die Darstellung der Grenze zu identifizieren.