DE602004012080T2

DE602004012080T2 - Nachweis von ionisierender strahlung auf dual-energie-scanning-basis

Info

Publication number: DE602004012080T2
Application number: DE602004012080T
Authority: DE
Inventors: Tom Francke; Christer Ullberg
Original assignee: Xcounter AB
Current assignee: Xcounter AB
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2024-04-17
Also published as: SE527139C2; ES2300762T3; US20040234031A1; PL1613216T3; DE602004012080D1; US7027561B2; EP1613216B1; ATE387143T1; WO2004091405A1; DK1613216T3; EP1613216A1; SE0301132D0; SE0301132L

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein für zwei Energien geeignete, rasternde Strahlungsdetektionsvorrichtungen und -verfahren.
Hintergrund der Erfindung und verwandter Stand der Technik
Verschiedene Liniendetektoren zum Detektieren ionisierender Strahlung sind im Stand der Technik bekannt. Während solche Detektoren zum unverzögerten eindimensionalen Abbilden bestimmt sind, kann ein zweidimensionales Abbilden nur mit Hilfe eines Abrasterns mit dem Linien-Detektor und wahlweise mit der Strahlungsquelle in einer Richtung senkrecht zur eindimensionalen Detektoranordnung durchgeführt werden. Eine derartige rasternde Detektion kann zeitaufwändig sein. Eine Bewegung des untersuchten Objektes kann während des Abrasterns auftreten, die die erreichte Bildqualität stark reduzieren würde.
Im Stand der Technik sind auch für zwei Energien geeignete Detektoren bekannt, d. h. Detektoren, mit denen zwei Bilder, bei denen Strahlung verschiedener Energie verwendet wird, produziert und in ein Bild kombiniert werden, um verschiedene Elemente des Bildes zu verstärken. Allgemein ist die Dämpfung eine Funktion der Röntgenenergie gemäß den beiden Dämpfungsmechanismen fotoelektrischer Absorption und Compton-Streuung. Diese beiden Mechanismen unterscheiden sich bei Materialien verschiedener Ordnungszahl. Aus diesem Grund können Messungen bei zwei Energien verwendet werden, um zwischen verschiedenen Elementen zu unterscheiden.
Für zwei Energien geeignete Röntgentechniken können beispielsweise verwendet werden, um beispielsweise Knochengewebe separat von Weichteilgewebe in medizinischen Abbildungen zu identifizieren oder um gefährliche Materialien, beispielsweise bei Gepäckkontrollen zu erkennen.
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Dokument US-A-5 835 555 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Wenn allerdings Abbildungsmessungen bei zwei Energien durchgeführt werden, bei denen ein Linien-Detektor verwendet wird, muss das abzubildende Objekt zweimal abgerastert werden – einmal unter Verwendung von Strahlung, die ein erstes Strahlungsspektrum hat, und dann ein weiteres Mal unter Verwendung von Strahlung, die ein zweites Strahlungsspektrum hat. Um materialspezifische Informationen zu erhalten, werden die beiden Bilder an jeder Position, d. h. auf einer Pixelbasis, miteinander verglichen. Die zwischen beiden Detektionen an jeder Position vergangene Zeit entspricht der Gesamtrasterzeit zum Erreichen eines zweidimensionalen Bildes. Diese Zeitspanne kann lang sein, beispielsweise mehrere Sekunden, während denen das Objekt sich bewegt haben oder bewegt worden sein könnte. Insbesondere wenn lebende Organismen oder deren Teile abgebildet werden, wird erwartet, dass eine erhebliche Bewegung auf der fraglichen Zeitskala aufgetreten sein könnte. Solch eine Bewegung macht den Zwei-Energievergleich nutzlos oder zumindest von stark reduzierter Qualität.
Eine weitere Option ist es, zwei verschiedene Strahlungsquellen, die Strahlung verschiedener Energie produzieren, zu verwenden. Allerdings erhöht eine weitere Strahlungsquelle die Kosten für die Anlage und darüber hinaus müssen die Quellen aufgrund ihrer Größe in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet werden, wodurch es schwierig ist, den gleichen Punkt im Objekt gleichzeitig (oder beinahe gleichzeitig) abzubilden.
Eine weitere Option ist es, eine einzelne Strahlungsquelle zu verwenden, jedoch ihre Betriebsspannung zwischen zwei verschiedenen Einstellungen zu wechseln, bei denen Strahlung verschiedener Energie produziert wird. Dies fügt allerdings eine weitere Zeitverzögerung hinzu, da die Betriebsspannung der Strahlungsquelle nicht au genblicklich gewechselt werden kann, und somit kann eine Bewegung des Objektes zwischen den Aufnahmen der aufeinander folgenden Bilder auftreten.
Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist daher, eine für zwei Energien geeignete, rasternde Detektionsvorrichtung und -verfahren für ionisierende Strahlung bereitzustellen, die das oben beschriebene Problem überwinden oder zumindest reduzieren.
In diesem Zusammenhang ist eine spezielle Aufgabe, so eine Vorrichtung und so ein Verfahren bereitzustellen, die unkompliziert sind und hochqualitative zweidimensionale Zwei-Energiebilder mit exzellentem Signal-Rausch-Verhältnis, dynamischen Bildbereich und Bildkontrast herstellen können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren bereitzustellen, die ein schnelles Abrastern über das zu untersuchende Objekt ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren bereitzustellen, die verlässlich, präzise und kostengünstig sind.
Diese Aufgaben werden, neben anderen, durch Vorrichtungen und Verfahren, wie in den anhängenden Ansprüchen beansprucht, gelöst.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch Bereitstellen einer Filtervorrichtung in den Pfad eines Strahls aus ionisierender Strahlung zum Filtern des Strahls aus ionisierender Strahlung in einer Zwei-Energie-Rastermessung stromaufwärts des zu untersuchenden Objektes, beispielsweise des Patienten, wobei die Filtervorrichtung in der Lage ist, in zwei oder mehr verschiedenen Betriebseinstellungen betrieben zu werden und wobei eine Steuerungsvorrichtung die Betriebsart der Filtervorrichtung nach zumindest jedem zweiten einer Anzahl von Linien-Bildern, die durch die rasternde ionisierende Strahlung detektierende Vorrichtung aufgezeichnet werden, eine rasternde zwei-(oder mehr)-Energie-rasternde Abbildungstechnik erhalten wird, bei der jede Bewegung des Untersuchungsobjektes während des Rasterns die Zwei-Energiebilder gleich oder zumindest ähnlich beeinflusst.
Die Erfinder haben weiter herausgefunden, dass durch die Verwendung einer rasternden Strahlungsdetektionsvorrichtung, die eine Vielzahl von gestapelten Linien-Detektoren aufweist, von denen jeder einem Strahl aus ionisierender Strahlung ausgesetzt ist, eine Filtervorrichtung im Pfad eines Strahls aus ionisierender Strahlung stromaufwärts eines zu untersuchenden Objektes angeordnet werden kann, um die Strahlen der Strahlung zu filtern, wobei die Filtervorrichtung eine Anordnung von Filterabschnitten umfasst, die mit den Strahlen der Strahlung in eine Linie gebracht sind, so dass jeder der Strahlen der Strahlung durch jeweils einen der Filterabschnitte gefiltert worden sein wird, wenn er auf das Objekt trifft, und wobei jeder zweite Filterabschnitt der Anordnung eine erste Filtercharakteristik und jeder andere Filterabschnitt der Anordnung eine zweite Filtercharakteristik aufweist, und das Rastern über eine Distanz durchgeführt werden kann, die der doppelten Distanz zwischen zwei benachbarten Linien-Detektoren der gestapelten Linien-Detektoren entspricht, wobei die Anordnung der Filterabschnitte mit den Strahlen der Strahlung in einer Linie gehalten werden. Hierdurch wird eine hochqualitative rasternde Zwei-Energie-Abbildungsmessung erreicht, wo entsprechende Pixel in den beiden Bildern zeitlich nah aufgenommen werden, um Probleme bei der Zwei-Energie-Auswertung aufgrund von Objektbewegungen zu minimieren.
Die eindimensionale Detektoreinheit ist vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, eine gasbasierte Parallelplattendetektoreinheit. Andere Detektoreinheiten, die verwendet werden können, beinhalten Diodenanordnungen, szintillatorbasierte Anordnungen, CCD-Anordnungen, TFT- und CMOS-basierte Detektoren, flüssige Detektoren und Festkörperdetektoren, beispielsweise eindimensionale pin-Diodenanordnungen mit Kanten-, kantennahern oder senkrechtem Einfall von Röntgenstrahlen.
Weitere Merkmale der Erfindung und ihre Vorteile werden offensichtlich aus der nachfolgend gegebenen detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und den beigefügten 1 bis 9, die nur der Illustration dienen und daher die vorliegende Erfindung nicht beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt schematisch in einer Seitenansicht eine Vorrichtung zur abrasternden Zwei-Energie-Röntgenbildgebung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
2 ist eine schematische vergrößerte Schnittzeichnung einiger der Komponenten der Vorrichtung aus 1 entlang der Linie A-A.
3 ist eine schematische vergrößerte Schnittzeichnung von Hauptkomponenten einer Vorrichtung zur abrasternden Zwei-Energie-Röntgenbildgebung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine schematische Draufsicht auf eine Detektoranordnung zum Verwenden in einer Vorrichtung zur abrasternden Zwei-Energie-Röntgenbildgebung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform.
5 ist eine schematische Draufsicht auf eine Kollimatoranordnung zur Verwendung mit der Detektoranordnung aus 4.
6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Filteranordnung zur Verwendung mit der Detektoranordnung aus 4.
7 ist eine schematische vergrößerte Schnittzeichnung von Hauptkomponenten einer Vorrichtung zur abrasternden Zwei-Energie-Röntgenbildgebung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine schematische Draufsicht auf eine Filteranordnung zur Verwen dung in einer Vorrichtung zur abrasternden Zwei-Energie-Röntgenbildgebung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform.
9 ist eine schematische Draufsicht auf eine Filteranordnung zur Verwendung in einer Vorrichtung zur abrasternden Zwei-Energie-Röntgenbildgebung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Von oben nach unten umfasst die Vorrichtung in 1 eine Röntgenquelle 11, einen herkömmlichen Filter 12, eine Zwei-(oder Mehr-)Energiefiltervorrichtung 14, einen Fächerstrahlkollimator 13, einen Objekttisch oder -halter 15 und eine eindimensionale Detektoreinheit 16.
Die Röntgenquelle 11 ist eine herkömmliche Röntgenröhre, die eine Kathode, die Elektronen emittiert, und eine Anode, die Röntgenstrahlung emittiert wenn sie von Elektronen getroffen wird, aufweist.
Der herkömmlichen Filter 12 ist vorzugsweise direkt unterhalb der Röntgenröhre 11 angeordnet, die typischerweise dünne Metallfolien enthält, die als Filter fungieren, um Photonen der niedrigsten (und manchmal auch der höchsten) Energien zu absorbieren, die nicht maßgeblich zur Bildqualität beitragen. Dieser Filter ist optional und kann Teil der Zwei-Energiefiltervorrichtung 14 sein, die weiter unten beschrieben wird.
Die Zwei-(oder Mehr-)Energiefiltervorrichtung 14 ist vorzugsweise direkt über dem Kollimator 13 angeordnet. Die Filtervorrichtung 14 hat eine variable spektrale Durchlasscharakteristik, auf die weiter unten im Detail eingegangen werden wird.
Der Fächerstrahl-Kollimator 13, der optional ist, kann eine dünne Folie, beispielsweise aus Wolfram, mit einem dünnen für Strahlung durchlässigen Schlitz sein, der weggeätzt wurde. Der Schlitz ist in Linie gebracht mit einer entsprechenden linienförmigen empfindlichen Fläche oder einem Eingangsschlitz der Detektoreinheit 16, so dass Röntgenstrahlen, die durch den Schlitz des Fächerstrahlkollimators 13 gelangen, die empfindliche Fläche der Detektoreinheit 16 erreichen.
Ein weiterer Kollimator ist ebenfalls optional vor dem Detektor (das heißt stromabwärts des abzubildenden Objektes) angeordnet.
Die Detektoreinheit 16 ist detaillierter in 2 dargestellt und ist so ausgerichtet, dass ein planarer oder fächerförmiger Röntgenstrahl 24 seitlich zwischen im Wesentlichen planaren Kathoden- und Anodenanordnungen eindringen kann. Jede der Elektrodenanordnungen umfasst eine elektrisch leitende Elektrodenschicht 25, 27, die getragen wird von einem jeweiligen dielektrischen Substrat 26, 28, wobei die Anordnungen so ausgerichtet sind, dass sich die leitenden Kathodenschichten 25 und Anodenschichten 27 gegenüberliegen. Ein strahlungsdurchlässiges Fenster 30 ist an der Vorderseite der Detektoreinheit vorgesehen, um einen Eingang für den fächerförmigen Strahl 24 in die Detektoreinheit 16 zu bilden.
Vorzugsweise definieren die dielektrischen Substrate 26, 28 und das Fenster 30 zusammen mit den Seitenwänden 29 eine gasdichte Einschließung, die geeignet ist mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllt zu werden, welches von der eindringenden Strahlung ionisiert wird. Alternativ sind die Elektrodenanordnungen in einem externen gasdichten Gehäuse angeordnet (nicht gezeigt).
Zwischen den Elektrodenanordnungen ist eine Spannung angelegt, um die als Resultat der Ionisation freigesetzten Elektronen in Richtung der Anodenanordnung zu treiben.
Die Detektoreinheit 16 umfasst weiter eine Ausleseanordnung, die eine eindimensionale Anordnung einzelner Ausleseelemente zur Aufzeichnung eines eindimensionalen Bildes des fächerförmigen Strahls 24 umfasst. Typischerweise ist die Ausleseanordnung in die Anodenanordnung 27, 28 integriert. Die Detektoreinheit 16 kann auch die Fähigkeit zur Elektronenlawinenverstärkung haben, um sehr geringen Fluss von Röntgenstrahlen aufzeichnen zu können, oder jeden einzelnen Röntgenstrahl mit hohem Wirkungsgrad zu detektieren.
Die Röntgenröhre 11, der herkömmliche Filter 12, die Zwei-Energiefiltervorrichtung 14, der Fächerstrahlkollimator 13 und die Detektoreinheit 16 sind an einem gemeinsamen E-Arm befestigt, der wiederum drehbar an einer vertikalen Stütze 18 mit Hilfe einer Achse 19 ungefähr auf der Höhe der Röntgenröhre 11 befestigt ist. Auf diese Weise können die Röntgenröhre 11, der herkömmliche Filter 12, die Filtervorrichtung 14, der Fächerstrahlkollimator 13 und die Detektoreinheit 16 in einer gemeinsamen Schwenkbewegung relativ zu einem zu untersuchenden Objekt, das auf dem Objekttisch 15 angeordnet ist, bewegt werden, um das Objekt abzurastern und ein zweidimensionales Bild davon zu erstellen. Die Schwenkbewegung ist schematisch durch den Pfeil 23 angedeutet. Der Objekttisch 15 ist fest an einer Halterung 20 befestigt, die wiederum fest an der vertikalen Stütze 18 befestigt ist. Zu diesem Zweck ist der E-Arm 17 mit einer Ausnehmung oder ähnlichem im E-Arm 17 ausgestattet (dargestellt durch die gestrichelten Linien). Während des Abrasterns wird das Objekt stillgehalten.
Es ist anzumerken, dass die Detektorvorrichtung aus 1 modifiziert und für eine lineare Bewegung der Röntgenröhre 11, des herkömmlichen Filters 12, der Filtervorrichtung 14, des Fächerstrahlkollimators 13 und der Detektoreinheit 16 relativ zum untersuchten Objekt angeordnet werden kann. So eine lineare Rasterbewegung ist schematisch durch den Pfeil 23a in 2 angedeutet. Als weitere Alternative können der herkömmliche Filter 12, die Filtervorrichtung 14, der Fächerstrahlkollimator 13 und die Detektoreinheit 16 in der horizontalen Ebene relativ zum untersuchten Objekt gedreht werden, wie schematisch durch den Pfeil 23b in 2 angedeutet wird. Ein solches rotationsbasiertes Abrastern ist in den US-Patenten der Nr. 6,067,342 (Gordon) und 5,025,376 (Bova et al.) offenbart.
Es soll weiter gewürdigt werden, dass die Vorrichtung aus 1 so modifiziert werden kann, dass das Objekt während des Abrasterns bewegt wird, während die Röntgenröhre 11, der herkömmliche Filter 12, die Filtervorrichtung 14, der Fächerstrahlkollimator 13 und die Detektoreinheit 16 ruhig gehalten werden.
Weiterhin umfasst die Detektorvorrichtung einen Mikroprozessor oder Computer 21, der mit geeigneter Software zum Steuern der Vorrichtung und Auslesen und Nachbearbeiten des Signals von der Linien-Detektoreinheit 16 ausgestattet ist, und ein Netzteil 22, um die Detektoreinheit und den Mikroprozessor oder Computer 21 mit Energie zu versorgen und um einen Schrittmotor oder ähnliches anzutreiben, der in der vertikalen Stütze 18 beherbergt ist, um die Achse 19 und damit den E-Arm 17 anzutreiben.
Im Betrieb werden Röntgenstrahlen von der Röntgenröhre 11 emittiert und gelangen durch den herkömmlichen Filter 12 und die Filtervorrichtung 14. Nur Röntgenstrahlen, die durch den Schlitz des Fächerstrahlkollimators 13 gelangen, durchlaufen das Objekt. In dem Objekt können die Röntgenphotonen transmittiert, absorbiert oder gestreut werden. Die Röntgenstrahlen, die transmittiert werden, verlassen das Objekt und dringen in die Detektoreinheit 16 ein und werden detektiert. Von der Detektion wird ein eindimensionales Bild des Objektes gebildet.
Es sollte vom Fachmann gewürdigt werden, dass, statt die transmittierten Röntgenstrahlen zu detektieren, die Detektoreinheit auch angeordnet sein kann, um Röntgenstrahlen zu detektieren, die in einen vorbestimmten Winkel gestreut werden.
Während des Rasterns wird der E-Arm 17, der die Röntgenquelle 11, den herkömmlichenn Filter 12, die Filtervorrichtung 14, den Fächerstrahlkollimator 13 und die Detektoreinheit 16 trägt, in einer Schwenkbewegung bewegt, so dass die Detektoreinheit in einer Richtung über das Objekt rastert, die im Wesentlichen parallel zu dem Objekttisch 15 ist. In regelmäßigen Bewegungsintervallen, d. h. Rasterabständen ss, werden die detektierten Signale ausgelesen und im Speicher des Mikroprozessors 21 gespeichert. Wenn das Abrastern beendet ist, wurde eine Anzahl eindimensionaler Bilder des Objektes erhalten, die durch den Mikroprozessor 21 zusammen gruppiert werden, um ein zweidimensionales Bild des Objektes zu erstellen. Gemäß einer alternativen Rastertechnik wird der E-Arm 17 relativ zum Objekt schrittweise bewegt und die eindimensionale Detektoreinheit 16 detektiert, während des schrittweisen Bewegens stumm gehalten wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Zwei-Energie-Abrastern durchgeführt, was allgemein eine speziell angepasste Filtervorrichtung erfordert. Zu diesem Zweck ist die Filtervorrichtung 14 geeignet, in zwei verschiedenen Betriebsarten, die verschiedene Filtercharakteristika haben, betrieben zu werden.
Ein Filter transmittiert vorzugsweise ein niederenergetisches Röntgenspektrum mit einer Durchschnittsenergie von typischerweise 40 keV. Dieses Filter kann aus einer oder mehreren dünnen Folien verschiedener Elemente hergestellt sein. Die Filterelemente sind so ausgewählt, dass der Hochenergieanteil des einfallenden Röntgenspektrums in dem Filter absorbiert wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Filterelemente verwendet werden, die hochabsorbierende K-Schalen-Energien oberhalb des gewünschten transmittierten Röntgenspektrums haben, beispielsweise Cäsium, Barium, einige der Lanthanide und/oder schwerere Elemente wie Wolfram, Gold oder Blei (mit Ordnungszahlen typischerweise größer als 54).
Das andere Filter transmittiert vorzugsweise ein Hochenergiespektrum mit Durchschnittsenergien von typischerweise 70 keV oder größer. Dieses Filter kann aus einer oder mehreren dünnen Folien verschiedener Elemente hergestellt sein. Die Filterelemente werden so ausgewählt, dass der niederenergetische Anteil des einstrahlenden Röntgenspektrums in dem Filter absorbiert wird. Dies kann erreicht werden, indem Filterelemente verwendet werden, die hochabsorbierende K-Schalen-Energien unterhalb des gewünschten transmittierten Röntgenspektrums haben, beispielsweise Kupfer, Molybdän, Silber, etc. (mit Ordnungszahlen typischerweise kleiner als 64).
Eine Steuerungsvorrichtung ist vorgesehen, um die Betriebsart der Filtervorrichtung 14 im Anschluss an wenigstens jedes zweite der aufgenommenen Linien-Bilder zu verändern, das bedeutet, jedes zweite Linien-Bild wird aufgenommen, wobei gefilterte Strahlung mit einem ersten Strahlungsspektrum verwendet wird und die anderen Linien-Bilder werden aufgenommen mit einer gefilterten Strahlung, die ein zweites Strahlungsspektrum aufweist, oder es wird eine Serie von zwei aufeinanderfolgenden Linien-Bildern durchgeführt, die aufgenommen werden, wobei eine gefilterte Strahlung mit dem ersten Strahlungsspektrum verwendet wird, gefolgt von zwei Linien- Bildern, die aufgenommen werden, wobei gefilterte Strahlung mit dem zweiten Strahlungsspektrum verwendet wird.
Typischerweise ist die Filtervorrichtung 14 mit zwei Filterabschnitten 14a, 14b ausgestattet, wie in 2 gezeigt, wobei diese Abschnitte separate Filterfunktionen haben und geeignet sind – einer nach dem anderen – in den Pfad des Strahls der Strahlung 24 gebracht zu werden. Ein Bewegungsmechanismus, der beispielsweise in dem E-Arm 17 untergebracht ist, kann angewendet werden, um die Filtervorrichtung 14 in den Richtungen des bidirektionalen Pfeils 35 unter der Steuerung des Computers 21 zu bewegen, um abwechselnd die beiden Filterabschnitte im Pfad des Strahls der Strahlung anzuordnen. Man beachte, dass diese Bewegung der Rasterbewegung überlagert wird.
Wenn das Abrastern mit einer kontinuierlichen Rasterbewegung durchgeführt wird, wird vorzugsweise jedes zweite Linien-Bild aufgenommen, wobei gefilterte Strahlung mit einem ersten Strahlungsspektrum verwendet wird und jedes zweite Linien-Bild wird aufgenommen, wobei gefilterte Strahlung, die ein zweites Strahlungsspektrum hat, verwendet wird. Vorausgesetzt, dass der Rasterschritt klein ist, ist die Fehlausrichtung, d. h. die Pixel-zu-Pixel-Entsprechung, bei der Zwei-Energie-Bildberechnung klein und vorausgesetzt, dass die Detektionszeit kurz ist, tritt eine Bewegung des Objektes zwischen der Fertigstellung der Aufnahme von zwei aufeinander folgenden Linien-Bildern nicht in nennenswertem Umfang auf.
Wird beispielsweise ein Rasterschritt von 50 μm und eine Linien-Bildbelichtungszeit von 1 ms angenommen, wird die Fehlausrichtung in dem Pixel-zu-Pixel-Vergleich um die 50 μm betragen (das heißt die beiden zweidimensionalen Bilder sind relativ zueinander im Schnitt um 50 μm verschoben), wobei die Zwei-Linien-Detektionszeit 2 ms beträgt (wenn die Zeit des Auslesens der Detektorelektronik vernachlässigbar ist oder im Hintergrund durchgeführt werden kann), während derer die meisten makroskopischen Bewegungen lebender Organismen als „eingefroren" betrachtet werden können. Solche Bewegungen können Bewegungen von Herzen aufgrund des Herzschlags, Bewegungen des Brustkorbs aufgrund von Ein- und Ausatmung, sowie Bewegungen von Beinen, Armen, Rücken und Hüften von Patienten sein.
Allerdings wird die Zeit, die zur Aufnahme von zwei vollständigen zweidimensionalen Bildern nötig ist, nicht reduziert. Daher wird jede Bewegung während der Untersuchung die Bilder beeinflussen, aber beide Bilder werden ähnlich verzerrt (was wichtig ist für die Zwei-Energie-Berechnung).
Wenn das Abrastern mit einer schrittweisen Rasterbewegung durchgeführt wird, werden vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, zwei Aufnahmen in jedem Abrasterschritt durchgeführt. Allerdings muss die Filtervorrichtung ihre Betriebsart nur einmal in jedem Schritt ändern, d. h. bei jeder zweiten Linien-Bildaufnahme, da die Aufnahme in jedem zweiten Schritt mit dem Filter in einer Betriebsart beginnen kann und die Aufnahmen in den anderen verbleibenden Schritten mit dem Filter in der anderen Betriebsart beginnen können.
Bei dieser Lösung wird im Wesentlichen keine Fehlausrichtung in dem Pixel-zu-Pixel-Vergleich vorhanden sein, wobei die Zwei-Linien-Detektionszeit wie oben angegeben sein wird.
Die für zwei Energien geeignete Detektorvorrichtung kann verwendet werden, um die Knochenmineraldichte bei Menschen zu messen. Normalerweise ist der Knochen von einer unbekannten Menge von Gewebe umgeben. Ein häufig benutztes Verfahren, die Menge von Knochen abzuschätzen, ist es, transmittierte Röntgenstrahlen bei zwei verschiedenen Röntgenenergien zu detektieren. Ein Bild wird aufgenommen bei Röntgenenergien, wo Knochen und Gewebe Röntgenstrahlen sehr unterschiedlich absorbieren, typischerweise bei ungefähr 40 keV, wo der differentielle Absorptionskoeffizient ein Maximum hat. Ein anderes Bild wird aufgenommen bei Energien, wo Knochen und Gewebe Röntgenstrahlen in ähnlicher Weise absorbieren, typischerweise bei Energien über 70 keV. Aus diesen beiden Messungen wird die Menge von Knochen bestimmt. Da die beiden einzelnen Bilder gleichzeitig aufgenommen werden, d. h. jedes Paar von Linien-Bildern bei den beiden verschiedenen Energien wird zeitlich nah beieinander aufgenommen, werden Probleme, die durch die Bewegung des Objektes zwischen den beiden Belichtungen auftreten, stark reduziert. Dies wird häufig erreicht durch zwei separate Belichtungen, bei denen zwei verschiedene Beschleunigungsspannungen der Röntgenröhre und verschiedene Filter im Pfad des Strahls verwendet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die Zwei-Energie-Messungen gleichzeitig (oder fast gleichzeitig) gemacht, wobei eine einzelne Beschleunigungsspannung einer einzelnen Röntgenröhre (normalerweise 70 kV oder höher) und ein speziell ausgestalteter Filter verwendet werden, um ein Niedrigenergiespektrum bzw. ein Hochenergiespektrum gleichzeitig (oder fast gleichzeitig) herzustellen.
Es soll weiter gewürdigt werden, dass, während die Detektoreinheit in der obigen Beschreibung als gasbasierter Ionisationsdetektor beschrieben wurde, in dem die freigesetzten Elektronen in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der einfallenden Strahlung getrieben werden, die vorliegende Erfindung nicht auf solch einen Detektor beschränkt ist. Tatsächlich kann nahezu jede Art von Detektor in jeder der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, so lange es ein Detektor ist, der geeignet ist, eindimensionale Bilder von ionisierender Strahlung, der er ausgesetzt ist, aufzunehmen. Beispiele solcher Detektoren sind szintillatorbasierte Detektoren, pin-Dioden-Anordnungen, TFT-(thin film transistor, deutsch: Dünnfilmtransistor) Anordnungen, CCD-(charged coupled device, deutsch: ladungsgekoppeltes Gerät) Anordnungen, CMOS-Schaltungen oder jeder andere Typ von Halbleitergeräten.
3 ist ähnlich zu der Schnittzeichnung in 2 eine schematische vergrößerte Schnittzeichnung, die jedoch Anteile einer Detektorvorrichtung zeigt, die auf einer linearen Halbleiter-Anordnung 16' basieren, die in der für zwei Energien geeigneten rasternden Strahlungsdetektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Als nächstes wird mit Bezug auf die 4 bis 6, die schematische Draufsichten auf eine Detektoranordnung, eine Kollimatoranordnung beziehungsweise eine Filteranordnung zur Verwendung in einer Vorrichtung zur abrasternden Zwei-Energie-Röntgenabbildung sind, eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Die Vorrichtung zur abrasternden Zwei-Energie-Röntgenabbildung mag ähnlich zu der in 1 gezeigten Vorrichtung sein, die Filtervorrichtung 14, der Kollimator 13 und die Detektoreinheit 16 wurden jedoch durch die Anordnungen der 4 bis 6 ausgetauscht.
Die Detektoranordnung beinhaltet eine Mehrzahl von Linien-Detektoreinheiten 16, die auf einer herkömmlichen Stützstruktur 42 in einer zweidimensionalen Anordnung mit ihrem jeweiligen Eingangsfenster 30 nach oben zeigend angeordnet sind. Zum Zwecke der Veranschaulichung beinhaltet 4 nur ein Raster aus 4 × 10 Detektoreinheiten, d. h. jede Reihe 44 beinhaltet vier Detektoreinheiten und jeder Stapel 45 beinhaltet 10 Detektoreinheiten 16, obwohl gewürdigt werden sollte, dass die Anordnung viel mehr Einheiten beinhalten kann. Werden die Detektoreinheiten in jedem Stapel 45 beispielsweise in einem Abstand von s₁ = 4 mm angeordnet und soll eine Fläche von typischerweise 20 × 20 cm² bedeckt werden, kann jeder Stapel 50 Detektoreinheiten enthalten. Die Breite jeder Linien-Detektoreinheit kann beispielsweise 40 bis 60 mm betragen.
Es ist anzumerken, dass die Detektoreinheiten 16 in jeder Reihe 44 vorzugsweise in einer gestaffelten Weise angeordnet sind. Sind die Detektoreinheiten nicht in der Lage, in ihren extremen Seitenteilen zu detektieren, beispielsweise durch die Anwesenheit von Seitenwänden oder Abstandshaltern, sorgt die Staffelung der Einheiten für eine vollständige Überdeckung und alle „toten" Zonen werden vermieden. Wo der Eingangsschlitz einer Detektoreinheit in jeder Reihe 44 endet, beginnt der Eingangsschlitz einer weiteren Detektoreinheit. Dennoch ist die vorliegende Erfindung vollständig anwendbar auf Detektoranordnungen, die Detektoreinheiten in anderen gestapelten Konfigurationen haben.
Es ist zudem anzumerken, dass, anstelle der Anordnung vieler einzelner Detektoreinheiten 16 mit separaten gasdichten Kammern, eine Detektoranordnung vorgesehen werden kann, die eine gemeinsame gasdichte Umfassung für alle einzelnen Detektoreinheiten aufweist (nicht gezeigt). Solch ein Detektorgehäuse würde die Halte rung 42, Seitenwände und eine Vorderabdeckung mit den Eingangsfenstern 30 beinhalten.
Die Kollimatoranordnung, die optional ist, besteht aus strahlungsabsorbierenden Material 51, beispielsweise Wolfram, und beinhaltet eine Vielzahl von strahlungstransparenten Schlitzen 52, die in Reihen 53 und Stapeln 54 angeordnet sind. Die strahlungstransparaten Schlitze 52 sind in eine Linie gebracht mit den Eingangsschlitzen der Detektoreinheiten aus der Anordnung aus 4, so dass jeder planare Strahlungsstrahl, wie er durch den Kollimator 51 erzeugt wird, wenn dieser im Pfad eines Strahls der Strahlung angeordnet ist, durch einen jeweiligen Anteil des zu untersuchungen Objektes transmittiert wird und in die jeweilige Detektoreinheit 16 der Detektoranordnung aus 4 eintritt. Der Kollimator 51 wird dann zusammen mit der Detektoranordnung während des Rasterns über das Objekt in einer Schwenk- oder Translationsbewegung im Wesentlichen in der Richtung der Pfeile 47 (4) und 57 (5) bewegt, um die Ausrichtung beizubehalten.
Die erfinderische Filteranordnung umfasst eine Anordnung 61 von Filterabschnitten 62, 63, die von einem Stützrahmen 64 getragen werden. Die Filterabschnitte sind von zwei verschiedenen Arten, wobei jeder zweite Filterabschnitt 62 in der Anordnung eine erste Filtercharakteristik hat und die anderen Filterabschnitte 63 in der Anordnung eine zweite Filtercharakteristik haben. Die Filteranordnung ist in einer Linie angeordnet mit der Kollimatoranordnung, so dass jeder der planaren Strahlen der Strahlung durch einen der Filterabschnitte gefiltert worden sein wird, wenn er auf das Objekt auftrifft. Man beachte, dass die Filteranordnung aus 6 keinen speziellen Bewegungsmechanismus (wie die Filtervorrichtung aus 1) benötigt, sondern nur in Übereinstimmung mit der Rasterbewegung bewegt wird, wie durch den Pfeil 67 angedeutet ist.
Die Ausrichtung zwischen der Strahlungsquelle (Punktquelle, Linienquelle oder zweidimensionale Quelle), der Filteranordnung, der Kollimatoranordnung und der Detektoranordnung sorgt für mehrere parallelgerichtete und reihenselektiv gefilterte planare Strahlen, die in die einzelnen Detektoreinheiten 16 der Detektoranordnung eintreten. Divergente Strahlung vorausgesetzt, sind daher die Detektoreinheiten so ange ordnet, dass sie so in Richtung der verwendeten Strahlungsquelle zeigen, dass Strahlung von der Strahlungsquelle in die jeweilige Detektoreinheit eindringen kann. Aus dem gleichen Grund hat der Kollimator 51 Schlitze, die weniger weit auseinander angeordnet sind als die Detektoreinheiten, und die schmaler sind, als die Eingangsschlitze der Detektoreinheiten und die Breite der Filterabschnitte der Filteranordnung ist schmaler als die Breite der Reihen der Detektoranordnung, um eine geeignete Ausrichtung zu erhalten.
Das Abrastern wird wenigstens über eine Distanz durchgeführt, die zweimal dem Abstand zwischen zwei benachbarten Linien-Detektoreinheiten 16 in jedem Stapel entspricht, um eine ausreichende Anzahl von Linien-Bildern aufzunehmen, um ein vollständiges zweidimensionales Bild für jede der beiden Filterarten zu erhalten (weil typischerweise ein zweidimensionales Bild erhalten wird, wenn über eine Distanz gerastert wird, die dem Abstand zwischen zwei benachbarten Linien-Detektoren in einem Stapel entspricht).
In einer solchen Lösung wird im Allgemeinen keine Fehlausrichtung im Pixel-zu-Pixel-Vergleich auftreten, wohingegen die Zwei-Linien-Detektionszeit der Zeit des Rasterns über eine Distanz entspricht, die dem Abstand zwischen zwei Detektoreinheiten s₁ entspricht, der für diese Zwecke sehr kurz sein sollte. Die Gesamtrasterzeit wird um einen Faktor, der der Hälfte der Detektoreinheiten in jedem Stapel entspricht, reduziert.
Man beachte, dass in der oben beschriebenen Ausführungsform anstelle der Anordnung aus 4 eine Detektoranordnung verwendet werden kann, die einen einzigen Stapel aus Detektoreinheiten enthält. Offensichtlich müssen in so einem Fall auch die Kollimatoranordnung und optional die Filteranordnung geändert werden.
Es sollte gewürdigt werden, dass eine weitere Alternative darin besteht, eine Detektoranordnung zu verwenden, die lediglich zwei Detektoreinheiten 16 sehr nah beeinander in einem kurzen Detektorstapel enthält, wie in 7 gezeigt. Die Kollimatoranordnung 71 und Filteranordnung 72 sind dahingehend modifiziert, dass sie lediglich zwei Kollimatorschlitze 71a–b beziehungsweise zwei Filterabschnitte, 72a–b ent halten. Das Abrastern muss nun über eine Strecke erfolgen, die gleich der Objektgröße in der Rasterrichtung ist. Allerdings kann der Abstand zwischen den Detektoreinheiten sehr kurz gewählt werden, ohne dass man eine sehr große Anzahl an Detektoreinheiten zusammenbringen muss. Hier kann die Zwei-Linien-Detektionszeit sehr kurz auf Kosten einer verlängerten Gesamtdetektionszeit sein.
Es sollte weiter gewürdigt werden, dass Ideen aus den Ausführungsformen der 1 und 2 (oder der Ausführungsform aus 3) und den Ausführungsformen aus den 4 bis 6 zusammengebracht werden können, um weitere zwei bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden.
In der ersten dieser Ausführungsformen werden die Detektoranordnung und die Kollimatoranordnung aus den 4 und 5 zusammen mit einer Filteranordnung, wie sie in 8 gezeigt ist, verwendet. Die Filteranordnung in 8 hat zehn Reihen 81 (entsprechend der Anzahl der Reihen in der Detektoranordnung) von denen jede zwei Filterabschnitte 82, 83 beinhaltet, die verschiedene Filtercharakteristiken haben. Die Filteranordnung ist mit einem speziellen Bewegungsmechanismus ausgestattet (ähnlich zu dem, der mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben wurde) und ist so mit der Rasterbewegung verbunden, dass während des Rasterns jeder der Strahlen der ionisierenden Strahlung von einer jeweiligen Fiterreihe gefiltert worden sein wird, wenn er auf das Objekt trifft, wobei abwechselnd die beiden Filterabschnitte der Reihe verwendet werden. Das Abrastern, das kontinuierlich oder schrittweise sein kann, wird wenigstens über eine Distanz durchgeführt, die der Distanz zwischen zwei benachbarten Detektoreinheiten in den Stapeln entspricht.
Die Fehlausrichtung, d. h. die Pixel-zu-Pixel-Entsprechung, in der Zwei-Energie-Bilderrechnung und die Zeit, die zur Aufnahme zweier benachbarter Zwei-Energie-Linien-Bilder benötigt wird, sind ähnlich zu den Ausführungsformen der 1 und 2, aber die Gesamtrasterzeit wird um einen Faktor reduziert, der der Anzahl der Detektoreinheiten in jedem Stapel entspricht.
In der zweiten dieser Ausführungsformen wird die Filteranordnung 14 in den Vorrichtungen der 1 und 2 gegen eine Filteranordnung ausgetauscht, wie sie in 9 dargestellt ist. Diese Filteranordnung umfasst eine Anordnung 91 mit einer großen Anzahl von Filterabschnitten aus zwei unterschiedlichen Arten 92, 93, die verschiedene Filtercharakteristiken haben. Die Filteranordnung ist vorgesehen, fest an der vertikalen Stütze 18 befestigt zu werden, d. h. während des Rasterns stillgehalten zu werden. Der Abstand zwischen benachbarten Filterabschnitten ist vorzugsweise an den Rasterschritt ss angepasst, so dass jede zweite Linien-Bildaufnahme mit Strahlung durchgeführt wird, die durch eine Art des Filterabschnittes gefiltert wurde, und die anderen Linien-Bildaufnahmen mit Strahlung durchgeführt werden, die durch die andere Art der Filterabschnitte gefiltert werden (nur eine Aufnahme wird in jedem Rasterschritt durchgeführt, unabhängig davon, ob das Rastern kontiniuerlich oder schrittweise erfolgt).
Diese Ausführungsform ist sehr ähnlich zu der kontinierlichen Rastertechnik, die die Ausführungsform der 1 und 2 verwendet, aber statt die Filtervorrichtung zusätzlich zur Rasterbewegung zu bewegen, wird der Filter während des Rasterns vollständig stillgehalten (und ist mit einer Struktur versehen, die an den verwendeten Rasterschritt angepasst ist).

Claims

Für zwei Energien geeignete, rasternde Strahlungsdetektionsvorrichtungen mit: – einer Mehrzahl an gestapelten Linien-Detektoren (16), und – einer Vorrichtung (17–19, 21–22) zum Scannen bzw. Rastern mit der Mehrzahl an gestapelten Linien-Detektoren (16) über ein zu untersuchendes Objekt, wobei jeder Linien-Detektor der Mehrzahl der gestapelten Linien-Detektoren (16) einem Strahl aus ionisierender Strahlung ausgesetzt ist, der auf das Objekt aufgetroffen ist, um so eine Mehrzahl an Linienbildern des Objekts aufzunehmen; und – einer Filtervorrichtung, die in dem Pfad des Strahls aus ionisierender Strahlung stromaufwärts von dem Objekt angeordnet ist, um die Strahlen aus ionisierender Strahlung zu filtrieren, dadurch gekennzeichnet, dass – die Filtervorrichtung eine Anordnung an Filterabschnitten (62, 63) aufweist, die während des Rasterns bezüglich der Strahlen aus ionisierender Strahlung so angeordnet sind, dass jeder der Strahlen aus ionisierender Strahlung von einem der Filter-Abschnitte (62, 63) gefiltert worden ist, wenn er auf das Objekt auftrifft, wobei jeder zweite Filter-Abschnitt in der Anordnung eine erste Filter-Charakteristik und die anderen Filter-Abschnitte in der Anordnung jeweils eine zweite Filter-Charakteristik aufweisen; und – wobei die Vorrichtung (17–19, 21–22) zum Rastern mit der Mehrzahl gestapelter Linien-Detektoren (16) angeordnet ist, um zumindest einen Abstand zu rastern, der dem Doppelten des Abstands zwischen zwei benachbarten Linien-Detektoren (16) aus der Mehrzahl der gestapelten Linien mit Strichdetektoren (16) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei – die Mehrzahl der gestapelten Linien-Detektoren (16) zwei beträgt; – wobei die gestapelten Linien-Detektoren (16) dicht beieinander angeordnet sind; – wobei die Filtervorrichtung zwei Filter-Abschnitte (62, 63) umfasst, die während des Rasterns so zu den Strahlen aus ionisierter Strahlung angeordnet sind, dass jeder der Strahlen aus ionisierter Strahlung von einem der beiden Filter-Abschnitte (62, 63) gefiltert worden ist, wenn er auf das Objekt auftrifft, wobei die beiden Filter-Abschnitte unterschiedliche Filter-Charakteristiken aufweisen; und – wobei die Vorrichtung (17–19, 21–22) zum Scannen der beiden gestapelten Linien-Detektoren (16) angeordnet ist, um über die vollständige Länge des Objekts in der Richtung des Rasterns zu rastern.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die beiden gestapelten Linien-Detektoren (16) einander gegenüber angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Röntgenröhre (11) zum Produzieren des Strahls aus ionisierender Strahlung, wobei die Röntgenröhre (11) eine Arbeitsspannung hat, die während des Rasterns über das zu untersuchende Objekt durch die Mehrzahl an den gestapelten Linien-Detektoren (16) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung zum Rastern vorgesehen ist zum Rastern des zu untersuchenden Objekts mit den gestapelten Linien-Detektoren auf einem linearen Pfad; und – wobei die Vorrichtung zum Rastern vorgesehen ist zum Rastern der Mehrzahl an gestapelten Linien-Detektoren in einem Abstand, der dem Doppelten des Abstands zwischen zwei benachbarten Linien-Detektoren der Mehrzahl an Linien-Detektoren entspricht, um zwei zweidimensionale Bilder aus Strahlung zu erzeugen, wie sie durch das Objekt transmittiert wird, wobei ein zweidimensionales Bild der Strahlung von einem Filter-Abschnitt mit der ersten Filtercharakteristik gefiltert worden ist und wobei ein zweidimensionales Bild der Strahlung von einem Filter-Abschnitt gefiltert worden ist, der die zweite Filter-Charakteristik hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeder der Linien-Detektoren eine Mehrzahl an gestapelten Linien-Detektor-Einheiten umfasst, die in einer Matrix angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Matrix eine Matrix aus 4 × 10 Linien-Detektor-Einheiten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei jede der Linien-Detektor-Einheiten 40 bis 60 mm breit ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei jede Linien-Detektor-Einheit in jeder Spalte der Matrix auf versetzte Weise angeordnet ist.
Für zwei Energien geeignetes Verfahren zum raster-basierten Detektieren von Strahlung, mit den folgenden Schritten: – Rastern bzw. Scannen mit einer Mehrzahl gestapelter Linien-Detektoren (16) über ein zu untersuchendes Objekt, wobei jeder der Linien-Detektoren der Mehrzahl an gestapelten Linien-Detektoren (16) einem Strahl an ionisierender Strahlung ausgesetzt ist, der auf das Objekt aufgetroffen ist, um so eine Mehrzahl von Linien-Bildern des Objekts aufzunehmen; und – Anordnen einer Filter-Vorrichtung in dem Pfad des Strahls an ionisierender Strahlung stromaufwärts des Objekts, um den Strahl an ionisierender Strahlung zu filtern, wobei die Filter-Vorrichtung eine Anordnung von Filter-Abschnitten (62, 63) aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Vorsehen der Filter-Abschnitte (62, 63) so, dass sie zu dem Strahl aus ionisierender Strahlung während des Rasterns so ausgerichtet sind, dass jeder der Strahlen an ionisierender Strahlung von einer der beiden Filter-Abschnitte (62, 63) gefiltert worden ist, wenn der auf das Objekt auftrifft, wobei jeder zweite Filter-Abschnitt in der Anordnung eine erste Filter-Charakteristik aufweist und der andere Filter-Abschnitt in der Anordnung jeweils eine zweite Filter-Charakteristik aufweist, wobei – das Rastern mit der Mehrzahl an gestapelten Linien-Detektoren (16) zumindest in einem Abstand durchgeführt wird, der dem Doppelten des Abstands zwischen benachbarten Linien-Detektoren (16) der Mehrzahl an Linien-Detektoren (16) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei – das Rastern mit der Mehrzahl der gestapelten Linien-Detektoren (16) auf einem im Wesentlichen linearen Pfad durchgeführt wird; und – das Rastern mit der Mehrzahl der gestapelten Linien-Detektoren (16) in einem Abstand durchgeführt wird, der dem Doppelten des Abstands zwischen benachbarten Linien-Detektoren der Mehrzahl an gestapelten Linien-Detektoren durchgeführt wird, um ein zweidimensionales Bild von Strahlung zu erhalten, die durch das Objekt transmittiert worden ist, nämlich ein zweidimensionales Bild von Strahlung, die von einem Filter-Abschnitt mit der ersten Filter-Charakteristik gefiltert worden ist, und einem zweidimensionalen Bild von Strahlung, die von einem Filter-Abschnitt, der die zweite Filter-Charakteristik aufweist, gefiltert worden ist.