DE102016226032A1

DE102016226032A1 - Optical arrangement for the suppression of artifacts in X-ray examinations and method for their production

Info

Publication number: DE102016226032A1
Application number: DE102016226032.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Marcel Hausherr
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Unterdrückung von durch Beugung oder Streuung erzeugten Artefakten bei Röntgenuntersuchungen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Anordnung.The present invention relates to an optical arrangement for suppressing artifacts generated by diffraction or scattering in X-ray examinations and a method for producing such an optical arrangement.

Description

Generell wird Röntgenstrahlung von Atomen in Abhängigkeit ihrer Ordnungszahl und Masse absorbiert. Es gilt der Grundsatz, dass schwere Atome Röntgenstrahlung stärker absorbieren als leichte Atome. Dieses Prinzip wird für eine Vielzahl von bildgebenden Verfahren genutzt, so dass Röntgenuntersuchungen nicht nur im Bereich der Medizin, sondern auch im Bereich der Biologie, bei der Strukturanalyse, in der Geologie und Archäologie als Analysemethoden beliebt sind.In general, X-rays of atoms are absorbed as a function of their atomic number and mass. The principle is that heavy atoms absorb x-rays more strongly than light atoms. This principle is used in a variety of imaging modalities, so that X-ray examinations are popular as analytical methods not only in the field of medicine, but also in the fields of biology, structural analysis, geology and archeology.

Bei den einfachen Röntgendurchleuchtungsverfahren wird eine Probe mittels Röntgenstrahlung durchleuchtet. Die Probe ist für die Röntgenstrahlung teildurchlässig, d.h. ein Teil der Strahlung wird innerhalb der Probe absorbiert, die restliche Strahlung tritt aus der Probe aus. Hinter der Ebene, in der sich die Probe befindet, ist ein Detektor positioniert, der die durch die Probe gelangte restliche Röntgenstrahlung erfasst und als Intensitätsbild wiedergibt. Diese sogenannten Durchleuchtungsbilder sind zweidimensionale Abbildungen mit Informationen über die innere Struktur der Probe.In the simple X-ray fluoroscopy method, a sample is X-rayed. The sample is partially transparent to X-radiation, i. a portion of the radiation is absorbed within the sample, the remaining radiation emerges from the sample. Behind the plane in which the sample is located, a detector is positioned, which detects the residual X-radiation reached by the sample and reproduces it as an intensity image. These so-called fluoroscopic images are two-dimensional images with information about the internal structure of the sample.

Eine Erweiterung des Röntgendurchleuchtungsverfahrens stellt die Röntgen-Computertomografie (CT) dar. Bei der CT werden mittels einer Software mehrerer Durchleuchtungsbilder zu einer dreidimensionalen Darstellung der Probe zusammengefügt. Die einzelnen Durchleuchtungsbilder werden dabei üblicherweise durch Rotation der zu messenden Probe oder durch Rotation von Röntgendetektor und -quelle um die Probe herum erzielt.An extension of the X-ray fluoroscopy method is the X-ray computed tomography (CT). In the case of CT, software is used to combine multiple fluoroscopic images into a three-dimensional representation of the specimen. The individual fluoroscopic images are usually achieved by rotation of the sample to be measured or by rotation of the X-ray detector and source around the sample.

Im Bereich der Medizin entspricht die Probe einem Teil des menschlichen Körpers, der aus Gewebe und Knochen mit unterschiedlicher Dichte besteht und deshalb eine Auflösung der verschiedenen Strukturen zulässt.In the field of medicine, the sample corresponds to a part of the human body, which consists of tissue and bone with different density and therefore allows a resolution of the various structures.

Neben Absorption und Transmission gibt es noch die Möglichkeit, dass die Röntgenstrahlung in der Probe gebeugt oder gestreut wird. Dies mit Blick auf die Qualität des gewonnenen Röntgenbildes problematisch, da die Röntgenstrahlen durch die Beugung oder Streuung abgelenkt werden und an einer anderen Stelle des Detektors auftreffen.In addition to absorption and transmission, there is also the possibility that the X-ray radiation in the sample is diffracted or scattered. This is problematic in view of the quality of the obtained X-ray image, since the X-rays are deflected by the diffraction or scattering and impinge on another point of the detector.

Dabei entsteht eine verfälschte Abbildung auf dem Durchleuchtungsbild. Bildbereiche, in denen die gebeugten Röntgenquanten auftreffen, weisen eine erhöhte Intensität auf, während in anderen Bereichen die Intensität geringer ausfällt. Der Beugungseffekt verursacht eine verschwommene, unscharfe Abbildung. Die gebeugten Röntgenquanten verursachen einen „Hof“ oder „Heiligenschein“ um das Objekt herum, der Bildkontrast wird verringert und die Objektkanten werden nicht deutlich abgebildet.This creates a falsified image on the fluoroscopic image. Image areas in which the diffracted X-ray quanta impinge have an increased intensity, while in other areas the intensity is lower. The diffraction effect causes a blurred, blurred image. The diffracted x-ray quanta cause a "halo" around the object, the image contrast is reduced and the edges of the object are not clearly imaged.

Dieser Effekt gehört zu den Artefakten in der Röntgenuntersuchung und ist abhängig von Werkstoff und Geometrie der Probe. Bei hochdichten Materialien und Elementen mit großer Kernladungszahl sowie an Kanten und Dichteübergängen in der Probe tritt Beugung und Streuung verstärkt auf.This effect is one of the artifacts in the X-ray examination and depends on the material and geometry of the sample. For high-density materials and high-atomic-number elements, as well as for edges and density transitions in the sample, diffraction and scattering are more pronounced.

Um Beugeeffekte zu minimieren, wurden bereits verschiedene Lösungsansätze entwickelt. Der am meisten verwendete Ansatz ist die sogenannte Streifenlamellenblende. Die auch „Bucky-Blende“ genannte Lamellenblende wurde bereits 1912 entwickelt und gehört bis heute zur Standardausrüstung bei Röntgengeräten.In order to minimize bending effects, various approaches have already been developed. The most common approach is the so-called strip louvre. The louvre diaphragm, also known as the "Bucky shutter", was developed as early as 1912 and is still standard equipment for X-ray machines.

Die Lamellenblende verwendet dünne Bleilamellen als Röntgenabsorber, die abwechselnd mit röntgendurchlässigen Lamellen gepaart werden. Gebeugte Strahlung wird in den Bleilamellen absorbiert, der Detektor empfängt nur die direkte Röntgenstrahlung, die parallel an den Bleilamellen vorbei strahlt.The louvre diaphragm uses thin lead slats as X-ray absorbers, which are alternately paired with radiolucent slats. Diffracted radiation is absorbed in the lead lamellae, the detector receives only the direct X-ray radiation, which radiates parallel to the lead lamellae.

Nachteilig ist hier allerding das Streifenmuster des Röntgenbildes, das dann entsteht, wenn die Bucky-Blende rein statisch verwendet wird.The disadvantage here, however, is the stripe pattern of the X-ray image, which is produced when the Bucky aperture is used purely statically.

Die Lamelle wird deswegen in einigen Röntgeninstrumenten mittels schneller Vibrationen senkrecht zur Lamellenrichtung in Schwingung versetzt. Damit bewegen sich die strahlungsabsorbierenden Bereiche der Lamellenblende über den Detektor und es wird gewährleistet, dass jeder Teilbereich des Detektors während der Messung der Röntgenstrahlung ausgesetzt ist.The lamella is therefore set in some X-ray instruments by means of rapid vibrations perpendicular to the lamellar direction in vibration. As a result, the radiation-absorbing regions of the louver diaphragm move over the detector and it is ensured that each subarea of the detector is exposed to the X-ray radiation during the measurement.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Röntgenbeugung nur in eine Richtung (senkrecht zu den Lamellen) eliminiert wird. Beugung parallel zu den Lamellen kann ungehindert auf den Detektor treffen. Außerdem verlangt das Verfahren eine periodische Auslenkung der Blende, damit die Absorption der Lamellenstruktur nicht vom Detektor erfasst wird (sogenannte Linienartefakte). Besonders bei Messungen mit langer Messdauer, speziell bei CT-Messungen, können dadurch Probleme auftreten. This method has the disadvantage that the X-ray diffraction is eliminated only in one direction (perpendicular to the slats). Diffraction parallel to the slats can hit the detector unhindered. In addition, the method requires a periodic deflection of the diaphragm, so that the absorption of the lamellar structure is not detected by the detector (so-called line artifacts). Especially with measurements with a long measurement time, especially with CT measurements, this can cause problems.

Die US 7,148,082 B2 und die US 7,236,560 B2 stellen Alternativen zur Bucky-Blende bereit. Diese Patentschriften sehen vor, dass eine dünne Bleifolie in eine wabenförmige Struktur umgeformt wird. Diese Waben werden vor den Detektor platziert und vermeiden Beugungseffekte. Dabei wird die Struktur permanent vor den Detektor platziert.The US 7,148,082 B2 and the US 7,236,560 B2 provide alternatives to the Bucky aperture. These patents provide that a thin lead foil is formed into a honeycomb structure. These honeycombs are placed in front of the detector and avoid diffraction effects. The structure is permanently placed in front of the detector.

Der Nachteil bei diesen Lösungsansätzen ist der hohe Aufwand, der für die Erzeugung der Wabenstruktur notwendig ist. Die Abmessungen der Waben liegen im Bereich mehrerer Millimeter. Die Blende kann daher für grobe Zeilendetektoren mit Detektorflächen im Bereich von einigen Quadratmillimetern abgeschirmt werden. Bei modernen hochauflösenden Flächendetektoren bestehend aus 512², 1024², 2048² oder mehr Einzeldetektoren mit Kantenlängen von 100 µm bis 500 µm ist dieses Verfahren jedoch nicht mehr anwendbar.The disadvantage of these approaches is the high cost, which is necessary for the production of the honeycomb structure. The dimensions of the honeycomb are in the range of several millimeters. The aperture can therefore be shielded for coarse line detectors with detector areas in the range of a few square millimeters. In modern high-resolution area detectors consisting of 512 ² , 1024 ² , 2048 ² or more single detectors with edge lengths of 100 microns to 500 microns, this method is no longer applicable.

Ausgehend von den Nachteilen der Blenden im Stand der Technik war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine optische Anordnung zur Verfügung zu stellen, welche die Beugungs- und Streuungsartefakte im Röntgenbild effektiv reduziert und stattdessen auch keine weiteren Artefakte erzeugt. Des Weiteren sollte die optische Anordnung ihre Funktion auch unter Verwendung moderner, hochauflösender Detektoren erfüllen können. Zuletzt sollte sich die optische Anordnung einfach und kostengünstig herstellen lassen. Ferner sollte ein Herstellungsverfahren angegeben werden, mit dem sich die optische Anordnung samt Blende anfertigen lässt.Based on the disadvantages of the prior art apertures, it was an object of the present invention to provide an optical arrangement which effectively reduces the diffraction and scattering artifacts in the X-ray image and instead does not produce any further artifacts. Furthermore, the optical arrangement should be able to fulfill its function even using modern, high-resolution detectors. Finally, the optical arrangement should be easy and inexpensive to produce. Furthermore, a manufacturing process should be specified, with which the optical arrangement including aperture can be made.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Bereitstellung einer optischen Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst.According to the invention the object is achieved by providing an optical arrangement with the features of claim 1 and the method having the features of claim 12.

Die erfindungsgemäße optische Anordnung zur Unterdrückung von durch Beugung oder Streuung erzeugten Artefakten bei Röntgenuntersuchungen enthält mindestens eine Blende und eine Detektoreinheit mit einer Vielzahl von Einzeldetektoren, wobei die Blende eine Matrix eines Röntgenstrahlung absorbierenden Materials mit einer Vielzahl von optischen Kanälen aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Material aufweist, die optischen Kanäle aus einer Positivmaske aus einem Kunststoff gebildet sind, jeder optische Kanal einem Einzeldetektor zugeordnet ist und die Abmessungen der optischen Kanäle so gewählt sind, dass nur die Röntgenstreustrahlung und/oder Röntgenbeugungsstrahlung die Blende passiert, welche an dem der Detektoreinheit zugewandten Ende des optischen Kanals maximal einen Streuwinkel von 10° mit der ungebeugten und ungestreuten Röntgenstrahlung bildet.The inventive optical arrangement for suppressing diffraction or scattering artifacts in X-ray examinations includes at least one aperture and a detector unit having a plurality of individual detectors, the aperture having a matrix of X-ray absorbing material having a plurality of optical channels of X-ray transmissive material in that the optical channels are formed from a positive mask made of a plastic, each optical channel is assigned to a single detector and the dimensions of the optical channels are selected such that only the X-ray scattering radiation and / or X-ray diffraction radiation passes through the diaphragm which is located at the end of the detector unit optical channel forms a maximum scattering angle of 10 ° with the undiffracted and unscattered X-rays.

In dieser Weise können die Einzeldetektoren effektiv vor gebeugten Röntgenquanten abgeschirmt werden. Alle Röntgenquanten, die sich nicht auf direkter Strecke von der Röntgenquelle zum Detektor befinden, werden durch die Blende absorbiert.In this way, the single detectors can be effectively shielded from diffracted X-ray quanta. All X-ray quanta that are not located directly from the X-ray source to the detector are absorbed by the aperture.

In einer vorteilhaften Variante der optischen Anordnung sind die Abmessungen der optischen Kanäle so gewählt, dass nur die Röntgenstreustrahlung und/oder Röntgenbeugungsstrahlung die Blende passiert, welche an dem der Detektoreinheit zugewandten Ende des optischen Kanals maximal einen Streuwinkel von 5°, bevorzugt 3°, besonders bevorzugt 2°, mit der ungebeugten und ungestreuten Röntgenstrahlung bildet.In an advantageous variant of the optical arrangement, the dimensions of the optical channels are chosen so that only the X-ray scattering radiation and / or X-ray diffraction radiation passes through the diaphragm, which at the detector unit facing the end of the optical channel at most a scatter angle of 5 °, preferably 3 °, especially preferably 2 °, forms with the undiffracted and unscattered X-rays.

Die auftretenden Artefakte können so minimiert werden. Gleichzeitig wird die Auflösung des Röntgenbildes erhöht.The occurring artifacts can be minimized. At the same time, the resolution of the X-ray image is increased.

Weiterhin ist bevorzugt, dass die optische Anordnung so gestaltet ist, dass das Ende der optischen Kanäle, welches von der Detektoreinheit abgewandt ist, eine maximale Ausdehnung b aufweist, die gemäß Formel (I) $α = {tan}^{- 1} (b / L)$

mit der Länge des optischen Kanals L im Verhältnis steht, wobei α der maximal zulässige Streuwinkel an dem der Detektoreinheit zugewandten Ende des optischen Kanals ist.Furthermore, it is preferred that the optical arrangement is designed such that the end of the optical channels, which faces away from the detector unit, has a maximum extent b which, according to formula (I)

α = {tan}^{- 1} (b / L)

is related to the length of the optical channel L, where α is the maximum allowable scattering angle at the end of the optical channel facing the detector unit.

Dies ermöglicht eine höchstflexible Anpassung der optischen Anordnung an die individuellen Anforderungen bei der Röntgenuntersuchung. Die Geometrie der optischen Kanäle muss nicht über das erforderliche Maß hinaus verfeinert werden. This allows a highly flexible adaptation of the optical arrangement to the individual requirements in the X-ray examination. The geometry of the optical channels need not be refined beyond what is necessary.

Die optischen Kanäle der optischen Anordnung weisen in einer Ausführungsvariante die Form eines Zylinders, eines Prismas, eines Kegelstumpfes und/oder eines Quaders, bevorzugt die Form eines Zylinders mit kreisrundem Querschnitt, eines Zylinders mit elliptischem Querschnitt und/oder eines Schrägzylinders, besonders bevorzugt die Form eines Zylinders mit kreisrundem Querschnitt auf.The optical channels of the optical arrangement in one embodiment have the shape of a cylinder, a prism, a truncated cone and / or a cuboid, preferably the shape of a cylinder with a circular cross section, a cylinder with an elliptical cross section and / or an oblique cylinder, particularly preferably the shape a cylinder with a circular cross section.

Bei jeder der Ausführungsvarianten ist entscheidend, dass die optischen Kanäle in Richtung der einfallenden Röntgenstrahlung eine größere Abmessung aufweisen als senkrecht zur Richtung der einfallenden Röntgenstrahlung, damit sie ihre Abschirmfunktion erfüllen.In each of the embodiments, it is crucial that the optical channels have a larger dimension in the direction of the incident X-radiation than perpendicular to the direction of the incident X-ray radiation, so that they fulfill their shielding function.

Vorteilhafterweise sind die optischen Kanäle in der Matrix überschneidungsfrei, bevorzugt parallel und voneinander isoliert, besonders bevorzugt in regelmäßigen Abständen, insbesondere auf Positionen eines zumindest bereichsweise regelmäßigen Gitters, angeordnet.Advantageously, the optical channels in the matrix are arranged without overlapping, preferably parallel and isolated from one another, particularly preferably at regular intervals, in particular at positions of an at least partially regular grating.

Die Matrix kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante beispielsweise in mehrere rechteckige Bereiche aufgeteilt sein, innerhalb derer die optischen Kanäle jeweils auf einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind. Benachbarte rechteckige Bereiche weisen unterschiedliche Gitterstrukturen bzw. Gitter mit unterschiedlichen Gitterkonstanten auf, auf deren Positionen die optischen Kanäle angeordnet sind.The matrix can be divided in a preferred embodiment, for example, in several rectangular areas, within which the optical channels are each arranged on a regular grid. Adjacent rectangular areas have different grating structures or grids with different grating constants, on the positions of which the optical channels are arranged.

Die optische Anordnung kann zudem dadurch gekennzeichnet sein, dass die darin enthaltenen optischen Kanäle eine Grundfläche aufweisen, deren Flächeninhalt jeweils maximal 5,00 mm², bevorzugt maximal 1,00 mm², besonders bevorzugt maximal 0,50 mm², insbesondere maximal 0,10 mm² beträgt.The optical arrangement can also be characterized in that the optical channels contained therein have a base area whose surface area is in each case not more than 5.00 mm ² , preferably not more than 1.00 mm ² , particularly preferably not more than 0.50 mm ² , in particular not more than 0. 10 mm ² .

Das Röntgenstrahlung absorbierende Material in der optischen Anordnung besteht bevorzugt aus einem chemischen Element mit einer Ordnungszahl von mindestens 9 oder aus einem Oxid eines chemischen Elementes mit einer Ordnungszahl von mindestens 9, wobei das chemische Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zirkon, Zinn, Blei, Wismut, Wolfram, Yttrium, Kupfer, Silber und Mischungen hiervon. Besonders bevorzugt für das Röntgenstrahlung absorbierende Material sind unter anderem Zirkonoxid und Yttriumoxid.The X-ray absorbing material in the optical arrangement preferably consists of a chemical element with an atomic number of at least 9 or of an oxide of a chemical element with an atomic number of at least 9, wherein the chemical element is preferably selected from the group consisting of zirconium, tin, Lead, bismuth, tungsten, yttrium, copper, silver and mixtures thereof. Particularly preferred for the X-ray absorbing material include zirconia and yttria.

Weiterhin kann der Kunststoff für die Positivmaske in der erfindungsgemäßen optischen Anordnung temperaturbeständig sein und aus der Gruppe bestehend aus spritzgusstauglichen Polymeren, insbesondere PE, PEEK und PA, gießbaren Polymeren, insbesondere Epoxiden und Phenolen und Mischungen hiervon ausgewählt sein, wobei der Kunststoff zur Verstärkung auch Fasern, bevorzugt Fasern ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Kohlestofffasern, Keramikfasern, Textilfasern, insbesondere Baumwollfasern, Polyesterfasern und Aramidfasern und Mischungen hiervon, aufweisen kann.Furthermore, the plastic for the positive mask in the optical arrangement according to the invention can be temperature-resistant and be selected from the group consisting of injection-moldable polymers, in particular PE, PEEK and PA, castable polymers, in particular epoxides and phenols and mixtures thereof, wherein the plastic for reinforcement and fibers , preferably fibers selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, ceramic fibers, textile fibers, in particular cotton fibers, polyester fibers and aramid fibers and mixtures thereof, may have.

Der für die Positivmaske verwendete Kunststoff soll sich insbesondere durch eine ausreichende Steifigkeit, eine hohe Kurzzeit-Temperaturbeständigkeit gegenüber Lotschmelzen bei bis zu 150 °C, eine Mikrospritzgussfähigkeit und eine ausreichende Röntgendurchlässigkeit auzeichnen.The plastic used for the positive mask should be characterized in particular by a sufficient rigidity, a high short-term temperature resistance to solder melting at up to 150 ° C, a micro injection molding capability and a sufficient radiopacity.

Es ist außerdem eine bevorzugte Variante der Erfindung, wenn die Positivmaske bei der optischen Anordnung nach der Herstellung der Matrix gemäß dem Prinzip der verlorenen Form aus der Matrix entfernt wird.It is also a preferred variant of the invention, when the positive mask is removed from the matrix in the optical arrangement after the preparation of the matrix according to the principle of the lost form.

Die optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche kann außerdem dadurch gekennzeichnet sein, dass die Blende eine Schutzschicht aufweist, wobei die Schutzschicht bevorzugt aus Epoxidharz besteht und besonders bevorzugt eine Dicke von 0,5 mm bis 5,0 mm, insbesondere von 1,0 mm bis 2,0 mm, aufweist.The optical arrangement according to any one of the preceding claims may also be characterized in that the diaphragm has a protective layer, wherein the protective layer is preferably made of epoxy resin, and more preferably has a thickness of 0.5 mm to 5.0 mm, in particular of 1.0 mm up to 2.0 mm.

Die Blende liegt vorteilhafterweise bei der optische Anordnung in Form einer flachen oder gewölbten Platte mit einer Dicke von 1 mm bis 10 mm, insbesondere von 3 mm bis 6 mm, vor und weist bevorzugt Bohrungen zur Befestigung in der optischen Anordnung und Positionierung vor der Detektoreinheit auf.The aperture is advantageously in the optical arrangement in the form of a flat or curved plate with a thickness of 1 mm to 10 mm, in particular from 3 mm to 6 mm, and preferably has holes for attachment in the optical arrangement and positioning in front of the detector unit ,

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der umfasst folgende Schritte:

a) Herstellen einer Positivmaske aus Kunststoff durch Spritzgießen von mindestens einem Formkörper in Form einer Bodenplatte mit einer Vielzahl von Ausstülpungen,
b) Überschichten der Positivmaske mit einem Röntgenstrahlung absorbierenden Matrixmaterial zur Herstellung einer Blende, bei dem aus der Vielzahl von Ausstülpungen optische Kanäle erzeugt werden und
c) Positionieren der Blende relativ zu einer Detektoreinheit, so dass jeder optische Kanal einem Einzeldetektor der Detektoreinheit zugeordnet ist, wobei das Röntgenstrahlung absorbierende Matrixmaterial vor oder nach dem Überschichten der Positivmaske erhitzt wird.

The process according to the invention for the preparation comprises the following steps:

a) producing a positive mask from plastic by injection molding of at least one shaped body in the form of a base plate with a plurality of protuberances,
b) overlaying the positive mask with an X-ray absorbing matrix material to produce a diaphragm in which optical channels are generated from the plurality of protuberances and
c) positioning the aperture relative to a detector unit such that each optical channel is associated with a single detector of the detector unit, wherein the X-ray absorbing matrix material is heated before or after the positive mask is overlaid.

Die Herstellung der Positivmaske im Spritzguss erlaubt es, Ausstülpungen in einem beliebigen Querschnitt zu produzieren. Es können zylindrische, rechteckige und komplexe Konturen hergestellt werden und diese können abgestimmt auf die Position der Einzeldetektoren angeordnet werden.The production of the positive mask in injection molding makes it possible to produce protuberances in any cross section. Cylindrical, rectangular and complex contours can be produced and these can be arranged in accordance with the position of the individual detectors.

In dem Verfahren wir außerdem bevorzugt eine Positivmaske hergestellt, die in mindestens einem Formkörper in Form einer Bodenplatte mit einer Vielzahl von Ausstülpungen besteht, wobei die Ausstülpungen besonders bevorzugt eine Länge von 1 bis 15 mm, ganz besonders bevorzugt von 2 mm bis 7 mm, insbesondere von 3 mm bis 5 mm aufweisen.In the method we also preferably prepared a positive mask, which consists of at least one shaped body in the form of a bottom plate with a plurality of protuberances, wherein the protuberances particularly preferably a length of 1 to 15 mm, most preferably from 2 mm to 7 mm, in particular from 3 mm to 5 mm.

Es ist zudem von Vorteil, wenn die durch Spritzgießen von mindestens einem Formkörper in Form einer Bodenplatte mit einer Vielzahl von Ausstülpungen hergestellte Positivmaske so mit dem Matrixmaterial überschichtet wird, dass die Enden der Ausstülpungen nicht vollständig bedeckt werden und bevorzugt 500 µm bis 1000 µm frei liegen.It is also advantageous if the positive mask produced by injection molding of at least one shaped body in the form of a bottom plate with a plurality of protuberances is so covered with the matrix material that the ends of the protuberances are not completely covered and preferably 500 .mu.m to 1000 .mu.m exposed ,

Bevorzugt ist auch, dass die Positivmaske mit dem Matrixmaterial überschichtet wird, indem die Positivmaske in einen Rahmen platziert und abgedichtet wird, das Matrixmaterial geschmolzen und anschließend in den Rahmen gegossen wird oder der Rahmen anschließend in eine Wanne mit dem flüssigen Matrixmaterial abgesenkt wird.It is also preferable that the positive mask is overcoated with the matrix material by placing the positive mask in a frame and sealing it, melting the matrix material and then pouring it into the frame, or subsequently lowering the frame into a pan with the liquid matrix material.

Hierbei werden insbesondere Lote auf Basis von Bleilegierungen oder Wismutlegierungen als Matrixmaterial verwendet. Diese weisen eine Schmelztemperatur von weniger als 150 °C auf und erlauben es, dass die Positivmaske, die aus einem Kunststoff geformt ist, ihre Struktur während dieses Verfahrensschrittes weitestgehend erhält. Nach dem Auskühlen kann sich so eine flächige Struktur aus röntgenabsorbierendem Matrixmaterial (abgekühltes Lot) bilden, welches sich um die röntgendurchlässige Positivmaske herum verfestigt hat.In particular, solders based on lead alloys or bismuth alloys are used as the matrix material. These have a melting temperature of less than 150 ° C and allow the positive mask, which is formed from a plastic, largely maintains its structure during this process step. After cooling, a flat structure of X-ray-absorbing matrix material (cooled solder) can form, which has solidified around the radio-opaque positive mask.

Des Weiteren ist es günstig, wenn die Oberfläche der Blende nach dem Auskühlen des Matrixmaterials plan gefräst und/oder geschliffen wird, wobei die gefräste und/oder geschliffene Oberfläche bevorzugt mit einer Schutzschicht versehen wird.Furthermore, it is favorable if the surface of the panel is milled and / or ground flat after the cooling of the matrix material, wherein the milled and / or ground surface is preferably provided with a protective layer.

Als Schutzschicht eignet sich beispielsweise eine Epoxidharzschicht, die auf die Blende gegossen werden kann. Nach Aushärten kann diese Schutzschicht der Blende zusätzliche mechanische Stabilität verleihen.As a protective layer is, for example, an epoxy resin, which can be poured onto the panel. After curing, this protective layer can give the panel additional mechanical stability.

Außerdem ist es wünschenswert, dass nach dem Auskühlen des Matrixmaterials Löcher in die Blende zur Befestigung in der optischen Anordnung und Positionierung vor der Detektoreinheit gebohrt werden.In addition, it is desirable that after cooling the matrix material, holes be drilled in the aperture for attachment in the optical assembly and positioning in front of the detector unit.

Die Positionierung der Blende richtet sich letztendlich vorteilhafterweise nach der Röntgenstrahlenquelle. Eine parallele Ausrichtung von Blende und Detektor ist bei Synchrotronstrahlung bevorzugt, während eine Positionierung der Blende in einem Winkel zwischen 180° und 360° zu dem Detektor für Röntgenkegelstrahlung zu wählen ist.The positioning of the diaphragm ultimately depends advantageously on the X-ray source. Parallel alignment of aperture and detector is preferred in synchrotron radiation, while positioning of the aperture is to be selected at an angle between 180 ° and 360 ° to the X-cone detector.

Die Positivmaske kann in einer Variante des Verfahrens durch Spritzgießen von mindestens zwei Formkörpern in Form einer Bodenplatte mit einer Vielzahl von Ausstülpungen hergestellt werden, wobei die mindestens zwei Formkörper zu der Positivmaske zusammengesetzt werden und die Anordnung der Ausstülpungen zwischen mindestens zwei Formkörpern differiert.The positive mask can be produced in a variant of the method by injection molding of at least two moldings in the form of a bottom plate with a plurality of protuberances, wherein the at least two moldings are assembled to form the positive mask and the arrangement of the protuberances differs between at least two moldings.

Zuletzt ist es bevorzugt, wenn in einem dem Überschichten nachgelagerten Schritt des Verfahrens die Positivmaske entfernt wird, so dass an der Stelle der optischen Kanäle in der Blende Hohlräume entstehen.Finally, it is preferable if the positive mask is removed in a step after the overlaying of the method so that cavities are formed at the location of the optical channels in the aperture.

Die Hohlräume absorbieren im Vergleich zu den optischen Kanälen aus Kunststoff insgesamt weniger Röntgenstrahlung, so dass der Anteil der am Detektor ankommenden Röntgenstrahlen im Bezug auf die einfallenden Röntgenstrahlen insgesamt höher ist. The cavities absorb less total X-ray radiation as compared to the plastic optical channels, so that the proportion of X-rays arriving at the detector with respect to the incident X-rays is higher overall.

Die nachfolgenden Figuren sollen der Veranschaulichung der Erfindung dienen, ohne diese auf die speziellen Ausführungsformen reduzieren zu wollen. The following figures are intended to illustrate the invention without wishing to reduce it to the specific embodiments.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Blende, welche bei Verwendung einer Detektoreinheit mit einer Abmessung von 200 µm x 200 µm in einer optischen Anordnung die Röntgenbeugung ab einem Winkel von 2, 1° vermeiden kann. Strahlen mit einem Beugungswinkel kleiner 2,1° (3) können die optischen Kanäle (1) passieren. Strahlen mit einem größeren Beugungswinkel werden von der Blende (2) absorbiert. Die Kanäle (1) haben dafür spezielle Abmessungen, nämlich eine Länge zwischen 3 mm und 5 mm und einen Durchmesser von 0, 15 mm bis 0, 18 mm. 1 schematically shows an embodiment of the invention, the aperture, which can avoid X-ray diffraction from an angle of 2, 1 ° when using a detector unit with a dimension of 200 microns x 200 microns in an optical arrangement. Beams with a diffraction angle less than 2.1 ° ( 3 ), the optical channels ( 1 ) happen. Beams with a larger diffraction angle are emitted from the diaphragm ( 2 ) absorbed. The channels ( 1 ) have special dimensions, namely a length between 3 mm and 5 mm and a diameter of 0, 15 mm to 0, 18 mm.

2 zeigt schematisch eine Projektion einer Positivmaske, mit der eine erfindungsgemäße Blende hergestellt werden kann. Die Breite bzw. der Durchmesser (4) der Ausstülpungen ist kleiner als der Abstand (5) zwischen den Ausstülpungen. Die Länge (6) der Ausstülpungen ist in dergleichen Größenordnung wie die Dicke der Bodenplatte. 2 schematically shows a projection of a positive mask with which a diaphragm according to the invention can be produced. The width or the diameter ( 4 ) of the protuberances is smaller than the distance ( 5 ) between the protuberances. The length ( 6 ) of the protuberances is of the same order of magnitude as the thickness of the bottom plate.

Die Breite bzw. der Durchmesser (4) der Ausstülpungen kann beispielsweise 150 µm betragen, während der Abstand zwischen den Ausstülpungen 250 µm beträgt. Die Länge (6) der Ausstülpungen ist von 3 bis 5 mm.The width or the diameter ( 4 ) of the protuberances may for example be 150 microns, while the distance between the protuberances is 250 microns. The length ( 6 ) of the protuberances is from 3 to 5 mm.

3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer optischen Anordnung mit optischen Kanälen (1), die in einer Blende (2) aus einem Röntgenstrahlung absorbierenden Material angeordnet sind. Ebenfalls dargestellt sind die Einzeldetektorelemente (7), die in der Detektoreinheit (8) angeordnet sind. Zu sehen ist außerdem, dass jedes Einzeldetektorelement (7) einem optischen Kanal zugeordnet ist. 3 shows an embodiment according to the invention of an optical arrangement with optical channels (FIG. 1 ), which are in an aperture ( 2 ) are arranged from an X-ray absorbing material. Also shown are the single detector elements ( 7 ) located in the detector unit ( 8th ) are arranged. It can also be seen that each individual detector element ( 7 ) is assigned to an optical channel.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7148082 B2 [0014]US 7148082 B2 [0014]
US 7236560 B2 [0014]US 7236560 B2 [0014]

Claims

Optische Anordnung zur Unterdrückung von durch Beugung oder Streuung erzeugten Artefakten bei Röntgenuntersuchungen enthaltend mindestens eine Blende und eine Detektoreinheit mit einer Vielzahl von Einzeldetektoren, wobei die Blende eine Matrix eines Röntgenstrahlung absorbierenden Materials mit einer Vielzahl von optischen Kanälen aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Material aufweist, die optischen Kanäle aus einer Positivmaske aus einem Kunststoff gebildet sind, jeder optische Kanal einem Einzeldetektor zugeordnet ist und die Abmessungen der optischen Kanäle so gewählt sind, dass nur die Röntgenstreustrahlung und/oder Röntgenbeugungsstrahlung die Blende passiert, welche an dem der Detektoreinheit zugewandten Ende des optischen Kanals maximal einen Streuwinkel von 10° mit der ungebeugten und ungestreuten Röntgenstrahlung bildet.Optical arrangement for suppressing artifacts generated by diffraction or scattering during X-ray examinations, comprising at least one diaphragm and a detector unit with a multiplicity of individual detectors, the aperture comprising a matrix of X-ray absorbing material having a plurality of X-ray transparent material optical channels, the optical channels being formed of a positive plastic mask, each optical channel being associated with a single detector, and the dimensions of the optical channels are selected so that only the X-ray scattering radiation and / or X-ray diffraction radiation passes through the diaphragm, which at the end of the optical channel facing the detector unit maximally forms a scattering angle of 10 ° with the undiffracted and unscattered X-radiation.

Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der optischen Kanäle so gewählt sind, dass nur die Röntgenstreustrahlung und/oder Röntgenbeugungsstrahlung die Blende passiert, welche an dem der Detektoreinheit zugewandten Ende des optischen Kanals maximal einen Streuwinkel von 5°, bevorzugt 3°, besonders bevorzugt 2°, mit der ungebeugten und ungestreuten Röntgenstrahlung bildet.Optical arrangement according to Claim 1 , characterized in that the dimensions of the optical channels are selected so that only the X-ray scattering and / or X-ray diffraction radiation passes through the diaphragm, which at the detector unit facing the end of the optical channel maximum a scattering angle of 5 °, preferably 3 °, particularly preferably 2 °, with the undiffracted and unscattered X-rays.

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der optischen Kanäle, welches von der Detektoreinheit abgewandt ist, eine maximale Ausdehnung b aufweist, die gemäß Formel (I)

α = {tan}^{- 1} (b / L)

mit der Länge des optischen Kanals L im Verhältnis steht, wobei α der maximal zulässige Streuwinkel an dem der Detektoreinheit zugewandten Ende des optischen Kanals ist.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the end of the optical channels, which faces away from the detector unit, has a maximum extent b, which according to formula (I)

α = {tan}^{- 1} (b / L)

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Kanäle die Form eines Zylinders, eines Prismas, eines Kegelstumpfes und/oder eines Quaders, bevorzugt die Form eines Zylinders mit kreisrundem Querschnitt, eines Zylinders mit elliptischem Querschnitt und/oder eines Schrägzylinders, besonders bevorzugt die Form eines Zylinders mit kreisrundem Querschnitt aufweisen.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optical channels are in the form of a cylinder, a prism, a truncated cone and / or a cuboid, preferably the shape of a cylinder with a circular cross section, a cylinder with an elliptical cross section and / or an oblique cylinder , Particularly preferably have the shape of a cylinder having a circular cross-section.

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Kanäle in der Matrix überschneidungsfrei, bevorzugt parallel und voneinander isoliert, besonders bevorzugt in regelmäßigen Abständen, insbesondere auf Positionen eines zumindest bereichsweise regelmäßigen Gitters, angeordnet sind.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optical channels in the matrix without intersections, preferably parallel and isolated from each other, more preferably at regular intervals, in particular on positions of an at least partially regular grating are arranged.

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optischen Kanäle eine Grundfläche aufweisen, deren Flächeninhalt jeweils maximal 5,00 mm², bevorzugt maximal 1,00 mm², besonders bevorzugt maximal 0,50 mm², insbesondere maximal 0,10 mm² beträgt.Optical arrangement according to one of the preceding claims, wherein the optical channels have a base area whose surface area in each case not more than 5.00 mm ² , preferably not more than 1.00 mm ² , particularly preferably not more than 0.50 mm ² , in particular not more than 0.10 mm ² is.

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgenstrahlung absorbierende Material aus einem chemischen Element mit einer Ordnungszahl von mindestens 9 oder einem Oxid eines chemischen Elementes mit einer Ordnungszahl von mindestens 9 besteht, wobei das chemische Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zirkon, Zinn, Blei, Wismut, Wolfram, Yttrium, Kupfer, Silber und Mischungen hiervon.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the X-ray absorbing material consists of a chemical element with an atomic number of at least 9 or an oxide of a chemical element with an atomic number of at least 9, wherein the chemical element is preferably selected from the group consisting of zirconium, tin, lead, bismuth, tungsten, yttrium, copper, silver and mixtures thereof.

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff für die Positivmaske temperaturbeständig ist und aus der Gruppe bestehend aus spritzgusstauglichen Polymeren, insbesondere PE, PEEK und PA, gießbaren Polymeren, insbesondere Epoxiden und Phenolen und Mischungen hiervon ausgewählt ist, wobei der Kunststoff zur Verstärkung bevorzugt Fasern, besonders bevorzugt Fasern ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Kohlestofffasern, Keramikfasern, Textilfasern, insbesondere Baumwollfasern, Polyesterfasern und Aramidfasern und Mischungen hiervon, aufweist. Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic for the positive mask is temperature resistant and is selected from the group consisting of injection moldable polymers, in particular PE, PEEK and PA, castable polymers, in particular epoxides and phenols and mixtures thereof, wherein the Plastic for reinforcement preferably fibers, more preferably fibers selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, ceramic fibers, textile fibers, in particular cotton fibers, polyester fibers and aramid fibers and mixtures thereof.

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positivmaske nach Herstellung der Matrix gemäß dem Prinzip der verlorenen Form aus der Matrix entfernt wird.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the positive mask is removed from the matrix after production of the matrix according to the principle of the lost form.

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Blende eine Schutzschicht aufweist, wobei die Schutzschicht bevorzugt aus Epoxidharz besteht und besonders bevorzugt eine Dicke von 0,5 mm bis 5,0 mm, insbesondere von 1,0 mm bis 2,0 mm, aufweist.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm has a protective layer, wherein the protective layer is preferably made of epoxy resin, and more preferably has a thickness of 0.5 mm to 5.0 mm, in particular from 1.0 mm to 2.0 mm, has.

Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Blende in Form einer flachen oder gewölbten Platte mit einer Dicke von 1 mm bis 10 mm, insbesondere von 3 mm bis 6 mm, vorliegt und bevorzugt Bohrungen zur Befestigung in der optischen Anordnung und Positionierung vor der Detektoreinheit aufweist.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm is in the form of a flat or curved plate having a thickness of 1 mm to 10 mm, in particular from 3 mm to 6 mm, and preferably holes for attachment in the optical arrangement and positioning in front of the detector unit.

Verfahren zur Herstellung einer optischen Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: a) Herstellen einer Positivmaske aus Kunststoff durch Spritzgießen von mindestens einem Formkörper in Form einer Bodenplatte mit einer Vielzahl von Ausstülpungen, b) Überschichten der Positivmaske mit einem Röntgenstrahlung absorbierenden Matrixmaterial zur Herstellung einer Blende, bei dem aus der Vielzahl von Ausstülpungen optische Kanäle erzeugt werden und c) Positionieren der Blende relativ zu einer Detektoreinheit, so dass jeder optische Kanal einem Einzeldetektor der Detektoreinheit zugeordnet ist, wobei das Röntgenstrahlung absorbierende Matrixmaterial vor oder nach dem Überschichten der Positivmaske erhitzt wird.Method for producing an optical arrangement according to one of the preceding claims, comprising the following steps: a) producing a positive mask from plastic by injection molding of at least one shaped body in the form of a base plate with a plurality of protuberances, b) overlaying the positive mask with an X-ray absorbing matrix material to produce a diaphragm in which optical channels are generated from the plurality of protuberances and c) positioning the aperture relative to a detector unit such that each optical channel is associated with a single detector of the detector unit, wherein the X-ray absorbing matrix material is heated before or after overlaying the positive mask.

Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Positivmaske in mindestens einem Formkörper in Form einer Bodenplatte mit einer Vielzahl von Ausstülpungen besteht, wobei die Ausstülpungen bevorzugt eine Länge von 1 bis 15 mm, besonders bevorzugt von 2 mm bis 7 mm, ganz besonders bevorzugt von 3 mm bis 5 mm aufweisen.Method according to Claim 12 , characterized in that the positive mask in at least one shaped body in the form of a bottom plate with a plurality of protuberances, wherein the protuberances preferably a length of 1 to 15 mm, more preferably from 2 mm to 7 mm, most preferably from 3 mm 5 mm.

Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Spritzgießen von mindestens einem Formkörper in Form einer Bodenplatte mit einer Vielzahl von Ausstülpungen hergestellte Positivmaske so mit dem Matrixmaterial überschichtet wird, dass die Enden der Ausstülpungen nicht vollständig bedeckt werden und bevorzugt 500 µm bis 1000 µm frei liegen.Method according to one of Claims 12 or 13 , characterized in that the positive mask produced by injection molding of at least one shaped body in the form of a bottom plate with a plurality of protuberances is so covered with the matrix material that the ends of the protuberances are not completely covered and preferably 500 microns to 1000 microns are exposed.

Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positivmaske mit dem Matrixmaterial überschichtet wird, indem die Positivmaske in einen Rahmen platziert und abgedichtet wird, das Matrixmaterial geschmolzen und anschließend in den Rahmen gegossen wird oder der Rahmen anschließend in eine Wanne mit dem flüssigen Matrixmaterial abgesenkt wird.Method according to one of Claims 12 to 14 characterized in that the positive mask is overcoated with the matrix material by placing the positive mask in a frame and sealing it, melting the matrix material and then pouring it into the frame, or subsequently lowering the frame into a pan with the liquid matrix material.

Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Blende nach dem Auskühlen des Matrixmaterials plan gefräst und/oder geschliffen wird, wobei die gefräste und/oder geschliffene Oberfläche bevorzugt mit einer Schutzschicht versehen wird.Method according to one of Claims 12 to 15 , characterized in that the surface of the diaphragm is milled flat and / or ground after cooling of the matrix material, wherein the milled and / or ground surface is preferably provided with a protective layer.

Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auskühlen des Matrixmaterials Löcher in die Blende zur Befestigung in der optischen Anordnung und Positionierung vor der Detektoreinheit gebohrt werden.Method according to one of Claims 12 to 16 , characterized in that after cooling of the matrix material holes are drilled in the aperture for attachment in the optical assembly and positioning in front of the detector unit.

Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Positivmaske durch Spritzgießen von mindestens zwei Formkörpern in Form einer Bodenplatte mit einer Vielzahl von Ausstülpungen hergestellt wird, wobei die mindestens zwei Formkörper zu der Positivmaske zusammengesetzt werden und die Anordnung der Ausstülpungen zwischen mindestens zwei Formkörpern differiert.Method according to one of Claims 12 to 17 , characterized in that the positive mask is produced by injection molding of at least two moldings in the form of a bottom plate with a plurality of protuberances, wherein the at least two moldings are assembled to form the positive mask and the arrangement of the protuberances differs between at least two moldings.

Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Positivmaske nach dem Überschichten entfernt wird, so dass an der Stelle der optischen Kanäle in der Blende Hohlräume entstehen.Method according to one of Claims 12 to 18 , characterized in that the positive mask is removed after the overlay, so that arise at the location of the optical channels in the diaphragm cavities.