DE102005045460A1 - System und Verfahren zur Bildgebung mittels monoenergetischer Röntgenstrahlenquellen - Google Patents

System und Verfahren zur Bildgebung mittels monoenergetischer Röntgenstrahlenquellen Download PDF

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Abstract

Geschaffen ist ein Bildgebungssystem (10), das für vielfältige nicht invasive medizinische und nicht medizinische Bildgebungen geeignet ist. Das Bildgebungssystem (10) enthält eine abstimmbare Röntgenstrahlenquelle (12), die dazu dient, Röntgenstrahlen (14) mit einem im Wesentlichen monoenergetischen Spektrum abzustrahlen, und einen energieauflösenden Detektor (16), der dazu dient, in Reaktion auf die auf den energieauflösenden Detektor (16) einfallenden Röntgenstrahlen (20) ein Detektorausgangssignal zu erzeugen. Das Bildgebungssystem (10) enthält ferner einen Symstemcontroller (22), der einen Röntgenstrahlencontroller (30), der dazu dient, die abstimmbare Röntgenstrahlenquelle (12) zu steuern, und eine Datenakquisitionsschaltung (32), aufweist, die zum Akquirieren des Detektorausgangssignals von dem energieauflösenden Detektor (16) dient.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die Erfindung betrifft ganz allgemein Röntgenbildgebung und insbesondere eine Röntgenbildgebung, die monoenergetische Röntgenstrahlenquellen und energieauflösende Detektoren verwendet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZEICHNUNGEN
  • 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:
  • 1 veranschaulicht ein exemplarisches Bildgebungssystem, das eine monoenergetische Röntgenstrahlenquelle und auf Energie ansprechende Detektoren verwendet, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Technik;
  • 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
  • 3 veranschaulicht in einem Flussdiagramm das Verfahren zum Erzeugen eines Kompositbilds, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Technik.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 10
    Bildgebungssystem
    12
    Strahlungsquelle, beispielsweise eine abstimmbare mono
    energetische Röntgenstrahlenquelle
    14
    monoenergetische Röntgenstrahlen
    16
    Detektorarray, beispielsweise ein energieauflösender De
    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
    Bildgebung
    70
    Auswählen eines geeigneten Spektrums für die Bildgebung
    72
    Abstrahlen eines Röntgenstrahls mit einem ausgewählten
    Spektrum
    74
    Erfassen geschwächter Röntgenstrahlen, die auf einen e
    nergieauflösenden Detektor einfallen
    76
    Erzeugen eines Detektorausgangssignals
    78
    Erzeugen eines Kompositbildes

Claims (10)

  1. Bildgebungssystem (10), zu dem gehören: eine abstimmbare Röntgenstrahlenquelle (12), die dazu eingerichtet ist, Röntgenstrahlen (14) abzustrahlen, die ein im Wesentlichen monoenergetischen Spektrum aufweisen; ein energieauflösender Detektor (16), der dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf die auf den energieauflösenden Detektor (16) einfallenden Röntgenstrahlen (20) ein Detektorausgangssignal zu erzeugen; und ein Systemcontroller (22), der einen Röntgenstrahlcontroller (30), der dazu eingerichtet ist, um die abstimmbare Röntgenstrahlenquelle (12) zu steuern, und eine Datenakquisitionsschaltung (32) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das Detektorausgangssignal von dem energieauflösenden Detektor (16) zu akquirieren.
  2. Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die abstimmbare Röntgenstrahlenquelle (12) die Röntgenstrahlen (14) durch mindestens entweder eine inverse Comptonsche Streuungstechnik, eine auf Plasma basierende Röntgenemissionstechnik oder eine Technik erzeugt, die ein Filtern einer Breitbandbremsstrahlung verwendet.
  3. Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die abstimmbare Röntgenstrahlenquelle (12) ein Flüssigmetalltarget aufweist.
  4. Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die abstimmbare Röntgenstrahlenquelle (12) viele in einem Flüssigmetallmedium suspendierte Partikel einer oder mehrerer Arten aufweist.
  5. Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem der energieauflösende Detektor (16) mindestens entweder Ladung integrierende Detektoren, Photonen zählende Detektoren oder auf Energie ansprechende Detektoren aufweist.
  6. Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, zu dem ferner eine Bildrekonstruktionschaltung (34) gehört, die dazu eingerichtet ist, basierend auf dem Detektorausgangssignal wenigstens ein Kompositbild zu erzeugen.
  7. Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die abstimmbare Röntgenstrahlenquelle (12) über eine Anwenderschnittstelle (40) konfiguriert wird, um Röntgenstrahlen mit einem gewünschten im Wesentlichen monoenergetischen Spektrum auszustrahlen.
  8. Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 7, bei dem das gewünschte monoenergetische Spektrum ausgewählt wird, um mindestens entweder Kontrastbildgebung, Knochenbildgebung oder Weichteilgewebebildgebung durchzuführen.
  9. Verfahren zum Erzeugen eines Kompositbilds, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: Auswählen (70) eines gewünschten monoenergetischen Röntgenspektrums, um ein interessierendes Objekt (18) abzubilden; Abstrahlen (72) von Röntgenstrahlen (14) mit dem gewünschten im Wesentlichen monoenergetischen Röntgenspektrum durch das interessierende Objekt (18) hindurch; Erfassen (74) der durch das interessierende Objekt (18) geschwächten Röntgenstrahlen (20) mittels eines energieauflösenden Detektors (16); Erzeugen (76) eines Detektorausgangssignals in Reaktion auf die durch den energieauflösenden Detektor (16) erfassten Röntgenstrahlen (20); und Erzeugen (78) wenigstens eines Kompositbilds basierend auf dem Detektorausgangssignal.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Auswählen (70) des gewünschten monoenergetischen Röntgenspektrums ein schließt, das gewünschte monoenergetische Röntgenspektrum auszuwählen (70), um mindestens entweder Kontrastbildgebung, Knochenbildgebung oder Weichteilgewebebildgebung durchzuführen.
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