DE10033497B4 - Röntgenkontrastverfahren zur Erzeugung eines elementselektiven Röntgenkontrastes durch digitale Absorptionskanten-Subtraktion von zwei Kontrastbildern - Google Patents

Abstract

Röntgenkontrastverfahren zur Erzeugung eines elementselektiven Röntgenkontrastes durch digitale Absorptionskanten-Subtraktion von zwei Kontrastbildern bei Energien unterhalb und oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Kontrastbilder mit einem röntgenempfindlichen und energieselektiv arbeitenden CCD-Detektor simultan erzeugt werden, wobei als Strahlungsquelle eine Röntgenmikrofokusröhre mit austauschbarem Anodenmaterial eingesetzt wird, dessen charakteristische Röntgenlinien unter- und oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes liegen und als Abbildungsgeometrie die Zentralprojektion eingesetzt wird.

Description

• Es ist bekannt, den Kontrast eines Bildes durch die sogenannte duale Energie-Subtraktionsmethode zu verstärken, bei der mit verschiedenen Photonenenergien aufgenommene Bilder des abzubildenden Objektes digital subtrahiert werden.
• Des weiteren ist bekannt, den Kontrast eines Bildes durch die digitale Absorptionskanten-Subtraktionsangiographie (DSA by duale energy subtraction) zu verstärken, bei der je ein Bild unterhalb und oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes zeitlich nacheinander oder in getrennten Detektoren gleichzeitig erzeugt werden und nach deren digitaler Subtraktion das Kontrastbild entsteht. Verwiesen wird auf das NIKOS-System am HASYLAB/DESY, das mit der letztgenannten Methode und mit dem Elektronensynchrotron als Strahlungsquelle arbeitet /1–5/.
• Das NIKOS-System am HASYLAB/DESY sowie vergleichbare Anlagen, die die digitale Subtraktion von zwei Bildern verwenden, die bei Energien unterhalb und oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes erzeugt wurden, benötigen ein Elektronensynchrotron als Strahlungsquelle, welches sowohl hinsichtlich der Nutzung als auch der Kosten sehr aufwendig ist.
• Zur Messung der beiden Subtraktionsbilder (sogenannte Maske und Bild), die bei Energien unterhalb bzw. oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes aufgenommen werden, sind entweder zwei zeitlich getrennte Einzelmessungen oder die simultane Messung in zwei getrennten Detektoren notwendig, da die verwendeten Detektoren die Energie der Photonen nicht auflösen können. Da die bisher verwendeten Einzeldetektoren nicht in der Lage sind, ein vollständiges Bild simultan aufzunehmen, muß ein "Scan" des Abbildungsobjektes (z. B. des Patienten) durchgeführt werden. Um kurze Bestrahlungszeiten zu realisieren, muss das Abbildungsobjekt hohen mechanischen Beschleunigungen ausgesetzt werden.
• Die Offenlegungsschrift DE 37 34 300 A1 beansprucht eine Messanordnung, die quasimonochromatische Röntgenstrahlung und zwei Detektoren zum Detektieren der Röntgenstrahlen verwendet, deren Energie oberhalb und unterhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes liegt. Das Messverfahren verwendet eine Monochromatisierung der Strahlung, die eine sehr hohe Strahlintensität voraussetzt, wie sie gegenwärtig nur von Synchroton-Strahlungsquellen oder Plasmen erzeugt werden können, die sowohl hinsichtlich der Handhabung als auch der Kosten aufwendig sind. Die Bilderzeugung erfolgt hier simultan. Das beschriebene Kontrastverfahren ist für eine vergrößerte Objektabbildung ungeeignet, da es mit Parallelprojektion arbeitet.
• Die im bereits erwähnten NIKOS-System realisierte Messanordnung, die in der Patentschrift DE 35 17 101 C1 beschrieben wird, arbeitet gleichfalls mit zwei Detektoren und mit Synchrotronstrahlung. Zur Bilderzeugung ist ein Rastern bzw. „Scannen" des Objektes durch den Strahl erforderlich, daher können keine simultan registrierten Bilder gewonnen werden. Beide beschriebenen Verfahren benötigen Synchrotronstrahlung und können nicht mit konventioneller Röntgentechnik betrieben werden.
• Kozul et al. /6/ setzen als Röntgen-Strahlungsquelle eine Mikrofokusröhre mit austauschbarem Anoden- bzw. Antikathodenmaterial ein, die lediglich zur Erzeugung eines Parallelstrahls mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung genutzt wird, mit dem das Objekt abgerastert werden muss. Dies schließt die Möglichkeit simultaner Abbildung aus.
• Von Zoofan et al. /7/ wird ein Detektor beschrieben, der einen Bildverstärker mit integrierter CCD verwendet und somit nicht in der Lage ist, gleichzeitig die Energie und den Ort der Röntgenphotonen ausreichend zu unterscheiden, um zwei Bilder unterhalb und oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes für die im Röntgenkontrastverfahren verwendete digitale Subtraktion zu erzeugen. Es werden ausschließlich nur Zentralprojektion und einfacher Röntgenkontrast in einem Bild für mikroradiographische Korrosionsstudien benutzt.
• In der US-Patentschrift 5,754,621 wird der verwendete Detektor als ein Photokonverter ohne Ortsauflösung beschrieben. Das Bild muss auch in diesem Messverfahren durch einen XY-Scan des Abbildungsobjektes erzeugt werden, was bezüglich der Messzeit für die große Zahl von Einzelmessungen, der erhöhten Strahlungsdosis, des Aufwandes der Kalibrierung und der erzielbaren Ortsauflösung nachteilig ist. Es wird auch nicht der Subtraktionskonstrast zweier Bilder genutzt, sondern der einfache Röntgenkontrast in einem Bild. Um diesen möglichst groß zu erzielen, wird eine charakteristische Röntgenstrahlung eingesetzt, die mindestens eine Wellenlänge mit hoher Röntgenabsorption unterhalb der Absorptionskante enthält.
• Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, die Anwendung des Röntgenkontrastverfahrens der digitalen Subtraktion von zwei Bildern, die bei Energien unterhalb und oberhalb der Absorptionkante des Kontrastelementes erzeugt wurden, gleichzeitig mit einer Meßanordnung zu ermöglichen, bei der Synchrotronstrahlung nicht erforderlich ist und die Messungen nicht nacheinander durchgeführt werden müssen. Die Subtraktionsbilder können vielmehr simultan in einem Detektor gemessen werden.
• Dieses Problem wird gemäß Patentanspruch dadurch gelöst, daß als Strahlungsquelle eine Mikrofokus-Röntgenröhre eingesetzt wird, deren Punktfokus einen divergenten Strahl für eine Zentralprojektion des abzubildenden Objektes liefert. Das austauschbare Anoden- bzw. Antikathodenmaterial der Mikrofokus-Röntgenröhre ist so gewählt, daß unterhalb und oberhalb der Absorptionskante des darzustellenden Kontrastelementes charakteristische Linien des Anoden- bzw. Antikathodenmaterials zur Erzeugung der Primärstrahlintensität zur Verfügung stehen.
• Zur simultanen Messung der beiden Subtraktionsbilder wird ein orts- und energieauflösender Röntgendetektor, wie z. B. ein röntgenempfindlicher und energieauflösender CCD-Detektor, eingesetzt. Dieser Detektor arbeitet im Einzel-Photonen-Modus, bei dem die Energie der Röntgenphotonen aufgelöst wird und somit online das gemessene Bild in zwei Bilder oberhalb und unterhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes separiert werden kann. Die Erfindung hat den Vorteil, daß keine Synchrotronstrahlung erforderlich ist. Dies bedeutet eine erhebliche Kosteneinsparung und eine relativ leichte Verfügbarkeit der Untersuchungsmethode. Infolge des kompakten Aufbaus des Abbildungssystems und insbesondere durch die Verwendung einer Mikrofokus-Röntgenröhre sowie eines orts- und energieauflösenden Röntgendetektors (z. B. Röntgen-CCD-Detektor) kann das Kontrastverfahren in jedem Röntgenlabor durchgeführt werden.
• Die Subtraktionsbilder werden gleichzeitig in einem orts- und energieselektiven Detektor erzeugt, so daß der apparative Aufwand eines Multidetektorsystems einschließlich des Kalibrierungsaufwandes vermieden wird.
• Die Verwendung einer Mikrofokus-Röntgenröhre und eines ortsauflösenden Röntgendetektors ermöglicht eine simultane Abbildung des Objektes durch Zentralprojektion ohne einen "Scan" des Objektes, wie er z. B. bei dem NIKOS-System erforderlich ist.
• Das erfindungsgemäße Röntgenkontrastverfahren der digitalen Absorptionskanten-Subtraktion zur Erzeugung eines elementselektiven Bildkontrastes mit Hilfe eines orts- und energieauflösenden Röntgendetektors kann sowohl zur medizinisch-biologischen Diagnostik als auch zur zerstörungsfreien Materialdiagnostik eingesetzt werden, da es bei geeigneter Wahl des Antikathodenmaterials nicht auf ein bestimmtes Kontrastelement (wie z. B. Jod beim NIKOS-System) beschränkt ist.
• Das Röntgenkontrastverfahren kann mit verschiedenen Ausführungen einer Mikrofokus-Röntgenröhre mit austauschbarem Anoden- bzw. Antikathodenmaterial als auch mit verschiedenen Varianten eines orts- und energieauflösenden Detektors durchgeführt werden. Eine mögliche Ausführung der Erfindung ist in der Zeichung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
• Ein Elektronenstrahl in der Mikrofokus-Röntgenröhre (1:1) erzeugt auf dem austauschbaren Anoden- bzw. Antikathodenmaterial eine nahezu punktförmige Röntgenstrahlungsquelle, von der ein divergenter Röntgenstrahl ausgeht. Der Durchmesser des Punktfokus bestimmt die Ortsauflösung der Kontrastabbildung. Das Anoden- bzw. Antikathodenmaterial ist so gewählt, dass charakteristische Linien unterhalb und oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes zur Primärintensität überwiegend beitragen.
• Das Abbildungsobjekt (1: 2) wird in Zentralprojektion auf einem orts- und energieauflösenden Röntgendetektor (1: 3) abgebildet, mit dessen Hilfe das Röntgenkontrastbild simultan erzeugt wird. Im Einzel-Photonen-Modus ermöglicht die Energieauflösung des Röntgen-CCD-Detektors (ca. 250 eV bei der Cu-Kα Linie und bei einer Temperatur der CCD von ca. –40°C), das gemessene Bild durch zwei Energiefenster unterhalb und oberhalb der Absorptionkante des Kontrastelementes in zwei Bilder zu separieren. Diese werden online digital subtrahiert, wodurch das Röntgenkontrastbild entsteht. Mit Hilfe des Verfahrens der digitalen Subtraktion der beiden quasi-monochromatischen Bilder kann eine deutliche Verstärkung des Kontrastes für das Kontrastelement erreicht werden, während alle anderen, insbesondere auch die benachbarten Elemente nahezu Nullkontrast erzeugen.
• Literatur:
• 1. Holland, A.D.:"CCDs on high resistivity bulk silicon for X-ray spectroscopy on XMM", Proc. ESA SP-356, 1992, 321-324
• 2. Dirk Gläser, „Erprobung und Einsatz eines ortsauflösenden Röntgendetektors auf der Basis von Deep-Depletion-CCDs", Diplomarbeit 1995, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Physik
• 3. Coronary Angiography using Synchrotron Radiation – Studies in Human Subjects with the System NIKOS II -, DESY SR 91-01, 1991, ISSN 0723-7979
• 4. W.-R. Dix, K. Engelke, G. Heintze, et al., NIKOS II – a system for non-invasive imaging of coronary arteries, in: "Medical Imaging III: Image Formation", SPIE 1090 (1989) 282
• 5. W. Graeff and W.-R. Dix, NIKOS – Non-invasive Angiography at HASYLAB, Handbook on Synchrotron Radiation, Vol. 4, S. Ebashi, E. Rubenstein, M. Koch. eds., Elsevier Science Publishers B. V. (1991)
• 6. N. Kozul et al., Elemental quantification using multiple-energy x-ray absorptiometry, Measurement Science and Technology 10 (1999) 252-259
• 7. B. Zoofan et al., Microradiographic Detection of Corrosion Pitting, Materials Evaluation, February 1998, 191-194

Claims (1)

1. Röntgenkontrastverfahren zur Erzeugung eines elementselektiven Röntgenkontrastes durch digitale Absorptionskanten-Subtraktion von zwei Kontrastbildern bei Energien unterhalb und oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Kontrastbilder mit einem röntgenempfindlichen und energieselektiv arbeitenden CCD-Detektor simultan erzeugt werden, wobei als Strahlungsquelle eine Röntgenmikrofokusröhre mit austauschbarem Anodenmaterial eingesetzt wird, dessen charakteristische Röntgenlinien unter- und oberhalb der Absorptionskante des Kontrastelementes liegen und als Abbildungsgeometrie die Zentralprojektion eingesetzt wird.