Bildverarbeitung

Silizium-Mikrostrukturen verbessern Röntgenbilder

Wenn heute Menschen, Tiere oder Gegenstände »durchleuchtet« werden, dann ist das Ergebnis immer ein Schattenbild. Ausgewertet wird die unterschiedliche Absorption der Strahlen in verschieden dichter Materie. Das Auflösungsvermögen hat dabei seine Grenzen. Eine Methode, die auf der Analyse von Phasenverschiebungen basiert, zeigt sich als überlegen. Wichtige Elemente sind dabei Gitter aus einkristallinem Silizium mit Strukturen im Mikrometer-Bereich.

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Bild 1. Röntgenstrahlen beim Durchgang durch Materie: Außer bschwächung durch Absorption erleiden sie auch eine Phasenverschiebung, dadurch wird die Wellenfront ausgelenkt.

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Bild 1. Röntgenstrahlen beim Durchgang durch Materie: Außer bschwächung durch Absorption erleiden sie auch eine Phasenverschiebung, dadurch wird die Wellenfront ausgelenkt.

Fast 115 Jahre ist es jetzt her, dass Wilhelm Conrad Röntgen über die Schatten seiner Handknochen auf einem Fluoreszenzschirm erstaunte. Was daraus entstand und sehr bald Medizin und Materialprüfung revolutionierte, ist allerdings nicht ganz ohne Tücken: Wenn Röntgenstrahlen etwa bei der Krebsvorsorgeuntersuchung eingesetzt werden, kann es passieren, dass gerade dadurch erst Krebs ausgelöst wird – eine untragbare Situation. So setzt die Weiterentwicklung alles dran, die für eine Aufnahme notwendige Strahlendosis abzusenken.

Trotz aller Fortschritte ist das grundsätzliche Prinzip nach wie vor das alte: die mehr oder weniger starke Absorption der Strahlen in unterschiedlich dichter Materie. Harte Strahlen – d.h. mit hoher Quantenenergie – werden relativ schwach absorbiert; damit lassen sich z.B. Knochen sehr gut erkennen. Durch weiches Gewebe gehen sie fast ungehindert durch, sie erzeugen darin wenig Schäden, dafür aber auch kaum Bildkontrast. Wenn man hierin feine Unterschiede erkennen will, etwa Tumoren innerhalb gesunder Umgebung, nimmt man weichere Strahlung, die stärker absorbiert wird. Das bedeutet aber wiederum eine stärkere Schädigung des Gewebes. Damit wird die Technik, die eigentlich dem Menschen helfen sollte, zur Gefährdung.

So suchten Physiker schon vor Jahren nach grundsätzlich anderen Wegen. Absorption ist nicht der einzige Effekt, den elektromagnetische Wellen beim Durchgang durch Materie erleiden. Sie werden außerdem auch in ihrer Ausbreitung verzögert, weil die Lichtgeschwindigkeit darin kleiner ist als in Vakuum bzw. Luft. Sichtbares Licht wird stark verlangsamt, Röntgenstrahlen wesentlich schwächer. Es bedarf aufwendiger Kunstgriffe, dies noch zu erfassen. Es gelingt am besten an solchen Stellen, an denen dichtere und weniger dichte Materie aneinanderstoßen. Hier wird die Wellenfront des Strahls minimal aus ihrer Richtung abgelenkt. Der Winkel á in Bild 1 ist in der Praxis extrem klein – in der Größenordnung Mikrorad.

 Wie weist man derart geringe Strahlablenkungen noch nach? Es gibt bisher drei verschiedene Möglichkeiten dafür: mit einem Bonse-Hart-Interferometer, mit einem Bragg-Kristall- Analysator oder über die Ausbreitung im freien Raum. Die ersten beiden funktionieren nur mit einem hochparallelen, monochromatischen Röntgenstrahl und stellen extreme Anforderungen an die räumliche und zeitliche Kohärenz. Die dritte Methode ist toleranter bei der zeitlichen Kohärenz und arbeitet auch mit breitbandiger Strahlung, benötigt aber immer noch eine große räumliche Kohärenzlänge, die nur Mikrofokus- Röntgenröhren mit sehr niedriger Leistung liefern können. Bei allen drei Methoden sind die Apparaturen kompliziert und für den praktischen Einsatz in Medizin und Industrie ungeeignet. So ist die Auswertung der Phasenverschiebung bislang mehr oder weniger eine Laborspielerei geblieben.

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Bild 2. Umsetzung des Ablenkungswinkels in eine Intensitätsänderung mit Hilfe von zwei Gittern. Der ankommende Strahl muss dazu exakt parallel sein.

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Bild 2. Umsetzung des Ablenkungswinkels in eine Intensitätsänderung mit Hilfe von zwei Gittern. Der ankommende Strahl muss dazu exakt parallel sein.

Doch das könnte sich ändern. Eine bahnbrechende Idee hatte Prof. Christian David am Paul-Scherrer-Institut (PSI, www.psi.ch) inVilligen/Schweiz. Das von ihm und Dr. Franz Pfeiffer entwickelte »Differential Phase Contrast« Imaging (DPC) erweist sich in der Anwendung als sehr viel praxisgerechter. Entscheidende Elemente sind hier zwei Gitter, die in den Strahlengang eingefügt werden und deren feine Streifen für Röntgenstrahlen abwechselnd durchlässig und undurchlässig sind. Die Strahlen, die durch homogene Bereiche des Objekts hindurchgehen und ihre Anfangsrichtung beibehalten, passieren beide Gitter mehr oder weniger ungeschwächt (Bild 2). Diejenigen dagegen, die im Objekt an Grenzen zwischen dichterer und dünnerer Materie aus ihrer Richtung abgelenkt werden, treffen im zweiten Gitter nicht mehr genau auf die Lücken, sondern fallen teilweise auf die undurchlässigen Streifen. Dadurch kommen sie mit verminderter Intensität hinten heraus. Die Abschwächung ist proportional zur Auslenkung. So ergibt sich hier ein Intensitätskontrast. Das entstehende Muster fällt auf einen Cäsium-Iodid-Szintillationsschirm, dessen Fläche mit einer geeigneten Optik auf einen CCDBildsensor abgebildet wird. Das so gewonnene Bild zeigt zunächst einmal die »Kanten« der untersuchten Probe. Wird es anschließend aufintegriert, liefert es Aussagen über die örtliche Verteilung der Materialdichte. Die erreichbare Auflösung liegt bei 0,1 mm.

Der entscheidende  Unterschied der Phasenkontrasttechnik gegenüber der konventionellen Absorptionstechnik: Es ist nicht nötig, dass die Strahlen absorbiert werden. Eine Phasenverschiebung bzw. Richtungsänderung an den Kanten gibt es immer. Wenn sie lediglich umgelenkt werden, richten sie keinen Schaden im Gewebe an. Man kann dann zu höheren Quantenenergien übergehen, die weniger absorbiert werden. David: »Ziel ist es, mit der Strahlenbelastung ganz wesentlich herunterzukommen. Das ist die treibende Kraft hinter dieser ganzen Idee.«

1. Teil: Silizium-Mikrostrukturen verbessern Röntgenbilder
2. Teil: Mikrogitter aus Silizium und Gold
3. Teil: Vom Labor in die Praxis