-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Computertomographen umfassend
zumindest eine stationäre
Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahles und eine
ein Messfeld ringförmig
umschließende
stationäre
Röntgenstrahlenquelle
mit einem im wesentlichen ringförmigen
Target, mit Mitteln zur Führung
des Elektronenstrahles in der Röntgenstrahlenquelle
auf einer Kreisbahn koaxial zu dem ringförmigen Target, sowie mit Mitteln
zur Ablenkung des Elektronenstrahles in Richtung auf das Target. Hierdurch
wird ein sich konzentrisch drehendes Röntgenstrahlenbündel zur
Durchstrahlung des Messfeldes aus verschiedenen Richtungen erzeugt. Der
Computertomograph umfasst weiterhin einen ringförmig ausgebildeten, stationären Detektor,
der aus einer Vielzahl von Detektorelementen besteht, aus deren
Messwerten durch einen Rechner ein Bild des Untersuchungsobjektes
im Messfeld berechnet wird.
-
Computertomographiegeräte sind
im Stand der Technik in verschiedensten Ausführungen bekannt. Überwiegend
eingesetzte Geräte
umfassen eine rotierende Röntgenröhre sowie
einen rotierenden Detektorring. Die Energie- und Datenübertragung aus den rotierenden
Teilen erfolgt über
Schleifringe. Hierdurch, sowie durch die hohen Fliehkräfte, welche
in den um das Messobjekt rotierenden Teilen auftritt, sind Verkürzungen
der Scanzeiten nur sehr begrenzt möglich.
-
Weiterhin
sind bereits Geräte
bekannt, bei welchen sich keine mechanischen Komponenten mehr bewegen.
Ein derartiges Computertomographiegerät ist beispielsweise aus der
DE 42 10 339 A1 bekannt.
Das Computertomographiegerät
wird hierbei durch eine im wesentlichen ringförmige Struktur gebildet, in
welcher ein Elektronenstrahl in einem Vakuumgefäß ringförmig um läuft. Weiterhin ist in der ringförmigen Struktur
eine ringförmige
Anode angeordnet. Der Elektronenstrahl wird mit Hilfe von Elektronenstrahlführungsmitteln
auf der Kreisbahn geführt
und mit Hilfe von Extraktionsmitteln in Richtung auf die Anode hin
ausgelenkt. Die Kreisbahn des Elektronenstrahls und der Anodenring
sind koaxial und koplanar, jedoch auf unterschiedlichen Durchmessern
angeordnet. Die Anode ist hierbei als durchgehender Anodenring ausgebildet,
welcher durch den Fokus des Elektronenstrahls kontinuierlich abgetastet
wird.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Computertomographen vorzuschlagen,
welcher eine verbesserte Bildqualität bei reduzierter Strahlenbelastung
liefert.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
mit den Merkmalen des Anspruches 1.
-
Ein
Computertomograph umfasst zumindest eine stationäre Elektronenquelle zur Erzeugung
eines Elektronenstrahles und eine ein Messfeld ringförmig umschließende stationäre Röntgenstrahlenquelle
mit einem im wesentlichen ringförmigen
Target, mit Mitteln zur Führung
des Elektronenstrahles in der Röntgenstrahlenquelle
auf einer Kreisbahn koaxial zu dem ringförmigen Target sowie mit Mitteln
zur Ablenkung des Elektronenstrahles in Richtung auf das Target.
Weiterhin umfasst der Computertomograh einen ringförmig ausgebildeten
stationären
Detektor, der aus einer Vielzahl von Detektorelementen besteht.
Durch das Auftreffen des abgelenkten Elektronenstrahles auf das
Target wird ein sich konzentrisch drehendes Röntgenstrahlenbündel zur
Durchstrahlung des Messfeldes aus verschiedenen Richtungen erzeugt.
Aus den Messwerten der einzelnen Detektorelemente wird durch einen
Rechner ein Bild des Untersuchungsobjektes im Messfeld berechnet.
Erfindungsgemäß weist
das ringförmige
Target eine Vielzahl diskreter Fokusflächen auf, welche diskontinuierlich
durch einen Fokus des Elektronenstrahles abtastbar sind. Im Gegensatz
zu herkömmlichen Computertomographiegeräten, bei
welchen der Fokus kontinuierlich über das Target bzw. die Anodenfläche streicht,
und diesem Fokus ein mittlerer Aufenthaltsort auf dem Target bzw.
der Anodenfläche
zugewiesen wird, wobei ein leicht verschmiertes Bild entsteht, arbeitet
der Computertomograph nach der vorliegenden Erfindung mit diskreten
Fokusflächen und
diskontinuierlicher Abtastung durch den Fokus des Elektronenstrahles.
Durch diese Diskretisierung ist es möglich, der in den Detektorelementen
gemessenen Strahlung jeweils einen exakten Ort auf der Fokusfläche zuzuordnen.
Hierdurch entsteht eine Vielzahl stehender Bilder, welche eine verbesserte Bildqualität liefern.
Zugleich ist es durch die exakte Zuordenbarkeit möglich, die
Strahlenbelastung bei im Vergleich zum Stand der Technik gleichbleibender oder
sogar verbesserter Bildqualität
zu verringern.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn das Target eine gestufte Ringstruktur mit Sägezahnelementen
aufweist, deren Teilung zumindest einer 2° Teilung des Vollkreises entspricht.
Hierdurch ist es in einfacher Weise möglich, eine Vielzahl diskreter
Fokusflächen
auf einem Targetring anzuordnen. Die Anzahl der Stufen des Targetringes
bestimmt hierbei maßgeblich
die Auflösung
des Bildes. Im Falle einer 1° Teilung
weist das Target 361 Stufen auf, es sind jedoch ebenso feinere Abstufungen
mit beispielsweise 721 Stufen möglich.
Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Zahl der Stufen ungerade ist,
da sich in diesem Fall die Anzahl unabhängiger Projektionen verdoppeln
lässt.
-
In
Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Target
aus einer Vielzahl einzelner Targetelemente besteht, welche jeweils
auf einem Sägezahnelement
eines gestuften, ringförmigen Trägers angeordnet
sind. Hierdurch ist es möglich, die
Menge eines vergleichsweise teuren Targetmaterials auf ein Minimum
zu reduzieren, und den Träger aus
einem geeigneten kostengünstigeren
Material herzustellen. Der Träger
kann hierbei einteilig mit einem Strahlführungsrohr, in welchem der
ringförmige Elektronenstrahl
umläuft,
ausgebildet sein, oder ein separates Bauteil darstellen.
-
Nach
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung sind die einzelnen Target elemente auswechselbar auf
dem Träger
angeordnet. Hierdurch ist es möglich
die teuren Targetelemente nach Abnutzung gegen neue auszutauschen,
wobei der ringförmige Träger weiterverwendet
werden kann. Der Träger und/oder
das Strahlführungsrohr
ist bevorzugt aus einem wärmeleitenden
Material, insbesondere Kupfer hergestellt. Hierdurch ist eine verbesserte
Wärmeableitung
von den Targetelementen möglich.
Zudem ist hierdurch eine preisgünstige
Herstellung des Trägers möglich.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn die diskreten Fokusflächen in einem Winkel zur Ebene
der Kreisbahn des Elektronenstrahles angeordnet sind. Hierdurch
muss ein Elektronenstrahl, welcher in einer Ebene parallel zu dem
ringförmigen
Target umläuft,
nurmehr um einen geringen Ablenkwinkel ausgelenkt werden, während im
Stand der Technik üblicherweise
Ablenkwinkel von 90° erforderlich
sind, um ein senkrechtes Auftreffen des Elektronenstrahles auf das
Target zu gewährleisten.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Fokusflächen einen
Winkel von vorzugsweise 58° zur
Ebene der Kreisbahn des Elektronenstrahls aufweisen.
-
Nach
einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn
der Träger
und/oder das Strahlführungsrohr
wenigstens einen Kühlmittelkanal aufweist.
Hierdurch ist eine vorteilhafte Wasserkühlung möglich, mittels welcher die
in der Ringstruktur auftretenden Temperaturgradienten gering gehalten werden
können.
-
Vorteilhaft
ist es hierbei, wenn der Träger und/oder
das Strahlführungsrohr
mehrere separat beaufschlagbare Kühlmittelkanäle aufweisen. Insbesondere
bei großen
Durchmessern ist hierdurch eine ausreichende Kühlung erreichbar, so dass keine
Problem durch Wärmedehnungen
der Bauteile zu erwarten sind.
-
Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die kinetische Energie der Elektronen des
Elektronenstrahls einstellbar ist. Hierdurch ist es möglich, die
Energie der Elektronen an die verschiedensten Messzwecke anzupassen.
Die kinetische Energie der Elektronen ist hierbei im Bereich zwischen
80 keV und 1000 keV einstellbar. Hierdurch ist es möglich, den
erfindungsgemäßen Computertomographen
für eine
Vielzahl von Anwendungen im medizinischen und technischen Bereich
einzusetzen. Für
technische Messzwecke kommen insbesondere Energien zwischen 150
keV und 1000 keV in Betracht.
-
Insbesondere
für technische
Anwendungen bei der Untersuchung stark absorbierender Objekte kann
es aber auch vorteilhaft sein, wenn die kinetische Energie der Elektronen über 1 MeV
beträgt. Vorteilhaft
hierbei ist, dass bei höheren
Erzeugungsspannungen eine insgesamt geringere Schwächung der
Strahlung auftritt.
-
Vorzugsweise
sind bei derart hohen Energien der Elektronen die Targetelemente
als Durchstrahlungstargets ausgebildet, welche die Bremsstrahlung
in Flugrichtung der einfallenden Elektronen abgeben. Der umlaufende
Elektronenstrahl wird hierbei derart umgelenkt, dass die Elektronen
möglichst radial
in Richtung auf das Zentrum des Durchstrahlungstargets einfallen.
Der Ablenkwinkel des Elektronenstrahls beträgt in diesem Fall 90°.
-
Nach
einer weiteren Ausführung
der Erfindung ist in Strahlrichtung nach den Durchstrahlungstargets
jeweils ein Ausgleichskörper
angeordnet, um die Intensität
der Bremsstrahlung über
dem Field of View homogen zu halten.
-
Eine
andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Durchstrahlungstargets
einen Winkel von vorzugsweise 45° zur
Kreisbahn des Elektronenstrahls aufweisen. Die Ausgleichskörper sind
hierbei in Form eines Dreikants mit einem Schnittwinkel von vorzugsweise
45° ausgebildet. Hierdurch
kann eine dichte Anordnung der Durchstrahlungstargets erreicht werden,
wobei dennoch je Durchstrahlungstarget ein Ausgleichskörper ohne Platzprobleme
angeordnet werden kann.
-
Gemäß einer
anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die
Röntgenstrahlenquelle
gleichzeitig durch einen zweiten ringförmigen Elektronenstrahl durchsetzbar
ist. Ist das Target hierbei als Doppelfokusring ausgebildet, ist
es hierdurch möglich,
die doppelte Anzahl diskreter Fokusflächen vorzusehen und hierdurch
die Abtastung zu verfeinern.
-
Für das Betreiben
eines Doppelfokusringes ist es vorteilhaft, wenn der Computertomograph
zwei Elektronenquellen umfasst. Hierdurch erhöht sich die gemeinsame Strahlleistung,
es werden jedoch zusätzliche
Anwendungsmöglichkeiten
eröffnet.
Ebenso ist es jedoch auch möglich,
der Elektronenquelle eine Weiche zur Erzeugung des zweiten Elektronenstrahles
zuzuordnen. Diese kann beispielsweise durch einen Kickmagneten gebildet
sein.
-
Es
ist jedoch ebenso möglich,
die zwei Elektronenstrahlen in zwei axial versetzte Röntgenstrahlenquellen
einzuspeisen. Hierbei sind das ringförmige Target, die Mittel zur
Führung
des Elektronenstrahles sowie die Mittel zur Ablenkung des Elektronenstrahles
jeweils in doppelter Ausführung
vorhanden. Die beiden Elektronenstrahlen können auch hier entweder durch
eine zweite Elektronenstrahlenquelle oder mittels einer Weiche erzeugt
werden. Vorzugsweise sind hierbei auch zwei axial zueinanderversetzte
Detektoren angeordnet.
-
Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn die Elektronen des zweiten Elektronenstrahls
eine zum ersten Elektronenstrahl unterschiedliche kinetische Energie
aufweisen. Hierdurch ist es möglich,
simultan einen Volumenscan mit zwei verschiedenen Energien durchzuführen.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der Computertomograph einen weiteren Detektor
umfasst, welcher dem zweiten Elektronenstrahl zugeordnet ist. Hierdurch
ist auch bei einem Simultanscan mit zwei Energien eine schnelle
Auswertung der Messwerte möglich.
Ebenso ist es jedoch auch möglich,
die Transmissionen an einem einzigen Detektor zu messen.
-
Vorteilhaft
ist es auch, wenn der/die Elektronenstrahl(en) tangential in die
Röntgenstrahlenquelle einbringbar
ist/sind. Die Elektronen können
hierbei beispielsweise in einer Elektronenkanone erzeugt und mittels
elektronenoptischer Elemente tangential in die evakuierte Ringstruktur
eingespeist werden.
-
Um
nach dem Einspeisen des Elektronenstrahls diesen auf einer Kreisbahn
in der Röntgenstrahlenquelle
führen
zu können,
ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zur Führung des Elektronenstrahls durch
Spulen oder Umlenkmagnete gebildet sind. Vorteilhaft ist es weiterhin,
wenn die Anzahl der Mittel zur Führung
der Anzahl der Sägezahnelemente
entspricht. Hierbei erhält
jeder Zahn am Target einen eigenen Umlenkmagneten. Je nach Anzahl
der Umlenkmagnete, welche in der Röntgenstrahlenquelle angeordnet
sind, müssen
diese jeweils den Strahl um eine exakte Anzahl von Winkelgraden
biegen. Nach einer bevorzugten Ausführung weist das Target 721 Zähne auf
und es sind 721 Umlenkmagnete angeordnet, welche den Strahl jeweils
um 0,5° umlenken.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zur Führung und die Mittel zur Ablenkung
des Elektronenstrahls nacheinander einzeln ansteuerbar sind. Der
Elektronenstrahl trifft hierbei nacheinander exakt auf einen Punkt
auf jeder Fokusfläche.
Daneben können
hierdurch auch unterschiedliche Haltezeiten des Elektronenstrahls
auf verschiedenen Fokusflächen
realisiert werden. Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung sind die Mittel zur Ablenkung des Elektronenstrahles
durch Kickvorrichtungen an den Mitteln zur Führung des Elektronenstrahles
gebildet. Diese können
jeweils magnetisch oder auch elektrostatisch ausgeführt sein.
Hierdurch kann in einfacher Weise sowohl die Führung des Elektronenstrahls
wie auch die Ablenkung des Elektronenstrahls in Richtung auf das
Target durch jeweils ein gemeinsames Element realisiert werden.
Sind die Mittel zur Führung
des Elektronenstrahls durch Umlenkmagnete gebildet, lässt sich eine
besonders platzsparende Ausführung
des Computertomographen erreichen.
-
Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn der Ablenkwinkel der Kickvorrichtung 32° beträgt. Selbstverständlich sind
auch andere Ablenkwinkel denkbar, welche jeweils von dem Winkel
der Fokusflächen
zur Ebene der Kreisbahn des Elektronenstrahls abhängig sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Ablenkung des Elektronenstrahls
um 90° wie
im Stand der Technik nicht erforderlich ist.
-
Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ablenkwinkel
der Kickvorrichtungen verstellbar ist. So können auch mehrere Targetelemente
mit einer Umlenkvorrichtung zusammengefasst werden. Die Anzahl der
Kickvorrichtungen kann hierdurch reduziert werden, wobei zugleich
mehr Bauraum für
die Konstruktion der Umlenkung und Fokussierung entsteht.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der Kickvorrichtung eine Elektronenlinse zugeordnet
ist. Der Elektronenstrahl wird hierbei nach Umlenkung auf den Fokus
so geformt, dass sich eine optimale Fokusgröße ergibt.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Fokusflächen einen Anschnittwinkel
von vorzugsweise 12° zur
Achse des ringförmigen
Targets aufweisen. Auch hierdurch kann der optische Fokus klein
gehalten werden. Je nach Ausführung
sind jedoch auch andere Anschnittwinkel vorteilhaft.
-
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der Fokus
des Elektronenstrahls auf den diskreten Fokusflächen verstellbar ist. Die Verstellung
des Fokus kann mittels der Kickvorrichtungen sowie elektronenoptischer
Elemente realisiert werden. Um die Korrosion des Targets möglichst
gering zu halten, kann beispielsweise der Fokus turnusmäßig auf
dem Target um jeweils einige Fokusbreiten verstellt werden. Ebenso
sind auch Ausführungen des
Fokus als Strichfokus und/oder Springfokus möglich, wobei auch zusätzliche
Umlenkvorrichtungen für
den Elektronenstrahl vorgesehen sein können.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der Fokus des Elektronenstrahls als Strichfokus ausgebildet
ist. Die Wärmelast
auf dem Target kann hierdurch auf eine größere Fläche verteilt werden, so dass
auch bei einer höheren
Strahlungsleistung dennoch kurze Scanzeiten realisierbar sind. Vorteilhaft
ist es beispielsweise, wenn der Strichfokus eine Dimension von 1
mm·10
mm aufweist. Bei einem Anschnittwinkel von 6° ergibt sich somit ein virtueller
Fokus von ca. 1mm·1
mm.
-
Der
Strichfokus kann hierbei kontinuierlich auf dem Target bewegt werden,
was bei der Rekonstruktion des Bildes zu berücksichtigen ist. So kann der
Fokus beispielsweise über
eine Länge
von 20 mm verwischt werden, um die instantane Wärmelast auf den Targets zu
reduzieren.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann der Fokus des Elektronenstrahls als Springfokus ausgebildet sein.
Der Springfokus kann ebenfalls mittels elektronenoptischer Elemente
realisiert werden. Auch durch Ausbildung eines Springfokus kann
die instantane lokale Wärmelast
auf den Targets reduziert werden. Zudem besteht hierdurch die Möglichkeit,
zusätzliche unabhängige Projektionen
zu erhalten, wodurch je nach Ausführung ein Effekt zusätzlicher
Detektorzeilen erreicht wird, ohne dass hierzu der Detektor tatsächlich mehr
Zeilen aufweisen müsste,
oder aber die Auflösung
erhöht
wird.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn dem Springfokus genau eine Zeile des Detektors zugeordnet
ist, wobei der Fokus an mehrere Plätze der Zeile springt. Der Fokus
kann hierbei an zwei oder auch mehr Plätze der Detektorzeile springen.
-
Nach
einer anderen Weiterbildung ist es vorteilhaft, wenn dem Fokus mehrere
Zeilen des Detektors zugeordnet sind. Der Fokus kann hierbei, wie oben
für eine
Detektorzeile beschrieben, an mehrere Plätze mehrerer Zeilen springen,
oder auch in mehreren Detektorzeilen über eine bestimmte Länge verwischt
werden. Hierdurch kann die Anzahl der unabhängigen Projektionen während eines
Umlaufs erhöht
werden, ohne dass hierzu mehr Detektorzeilen erforderlich sind.
Zugleich können
die Zeiten für
einen Umlauf und damit die gesamte Scanzeit vorteilhaft verkürzt werden.
-
Da
bei einem Springen bzw. Verschmieren des Fokus in mehrere Zeilen
die Anzahl der Projektionsrichtungen erhöht werden kann, ist es möglich, die
Anzahl der einzelnen Targetelemente zu verringern, wobei dennoch
eine ausreichende Anzahl von Projektionen bei guter Auflösung erhalten
wird. Die Umlaufzeit kann hierdurch weiterhin verkürzt werden, wobei
eine Umlaufdauer von 50 ms und darunter ermöglicht wird.
-
Ist
der Fokus als Springfokus ausgebildet, wobei die Daten in zwei Detektorzeilen
geschrieben werden, so ist es vorteilhaft, wenn ein weiteres Target mit
einer Vielzahl einzelner Targetelemente vorgesehen ist, welches
um einen Viertelperiodenabstand gegenüber dem ersten Target versetzt
angeordnet ist. Hierdurch kann nach einem vollständigen Umlauf des Elektronenstrahls
von 360° eine äquidistante, dichte
Abtastung des zu untersuchenden Objekts erreicht werden, da der
Anteil des Umfangs, welcher eine Strahlenquelle darstellt, erhöht wird.
Zusammen mit den Projektionen der Gegenseite wird hierdurch eine
kontinuierliche Abtastung erreicht.
-
Um
die Bildqualität
zu verbessern und Rauschen durch Streustrahlung zu vermindern, ist
es vorteilhaft, wenn dem Detektor ein Streustrahlenraster mit Ringlamellen
zugeordnet ist. Die Ringlamellen können hierbei zueinander parallel
oder in einem Winkel exakt auf den Fokus hin ausgerichtet sein. Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn das Streustrahlenraster zwischen den Ringlamellen
in Umlaufrichtung des Elektronenstrahls elektromechanisch verstellbare
Querlamellen aufweist. Je nach Lage des momentanen Fokus können die
Querlamellen hierdurch optimal ausgerichtet werden. Vorzugsweise
beträgt
der Verstellwinkel der Querlamellen +/–34°. Der Verstellwinkel ist hierbei
abhängig
vom Durchmesser des Messfeldes, dem Abstand des Targetrings zum
Isozentrum und dem Abstand des Detektorrings zum Iso zentrum.
-
Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Photonenfluenz
einstellbar ist. Dies kann beispielsweise in bekannter Weise durch Veränderung
des Stromes des Elektronenstrahls erfolgen. Insbesondere ist es
vorteilhaft, wenn die Photonenfluenz für jede Fokusfläche individuell
einstellbar ist. Dies ermöglicht
eine optimale Anpassung der Photonenfluenz an die jeweiligen Messbedingungen. Vorzugsweise
wird hierbei die Photonenfluenz durch Regelung der Haltezeit des
Elektronenstrahls am einzelnen Fokus eingestellt. Der Computertomograph
kann hierdurch immer mit maximalem Strom und voller Leistung betrieben
werden, da die Fluenz am jeweiligen Fokus lediglich durch die Haltezeit
gesteuert ist.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Photonenfluenz an jeder Fokusfläche durch
eine Durchstrahlungskammer individuell messbar ist. Hierbei kann
jeder Fokusfläche
eine eigene Durchstrahlungskammer zugeordnet sein, oder es ist eine
gemeinsame Durchstrahlungskammer angeordnet. Hierdurch kann die
Modulation der Photonenfluenz in einfacher Weise unterstützt und
messtechnisch registriert werden.
-
Nach
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die
Haltezeit des Elektronenstrahls in Abhängigkeit eines Dosiseintrages
der dem jeweiligen Fokus zugeordneten Detektorelemente regelbar.
Der Elektronenstrahl wandert erst dann weiter, wenn die notwendige
Photonenzahl in den Detektoren registriert ist. Hierdurch kann bei
stationärem
Fokus die Fluenz nach unterschiedlichen Kriterien jeweils optimal
eingestellt werden.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn im Messfeld eine Region of Interest vorbestimmbar
ist, für
welche die Messbedingungen, insbesondere die Photonenfluenz optimal
einstellbar ist. Die Photonenfluenz wird hierbei durch die Dosiseinträge der der
Region of Interest zugeordneten Detektoren bestimmt.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der Abstand des Fokus zu einem Isozentrum bis zu 100
cm beträgt.
Hierdurch sind weitergehende medizinische Anwendungen möglich. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Abstand des Fokus zu dem Isozentrum
an Dimensionen des Messobjektes anpassbar ist. Der Abstand kann
beispielsweise von 130 mm bis 1.000 mm betragen. Dies ermöglicht eine
optimale Prüfung
verschiedenster Messobjekte. Da bei dem erfindungsgemäßen Computertomographen
keine rotierenden Teile mehr vorhanden sind, kann der Abstand in
einfacher Weise entsprechend der Erfordernisse des Messobjektes
ausgelegt werden. Der Computertompgraph kann hierdurch auf die verschiedensten technischen
und medizinischen Messzwecke abgestimmt werden.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der ringförmige
Detektor axial versetzt zu dem ringförmigen Target angeordnet ist.
Um den Detektor optimal in Bezug auf den Strahlengang anzuordnen,
kann dieser auch leicht geneigt angeordnet werden, um ein annähernd senkrechtes
Auftreffen der Röntgenstrahlung
sicherzustellen.
-
Um
verminderte Bildqualität
durch Streustrahlung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn zwischen
dem Detektor und dem Target eine geräteinterne Abschirmung vorgesehen
ist.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn dem ringförmigen Target wenigstens ein
Festblendenring zugeordnet ist. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn
dem ringförmigen
Target eine in vorzugsweise in drei Ebenen verstellbare Blende zugeordnet
ist. Hierdurch kann der Strahl in optimaler Weise seitlich begrenzt
werden.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Komponenten des Computertomographen
in einem torsionssteifen Tragrahmen angeordnet sind. Hierdurch sind
sowohl verschiedene Kippungen als auch sogar ein horizontaler Betrieb
mit sitzenden Patienten denkbar.
-
Um
verschiedene Kippungen zu ermöglichen,
ist der Computertomograph vorteilhafterweise drehbar in einem Gestell
angeordnet. Dies ermöglicht
eine jeweils optimale Darstellung des zu scannenden Objekts. Bevorzugt
ist eine Vorrichtung zur Drehung des Computertomographen, beispielsweise ein
Stellmotor, an dem Gestell vorgesehen.
-
Vorzugsweise
ist der Computertomograph um eine horizontale Drehachse parallel
zu dem ringförmigen
Target drehbar. Die Drehachse verläuft bevorzugt durch das Isozentrum
des Strahlenbündels. Hierdurch
ist es möglich,
die gewohnten Tilt-Winkel zu realisieren.
-
Aufgrund
der torsionssteifen Tragringstruktur kann der Computertomograph
in beliebigen Raumpositionen betrieben werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn
dem Computertomographen eine Einrichtung zugeordnet ist, mittels
welcher dieser frei im Raum bewegbar ist. Diese Einrichtung kann
beispielsweise als Kran oder Roboterarm ausgeführt sein. Der gesamte Computertomograph
kann hierdurch frei im Raum geschwenkt und platziert werden.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn zur Positionierung des Computertomographen
im Raum die Einrichtung rechnergesteuert ist. Hierdurch ist der Computertomograph
exakt in Bezug auf das Messobjekt positionierbar. Dies ermöglicht Untersuchungen
und Behandlungen unter Röntgenkontrolle.
Ein Einsatz bei Operationen ist ebenso möglich. Der Computertomograph
kann rechnergesteuert an dem Operationstisch platziert und derart
verkippt werden, dass die gewünschte
Körperregion
jeweils optimal darstellbar ist. Zugleich ermöglicht die Kippung eine optimale
Zugänglichkeit
des Operationssitus.
-
Der
erfindungsgemäße Computertomograph kann
vorteilhafterweise mit einem weiteren Gerät, beispielsweise einem Gerät zur Tomotherapie
oder bildgebenden Systemen wie z. B. einem PET verbunden werden.
Weist das Gerät
ebenfalls eine Ringstruktur auf, so können die beiden Geräte in einem
einzigen Gerät
vereinigt werden.
-
Hierbei
ist es vorteilhaft, wenn während
einer Strahlentherapie eine Computertomographie durchführbar ist.
Hierdurch kann während
der Strahlenbehandlung eine computertomographische Erfassung des
Zielvolumens in bestimmten Zeitabständen oder kontinuierlich erfolgen.
Durch die radiologische Kontrolle kann die Strahlentherapie in optimaler
Weise durchgeführt
werden, da Geräteparameter
des Strahlentherapiegerätes
nachjustiert werden können. Ebenfalls
ist eine Nachführung
von Bewegungen des Zielvolumens möglich.
-
Besonders
vorteilhaft ist es bei einem derartigen kombinierten Gerät, wenn
ein Strahlentherapiegerät
axial versetzt zwischen dem ringförmigen Target und dem ringförmigen Detektor
des Computertomographen angeordnet ist. Durch eine entsprechende
Neigung bzw. einen entsprechenden Anschnittwinkel der Fokusflächen des
Computertomographen ist es möglich,
Bilder genau aus dem Isozentrum des kombinierten Gerätes bzw.
der bestrahlten Region aufzunehmen, so dass eine optimale Kontrolle
der durchzuführenden
Strahlenbehandlung möglich
ist. Der Detektorring wird hierbei in seiner Neigung auf den Winkel
des Zentralstrahles des Strahlenbündels angepasst, so dass ein
senkrechtes Auftreffen der Strahlen auf die Detektorelemente gesichert
ist.
-
In
technischen Einsatzgebieten ermöglicht die
rechnergesteuerte Positionierung des Computertomographen beispielsweise
durch einen Roboterarm die automatisierte Durchführung von Messungen in verschiedenen
Raumrichtungen.
-
Insbesondere
wenn der Computertomograph nicht nur im stationären Betrieb Verwendung finden
soll, ist es vorteilhaft neben der für die Erstmontage üblichen
Einstellmöglichkeiten
auch einfach bedienbare Justiermöglichkeiten
für die
Röntgenstrahlenquelle,
das Target und den Detektor zueinander und/oder in Bezug auf das
Isozentrum vorzusehen.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der Computertomograph zum mobilen Einsatz
vorgesehen ist. Hierdurch ist insbesondere bei technischen Anwendungen
eine Überprüfung von
Bauteilen vor Ort möglich,
was insbesondere bei großtechnischen
Anlagen von Vorteil ist. Für
den mobilen Einsatz ist lediglich eine entsprechende Spannungsversorgung
bereitzustellen.
-
Weitere
Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgend ausgeführten Beispiele
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Computertomographen,
-
2 eine
Schnittdarstellung durch die ringförmige Röntgenstrahlquelle und den zugeordneten, ringförmigen Detektor,
-
3 eine
schematische Darstellung eines ringförmigen Targets mit Sägezahnelementen
in einer Draufsicht und einer Seitenansicht,
-
4 eine
schematische Darstellung eines als Doppelfokusring ausgebildeten
Targets mit Mitteln zur Führung
und zur Umlenkung des Elektronenstrahls,
-
5 eine
schematische Schnittdarstellung eines Strahlführungsrohres mit Kühlmittelkanälen und
Doppelfokusring,
-
6 eine
schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Computertomographen mit
zwei axial versetzten Röntgenstrahlenquellen,
-
7 eine
Draufsicht auf die Targetelemente und die Ablenkvorrichtungen eines
weiteren erfindungsgemäßen Computertomographen
für medizinische
Anwendungen,
-
8 eine
schematische Darstellung der ringförmigen Struktur eines erfindungsgemäßen Computertomographen
für technische
Anwendungen,
-
9 eine
schematische Darstellung der Anordnung von Durchstrahlungstargets
eines Computertomographen für
technische Anwendungen und
-
10 eine
schematische Darstellung der Anordnung von Durchstrahlungstargets
und Ausgleichskörper.
-
1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Computertomographen 1 in
einer schematischen Schnittdarstellung durch die Symmetrieachse
der Struktur. Der Computertomograph 1 besteht aus einer
ringförmigen
Struktur, in welcher die wesentlichen Bauteile des Computertomographen
wie die Röntgenstrahlenquelle 5 und
ein ringförmiger
Detektor 6 angeordnet sind. Die ringförmige Struktur umschließt hierbei
ein Messfeld 7, welches durch ein sich konzentrisch drehendes
Röntgenstrahlenbündel 8 durchstrahlt
werden kann. Im Zentrum der Ringstruktur befindet sich das Isozentrum 9 der
Anordnung, in welchem ein Messobjekt (hier nicht dargestellt) platziert
werden kann. Die Röntgenstrahlen
treffen schließlich
auf einen gegenüberliegend
angeordneten Detektor 6, welcher in bekannter Weise aus
einer Vielzahl aneinandergereihter Detektorelemente besteht, auf.
Der Detektor 6, die Röntgenstrahlenquelle 5 sowie
die hier nicht dargestellte Elektronenquelle zur Erzeugung ei nes
Elektronenstrahles sind hierbei stationär ausgebildet, so dass der
Computertomograph 1 keinerlei bewegte Bauteile aufweist.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung des Schnittes im Bereich der Röntgenstrahlenquelle 5 und
des Detektors 6 in einer Detaildarstellung. Der Computertomograph 1 weist
einen ringförmigen,
torsionssteifen Tragrahmen 11 auf, an welchem die Bauteile
des Computertomographen angeordnet sind. An dem Tragrahmen 11 ist
ein Strahlführungsrohr 12 angeordnet,
in welchem ein Elektronenstrahl 13 auf einer Kreisbahn
umläuft.
Der Elektronenstrahl 13 ist durch Mittel zur Führung des
Elektronenstrahles (siehe 4) auf einer
Kreisbahn gehalten. An dem Strahlführungsrohr 12 ist
weiterhin ein im wesentlichen ringförmiges Target 14 angeordnet,
in welchem beim Auftreffen des umgelenkten Elektronenstrahles 13 in
bekannter Weise die Röntgenstrahlung erzeugt
wird. Das Target ist an der Außenwand
des Strahlführungsrohres 12 angeordnet.
Das erzeugte Röntgenstrahlenbündel 8 wird
für eine
optimale Strahlführung
mehrfach durch Blenden, welche als Festblendenringe 15 oder
auch verstellbare Blenden 17 ausgeführt sein können, geformt. Axial versetzt
zu dem ringförmigen
Strahlführungsrohr 12 mit
Target 14 ist ein feststehender Detektor 6, welcher
ebenfalls ringförmig
ausgebildet ist, angeordnet. Um fehlerhafte Auswertungen durch Streustrahlung
zu vermeiden, ist zwischen dem Detektorring 6 und dem Target 14 eine
geräteinterne
Abschirmung 16 angeordnet.
-
Der
Detektor 6 wird entsprechend der Neigung des Zentralstrahles
des Strahlenbündels
leicht geneigt angeordnet, um ein annähernd senkrechtes Auftreffen
der Röntgenstrahlung
sicherzustellen.
-
Nach
einer hier nicht gezeigten Ausführungsform
der Erfindung kann das Computertomographiegerät mit einem Gerät zur Strahlentherapie kombiniert
werden. Bevorzugt wird hierbei die Gantry des Strahlentherapiergerätes zwischen
dem ringförmigen
Target 14 und dem Detektorring 6 angeordnet. Durch
eine entsprechende Neigung der Fokusflächen kann das Strahlenbün del exakt
auf die zu behandelnde Region ausgerichtet werden; die Neigung des
Detektors 6 ist hierbei auf den Verlauf des Zentralstrahles
abzustimmen. Hierdurch ist eine optimale radiologische Kontrolle
der Behandlung möglich.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das im wesentlichen ringförmige
Target 14 eine Vielzahl diskreter Fokusflächen 20 aufweist
(3). Parallel und konzentrisch zu dem ringförmigen Target 14 läuft in dem
Strahlführungsrohr
(hier nicht dargestellt) ein Elektronenstrahl 13 auf einer
Kreisbahn um. Der Elektronenstrahl 13 ist durch Mittel
zur Führung
des Elektronenstrahles auf der Kreisbahn gehalten. Durch Mittel 21 zur
Ablenkung des Elektronenstrahles 13 wird der Elektronenstrahl 13 jeweils
auf die Fokusflächen 20 gelenkt.
Die Abtastung des Targets 14 durch den Elektronenstrahl 13' erfolgt somit
nicht kontinuierlich umlaufend, sondern diskontinuierlich an genau
festlegbaren Punkten. Hierdurch ist es möglich, die Bildqualität im Vergleich
zum Stand der Technik zu verbessern, da der am Detektor 6 detektierten
Strahlung jeweils ein exakter Ort auf der Fokusfläche 20 zugeordnet
werden kann. Die Fokusflächen 20 sind
bevorzugt in einem Winkel zur Ebene der Kreisbahn angeordnet, in
der hier gezeigten Darstellung 58°.
Hierdurch muss der ringförmig
umlaufende Elektronenstrahl 13 jeweils lediglich um den Ablenkwinkel β, vorliegend
32°, abgelenkt
werden. Das erzeugte Röntgenstrahlenbündel 8 wird
hierbei im wesentlichen senkrecht zu dem eintretenden Elektronenstrahl 13' abgestrahlt,
wie in der Seitenansicht (rechte Darstellung) der 3 erkennbar. Durch
den Winkel β der
Fokusflächen
kann der Querschnitt des abgestrahlten Röntgenstrahlenbündels 8 vorteilhaft
reduziert werden.
-
Wie
in der Seitenansicht der 3 erkennbar, weisen die Fokusflächen 20 zudem
einen Anschnittwinkel α zur
Achse des ringförmigen
Targets auf. In der hier gezeigten Darstellung beträgt der Anschnittwinkel α 12°. Hierdurch
verkürzt
sich der Querschnitt des abgestrahlten Bündels auf ca. 1/5, wie der Zeichnung
zu entnehmen ist.
-
Wie
in der Draufsicht (linke Darstellung) der 3 ersichtlich,
weist das Target 14 eine gestufte Ringstruktur mit Sägezahnelementen 23 auf.
Die Teilung der Sägezahnelemente 23 entspricht
hierbei zumindest einer 2°-Teilung
des Vollkreises. Im Vergleich zum Stand der Technik wird hierbei
anstelle eines kontinuierlich laufenden Bildes eine Vielzahl stehender
aneinandergereihter Bilder erhalten, was eine Verbesserung der Qualität der Rekonstruktion
ermöglicht.
Zugleich ist es hierdurch möglich,
die Strahlenbelastung für
den Patienten zu reduzieren.
-
Das
Target 14 besteht vorzugsweise aus einer Wolframlegierung;
es ist jedoch ebenso möglich, lediglich
ausreichend große
Wolframplättchen,
welche eine Vielzahl einzelner Targetelemente bilden, auf jeweils
einem Sägezahnelement 23 eines
gestuften ringförmigen
Trägers
anzuordnen. Der Träger kann
an dem Strahlführungsrohr 12 angebracht
sein oder aber einteilig mit diesem ausgebildet sein. Die einzelnen
Targetelemente können
auswechselbar auf dem Träger
angeordnet sein, so dass diese nach Abnutzung ausgewechselt werden
können,
während der
Träger
weiterverwendet werden kann. An dem Träger können auch Halterungen für die Targetelemente
vorgesehen sein, welche gleichzeitig eine Lochblende sowie seitliche
Abschirmungen aufweisen. Der Austausch der Targetelemente kann hierdurch
sehr einfach gestaltet werden. Hierdurch sind deutliche Kosteneinsparungen
möglich,
da der Verbrauch an kostspieligem Wolfram geringgehalten wird.
-
Bevorzugt
weist das Target 14 361 oder 721 Stufen auf, wobei bei
mehr Stufen eine höhere
Auflösung
der gewonnen Bilder zu erwarten ist. Wie in 3 oder auch
der folgenden 4 ersichtlich, ist je Sägezahnelement 23 jeweils
ein Mittel 21 zur Ablenkung des Elektronenstrahles vorgesehen.
Der Träger
des Targets 14 kann bevorzugt aus einem kostengünstigen
Kupfermaterial ausgeführt
werden, welches zudem für
eine gute Wärmeableitung
aus dem Bereich des Targets 14 sorgt.
-
Um
die Korrosion des Targets 14 gering zu halten, ist es vorteilhaft,
den Fo kus 24 auf der Fokusfläche 20 um einige Fokusbreiten
wandern zu lassen. Dies kann durch gezielte Ansteuerung der Mittel
zur Ablenkung 21 erreicht werden. Vorzugsweise ist hierzu
den Mitteln zur Ablenkung 21 eine Elektronenlinse 26 zugeordnet,
wie in 4 ersichtlich. Hierdurch kann der Abbrand des
Targetmaterials reduziert und die Lebensdauer verlängert werden.
-
Wie
in 2 ersichtlich, weist das Strahlführungsrohr 12 Kühlmittelkanäle 27 auf,
welche durch ein Kühlmedium,
insbesondere Wasser, durchströmbar
sind. Hierdurch lässt
sich eine besonders gute Wärmeabfuhr
aus dem Bereich des Targets 14 realisieren. Durch die umlaufende
Wasserkühlung
kann zugleich der Temperaturgradient auf dem Radius gering gehalten
werden. Insbesondere bei größeren Durchmessern
kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Kühlkanäle 27 separat beaufschlagbar
sind.
-
5 zeigt
ebenfalls ein Strahlführungsrohr 12 mit
Kühlmittelkanälen 27.
Das Strahlführungsrohr ist
hierbei aus mehreren scheibenförmigen
Ringelementen zusammengesetzt, in welche die Kühlmittelkanäle 27 als Nuten eingebracht
sind. Die Trennlinie 18 ist hierbei in den Bereich der
neutralen Faser gelegt, um Probleme durch Verzug zu vermeiden. Zwischen
den paarweise zusammengesetzten Ringelementen entsteht ein Hohlraum 19,
in welchem im Vakuum der Elektronenstrahl 13 umläuft und
das Target 14 angeordnet ist.
-
Die
Ausbildung des ringförmigen
Targets 14 als Doppelfokusring zeigt 4.
Das Target 14 kann hierbei wie unter 3 beschrieben
mit Wolframplättchen
oder vollständig
aus Wolfram ausgebildet sein, weist jedoch beidseitig eine gestufte
Ringstruktur mit Sägezahnelementen 23 auf.
Ist das Target 14 als Doppelfokusring ausgebildet, kann
die Auflösung der
erzeugten Bilder durch einfache Maßnahmen erheblich verbessert
werden. Das Strahlführungsrohr 12 ist
in diesem Fall, wie in 5 ersichtlich, mit zwei ringförmigen Elektronenstrahlen 13 durchsetzt.
Die Elektronenstrahlen 13 laufen parallel zueinander und axial
versetzt zum Targetring 14 auf einer Kreisbahn um. Auch
in 4 ist das Target 14 sowie die Ablenkung
des Elektronenstrahles 13 und die Erzeugung der Röntgenstrahlenbündels 8 jeweils
in einer Draufsicht (linke Darstellung) und einer Seitenansicht (rechte
Darstellung) gezeigt. Die Elektronenstrahlen 13 werden
durch Mittel 22 zur Führung
des Elektronenstrahles 13 auf der Kreisbahn geführt. Die
Mittel zur Führung 22 des
Elektronenstrahles 13 können hierbei
durch Spulen oder bevorzugt durch Umlenkmagnete gebildet sein. Vorzugsweise
ist die Anzahl der Umlenkmagnete identisch zu der Zahl der Sägezahnelemente 23,
es kann jedoch auch eine andere Anzahl an Umlenkmagneten vorhanden
sein. Alternativ ist auch die Führung
der Elektronen durch Spulen möglich,
was jedoch einen erhöhten
Platzbedarf erfordert.
-
Die
Mittel zur Führung 22 des
Elektronenstrahles 13 auf der Kreisbahn sind in der gezeigten Darstellung
zugleich als Mittel zur Ablenkung 21 des Elektronenstrahles 13 ausgebildet.
Hierzu weisen die Umlenkmagnete jeweils eine Kickvorrichtung auf, welche
magnetisch oder elektrostatisch ausgeführt sein kann. Die Kickvorrichtungen
lenken den Elektronenstrahl 13 jeweils auf die diskreten
Fokusflächen 20 ab.
Vorzugsweise ist der Kickvorrichtung eine Elektronenlinse 26 zugeordnet,
welche den umgelenkten Elektronenstrahl 13' entsprechend der gewünschten
Fokusgröße formt.
Hierdurch lässt
sich, insbesondere in Verbindung mit den Winkeln der Fokusflächen 20,
ein vorteilhafter kleiner Fokus 24 erreichen, welcher vom
Isozentrum aus gesehen nur 1 mm in beiden Dimensionen beträgt.
-
Zur
Erzeugung des zweiten Elektronenstrahles 13 kann der Elektronenquelle
eine Weiche zugeordnet sein. Die Weiche kann in bekannter Weise durch
einen Umlenkmagneten mit Kickvorrichtung gebildet sein. Alternativ
kann jedoch auch der Computertomograph 1 zwei Elektronenquellen
umfassen.
-
Die
hier nicht dargestellte Elektronenquelle ist vorzugsweise als Elektronenkanone
ausgeführt und
speist den Elektronenstrahl 13 mittels elektronenoptischer
Elemente tangential ein. Die Elektronenkanone ist hierbei außerhalb der
Röntgenstrahlenquelle
angeordnet und kann daher beliebig ausgeführt werden. Auch das Anbringen
einer zweiten Elektronenkanone ist daher ohne Probleme möglich. Die
Elektronenkanone kann hierbei nach Art einer thermischen Kathode
oder auch als Elektronenbeschleuniger ausgeführt sein. Für medizinische Anwendungen
weisen die Elektronen kinetische Energien von etwa 80 bis 150 keV
auf. Ebenso ist jedoch auch die Untersuchung großer und kleiner technischer
Bauteile mit kinetischen Energien bis zu 1.000 keV möglich. Für bestimmte
technische Anwendungen können
jedoch auch Energien von über
1 MeV vorgesehen sein. Als Elektronenquelle kann dann ein Linearbeschleuniger
oder ein Microtron-Beschleuniger vorgesehen sein.
-
Ebenso
ist es auch möglich,
zwei axial versetzte Röntgenstrahlenquellen 5 in
dem Computertomographen 1 anzuordnen. 6 zeigt
einen Horizontalschnitt einen erfindungsgemäßen Computertomographen 1.
In der gezeigten Darstellung sind jeweils axial versetzt zwei Röntgenstrahlenquellen 5 mit
Strahlführungsrohren 12,
zwei ringförmigen
Targets 14, sowie den entsprechenden Mitteln zur Führung 22 und
Ablenkung 21 des Elektronenstrahls 13 in Richtung
auf das Target 14. Ebenso sind axial versetzt zwei Detektoren 6 angeordnet.
-
Eine
derartige Anordnung bietet insbesondere die Möglichkeit, die zweite Röntgenstrahlenquelle 5 auf
eine zweite Energie abzustimmen. Hierdurch kann simultan ein Volumenscan
mit zwei Energien gemessen werden (dual energy). Da jeweils einer Röntgenstrahlenquelle 5 ein
Detektor 6 zugeordnet ist, ist eine sehr schnelle Auswertung
der Daten möglich.
Es ist jedoch ebenso möglich,
die Transmissionen beider Röntgenstrahlenquellen 5 an
einem einzigen Detektor 6 zu messen, was eine kostengünstigere
Lösung
darstellt. Zum Betreiben des Computertomographen 1 mit
zwei verschiedenen Energien sind bevorzugt dem Computertomographen
zwei Elektronenquellen, insbesondere Elektronenkanonen zugeordnet.
Ebenso wird das Target 14 auf die unterschiedlichen Energien
abgestimmt.
-
Wie
in 2 ersichtlich, ist dem Detektor 6 ein
Streustrahlenraster 29 mit Ringlamellen 30 zugeordnet.
Hierdurch kann ein Rauschen vermindert werden und die Bildqualität erheblich
verbessert werden. Die Ringlamellen 30 können hierbei
in einfacher Weise parallel zueinander angeordnet sein. In einer bevorzugten
Ausführung
sind die einzelnen Ringlamellen 30 jeweils in einem bestimmten
Winkel exakt auf den Fokus 24 am gegenüberliegenden Target 14 ausgerichtet.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Streustrahlenraster 29 zwischen
den Ringlamellen 30 in Umlaufrichtung des Elektronenstrahles 13 elektromechanisch
verstellbare Querlamellen 31 aufweist. Das Streustrahlenraster 29 ist
hierbei nach Art eines Rechteckgitters ausgeführt. Die Querlamellen 31 können hierdurch
ebenfalls genau auf den Strahlenfokus ausgerichtet werden. Die elektromechanische
Steuerung kann beispielsweise in Piezotechnologie ausgeführt werden.
-
Durch
die verstellbaren Querlamellen 31 ist es möglich, die
Röntgenstrahlen 8 in
optimaler Weise auf den Detektor 6 zu leiten. Der Verstellwinkel
der Querlamellen ist hierbei vom Durchmesser des Messfeldes abhängig. In
Weiterentwicklung der Erfindung ist es denkbar, die verstellbaren
Querlamellen 31 um +/–90° zu verstellen,
um sie ganz zuzuklappen. Hierdurch können einzelne Detektorelemente des
Detektors 6 vor zu großer
Photonenfluenz geschützt
werden; insbesondere werden Detektoren außerhalb des Messkegels stumm
gestellt.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Computertomographen 1 mit
einer Vielzahl diskreter Fokusflächen 20 ist
es weiterhin möglich,
die Photonenfluenz für
jede Fokusfläche 20 individuell
einzustellen. Hierdurch ist es möglich,
die Photonenfluenz winkelabhängig
und abhängig
von der Absorption zu modulieren. In herkömmlichen Computertomographiegeräten erfolgt
die Modulation der Photonenfluenz durch Modulation des Röhrenstromes.
Durch die erfindungsgemäße Diskretisierung
des Targets 14 sowie die diskontinuierliche Abtastung ist
es mit dem erfindungsgemäßen Computertomographen 1 möglich, die
Photonenfluenz allein durch Regelung der Haltezeit des Elektronen strahls 13 am
einzelnen Fokus 24 einzustellen. Der Computertomograph 1 kann
hierbei immer mit maximalem Strom bei voller Leistung betrieben
werden.
-
Die
Haltezeit des Elektronenstrahls wird bevorzugt durch Messung der
Photonenfluenz am jeweiligen Fokus 24 geregelt. Weiterhin
ist es möglich, die
Haltezeit in Abhängigkeit
eines Dosiseintrages der dem jeweiligen Fokus 24 zugeordneten
Detektorelemente zu regeln. Der Elektronenstrahl 13 wandert in
diesem Fall erst weiter, wenn ein ausreichender Dosiseintrag erfolgt
ist.
-
Zur
Messung der Photonenfluenz ist, wie in 2 gezeigt,
eine Durchstrahlungskammer 33 außerhalb der Röntgenstrahlenquelle 5 angeordnet.
An Stelle einer Vielzahl von Einzelkammern 33 je Fokusfläche 20 ist
es jedoch auch möglich,
nur eine große ringförmige Kammer
einzusetzen. Da zeitgleich immer nur jeweils ein Fokus 24 Röntgenstrahlung 8 abstrahlt,
ist bei entsprechend gewählter
Zeitkonstante für
die Messung das Signal immer exakt einer Fokusfläche 20 zuordenbar.
Die Modulation der Photonenfluenz in Abhängigkeit des Dosiseintrages
am Detektor 6 sowie der jeweiligen Ladung am individuellen Fokus 24 ermöglicht es,
die Strahlendosis optimal an das Messobjekt anzupassen und hierdurch
die Strahlenbelastung für
Patienten erheblich zu reduzieren.
-
Der
erfindungsgemäße Computertomograph 1 ist
somit sowohl an das Messobjekt als auch verschiedenste Messaufgaben
im technischen und medizinischen Bereich anpassbar. Da in dem Computertomograph 1 keinerlei
bewegte Teile vorhanden sind, ist der Computertomograph 1 besonders
vielfältig einsetzbar.
Da an Stelle einer herkömmlichen
Röntgenröhre die
Elektronen in einer außerhalb
der Röntgenstrahlenquelle 5 angeordneten
Elektronenquelle erzeugt werden, können Elektronenstrahlen 13 verschiedenster
kinetischer Energien erzeugt werden. Für technische Messzwecke können somit
Elektronen mit kinetischen Energien zwischen 150 keV und 1000 keV
zur Verfügung
gestellt werden.
-
Weiterhin
ist es möglich,
die Photonenfluenz an den individuellen Fokusflächen 20 verschieden und
jeweils für
die Messbedingungen optimal einzustellen. So kann beispielsweise
im Messfeld 7 eine Region of Interest vorbestimmt werden,
und in dieser Region of Interest die Photonenfluenz für die Messbedingungen
optimal eingestellt werden. Hierdurch kann insbesondere das Quantenrauschen
und der Effekt der zu geringen Transmission (starvation) nach stark
absorbierenden Strukturen verringert werden. Die Fluenzen werden
hierbei durch die Dosiseinträge
der Detektoren 6 bestimmt.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Computertomographen 1 ist
es weiterhin möglich,
den Abstand des Fokus 24 zu dem Isozentrum 9 an
die jeweiligen Dimensionen des Messobjektes anzupassen. Der Abstand
kann hierbei im Bereich von 130 mm bis zu einigen Meter liegen.
Hierdurch können
insbesondere in technischen Anwendungen sowohl kompakte Bauteile
wie auch längliche
dünne Bauteile
in optimaler Weise geprüft
werden. Da der erfindungsgemäße Computertomograph 1 im
wesentlichen lediglich aus einer schlanken Ringstruktur besteht,
ist es in einfacher Weise möglich,
Messobjekte im Durchlaufverfahren zu prüfen.
-
Die
Ortsauflösung
des rekonstruierten „Bildes" der Schwächungswerte
des Objektes hängt
von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Einer davon ist die Abtastrate
pro Umlauf. Es genügt
dabei eine Abtastung um 180°,
da eine Abtastung in Gegenrichtung im Prinzip dieselbe physikalische
Information enthält.
Im Falle der diskretisierten Abtastung in z.B. ungefähr 1°-Schritten
ergeben sich somit 180 Projektionen des Objektes, die zur „Bildrekonstruktion" herangezogen werden
können.
Durch eine geschickte Anordnung des Targetrings, kann aber die Zahl
der unabhängigen
Projektion auch verdoppelt werden.
-
Die
bevorzugte Targetstruktur der Erfindung nutzt eine ungerade Zahl
von Targetflächen
pro 360°-Umlauf,
z.B. 361 oder 721. Diese erfindungsgemäße Anordnung erlaubt sowohl
einen „schnelleren" Scan über 180° mit ca.
180 bzw 360 Projektionen (geringere Patientendosis, geringere Ortsauflösung, geringerer
Rechenaufwand, etwas unschärferes
Ergebnis) als auch einen „langsameren" Scan mit halbem
Pitch mit etwa der doppelten Zahl an Projektionen, also 361 bzw.
721. Dies bedeutet für
den Patienten etwa die doppelte Dosis, höherer Rechenaufwand, aber auch
ein schärferes
Ergebnis sowie eine annähernd
artefaktfreie Rekonstruktion.
-
Es
liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung zusätzlich die gesamte Ringstruktur 2 in
kleinen Schritten im Bereich des Winkelabstandes der Targets, z.
B. 1° zu
drehen, um die Abtastung pro Umlauf im Prinzip beliebig zu steigern.
Hierdurch kann beispielsweise bei einem Target mit 361 Stufen in
einem Umlauf dennoch eine sehr viel höhere Auflösung erreicht werden. Diese
Ausführung
kann bei sehr hohen Anforderungen in der Materialuntersuchung von Vorteil
sein.
-
Durch
die schlanke Ringstruktur ohne bewegte Bauteile können jedoch
auch die medizinischen Anwendungen verbessert werden. So kann beispielsweise
bei medizinischen Anwendungen der Abstand des Fokus 24 zu
dem Isozentrum 9 bis zu 100 cm betragen. Weiterhin ist
es möglich,
den gesamten Computertomographen 1 durch geeignete Mittel
in verschiedene Arbeitspositionen zu bringen. Eine Festlegung auf
eine stehende Position ist nicht erforderlich. So ist es auch denkbar,
Untersuchungen an sitzenden Patienten durchzuführen. Da die Komponenten des
Computertomographen 1 in einer torsionssteifen Tragringstruktur
angeordnet sind, sind hierbei keinerlei Beeinträchtigungen der Bildqualität zu befürchten.
Ebenso ist es mittels dem erfindungsgemäßen Computertomographen 1 möglich, Operationen
unter Röntgenkontrolle
durchzuführen.
-
7 zeigt
eine Draufsicht auf die Targetelemente sowie die Ablenkvorrichtungen 21 eines
weiteren erfindungsgemäßen Computertomographen 1 für medizinische
Anwendungen. Die Darstellung entspricht der Draufsicht (linke Darstellung)
der 3. Im Unterschied zur Darstellung der 3 ist
hierbei neben dem Target 14, welches wie beschrieben aus einer
Vielzahl einzelner Targetelemente besteht, ein weiteres Target 14' vorgesehen,
welches ebenfalls aus einer Vielzahl einzelner Targetelemente mit
diskreten Fokusflächen 20 besteht,
angeordnet. Die einzelnen Targetelemente eines Targets sind hierbei
jeweils im Abstand a zueinander auf einer Kreisbahn angeordnet.
Das weitere Target 14' ist
derart angeordnet, dass die einzelnen Targetelemente jeweils um
einen Viertelperiodenabstand a/4 gegenüber den ersten Targetelementen
versetzt sind.
-
Eine
derartige Ausführung
ist vorteilhaft, wenn dem Fokus des Elektronenstrahls 13,
welcher hier durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist, zwei
Zeilen des hier nicht dargestellten Detektors 6 zugeordnet
sind. Werden die Daten des Fokus in zwei Zeilen geschrieben, ergibt
sich somit bereits die doppelte Anzahl an unabhängigen Projektionen.
-
Wird
nun zusätzlich
zu dem ersten Target 14 ein weiteres Target 14' um eine Viertelperiode
versetzt angeordnet, wobei dem zweiten Target 14' eine zweite
Detektorzeile zugeordnet ist, so kann hierdurch der Vollkreis vollständig mit
Strahlenquellen aufgefüllt
werden, wie unten stehend noch näher
erläutert
wird.
-
Die
einzelnen Targetelemente sind hier ebenso wie in der Darstellung
der 3 derart in Bezug auf den umlaufenden Elektronenstrahl 13 angeordnet,
dass sich ein Ablenkwinkel β von
32° ergibt. Zusätzlich weisen
die einzelnen Targetelemente einen Anschnittwinkel α von vorliegend
6° auf.
Mit einem entsprechend ausgebildeten Strichfokus, welcher in der
vorliegenden Ansicht nicht erkennbar ist, kann durch den Anschnittwinkel
von 6° ein
günstiger virtueller
Fokus erreicht werden.
-
Vorzugsweise
ist eine ungerade Anzahl an Targetelementen auf dem Umfang des Vollkreises verteilt,
so dass die Lücken
I zwischen den einzelnen Targetelementen jeweils durch einen Strahl
von der Gegenseite des Targetringes getroffen werden. Wie beschrieben
werden durch die Strahlen der Gegenseite des Ringes zusätzliche
unabhängige
Projektionen erhalten. Ist nun zusätzlich zu dem ersten Target 14 ein
weiteres Target 14' versetzt
angeordnet, so werden die beiden Targetelemente nacheinander durch
den jeweils entsprechend abgelenkten Elektronenstrahl 13' abgetastet.
Die Lücke
L, welche sich hierdurch zunächst
auf dem Umfang des Vollkreises ergibt, und von welcher zunächst noch
keine Informationen erhalten werden, wird schließlich während eines Umlaufs des Elektronenstrahls
durch die Strahlung der Targetelemente der gegenüberliegenden Seite gefüllt. Hierdurch
kann nach einem Umlauf des Elektronenstrahls von 360° eine äquidistante
dichte Abtastung des Objekts erreicht werden, wobei im Gegensatz
zur Anordnung nur eines Targets 14 (wie in 3 beschrieben)
jedoch die doppelte Anzahl an Projektionen erhalten wird.
-
Je
nach geometrischer Ausführung
der einzelnen Targetelemente und Wahl des Ablenkwinkels β kann hierdurch
auch eine vollständige
Abdeckung aller Winkelbereiche des Vollkreises erreicht werden, so
dass eine kontinuierliche Abtastung möglich ist. Aber auch wenn keine
kontinuierliche Abtastung erreicht wird, ist die äquidistante
Abtastung des Objektes durch die Strahlen der Gegenseite des Ringes sehr
vorteilhaft, um Artefakte durch die Lücken I zwischen den einzelnen
Targetelementen zu vermeiden.
-
Zugleich
kann durch die Anordnung eines zusätzlichen Targets 14' die instantane
Wärmelast reduziert
werden. Die Anordnung eines zusätzlichen Targets 14', welches um
eine Viertelperiode versetzt zu dem ersten angeordnet ist, ermöglicht es
darüber hinaus,
die Anzahl der einzelnen Targetelemente auf dem Target 14, 14' zu reduzieren.
Der Abstand a zwischen periodisch aufeinander folgenden Targetelementen
wird hierdurch etwas größer, so
dass mehr Bauraum für
die Ablenkelemente 21 und für die Elektronenoptik zur Verfügung steht.
Hierdurch wird es auch ermöglicht,
einen zusätzlichen
Ring mit Lochblenden anzuordnen, welcher den erzeugten Röntgen strahl
auch in der Ebene des Rings kollimiert.
-
Bei
einer entsprechenden Frequenz des Springfokus, mit welcher dieser
zwischen den einzelnen Zeilen hin und her springt, lassen sich somit
erheblich verkürzte
Scanzeiten erzielen. Umlaufzeiten von 50 ms und darunter können realisiert
werden. Bei entsprechender Anordnung der einzelnen Targetelemente
auf verschiedenen Targets 14, 14' ist darüber hinaus auch ein Oversampling
möglich,
d.h. eine doppelte Abdeckung des Vollkreises. Neben der verkürzten Scandauer
kann mittels der hier beschriebenen Ausführung auch die 3D-Auflösung, d.h.
die Auflösung
in allen drei Achsen verbessert werden. Zugleich kann der Dosiseintrag
in den Patienten vermindert werden, da mit einem Umlauf mehr Information erhalten
wird.
-
8 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Computertomographen 1 für technische
Anwendungen in einer Ansicht auf die ringförmige Struktur des Computertomographen 1. Die
Darstellung zeigt die Ringstruktur des Computertomographen 1,
wobei die einzelnen Targetelemente als Durchstrahlungstargets 35 ausgebildet
sind. Für die
Materialprüfung
größerer, schwererer
oder stark absorbierender Objekte sind im Gegensatz zu den medizinischen
Anwendungen kinetische Energien im Bereich von 1 bis 3 Megaelektronenvolt
erwünscht. Diese
können
mittels eines entsprechenden Beschleunigers, welcher als Linearbeschleuniger
oder Microtronbeschleuniger ausgeführt ist, in einer externen
Elektronenkanone erzeugt werden und beispielsweise, wie beschrieben,
tangential in das Strahlführungsrohr
eingespeist werden.
-
Da
bei derart hohen Energien das Maximum der Bremsstrahlung in Flugrichtung
der auftreffenden Elektronen auftritt, sind hierbei die Durchstrahlungstargets 35 derart
angeordnet, dass die erzeugte Röntgenstrahlung 8 in
Richtung auf das Isozentrum 9 des Computertomographen 1 abgegeben
wird. Der Elektronenstrahl 13 läuft hierbei nicht parallel
zum Targetring, sondern auf einer Kreisbahn mit einem größeren Radius
als der Targetring um.
-
Die
Ablenkvorrichtungen 21 sind hierbei derart ausgebildet,
dass der Elektronenstrahl 13 vor dem Target jeweils um
90° umgelenkt
wird, damit die Elektronen möglichst
radial in Richtung auf das Zentrum einfallen. Im Gegensatz zu den
vorbeschriebenen Ausführungen
wird hierbei nur ein Punktfokus erzeugt.
-
In
Strahlrichtung nach den Durchstrahltargets 35 sind jeweils
Ausgleichskörper 36 angebracht, welche
beispielsweise aus Edelstahl bestehen. Diese halten die Intensität der Röntgenstrahlung über dem
Field of View annähernd
homogen. Um die Ausgleichskörper 36 klein
zu halten und ohne Überlappung
unterzubringen, werden sie auf einem Ring (hier nicht dargestellt)
dicht hinter den Durchstrahltargets 35 angebracht, wobei
der Ring eine Art Sägezahnstruktur
aufweist.
-
Nach
einer weiteren, hier nicht dargestellten, Ausführung der Erfindung kann es
auch vorteilhaft sein, mehrere Durchstrahltargets 35 (beispielsweise drei
Targets) mit einer Umlenkvorrichtung 21 zusammenfassen.
Der Elektronenstrahl 13' wird
hierbei abwechselnd aus der reinen 90° Umlenkung auch auf die anderen
Targets hin gelenkt. Hierdurch kann die Anzahl der Ablenkvorrichtungen 21 bzw.
Kickvorrichtungen reduziert werden, so dass für die Konstruktion der Umlenkung
und Fokussierung mehr Platz zur Verfügung steht.
-
Für den Betrieb
mit derart hohen Energien müssen
die Detektoren 6 entsprechend angepasst werden, wobei vorzugsweise
Festkörperdetektoren angewendet
werden. Die weiteren Bauelemente sind hier nicht dargestellt und
entsprechen im Wesentlichen den bereits beschriebenen für medizinische
Anwendungen mit geringeren Energien. Jedoch ist eine verbesserte
Abschirmung gegen Streustrahlung erforderlich, wozu ein Streustrahlungsraster 29,
wie in 2 beschrieben, angeordnet werden kann, welches
vorzugsweise aus starren Metallringen, beispielsweise aus Wolfram
besteht. Ebenso ist auch die Abschirmung der gesamten Struktur gegen
die Durchlassstrahlung entsprechend zu gestalten. Weiterhin sind
auch die Blenden an die höhere
Durchdringung der harten Strahlung anzupassen, so dass vorzugsweise Wolframblenden
eingesetzt werden.
-
Der
Computertomograph 1 kann hierbei in seinen Dimensionen
auch an die Untersuchung sehr großer Objekte angepasst werden.
So kann der Durchmesser des ringförmigen Targets 14 auch
in Größenordnungen
von bis zu 8 m liegen, wobei beispielsweise 601 einzelne Targetelemente
auf dem Umfang angeordnet sind. Hierbei besteht auch die Möglichkeit,
das ringförmige
Target 14 in Form eines Polygonzugs aus einzelnen, geraden
Teilsegmenten auszubilden, da diese insbesondere bei den genannten
Dimensionen leichter herzustellen sind. Hierbei ist dann jeweils
eine bestimmte Anzahl einzelner Targetelemente auf einem geraden
Teilsegment angeordnet. Die einzelnen Teilsegmente werden schließlich vakuumdicht
miteinander verbunden.
-
9 zeigt
eine schematische Darstellung der Anordnung von Durchstrahlungstargets 35 eines Computertomographen 1 für technische
Anwendungen. Wie unter 8 beschrieben, sind für technische
Anwendungen mit hohen Elektronenenergien die einzelnen Targetelemente
als Durchstrahlungstargets 35 ausgebildet. Der Elektronenstrahl 13 läuft hierbei
wie beschrieben auf einer Kreisbahn mit einem größeren Radius als dem der Durchstrahlungstargets 35 um
und wird von dort jeweils um 90° in Richtung
auf das Isozentrum 9 der Vorrichtung umgelenkt. In der
vorliegenden Darstellung ist dies durch die Punkte auf den Durchstrahlungstarget 35 angedeutet.
-
Auch
bei einer Ausführung
des Computertomographen 1 für hohe Energien ist eine dichte
Abtastung, d.h. Projektionen aus möglichst jedem Winkelbereich
des Vollkreises, erwünscht.
Da in Strahlrichtung hinter den Durchstrahlungstargets 35 jeweils noch
ein Ausgleichskörper 36 anzuordnen
ist, welcher zwangsläufig
auf einem kleineren Radius liegt, kann es bei dichter Anordnung
der Durchstrahlungstargets 35 zu Platzproblemen der Ausgleichskörper 36 kommen.
Vorliegend sind daher die einzelnen Durchstrahlungstargets 35 um
45° zum
Elektronenstrahl 13 geneigt angeordnet.
-
Die
Ausgleichskörper 36,
welche in der vorliegenden Darstellung nicht sichtbar sind, sind
hierbei in Form eines Dreikants ausgebildet und sind ebenfalls in
einem Winkel von 45° in
Bezug auf den umlaufenden Elektronenstrahl 13 angeordnet.
Durch die Ausbildung in Form eines Dreikants können die Ausgleichskörper 36 trotz
einer dichten Anordnung von Durchstrahlungstargets 35 platziert
werden. Als Ausgleichskörper
wirksam wird hierbei ein Schnitt des Dreikants mit einem Schnittwinkel
von 45°.
Die Anordnung der Ausgleichskörper 36 in
Bezug auf die Durchstrahlungstargets 35 zeigt 10 in
einer schematischen Darstellung, wobei eine Ansicht in Blickrichtung
des Pfeiles P der 9 dargestellt ist.
-
Zusätzlich kann
das Durchstrahlungstarget 35 quer im Winkel von 45° gescannt
werden, wie durch die Linie 35 angedeutet. Zusätzlich zu
dem Umlenkvorrichtungen 21 sind bei dieser Ausführung zusätzliche
Scanningmagnete (hier nicht dargestellt) zwischen dem umlaufenden
Elektronenstrahl 13 und dem Durchstrahlungstarget 35 angeordnet.
Die Auflösung
des erzeugten Bildes kann hierdurch verbessert werden.
-
Nach
einer weiteren Variante kann auch hierbei der Fokus als Springfokus
ausgebildet sein, wobei die Daten in zwei oder auch mehrere Detektorzeilen
geschrieben werden. Die Bahnen des Springfokus sind durch die Linien 39 angedeutet.
-
Somit
ist es auch bei Computertomographen 1 mit hohen Energien
möglich,
den Vollkreis nahezu vollständig
abzutasten und die Auflösung
zu optimieren.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen und
Kombinationen im Rahmen der Patentansprüche fallen ebenfalls unter
die Erfindung.