DE10051728B4 - Verfahren und Vorrichtung zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern von Objekten (3) mittels Röntgensensorzeilen (1), bestehend aus Sensorelementen (9), wobei zur Bildaufnahme die Sensorzeilen (1) 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, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildaufnahme mehrere parallel angeordnete Sensorzeilen (1) vorgesehen sind, wobei von jeder Sensorzeile (1) ein Teil des Untersuchungsobjektes (3) abgetastet wird und die abgetasteten Bildteile zu einem lückenlosen Gesamtbild zusammengesetzt werden, wobei entweder die Sensorzeilen (1) oder das Untersuchungsobjekt (3) vor einer Strahlungsquelle (4) quer zur Zeilenrichtung um eine definierte Distanz (A) bewegt werden, wobei die Streustrahlung mittels Blenden (5) am Strahler und vor jeder Sensorzeile (1) weitestgehend eliminiert wird.

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 Verstärkerfolien. Geräte mit Röntgenfilm haben den Nachteil, daß für die Filmentwicklung eine Dunkelkammer oder eine Entwicklungsmaschine 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 verursachen 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 gewandelt. Das Verfahren liefert eine dem Röntgenfilm vergleichbare 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 einkristallinen Siliziumdetektoren nicht realisiert werden können. Die Anschaffungskosten von Flat-Panels sind sehr hoch, dagegen. ist ihre geometrische Auflösung mit ca. 3 Linienpaaren/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-Schichtaufnahmen als auch cephalometrische Aufnahmen erlaubt. Um Schichtaufnahmen zu ermöglichen und außerdem die Aufnahmezeit und damit die Strahlenbelastung zu reduzieren, besteht der Zeilendetektor aus mehreren, dicht nebeneinander angeordneten 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 %.
• Zur Streustrahlenreduktion können auch Filter eingesetzt werden (Erich Krestel: Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik, Kapitel 7.1.2.6). Allerdings ist, die Selektivität solcher Filter sehr gering und Ihr Einsatz ist mit einer Belichtungsverlängerung verbunden. Auch ein Schlitzblendenmechanismus wird von Krestel in Verbindung mit der Anwendung von Filmmaterial beschrieben. Die Röntgenröhre wird dabei infolge der Ausblendung eines schmalen Spaltes aus einem größeren Strahlenfeld vor und hinter dem Aufnahmeobjekt entsprechend höher belastet.
• Aus IEEE, 1990 Nuclear Science Symposium Proceedings, S. 1102–1118, von Sashin, Slasky and Pearsall: Reduced Dose and Improved Image Quality with Computerized Line-scan Radiography System ist ein Röntgensystem mit einer computerisierten Liniendetektion („line scan") bekannt. Nachteilig an der Vorrichtung ist jedoch, dass das System nur eine Zeile aufweist. Um das Bild aufzunehmen, werden Photodioden-Arrays eingesetzt, die aufgrund der Bauform versetzt angeordnet werden müssen. Zur Durchführung der Liniendetektion muss eine komplizierten Fiberoptik-Anordnung eingesetzt werden.
• In DE 38 25 703 A1 wird eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit rechteckförmiger Detektoranordnung offenbart. Die Detektoren weisen dabei. eine Matrixstruktur auf, d. h. es handelt sich um Flächensensoren. Nachteilig an solchen Flächensensoren ist, dass sie einen hohen Anteil an Streustrahlung aufweisen.
• Aus DE 27 17 349 A1 ist ein Röntgenschichtgerät zur Herstellung von Transversalschichtbildern bekannt. Der Strahlenempfänger besteht aus zwei nebeneinander angeordneten Detektorreihen, die sich um die halbe Detektorbreite überlappen. Die zweite Zeile, dient entweder als Referenzmessung zur Eliminierung von Streustrahlung oder sie wird zeitlich nach der ersten Zeile bestrahlt und dient dann der Verbesserung der Auflösung, nicht jedoch einer Vergrößerung der Aufnahmegeschwindigkeit.
• Aufgabe der Erfindung ist es, 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.
• Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die digitale Aufnahme von Röntgenbildern mittels Röntgensensorzeilen, die aus Sensorelementen bestehen, wobei zur Bildaufnahme die Sensorzeilen vor einer Strahlungsquehle quer zur Zeilenrichtung um eine definierte Distanz so bewegt werden, dass die Strahlung auf den für die Bildgebung relevanten Teil begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildaufnahme mehrere parallel angeordnete Sensorzeilen vorgesehen sind, wobei von jeder Sensorzeile ein Teil des Untersuchungsobjektes abgetastet wird und die abgetasteten Bildteile zu einem lückenlosen Gesamtbild zusammengesetzt werden, wobei entweder die Sensorzeilen oder das Untersuchungsobjekt vor einer Strahlungsquelle quer zur Zeilenrichtung um eine definierte Distanz bewegt werden, wobei die Streustrahlung mittels Blenden, am Strahler und vor jeder Sensorzeile weitestgehend eliminiert wird.
• Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Trägerplatte mehrere Sensorzeilen parallel angeordnet sind und dass die Trägerplatte rechtwinklig zur Zeilenrichtung vor einer Röntgenquelle bewegbar ist, wobei eine Strahlerblende vor der Röntgenquelle angebracht ist, die soviel Schlitze aufweist, wie Sensorzeilen existieren, so , dass jeder Zeile ein Blendenschlitz zugeordnet ist.
• Röntgensensorzeilen bilden die Basis zur Lösung der Aufgabe. Ein Vorteil gegenüber großflächigen zweidimensionalen Sensoren ist 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 Bildgebung 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 Röntgensensorzeilen führt zu einer Optimierung von Streustrahlenreduktion, 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 Filmentwicklung 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 Röntgendiagnosesysteme
• Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
• 1 : den schematischen Aufbau einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung in Seitenansicht,
• 2 : die Darstellung des Prinzips der Entstehung von Streustrahlung bei der Durchstrahlung eines Objekts,
• 3 : die schematische Darstellung der Funktionsweise eines Kollimators zur Ausblendung von Streustrahlung und
• 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 (3) versehen sind, und einer Strahlblende 5, die an einer Strahlenquelle 4 angebracht ist (1).
• 1 zeigt einen schematischen Aufbau der Vorrichtung (Gerätes) in Seitenansicht und beschreibt das Aufnahmeprinzip:
  Die Sensorzeilen 1 sind im Abstand A zueinander auf einer Trägerplatte 2 montiert, die quer zur Zeilenrichtung beweglich 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.
• 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 (3).
• In 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 Primärstrahlendurchlässigkeit beträgt also 100 %. Eine zu Systemen mit Streustrahlenraster 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 röntgenempfindlicher Sensorelemente 9 (Pixel). Die Größe der einzelnen Sensorelemente 9 bestimmt die Auflösung der Aufnahmevorrichtung. Die Sensorelemente 9 können in Gruppen auf Trägerelementen 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 Röntgenstrahlung direkt in ein digitalisierbares Signal umgewandelt. Bei lichtempfindlichen Sensorelementen 9 wird vor den Sensorelementen 9 eine Szintillationsschicht angebracht. Diese Szintillationsschicht wandelt die Röntgenstrahlung 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.
• 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 Bilddaten. Ihre Programmierung erfolgt durch das Aufnahmegerät, z.B. einen PC, mit dem die aufgenommenen Bilddaten auch dargestellt, gespeichert und bearbeitet werden können.

1

Sensorzeile

2

Trägerplatte

3

Untersuchungsobjekt

4

Strahlenquelle

5

Strahlblende

6

Strahlenfächer

7

Primärstrahl

8

Streustrahl

9

Sensorelement

10

Kollimator

Claims (10)

1. Verfahren zur digitalen Aufnahme von Röntgenbildern von Objekten (3) mittels Röntgensensorzeilen (1), bestehend aus Sensorelementen (9), wobei zur Bildaufnahme die Sensorzeilen (1) 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, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildaufnahme mehrere parallel angeordnete Sensorzeilen (1) vorgesehen sind, wobei von jeder Sensorzeile (1) ein Teil des Untersuchungsobjektes (3) abgetastet wird und die abgetasteten Bildteile zu einem lückenlosen Gesamtbild zusammengesetzt werden, wobei entweder die Sensorzeilen (1) oder das Untersuchungsobjekt (3) vor einer Strahlungsquelle (4) quer zur Zeilenrichtung um eine definierte Distanz (A) bewegt werden, wobei die Streustrahlung mittels Blenden (5) am Strahler und vor jeder Sensorzeile (1) weitestgehend eliminiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildaufnahme entweder die Blende (5) am Strahler 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, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel angeordneten Sensorzeilen (1) gleichzeitig getaktet und ihre Bildinformation parallel analog ausgelesen und digitalisiert wird und die Übertragung der gewonnenen Bildinformation über eine Datenschnittstelle erfolgt, die bei n eingesetzten Sensorzeilen (1) eine n-fache Taktrate gegenüber der einzelnen Zeile (1) aufweist.
4. 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, wobei 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.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, 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 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzeilen (1) aus einzelnen Sensorelementen (9) aufgebaut sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzeilen (1) aus röntgenempfindlichen Sensorelementen (9) aufgebaut sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzeilen (1) aus lichtempfindlichen Sensorelementen (9) aufgebaut sind, denen eine Szintillationsschicht vorgesetzt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass zwischen Sensorelement (9) und Szintillationsschicht eine Fiberoptik angebracht ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Sensorelementen (9) ein schlitzförmiger Kollimator (10) zur Ausblendung von Streustrahlung (8) angebracht ist.