Untersuchungen zur gitterbasierten Phasenkontrast-Röntgenbildgebung in polychromatischenStrahlungsfeldern
Weber, Thomas - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (2013)
In dieser Arbeit wurde die gitterbasierte Phasenkontrast-Röntgenbildgebung systematisch untersucht und methodisch weiterentwickelt.
Hierzu wurde ein neuartiges Phasenrekonstruktionsverfahren zum ersten Mal in einem polychromatischen Aufbau eingesetzt und evaluiert. Der Vergleich mit den etablierten Verfahren zeigte, dass eine Erhöhung des SDNRs um einen Faktor 2 bis 3 erzielt werden kann. Dies bedeutet, dass durch die neue Methode eine Dosisersparnis bis zu einem Faktor 9 möglich ist. Das neue Verfahren basiert auf einer iterativen Entfaltung und ist somit deutlich rechenzeitintensiver als die bisherigen Rekonstruktionsmethoden, welche analytisch arbeiten. Deshalb können bisher nur Aufnahmen mit geringer Größe mit dem neuen Verfahren mit vertretbarem Zeitaufwand rekonstruiert werden. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Aufnahmen wurden mit dem konventionellen Verfahren der Sinusanpassung an die Phasesteppingkurve rekonstruiert. Mit weiter zunehmender Rechenleistung ist aber zu erwarten, dass auch für die Phasenrekonstruktion großflächiger Aufnahmen zukünftig das iterative Verfahren benutzt werden wird. Eine ähnliche Entwicklung konnte bei der Nutzung von iterativen CT-Rekonstruktionsverfahren festgestellt werden, die in der Zwischenzeit bereits zum Standard geworden sind. Zur weiteren Verbesserung der interferometrischen Röntgenbildgebung wurden Simulationen durchgeführt, mit deren Ergebnissen sowohl das zu verwendende Röntgenspektrum als auch die Geometrie des Aufbaues optimiert werden konnte. Parallel dazu wurde die Simulation mit Hilfe geeigneter Experimente validiert. Durch die Wahl der optimalen Beschleunigungsspannung, dem Einbringen von Filtermaterialien und der Anpassung der Aufbaugeometrie konnte eine Steigerung der Visibilität V, dem Hauptqualitätsparameter der interferometrischen Röntgenbildgebung, um mehr als 100% auf 48,0% erreicht werden. Dies entspricht ca. 93,2% des maximal möglichen Wertes bei monoenergetischer Bestrahlung, wie sie jedoch nur an Synchrotronanlagen zur Verfügung steht. Ausgehend vom Zustand vor der Optimierung kann auf diese Weise eine Dosisreduktion um den Faktor 4,24 erreicht werden.
Weiterhin wurde das spektrale Verhalten des Dunkelfeldsignals eingehend analysiert. Um die Energieabhängigkeit des Dunkelfeldsignals für die Dosisreduktion einzusetzen wurde eine funktionale Beschreibung des spektralen Verlaufs des Dunkelfeldsignals für ein Talbot-Lau Interferometer entwickelt. Das Resultat wurde durch Simulationsergebnisse bestätigt. Es wurde mit Hilfe eines photonenzählenden, energieselektiven Pixeldetektors gezeigt, dass die in der Fachliteratur vorliegende Beschreibung der Entstehung des Dunkelfeldsignals unvollständig ist. Durch Anwendung einer Spektrumsentfaltungsmethode wurden bislang einmalige spektrale Untersuchungen des Dunkelfelds durchgeführt. Es wurden von der Theorie bisher nicht beschriebene Signaturen im Dunkelfeldsignal festgestellt. Als Ursache konnte die Vermutung bestätigt werden, dass ein signifikanter Anteil der Visibilitätswerte unabhängig vom Einsatz eines Phasengitters G1 erhalten werden können und somit alleine vom Objekt verursacht werden.
Im Weiteren wurden mögliche Einsatzfelder der interferometrischen Röntgenbildgebung untersucht. Bei technischen Anwendungen zeigte sich, dass ein Potential für die Nutzung in der zerstörungsfreien Materialprüfung, speziell bei faserigen und granulären Objekten, zu sehen ist. Ein Einsatz in der Gepäckkontrolle bedarf noch deutlicher Weiterentwicklungen. In der medizinischen Bildgebung ergab sich ein möglicher Vorteil bei der Erkennung von pathologischen Veränderungen der Lunge. Daneben hat sich mit der Mammographie ein vielversprechendes Feld aufgetan, da hier durch die interferometrische Röntgenbildgebung bisher nicht sichtbare Mikrokalzifikationen entdeckt werden können, welche möglicherweise einen Hinweis auf das Vorhandensein eines invasiven Mammakarzinoms geben.
Zusammenfassend stellt die interferometrische Röntgenbildgebung einen noch jungen und in einigen Bereichen noch unerforschten Ansatz der Röntgenbildgebung dar. Besonders das erst vor kurzem in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückte Dunkelfeldsignal trägt hierbei ein enormes Potential zur Verbesserung einer Vielzahl von Anwendungen in sich.