DE102004027092A1 - Bildgebendes CT-System mit einer Röntgenstrahlquelle mit mehreren Scheitelwerten - Google Patents

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Abstract

Eine Röntgenstrahlquelle (32) zur Ausführung einer Energiediskriminierung in einem bildgebenden System weist eine Elektronen emittierende Katodenemissionsvorrichtung (82) und eine Anode (81) auf, die ein Target (80) hat, auf das die Elektronen zur Erzeugung eines Röntgenstrahls (93) mit mehreren Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerten (116, 118) auftreffen. Ein Verfahren zur Ausführung der Energiediskriminierung in dem bildgebenden System (10) beinhaltet das Emittieren der Elektronen. Der Röntgenstrahl (93) mit den Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerten (116, 120) wird erzeugt. Der Röntgenstrahl (93) wird durch ein Objekt (40) durchgeleitet und empfangen. Ein Röntgenbild mit mehreren voneinander unterscheidbaren Energiekennwerten wird in Abhängigkeit von dem Röntgenstrahl (93) erzeugt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein bildgebende Mehrschicht-Computertomographie(CT)-Systeme und mehr im Einzelnen ein System und ein Verfahren, um eine Energiediskrimination in denselben vorzunehmen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei der Computertomographie(CT) werden bildgebende Teile eines Patienten gescannt, und die Dichten von in diesen enthaltenen Materialien werden zu verschiedenen Diagnose- und Beurteilungszwecken bestimmt. Ein fortwährendes Bestreben geht dahin, die Scanmöglichkeiten von bildgebenden CT-Systemen zu vergrößern. Insbesondere wird bei der CT-Bildgabe angestrebt, nicht nur die Dichte von gescannten Materialien bestimmen zu können, sondern auch zwischen Materialien oder Kombinationen von Materialien unterscheiden zu können, die ähnliche Dichten aufweisen.
  • So kann z.B. bei bestimmten Testverfahren Jodid in den Blutstrom eines Patienten injiziert werden, um dadurch die Sichtbarkeit von Blut zu verbessern und Blut von anderen Geweben oder unerwünschten Ablagerungen in einem Gefäß oder Organ besser unterscheiden zu können. Die Kombination von Jodid und Wasser oder Blut, das hauptsächlich aus Wasser besteht, und einer Kombination von Kalziumablagerungen und weichem Gewebe zeigen ähnliche Materialdichten, die eine schlechte Ortsauflösung und eine geringe Kontrastauflösung zwischen den einzelnen Kombinationen ergeben und im Wesentlichen gleiche entsprechende Helligkeitswerte bei Betrachtung durch einen Arzt haben. Kalziumablagerungen auf der inneren Auskleidung von Blutgefäßwänden sind unerwünscht. Wegen der Schwierigkeit der Unterscheidung zwischen den Helligkeitswerten von rekonstruieren CT-Bildern der angegebenen Kombinationen kann es für den Arzt aber schwierig sein zu bestimmen, ob eine Kalziumablagerung in den Blutgefäßen des Patienten vorliegt.
  • Bezugnehmend auf 1 ist dort eine Querschnittsdarstellung einer gebräuchlichen CT-Röhrenanordnung 10 veranschaulicht. Bildgebende CT-Systeme beinhalten eine Gantry, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten umläuft, um ein 360°-Bild zu erzeugen. Die Gantry enthält die CT-Röhrenanordnung 10, die über einen Vakuumabstand 12 zwischen einer einzigen Katode 14 und einer Anode 16 Röntgenstrahlen erzeugt. Um die Röntgenstrahlen zu erzeugen, wird über den Vakuumabstand 12 ein großes Spannungspotential erzeugt, das es ermöglicht, dass Elektronen in Gestalt eines Elektronenstrahls von der Katode 14 zu einem einzigen Target 18 auf der Anode 16 emittiert werden. Zum Freisetzen der Elektronen wird eine in der Katode 14 enthaltene Wicklung durch einen durchfließenden elektrischen Strom auf Weißglut erhitzt. Die Elektronen wurden durch das Hochspannungspotential beschleunigt und treffen auf das Target 18 auf, wodurch sie abrupt abgebremst werden, so dass sie eine Röntgenstrahlung aussenden und einen Röntgenstrahl erzeugen, der durch ein CT-Röhrenfenster 20 durchgeht.
  • Nach dem Durchgang durch das CT-Röhrenfenster 20 wird der Röntgenstrahl durch ein Einzelfilter 22 gefiltert. Das Filter 22 reduziert die Zahl der niederenergetischen Röntgenstrahlanteile mit Energieniveaus, die unter einem vorbestimmten Energieniveau liegen, um so die Röntgenstrahlbelastung eines Patienten zu verringern. Ein Beispiel eines vor-dem-Patienten Energiespektrumdiagramms der Zahl von Röntgenstrahlen (Photonenflussdichte) in Abhängigkeit von dem jeweils entsprechenden Energieniveau ist in 2 dargestellt. Eine Spektrumkennlinie 24 hinter dem Filter liegt über einer angenäherten Spektrumkennlinie 26 vor dem Filter. Zu beachten ist, dass die Spektrumkennlinie 24 lediglich einen einzigen Maximalwert aufweist und dass die Zahl der Röntgenstrahlen, die Energieniveaus unterhalb von 40 KeV entsprechen, wegen der Absorption durch das Filter 22 deutlich verringert ist.
  • Die Röntgenstrahlen hinter dem Filter gehen durch einen Teil des Patienten durch und werden von einem Röntgenstrahldetektor-Array erfasst. Beim Durchgang der Röntgenstrahlen durch den Patienten werden die Röntgenstrahlen vor dem Auftreffen auf dem Detektorarray geschwächt. Von dem Röntgenstrahldetektor werden Röntgenstrahlschwächungsmesswerte entsprechend der jeweiligen elektrischen Signalantwort erzeugt, die von den empfangenen Röntgenstrahlen hervorgerufen wird, welche, abhängig von ihrer Schwächung, unterschiedliche Energieniveaus aufweisen. In Abhängigkeit von den Schwächungsmessungen wird ein Röntgenbild rekonstruiert.
  • Das Röntgenstrahldetektor-Array erzeugt in Abhängigkeit von dem einen einzigen Maximalwert aufweisenden Energiespektrum ein Röntgenstrahlsignal. Eine Anzahl von dem Detektor empfangender Röntgenstrahlen wird über die durchschnittliche Fläche des Detektors und über ein Betrachtungszeitintervall integriert, um so ein integriertes Signal zu erzeugen. Das integrierte Signal steht in unmittelbarer Beziehung zu Dichten von gescannten Materialien des Patienten. Wie an sich bekannt, ist es schwierig, aus dem sich ergebenden Energiespektrum und aus Integrationskenndaten zwischen ähnlichen Materialdichten zu unterscheiden.
  • Es besteht deshalb der Wunsch, ein CT-System mit Energiediskriminierung zu schaffen, das zwischen verschiedenen gescannten Materialien und verschiedenen gescannten Materialkombinationen unterscheidet, um damit die Brauchbarkeit und die Einsatzfähigkeit des CT-Scannens zu verbessern. Außerdem wäre es bei einem CT-System erwünscht, mit Genauigkeit und Klarheit eine Energiediskriminierung ohne erhöhte Röntgenstrahlbelastung eines Patienten durchführen zu können.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein System und ein Verfahren zur Durchführung einer Energiediskriminierung in einem bildgebenden System. Es ist eine Röntgenstrahlquelle zur Ausführung einer Energiediskriminierung in einem bildgebenden System vorgesehen, die eine Emissionsvorrichtung und eine Anode beinhaltet, die ein Target aufweist, auf das die Elektronen auftreffen, um einen Röntgenstrahl mit mehreren Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerten(x-ray quantity engery peaks) zu erzeugen.
  • Außerdem wird ein Verfahren zur Durchführung einer Energiediskrimination in dem bildgebenden System geschaffen, das das Emittieren der Elektronen beinhaltet. Der Röntgenstrahl wird mit den Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerten erzeugt. Der Röntgenstrahl wird durch ein Objekt durchgeleitet und empfangen. In Abhängigkeit von dem Röntgenstrahl wird ein Röntgenstrahlbild erzeugt, das mehrere voneinander unterscheidbare Energiekennwerte aufweist.
  • Einer von mehreren Vorteilen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie ein System schafft, das eine Energiediskrimination vornehmen kann und es auf diese Weise einem Arzt erlaubt, zwischen Materialien und Materialkombinationen mit ähnlichen Dichten zu unterscheiden. Damit schafft die vorliegende Erfindung eine erhöhte Informationsausbeute für verbesserte Diagnose-, Untersuchungs-, Test- und Beurteilungszwecke. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sie eine bessere Orts- und Niedrigkontrastauflösung zwischen verschiedenen Materialien ergibt, wodurch die Unterscheidung zwischen gescannten Materialien weiter erleichtert wird.
  • Schließlich liefert die vorliegende Erfindung eine Energiediskriminierung, wobei sie gleichzeitig die Röntgenstrahlbelastung eines Patienten auf ein Minimum reduziert.
  • Die vorliegende Erfindung ist zusammen mit den sich aus ihr ergebenden Vorteilen anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren besonders gut zu verstehen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Zum genaueren Verständnis der Erfindung wird nun auf die Ausführungsformen Bezug genommen, die in größerem Detail in den beigefügten Figuren dargestellt und als Ausführungsbeispiele der Erfindung im Nachfolgenden beschrieben sind, wobei:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer gebräuchlichen CT-Röhrenanordnung ist;
  • 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines vor-dem-Patienten Energiespektrums für die CT-Röhrenanordnung nach 1 ist;
  • 3 eine perspektivische Darstellung eines bildgebenden CT-Systems ist, das eine Röntgenstrahlquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
  • 4 eine schematische Querschnittsnahansicht eines bildgebenden CT-Systems ist, das ein Energiediskriminierungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 5 eine schematische Querschnittsnahansicht eines Energiediskriminierungssystems mit einem einzigen Anodentarget gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 eine schematische Querschnittsnahansicht eines Energiediskriminierungssystems mit einem Doppelanodentarget gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
  • 7 ein logisches Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur Durchführung der Energiediskriminierung bei einem bildgebenden System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 8 ein vor-dem-Patienten Energiespektrumsdiagramm für eine Röntgenstrahlquelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Bei jeder der nachfolgenden Figuren werden zur Bezeichnung gleicher Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet. Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ein System und ein Verfahren zur Durchführung einer Energiediskriminierung bei einem bildgebenden Computertomographie(CT)-System beschrieben wird, so können die unten erläuterten Vorrichtungen und Verfahren doch auch für verschiedenfältige Zwecke eingesetzt werden und sind keineswegs auf die folgenden Anwendungen beschränkt: MRI-Systeme, CT-Systeme, Radiotherapiesysteme, bildgebende Röntgensysteme, Ultraschallsysteme, nukleare bildgebende Systeme, Magnetresonanzspektroskopiesysteme und andere auf dem Fachgebiet bekannte Anwendungen.
  • In der nachfolgenden Beschreibung werden für eine hergestellte Ausführungsform verschiedene Betriebsparameter und Komponenten beschrieben. Diese speziellen Parameter und Komponenten sind jedoch lediglich beispielhaft angegeben und sollen nicht beschränkend zu verstehen sein.
  • Außerdem bezieht sich in der nachfolgenden Beschreibung der Ausdruck „Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwert" auf die allgemeine Gestalt eines Energiespektrumdiagramms und die darin enthaltenen Scheitelwerte (peaks). Ein Energiespektrumdiagramm ist dabei ein Diagramm von Röntgenstrahlenergieniveaus und einer jeweils entsprechenden Zahl von Röntgenstrahlen für jedes Energieniveau. Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerte beziehen sich nicht auf sporadische Zacken oder kleinere oder andere unbedeutende Größen, die in dem Energiediagramm auftreten oder vorhanden sein können. Für eine weitere detaillierte Erläuterung wird auf die Beschreibung zu 8 Bezug genommen.
  • Bezugnehmend nun auf 3 ist dort eine perspektivische Darstellung eines bildgebenden CT-Systems 30 veran schaulicht, das eine Röntgenstrahlquelle 32 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Das bildgebende System 30 weist eine Gantry 34 auf, die über ein umlaufendes Innenteil 36 verfügt, das die Röntgenstrahlquelle 32 und einen energiedifferenzierenden Detektor 40 enthält. Die Röntgenstrahlquelle 32 projiziert auf den Detektor 40 ein Strahlenbündel von Röntgenstrahlen, die mehrere Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerte aufweisen. Die Quelle 32 und der Detektor 40 laufen um einen betriebsmäßig verschiebbaren Tisch 42 um. Der Tisch 42 wird längs einer Z-Achse zwischen der Quelle 32 und dem Detektor 40 so längs verschoben, dass ein Spiralscan durchgeführt wird. Nach dem Durchgang durch einen medizinischen Patienten 44 in einem Patiententunnel 46 wird der Strahl von dem Detektor 40 erfasst, um Projektionsdaten zu erzeugen, die zur Herstellung eines CT-Bildes verwendet werden.
  • Bezugnehmend nun auf 4 ist dort eine schematische blockbildartige Querschnittsnahaufnahme des bildgebende Systems 30 veranschaulicht, das ein Energiediskriminierungssystem 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Energiediskriminierungssystem 50 beinhaltet die Quelle 32, den Detektor 40 und eine Röntgenstrahlsteuervorrichtung 52.
  • Generell laufen die Quelle 32 und der Detektor 40 im Betrieb um eine Mittelachse 53 um. Der Strahl 54 wird von einer Vielzahl von Detektorelementen 56 empfangen. Jedes Detektorelement 56 erzeugt ein elektrisches Signal, das der Intensität des jeweils auftreffenden Röntgenstrahls 54 entspricht. Beim Durchgang durch den Patienten 44 wird der Röntgenstrahl 54 geschwächt. Die Umlaufbewegung des Innenteils 36 und der Betrieb der Quelle 32 sind durch einen Steuermechanismus 58 gesteuert. Der Steuermechanismus 58 enthält die Röntgenstrahlsteuervorrichtung 52, die der Quel le 32 Energie und Taktsignale zuführt und eine Gantrymotorsteuervorrichtung 60, die die Umlaufbewegung und die jeweilige Stellung des Innenteils 36 steuert. Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 62 erfasst Analogdaten von den Detektorelementen 56 und konvertiert die Analogdaten in Digitaldaten für die nachfolgende Verarbeitung. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 64 empfängt erfasste und digitalisierte Röntgenstrahldaten von dem DAS 62 und führt eine Hochgeschwindigkeitsbildrekonstruktion durch. Eine Hauptsteuereinrichtung 66 speichert das CT-Bild in einer Großspeichereinrichtung 68.
  • Die Röntgenstrahlquelle 32 und der Detektor 40 laufen um ein abzubildendes Objekt, wie den Patienten 44, so um, dass der Winkel unter dem der Strahl das Objekt durchschneidet sich dauernd ändert. Eine Gruppe von Röntgenstrahlschwächungsmesswerten, d. h. Projektionsdaten von dem Detektor 40 bei jeweils einem Gantrywinkel wird als eine „Ansicht" (view) bezeichnet. Ein „Scan" des Objekts umfasst einen Satz Ansichten, die bei verschiedenen Gantrywinkeln während eines Umlaufes der Röntgenstrahlquelle 32 und des Detektors 40 aufgenommen wurden. Bei einem Axialscan werden die Projektionsdaten so verarbeitet, dass ein Bild erzeugt wird, welches zweidimensionalen Schichtdarstellungen (Slices) durch das Objekt entspricht.
  • Ein Verfahren zum Rekonstruieren eines Bildes aus einem Satz Projektionsdaten, wobei sich die Projektionsdaten auf eine Gruppe von Schwächungsmesswerten beziehen wird als „gefilterte Rückprojektionstechnik" bezeichnet. Dieses Verfahren setzt die Schwächungsmesswerte von einem Scan in diskrete ganze Zahlen um, die von –1024 bis +3072 laufen und „CT-Zahlen oder -Werte" oder „Hounsfield Units (Einheiten)" (HU) bezeichnet werden. Diese HUs werden dazu verwendet die Helligkeit eines entsprechenden Pixels auf einer Katoden strahlröhre oder einer Computerbildröhre in einer von den Schwächungsmesswerten abhängigen Weise zu steuern. Zum Beispiel kann ein Schwächungsmesswert für Luft in einen ganzzahligen wert von –1000 HU (entsprechend einem dunklen Pixel) umgesetzt werden, während ein Schwächungsmesswert für sehr dichte Knochenmasse in einen ganzzahligen Wert von +3000 (entsprechend einem hellen Pixel) ungesetzt werden kann, wobei ein Schwächungsmesswert für Wasser in einen ganzzahligen Wert von 0 HU (entsprechend einem grauen Pixel) umgesetzt werden kann. Diese Ganzzahlumsetzung oder „Scoring" erlaubt es einem Arzt oder Techniker, basierend auf der Helligkeit der Computerdarstellung, die Dichte von Materie zu bestimmen und damit Beachtung erfordernde Gebiete zu lokalisieren und zu identifizieren.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Detektor 40, wie dargestellt, ein erstes Detektorarray 70 und ein zweites Detektorarray 72. Das erste Array 70 kann ein Szintillatordetektor-/Photosensor-Detektor sein, der so beschaffen ist, dass er die Erfassung traditioneller Informationen zur Erzeugung anatomischer Details für CT-Schnittbilder ermöglicht. Das zweite Array 72 kann ein Direktumwandlungs(DC)-Detektor sein, wie etwa ein Kadmiumzinktellurit-Detektor der für ein Röntgenstrahlzähl- und Energiediskriminierungsmode konfiguriert ist, so dass er geschwächte Röntgenstrahlen zählt und geschwächte Röntgenstrahlenergie misst.
  • Bei der Durchführung einer Energiediskriminierung zur Unterscheidung zwischen Materialkenngrößen werden Zahl und Energie der geschwächten Röntgenstrahlen verwendet. Die elementare Zusammensetzung und/oder Dichte verschiedener Gewebematerialien kann bestimmt werden, indem etwa zwischen Jod, Blut, Kalzium oder anderen an sich bekannten Materialien unterschieden wird. von den Arrays 70, 72 erhaltene Informationen können einander überlagert werden, um ein einziges Bild zu erzeugen, das eine identisch positionierte und überlappende Information anatomischer Detail- und/oder Gewebediskriminierung (Materialart und -dichte) aufweist.
  • Das zweite Array 72 kann in Einzelschichtbauweise und/oder Mehrfachschichtbauweise vorliegen. Der Mehrschichtaufbau kann Informationen über eine Mehrzahl verschiedener Gewebematerialien liefern, wobei der Mehrschichtaufbau zur verbesserten Statistik auf einer individuellen Basis integriert sein kann. Bei der Verwendung des zweiten Arrays 72 im Röntgenstrahlzähl- und Energiediskriminierungsmode wird die zu der CT-Untersuchung hinzukommende Röntgenstrahldosis auf ein Minimum reduziert, weil nur eine geringe Menge Röntgenstrahlen zur Durchführung der Energiediskriminierung verwendet wird. Zum Erfassen von Energiediskriminierungsdaten wird im Vergleich zu einer vollen oder Normaldosis Röntgenstrahlen, wie sie bei einem normalen CT-Scan verwendet wird eine geringere Röntgenstrahlmenge benutzt. Ein normaler CT-Scan wird mit dem ersten Array 70 durchgeführt, um detaillierte Daten wie detaillierte anatomische Daten, zu erhalten. Beim Erfassen von Energiediskriminierungsdaten wird das zweite Array 72 so eingesetzt, dass es ein Überlagerungsbild mit Materialdifferenzierungskenndaten etwa einer Gewebeunterscheidungscharakteristik erzeugt.
  • Die vorbeschriebene Ausführungsform dient lediglich Beispielszwecken. Wenngleich bevorzugt wird, dass wenigstens ein Array in der Lage ist eine Anzahl Röntgenstrahlen auf verschiedenen Energieniveaus oder Bereichen von Energieniveaus, die im Nachfolgenden als Röntgenstrahlmengen-Energieniveaus bezeichnet werden zu erfassen, so kann doch jede beliebige Anzahl von Arrays verwendet werden. So ist z.B. bei der vorbeschriebenen Ausführungsform das Array 72 in der Lage und dazu eingerichtet Röntgenstrahlmengenenergieniveaus zu erfassen, während das Array 70 dies nicht ist. Außerdem können die einzelnen Arrays 70, 72 verschiedener Art und Bauweise sein und in unterschiedlichem Aufbau vorliegen, wie dies an sich bekannt ist.
  • Für eine weitere detaillierte Beschreibung des Detektors 40 und möglicher Ausführungsformen desselben wird auf die US-Patentanmeldung S/N 10/064775 mit dem Titel „A hybrid Szintillator/Photosensor and Direct Conversion Detector" verwiesen, die durch Bezugnahme hier mit eingeschlossen ist.
  • Die Hauptsteuereinrichtung 66 empfängt außerdem über eine Bedienerkonsole 70 Befehle und Scanparameter. Ein Bildschirm 72 gestattet es dem Bediener das rekonstruierte Bild und andere Daten von der Hauptsteuereinrichtung 66 zu betrachten. Die von dem Bediener gelieferten Befehle und Parameter werden von der Hauptsteuereinrichtung 66 zur betriebsmäßigen Steuerung der Röntgenstrahlsteuervorrichtung 52, der Gantrymotorsteuervorrichtung 60 und des DAS 62 benutzt. Außerdem steuert die Hauptsteuereinrichtung 66 eine Tischmotorsteuervorrichtung 74 an, die zur Positionierung des Patienten 44 in der Gantry 34 den Tisch 42 verschiebt.
  • Die Röntgenstrahlsteuervorrichtung 52, die Gantrymotorsteuervorrichtung 60, die Bildrekonstruktionseinrichtung 64, die Hauptsteuereinrichtung 66 und die Tischmotorsteuervorrichtung 74 basieren mit Vorzug auf Mikroprozessoren, etwa einem Computer mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einem Speicher (RAM und/oder ROM) und zugeordneten Eingangs- und Ausgangsbussen. Die Röntgenstrahlsteuervorrichtung 52, die Gantrymotorsteuervorrichtung 60, die Bildrekonstruktionseinrichtung 64, die Hauptsteuereinrichtung 66 und die Tischmotorsteuervorrichtung 74 können jeweils Teil einer zentralen Steuereinheit sein oder aber jedes dieser Elemente kann, wie dargestellt, eine unabhängige Einzel komponente sein.
  • Bei den nachfolgenden Ausführungsformen kann eine Katodenemissionsvorrichtung irgendeine Elektronen emittierende Vorrichtung oder Komponente sein. Eine Katodenemissionsvorrichtung kann sich auf eine Katode, ein Röntgenstrahlröhren-KVP, eine emittierende Katodenfläche, eine Katodenelement oder eine andere an sich bekannte Elektronen emittierende Vorrichtung oder Komponente beziehen.
  • Bezugnehmend nun auf 5 ist dort eine blockbildartige schematische vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Energiediskriminierungssystems 50' mit einem einzigen rotierenden Target 80 einer Anode 81 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine erste Katodenemissionsvorrichtung 82 und eine zweite Katodenemissionsvorrichtung 84 emittieren Elektronen, die so geleitet sind, dass sie auf das Target 80 auftreffen. Zwischen der ersten Katodenemissionsvorrichtung 82 und dem Anodentarget 80 ist ein erstes KVP vorhanden, das durch eine erste, im Wesentlichen lineare, filtereingangsseitige Spektrumkurve der Anzahl Röntgenstrahlen pro Energieniveau dargestellt werden kann. Ein zweites KVP, das von dem ersten KVP verschieden ist, besteht zwischen der zweiten Katodenemissionsvorrichtung und dem Anodentarget 80; es kann durch eine zweite näherungsweise lineare, filtereingangsseitige Spektrumkurve der Anzahl Röntgenstrahlen pro Energieniveau dargestellt werden. Die filtereingangsseitigen Spektrumkurven können unter Verwendung der Cramerschen Regel in an sich bekannter Weise dargestellt sein. Die filtereingangsseitige Spektrumkurve des ersten KVP weist einen anderen Anstieg wie die filtereingangsseitige Spektralkurve des zweiten KVP auf.
  • Beim Auftreffen auf dem Target 80 wird eine Röntgenstrahlung in Gestalt von Röntgenstrahlen 85, 85 erzeugt, die durch ein rotierendes Filter 88 geleitet werden. Das rotierende Filter 88 enthält ein erstes Filter 90 und ein zweites Filter 92; die beiden Filter 90, 92 haben voneinander verschiedene Energieabsorptionskennlinien. Wenngleich hier ein rotierendes Filter Verwendung findet, so können doch auch andere Filtervorrichtungen mit zwei oder mehr Filtern verwendet werden. Bei einer Ausführungsform verhindert jedes der Filter 90, 92 den Durchgang von Röntgenstrahlen, die jeweils einem Energieniveau entsprechen, das unterhalb dem dem Röntgenstrahl 85 bzw. 86 jeweils zugeordneten, vorbestimmten Energieniveau liegt. Die Filter 90, 92 wirken bei der angeführten Ausführungsform tatsächlich als Tiefpassfilter. Die Filter können natürlich auch als Bandpass-, Engpass-, Hochpassfilter, als digitales Filter oder als Filter anderer bekannter Art wirken.
  • Die Röntgenstrahlen 86, 86 werden beim Durchgang durch die Filter 90, 92 miteinander vermischt, so dass sie einen filterausgangsseitigen Strahl 93 mit mehreren Röntgenstrahlmengen Energiescheitelwerten erzeugen, was daher rührt, dass von den Vorrichtungen 82, 84 unterschiedliche Mengen von Elektronen bei den jeweils zugeordneten Energieniveaus erzeugt werden und was auf die unterschiedlichen Absorptionskennlinien der Filter 90, 92 zurückzuführen ist. Die Filter 90, 92 können wirkungsmäßig verschiedene Energiedurchlassbereiche aufweisen, so dass Röntgenstrahlen jeweils innerhalb eines vorbestimmten Energiebereiches durch die Filter 90, 92 durchgelassen werden. Die Energiedurchlassbereiche können jede beliebige Größe aufweisen und irgendeinem Energieniveau oder irgendwelchen Energieniveaus zugeordnet sein.
  • Eine Röntgenstrahlsteuervorrichtung 52' ist an die Vorrichtungen 82, 84 und eine Filterdrehvorrichtung 94 elektrisch angekoppelt, die ihrerseits mit dem Filter 88 gekuppelt ist und dieses in Umdrehung versetzt. Die Steuervor richtung 52' bewirkte einen synchrone Übertragung zwischen den Vorrichtungen 82, 84 und dem Filter 90 bzw. 92. Die Steuervorrichtung 52' kann in Gestalt eines integralen Teils der Röntgenstrahlsteuervorrichtung 52 oder der Hauptsteuereinrichtung 66 vorliegen oder ein Teil dieser sein; sie kann aber auch eine getrennte Steuereinrichtung oder irgendeine andere an sich bekannte Steuereinrichtung sein.
  • Bezugnehmend nun auf 6 ist dort eine schematische blockbildartige vergrößerte Ansicht eines Energiediskriminierungssystems 50'' mit rotierenden Doppelanodentargets 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine erste Katodenemissionsvorrichtung 82' und eine zweite Katodenemissionsvorrichtung 84' emittieren Elektronen, die so geleitet sind, dass sie auf ein erstes rotierendes Target 102 bzw. auf ein zweites rotierendes Target 104 einer Anode 106 auftreffen. Zwischen der ersten Katodenemissionsvorrichtung 82 und dem rotierenden Target 102 besteht ein erstes KVP während zwischen der zweiten Katodenemissionsvorrichtung 84' und dem rotierenden Target 104 ein zweites KVP vorhanden ist, ähnlich wie bei der Ausführungsform nach 5. Beim Auftreffen auf den Targets 100, 204 wird eine Röntgenstrahlung in Gestalt von Röntgenstrahlen 108 erzeugt, die durch das rotierende Filter 88 geleitet werden, wobei sie beim Ausgang aus dem Filter 88 miteinander vermischt werden, um so einen filterausgangsseitigen Strahl 109 zu bilden. Wenngleich hier das rotierende Filter 88 verwendet wird, so können doch auch andere Filtervorrichtungen mit einem oder mehreren Filtern eingesetzt werden. Die Filter 90, 92 können vorübergehend aktiv oder ortsfest sein. Der Strahl 109 weist, wie insbesondere aus 8 zu entnehmen, zwei oder mehr Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerte auf.
  • Wie bei der Ausführungsform nach 5 ist die Steu ervorrichtung 52' mit den Emissionsvorrichtungen 82', 84' und mit der Filterantriebsvorrichtung 94 elektrisch gekoppelt, die ihrerseits mit dem Filter 88 gekuppelt ist und dieses in Umdrehung versetzt. Die Steuervorrichtung 52' bewirkt eine synchrone Übertragung zwischen den Vorrichtungen 82'. 84' und dem Filter 90 bzw. 92. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Filter 90, 92 stationär, während die Vorrichtungen 82', 84' gleichzeitig angesteuert sind. Die 5, 6 veranschaulichen zwei mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, doch können von dem Fachmann auch andere Ausführungsformen in einfacher Weise in Betracht gezogen werden. Es gibt eine beliebige Zahl von Anodentargets, Katodenemissionsvorrichtungen und Filter. So können z.B. die ersten Katodenemissionsvorrichtung 82 und die zweiten Katodenemissionsvorrichtung 84 durch eine einzige Katodenemissionsvorrichtung ersetzt werden, die so wirkt, dass sie zwei verschiedene KVPe erzeugt und zwischen diesen hin und her geht. Außerdem können mehr als zwei Katodenemissionsvorrichtungen und/oder Filter verwendet werden, um einen Strahl zu erzeugen, der eine beliebige Zahl von Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerten aufweist. Diese Ausführungsbeispiel werden im weiteren Detail im Nachstehenden beschrieben. Wenngleich es im Hinblick auf die Genauigkeit, die Auflösung und Zwecke der Klarheit bevorzugt wird, wenigstens zwei Katodenemissionsvorrichtungen und wenigstens zwei Filter, wie bei den Ausführungsformen nach den 5, 6 dargestellt vorzusehen, so können doch auch unterschiedliche Mengen jedes dieser Elemente verwendet werden.
  • Bei einer Anzahl alternativer Ausführungsformen der Erfindung sind die Ausführungsformen nach den 5, 6 so abgewandelt, dass lediglich eine einzige Katodenemissionsvorrichtung in Kombination mit dem rotierenden Filter 88 verwendet ist. Das erste Filter 90 und das zweite Filter 92 werden bei einem einzigen Röntgenstrahl abwechselnd so eingesetzt, dass ein Röntgenstrahl hinter dem Patienten erzeugt wird, der ein Energiespektrum mit zwei Scheitelwerten aufweist. Die einzige Katodenemissionsvorrichtung kann ein sich schnell änderndes KVP aufweisen, das in Verbindung mit einem im Wechselfilter oder einem rotierenden Filter verwendet werden kann.
  • Bei einem weiteren Paar alternativer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Ausführungsformen nach den 5, 6 so abgewandelt, dass die Katodenemissionsvorrichtungen 82, 82', 84, 84' in Verbindung mit einem einzigen ortsfesten Filter anstelle des rotierenden Filters 88 verwendet sind. Die Katodenemissionsvorrichtungen 82, 84 und die Katodenemissionsvorrichtungen 82', 84' werden jeweils abwechselnd so wirksam gemacht, dass Röntgenstrahlen erzeugt werden, die verschiedene Energiespektrumprofile oder -Verteilungen der Anzahl der Röntgenstrahlen pro Energieniveau aufweisen.
  • Bezugnehmend auf 7 ist dort ein logisches Flussdiagramm dargestellt, das ein Verfahren zur Ausführung einer Energiediskriminierung bei einem bildgebenden System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Einfachheit halber ist das Verfahren nach 7 mit Bezug auf die Ausführungsformen der 5, 6 beschrieben; es ist jedoch nicht auf diese angeführten Ausführungsformen beschränkt.
  • Bei dem Schritt 110 emittieren eine oder mehrere Katodenemissionsvorrichtungen, wie die Emissionsvorrichtungen 82, 82', 84, 84' Elektronen, die auf ein oder mehrere Anodentargets, wie die Targets 80, 100, 104 auftreffen, wie dies im Vorstehenden beschrieben wurde.
  • Bei dem Schritt 112 werden Röntgenstrahlen, wie die Röntgenstrahlen 86, 108, erzeugt, die mehrere Röntgenstrahlmengenenergiescheitelpunkte aufweisen. Zum Beispiel kann ein erster Röntgenstrahl 114 mit einem ersten Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwert 116 und ein zweiter Röntgenstrahl 118 mit einem zweiten Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwert 120 erzeugt werden; die Strahlen 114, 118 sind am Besten aus 6 zu ersehen, während die Scheitelwerte 116, 120 am Besten aus dem Energiespektrumdiagramm vor dem Patienten der 8 zu entnehmen sind. Der ersten Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwert 116 und der zweite Röntgenstrahlmengenscheitelwert 120 werden durch ein jeweils entsprechendes KVP an der jeweiligen Katodenemissionsvorrichtung 82' bzw. 84' und durch Filtern jedes der Röntgenstrahlen 108 durch die Filter 90, 92 erzeugt.
  • Wenngleich bei dieser beschriebenen Ausführungsform das Energiespektrumdiagramm lediglich zwei Scheitelwerte 116, 120 aufweist, kann an sich ein Energiespektrumsdiagramm jede beliebige Zahl von Scheitelwerten haben, indem die Zahl der Katodenemissionsvorrichtungen, die Filter und die Korellationen zwischen den Katodenemissionsvorrichtungen und den Filtern entsprechend verändert werden. Die Scheitelwerte 116, 120 können, wie dargestellt, vorbestimmten Höckerbereichen 122, 124 entsprechen, die durch eine oder mehrere Trennbereiche 126 (von denen lediglich einer dargestellt ist), mit deutlich verringerten Röntgenstrahlmengen getrennt sind. Die Höckerbereiche 122, 124 und die Trennbereiche 126 tragen dazu bei, zwischen Materialien mit ähnlichen Materialenergiedichten genau zu unterscheiden.
  • Nochmals bezugnehmend auf 7 werden bei dem Schritt 188 die Röntgenstrahlen durch das rotierende Filter 88 gefiltert. Die Steuervorrichtung 52' steuert zwischen dem ersten Filter 90 und dem zweiten Filter 92 hin und her. Die Steuervorrichtung 52' steuert zwischen den Filtern 90, 92 wenigstens einmal für jede Ansicht bei einem Scannen des Patienten 44 hin und her.
  • Bei dem Schritt 130 werden die Röntgenstrahlen, wie die Röntgenstrahlen 93, 109, miteinander vermischt, um einen filterausgangsseitigen Röntgenstrahl zu erzeugen, der mehrere Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerte aufweist.
  • Bei dem Schritt 132 wird der filteraussgangsseitige Röntgenstrahl durch wenigstens einen Teil des Patienten 44 durchgehen lassen.
  • Bei dem Schritt 134 empfängt der Detektor 40 den filterausgangsseitigen Röntgenstrahl und erzeugt in Abhängigkeit von diesem ein Röntgenstrahlsignal, das eine Materialenergiedichtenunterscheidungsinformation, wie etwa Zahl von Röntgenstrahlen pro Energieniveau enthält. Der Röntgenstrahldetektor 40 kann Röntgenstrahlmengenenergieniveaus der jedem der Scheitelwerte 116, 120 entsprechenden Röntgenstrahlen messen und kann Röntgenstrahlmengenenergieniveaus messen, die den Höckerbereichen 122, 124 entsprechen, um die Energiediskriminierung mehrerer Materialien mit ähnlichen Energiedichten zu erleichtern. Der Detektor 40 oder andere an sich bekannte Signalkonditionierungsvorrichtungen können das Röntgenstrahlsignal so konditionieren, dass die Unterschiede zwischen Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerten wirksam vergrößert werden indem unerwünschte vorbestimmte Energiedichteniveaus ausgefiltert werden.
  • Bei dem Schritt 136 erzeugt das System 30 in Abhängigkeit von den Röntgenstrahlsignalen ein Röntgenbild mit mehreren voneinander unterscheidbaren Energiedichtecharakteristiken, wie etwa Bildkontrastwerten, Helligkeitswerten, Farbänderung und/oder anderen an sich bekannten Unterscheidungs merkmalen.
  • Bei dem Schritt 138 werden Materialien und Materialdichten des gescannten Teils des Patienten 44 identifiziert. Die Materialien und Materialdichten können von einem Arzt über die Hauptsteuereinrichtung oder irgend eine andere an sich bekannte Vorrichtung oder Technik bestimmt werden. Dadurch, dass mehrere Röntgenstrahlenergiescheitelwerte vorliegen, können Materialien oder Materialkombinationen mit ähnlichen Dichten leichter voneinander unterschieden werden, weil jedes Material oder jede Materialkombination ein unterschiedliches Röntgenstrahlenergiescheitelwertprofil aufweist.
  • Die Röntgenstrahlenergiescheitelwertprofile können außerdem dazu verwendet werden, verschiedene Bildmaterialunterscheidungsmerkmale zu erzeugen. So kann zum Beispiel eine erste Materialkombination ein Energiespektrum mit zwei Scheitelwerten zeigen, das einen ersten Satz von Werten erster Größe für jeden Scheitelwert aufweist, während eine andere Materialkombination ebenfalls ein Energiespektrum mit zwei Scheitelwerten zeigt, bei dem aber ein weiter Satz von Werten zweiter und davon verschiedener Größe für jeden Scheitelwert vorliegt. Die Unterschiede in der Größe oder in den Scheitelwerten zwischen den beiden Materialkombinationen können auf einem Röntgenbild durch Verwendung einer oder mehrerer der oben erwähnten Unterscheidungsmerkmale veranschaulicht werden.
  • Die oben beschriebenen Schritte sollen lediglich ein illustratives Beispiel veranschaulichen; die Schritte können abhängig von der jeweiligen Anwendung synchron aufeinander folgend, gleichzeitig oder in einer unterschiedlichen Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Energiediskriminationssystem und -verfahren zur leichten Unterscheidung zwischen Materialien und Materialkombinationen, die ähnliche Energiedichten aufweisen. Die vorliegende Erfindung liefert diese erhöhte Leistungsfähigkeit und die verbesserte Orts- und Niederkontrastauflösung, während sie gleichzeitig die Röntgenstrahlbelastung eines Patienten auf ein Minimum reduziert.
  • Die im Vorstehenden beschriebene Einrichtung kann vom Fachmann an verschiedene Einsatzzwecke angepasst werden und ist nicht auf Steuersysteme oder andere Kommunikationssysteme beschränkt. Die beschriebene Erfindung kann auch abgewandelt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert ist.
  • 32
    Röntgenstrahlquelle
    40
    Energiedifferenzierungsdetektor
    52
    Steuervorrichtung
    80
    Target
    81
    Anode
    82
    erste Katodenemissionsvorrichtung
    84
    zweite Katodenemissionsvorrichtung
    94
    Filterantriebsvorrichtung
    102
    erstes Target
    104
    zweites Target

Claims (10)

  1. Röntgenstrahlquelle zur Ausführung einer Energiediskriminierung bei einem bildgebenden System, die aufweist: – wenigstens eine Katodenemissionsvorrichtung, die eine Anzahl Elektronen emittiert; und – wenigstens eine Anode (81) mit wenigstens einem Target (80) auf dem die Elektronenmenge auftrifft, um wenigstens einen Röntgenstrahl zu erzeugen, der eine Anzahl von Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerten aufweist.
  2. Quelle nach Anspruch 1, bei der die wenigstens eine Katode aufweist: – eine erste Katodenemissionsvorrichtung (82), die eine erste Elektronenmenge emittiert: und – eine zweite Katodenemissionsvorrichtung (84), die eine zweite Elektronenmenge emittiert.
  3. Quelle nach Anspruch 2, bei der die erste Katodenemissionsvorrichtung (82) eine erste Elektronenmenge bei einem ersten KVP und die zweite Katodenemissionsvorrichtung (84) die zweite Elektronenmenge bei einem zweiten KVP emittiert.
  4. Quelle nach Anspruch 1 bei der die wenigstens eine Anode aufweist: – ein erstes Target (102), das eine erste Elektronemenge empfängt; und – ein zweites Target (104), das eine zweite Elektronenmenge empfängt.
  5. Quelle nach Anspruch 1, die außerdem wenigstens ein Filter aufweist, das wenigstens einen Teil des wenigstens einen Elektronenstrahls absorbiert.
  6. Bildgebendes System, das aufweist: Eine Röntgenstrahlquelle (32), die aufweist: – wenigstens eine Katodenemissionsvorrichtung, die eine Menge Elektronen emittiert; und – wenigstens eine Anode mit wenigstens einem Target (80) auf das die Elektronemenge auftrifft um wenigstens einen Elektronenstrahl mit mehreren Röntgenstrahlmengenscheitelwerten zu erzeugen und – einen Energiedifferenzierungsdetektor (40) der den wenigstens einen Röntgenstrahl empfängt und ein Röntgenstrahlsignal erzeugt, das eine Materialenergiedifferenzierungsinformation enthält.
  7. System nach Anspruch 6, bei dem die Röntgenstrahlquelle (32) wenigstens ein Filter aufweist, das wenigstens einen Teil des wenigstens einen Röntgenstrahls absorbiert.
  8. System nach Anspruch 7, das außerdem aufweist: – eine Filter-Drehantriebsvorrichtung (94), die mit dem wenigstens einen Filter gekuppelt ist; und – eine Steuervorrichtung (52), die mit der Filter-Drehantriebsvorrichtung elektrisch gekoppelt ist und das wenigstens eine Filter in eine Drehbewegung versetzt.
  9. System nach Anspruch 6, das außerdem einen Röntgenstrahldetektor aufweist, der eine Anzahl von Röntgenstrahlmengenenergieniveaus bei dem wenigstens einen Röntgenstrahl misst.
  10. Verfahren zur Ausführung einer Energiediskrimination bei einem bildgebenden System das beinhaltet: – Emittieren einer Anzahl Elektronen; – Erzeugen wenigstens eines Röntgenstrahls, der eine Anzahl Röntgenstrahlmengenenergiescheitelwerte aufweist; – Leiten des wenigstens einen Röntgenstrahls durch wenigstens einen Teil eines Objekts; – Empfangen des wenigstens einen Röntgenstrahls; – Erzeugen eines Röntgenbildes mit mehreren voneinander unterscheidbaren charakteristischen Merkmalen in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Röntgenstrahl; und – Identifizieren von Materialien und Materialdichten des wenigstens einen Teils des Objektes anhand der unterscheidbaren charakteristischen Energiekennwerte.
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