DE10019243C1 - Filter zum Absorbieren von Röntgenstrahlung - Google Patents

Abstract

Filter zum Absorbieren von Röntgenstrahlung mit einer an einem Gehäuse angeordneten ansteuerbaren Elektroden-Matrix zum Erzeugen eines auf im Gehäuse befindlichen Flüssigkeiten wirkenden Feldes, wobei das Gehäuse wenigstens eine erste und eine zweite mit Zu- und Abflüssen versehene Kammer aufweist, die mittels einer flexiblen Membran voneinander abgedichtet sind, wobei sich in den Kammern in ihrem Absorptionsverhalten für Röntgenstrahlen unterschiedliche Flüssigkeiten befinden, wobei die Membran als Gegenelektrode zu der in einer der Kammern, die mit einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gefüllt ist, angeordneten Elektroden-Matrix ausgebildet ist, derart, dass sie durch elektrostatische Anziehung gezielt in Richtung der Elektroden-Matrix unter im Wesentlichen druckloser Verschiebung der Flüssigkeiten in und aus angeschlossenen Ausgleichsgefäßen verformt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Filter zum Absorbieren von Röntgenstrahlung mit einer an einem Gehäuse angeordneten ansteuerbaren Elektroden-Matrix zum Erzeugen eines auf im Ge­ häuse befindliche Flüssigkeiten wirkenden Feldes, wobei das Gehäuse wenigstens eine erste und eine zweite, mit Zu- bzw. Abflüssen versehene, Kammer aufweist, die mittels einer fle­ xiblen Membran voneinander abgedichtet sind, wobei sich in den Kammern in ihrem Absorptionsverhalten für Röntgenstrahlen unterschiedliche Flüssigkeiten befinden.

Bei Untersuchungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen kommt es häufig vor, dass der Patient bzw. dessen Organe im untersu­ chenden Bereich ein stark unterschiedliches Absorptionsver­ halten hinsichtlich der applizierten Röntgenstrahlung auf­ weist. Beispielsweise ist bei Thoraxaufnahmen die Schwächung im Mediastinum, also im Bereich vor den Lungenflügeln, sehr groß bedingt durch die dort angeordneten Organe, während sie im Bereich der Lungenflügel selbst klein ist. Sowohl für den Erhalt einer aussagekräftigen Aufnahme als auch insbesondere zur Schonung des Patienten ist es sinnvoll, die applizierte Dosis bereichsabhängig derart einzustellen, dass nicht mehr Röntgenstrahlung als nötig zugeführt wird. Das heißt, in dem Bereich mit großer Schwächung ist eine größere Dosis als in Bereichen mit geringerer Schwächung zu applizieren. Daneben gibt es Anwendungen, bei denen nur ein Teil des untersuchten Bereiches mit großer diagnostischer Qualität, das heißt, mit wenig Rauschen aufgenommen werden muss. Die umgebenden Teile sind für die Orientierung, nicht aber für die eigentliche Di­ agnose wichtig. Diese umgebenden Bereiche können also mit ei­ ner geringeren Dosis abgebildet werden, um auf diese Weise die gesamte applizierte Dosis zu reduzieren.

Neben Filtern aus einem knetgummiartigen Material, das mit Hilfe von Stempeln zu einer Stufenplatte verformt wird um so unterschiedlich absorbierende Bereiche zu erzielen - was eine Fertigung außerhalb des Strahlenganges notwendig macht, so dass eine rasche Anpassung der Filtercharakteristik an die jeweiligen Gegebenheiten damit nicht möglich ist - ist aus der DE 196 38 621 C1 auch bereits ein Filter der eingangs ge­ nannten Art bekannt geworden, der eine sehr rasche Verände­ rung der Filtercharakteristiken in unterschiedlichen Berei­ chen ermöglicht. Zu diesem Zweck ist wenigstens eine der Flüssigkeiten eine magnetorheologische oder elektrorheologi­ sche Flüssigkeit von denen wenigstens eine mit einem Mindest­ druck beaufschlagt ist, wobei die Matrix - abhängig von der verwendeten rheologischen Flüssigkeit - zum Erzeugen eines magnetischen oder elektrischen Feldes ausgebildet ist, so dass die Membran gezielt verstellbar und damit das Dickenver­ hältnis der in den beiden Kammern befindlichen unterschiedli­ chen Flüssigkeiten einstellbar ist.

Durch das elektrische Feld zwischen den jeweils beidseits der Membran angeordneten Elektroden erfolgt eine Änderung der Viskosität der rheologischen Flüssigkeit, so dass infolge der angelegten Druckdifferenz an unterschiedlichen Stellen je nach der Viskosität eine Zuführung oder ein Abpumpen der Flüssigkeit stattfindet der die Membran folgt, so dass dann an den entsprechenden Stellen die unterschiedlichen Schicht­ dicken der beiden Flüssigkeiten in den Kammern sich ergeben.

Diese bekannte Filteranordnung ermöglicht zwar eine sehr ra­ sche Veränderung der Filtercharakteristik, ist jedoch im Auf­ bau kompliziert, da die Bewegung der Membran durch Differenz­ druck erfolgt. Wegen des aufwendigen stetigen Wechsels des Differenzdrucks sind aufwendige Pumpenanlagen erforderlich, die die gesamte Filteranordnung sehr großräumig und damit sperrig machen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Filter der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass er bei einfachem Aufbau und damit auch geringer Störanfälligkeit ei­ ne rasche und vor allen Dingen auch sehr bereichsspezifische Änderung der Filtercharakteristik ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Membran als Gegenelektrode zu der in einer der Kam­ mern, die mit einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gefüllt ist, angeordneten Elektroden-Matrix ausgebildet ist, derart, dass sie durch elektrostatische Anziehung in Richtung der Elektroden-Matrix unter im Wesentlichen druckloser Ver­ schiebung der Flüssigkeiten in und aus angeschlossenen Aus­ gleichsgefäßen verformt wird.

Erfindungsgemäß folgt also die Membran nicht der durch Druck­ differenzen und veränderte Viskositäten sich ergebenden Flüs­ sigkeitsverschiebung in den Kammern, sondern die Membran löst die Flüssigkeitsverschiebungen aus, indem sie je nach der Feldstärke des Bereichs zwischen ihr und einer der matrixar­ tig angeordneten vielen Elektroden in der einen Kammer mehr oder weniger stark entgegen ihrer Elastizität von der gegenü­ berliegenden Elektrode angezogen wird, wodurch die Matrix ak­ tiv die vor ihr liegende Flüssigkeit verschiebt während gleichzeitig in der anderen Kammer Flüssigkeit nachströmt. Hierbei spielen aber keine vorzugebenden Differenzdrucke für die Flüssigkeitsverschiebung eine Rolle, sondern die Ver­ schiebung erfolgt ausgelöst durch die Bewegung der Membran im Wesentlichen drucklos. Dabei versteht es sich von selbst, dass die Elektroden der Matrix netz- oder gitterförmig mit entsprechenden, einen Flüssigkeitsdurchtritt erlaubenden Zwi­ schenräumen angeordnet sind.

In die Zu- bzw. Abflussleitung der die Elektroden-Matrix ent­ haltenden Kammer kann in Weiterbildung der Erfindung eine Pumpe zum Zurückführen der Flüssigkeit und zum Rückstellen der Membran bei abgeschalteter Elektrodenspannung eingeschaltet sein. Diese Pumpe ist allerdings nicht zu vergleichen mit den Differenzdruckpumpen der vorbekannten Anordnung gemäß der DE 196 38 621 C1, da diese Pumpe ja lediglich nach Beendigung einer Aufnahme zum Rückstellen des Filters in die ebene Aus­ gangsmittellage der Membran aktiviert werden muss und nicht ständig während der eigentlichen Filtereinstellung und der Röntgenaufnahme arbeiten muss.

Mit besonderem Vorteil kann weiter vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit in der Kammer mit der Elektroden-Matrix polari­ sierbar ist, um auf diese Art und Weise die Kräfte zwischen der Elektrode und der die Gegenelektrode bildenden Membran zu erhöhen und damit bereits bei geringen Spannungen große Aus­ lenkungen der Membran und damit größere Veränderungen der Durchlässigkeit des Filters in den unterschiedlichen Berei­ chen einstellen zu können.

Mit besonderem Vorteil erfolgt die Verteilung der elektri­ schen Felder im Filter, also die Verteilung der Elektroden­ spannungen an den Elektroden der Elektroden-Matrix mit Hilfe einer Rechen-/Steuereinheit. Die gewünschte ortsabhängige Schwächung kann dabei entweder von vorneherein nach Maßgabe der bekannten Durchlässigkeitsunterschiede im zu untersuchen­ den Bereich vorgegeben werden, oder auch beispielsweise durch die Rechen-/Steuereinheit aus einem digitalen Röntgenbild be­ rechnet werden, welches von einem digitalen Matrixdetektor geliefert wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer medizinischen Röntgenein­ richtung mit einem erfindungsgemäßen Filter und zwei verschiedenen Projektionsebenen entsprechenden Intensitätskurven,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Prinzipskizze eines er­ findungsgemäßen Filters mit einer exemplarisch dar­ gestellten Feldverteilung,

Fig. 3 einen Schnitt durch den in Fig. 2 gezeigten exem­ plarischen Filter im feldfreien Zustand, und

Fig. 4 einen Schnitt durch den in Fig. 2 bzw. 3 gezeigten Filter mit einer Feldverteilung wie sie in Fig. 2 exemplarisch wiedergegeben ist.

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße medizinische Röntgen­ einrichtung in Form einer komponentenspezifischen Prinzip­ skizze, umfassend eine Röntgenquelle 1, welche Röntgenstrah­ len 2 emittiert. Dieser Röntgenquelle 1 ist ein adaptiver er­ findungsgemäßer Filter 3 nachgeschaltet, durch welchen die Röntgenstrahlung 2 hindurchdringt und entsprechend seinem Ab­ sorptionsverhalten in ihrem Intensitätsverlauf, wie nachfol­ gend noch beschrieben wird, verändert wird. Die Röntgenstrah­ lung 2 trifft auf ein Objekt 4, beispielsweise einen Patien­ ten, dem ein Röntgenstrahlungsdetektor 5 nachgeschaltet ist. Die Einrichtung umfasst ferner eine Steuereinrichtung 6.

Die Fig. 1 zeigt ferner zwei Graphen, wobei längs der Abszis­ se der Ort x aufgetragen ist, längs der Ordinate die Intensi­ tät der Röntgenstrahlung 2. Die obere Kurve zeigt die lokale Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlung 2 in einem Bereich unmittelbar vor dem Filter 3. Die Kurve ist eine ausgeprägte Rechteckkurve, das heißt, die Intensität ist im Wesentlichen (idealisiert) über die gesamte Breite, die die Röntgenstrah­ lung in diesem Bereich annimmt, konstant. Nach Durchlaufen des Filters 3 ist der Intensitätsverlauf aber entsprechend der unteren Graphik geändert. Im gezeigten Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 wurde durch den Filter 3 die Intensitäts­ verteilung über den Ort geändert. Im Bereich der Strahlenmit­ te ist die Intensität deutlich größer als in den Bereichen außerhalb der Strahlenmitte, das heißt, die applizierte Dosis ist im mittleren Bereich größer als in den Randbereichen. Um den Filter 3 in seinem Absorptionsverhalten entsprechend den Erfordernissen einstellen zu können, ist dieser über die Steuereinrichtung 6 entsprechend ansteuerbar, wobei die Steu­ ereinrichtung mit dem Röntgenstrahlungsdetektor 5 kommuni­ ziert, um basierend auf im Rahmen einer ersten Aufnahme bei­ spielsweise im Durchleuchtungsmodus gewonnenen Erkenntnissen anschließend die Steuerungsparameter entsprechend festzule­ gen, so dass der Filter 3 entsprechend der gewünschten Auf­ nahme eingestellt werden kann.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Filter 3. Dieser besteht aus einem Gehäuse 7, welches mittels einer flexiblen Membran 8 in zwei getrennte Kammern 9 und 10 unterteilt ist, die jeweils mit einer in ihrem Absorptions­ verhalten für Röntgenstrahlen unterschiedlichen ersten und zweiten Flüssigkeit 11 und 12 gefüllt sind. Die Kammern 9 und 10 sind mit Zu- bzw. Abflüssen 13 bzw. 14 versehen, die mit nicht gezeigten Ausgleichsgefäßen in Verbindung stehen. Die obere Kammer 9 enthält eine Elektroden-Matrix 15 aus netz- oder gitterförmig angeordneten Elektroden 16 bis 20, die mit entsprechenden, einen Flüssigkeitsdurchtritt erlaubenden Zwi­ schenräumen angeordnet sind. Dabei braucht der Flüssigkeits­ durchtritt nicht zwischen jeweils zwei benachbarten Elektro­ den erfolgen können, sondern es genügt wenn einige Durch­ trittsöffnungen beispielsweise 21 und 22 vorhanden sind, da­ mit die Flüssigkeit aus der Kammer 9 durch die Elektroden- Matrix 15 hindurch zum Zu- bzw. Abfluss 13 gelangen kann. Die mit nicht gezeigten Stromanschlüssen zum Anlegen unterschied­ licher Spannungen versehenen Elektroden 16 bis 20 werden ent­ sprechend der gewünschten Schwächung der Röntgenstrahlung im Bereich dieser Elektroden mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt, während die als gemeinsame Gegenelektrode für alle Elektroden 16 bis 20 ausgebildete flexible Membran 8 durch eine Anschlussleitung 23 an dem elektrischen Gegenpol angelegt ist. Dadurch ergeben sich unterschiedliche elektri­ sche Feldstärken zwischen den Elektroden und der flexiblen Membran 8, die durch unterschiedliche Schwärzungen des jewei­ ligen Bereichs 24 bis 28 in Fig. 2 angedeutet sind.

Im feldfreien Zustand gem. Fig. 3 ist die flexible Membran 8 im ebenen Ruhezustand, so dass in beiden Kammern 9 und 10 die Schichtdicke der Flüssigkeiten 11 bzw. 12 die ein unter­ schiedliches Absorptionsverhalten für Röntgenstrahlen auf­ weist überall gleich groß ist. Dadurch ist auch die Schwä­ chung der Röntgenstrahlen über den gesamten Bereich des Fil­ ters an allen Stellen gleich. Werden nun die in Fig. 2 ange­ deuteten unterschiedlich großen elektrischen Felder zwischen den Elektroden 16 bis 20 und der gemeinsamen Gegenelektrode der flexiblen Membran 8 angelegt, so ergibt sich eine Verfor­ mung der Membran 8 durch die Feldstärken zwischen ihr und den Gegenelektroden 16 bis 20, wie es in Fig. 4 angedeutet ist. Entsprechend der Verformung der Membran wird über den Zu- bzw. Abfluss 13 die Flüssigkeit 11 in das nicht gezeigte Aus­ gleichsgefäß befördert, während über den Zu- und Ablauf 14 die Flüssigkeit 12 nachgesaugt wird. Die Verschiebung der Flüssigkeit zwischen den Kammern 9 und 10 und den Ausgleichs­ gefäßen erfolgt im Wesentlichen drucklos und die aktive Aus­ lösung für diese Verschiebung ist die Wirkung der flexiblen Membran 8 die als Gegenelektrode zu den Elektroden 16 bis 20 in den entsprechenden unterschiedlichen Bereichen in unter­ schiedlicher Weise ausgelenkt wird. Es bedarf also keiner um­ ständlichen Pumpen zur Erzeugung von Druckdifferenzen, um ei­ ne Verschiebung der Flüssigkeiten zu bewirken. Die in Fig. 4 gezeigte Durchbiegung der flexiblen Membran und die sich dar­ aus ergebenden unterschiedlichen Schichtdicken der Flüssig­ keiten 11 und 12 ergeben eine Absorptionscharakteristik wie sie in Fig. 1 in der unteren Intensitätskurve vor dem Patien­ ten 4 angedeutet ist.

Zur Rückstellung des Filters in die Ausgangsposition gemäß den Fig. 2 und 3 kann in die Leitung zwischen dem Zu- und Ab­ fluss 13 der die Elektroden-Matrix 15 enthaltenden Kammer 9 eine Pumpe eingebaut sein, die nach dem Abschalten der Spannungen an die Elektroden die Flüssigkeit 11 wieder in die Kammer 9 zurückdrückt und damit die flexible Membran 8 in die ebene Ausgangsposition der Fig. 2 und 3 zurückführt. Im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel ist die Kammer 9 mit einer die Röntgenstrahlung weniger stark absorbierenden Flüssigkeit 11 gefüllt, während die Flüssigkeit 12 in der Kammer 10 die Röntgenstrahlung stärker absorbiert.

Claims (5)

1. Filter zum Absorbieren von Röntgenstrahlung mit einer an einem Gehäuse angeordneten ansteuerbaren Elektroden-Matrix zum Erzeugen eines auf im Gehäuse befindliche Flüssigkeiten wirkenden Feldes, wobei das Gehäuse wenigstens eine erste und eine zweite mit Zu- bzw. Abflüssen versehene Kammer aufweist, die mittels einer flexiblen Membran voneinander abgedichtet sind, wobei sich in den Kammern in ihrem Absorptionsverhalten für Röntgenstrahlen unterschiedliche Flüssigkeiten befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran als Gegenelektrode zu der in einer der Kammern, die mit einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gefüllt ist, angeordneten Elektroden-Matrix ausgebildet ist, derart, dass sie durch elektrostatische Anziehung gezielt in Richtung der Elektroden-Matrix unter im Wesentlichen druckloser Verschie­ bung der Flüssigkeiten in und aus angeschlossenen Ausgleichs­ gefäßen verformt wird.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in die Zu- bzw. Abflusslei­ tung der Elektroden-Matrix-Kammer eine Pumpe zum Zurückführen der Flüssigkeit und zum Rückstellen der Membran bei abge­ schalteter Elektrodenspannung eingeschaltet ist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Flüssigkeit in der Elektroden-Matrix-Kammer polarisierbar ist.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge­ kennzeichnet durch eine Rechen-/Steuer­ einheit zur Verteilung der Elektrodenspannungen.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Verteilung der Elektro­ denspannungen aus einem von einem digitalen Matrixdetektor gelieferten digitalen Röntgenbild einstellbar ist.