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Die
Erfindung betrifft ein Röntgen-CT-System zur tomographischen
Darstellung eines Untersuchungsobjektes, bei dem Röntgenstrahlung
mit verschiedenen Röntgenenergiespektren erzeugt und zur
Abtastung des Untersuchungsobjektes verwendet werden.
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Solche
Röntgen-CT-Systeme, welche tomographische Aufnahmen mit
Hilfe von Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Energiespektren
erstellen, sind allgemein bekannt. Grundsätzlich können
hierzu einfache CT-Systeme mit einer einzigen Strahler-Detektor-Kombination
verwendet werden, wobei zur Untersuchung mit unterschiedlichen Röntgenenergien einfach
seriell zwei oder mehrere Abtastungen durchgeführt werden,
wobei für jeden Abtastvorgang die Beschleunigungsspannung
der verwendeten Röntgenquelle und/oder die Filterung der
Röntgenstrahlung verändert wird. Alternativ können
auch gleichzeitig zwei oder mehr winkelversetzt angeordnete Strahler-Detektor-Kombinationen
gleichzeitig ein Untersuchungsobjekt mit Röntgenstrahlung
mit unterschiedlichen Energiespektren abtasten. Beispielhaft wird
diesbezüglich auf die Offenlegungsschrift
WO 2005/004722 A2 verwiesen.
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Im
Falle der Verwendung einer einzigen Strahler-Detektor-Kombination
verstreicht während der Messphasen und während
des Wechsels von Beschleunigungsspannung und/oder Filter zwischen den
Messphasen relativ viel Zeit, so dass von einem sich zumindest teilweise
bewegenden Objekt, wie einem Patienten mit schlagendem Herzen, keine
zwei identischen Aufnahmen hintereinander erstellt werden können
beziehungsweise Bewegungsartefakte in den Bildern auftreten. Bei
der Verwendung von zwei Strahler-Detektor-Systemen tritt zum einen Streustrahlung
auf, die in der Aufnahme des jeweils anderen Strahler-Detektor-Systems
zu Fehlern im Bild führt, die aufwendig kompensiert werden
müssen, zum anderen entsteht aufgrund der mehrfach vorhandenen
Strahler-Detektor-Kombination ein erheblicher zusätzlicher
konstruktiver und apparativer Aufwand, der in einem stark erhöhten
Kostenaufwand mündet.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Röntgen-CT-System
zu finden, welches bewegungsartefakt- und fehlerfreie Aufnahmen
von einem sich bewegenden Untersuchungsobjekt mit Röntgenstrahlung
mit verschiedenen Energiespektren ermöglicht und welches
gleichzeitig kostengünstig produziert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass es möglich ist, durch die Verwendung
mehrfacher Elektronenemittersysteme die Dauer des Umschaltvorgangs
zwischen Röntgenstrahlung mit verschiedenen Energien bei
einem Röntgen-CT-System mit einer einzigen Strahler-Detektor-Kombination
drastisch zu verkürzen. Dadurch können mit einem
einzigen Strahler-Detektor-System sehr schnell aufeinanderfolgend Abtastungen
mit unterschiedlichen Energien durchgeführt werden und
somit kann während eines Umlaufes einer Gantry vielfach
zwischen zwei oder mehreren Röntgenenergien umgeschaltet
werden, so dass mit einem Umlauf eines Strahler-Detektor-Systems
jeder Projektionswinkel mit unterschiedlichen Röntgenenergien – nahezu
gleichzeitig – abgetastet wird. Es ist damit also nun möglich
in einem Zeitabschnitt, in dem bisher bei konventionellen CTs ein ”Detektor-Sample” ermittelt
wurde – also während der Integrationszeit des
Detektors für einen Projektionswinkel –, zwei
oder mehrere „Detektor-Sample” mit unterschiedlichen
Röntgenenergien abzutasten. Erreicht wird dies dadurch,
dass die mindestens zwei Elektronenemitter je Strahler beständig
auf ihrer spezifischen Beschleunigungsspannung gegenüber
der Anode gehalten werden und lediglich die Elektronenemitter wechselseitig
für kurze Zeitspannen durch Laserstrahlung zur Elektronenemission
angeregt werden.
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Hierdurch
wird auch erreicht, dass praktisch kein Zeitversatz zwischen den
Abtastungen mit unterschiedlicher Energie besteht und damit eine
bessere – räumliche – Vergleichbarkeit
von Aufnahmen mit unterschiedlicher Röntgenenergie gegeben
ist.
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Da
nun nicht mehr die Notwendigkeit besteht zur gleichzeitigen Abtastung
mit mehreren Röntgenenergien auch mehrere Strahler-Detektor-Systeme einzusetzen,
ergibt sich entsprechend auch eine effektive Kostenreduktion.
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Entsprechend
diesem Grundgedanken schlägt der Erfinder ein Röntgen-CT-System
zur tomographischen Darstellung eines Untersuchungsobjektes durch
mindestens zwei unterschiedliche Röntgenenergiespektren
vor, das Röntgen-CT-System aufweisend mindestens eine auf
einer Gantry angeordnete Röntgenröhre und mindestens
einen Strahlendetektor, wobei je Röntgenröhre
eine Anode vorgesehen ist, welche als Drehanode ausgestaltet ist, weiterhin
je Röntgenröhre mindestens zwei Elektronenemitter,
aus welchen Elektronen emittiert und auf die Anode beschleunigt
werden, und je Röntgenröhre mindestens ein Laser
vorgesehen ist, welcher im Betrieb mindestens einen Elektronenemitter
zur Elektronenemission anregt. Außerdem ist je Röntgenröhre eine
Umschaltvorrichtung vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, dass
zeitversetzt jeweils einer der mindestens zwei Elektronenemitter
anregt wird, wobei jeder der mindestens zwei Elektronenemitter an ein
eigenes Hochspannungspotential angeschlossen ist, so dass die Elektronen
entsprechend der emittereigenen Beschleunigungsspannung unterschiedliche Röntgenenergiespektren
erzeugen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die
Anode und die mindestens zwei Elektronenemitter einer Röntgenröhre
in einem Vakuumgehäuse befinden. Hierbei sollte das Vakuumgehäuse
zumindest ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster
aufweisen, so dass die Röntgenstrahlung das Vakuumgehäuse
verlassen kann.
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In
einer vorteilhaften Variante der Erfindung befindet sich der mindestens
eine Laser ebenfalls im Vakuumgehäuse von Anode und Elektronenemitter. Dadurch
ist es nicht notwendig ein zusätzliches laserdurchlässiges
Fenster am Vakuumgehäuse anzubringen, da sich keine störenden
Elemente im Strahlengang des Lasers befinden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Variante kann
sich der mindestens eine Laser außerhalb des Vakuumgehäuses
befinden. In diesem Fall kann das Vakuumgehäuse ein laserstrahldurchlässiges Fenster
beinhalten, durch welches die Laserstrahlung in das Vakuumgehäuse
einstrahlen kann, um die dort angeordneten Emitter anzuregen. Alternativ
besteht allerdings auch die Möglichkeit, dünnwandige Elektronenemitter
zu verwenden, die auf der einen Seite, also außerhalb des
Vakuums, durch einen Laser angeregt werden und auf der anderen Seite.
also innerhalb der Röntgenröhre, ihre Elektronenemission ausbilden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor,
dass je Röntgenröhre genau ein Laser angebracht
ist und die Umschaltvorrichtung ein optisches Umlenkelement besitzt,
wodurch der Laserstrahl zeitversetzt auf jeweils einen der mindestens
zwei Elektronenemitter gelenkt wird. Dieses optische Umlenkelement
kann zum Beispiel ein verstellbarer Spiegel sein. Durch eine Mechanik,
die den Spiegel sehr schnell verstellen kann und so den Laserstrahl
in schneller Folge auf die Elektronenemitter lenkt, kann die Messpause
entsprechend der Erfindung sehr kurz gehalten werden. Ein positiver
Nebeneffekt dieser Ausführung besteht in der Einsparung
von Material und der damit verbundenen Kostenreduzierung. Anstelle
einer Mechanik können auch elektrooptische Spiegel oder
Prismen verwendet werden, deren Durchlässigkeit durch Anlegen
einer Spannung variiert wird.
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Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass
jede Röntgenröhre die gleiche Anzahl von Elektronenemittern
und Lasern aufweist. Hierbei kann durch die Umschaltvorrichtung
jeder Laser und somit jeder Emitter einzeln aktiviert werden. Auch
dadurch kann auf eine aufwendige Mechanik verzichtet werden. Die
Steuerung der Laser erfolgt dann über eine elektrische
Schaltung.
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Vorteilhafterweise
kann das Röntgen-CT-System zwei winkelversetzt auf der
Gantry angeordnete Röntgenröhren aufweisen, so
dass jeweils ein Bereich eines zu untersuchenden Objektes aus zwei
verschiedenen Projektionswinkeln bestrahlt werden kann. Dadurch
kann nochmals eine höhere Zeitauflösung erzielt
werden.
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Vorteilhafterweise
kann eine Röntgenröhre zwei, vorzugsweise drei
oder vier, Elektronenemitter aufweisen, so dass bis zu vier verschiedene
Röntgenenergiespektren durch einen Strahler appliziert
werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung kann eine Elektronenumlenkvorrichtung angebracht
sein, so dass die emittierten Elektronen jedes der bis zu vier Elektronenemitter
einen identischen Fokus erzeugen. Dadurch kann beispielsweise sichergestellt
werden, dass die Röntgenstrahlung unabhängig von
der verwendeten Beschleunigungsspannung immer im gleichen Fokus
erzeugt wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Beispiele mit
Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei darauf hingewiesen
wird, dass nur die für das unmittelbare Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt sind. Hierbei werden folgende
Bezugszeichen verwendet: 1: Anode; 2: Erster Elektronenemitter; 3:
Zweiter Elektronenemitter; 4: Laser; 5: Erster
Laser; 6: Zweiter Laser; 7: Erster Laserstrahl; 8:
Zweiter Laserstrahl; 9: Umlenkung; 10: Ein-/Ausschaltung; 11:
Erster Strahlungskegel; 12: Zweiter Strahlungskegel; 13:
Mittelpunkt der Anode; 14: Vakuumgehäuse; 15:
Antrieb der Anode; 16: Drehrichtung der Anode; 17:
Drehachse der Anode; 18: Fenster; 19: Gantry; 20:
Dritter Elektronenemitter; 21: Vierter Elektronenemitter; 22:
Fokus; 23: Elektronenumlenkvorrichtung; C1: CT-System;
C2: Erste Röntgenröhre; C3: Erster Detektor; C4:
Zweite Röntgenröhre (optional); C5: Zweiter Detektor
(optional); C6: Gantrygehäuse; C7: Patient; C8: verschiebbare Patientenliege;
C9: Systemachse; C10: Steuer- und Recheneinheit; U1: Erste Beschleunigungsspannung;
U2: Zweite Beschleunigungsspannung; Prg1 bis
Prgn: Computerprogramm oder Programm-Modul.
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Es
zeigen im Einzelnen:
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1 eine
schematische Darstellung eines CT-Systems mit Patient und Recheneinheit,
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2 einen
Querschnitt einer Röntgenröhre mit einem Laser,
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3 einen
Querschnitt einer Röntgenröhre mit zwei Lasern,
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4 eine
winkelversetzte Anordnung zweier Röntgenröhren
auf einer Gantry und
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5 eine
schematische Darstellung einer Elektronenumlenkvorrichtung.
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Die 1 zeigt
ein beispielhaftes CT-System C1. Das CT-System C1 besteht aus einem
Gantrygehäuse C6, in dem sich eine hier nicht näher
dargestellte Gantry befindet, an der eine erste erfindungsgemäße
Röntgenröhre C2 mit einem gegenüberliegenden
ersten Detektor C3 befestigt sind. Der Aufbau der Röntgenröhre
wird später beschrieben. Durch diese erfindungsgemäße
Ausgestaltung der einen Röntgenröhre ist es bereits
möglich, den Patienten unter Verwendung eines einzigen
Strahler-Detektor-Systems ohne Zeitversatz mit zwei oder mehr Röntgenenergiespektren
abzutasten. Ein Patient C7 befindet sich auf einer in Richtung der
Systemachse C9 verschiebbaren Patientenliege C8, mit der er während
der Abtastung kontinuierlich oder sequentiell entlang der Systemachse
C9 durch ein Messfeld zwischen den Röntgenröhren
und den jeweils zugeord neten Detektoren geschoben werden kann. Dieser
Vorgang wird durch eine Rechen- und Steuereinheit C10 mit Hilfe
von Computerprogrammen Prg1 bis Prgn gesteuert.
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Optional
kann auch eine zweite Röntgenröhre C4 mit einem
gegenüberliegenden zweiten Detektorsystem C5 an der Gantry
angeordnet sein. Durch die Verwendung von zwei oder gegebenenfalls
drei winkelversetzt angeordneten Strahler-Detektor-Systemen besteht
einerseits die Möglichkeit eine verbesserte Zeitauflösung
der Abtastung zu erreichen, indem zwei oder drei winkelversetzt
angeordnete Strahler-Detektor-Systeme verwendet werden, die mit
identischen Röntgenenergiespektren betrieben werden, da
hierdurch ein gegebenes Abtastsegment in der halben oder einem Drittel
der Rotationszeit abgetastet werden kann, in der es ein einziges
Strahler-Detektor-System abtasten würde. Andererseits kann
bei gleicher Zeitauflösung der Abtastung eine um die Anzahl
der Strahler-Detektor-Systeme vervielfachte Anzahl an Röntgenenergiespektren
gleichzeitig abgetastet werden, wodurch beispielsweise eine verbesserte
Materialerkennung durchgeführt werden kann.
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Die 2 zeigt
eine beispielhafte Ausführung der Erfindung mit einer Anode 1 und
einem Laser 4. Des Weiteren ist ein Vakuumgehäuse 14 zu
sehen, in welchem sich außer der Anode 1 und des
Lasers 4 ein Umlenkelement 9 und zwei Elektronenemitter 2 und 3 befinden.
Außerhalb des Vakuumgehäuses 14 befindet
sich der Antrieb 15 der Anode 1. Die gesamten
Komponenten der Röntgenröhre sind auf einer Gantry 19 angeordnet.
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Die
Laserstrahlen 7 und 8 des Lasers 4 werden
durch das Umlenkelement 9 jeweils auf einen der beiden
Elektronenemitter 2 und 3 gelenkt, so dass immer
nur ein Emitter 2 oder 3 zur Emission von Elektronen
angeregt wird. Das Umlenkelement kann zum Beispiel ein Spiegel oder
ein Prisma sein. Die Elektronenemitter 2 und 3 sind
an unterschiedliche Beschleunigungsspannungen U1 und U2 angeschlossen,
wobei der Elektronenemitter 2 die Beschleunigungsspannung
U1 und der Elektronenemitter 3 die Beschleunigungsspannung
U2 besitzt. Typische Werte für die Beschleunigungsspannungen
können 80 kV oder 140 kV sein. Die emittierten Elektronen treffen
auf die Anode 1 und erzeugen dort abhängig von
ihrer jeweiligen Beschleunigungsspannung U1 und U2 Strahlungskegel 11 und 12 mit
unterschiedlichen Röntgenenergiespektren, welche durch
ein röntgenstrahldurchlässiges Fenster 18 das
Vakuumgehäuse 14 verlassen können. Durch
die Drehung der Anode 1 – die Drehrichtung 16 ist
mit einem Pfeil gekennzeichnet – befinden sich die Fokusse
der Röntgenstrahlungen nie auf der gleichen Position des
Anodenmaterials, so dass eine größere Momentanleistung
der Anode erzielt werden kann.
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Da
das Umlenkelement 9 den Laser 4 in sehr schneller
Reihenfolge von einem Elektronenemitter 2 zum anderen Elektronenemitter 3 und
umgekehrt lenken kann, erfolgt ein schneller Wechsel der Röntgenenergiespektren.
Durch diesen schnellen Wechsel, das heißt die sehr kurzen
Pausen zwischen den Messphasen mit den jeweiligen Röntgenenergiespektren,
kann die Qualität der CT-Aufnahme von sich zwangsläufig
bewegenden Objekten erheblich verbessert werden, da in den extrem
kurzen Messpausen die Bewegung des Objektes minimal ist.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Variante mit zwei Lasern 5 und 6 ist
in 3 dargestellt. Die gesamte Vorrichtung befindet
sich in einem Vakuumgehäuse 14, bis auf den Antrieb 15 der
Anode 1 und die Umschaltvorrichtung 10, und ist
auf einer Gantry 19 angeordnet. Die Laser 5 und 6 können
durch die Umschaltvorrichtung 10 einzeln aktiviert werden.
Die hier gezeigte Situation beschreibt demnach eine Messphase mit
einem Strahlungskegel 11 eines ersten Röntgenenergiespektrums.
Hierfür ist der erste Laserstrahl 7 aktiv, so
dass dieser im ersten Elektronenemitter 2 die Emission
von Elektronen anregen kann, welche zur Anode 1 hin mit
der Beschleunigungsspannung U1 beschleunigt werden. An der Anode 1 wird
durch die Elektronen Röntgenstrahlung mit dem ersten Röntgenenergiespektrum
erzeugt, welche das Vakuumgehäuse 14 durch das
röntgenstrahldurchlässige Fenster 18 verlassen
kann. Der zweite Elektronenemitter 3 liegt gleichzeitig
auf der Beschleuni gungsspannung U2, wird aber entsprechend der Schalterstellung 10 nicht
durch den Laser 6 angeregt. Die Anode 1 dreht
sich zur besseren Kühlung um eine Drehachse 17 durch
ihren Mittelpunkt 13, angetrieben von einem Antrieb 15.
Ihre Drehrichtung ist mit einem Pfeil 16 gekennzeichnet.
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In
der 4 sind zwei Röntgenröhren C2 und
C4 entsprechend der 2 um 90° versetzt auf einer
Gantry 19 dargestellt. In der ersten Röntgenröhre
C2 wird der erste Elektronenemitter 2 durch einen Laser 4 angeregt
und in der zweiten Röntgenröhre C4 wird der zweite
Elektronenemitter 3 durch einen Laser 4 angeregt.
Die daraus resultierenden Strahlungskegel 11 und 12 besitzen
unterschiedliche Röntgenenergiespektren, welche sich in
der Mitte C9 der Gantry 19 kreuzen und auf die Detektoren
C3 und C5 treffen. Ein Objekt, welches sich in der Mitte C9 der
Gantry befindet, wird somit aus zwei um 90° versetzten
Projektionswinkel mit Röntgenstrahlung bestrahlt. Eine
derart durchgeführte tomographische Untersuchung erfolgt
wesentlich schneller, da für eine erforderliche Abtastung
um 180° bei zwei aktiven Röntgenröhren
C2 und C4 nur eine Drehung der Gantry 19 um 90° erfolgen
muss.
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Die 5 zeigt
eine schematisch dargestellte Elektronenumlenkvorrichtung 23 mit
vier Lasern, den vier dazugehörigen Elektronenemittern 2, 3, 20 und 21 und
einer Anode 1. Die Laser regen jeweils einen Elektronenemitter 2, 3, 20 und 21 an,
wobei die emittierten Elektronen in ihrem Verlauf zur Anode 1 durch
eine Elektronenumlenkvorrichtung 23 zusammengeführt
werden, so dass sie an einem gemeinsamen Fokus 22 auf die
Anode 1 treffen. Die emittierten Elektronen besitzen je
nach Elektronenemitter eine emittereigene Spannungsquelle, da jeder
Emitter mit einer anderen hier nicht näher dargestellten
Hochspannung versorgt wird. Die gesamte Vorrichtung befindet sich
in einem nicht dargestellten Vakuumgehäuse auf einer hier
ebenfalls nicht dargestellten Gantry. Durch den gemeinsamen Fokus 22 wird
sicher gestellt, dass alle vier Röntgenstrahlungen unter einem
identischen Projektionswinkel auf das zu untersuchende Objekt treffen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/004722
A2 [0002]