DE102007008349A1

DE102007008349A1 - Anordnung zur Röntgen-Computertomographie

Info

Publication number: DE102007008349A1
Application number: DE102007008349A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Hampel; Frank Fischer
Original assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: WO2008101470A1; US20100034341A1; EP2117435A1; DE102007008349B4; JP2010518910A; JP5458305B2; US7983384B2

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Röntgen-Computertomographie anzugeben, die ohne einen axialen Versatz zwischen Brennfleckbahn und Röntgendetektorbogen auskommt. Die Erfindung beinhaltet, dass der Röntgendetektorbogen (2) und das Target (1) um den Untersuchungsquerschnitt innerhalb einer Bestrahlungsebene angeordnet sind, so dass die vom Elektronenstrahl (3) des Elektronenstrahlerzeugers (6) durch Strahlablenkung erzeugten Röntgenbrennflecke mit den aktiven Detektorelementen innerhalb einer axialen Ebene, der Durchstrahlungsebene (5) liegen, der Röntgendetektorbogen (2) in radialer Richtung hinter dem Target (1) angeordnet ist, so dass jeder von einer Brennfleckposition auf dem Target (1) zu einem Detektorelement des Röntgendetektorbogens (2) gedachter Röntgenstrahl im Bereich der winkelmäßigen Überlappung von Target (1) und Röntgendetektorbogen (2) das in Strahlrichtung vor dem Auftreffpunkt auf dem Röntgendetektorbogen (2) liegende Target (1) durchdringt, das Target (1) aus einem Targetkörper (7) besteht, der vorzugsweise durch ein Material geringer Kernladungszahl und hohem Wärmespeicher- bzw. Wärmeleitvermögen gebildet wird, auf der dem Elektronenstrahl zugewandten Seite des Targetkörpers (7) eine elektronenbremsende Materialschicht (8) vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Material hoher Kernladungszahl aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Röntgen-Computertomographie.
Die Elektronenstrahl-Röntgentomographie wird seit einigen Jahren in der medizinischen Diagnostik, insbesondere zur Bildgebung des schlagenden Herzens, eingesetzt. Dabei wird ein in einer Vakuumkammer geführter Elektronenstrahl mittels eines elektromagnetischen Ablenksystems über ein teilkreisförmiges Metalltarget geführt, womit ein schnell beweglicher Röntgenbrennfleck erzeugt wird. Ein mit leichtem axialem Versatz zum Target angeordneter kreis- oder teilkreisförmiger Röntgendetektor erfasst die durch das Objekt transmittierte Röntgenstrahlung. Aus den Messdaten kann dann durch Anwendung tomographischer Bildrekonstruktionsverfahren die Materialverteilung in der durchstrahlten Schnittebene berechnet werden.
Aus der Theorie der tomographischen Bildrekonstruktion folgt, dass zur fehlerfreien Rekonstruktion eines Objektschnittes aus seinen Linienintegralprojektionen der integrale Schwächungswert jedes durch die zu rekonstruierende Schnittfläche laufenden Strahls gemessen und in die Rekonstruktion eingerechnet werden muss. Für einen CT-Scanner mit feststehendem bogenförmigen Röntgentarget und feststehendem Röntgendetektorbogen hat dies zur Konsequenz, dass der erforderliche Detektorwinkel und der erforderliche Targetwinkel zusammen mindestens 360° plus Fächerwinkel, das heißt, mehr als 360° ergeben müssen. Dies bedeutet wiederum, dass ein Teil des Röntgendetektors bzw. des Targets von der Systemachse aus gesehen innerhalb eines gemeinsamen Raumwinkelbereiches liegen müssen. Konstruktiv wird das Problem derart gelöst, dass Röntgentarget und Röntgendetektor mit einem leichten axialen Versatz zueinander, also in verschiedenen axialen Ebenen, angeordnet werden. Solche Anordnungen zur Elektronenstrahl-Röntgentomographie sind zum Beispiel in den Schriften US 4 352 021 und US 5 504 791 beschrieben.
Das Problem des axialen Versatzes und der dadurch verursachten Abbildungsfehler wurde frühzeitig erkannt und auf verschiedene Weise zu lösen versucht. Allgemein kann der Fehler dadurch minimiert werden, dass der axiale Versatz konstruktiv möglichst klein gehalten wird. Für medizinische Elektronenstrahl-Tomographen mit einem verhältnismäßig großen Aspektverhältnis zwischen abzubildendem Organ (Herz) und Durchmesser des Targets bzw. des Röntgendetektorbogens lässt sich dadurch eine gewisse Optimierung erzielen. Für Elektronenstrahl-Tomographen mit kleinem Durchmesser des Targets und des Röntgendetektorbogens sind dieser Variante konstruktive Grenzen gesetzt.
In US 2003/0161434 wird eine Anordnung beschrieben, bei der Target und Röntgendetektor in helikaler Form ausgeführt und gegeneinander versetzt um das Untersuchungsobjekt angeordnet sind, so dass für fast alle Brennfleckpositionen jeweils ein Teil der Detektorhelix auf der anderen Seite des Untersuchungsobjektes in derselben axialen Ebene liegt. Mit dieser Anordnung lässt sich eine so genannte Spiral-CT-Aufnahme realisieren. Nachteilig an dieser Anordnung ist die komplexe Form von Target und Röntgendetektor, die hohe Kosten verursacht.
In DE 10 356 601 wird eine Anordnung beschrieben, bei der Target und Röntgendetektor ohne axialen Versatz innerhalb einer Ebene angeordnet sind. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass der Winkelbereich der Durchstrahlung kleiner, als für die Erfassung eines vollständigen tomographischen Datensatz erforderlich ist. Damit sind Schnittbilder, die aus Messdaten dieser Messanordnung berechnet werden, zu einem bestimmten Anteil fehlerbehaftet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Röntgen-Computertomographie anzugeben, die ohne einen axialen Versatz zwischen Brennfleckbahn und Röntgendetektorbogen auskommt.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Es wird ein durchstrahlbares Röntgentarget benutzt, welches aus einem mechanisch stabilen Targetkörper aus Materialien geringer Kernladungszahl und hohem Wärmespeicher- bzw. Wärmeleitvermögen besteht, sowie einer auf diesen Targetkörper aufgebrachten dünnen Schicht eines Metalls mit hoher Kernladungszahl und hohem Schmelzpunkt zur Bremsung des Elektronenstrahls und damit zur Erzeugung der Röntgenstrahlung.
Der hauptsächliche Vorteil der erfundenen Anordnung zur Röntgen-Computertomographie mit durchstrahlbarem Target besteht darin, dass Target- und Röntgendetektorbogen vollständig innerhalb einer axialen Ebene angeordnet werden können und damit eine vollständige tomographische Datenaufnahme innerhalb exakt dieser axialen Ebene möglich ist. Damit wird eine höchstmögliche Bildqualität und axiale Ortsauflösung erreicht. Die Anordnung kann insbesondere für Elektronenstrahltomographen oder andere CT-Scanner mit feststehendem Quell-Detektorverbund angewendet werden. Besonders vorteilhaft ist sie für kleinere Untersuchungsgeometrien, zum Beispiel bei Kleintierscannern, da bei solchen Anordnungen auch ein geringfügiger axialer Versatz aufgrund des kleinen Quell-Detektor-Abstandes zu deutlichen Abbildungsunschärfen und Bildfehlern führt.
Die Realisierung einer in axialer Richtung versatzfreien Röntgen-Computertomographie (CT) wird für einen CT-Scanner mit feststehendem Quell-Detektor-Verbund gewährleistet. Im Hinblick auf heute in der Praxis verwendete CT-Scanner ist die Anordnung insbesondere für Elektronenstrahl-Computertomographen geeignet, bei denen ein beweglicher Röntgenbrennfleck mittels eines elektromagnetisch abgelenkten Elektronenstrahls erzeugt wird. Darüber hinaus ist die Anordnung aber prinzipiell für jede Art von CT-Scanner mit feststehendem Röntgendetektor und Röntgentarget geeignet, bei denen das Target im Falle einer vollständig innerhalb einer axialen Ebene zu realisierenden Aufnahme den Röntgendetektor teilweise überdecken würde. So zum Beispiel auch für einen CT-Scanner mit einer Vielzahl kreisförmig um den Untersuchungsquerschnitt angeordneten Elektronenstrahlerzeugern, die den Elektronenstrahl entweder auf ein einziges bogenförmiges Target oder auf eine Vielzahl von Targets fokussieren. Mit der Erfindung ist es möglich, im Sinne der tomographischen Bildrekonstruktionstheorie vollständige Datensätze innerhalb einer Schnittebene eines Objektes zu erfassen und dabei den Objektquerschnitt mit der maximal möglichen und ausschließlich durch Brennfleckgeometrie und axiale Ausdehnung der Detektorelemente bestimmten axialen Ortsauflösung abzubilden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
1 die Gesamtanordnung mit inliegendem Röntgendetektorbogen,
2 die Gesamtanordnung mit außenliegendem Röntgendetektorbogen,
3 eine Variante der Anordnung nach 1,
4 einen Schnitt durch das Target,
5 einen Schnitt durch ein kühlbares Target.
Die 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Anordnung am Beispiel einer axialversatzfreien Elektronenstrahl-Röntgentomographie. In beiden Fällen besteht die Anordnung aus einem teilkreisförmigen Target (1) sowie einem außerhalb des Targets (1) angeordneten Röntgendetektorbogen (2), welcher aus aneinander gereihten Einzeldetektoren besteht. Der Elektronenstrahl (3) wird durch die Vakuumkammer (4) auf das Target (1) geführt und erzeugt auf der Targetoberfläche einen Röntgenbrennfleck. Dieser wird mittels Strahlablenkung durch ein Ablenkspulensystem entlang einer kreis- oder ellipsenförmigen Bahn auf dem Target (1) bewegt. Der Röntgendetektorbogen (2) ist so angeordnet, dass die Detektorelemente mit der Brennfleckbahn in einer axialen Ebene, der Durchstrahlungsebene (5), liegen. Im Ausführungsbeispiel der Zeichnung 1 ist der Röntgendetektorbogen (2) innerhalb der Vakuumkammer (4), im Ausführungsbeispiel der Zeichnung 2 außerhalb der Vakuumkammer (4) angeordnet.
3 zeigt eine alternative Variante einer axialversatzfreien Röntgen-CT-Anordnung mit mehreren um den Untersuchungsquerschnitt angeordneten elektronisch schaltbaren Elektronenstrahlerzeugern (6), die zeitlich nacheinander einen Elektronenstrahl (3) auf ein gemeinsames teilkreisförmiges Target (1) lenken und damit eine sequentielle Aufnahme von Röntgenprojektionen des Objektquerschnitts aus verschiedenen Winkeln ermöglichen. Zu diesem Ausführungsbeispiel sei bemerkt, dass die Anordnung neben der im Ausführungsbeispiel demonstrierten Variante einer durchgehenden Vakuumkammer (4) mit einem massiven Target (1) ebenso als eine Vielzahl einzelner Röntgenquellen mit je einem Elektronenstrahlerzeuger (6) sowie einem Target (1) innerhalb jeweils einer Vakuumkammer (4) oder aus einer Vielzahl Röntgenquellen mit jeweils einer Gruppe von Elektronenstrahlerzeugern (6) und einem Target (1) oder einer Vielzahl von Targets (1) in jeweils einer Vakuumkammer (4) ausgeführt sein kann.
Nach 4 besteht das Target (1) aus einem Targetkörper (7), vorzugsweise aus einem Material mit niedriger Kernladungszahl und hohem Wärmespeicher- bzw. Wärmeleitvermögen, sowie einer auf diesen Targetkörper (7) aufgebrachten Materialschicht (8) zur Elektronenbremsung, vorzugsweise aus einem Material hoher Kernladungszahl und hohem Schmelzpunkt. Als Materialien für den Targetkörper (7) kommen zum Beispiel Graphit, Diamant oder Titan, für die elektronenbremsende Materialschicht (8) Molybdän oder Wolfram in Betracht. Die Dicke der elektronenbremsenden Materialschicht (8) wird entsprechend der maximalen Eindringtiefe der Elektronen in das Targetmaterial gewählt.
Nach 5 ist innerhalb des Targetkörpers (7) ein Kühlmittelkanal (9) zur Durchströmung des Targetkörpers (9) mit einer Kühlflüssigkeit vorgesehen.

1: Target
2: Röntgendetektorbogen
3: Elektronenstrahl
4: Vakuumkammer
5: Durchstrahlungsebene
6: Elektronenstrahlerzeuger
7: Targetkörper
8: Materialschicht
9: Kühlmittelkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4352021 [0003]
- US 5504791 [0003]
- US 2003/0161434 [0005]
- DE 10356601 [0006]

Claims

Anordnung zur Röntgen-Computertomographie, bestehend aus – einem teil- oder vollkreisförmigen Röntgendetektorbogen (2) aus aneinander gereihten Einzeldetektoren, – Mittel zur Erzeugung, Fokussierung und Ablenkung eines Elektronenstrahls (3) innerhalb einer Vakuumkammer (4), – einem einzelnen oder einer Vielzahl innerhalb der Vakuumkammer angeordneten Targets (1) zur Bremsung des Elektronenstrahls (3) und zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass – der Röntgendetektorbogen (2) und das Target (1) um den Untersuchungsquerschnitt innerhalb einer Bestrahlungsebene angeordnet sind, so dass die vom Elektronenstrahl (3) des Elektronenstrahlerzeugers (6) durch Strahlablenkung erzeugten Röntgenbrennflecke mit den aktiven Detektorelementen innerhalb einer axialen Ebene, der Durchstrahlungsebene (5), liegen, – der Röntgendetektorbogen (2) in radialer Richtung hinter dem Target (1) angeordnet ist, so dass jeder von einer Brennfleckposition auf dem Target (1) zu einem Detektorelement des Röntgendetektorbogens (2) gedachter Röntgenstrahl im Bereich der winkelmäßigen Überlappung von Target (1) und Röntgendektorbogen (2) das in Strahlrichtung vor dem Auftreffpunkt auf dem Röntgendektorbogen (2) liegende Target (1) durchdringt, – das Target (1) aus einem Targetkörper (7) besteht, der vorzugsweise durch ein Material geringer Kernladungszahl und hohem Wärmespeicher- bzw. Wärmeleitvermögen gebildet wird, – auf der dem Elektronenstrahl zugewandten Seite des Targetkörpers (7) eine elektronenbremsende Materialschicht (8) vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Material hoher Kernladungszahl aufgebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgendetektorbogen (2) außerhalb der Vakuumkammer (4) angeordnet ist, wobei die Vakuumkammer (4) aus dünnwandigem Material besteht, welches eine geringe Schwächung der Röntgenstrahlung gewährleistet.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Targetkörpers (7) ein durchströmbarer Kühlmittelkanal (9) vorgesehen ist,
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des einzelnen Elektronenstrahlerzeugers (6) innerhalb der Vakuumkammer (4) eine Vielzahl elektronisch schaltbarer Elektronenstrahlerzeuger (6) angeordnet sind, die bei einem tomographischen Scan nacheinander kurzzeitig anschaltbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Röntgenstrahlern, bestehend aus jeweils einem Elektronenstrahlerzeuger (6) und einem Target (1), in jeweils separaten Vakuumkammern (4) um den Untersuchungsquerschnitt angeordnet sind, die bei einem tomographischen Scan nacheinander kurzzeitig anschaltbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (1) in axialer Richtung stufenförmig ausgeführt ist und um das Target (1) ein oder mehrere axial hintereinander liegende Röntgendetektorbögen (2) angeordnet sind, so dass durch Erzeugung verschiedener Brennfleckbahnen in verschiedenen axialen Ebenen durch entsprechende Ablenkbewegung des Elektronenstrahls (3) das Untersuchungsobjekt ohne Translationsbewegung dreidimensional abgebildet werden kann.