DE10051728A1

DE10051728A1 - Verfahren und Vorrichtung zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern

Info

Publication number: DE10051728A1
Application number: DE10051728A
Authority: DE
Inventors: Holger Hahn
Original assignee: NTB ELEKTRONISCHE GERAETE GmbH
Current assignee: NTB ELEKTRONISCHE GERAETE GmbH
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: DE10051728B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern, insbesondere zu Diagnosezwecken in der Medizin. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein digitales Aufnahmeverfahren und eine Vorrichtung für Röntgenuntersuchungen zu schaffen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und die unempfindlich gegenüber Streustrahlen sind, eine hohe Auflösung besitzen, die schnell auslesbar sind, die eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und die Patientendosis auf ein Minimum reduzieren, die umweltschonender und wirtschaftlicher als die chemische Filmentwicklung sind und bei denen geringe Wartungs- bzw. Reparaturkosten entstehen, wird durch ein Verfahren gelöst, mit dem die Aufnahme von Röntgenbildern von Objekten (3) mittels Röntgensensorzeilen (1), bestehend aus Sensorelementen (9) wie einkristalline Siliziumsensoren, erfolgen, wobei zur Bildaufnahme entweder die Sensorzeilen (1) oder das Untersuchungsobjekt (3) vor einer Strahlungsquelle (4) quer zur Zeilenrichtung um eine definierte Distanz (A) so bewegt werden, daß die Strahlung auf den für die Bildgebung relevanten Teil begrenzt wird. DOLLAR A Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Trägerplatte (2) mehrere Sensorzeilen (1) parallel angeordnet sind und daß vor der Röntgenquelle (4) eine Strahlerblende (5) angebracht werden kann, die soviel Schlitze aufweist wie Sensorzeilen (1) existieren, so daß jeder Sensorzeile (1) ein Blendenschlitz zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern, insbesondere zu Diagnosezwecken in der Medizin, gemäß den Ansprüchen 1 und 5.

Allgemeiner Stand der Technik in der medizinischen Diagnostik sind Geräte zur Erstellung von Röntgenbildern, die zur Erfassung der Bilder folgende Verfahren verwenden:

a) konventionelle Negativfilme, mit und ohne Verstärker folien.
Geräte mit Röntgenfilm haben den Nachteil, daß für die Film entwicklung eine Dunkelkammer oder eine Entwicklungs maschine benötigt wird. Es müssen Entwicklerchemikalien eingesetzt werden und es fallen umweltbelastende Abwässer an. Beschaffung von Filmmaterial und Chemikalien, gesonderte Entsorgung der Abfälle sowie Archivierung der Filme verur sachen ständig wiederkehrende Kosten und belasten die Umwelt. Beim Umgang mit Röntgenfilmen können außerdem zahlreiche Fehler auftreten, die die Qualität der Aufnahmen beeinträchtigen.
b) Speicherfolien.
Bei der Speicherfolienradiographie wird das Röntgenbild auf einem lumineszenzfähigen Medium latent gespeichert und anschließend in einem Lesegerät mit Hilfe eines Laserstrahls und eines Photomultipliers in elektronische Signale gewan delt. Das Verfahren liefert eine dem Röntgenfilm vergleich bare Bildqualität. Nachteile des Verfahrens sind die hohen Anschaffungskosten für das Auslesegerät und der hohe Zeitaufwand für das Auslesen des Speichermediums.
c) flächenhafte Detektoren, sogenannte Flat-Panels.
Die auf dem Markt befindlichen Flächendetektoren basieren auf amorphem Silizium, da die bei medizinischen Anwendungen geforderten Formate von bis zu 430 × 430 mm mit ein kristallinen Siliziumdetektoren nicht realisiert werden können. Die Anschaffungskosten von Flat-Panels sind sehr hoch, dagegen ist ihre geometrische Auflösung mit ca. 3 Lin ienpaaren/mm gering. Der Ausfall einzelner Pixel führt zur Unbrauchbarkeit des gesamten Panels.
d) Bildverstärkerröhren mit angekoppelten CCD-Kameras.
Sie werden nur zu Durchleuchtungszwecken verwendet, da die geometrische Auflösung für Röntgenaufnahmen nicht ausreichend ist.
e) Aus der Zahnmedizin sind kleine flächenhafte Sensoren sowie digitale Zeilendetektoren bekannt.

In der EP 0 632 994 B1 wird ein Gerät beschrieben, bei dem die Bildaufnahme mittels Bewegung von Strahlenquelle und Zeilendetektor erfolgt und das sowohl Panorama-Schicht aufnahmen als auch cephalometrische Aufnahmen erlaubt. Um Schichtaufnahmen zu ermöglichen und außerdem die Aufnahme zeit und damit die Strahlenbelastung zu reduzieren, besteht der Zeilendetektor aus mehreren, dicht nebeneinander ange ordneten Zeilen, die im sogenannten TDI-Modus betrieben werden. Die Bildaufnahme erfolgt durch Bewegung von Zeilendetektor und Strahlungsquelle.

Durch die zeilenweise Bilderfassung ist die Aufnahmezeit dennoch erheblich länger als bei flächenhaften Detektoren oder Röntgenfilm.

Die Verfahren a)-d) haben den Nachteil, daß zur Vermeidung von Streustrahlen, die die Bildqualität in einem erheblichen Maße verschlechtern, ein sogenanntes Streustrahlenraster (Bucky-Blende) verwendet werden muß. Das Raster verhindert zum Teil, daß Streustrahlen auf den Empfänger (Film, Speicherfolie oder Flat-Panel) treffen, absorbiert dabei aber auch einen Teil der Primärstrahlung, die das Bild erzeugt. Bei den meisten Rastern beträgt die Primärstrahlendurchlässigkeit lediglich 60-70%.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein digitales Aufnahme verfahren und eine Vorrichtung für Röntgenuntersuchungen zu schaffen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und die unempfindlich gegenüber Streu strahlen sind,

- eine hohe Auflösung besitzen,
- die schnell auslesbar sind,
- die eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und die Patienten dosis auf ein Minimum reduzieren,
- die umweltschonender und wirtschaftlicher als die chemische Filmentwicklung sind und
- bei denen geringe Wartungs- bzw. Reparaturkosten entstehen.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die digitale Aufnahme von Röntgenbildern mittels Röntgensensorzeilen, die aus einzelnen Sensorelementen wie einkristalline Silizium sensoren bestehen, wobei zur Bildaufnahme entweder die Sensorzeilen oder das Untersuchungsobjekt vor einer Strah lungsquelle quer zur Zeilenrichtung um eine definierte Distanz so bewegt werden, daß die Strahlung auf den für die Bildgebung relevanten Teil begrenzt wird.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, daß auf einer Trägerplatte mehrere Sensorzeilen parallel angeordnet sind und daß vor der Röntgenquelle eine Strahlerblende angebracht werden kann, die soviel Schlitze aufweist wie Sensorzeilen existieren, so daß jeder Sensorzeile ein Blendenschlitz zugeordnet ist und daß vor jeder Sensorzeile ein Kollimator zur Ausblendung von Streustrahlung angeordnet werden kann.

Röntgensensorzeilen bilden die Basis zur Lösung der Aufgabe. Vorteile gegenüber großflächigen zweidimensionalen Sensoren sind die Verwendung einkristalliner anstatt amorpher Silizi umsensoren und die Begrenzung der Strahlung durch eine Schlitzblende.

Durch einen modularen Aufbau des aus Röntgensensorzeilen auf einer Trägerplatte gebildeten Detektors lassen sich defekte Zeilen, z. B. bei Ausfall einzelner Pixel, unter geringen Kosten austauschen.

Die Sensorzeilen können in nahezu beliebiger Länge gebaut werden, so daß auch größere Bildformate als 430 × 430 mm, z. B. für Wirbelsäulenaufnahmen, realisierbar sind. Werden mehrere Sensorzeilen parallel angeordnet und bei der Bildaufnahme synchron quer zur Zeilenrichtung verschoben, so nimmt jede Sensorzeile ein streifenförmiges Segment des Bildes auf. Auf diese Weise läßt sich eine kurze Belichtungszeit erzielen. Die Breite des Röntgenbildes wird durch die Anzahl der Zeilen und den Verschiebeweg bestimmt.

Vor die Strahlenquelle kann eine Blende montiert werden, die so viele Schlitze besitzt, wie parallele Sensorzeilen vorhanden sind und die synchron mit den Sensorzeilen bewegt werden kann. Die Strahlung wird so auf den für die Bild gebung relevanten Teil begrenzt und somit die Patientendosis verringert. Außerdem wird dadurch die Entstehung von Streustrahlung bereits weitestgehend vermieden.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann in bestehende Systeme zur Röntgendiagnostik integriert werden, um dort andere Aufnahmetechniken zu ersetzen.

Die richtig gewählte Zahl parallel angeordneter Röntgen sensorzeilen führt zu einer Optimierung von Streustrah lenreduktion, Datenübertragungsrate und Belichtungszeit, und es ergeben sich nachstehende Vorteile:

- Erstellung von Röntgenaufnahmen ohne Film
- Erzeugung digitaler Röntgenbilder auch großer Bildformate
- hohe Auflösung
- Minimierung der Streustrahlen
- kein Streustrahlenraster
- Absenkung der Dosisleistung
- Vermeidung der durch die Filmehtwicklung auftretenden Nachteile, wie Umweltbelastung und hohe Kosten für Filmmaterial, Chemikalien, Archivierung und Entsorgung
- Deutlich kürzere Belichtungszeiten gegenüber Systemen mit nur einer Sensorzeile
- Kostengünstige Umrüstung vorhandener Röntgendiagnose systeme

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: den schematischen Aufbau einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung in Seitenansicht,

Fig. 2: die Darstellung des Prinzips der Entstehung von Streustrahlung bei der Durchstrahlung eines Objekts,

Fig. 3: die schematische Darstellung der Funktionsweise eines Kollimators zur Ausblendung von Streustrahlung und

Fig. 4: die schematische Darstellung (Blockschaltbild) der Ansteuerung der Motoren für Sensorträger und Strahlerblende.

Die Vorrichtung nach der Erfindung besteht im wesentlichen aus mehreren parallel angeordneten Sensorzeilen 1, die jeweils aus einzelnen Sensorelementen 9 zusammengesetzt sind und jeweils mit einem Kollimator 10 (Fig. 3) versehen sind, und einer Strahlblende 5, die an einer Strahlenquelle 4 angebracht ist (Fig. 1).

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau der Vorrichtung (Gerätes) in Seitenansicht und beschreibt das Aufnahme prinzip:
Die Sensorzeilen 1 sind im Abstand A zueinander auf einer Trägerplatte 2 montiert, die quer zur Zeilenrichtung beweg lich ist. Während der Bildaufnahme wird die Trägerplatte 2 um die Distanz A verschoben. Dabei tastet jede Sensorzeile 1 einen Teil eines Untersuchungsobjektes 3 ab. Zusammengesetzt ergeben diese streifenförmigen Bildsegmente das gesamte Bild.

In einer Ausführungsform wird die von der Strahlenquelle 4 ausgehende Röntgenstrahlung von einer Strahlblende 5 in einzelne Strahlfächer 6 zerlegt, die in Form und Größe auf die Sensorzeilen 1 abgestimmt sind. Jeder Sensorzeile 1 ist ein Strahlfächer 6 zugeordnet. Durch synchrone Bewegung von Trägerplatte 2 und Strahlblende 5 wird gewährleistet, daß zu jedem Zeitpunkt der jeweilige Strahlenfächer 6 die ihm zugeordnete Sensorzeile 1 genau trifft. Gleichzeitig verhindert die Strahlblende 5, daß die Bereiche zwischen den einzelnen Zeilen 1 bestrahlt werden. Im Untersuchungsobjekt 3 kann Streustrahlung somit auch nur innerhalb der Strahlenfächer 6 entstehen.

In einer anderen Ausführung der Vorrichtung können Trägerplatte 2 und Strahlblende 5 starr montiert sein. Die zur Bildaufnahme notwendige Bewegung quer zur Zeilenrichtung erfolgt in diesem Fall durch das Untersuchungsobjekt 3.

Fig. 2 zeigt das Prinzip der Entstehung von Streustrahlung bei der Durchstrahlung eines Objekts 3:
In Folge von Wechselwirkungen zwischen Röntgenquanten und Objektatomen kommt es zur Absorption der Primärstrahlung 7 und zur Bildung von Streustrahlung 8. Die nicht beeinflußten Primärstrahlen 7 verlassen das Objekt 3 ohne Änderung ihrer Strahlungsrichtung, die Streustrahlen 8 dagegen können den Körper 3 nach allen Richtungen hin verlassen. Aus den unterschiedlichen Intensitäten der Primärstrahlung 7 beim Austritt aus dem Untersuchungsobjekt 3 ergibt sich das Strahlungsbild, das von Röntgenfilm oder sensor aufgenommen wird. Dieses Strahlungsbild wird von einem Teil der ungerichteten Streustrahlen 8 überlagert. Da die Streustrahlen 8 keine nutzbare Bildinformation besitzen, verschlechtern sie die Bildqualität.

Um zu verhindern, daß eine Sensorzeile 1 Streustrahlen 8 empfängt, die in benachbarten Strahlenfächern 6 entstehen, kann jede Zeile 1 mit einem schlitzförmigen Kollimator 10 versehen werden (Fig. 3).

In Fig. 3 ist die Funktionsweise des Kollimators 10 an Hand einer einzelnen Sensorzeile 1 dargestellt. Vor den Sensorelementen 9 einer Sensorzeile 1 ist der schlitzförmige Kollimator 10 angebracht, der einen Großteil des Objekts 3 verdeckt. Die Geometrie (Schachtverhältnis) des Kollimators 10 kann so ausgelegt werden, daß Streustrahlung 8, die vom bestrahlten Bereich eines benachbarten Fächers 6 ausgeht, ausgeblendet wird, die Strahlung 7 des der Zeile 1 zugeordneten Primärstrahlungsfächers 6 die Sensorelemente 9 dagegen ungeschwächt erreicht. Die Primärstrahlendurch lässigkeit beträgt also 100%. Eine zu Systemen mit Streu strahlenraster vergleichbare Bildqualität läßt sich daher bereits mit geringeren Strahlungsintensitäten erzielen. Damit wird die Strahlenbelastung des Patienten reduziert.

Durch Anbringen des in seiner Form und Größe unterschiedlich ausführbaren Kollimators 10 können benachbarte Sensorzeilen 1 nicht beliebig eng nebeneinander angeordnet werden. In einer Ausführungsform wird ein Bildfeld von 400 mm × 400 mm Größe durch zwölf parallele Sensorzeilen 1 aufgenommen. Der Abstand zweier benachbarter Zeilen 1 beträgt damit 33,3 mm.

Die einzelnen Sensorzeilen 1 bestehen aus einer Vielzahl kleiner, aneinandergereihter licht- oder röntgenempfind licher Sensorelemente 9 (Pixel). Die Größe der einzelnen Sensorelemente 9 bestimmt die Auflösung der Aufnahmevor richtung. Die Sensorelemente 9 können in Gruppen auf Träger elementen angeordnet sein, wie z. B. Fotodioden auf einem Halbleiterchip. Weiterhin können die Trägerelemente in Längsrichtung lückenlos aneinandergereiht werden. Dadurch lassen sich Sensorzeilen 1 in beliebiger Länge konzipieren.

Bei röntgenempfindlichen Sensorelementen 9 wird die Röntgen strahlung direkt in ein digitalisierbares Signal umgewandelt. Bei lichtempfindlichen Sensorelementen 9 wird vor den Sensorelementen 9 eine Szintillationsschicht angebracht. Diese Szintillationsschicht wandelt die Röntgen strahlung in Licht, das wiederum von den Sensorelementen 9 in ein digitalisierbares Signal gewandelt wird. Weiterhin kann zur Ankopplung der Szintillationsschicht an die lichtempfindlichen Sensorelemente 9 eine Faseroptik (Fiberoptik) eingesetzt werden.

Die Signale der einzelnen Sensorzeilen 1 lassen sich parallel auslesen, digitalisieren und zur elektronischen Auswertung, Darstellung und Archivierung an ein geeignetes Aufnahmegerät (z. B. an einen PC) weiterleiten. Der Vorteil der parallelen Auslesung ist ihre höhere Datenrate. Damit sind auch großformatige Bilder bei kurzer Aufnahmezeit möglich.

Fig. 4 zeigt in einem Blockschaltbild den Signalfluß der Bilddaten sowie die Ansteuerung von Motoren zur Bewegung des aus Sensorzeilen 1 gebildeten Detektors und der Schlitzblende 5. Die Bewegung kann mittels Schrittmotoren erfolgen, die Überwachung der Positionen beider Teile mittels Inkremental-Drehgeber. Start- und Endpositionen werden über Endschalter angezeigt und überwacht. Eine Steuerlogik kontrolliert die Bewegungen und sorgt für ihre Synchronisation. Sie steuert auch die Übertragung der Bild daten. Ihre Programmierung erfolgt durch das Aufnahmegerät, z. B. einen PC, mit dem die aufgenommenen Bilddaten auch dargestellt, gespeichert und bearbeitet werden können.

Bezugszeichenliste

1

Sensorzeile

2

Trägerplatte

3

Untersuchungsobjekt

4

Strahlenquelle

5

Strahlblende

6

Strahlenfächer

7

Primärstrahl

8

Streustrahl

9

Sensorelement

10

Kollimator

Claims

1. Verfahren zur digitalen Aufnähme von Röntgenbildern von Objekten (3) mittels Röntgensensorzeilen (1), bestehend aus Sensorelementen (9) wie einkristalline Siliziumsensoren, wobei zur Bildaufnahme entweder die Sensorzeilen (1) oder das Untersuchungsobjekt (3) vor einer Strahlungsquelle (4) quer zur Zeilenrichtung um eine definierte Distanz (A) so bewegt werden, daß die Strahlung auf den für die Bildgebung relevanten Teil begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung mittels einer Strahlblende (5) so begrenzt wird, daß nur die Sensorzeilen (1) bestrahlt werden, und daß zur Bildaufnahme entweder die Blende (5) zusammen mit den Sensorzeilen (1) synchron bewegt wird oder daß die Blende (5) und die Sensorzeilen (1) fest montiert sind und zur Bildaufnahme das Untersuchungsobjekt (3) zwischen der Blende (5) und den Sensorzeilen (1) quer zur Zeilenrichtung bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensorzeilen (1) vorgesehen sind, die parallel angeordnet sind, wobei von jeder Sensorzeile (1) ein Teil des Untersuchungsobjektes (3) abgetastet wird, und daß die abgetasteten Bildteile zu einem lückenlosen Gesamtbild zusammengesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildinformation der parallel angeordneten Sensorzeilen (1) parallel ausgelesen und digitalisiert wird und die Übertragung der gewonnenen Bildinformation über eine schnelle Datenschnittstelle erfolgt.

5. Vorrichtung zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern von Objekten, insbesondere für medizinische und industrielle Anwendungen, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Trägerplatte (2) mehrere Sensorzeilen (1) parallel angeordnet sind und daß die Trägerplatte (2) rechtwinklig zur Zeilenrichtung vor einer Röntgenquelle (4) bewegbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlerblende (5) vor der Röntgenquelle (4) angebracht ist, die soviel Schlitze aufweist wie Sensorzeilen (1) existieren, so daß jeder Zeile (1) ein Blendenschlitz (6) zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerblende (5) synchron mit den Sensorzeilen (1) bewegbar ist, um von einem ruhenden Objekt (3) ein zweidimensionales Röntgenbild zu erstellen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorzeilen (1) aus einzelnen Sensorelementen (9) aufgebaut sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorzeilen (1) aus röntgen empfindlichen Sensorelementen (9) aufgebaut sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorzeilen (1) aus licht empfindlichen Sensorelementen (9) aufgebaut sind, denen eine Szintillationsschicht vorgesetzt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß zwischen Sensorelement (9) und Szintillations schicht eine Fiberoptik angebracht ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Sensorelementen (9) ein schlitzförmiger Kollimator (10) zur Ausblendung von Streustrahlung (8) angebracht ist.