DE10160613A1

DE10160613A1 - Röhrenseitig modifiziertes bildgebendes Röntgengerät

Info

Publication number: DE10160613A1
Application number: DE10160613A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Heismann; Thomas Von Der Haar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2003-06-26
Also published as: US20030147502A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bildgebendes Röntgengerät zur Ermittlung von Bilddaten über die Verteilung physikalisch und chemisch relevanter Daten in Untersuchungsobjekten menschlicher oder tierischer Natur oder aus dem Bereich der Material- oder Sicherheitsprüfung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine röhrenseitige Modifikation konventioneller CT-Geräte, um diese für die sogenannte Zwei-Spektren-Methode aufzurüsten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bildgebendes Röntgengerät zur Ermittlung von Bilddaten über die Verteilung physikalisch und chemisch relevanter Daten in Untersuchungsobjekten menschlicher oder tierischer Natur oder aus dem Bereich der Material- oder Sicherheitsprüfung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine röhrenseitige Modifikation konventioneller CT-Geräte um diese für die sogenannte Zwei-Spektren-Methode aufzurüsten. Die Zwei-Spektren-Methode ermöglicht - wie im weiteren noch genauer erläutert wird - ein Auftrennen radiographischer Bilddaten in eine Verteilung der Materialdichte und eine Verteilung der Ordnungszahl im Untersuchungsobjekt.

Ergebnis aller radiographischen Verfahren, wie beispielsweise der Computer-Tomographie, der Mammographie, der Angiographie, der Röntgen-Inspektionstechnik oder vergleichbarer Verfahren, ist die Darstellung der Schwächung eines Röntgenstrahls entlang seines Weges von der Röntgenquelle zum Röntgendetektor. Diese Schwächung wird von den durchstrahlten Medien bzw. Materialien entlang des Strahlengangs verursacht. Die Schwächung wird üblicherweise als der Logarithmus des Verhältnisses der Intensität der geschwächten zur Primärstrahlung definiert und bezogen auf ein Wegnormal als Schwächungskoeffizient des Materials bezeichnet.

Eine Vielzahl radiographischer Untersuchungsgeräte verwendet zur Darstellung der Schwächungsverteilung eines Röntgenstrahls in einem Untersuchungsgegenstand statt des Schwächungskoeffizienten einen auf den Schwächungskoeffizienten von Wasser normierten Wert, die CT-Zahl. Diese berechnet sich aus einem aktuell durch Messung ermittelten Schwächungskoeffizienten µ und dem Referenz-Schwächungskoeffizienten µ_H ₂O nach folgender Gleichung:

mit der CT-Zahl C in der Einheit Hounsfield [HU]. Für Wasser ergibt sich ein Wert C_H ₂O = 0 HU und für Luft ein Wert C_L = -1000 HU.

Da beide Darstellungen ineinander transformierbar bzw. äquivalent sind, bezeichnet im folgenden der allgemein gewählte Begriff Schwächungswert sowohl den Schwächungskoeffizienten µ als auch den CT-Wert. Ferner werden im Sachzusammenhang dieser Erfindungsbeschreibung die Begriffe Material und Gewebe austauschbar verwendet. Es wird unterstellt, dass ein Material im Kontext einer medizinisch angezeigten Untersuchung ein anatomisches Gewebe sein kann, und umgekehrt unter Gewebe in der Material- und Sicherheitsprüfung ein beliebiges Material eines Untersuchungsobjekts zu verstehen ist.

Erhöhte Schwächungswerte lassen sich entweder auf Materialien höherer Ordnungszahl, wie beispielsweise Calcium im Skelett oder Jod in einem Kontrastmittel zurückführen, oder auf eine erhöhte Weichteildichte, wie etwa bei einem Lungenknoten. Der lokale Schwächungskoeffizient µ am Ort ≙ ist abhängig von der in das Gewebe bzw. Material eingestrahlten Röntgenenergie E und der lokalen Gewebe- bzw. Materialdichte ρ entsprechend der folgenden Gleichung:

mit dem energie- und materialabhängigen Massenschwächungskoeffizienten

Die energieabhängige Röntgenabsorption eines Materials, wie sie von seiner effektiven Ordnungszahl bestimmt wird, überlagert daher die von der Materialdichte beeinflusste Röntgenabsorption. Materialien bzw. Gewebe unterschiedlicher chemischer wie physikalischer Zusammensetzung können daher im Röntgenbild identische Schwächungswerte aufweisen. Umgekehrt kann dagegen aus dem Schwächungswert einer Röntgenaufnahme nicht auf die Materialzusammensetzung eines Untersuchungsobjekts geschlossen werden.

Eine korrekte Interpretation der somit eigentlich eher unanschaulichen Verteilung der Schwächungswerte in einem mit einem radiographischen Untersuchungsverfahren erstellten Röntgenbild kann im medizinischen Sektor meist nur aufgrund morphologischer Kriterien erfolgen und erfordert meist einen Radiologen mit jahrzehntelanger Erfahrung auf seinem Gebiet. Dennoch können in einigen Fällen Strukturen, die in der Bildgebung einer Röntgenuntersuchung mit erhöhten Schwächungswerten auffallen, nicht klar klassifiziert werden. Beispielsweise ist eine hilusnahe Verkalkung auf einer Thoraxübersichtsaufnahme nur schwer von einem Orthograd zur Bildebene liegenden Gefäß zu unterscheiden. Auch eine diffuse Kalkeinlagerung kann beispielsweise kaum von einer frischen Einblutung unterschieden werden.

Auch in der Material- und Sicherheitsprüfung ergänzt der Prüfer i. a. die Information der Darstellung einer Schwächungswert-Verteilung durch seine persönliche Fachkenntnis und berufliche Erfahrung. Dennoch ist ihm z. B. ein sicheres Unterscheiden einer kunststoffgebundenen Sprengstoffmischungen von einem nichtexplosiven Kunststoff direkt aus einem Röntgenbild nicht möglich.

Hierfür sind Verfahren zur Darstellung materialcharakteristischer Werte erforderlich. W. Kalender et. al beschreiben in "Materialselektive Bildgebung und Dichtemessung mit der Zwei- Spektren-Methode, I. Grundlagen und Methodik, W. Kalender, W. Bautz, D. Felsenberg, C. Süß und E. Klotz, Digit. Bilddiagn. 7, 1987, 66-77, Georg Thieme Verlag" ein Verfahren zur Basismaterialzerlegung bei Röntgenaufnahmen. Das Verfahren basiert auf dem Effekt, dass Materialien und Gewebe höherer Ordnungszahl niederenergetische Röntgenstrahlung deutlich stärker absorbieren als Materialien bzw. Gewebe niederer Ordnungszahl. Bei höheren Röntgenstrahlenergien gleichen sich dagegen die Schwächungswerte an und sind vorwiegend eine Funktion der Materialdichte.

Dieser Effekt ist im wesentlichen auf zwei physikalisch unterschiedliche Phänomene zurückzuführen: Einerseits auf Absorption der Röntgenstrahlung, die von der Energie und der Ordnungszahl des durchstrahlten Mediums abhängig ist (Photoeffekt), andererseits auf inkohärente Streuung die im wesentlichen von der Elektronendichte und damit von der physikalischen Dichte des durchstrahlten Mediums abhängig ist (Comptoneffekt).

Im Kontext dieser Beschreibung wird der Begriff Ordnungszahl, soweit nicht anders angegeben, nicht im strengen, elementbezogenen Sinn verwendet, sondern bezeichnet stattdessen eine effektive Ordnungszahl eines Gewebes, respektive Materials, die sich aus den chemischen Ordnungszahlen und Atomgewichten der am Aufbau des Gewebes bzw. Materials beteiligten Elemente berechnet.

Im von W. Kalender et. al vorgeschlagenen Verfahren werden die Röntgenschwächungswerte eines Untersuchungsobjekts mit Röntgenstrahlen niederer und höherer Energie gemessen und die erhaltenen Werte mit den entsprechenden Referenzwerten zweier Basismaterialien wie beispielsweise Calcium (für Skelettmaterial) und Wasser (für Weichteilgewebe) verglichen. Es wird angenommen, dass sich jeder Messwert als lineare Superposition der Messwerte der beiden Basismaterialien darstellen lässt. Zum Beispiel kann für jedes Element der bildlichen Darstellung des Untersuchungsobjekts aus dem Vergleich mit den Werten der Basismaterialien ein Skelettanteil und ein Weichgewebeanteil berechnet werden, so dass eine Transformation der ursprünglichen Aufnahmen in Darstellungen der beiden Basismaterialien Skelettmaterial und Weichteilgewebe resultiert.

Die Basismaterialzerlegung bzw. das Zwei-Spektren-Verfahren eignet sich damit zur Auftrennung bzw. Unterscheidung von anatomischen Strukturen in menschlichen und tierischen Geweben mit stark unterschiedlicher Ordnungszahl. In der Material- und Sicherheitsprüfung könnte damit beispielsweise eine Auftrennung nach vordefinierten Materialarten, sogenannten Materialklassen, erfolgen. Eine funktionelle Darstellung, die physikalische und chemische Charakteristiken der untersuchten Materialien bzw. Variationen dieser Charakteristiken innerhalb einer Materialart erkennen lässt, ist nicht Zielrichtung der Basismaterialzerlegung.

Um im Interesse der Zwei-Spektren-Methode Röntgenstrahlen niederer und höherer Energie quasigleichzeitig zu erzeugen - insbesondere in der Computer-Tomographie und in der funktionellen Bildgebung am lebenden Objekt ist aufgrund der Bewegung des Objektes (beispielsweise durch Atmung oder Herzbewegung) eine Quasi-Gleichzeitigkeit der beiden energetisch unterschiedlichen Röntgenstrahlen erforderlich um Störungen durch Patientenbewegung auszuschließen - werden gemäß dem Stand der Technik in der Regel zwei Verfahren eingesetzt:

1. Die Röhrenhochspannung wird gepulst betrieben, das heißt die kV-Werte werden von Puls zu Puls je nach Aufnahmemodus im Millisekundenbereich zwischen zwei unterschiedlichen Werten geschaltet.
2. Ebenso gut ist aber auch eine Detektorseitige Anpassung des Röntgengerätes zur Durchführung der Zwei-Spektren-Methode möglich. Da eine Röntgenröhre keine monoenergetische Strahlung sondern ein relativ breites Spektrum von Röntgenstrahlung emittiert, kann man in einem Messvorgang mehrere Aufnahmen bei unterschiedlichen Röntgenspektren erhalten indem man einen energiesensitiven Detektor verwendet. Dieser liefert für i. a. nebeneinander angeordnete Spektralbereiche getrennte Messsignale. Man erhält Schwächungswerte somit simultan für unterschiedliche, voneinander getrennte Spektralbereiche des Röntgenspektrums also in einem Aufnahmezyklus eine, von der Ausführungsform und Beschaltung des Detektors definierte Anzahl von Röntgenbildern bei unterschiedlichen Strahlenergien. Solche Detektoren können als Schichtaufbau-Detektoren realisiert werden, wobei ausgenutzt wird, dass die Eindringtiefe von Röntgenstrahlung in das Schichtsystem des Detektors von der Energie der Röntgenquanten bestimmt wird. Alternativ zu Schichtdetektoren können Quantenzähler als energiesensitive Detektoren verwendet werden.

Beide Methoden sind äußerst aufwendig, insbesondere die zweite Methode, die in Systemen in denen Röntgenquelle und Detektor um das zu untersuchende Objekt rotieren nicht integrierbar ist. Diese ist hauptsächlich geeignet für Flachbilddetektoren, die eine stehende Röhre aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Röntgenapparatur bereitzustellen, durch die ohne komplizierte Entwicklung der Röntgenröhre oder des Detektors auf einfache Weise mindestens zwei unterschiedliche Röntgenspektren realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Röntgenapparatur zur Ermittlung der Verteilungen von Dichte und Ordnungszahl in einem Untersuchungsobjekt mit einer Röntgenquelle zur Emission von Röntgenstrahlung, einem Röntgendetektor zum Nachweis der von der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlung und zum Umsetzen der Röntgenstrahlung in elektrische Signale für eine weitere Verarbeitung, und
einer Signalverarbeitungseinrichtung für das Verarbeiten der elektrischen Signale des Röntgendetektors. Dabei wird in den Strahlengang zwischen Röntgenquelle und dem zu untersuchenden Objekt ein zumindest zweiteiliger Filter eingebracht der den Strahlengang in zumindest zwei hinsichtlich ihrer Intensität jeweils unterschiedlichen Strahlengänge aufteilt.

Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung verläuft der Strahlengang zwischen Röntgenquelle und dem zu untersuchenden Objekt fächerförmig.

In dieser Anordnung ist es vorteilhaft, wenn der zweiteilige Filter so angeordnet ist, dass er den fächerförmigen Strahlengang in zwei Hälften teilt.

Es kann auch vorteilhaft sein, den zweiteiligen Filter so anzuordnen, dass er den fächerförmigen Strahlengang in zwei symmetrische Hälften teilt, die sich jedoch hinsichtlich ihrer Intensität bzw. ihrer spektralen Zusammensetzung unterscheiden.

Dabei ist es einerseits möglich, dass sich die beiden Teile des zweiteiligen Filters durch unterschiedliche Materialien unterscheiden.

Andererseits ist es möglich, dass sich die beiden Teile des zweiteiligen Filters durch unterschiedliche Dicken gleicher oder unterschiedlicher Materialien unterscheiden.

Als Filtermaterial sind Metalle wie Aluminium, Kupfer, Titan, Wolfram, etc. vorteilhaft.

Vorteilhafterweise wird zum Aufzeichnen einer ersten Verteilung einer Röntgenabsorption des Untersuchungsobjekts das Untersuchungsobjekt dem Strahlenfächer der erste Teil des Filters und zum Aufzeichnen einer zweiten Verteilung einer Röntgenabsorption des Untersuchungsobjekts das Untersuchungsobjekt dem Strahlengang des zweiten Teiles des Filters ausgesetzt.

Der im Zusammenhang dieser Schrift verwendete Begriff "Röntgenspektrum" besitzt eine weiter gefasste Bedeutung als nur die Spektralverteilung (das Spektrum) einer von der Röntgenquelle der Apparatur emittierten Röntgenstrahlung, die gleichzeitig durch eine ihr eigene Intensität charakterisiert ist. Auf Seiten der Röntgendetektoren werden unterschiedliche Spektralanteile einer Strahlung mit unterschiedlichen Wirkungsgraden umgesetzt und somit verschieden gewichtet. Die daraus resultierende effektive Spektralverteilung mit der ihr eigenen Intensität wird in dieser Schrift als Röntgenspektrum bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Berechnung der räumliche Verteilung der mittleren Dichte ρ( ≙) und der effektiven Ordnungszahl Z( ≙) aus einer Auswertung der spektral beeinflussten Messdaten einer Röntgenapparatur. Man erhält hierüber neuartige Kontraste, insbesondere bezüglich der chemischen und physikalischen Zusammensetzung des Untersuchungsobjekts. Diese, bislang Magnetresonanz-Systemen vorbehaltene funktionale Darstellung eines Untersuchungsobjekts eröffnet der Röntgendiagnostik wie der Röntgeninspektionstechnik eine Vielzahl neuer Anwendungen.

Beispielsweise erlaubt die Darstellung der Verteilung der Ordnungszahl im Gewebe u. a. Einblicke in die biochemische Zusammensetzung eines untersuchten Objekts, Kontraste aufgrund des chemischen Aufbaus in bisher dichtehomogen dargestellten Organen, eine quantitative Bestimmung von Körperbestandteilen wie z. B. Jod oder dergleichen und ein Heraussegmentieren von Calcifizierungen basierend auf der Ordnungszahl. Die isolierte Dichtedarstellung eines Objekts gestattet eine genaue Schwerpunktbestimmung und Dichtevermessung von Objekten, wie sie u. a. beispielsweise bei Osteoporose vorgenommen werden.

Im Bereich der Sicherheitstechnik bedeutet dies eine zuverlässigere Detektierbarkeit gefährlicher Komponenten, insbesondere von Explosivstoffen. In der Materialprüfung eröffnet sich der Zugang zur quantitativen Untersuchung der Materialzusammensetzung und der Dichteverteilung in den Prüflingen.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei auf folgende Figuren verwiesen wird, von denen
Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemäßes CT-Gerät zeigt,
Fig. 2a und 2b schematisch die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Zweispektren-Filters zeigen,
Fig. 3 anhand einer Isoabsorptionslinie das Zustandekommen identischer Schwächungswerte µ bei Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung zeigt,
Fig. 4 die Energieabhängigkeit der Röntgenschwächung für drei Elemente zeigt, und
Fig. 5 zwei Isoabsorptionslinien einer Gewebeart bei zwei unterschiedlichen Röntgenstrahlspektren zeigt.
Die Isoabsorptionslinie 14 des Diagramms 15 der Fig. 3 verbindet alle Wertepaare (ρ, Z) mit bei einem definierten Röntgenstrahlspektrum identischem Schwächungswert µ bzw. C. Die Darstellung der Fig. 3 verdeutlicht, dass Information über Art und Zusammensetzung eines Gewebes bzw. Materials nicht allein auf die Schwächungswerte eines Röntgenbildes gestützt abgeleitet werden können. Üblicherweise benutzt ein Radiologe zum Identifizieren von Gewebearten im Röntgenbild seine Anatomiekenntnisse und sucht auf dieser Basis nach Unregelmäßigkeiten. Zur Klärung der Identität der Unregelmäßigkeiten ist ein Mediziner dann wiederum gezwungen auf Erfahrungswerte und morphologische Kriterien zurückgreifen. Ähnlich stützt sich ein Fachmann der Material- uns Sicherheitsprüfung zur Beurteilung des radiographischen Befunds auf seinen beruflichen Erfahrungsschatz.
Röntgenstrahlung wird von unterschiedlichen Materialien und abhängig von der Energie der Röntgenstrahlung unterschiedlich stark geschwächt. Die Fig. 4 illustriert dies anhand der Energieabhängigkeit 20 des Massenschwächungskoeffizienten für Wasser 17, Calcium 18 und Jod 19. Dies ist auf unterschiedlich wirkende Schwächungsmechanismen bei den verschiedenen Materialien zurückzuführen. Im diagnostisch relevanten Energiebereich der Röntgenstrahlung ist die Röntgenschwächung im wesentlichen auf die Absorption, verursacht durch den Photoeffekt und die, auf dem Comptoneffekt beruhende Streuung zurückzuführen. Die Absorption ist insbesondere bei niedriger Energie der Röntgenstrahlung und bei Geweben mit hoher Ordnungszahl relevant. Die Streuung weist eine geringe Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung auf und ist im wesentlichen von der Elektronendichte, vermittelt über die physikalischen Dichte des Gewebes, abhängig.
Die im Kontext dieser Beschreibung vereinfacht als Ordnungszahl titulierte effektive Ordnungszahl Z einer bestimmten Gewebeart errechnet sich aus den Ordnungszahlen Z_i der am Aufbau beteiligten Elemente, deren Atomgewichte A_i und deren lokalen materialäquivalenten Dichten ρ_i beispielsweise zu:
Für reines Calcium erhält man Z_Ca = 20, für Calciumhydrid ca. Z_CaH ₂ ∼ 16,04 und für Wasser etwa Z_H ₂O ∼ 7,428. Die chemische oder auch biochemische Zusammensetzung eines Objekts kann daher sehr gut über die Ordnungszahl Z erfasst werden.
Voraussetzung für eine Berechnung der Ordnungszahl- und Dichteverteilung in einem Untersuchungsgebiet sind zumindest zwei, in der Aufnahmegeometrie identische, aber mit unterschiedlicher Energie der angewandten Röntgenstrahlung erstellte Röntgenaufnahmen des Gebiets. Bei Verwendung von mehr als zwei mit unterschiedlicher Röntgenstrahlenergie aufgezeichneten Röntgenaufnahmen können die Z- und ρ-Auflösung verbessert werden, doch erhöht sich dadurch auch die Strahlenbelastung. Im Falle der Untersuchung eines Patienten ist diese Möglichkeit daher nicht immer gegeben.
Ausgangspunkt der Umwandlung von Schwächungswert basierenden Bilddaten in Verteilungsbilder der Ordnungszahlen und der Material- bzw. Gewebedichte ist die Kenntnis der Isoabsorptionslinien für jedes Röntgenspektrum einer Röntgenapparatur, definiert durch das röhrenseitige Röntgenemissionsspektrum S(E) sowie der detektorseitigen Detektorapparatefunktion w(E). Letztere liefert eine mathematische Beschreibung des Detektortyps.
Wie bereits erwähnt, ist hierbei unter Röntgenspektrum nicht der eng gefasste Begriff der Spektralverteilung einer von der Röntgenquelle der Apparatur emittierten Röntgenstrahlung zu verstehen, sondern ein erweiterter Begriff, der die unterschiedliche Gewichtung unterschiedlicher Spektralbereiche des Emissionsspektrums der Röntgenröhre auf Seiten der Röntgendetektoren berücksichtigt. Ein gemessener Schwächungswert ergibt sich daher aus der direkten Schwächung des von der Röntgenröhre emittierten Strahlenspektrums und dem spektralen Wirkungsgrad des verwendeten Röntgendetektors. Beide Werte sind anlagenspezifische Größen und müssen entweder direkt oder indirekt mittels der Schwächungswerte von Eichproben ermittelt werden. Sie sind die Grundlage zur Berechnung der Isoabsorptionslinien.
Prinzipiell sind so viele Isoabsorptionslinien zu bestimmen, wie Schwächungswerte zum Abdecken der Spanne von Röntgenschwächungen in den Röntgenaufnahmen erforderlich sind. Dabei ist nicht für jeden theoretisch auftretenden Schwächungswert eine Isoabsorptionslinie zu berechnen; nicht errechnete Isoabsorptionslinien können bei Bedarf durch Interpolation oder andere geeignete Mittelungsverfahren verfügbar gemacht werden.
Es gibt verschiedene Methoden um die Isoabsorptionslinien in Form von Kurvenscharen C_i(ρ, Z) bzw. µ_i(ρ, Z) zu bestimmen. Sie können beispielsweise auf der Basis eines physikalischen Modells berechnet werden, das für jede relevante Kombination von S(E) und w(E) die Röntgenschwächungen C_i bzw. µ_i für Materialien mit unterschiedlichen Ordnungszahlen und bei unterschiedlichen Materialdichten nachbildet. Ebenso ist mittels Eichmaterialien eine experimentelle Bestimmung möglich.
Mit der Ermittlung der Isoabsorptionslinien für die erforderlichen Röntgenschwächungswerte und Kombinationen von S(E) und w(E) sind die Voraussetzungen für eine Transformation von Bilddaten, die Schwächungswerte der Röntgenstrahlung beim Durchgang durch ein Gewebe repräsentieren in Bilddaten, die eine Verteilung der Ordnungszahl bzw. der Materialdichte im entsprechenden Gewebe repräsentieren geschaffen.
Die Transformation stützt sich auf die zuvor ermittelten und als Datensatz bereitgehaltenen Kurvenscharen von Isoabsorptionslinien.
Eine Transformation erfolgt bildelementweise. Im folgenden wird von einer Transformation einer Röntgenschwächungswertverteilung basierend auf zwei sich hinsichtlich ihrer Energie unterscheidenden Röntgenemissionsspektren aber identischer Aufnahmegeometrie aufgenommen Röntgenbildern ausgegangen. Dies ist die minimale Voraussetzung für eine Durchführung einer erfindungsgemäßen Transformation. Jedoch können auch mehr als zwei Röntgenaufnahmen bei mehr als zwei unterschiedlichen Energieverteilungen der Röntgenstrahlung - wie später erläutert beispielsweise erzeugt durch einen mehrteiligen Filter - Verwendung finden.
Um ein ausgewähltes Bildelement zu transformieren werden die Schwächungswerte C₁ bzw. µ₁ für dieses Bildelement aus dem ersten mit dem Röntgenstrahlspektrums S₁(E) und der Detektorapparatefunktionen w₁(E) aufgenommenen Röntgenbild und C₂ bzw. µ₂ aus dem mit S₂(E) und w₂(E) aufgenommenen zweiten Röntgenbild ermittelt (Bei mehr als zwei Spektren sind es jeweils die entsprechenden S(E)- und w(E)-Werte). Die Werte S₁(E), S₂(E), w₁(E) und w₂(E) bilden die Parameter für eine nachfolgende Auswahl der den jeweiligen Schwächungswerten zuzuordnenden Isoabsorptionslinien. Wie bereits erwähnt ist jedes Röntgenstrahlspektrum S(E) durch seine spezielle Intensität charakterisiert.
Die erste ermittelte Isoabsorptionslinie ist eine Kurve, welche die Bedingungen C₁ bzw. µ₁ bei den Parametern S₁(E) und w₁(E) erfüllt und die zweite ermittelte Isoabsorptionslinie ist eine Kurve, welche die Bedingungen C₂ bzw. µ₂ bei den Parametern S₂(E) und w₂(E) erfüllt. Ein Beispiel einer dergestalt erhaltenen ersten 21 und zweiten 22 Isoabsorptionslinie ist im Diagramm 20 der Fig. 5 dargestellt.
Im Rahmen des Transformationsverfahrens wird nun der Schnittpunkt 23 als Schnittmenge beider Kurven 21 und 22 berechnet. Der Kurvenschnitt 23 lässt sich z. B. durch eine lokale lineare Transformation oder mittels iterativer Schnittpunktfindung ermitteln. Da die beiden Kurven 21 und 22 zwei unterschiedliche Schwächungswerte für das selbe Bildelement und daher für einen identischen Teilbereich eines untersuchten Gewebes repräsentieren, müssen beide Schwächungswerte von der selben Material- bzw. Gewebeart verursacht sein. Die Koordinaten (ρ, Z) des Kurvenschnittpunkts 23 geben daher die Materialdichte und die Ordnungszahl des dem Bildelement zuzuordnenden Gewebeteilbereichs wieder.
Der so ermittelte Ordnungszahlwert Z wird als entsprechender Bildelementwert in die Ordnungszahlverteilung geschrieben, analog der ermittelte Materialdichtewert ρ in die Dichteverteilung. Dies wird für alle Bildpunkte eines Röntgenbildes durchgeführt.
Generell erhält man bei Röntgenspektren relativ niedriger Energie eine Bevorzugung der Röntgenschwächung durch den Photoeffekt, bei Röntgenspektren relativ höherer Energie eine Bevorzugung der Röntgenschwächung durch den Comptoneffekt. Genauer ausgedrückt ist der Einfluss der Ordnungszahl auf die Röntgenschwächungswerte einer Aufnahme bei geringerer Röntgenenergie relativ größer als bei höherer Röntgenenergie. Der Einfluss einer Material- bzw. Gewebedichte auf die Röntgenschwächungswerte verhält sich dagegen genau umgekehrt. Vorteilhaft wird daher zunächst ein erstes Röntgenspektrum so gewählt, dass ein deutlicher Anteil an den ersten Röntgenschwächungswerten vom Einfluss der Ordnungszahlen des untersuchten Gewebes oder Materials herrührt und ein zweites Röntgenspektrum wird dann so gewählt, dass die Dichten des Untersuchungsobjekts einen deutlichen Einfluss auf die zweiten Röntgenschwächungswerte nehmen.
Für die Computertomographie (CT) werden daher die Energien der Röntgenstrahlspektren so gewählt, dass ein ausreichender Energieabstand zwischen einem ersten und einem zweiten Röntgenspektrum vorhanden ist ohne die Röntgendosis in für Patienten schädliche Bereiche erhöhen zu müssen.
Erfindungsgemäß wird dies durch einen zwei- oder mehrteiligen Filter realisiert, der zwischen Patient und Röntgenröhre in den Röntgenstrahl eingebracht wird und somit das Röntgenröhrenspektrum hinsichtlich seiner Energie in Zeilenrichtung des CT-Systems aufhärtet.
In Fig. 1 ist schematisch ein CT-Gerät dargestellt, in das gemäß der Erfindung zwischen dem zu untersuchendem Objekt 3 und Röntgenröhre 1 ein zweiteiliger Filter 9 eingebracht ist. Bei diesem Gerät rotieren Röntgen-Röhre 1 und Strahlenempfänger 2 (Detektoren) gemeinsam um eine Drehmitte, die auch Mitte des kreisförmigen Messfeldes 5 ist, und in der sich der zu untersuchende Patient 3 auf einer Patientenliege 4 befindet. Um verschiedene parallele Ebenen des Patienten 3 untersuchen zu können, kann die Patientenliege entlang der Körperlängsachse verschoben werden. Wie man aus der Zeichnung erkennen kann, ergeben sich bei CT-Aufnahmen Transversalschnittbilder, also Abbildungen von Körperschichten, die im wesentlichen senkrecht zur Körperachse orientiert sind. Diese Schichtdarstellungsmethode stellt die Verteilung des Schwächungswertes µ_z(x, y) selbst dar (z ist die Position αuf der Körperlängsachse). Die Computer-Tomographie (im folgenden CT genannt) benötigt Projektionen unter sehr vielen Winkeln α. Zur Erzeugung einer Schichtaufnahme wird der von der Röntgenröhre 1 emittierte Strahlenkegel so ausgeblendet, dass ein ebener Strahlenfächer entsteht, der eindimensionale Zentralprojektionen der durchstrahlten Schicht entwirft. Zur exakten Rekonstruktion der Verteilung der Schwächungswerte µ_z(x, y) muss dieser Strahlenfächer senkrecht auf der Drehachse stehen und außerdem so weit gespreizt sein, dass er aus jeder Projektionsrichtung α die anvisierte Schicht des Messobjektes vollständig überdeckt. Dieser das Objekt durchdringende Strahlenfächer wird von Detektoren die auf einem Kreissegment linear angeordnet sind aufgefangen. Bei handelsüblichen Geräten sind dies bis zu 1000 Detektoren. Der einzelne Detektor reagiert auf die eintreffenden Strahlen mit elektrischen Signalen, deren Amplitude proportional zur Intensität dieser Strahlen ist.
Jedes einzelne zu einer Projektion α gehörige Detektorsignal wird jeweils von einer Messelektronik 7 aufgenommen und an einen Computer 8 weitergeleitet. Mit dem Computer 8 lassen sich die gemessenen Daten nun in geeigneter Weise verarbeiten und zunächst in Form eines Sinugramms (in dem die Projektion α als Funktion der Messwerte des entsprechenden Kanals β aufgetragen wird) in sogenannten Gordon-Einheiten, schließlich aber in Form eines natürlichen Röntgenbildes in Hounsfield-Einheiten an einem Monitor 6 visualisieren.
Der Filter 9 teilt aufgrund seiner Beschaffenheit - auf die später noch im einzelnen eingegangen wird - den Fächerstrahl 13 in zwei symmetrische Hälften jenseits der Mittellinie 12. Der Filter 9 ist starr mit der Röntgenröhre 1 bzw. deren Haltevorrichtung verbunden, so dass sich die physikalische Beschaffenheit des Strahlenfächers zwischen Röntgenröhre und dem zu untersuchenden Objekt 3 während der Drehung von Röntgenröhre 1, Filter 9 und Detektor 2 in der Ebene 5 nicht ändert.
In Fig. 2a ist schematisch dargestellt, wie der zweiteilige Filter 9, der durch eine Haltevorrichtung 14 starr mit der Röntgenröhre 1 verbunden ist, den durch die Röntgenröhre 1 erzeugten Strahlenfächer 13 in zwei Strahlenfächer unterschiedlicher Intensitäten S₁(E) und S₂(E) teilt. Dabei soll die Dichte der Verbindungslinien zwischen der Röntgenröhre 1 und dem Detektor 2 die Intensität der Strahlenfächer widerspiegeln.
Fig. 2b zeigt noch einmal vergrößert den Filter 9, dessen unterschiedliche Hälften 10 und 11 unterschiedliche Dicken d₁ und d₂ aufweisen. Die Dicken liegen typischerweise im Bereich von 0,1 bis 1 mm. Ebenso können beide Hälften 10 und 11 aus unterschiedlichem Material bestehen. Als Filtermaterial wird an Metalle wie Aluminium, Kupfer, Titan, Wolfram, usw. gedacht. Weitere Varianten sind Schichtaufbauten aus mehr als einem Material, z. B. 0,2 mm Ti + 0,8 mm Cu für den ersten Filter 10 sowie 0,4 mm Al + 0,2 mm W für den zweiten Filter 11. So können die Röntgenspektren S₁(E) und S₂(E) in weiten Grenzen den Erfordernissen der jeweiligen Untersuchung angepasst und auf möglichst hohe Unterschiedlichkeit hin ausgestaltet werden.
Der Einsatz des Filters vor dem Patienten hat einerseits den Vorteil, dass der Patient insgesamt einer geringeren Röntgendosis ausgesetzt wird als bei bekannten detektorseitigen Modifikationen zu energieauflösenden Messungen. Andererseits ist der erfindungsgemäße Zweispektrenfilter in ein konventionelles CT-System einfach zu integrieren, da schon jetzt zur Untersuchung bestimmter Körperbereiche des Patienten umschaltbare Filter (z. B. 0,6 und 1,2 mm Titan) verwendet werden.
Äquivalent zur Zwei-Spektren-Methode mit gepulsten Röhren wird im Spiralbetrieb des CT-Systems durch den Einsatz eines solchen Zwei-Spektren-Filters das Untersuchungsobjekt (z. B. der Patient) mit zwei unterschiedlichen Röhrenspektren vollständig gescannt. Vorraussetzung für eine gleichwertige Auflösung in Z-Richtung (Längsachse des Patienten) - bei gleicher Detektor-φ-Auflösung (radiale Auflösung) - ist allerdings ein verlangsamter Tischvorschub (Pitch) der entsprechend einzustellen ist.

Claims

1. Röntgenapparatur zur Ermittlung der Verteilungen von Dichte und Ordnungszahl in einem Untersuchungsobjekt mit
einer Röntgenquelle (1) zur Emission von Röntgenstrahlung (13),
einem Röntgendetektor (2) zum Nachweis der von der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlung (13) und zum Umsetzen der Röntgenstrahlung (13) in elektrische Signale für eine weitere Verarbeitung, und
einer Signalverarbeitungseinrichtung (7; 8) für das Verarbeiten der elektrischen Signale des Röntgendetektors (2)
dadurch gekennzeichnet,
dass in den Strahlengang (13) zwischen Röntgenquelle (1) und dem zu untersuchenden Objekt (3) ein zumindest zweiteiliger Filter (9) eingebracht ist der den Strahlengang (13) in zumindest zwei hinsichtlich ihrer Intensität jeweils unterschiedliche Strahlengänge aufteilt.

2. Röntgenapparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang (13) zwischen Röntgenquelle (1) und dem zu untersuchenden Objekt (3) fächerförmig verläuft.

3. Röntgenapparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiteilige Filter (9) so angeordnet ist, dass er den fächerförmigen Strahlengang (13) in zwei Hälften teilt.

4. Röntgenapparatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiteilige Filter (9) so angeordnet ist, dass er den fächerförmigen Strahlengang (13) in zwei symmetrische Hälften teilt, die sich jedoch hinsichtlich ihrer Intensität unterscheiden.

5. Röntgenapparatur nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Teile (10; 11) des zweiteiligen Filters (9) durch unterschiedliche Materialien unterscheiden.

6. Röntgenapparatur nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Teile (10; 11) des zweiteiligen Filters (9) durch unterschiedliche Dicken gleicher oder unterschiedlicher Materialien unterscheiden.

7. Röntgenapparatur nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Filtermaterial Metalle wie Aluminium, Kupfer, Titan, Wolfram, etc. verwendet sind.

8. Röntgenapparatur nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufzeichnen einer ersten Verteilung einer Röntgenabsorption des Untersuchungsobjekts (3) das Untersuchungsobjekt (3) dem Strahlenfächer (13) der erste Teil des Filters (10) und zum Aufzeichnen einer zweiten Verteilung einer Röntgenabsorption des Untersuchungsobjekts (3) das Untersuchungsobjekt (3) dem Strahlengang des zweiten Teiles des Filters (11) ausgesetzt ist.