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HINTERGRUND
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Die
Erfindung betrifft ganz allgemein Röntgenbildgebung und insbesondere
eine Röntgenbildgebung,
die monoenergetische Röntgenstrahlenquellen
und energieauflösende
Detektoren verwendet.
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Röntgenstrahlen
werden weitverbreitet in vielfältigen
nicht invasiven Bildgebungstechniken medizinischer und nicht medizinischer
Art eingesetzt. Im Allgemeinen lenken auf Röntgenstrahlen basierende Bildgebungssysteme
einen Röntgenstrahl
auf ein abzubildendes Objekt. Der Röntgenstrahl kann durch eine
Röntgenröhre oder
durch andere Techniken erzeugt sein. In herkömmlichen Röntgenbildgebungssystemen weisen
die erzeugten Röntgenstrahlen
gewöhnlich
ein breites Spektrum auf, das für
die zum Erzeugen der Röntgenstrahlen
verwendete Technik und/oder dafür
verwendete Materialien typisch sein kann. Die erzeugten Röntgenstrahlen durchqueren
gewöhnlich
ein Bildgebungsvolumen, in dem ein Objekt oder ein Patient enthalten
ist. Während
die Röntgenstrahlen
das Objekt oder den Patienten durchqueren, dämpfen die unterschiedlichen Materialien,
aus denen das Objekt oder der Patient aufgebaut ist, die Röntgenstrahlen
in unterschiedlichem Maße.
Beispielsweise dämpfen
Knochen, Metall, Wasser, Luft und Weichteilgewebe die Röntgenstrahlen
unterschiedlich stark. Wenn die geschwächten Röntgenstrahlen das Bildgebungsvolumen
verlassen, treffen sie gewöhnlich
auf einen Detektor, wo sie elektrische Signale erzeugen, die verarbeitet
werden, um ein Bild der inneren Strukturen des Objekts oder des
Patienten zu erzeugen.
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Die
in herkömmlichen
Röntgenröhren erzeugten
Röntgenstrahlen
sind im Allgemeinen verhältnismäßig leistungsarm
und verwenden lange Pulse oder eine kontinuierliche Welle (=Dauerstrichbetrieb),
was dem Gebrauch der Röhren
Grenzen setzt. Darüber
hinaus beinhaltet eine derartige Strahlung gewöhnlich eine unpolarisierte,
inkohärente
Strahlung, die ein breites Energiespektrum aufweist. Im Allgemeinen
lassen sich die durch herkömmliche Techniken
erzeugten Röntgenstrahlen
sinnvoll für Bildgebungstechniken
einsetzen, in denen die Schwächung
gemessen wird, um Bilder zu produzieren; sie sind jedoch weniger
für Techniken
geeignet, in denen auch energieabhängige Daten der untersuchten
Materialien von Interesse sind.
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Beispielsweise
ist die durch ein vorgegebenes Objekt hervorgerufene Röntgenstrahlschwächung nicht
konstant und hängt
stark von der Photonenenergie der Röntgenstrahlung ab. Dieses Phänomen manifestiert
sich in einem Bild als ein strahlaufhärtendes Artefakt, z.B. in Form
von Uneinheitlichkeit, Schattenbildung und Maserungen. Einige strahlaufhärtende Artefakte
lassen sich ohne weiteres durch Techniken wie Wasserkalibrierung
und iterative Knochenkorrekturtechniken korrigieren. Allerdings lässt sich
eine Strahlhärtung,
die auf von Wasser und Knochen abweichenden Materialien, z.B. auf Metalle und
Kontrastmittel zurückzuführen ist,
nur schwer korrigieren. Darüber
hinaus zeigen die gleichen Materialien an unterschiedlichen Orten
häufig
unterschiedliche Grade einer Schwächung. Eine weitere Beschränkung herkömmlicher
Bildgebungssysteme ist durch das Fehlen einer stofflichen Charakterisierung
gegeben. Beispielsweise kann ein in hohem Maße schwächendes Material geringer Dichte
in dem Bild denselben Grad von Schwächung hervorrufen wie ein weniger
schwächendes
Material hoher Dichte. Wenn lediglich der Grad der Schwächung zugrunde
gelegt wird, steht daher wenig oder überhaupt keine Information über die
stoffliche Zusammensetzung eines gescannten Objekts zur Verfügung. Darüber hinaus
kann die Sichtbarkeit gewisser Kontrastmittel im menschlichen Körper verbesserte
werden, indem die Bildgebung an dem Körper mittels geeignet ausgewählter Bereiche
des Röntgenspektrums
durchgeführt
wird.
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Herkömmliche
Techniken zum Erzeugen monoenergetischer Röntgenstrahlen, beispielsweise
fluoreszierende Quellen und für
eine Energiewahl im Braggschen Winkel gestreute Röntgenstrahlen,
werden für
vielfältige
medizinische Anwendungen verwendet, um den oben erwähnten Beschränkungen zu
begegnen. Spektren, die eine gewünschte
Monochromasie aufweisen, lassen sich auch durch Filtern einer Breitbandbremsstrahlung
hervorbringen. Beispielsweise erzeugen mit Rhodium beschichtete
Targets in Verbindung mit einer Dünnfilm-Rhodium-Filterung in
der Mammographie verhältnismäßig schmale,
um die interessierende Energie zentrierte Bereiche eines Röntgenspektrums.
Allerdings weisen in gewissen Fälle
ein Großteil
der Röntgenstrahlen
eine zu geringe Energie auf, um tief in den mensch lichen Körper einzudringen,
und sind daher nicht in der Lage zu einem Bild des interessierenden
Bereichs beizutragen. Kurz gesagt, ein breites Photonenenergiespektrum
des Röntgenstrahls
aus der Röntgenstrahlenquelle
und ein Mangel an Energieauflösung von
den Röntgendetektoren
her begrenzen den Einsatz von Bildgebungssystemen für Anwendungen wie
Stoffcharakterisierung, Gewebedifferenzierung, Streuungszurückweisung
und dergleichen.
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Es
ist daher erwünscht,
ein effizientes Bildgebungssystem zu schaffen, das eine monoenergetische
Röntgenstrahlenquelle
und energieauflösende Detektoren
aufweist, um eine Verbesserung des Bildkontrasts und eine Steigerung
der Auflösung
zu erreichen, während
das Bildrauschen und die Belastung des Patienten mit Strahlungsdosen
minimiert werden.
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KURZBESCHREIBUNG
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Kurz
ausgedrückt
ist gemäß einem
Aspekt der Technik ein Bildgebungssystem geschaffen. Das Bildgebungssystem
enthält
eine abstimmbare Röntgenstrahlenquelle,
die dazu eingerichtet ist, Röntgenstrahlen
mit einem im Wesentlichen monoenergetischen Spektrum abzustrahlen,
und einen energieauflösenden
Detektor, der dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf die auf den
energieauflösenden
Detektor einfallenden Röntgenstrahlen
ein Detektorausgangssignal zu erzeugen. Das Bildgebungssystem enthält ferner
einen Systemcontroller, der einen Röntgenstrahlcontroller aufweist,
der eingerichtet ist, die abstimmbare Röntgenstrahlenquelle zu steuern, und
eine Datenakquisi tionsschaltung, die dazu eingerichtet ist, das
von dem energieauflösenden
Detektor stammende Detektorausgangssignal zu akquirieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Technik ist ein Bildgebungssystem geschaffen.
Das Bildgebungssystem enthält
eine Röntgenstrahlenquelle,
die dazu eingerichtet ist, Röntgenstrahlen
mit einem im Wesentlichen monoenergetischen Spektrum auszustrahlen,
und einen energieauflösenden
Detektor, der dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf die auf den
energieauflösenden
Detektor einfallenden Röntgenstrahlen
ein Detektorausgangssignal zu erzeugen. Das Bildgebungssystem enthält ferner
einen Systemcontroller, der einen Röntgenstrahlcontroller aufweist,
der eingerichtet ist, die Röntgenstrahlenquelle zu
steuern, und eine Datenakquisitionsschaltung, die dazu eingerichtet
ist, das von dem energieauflösenden
Detektor stammende Detektorausgangssignal zu akquirieren. Darüber hinaus
enthält
das Bildgebungssystem eine Bildrekonstruktionschaltung, die dazu
eingerichtet ist, basierend auf dem Detektorausgangssignal wenigstens
ein Kompositbild zu erzeugen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Technik ist ein Verfahren zum Erzeugen
eines Kompositbilds geschaffen. Das Verfahren ermöglicht es,
ein gewünschtes
monoenergetisches Röntgenspektrum
auszuwählen,
um ein interessierendes Objekt abzubilden, Röntgenstrahlen, die weitgehend
das gewünschte
monoenergetische Röntgenspektrum
aufweisen, durch das interessierende Objekt hindurch abzustrahlen,
die durch das interessierende Objekt geschwächten Röntgenstrahlen mittels eines
energieauflösenden
Detektors zu erfassen, in Reak tion auf die durch den energieauflösenden Detektor
erfassten Röntgenstrahlen
ein Detektorausgangssignal zu erzeugen und basierend auf dem Detektorausgangssignal
wenigstens ein Kompositbild zu erzeugen. Systeme und Rechnerprogramme,
die eine Funktionalität
ermöglichen,
wie sie durch dieses Verfahren definiert ist, lassen sich durch
die vorliegende Technik verwirklichen.
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ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden nach dem Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verständlicher,
in denen übereinstimmende Teile
durchgängig
mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen sind:
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1 veranschaulicht
ein exemplarisches Bildgebungssystem, das eine monoenergetische Röntgenstrahlenquelle
und auf Energie ansprechende Detektoren verwendet, gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Technik;
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2 veranschaulicht
ein für
volumetrische Bildgebung geeignetes exemplarisches CT-Bildgebungssystem,
das eine monoenergetische Röntgenstrahlenquelle
und auf Energie ansprechende Detektoren verwendet, gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Technik; und
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3 veranschaulicht
in einem Flussdiagramm das Verfahren zum Erzeugen eines Kompositbilds,
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Technik.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Techniken betreffen im Allgemeinen eine Röntgenbildgebung,
die monoenergetische Röntgenstrahlen
sowie energieauflösende Detektoren
verwendet. Solche Bildgebungstechniken können im Zusammenhang mit vielfältigen Arten
von Bildgebung von Vorteil sein, z.B. in der CT-Bildgebung, in industriellen
Inspizierungssystemen, CT-Messwesen, Röntgenographie, für zerstörungsfreies
Prüfen,
Analyse von Schwermetallen, Sicherheits- und Gepäckstückscreening, und dergleichen. Obwohl
die vorliegende Erörterung
Beispiele im Zusammenhang mit medizinischer Bildgebung beschreibt,
wird es dem Fachmann ohne weiteres einleuchten, dass die Anwendung
dieser Techniken in anderen Zusammenhängen, z.B. in industrieller
Bildgebung, Sicherheitsüberwachung
und/oder Gepäckstück- oder
Paketkontrolle, ohne weiteres in den Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung fällt.
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Mit
Bezugnahme auf 1 ist ein Bildgebungssystem 10 veranschaulicht,
das für
eine Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
enthält
das Bildgebungssystem 10 eine Strahlungsquelle 12,
z.B. eine Röntgenstrahlenquelle.
Benachbart zu der Strahlungsquelle 12 kann ein Kollimator
angeordnet sein, der zum Regeln der Abmessung und der Gestalt eines
aus der Strahlungsquelle 12 austretenden Strahlungsbündels 14 dient.
Das Bildgebungssystem 10 sowie andere auf Röntgenstrahlschwächung basierende
Bildgebungssysteme können
Röntgenstrahlenquellen
verwenden, die durch vielfältige
Techniken Röntgenstrahlen
erzeugen. Beispielsweise verwendet die vorliegende Technik eine
abstimmbare Röntgenstrahlenquelle,
die dazu eingerichtet sein kann, auf einem oder mehreren Energieniveaus
monoenergetische oder nahezu monoenergetische Röntgenstrahlen auszustrahlen.
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Es
können
vielfältige
Techniken dazu verwendet werden, um die monoenergetischen oder nahezu
monoenergetischen Röntgenstrahlen
mit einem gewünschten
Spektrum zu erzeugen. Zu solchen Techniken zählen, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein,
inverse Compton-Streuungsverfahren, auf Plasma basierende Röntgenstrahlemission
und Filterung einer Breitbandbremsstrahlung. In einem Ausführungsbeispiel
werden die monoenergetische Röntgenstrahlen
mit einem gewünschten
Spektrum durch eine Röntgenröhre erzeugt,
die ein Flüssigmetalltarget
aufweist. Ein Flüssigmetall
oder ein Flüssigmetallsuspensionsträgerstoff
strömt
durch eine Leitung, um das Target für einen Elektronenstrahl der Energie
80 keV bis 200 keV zu bilden. Durch Aufprall auf einen dünnen Querschnitt
des strömenden
Targets erzeugt der Elektronenstrahl Röntgenstrahlen. Unterschiedliche
Targetmaterialien lassen unterschiedliche Spektren von Röntgenstrahlen
entstehen. Die Wahl eines Röntgenspektrums
mit einer gewünschten
Charakteristik und die Unterdrückung
von Breitbandbremsstrahlung durch Filtern sowie die geeignete Wahl
eines Austrittswinkels ermöglicht
es, die Quelle nahezu monoenergetisch zu gestalten. In einem Ausfüh rungsbeispiel
können
ein oder mehrere Arten von Feststoffpartikeln aus unterschiedlichen Metallen,
Kristallen und/oder anderen festen Materialien in dem flüssigen Trägerstoff
suspendiert sein. Eine Suspension von Targetpartikeln in dem flüssigen Trägerstoff
ermöglicht
eine Auswahl unter Targets und Spektren sowie eine effiziente Wärmeabfuhr
für einen
Betrieb verhältnismäßig hoher
mittlerer Leistung. Darüber
hinaus ermöglichen
die Targetpartikel ein Auswahl einer Wellenlänge für eine monochromatische oder
quasimonochromatische Quelle.
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Im
typischen Betrieb projiziert die Strahlungsquelle 12 einen
Strom von Strahlung 14, beispielsweise einen monoenergetischen
Röntgenstrahl,
auf ein an der gegenüberliegenden
Seite der Strahlungsquelle 12 angeordnetes Detektorarray 16. Das
Strahlungsbündel 14 gelangt
in ein Bildgebungsvolumen, in dem ein abzubildendes Objekt 18 positioniert
sein kann. Es ist zu beachten, dass ein Bediener in der Lage ist,
eine spezielle abzubildende Region des Objekts 18 auszuwählen, um
den nützlichsten Scanvorgang
für die
Region zu erhalten.
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Ein
Teil der Strahlung 20 durchquert das Objekt oder gelangt
an diesem vorbei und trifft auf das Detektorarray 16 auf.
Das Detektorarray 16 kann ein Einzelschicht-Detektor oder
ein Multischicht-Detektor sein und ist im Allgemeinen als eine Gruppe
von Detektionselementen gestaltet. Jedes Detektorelement erzeugt
ein elektrisches Signal, das die Intensität der an dem Detektorelement
einfallenden Strahlung 20 kennzeichnet, wenn die Strahlung 20 auf
das Detektorarray 16 trifft. Diese Signale werden akquiriert
und verarbeitet, um ein Bild der Merkmale sowohl innerhalb als auch
außerhalb
des Objekts 18 zu rekonstruieren.
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In
einem Ausbildungsbeispiel kann das Detektorarray ein energieauflösender Detektor
sein, der dazu eingerichtet ist, zwischen unterschiedlichen Bereichen
von Röntgenspektren
oder unterschiedliche Energieniveaus von Röntgenstrahlen zu unterscheiden.
Es existieren unterschiedliche Verfahren, um mittels auf Energie
ansprechender Detektoren multienergetische Messwerte zu erhalten.
Beispielsweise können
in einem Ausbildungsbeispiel auf Energie ansprechende Detektoren
geeignet eingesetzt werden, so dass jeder auf dem Detektor einfallende Röntgenstrahl
mit seiner Energie aufgezeichnet wird.
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Es
ist zu beachten, dass energieauflösende Detektoren unterschiedlicher
Bauart dafür
eingesetzt werden können,
um die geschwächten
Röntgenstrahlen
unterschiedlicher Energieniveaus zu erfassen und aufzulösen. Zu
solchen energieauflösenden Detektoren
gehören,
ohne darauf beschränken
zu wollen, Ladung integrierende Detektoren, Photonen zählende Detektoren
und andere auf Energie ansprechende Detektoren. Darüber hinaus
können
diese Detektoren die Röntgenstrahlen
unmittelbar in elektrische Signale umwandeln, die für eine Verarbeitung geeignet
sind. Alternativ können
diese Detektoren ein szintillierendes Material verwenden, um Röntgenstrahlen
in optische Strahlung umzuwandeln, die sich erfassen und in zu verarbeitende
elektrische Signale umwandeln lässt.
Außerdem
können
zur Energieauflösung
vielfältige
auf Energie ansprechende Detektoren, beispielsweise Halbleiterdetektoren
und -arrays, Edelgas hoher Dichte verwendende Detektoren, Phosphore,
Szin tillatoren, Dünnschichttransistworarrays,
Ladungsverschiebungselemente, Mikrokanalplatten und Kalorimeterdetektoren
verwendet werden.
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Nochmals
Bezug nehmend auf 1 werden das Objekt 18 und
die Strahlungsquelle 12 gewöhnlich relativ zueinander verschoben,
was gewünschtenfalls
ein Akquirieren von Projektionsdaten unter unterschiedlichen Blickwinkeln
gegenüber
dem Objekt 18 ermöglicht.
Beispielsweise kann das Objekt 18 auf einer Liege, beispielsweise
einem Drehtisch, angeordnet sein, so dass sich das Objekt 18 während der
Untersuchung drehen lässt,
um sämtliche
Seiten des Objekts 18 dem Strahlungsbündel 14 auszusetzen.
Alternativ kann die Strahlungsquelle 12 und/oder das Detektorarray 16 auf
einer Gantry angeordnet sein, die sich während des Untersuchungsvorgangs
um das Objekt 18 drehen lässt. Während das Objekt 18 und
die Strahlungsquelle 12 relativ zueinander rotieren, nimmt
das Detektorarray 16 unter vielfältigen Blickwinkeln bezüglich des
Objekts 18 Daten der Strahlungsschwächung auf. Die von dem Detektorarray 16 her
gesammelten Daten werden anschließend einer Vorverarbeitung
und Kalibrierung unterworfen, um die Daten so aufzubereiten, dass diese
die Linienintegrale der Schwächungskoeffizienten
der gescannten Objekte 18 kennzeichnen. Die üblicherweise
als Projektionen bezeichneten verarbeiteten Daten werden anschließend rekonstruiert, um,
wie weiter unten eingehender beschrieben, ein oder mehrere Kompositbilder
des gescannten Bereichs zu formulieren. Auf diese Weise wird ein
Bild oder Schichtbild akquiriert, das in gewissen Modi Projektionsdaten über weniger
oder mehr als 360 Grad beinhalten kann, um ein Bild zu formulieren.
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Der
Betrieb der Quelle 12 wird durch einen Systemcontroller 22 gesteuert,
der sowohl Energie als auch Steuersignale für Untersuchungssequenzen bereitstellt.
Weiter ist das Detektorarray 16 an den Systemcontroller 22 angeschlossen,
der das Akquirieren der in dem Detektorarray 16 erzeugten
Signale steuert. Der Systemcontroller 22 kann außerdem vielfältige Funktionen
einer Verarbeitung und Filterung an den Signalen ausführen, z.B.
für Anfangseinstellungen
von Dynamikbereichen, Verschachtelung von digitalen Bilddaten, und
so fort. Im Allgemeinen steuert der Systemcontroller 22 den
Betrieb des Bildgebungssystem 10, so dass dieser Untersuchungsprotokolle
ausführt
und akquirierte Daten verarbeitet. Im vorliegenden Zusammenhang
kann der Systemcontroller 22 ferner eine Signalverarbeitungsschaltung
und sonstige Schaltungen einschließen, die gewöhnlich auf
einem universalen oder anwendungsspezifischen digitalen Rechner,
auf einer zugeordneten Speicherschaltung zum Speichern von durch
den Rechner auszuführenden
Programmen und Routinen, sowie auf Konfigurationsparametern und
Bilddaten, Interfaceschaltkreisen, und so fort basieren. In der
Tat kann der Systemcontroller 22 in Form von Hardware-
und Softwarekomponenten des veranschaulichten Rechners 36 verwirklicht
sein.
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In
dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Systemcontroller 22 an
ein Linearpositionierungssubsystem 24 und an ein drehendes
Subsystem 26 angeschlossen. Insbesondere kann der Systemcontroller 22 einen
Motorcontroller 28 einschließen, der den Betrieb des Linearpositionierungssubsystems 24 und
des drehenden Subsystems 26 steuert.
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Das
drehende Subsystem 26 ermöglicht es, die Röntgenstrahlenquellenanordnung
und/oder die Detektoranordnung ein oder mehrere Male um das Objekt 18 zu
drehen. Es ist zu beachten, dass das drehende Subsystem 26 eine
Gantry enthalten könnte.
Der Systemcontroller 22 kann somit verwendet werden, um
die Drehgeschwindigkeit und Position der Gantry zu steuern. Alternativ
kann das drehende Subsystem 26 einen motorisch angetriebenen
Drehtisch enthalten, und der Systemcontroller 22 kann dazu
eingerichtet sein, den motorisch angetriebenen Drehtisch und mit
diesem das Objekt 18 um ein oder mehrere Umdrehungen während einer
Untersuchung zu drehen. Das Linearpositionierungssubsystem 24 ermöglicht es,
das Objekt 18 linear zu verlagern, beispielsweise durch
Bewegen einer Liege oder eines Träger, auf dem das Objekt 18 ruht.
Somit kann in einem Ausführungsbeispiel
die Liege innerhalb einer Gantry linear bewegt werden, um Bilder
von speziellen Bereichen des Objekts 18 zu erzeugen.
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Wie
für den
Fachmann ersichtlich, kann die Strahlungsquelle 12 darüber hinaus
durch einen innerhalb des Systemcontrollers 22 angeordneten Strahlungscontroller 30 gesteuert
werden. Insbesondere kann der Strahlungscontroller 30 dazu
eingerichtet sein, an die Strahlungsquelle 12 Leistungs- und
Zeittaktsignale auszugeben. In einem Ausführungsbeispiel kann das monoenergetische
Spektrum der Röntgenstrahlemission
von einem Benutzer ausgewählt
werden, und die Röntgenstrahlenquelle
kann mittels des Strahlungscontrollers 30 abgestimmt werden,
um Röntgenstrahlen
mit dem ausgewählten Spektrum
oder nahe bei diesem auszustrahlen, was ein Abstimmen der Röntgenstrahlenquelle
ermöglicht.
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Weiter
kann der Systemcontroller 22 eine Datenakquisitionsschaltung 32 enthalten.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Detektorarray 16 an den Systemcontroller 22 und
insbesondere an die Datenakquisitionsschaltung 32 angeschlossen.
Die Datenakquisitionsschaltung 32 nimmt gewöhnlich abgetastete
analoge Signale, die die Position und Energie der einfallenden monoenergetischen
Röntgenstrahlen
repräsentieren,
von dem Detektorarray 16 entgegen und wandelt die Daten
in digitale Signale um, um diese anschließend zu verarbeiten. Ein Bildrekonstruktor 34,
der an einen Rechner 36 angeschlossen ist oder eine Komponente
von diesem ist, kann abgetastete und digitalisierte Daten von der
Datenakquisitionsschaltung 32 aufnehmen und mit hoher Geschwindigkeit
eine Bildrekonstruktion durchführen, um
ein oder mehrere Kompositbilder des gescannten Objekts 18 zu
erzeugen. Alternativ kann die Rekonstruktion des Bildes durch eine
allgemeine oder durch eine speziell angepasste Schaltung des Rechners 36 durchgeführt werden.
Nachdem das durch das Bildgebungssystem 10 erzeugte Bild
rekonstruiert ist, deckt es interne sowie externe Merkmale des Objekts 18 auf.
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Der
Rechner 36 kann einen Arbeitsspeicher 38 enthalten
oder mit einem solchen Daten austauschen. Es ist selbstverständlich,
dass von einem solchen exemplarischen Bildgebungssystem 10 jede Form
eines zum Speichern großer
Datenmengen geeigneten Arbeitsspeichers verwendet werden kann. Darüber hinaus
kann der Rechner 36 dazu eingerichtet sein, um über eine
Bedienungsworkstation 40 Scanparameter und Befehle von
einem Anwender entgegenzunehmen. Beispielsweise kann die Be dienungsworkstation 40 mit
einer Tastatur und/oder sonstigen Eingabegeräten ausgerüstet sein, über die ein Bediener das Bildgebungssystem 10 steuern kann.
Dementsprechend kann der Bediener das rekonstruierte Bild und andere
von dem Rechner 36 ausgegebene und für das System maßgebende
Daten beobachten, eine Bildgebung einleiten, eine Spektrum für die Bildgebung
auswählen,
und so fort. Es ist zu beachten, dass das Spektrum auf der Grundlage
des Typs der Anforderung der Bildgebung ausgewählt wird, beispielsweise Weichteilgewebebildgebung,
Knochenbildgebung, Kontrastbildgebung, Röntgenographie eines speziellen
Metalls und/oder sonstigen Bildgebungsanforderungen.
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Ein
Display 42 kann entweder an die Bedienungsworkstation 40 und/oder
den Rechner 36 angeschlossen sein und kann benutzt werden,
um das eine oder die mehreren Kompositbilder anzusehen und/oder
die Bildgebung zu steuern. Darüber
hinaus kann das gescannte Bild auch auf einem Drucker 44 ausgegeben
werden, der entweder unmittelbar oder über ein Netzwerk mit dem Rechner 36 und/oder
mit der Bedienungsworkstation 40 verbunden sein kann. Es
ist ferner zu beachten, dass der Rechner 36 und/oder die
Bedienungsworkstation 40 mit sonstigen Ausgabeeinrichtungen
verbunden sein können, die
Standard- oder speziell angepasste Rechnermonitore und zugeordnete
Verarbeitungsschaltungen enthalten können. Außerdem können zusätzliche Bedienungsworkstations
weiter in das Bildgebungssystem 10 eingebunden sein, um
Systemparameter auszugeben, eine Überprüfung anzufordern, Bilder zu betrachten,
ein Röntgenspektrum
für die
Bildgebung auszuwählen,
und so fort, so dass mehr als ein Bediener Arbeitsschritte durchführen kann,
die das Bildgebungssystem 10 betreffen. Beispielsweise
kann ein Bediener eine Bedienungsworkstation nutzen, um Bilder zu
akquirieren, während
ein zweiter Bediener eine zweite Bedienungsworkstation verwendet, um
die Ergebnisse der Bildgebungsprogrammroutinen zu rekonstruieren
und/oder durchzusehen. Im Allgemeinen können innerhalb des Bildgebungssystems 10 vorhandene
Displays, Drucker, Workstations und vergleichbare Vorrichtungen
in der Nähe
der Datenakquisitionskomponenten angeordnet sein, oder sie können, von
diesen Komponenten entfernt angeordnet, mit dem Bildgebungssystem 10 über ein
oder mehrere konfigurierbare Netzwerke, z.B. das Internet, virtuelle
private Netzwerke, und so fort verbunden sein.
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Mit
allgemeinem Bezug auf 2 kann ein in einem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
verwendetes exemplarisches medizinisches Bildgebungssystem ein Computertomographie-(CT)-System sein, das
geeignet konfiguriert ist, um ursprüngliche Bilddaten sowohl zu
erfassen als auch diese zum Anzeigen auf einem Display und Analysieren
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verarbeiten. Das CT-Bildgebungssystem 46 ist
ein energieauflösendes
Computertomographiesystem, während
das Detektorsubsystem dazu eingerichtet ist, die individuellen Energiepegel
von Photonen unterschiedlicher monoenergetischer Röntgenspektren
aufzuzeichnen. Das CT-Bildgebungssystem 46 ist mit einem
Rahmen 48 und einer Gantry 50 veranschaulicht,
die eine Öffnung
(Bildgebungsvolumen oder CT-Öffnungsvolumen) 52 aufweist.
In der Öffnung 52 des
Rahmens 48 und der Gantry 50 ist eine Patientenliege 54 positioniert.
Die Patientenliege 54 ist geeignet konstruiert, so dass
ein Patient 56 in der Lage ist, während des Untersuchungsvorgangs
bequem darauf zu ruhen. Darüber
hinaus ist die Liege 54 dazu eingerichtet, um sich, wie
oben erörtert,
mittels des Linearpositionierungssubsystems 24 (siehe 1)
linear verschieben zu lassen. Beispielsweise kann in dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel
ein Liegenantriebscontroller 58, der in dem Systemcontroller 22 integriert
sein kann, geeignet konfiguriert sein, um die Liege 54 zu
steuern.
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Die
Gantry 50 enthält
eine benachbart zu einem Kollimator 60 angeordnete Röntgenstrahlenquelle 12.
Im typischen Betrieb projiziert die Röntgenstrahlenquelle 12 monoenergetische
Röntgenstrahlen,
die ein oder mehrere spezifizierte Energieniveaus aufweisen, auf
den energieauflösenden
Detektor 16, der an der gegenüberliegenden Seite der Gantry 50 angebracht
ist. Ein Kollimator 60 erlaubt einem Strahlungsbündel 14 in
eine spezielle Region vorzudringen, in der eine Person, beispielsweise
ein Patient 56, positioniert ist. Es ist zu beachten, dass die
spezielle Region des Patienten 56, beispielsweise ist dies
die Leber, der Pankreas usw., gewöhnlich durch einen Bediener
so ausgewählt
wird, dass der nützlichste
Scandurchlauf einer Region erzielt wird.
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Außerdem kann
die Gantry 50 um die Person 56 gedreht werden,
so dass entlang einer durch die Bewegung der Röntgenstrahlenquelle 12 bezüglich des
Patienten 56 beschriebenen Bildgebungsbahn mehrere radiographische
Ansichten gesammelt werden können.
Insbesondere sammelt das Detektorarray 16, während die
Röntgenstrahlenquelle 12 und das
Detektorarray 16 gemeinsam mit der CT-Gantry 50 rotieren,
unter vielfältigen
Blickwinkeln bezüglich des
Patienten 56 Daten über
die Rönt genstrahlschwächung. Wie
oben beschrieben, können
diese Daten anschließend
verarbeitet werden, um ein oder mehrere Kompositbilder des gescannten
Bereichs des Patienten 56 zu erzeugen.
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Die
Rotation der Gantry 50 und der Betrieb der Quelle 12 wird,
wie oben erörtert,
durch einen Systemcontroller 22 gesteuert. Wie oben beschrieben,
ist das drehende Subsystem 26 (siehe 1) konfiguriert,
um die Gantry 50 zu steuern. Beispielsweise kann in dem
veranschaulichten Ausführungsbeispiel
der Systemcontroller 22 einen Gantryantriebscontroller 62 enthalten,
der die Drehzahl und die Position der Gantry 50 steuert.
Der Rechner 36 wird gewöhnlich
verwendet, um das gesamte CT-System 46 zu steuern und kann
geeignet konstruiert sein, um Merkmale zu steuern, die durch den Systemcontroller 22 aktiviert
sind. Der Rechner 36 kann seinerseits dazu eingerichtet
sein, um über
eine Bedienungsworkstation 40 Befehle und Scanparameter
von einem Anwender entgegenzunehmen.
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In
dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
kann die Bedienungsworkstation 40 ferner mit einem Bildarchivierungs- und Datenkommunikationssystem
(PACS) 64 verbunden sein. Es ist zu beachten, dass das
PACS 64 mit einem entfernt angeordneten System 66,
z.B. einem Informationssystem einer radiologischen Abteilung (RIS),
einem klinischen Datenkommunikationssystem (HIS) oder mit einem internen
oder externen Netzwerk verbunden sein kann, so dass weitere Personen
an anderen Orten auf das Bild und die Bilddaten zugreifen können.
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Während in
der vorliegende Erörterung
ein CT-Scannersystem
erörtert
ist, in dem eine Quelle und ein Detektor auf einer Gantryanordnung
rotieren, sollte beachtet werden, dass die vorliegende Technik nicht
auf Daten beschränkt
ist, die auf einem speziellen Typ eines Scanners gesammelt wurden.
Beispielsweise kann die Technik auf Daten angewandt werden, die
mittels eines Scanners gesammelt werden, in dem eine Röntgenstrahlenquelle
und ein Detektor tatsächlich
stationär
sind und ein Objekt gedreht wird, oder in dem der Detektor stationär ist, während sich
eine Röntgenstrahlenquelle
dreht oder sich in sonstiger Weise relativ zu dem Detektor oder zu
dem Bildgebungsobjekt bewegt. Darüber hinaus könnten die
Daten aus einem Scanner stammen, in dem sowohl die Röntgenstrahlenquelle
als auch der Detektor stationär
sind, während
die Röntgenstrahlenquelle
verteilt ist und in der Lage ist Röntgenstrahlen an unterschiedlichen
Orten zu erzeugen. In ähnlicher
Weise können,
während
im Allgemeinen kreisförmige
Scangeometrien erörtert
sind, auch andere Geometrien in Betracht gezogen werden.
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Das
Bildgebungssystem 10 und das CT-Bildgebungssystem 46 können mittels
vielfältiger
Techniken Bilder des Untersuchungsobjekts erzeugen. Beispielsweise
wird nun mit Bezug auf 3 eine exemplarische Steuerlogik
zur Erzeugung eines oder mehrerer Kompositbilder veranschaulicht,
die eine monoenergetische Röntgenstrahlenquelle
und einen energieauflösenden
Detektor verwenden. Wie dem Flussdiagramm 68 zu entnehmen,
kann ein Bediener ein gewünschtes
monoenergetisches Röntgenspektrum auswählen, um
in Schritt 70 ein interessierendes Objekt abzubilden. Das
gewünschte
monoenergetische Röntgenspektrum
kann basierend auf dem Typ der ausgeführten Bildgebung ausgewählt werden,
beispielsweise ist dies Kontrastbildgebung, Knochenbildgebung, Weichteilgewebebildgebung,
Stoffcharakterisierung, und dergleichen. In Schritt 72 werden anschließend die
Röntgenstrahlen
mit dem gewünschten
monoenergetischen Spektrum mittels einer abstimmbaren monoenergetischen
Röntgenstrahlenquelle
durch das interessierende Objekt hindurch emittiert. Alternativ
können
die Röntgenstrahlen
mit einem breiteren Spektrum als gewünscht emittiert und gefiltert
werden, so dass sie im Wesentlichen monoenergetisch sind, wenn sie
das Bildgebungsvolumen erreichen.
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Weiter
werden die monoenergetischen Röntgenstrahlen
durch das interessierende Objekt geschwächt und in Schritt 74 durch
den energieauflösenden
Detektor erfasst, der in Schritt 76 in Reaktion auf die
erfassten Röntgenstrahlen
ein Detektorausgangssignal erzeugt. Jedes von dem Detektor ausgegebene
Signal enthält
auf dem Grad der Schwächung
der monoenergetischen Röntgenstrahlen
in dem gescannten Bild basierende Spektraldaten über die Komposition des gescannten
Bildes. Das Detektorausgangssignal wird daher durch eine Bildverarbeitungsschaltung
verarbeitet, um in Schritt 78 ein oder mehrere Kompositbilder
des gescannten Objekts zu erzeugen.
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Das
Bildgebungssystem 10, wie es in den vielfältigen oben
erörterten
Ausführungsbeispielen beschrieben
ist, ermöglicht
durch eine verbesserte Gewebedifferenzierung eine Verbesserung der
Diagnose, einen stärkeren
Kontrast bezogen auf die Stahlenbelastung des Patienten, eine bessere
Eliminierung von Streuung und eine bessere Bildqualität. Da die
Röntgen strahlen
monoenergetisch sind, lassen sich ausgewählte Elemente des untersuchten
Objekts hervorheben. In einem Ausführungsbeispiel ermöglicht die
vorliegende Technik aufgrund der Fähigkeit, die Energie von erfassten
Photonen zu unterscheiden, ein Eliminieren von (aus dem Stand der Technik
als Streuung bezeichneten) gestreuten Röntgenstrahlen. Das eingeschränkte Spektrum
gestattet eine Verminderung von energieabhängigen differentiellen Schwächungseffekten,
die in sonstiger Weise eine Strahlhärtung hervorrufen. Eine Reduzierung der
Strahlhärtung
und Streuung reduziert Artefakte der Computertomographie, und verbessert
dadurch die Gewebedifferenzierung und diagnostische Leistungsfähigkeit.
Darüber
hinaus erleichtert die Fähigkeit,
auf schmalbandige Röntgenspektren
abzustimmen, die Unterscheidung von Stoffen.
-
Während hierin
lediglich spezielle Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben
wurden, erschließen
sich dem Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen. Es ist daher selbstverständlich,
dass die beigefügten
Patentansprüche sämtliche
Abwandlungen und Veränderungen
abdecken sollen, die in den wahren Schutzbereich der Erfindung fallen.
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- 10
- Bildgebungssystem
- 12
- Strahlungsquelle,
beispielsweise eine abstimmbare mono
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- energetische
Röntgenstrahlenquelle
- 14
- monoenergetische
Röntgenstrahlen
- 16
- Detektorarray,
beispielsweise ein energieauflösender
De
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- tektor
- 18
- Objekt
- 20
- geschwächte Röntgenstrahlen
- 22
- Systemcontroller
- 24
- Linearpositionierungssubsystem
- 26
- drehendes
Subsystem
- 28
- Motorcontroller
- 30
- Strahlungscontroller
- 32
- Datenakquisitionsschaltung
- 34
- Bildrekonstruktor
- 36
- Rechner
- 38
- Arbeitsspeicher
- 40
- Bedienungsworkstation
- 42
- Display
- 44
- Drucker
- 46
- CT-Bildgebungssystem
- 48
- Rahmen
- 50
- Gantry
- 52
- Bildgebungsvolumen
oder -öffnung
- 54
- Liege
- 56
- Patient
- 58
- Liegenantriebscontroller
- 60
- Kollimator
- 62
- Gantryantriebscontroller
- 64
- PACS
- 66
- entfernt
angeordneter Client
- 68
- Flussdiagramm
zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur
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- Bildgebung
- 70
- Auswählen eines
geeigneten Spektrums für die
Bildgebung
- 72
- Abstrahlen
eines Röntgenstrahls
mit einem ausgewählten
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- Spektrum
- 74
- Erfassen
geschwächter
Röntgenstrahlen,
die auf einen e
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- nergieauflösenden Detektor
einfallen
- 76
- Erzeugen
eines Detektorausgangssignals
- 78
- Erzeugen
eines Kompositbildes