DE102007040778B4

DE102007040778B4 - Anordnung zur Röntgen-Computertomographie mit elektromagnetisch abgelenktem Elektronenstrahl

Info

Publication number: DE102007040778B4
Application number: DE102007040778.7A
Authority: DE
Inventors: Martina Bieberle; Uwe Hampel; Eckhard Schleicher
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: DE102007040778A1

Abstract

Anordnung zur Röntgen-Computertomographie eines sich entlang einer axialen Richtung bewegenden Objektes mittels eines elektromagnetisch abgelenkten Elektronenstrahls mit teil- oder vollkreisförmigen Röntgendetektoren aus aneinander gereihten Einzeldetektoren, Mitteln zur Erzeugung, Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahls (3), und Targets zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, wobeia. die Anordnung eine feststehende erste Target-Detektor-Einheit mit einem ersten Target (6) und einem ersten Röntgendetektor (4) aufweist, wobei die Brennfleckbahn (8) des ersten Targets (6) und der erste Röntgendetektor (4) ganz innerhalb einer ersten axialen Tomographieebene liegen,b. die Anordnung eine feststehende zweite Target-Detektor-Einheit mit einem zweiten Target (7) und einem zweiten Röntgendetektor (5) aufweist, wobei die Brennfleckbahn (9) des zweiten Targets (7) und der zweite Röntgendetektor (5) ganz innerhalb einer zweiten axialen Tomographieebene mit einem festen axialen Versatz zu der ersten axialen Tomographieebene liegen, sodass das sich in der axialen Richtung bewegende Objekt sich durch die erste und die zweite Tomographieebene bewegt, wobeic. die Anordnung zum tomographischen Erfassen einer Schnittebene des Objektes derart ausgebildet ist, dass von ihr bei Durchlaufen der Schnittebene durch die erste Tomographieebene ein erster Tomographiedatensatz der Schnittebene erfasst wird, bei Durchlaufen der Schnittebene durch die zweite Tomographieebene ein zweiter Tomographiedatensatz der Schnittebene erfasst wird, und der erste und der zweite Tomographiedatensatz zu einem kombinierten Tomographiedatensatz der Schnittebene kombiniert werden.

Description

Die Röntgen-Computertomographie mit elektromagnetisch abgelenktem Elektronenstrahl, auch als Elektronenstrahl-Röntgen-(Computer-)tomographie bezeichnet, ist ein Bildgebungsverfahren, bei dem die mechanischen Teile des Messsystems, das heißt Röntgentarget und Röntgendetektor, statisch angeordnet sind und ein schnell beweglicher Röntgenbrennfleck auf einem Metalltarget durch einen im Vakuum geführten und elektromagnetisch abgelenkten Elektronenstrahl erzeugt wird.
Dadurch ist die Aufnahme einer sehr schnellen Tomographiebildfolge möglich, die die Abbildung sich schnell bewegender Objekte oder transienter Prozesse ermöglicht. Ein teilkreisförmiger Röntgendetektor erfasst die durch ein Untersuchungsobjekt transmittierende 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 Computertomographie-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 muss. 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-Röntgen-Computertomographie sind zum Beispiel in den Schriften US 4 352 021 A und US 5 504 791 A beschrieben.
Der axiale Versatz führt zu Abbildungsfehlern, die minimiert werden können, wenn der axiale Versatz konstruktiv möglichst klein gehalten wird. Für medizinische Elektronenstrahl-Computertomographen 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-Computertomographen mit kleinem Durchmesser des Targets und des Röntgendetektorbogens sind dieser Variante konstruktive Grenzen gesetzt.
In US 2003 / 0 161 434 A1 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-Computertomographie-Aufnahme realisieren. Nachteilig an dieser Anordnung ist die sehr komplexe Form von Target und Röntgendetektor, die hohe Kosten verursacht.
In DE 103 56 601 A1 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.
In DE 103 02 565 A1 sind Röntgen-Computertomographiegeräte mit wenigstens zwei um eine gemeinsame Rotationsachse rotierenden Strahler-Detektor-Kombinationen beschrieben, wobei die beiden Strahler-Detektor-Kombinationen zum Abtasten unterschiedlich großer Messfelder geeignet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Röntgen-Computertomographie anzugeben, die ohne einen axialen Versatz zwischen Brennfleckbahn und Röntgendetektorbogen auskommt und dennoch einen im Sinne der tomographischen Bildrekonstruktion vollständigen Projektionsdatensatz liefert.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Realisierung einer in axialer Richtung versatzfreien Röntgen-Computertomographie für einen Computertomographen-Scanner mit feststehendem Quell-Detektor-Verbund. Im Hinblick auf heute in der Praxis verwendete Computertomographie-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 Computertomographie-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 Computertomographie-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. Voraussetzung für die Aufnahme eines vollständigen Projektionsdatensatzes ist dabei eine axiale Bewegung des Objektes, wie sie zum Beispiel auf Transportbändern oder bei Rohrströmungen auftritt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigt

1: eine dreidimensionale Ansicht der Anordnung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung. Diese besteht aus einem Elektronenstrahlerzeuger (1) mit einer zweidimensionalen Strahlablenkeinheit (2), einem ersten und einem zweiten Target (6, 7) sowie einem ersten und einem zweiten Röntgendetektor (4, 5), welche aus bogenförmig aneinander gereihten Einzeldetektoren bestehen. Dabei befinden sich eine erste Brennfleckbahn (8) auf dem ersten Target (6) und der erste Röntgendetektor (4) in einer axialen Tomographieebene und eine zweite Brennfleckbahn (9) auf dem zweiten Target (7) und der zweite Röntgendetektor (5) in einer weiteren Tomographieebene, welche zur ersten Tomographieebene einen festen axialen Versatz aufweist. Der Elektronenstrahl (3) wird mittels der Strahlablenkeinheit (2) entlang der beiden Brennfleckbahnen (8, 9) über die beiden Targets (6, 7) geführt und erzeugt auf den Targetoberflächen einen beweglichen Röntgenbrennfleck. Weiterhin ist die Anordnung so gestaltet, dass die beiden Targets (6, 7) und die beiden Röntgendetektoren (4, 5) untereinander um jeweils 90° gedreht sind. Somit ergibt sich ein Tomographiewinkel von mehr als 360° plus Fächerwinkel, so dass ein vollständiger Tomographiedatensatz akquiriert werden kann, ohne dass zwischen dem ersten bzw. zweiten Target (6, 7) und dem zugehörigen ersten bzw. zweiten Röntgendetektor (4, 5) ein axialer Versatz besteht. Die Anordnung aus Elektronenstrahlerzeuger (1), Targets (6, 7) und Röntgendetektoren (4, 5) befindet sich innerhalb eines Vakuumgehäuses (11). Dieses beinhaltet eine Durchführung, die den Untersuchungsbereich (10) umschließt, in dem sich die untersuchten Objekte in axiale Richtung durch beide Tomographieebenen bewegen. Im Falle von sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegenden Objekten (Transportband) können die Datensätze aus beiden Tomographieebenen unter Berücksichtigung der Transportgeschwindigkeit zu einem vollständigen Datensatz zur Bildrekonstruktion kombiniert werden. Treten wie z.B. in Rohrströmungen verschiedene Geschwindigkeiten auf, so können aus dem dreidimensionalen Datenmassiv (x, y, t) durch Kreuzkorrelation die Geschwindigkeiten der axialen Bewegung bzw. der zeitliche Versatz der beiden Projektionsdatensätze ermittelt werden. Mit dieser Information können anschließend die beiden Datensätze kombiniert und rekonstruiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektronenstrahlerzeuger
2: zweidimensionale Strahlablenkeinheit
3: Elektronenstrahl
4: erster Röntgendetektor
5: zweiter Röntgendetektor
6: erstes Target
7: zweites Target
8: erste Brennfleckbahn
9: zweite Brennfleckbahn
10: Untersuchungsbereich
11: Vakuumgehäuse

Claims

Anordnung zur Röntgen-Computertomographie eines sich entlang einer axialen Richtung bewegenden Objektes mittels eines elektromagnetisch abgelenkten Elektronenstrahls mit teil- oder vollkreisförmigen Röntgendetektoren aus aneinander gereihten Einzeldetektoren, Mitteln zur Erzeugung, Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahls (3), und Targets zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, wobei a. die Anordnung eine feststehende erste Target-Detektor-Einheit mit einem ersten Target (6) und einem ersten Röntgendetektor (4) aufweist, wobei die Brennfleckbahn (8) des ersten Targets (6) und der erste Röntgendetektor (4) ganz innerhalb einer ersten axialen Tomographieebene liegen, b. die Anordnung eine feststehende zweite Target-Detektor-Einheit mit einem zweiten Target (7) und einem zweiten Röntgendetektor (5) aufweist, wobei die Brennfleckbahn (9) des zweiten Targets (7) und der zweite Röntgendetektor (5) ganz innerhalb einer zweiten axialen Tomographieebene mit einem festen axialen Versatz zu der ersten axialen Tomographieebene liegen, sodass das sich in der axialen Richtung bewegende Objekt sich durch die erste und die zweite Tomographieebene bewegt, wobei c. die Anordnung zum tomographischen Erfassen einer Schnittebene des Objektes derart ausgebildet ist, dass von ihr bei Durchlaufen der Schnittebene durch die erste Tomographieebene ein erster Tomographiedatensatz der Schnittebene erfasst wird, bei Durchlaufen der Schnittebene durch die zweite Tomographieebene ein zweiter Tomographiedatensatz der Schnittebene erfasst wird, und der erste und der zweite Tomographiedatensatz zu einem kombinierten Tomographiedatensatz der Schnittebene kombiniert werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Elektronenstrahls (3) mehrere elektronisch schaltbare Elektronenstrahlerzeuger (1) den einzelnen Targets zugeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von elektronisch schaltbaren Röntgenquellen um den Untersuchungsbereich angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Target-Detektor-Einheit gegenüber der zweiten Target-Detektor-Einheit um einen Winkel von 90° gedreht angeordnet ist.