DE102008050353B3

DE102008050353B3 - Kreisförmige Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung

Info

Publication number: DE102008050353B3
Application number: DE102008050353A
Authority: DE
Inventors: Franz Fadler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: US8031832B2; US20100091939A1

Abstract

Die Erfindung gibt eine Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung mit einer in Form einer Kreisbahn ausgebildeten Multi-Strahl-Röntgenröhre (1) an, wobei die Brennpunkte (B1 bis B52) der Röntgenstrahlung (2) entlang der Kreisbahn angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Röntgenröhre-Steuereinheit, die die Röntgenstrahlungsabgabe derart steuert, dass reihum von jedem Segment der Kreisbahn eine Röntgenstrahlung (2) abgegeben wird, wobei die Kreisbahn in mindestens zwei Segmente geteilt ist, und mehrere im Strahlengang der Röntgenröhre (1) um den Kreisbahnmittelpunkt (3) drehbar angeordnete erste Blenden (11, 12, 13, 14) mit mindestens jeweils einer ersten Blendenöffnung (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142), wobei jedem Segment der Kreisbahn eine erste Blende (11, 12, 13, 14) zugeordnet ist, deren erste Blendenöffnung (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142) den Querschnitt der von der Röntgenröhre (1) abgegebenen Röntgenstrahlung (2) begrenzt. Vorteilhaft daran ist, dass ohne eine Bewegung der Röntgenröhre eine Vielzahl von Schnittbildern aufgenommen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine im Patentanspruch 1 angegebene Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung mit einer kreisförmigen Multi-Strahl-Röntgenröhre und einer kreisförmigen Blendenanordnung zur schnellen Aufnahme einer Vielzahl von Röntgenbildern.
Konventionelle Röntgenröhren bestehen im Wesentlichen aus einer Vakuumkammer mit Gehäuse, in der eine Kathode und eine Anode eingeschlossen sind. Die Kathode fungiert dabei als negative Elektrode, die Elektronen an die positive Anode abgibt. Durch ein elektrisches Feld zwischen Anode und Kathode werden die Elektronen von der Anode angezogen und stark beschleunigt. Die Anode besteht typischer Weise aus einem Metall, beispielsweise Wolfram, Molybdän oder Palladium. Wenn die Elektronen die Anode bombardieren, wird ihre Energie größtenteils in Wärme umgewandelt. Nur ein Bruchteil der Bewegungsenergie kann in Röntgen-Photonen umgewandelt werden, welche von der Anode in Form eines Röntgenstrahls abgegeben wird. Der so erzeugte Röntgenstrahl verlässt durch ein strahlendurchlässiges Fenster aus einem Material mit niedriger Ordnungszahl die Vakuumkammer.
Röntgenröhren sind für Anwendungen in der industriellen und medizinischen Bildgebung sowie für therapeutische Behandlungen nicht mehr wegzudenken. Alle bildgebenden Verfahren mit Röntgenstrahlen machen sich die Tatsache zu Nutze, dass unterschiedliche Materialien die Röntgenstrahlen unterschiedlich absorbieren. Konventionelle Röntgenbildverfahren erzeugen eine zweidimensionale Projektion eines dreidimensionalen Objekts. Dadurch geht die räumliche Auflösung entlang der Ausbreitungsrichtung des Röntgenstrahls verloren.
Obwohl auch auf den unterschiedlichen Röntgen-Absorptionseigenschaften von unterschiedlichen Materialien fußend, bietet die Computertomographie eine andere Form der Bildgebung, bekannt als Schnittbildverfahren. Dabei werden viele Röntgenbilder eines Objekts aus unterschiedlichen Richtungen erstellt, und nachträglich werden aus diesen vielen Abbildungen durch ein sogenanntes Rückprojektionsverfahren die verlorenen Volumeninformationen rekonstruiert. In der Regel setzen sich diese 3D-Rekonstruktionen aus Einzelschnitten, die quer durch das Objekt verlaufen, zusammen. Auf diese Weise kann für jedes Volumenelement des Objektes, ein sogenanntes Voxel (entspricht einem dreidimensionalen Pixel), eine Dichte ermittelt werden. Aus allen Voxel kann damit ein 3D-Bild des Inneren des Objekts erzeugt werden.
Um die vielen unterschiedlichen Schnittbilder zu erzeugen, muss eine die Röntgenstrahlen abgebende Röntgenröhre und ein die Röntgenstrahlen nach Durchstrahlen des Objekts aufnehmender Röntgendetektor um das Objekt bewegt werden. Die mechanische Bewegung ist aufwendig und kostet in der Medizintechnik auch teure Untersuchungszeit. Daher wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um aus einer Röntgenröhre mehrere unterschiedliche Strahlenbündel aussenden zu können. Ziel ist es, viele Schnittbilder mit unterschiedlichen Betrachtungswinkeln zu erzeugen, ohne die Röntgenröhre und den Röntgendetektor mechanisch zu bewegen.
Eine vielversprechende Lösung gibt die PCT-Anmeldung WO 2004/110111 A2 an. Darin wird eine Multi-Strahl Röntgenröhre mit einer ortsfesten Feldemissionskathode und einer gegenüberliegenden Anode offenbart. Die Kathode umfasst eine Vielzahl von ortsfesten, einzeln ansteuerbaren, Elektronen emittierenden Pixel, die in einem vorgegebenen Raster auf der Kathode verteilt sind. Die Anode umfasst eine Vielzahl von Brennpunkten, die in einem vorgegebenen Raster angeordnet sind, das korrespondierend zum Raster der Pixel ausgeführt ist. Eine Vakuumkammer schließt die Anode und Kathode ein. In einer Weiterbildung umfasst die Kathode Kohlenstoff-Nanoröhren.
Die in der WO 2004/110111 A2 offenbarte Lösung bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen thermo-ionischen Röntgen strahlungsquellen. Sie eliminiert das Heizelement der Anode, arbeitet bei Raumtemperatur, erzeugt gepulste Röntgenstrahlung mit einer hohen Wiederholrate und eine Vielzahl von Strahlen mit unterschiedlichen Brennpunkten.
Die US 2007/0172024 A1 gibt eine Multistrahlröntgenquelle für die Computertomografie an, bei der die Röntgenquelle um einen hohlzylinderförmigen Röntgendetektor gewickelt ist. Die Anordnung der Röntgenquelle erlaubt es, Röntgenstrahlen von einer Vielzahl von Quellenpunkten abzugeben.
Um Multi-Strahl-Röntgenröhren in der Medizintechnik, beispielsweise für eine Tomosynthese bei der Mammografie, einsetzen zu können, bedarf es noch zahlreicher Anpassungen. Unter anderem muss sicher gestellt werden, dass die Strahlenbelastung von Patienten minimiert, die Streustrahlung vermindert sowie die Bildfolgefrequenz erhöht wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieser anzugeben, durch die eine Multi-Strahl-Röntgenröhre auch in der Medizintechnik verwendet werden kann.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vorrichtung des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung gibt eine Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung mit einer kreisförmig ausgebildeten Multi-Strahl-Röntgenröhre an, wobei die Brennpunkte der Röntgenstrahlung entlang der Kreislinie angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Röntgenröhre-Steuereinheit, die die Röntgenstrahlungsabgabe derart steuert, dass reihum von jedem Segment des Kreises eine Röntgenstrahlung abgebbar ist, wobei der Kreis in mindestens zwei Segmente geteilt ist, und mehrere im Strahlengang der Röntgenröhre um den Kreismittelpunkt drehbar angeordnete erste Blenden mit mindestens jeweils einer ersten Blendenöffnung, wobei jedem Segment des Kreises eine erste Blende zugeordnet ist, deren erste Blendenöffnung den Querschnitt der von der Röntgenröhre abgegebenen Röntgenstrahlung begrenzt. Vorteilhaft daran ist, dass ohne eine Bewegung der Röntgenröhre eine Vielzahl von Schnittbildern aufgenommen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die erste Blendenöffnung die Röntgenstrahlung auf einen zu der Multi-Strahl- Röntgenröhre in fester Position angeordneten Röntgenbildempfänger einblenden, indem sich die erste Blendenöffnung um ihren Mittelpunkt dreht. Dadurch braucht auch der Röntgenbildempfänger zwischen zwei Aufnahmen nicht bewegt werden.
Vorteilhaft können die ersten Blenden derart angesteuert werden, dass diejenige erste Blende sich in Ruhe befindet, aus deren erster Blendenöffnung ein Röntgenstrahl austritt, während die anderen ersten Blenden sich in Richtung einer neuen Brennpunktposition bewegen. Vorteilhaft daran ist, dass die Röntgenbildfrequenz erhöht werden kann, ohne die Drehgeschwindigkeit der ersten Blenden zu vergrößern.
Des Weiteren kann die Vorrichtung mindestens zwei erste Blendenöffnungen in den ersten Blenden sowie den ersten Blenden zugeordnete zweite Blenden umfassen, wobei durch die zweiten Blenden diejenige mindestens eine erste Blendenöffnung abdeckbar ist, durch die keine Röntgenstrahlung treten soll. Dies bringt den Vorteil, dass keine unerwünschte Röntgenstreustrahlung austreten kann.
In einer weiteren Ausführungsform können die Brennpunkte einen regelmäßigen Winkelabstand zueinander aufweisen, und der Winkelabstand der ersten Blendenöffnungen der ersten Blende kann zueinander das n,5-fache des Winkelabstands der Brennpunkte betragen, wobei n ∊ N ist. Dadurch können die Drehbewegungen der ersten Blenden minimiert werden.
In einer Weiterbildung kann eine Mammografieanlage zur Tomosynthese mit einer erfindungsgemäßen Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung ausgestattet sein. Dadurch können in sehr schneller Folge viele Schnittbilder der weiblichen Brust erzeugt werden.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: eine Draufsicht auf eine Blendenanordnung,
2: eine Schnittansicht der Blendenanordnung nach 1 und
3: ein Beispiel einer Brennpunktanordnung.
In 1 ist eine Ansicht von oben auf eine durch vier erste Blenden 11, 12, 13, 14 verdeckte kreisförmige Multi-Strahl-Röntgenröhre 1 dargestellt. Die nicht sichtbaren Brennpunkte der Röntgenröhre 1 sind entlang einer Kreisbahn in der Röntgenröhre 1 angeordnet, wobei die Röntgenstrahlung in etwa nach oben in Richtung auf einen nicht dargestellten Röntgenbilddetektor abgegeben wird. Die ersten Blenden 11, 12, 13, 14 sind drehbar um einen gemeinsamen Drehpunkt 3 gelagert. Sie sind jeweils etwas größer als ein Viertelkreis, wobei die beiden ersten Blenden 11, 13 und die beiden ersten Blenden 12, 14 jeweils in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, damit sie sich überlappen können, und daher der Austritt von Streustrahlung verhindert wird.
Die ersten Blenden 11, 12, 13, 14 weisen jeweils zwei erste Blendenöffnungen 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 auf, welche die von der Röntgenröhre 1 abgegebene Röntgenstrahlung in ihrem Querschnitt begrenzen und auf den Röntgenbilddetektor abbilden. Der Röntgenbilddetektor muss sich entsprechend der Position der ersten Blendenöffnungen 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 mitdrehen, um die selbe Lage zum abgebildeten Röntgenbild beizubehalten. Die erste Blendenöffnung 112 der ersten Blende 11, durch die gerade keine Röntgenstrahlung austreten soll, wird mit Hilfe einer zweiten Blende 21 verdeckt bzw. geschlossen. Den anderen drei ersten Blenden 12, 13, 14 sind ebenfalls zweite Blenden 22, 23, 24 zugeordnet. Die zweiten Blenden 21, 22, 23, 24 sind ebenfalls drehbar um den Kreismittelpunkt 3 angeordnet, damit sie den Positionen der ersten Blendenöffnungen 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 folgen können. Die Abgabe der Röntgenstrahlung von unterschiedlichen Brennpunkten sowie die die Positionen der ersten Blendenöffnungen 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 und die Positionen der zweiten Blenden 21, 22, 23, 24 werden durch eine nicht dargestellte Röntgenröhren-Steuereinheit derart gesteuert, dass immer abwechselnd aus jedem den ersten Blenden 11, 12, 13, 14 zugeordneten Kreisbahnsegmenten der Röntgenröhre 1 Röntgenstrahlung abgeben wird, wobei zusätzlich zwischen den Positionen der beiden ersten Blendenöffnungen jeder ersten Blende gesprungen wird. Nur die erste Blende, durch die Röntgenstrahlung austreten soll, befindet sich in Ruhe. Die drei anderen ersten Blenden bewegen sich in der Zwischenzeit kontinuierlich auf ihre nächste erforderliche Position zu. Dadurch wird erreicht, dass die Bildaufnahmefrequenz um den Faktor 8 gesteigert werden kann, ohne dass sich die ersten Blenden 11, 12, 13, 14 schneller drehen müssen. In 3 wird die Reihenfolge der Ansteuerung von 52 Brennpunkten näher dargestellt.
Soll der Röntgenbilddetektor nicht mitbewegt werden, müssen die ersten Blendenöffnungen 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 um ihre Zentren entsprechend gedreht werden. Dadurch bleibt die Ausrichtung der ersten Blendenöffnungen 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 zum Röntgenbildempfänger auch bei einer Drehbewehung der ersten Blenden 11, 12, 13, 14 bestehen.
2 zeigt einen Schnitt von A nach B durch die erfindungsgemäße Anordnung von 1. Eine Multi-Strahl-Röntgenröhre 1 besitzt die Form einer Kreisbahn, wobei die Röhre 1 in etwa nach oben eine Vielzahl von Röntgenstrahlung mit unterschiedlichen Brennpunkten abgeben kann. Eine Röntgenstrahlung 2 ist in 2 mit ihrer Begrenzung eingezeichnet. Sie wird durch eine erste Blendenöffnung 121 in einer ersten Blende 12 in ihrem Querschnitt begrenzt und auf einen nicht dargestellten Röntgenbilddetektor abgebildet. Die gegenüberliegende erste Blende 14 mit ihrer ersten Blendöffnung 141 ist im Querschnitt der 2 ebenfalls sichtbar. Die Drehung der ersten Blendenöffnungen 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 um ihre Zentren kann mit Hilfe eines Planetengetriebes erfolgen.
Die ersten Blendeöffnungen können auch verschieden groß sein, wodurch verschiedene Formate auf den Röntgenbildempfänger eingeblendet werden können.
In 3 sind 52 Brennpunkte B1 bis B52 einer Multi-Strahl-Röntgenröhre dargestellt. Die Brennpunkte B1 bis B52 befinden sich auf einer Kreislinie und haben zueinander jeweils den gleichen Winkelabstand. Die 52 Brennpunkte B1 bis B52 werden entsprechend ihrer Nummerierung von einer Röntgenröhren-Steuereinheit zur Abgabe einer Röntgenstrahlung veranlasst. Mit den Pfeilen ist die Reihenfolge der ersten neun angesteuerten Brennpunkte B1 bis B9 angedeutet. Die scheinbar sonderbare Reihenfolge rührt davon, dass wie zu 1 oben beschrieben vier kreissegmentförmige erst Blenden mit jeweils zwei ersten Blendenöffnungen zum Einsatz kommen. Die ersten Blenden können unabhängig voneinander bewegt werden. Die beiden ersten Blendenöffnungen sind mit einem 6,5-fachen Winkelabstand voneinander entfernt. Dadurch kommt beispielweise die zweite erste Blendenöffnung zum richtigen Zeitpunkt über dem Brennpunkt B5 zu liegen. Während unterhalb einer in Ruhe befindlichen ersten Blende Röntgenstrahlung abgegeben wird, bewegen sich die drei anderen ersten Blenden um 1/8 Winkelabstand der Brennpunkte weiter. So erreichen die ersten Blendöffnungen exakt nach zwei Strahlumläufen den nächsten Brennpunkt.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung für eine Tomosynthese bei der Mammografie zum Einsatz kommen. Mit oben beschriebener Anordnung können in kürzester Zeit 52 Schnittbilder aufgenommen und zu einer räumlichen Ansicht verarbeitet werden.
Eine weitere bevorzugte Anwendung ist die Röntgenbildaufnahme im Operationssaal, wo Bewegungen von Röntgenanlagen störend sind. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bleiben Röntgenstrahler und Röntgendetektor in Ruhe.

1: Multi-Strahl-Röntgenröhre
2: Röntgenstrahlung/Röntgenstrahl
3: Drehpunkt/Drehzentrum
11–14: erste Blende
111, 112: erste Blendenöffnung der ersten Blende 11
121, 122: erste Blendenöffnung der ersten Blende 12
131, 132: erste Blendenöffnung der ersten Blende 13
141, 142: erste Blendenöffnung der ersten Blende 14
21–24: zweite Blenden
AB: Schnittlinie

Claims

Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung, gekennzeichnet durch: – eine in Form einer Kreisbahn ausgebildete Multi-Strahl-Röntgenröhre (1), wobei die Brennpunkte (B1 bis B52) der Röntgenstrahlung (2) entlang der Kreisbahn angeordnet sind, – eine Röntgenröhre-Steuereinheit, welche die Röntgenstrahlungsabgabe derart steuert, dass reihum von jedem Segment der Kreisbahn eine Röntgenstrahlung (2) abgebbar ist, wobei die Kreisbahn in mindestens zwei Segmente geteilt ist, und – mehrere im Strahlengang der Röntgenröhre (1) um einen Kreisbahnmittelpunkt (3) drehbar angeordnete erste Blenden (11, 12, 13, 14) mit mindestens jeweils einer ersten Blendenöffnung (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142), wobei jedem Segment der Kreisbahn eine erste Blende (11, 12, 13, 14) zugeordnet ist, deren erste Blendenöffnung (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142) den Querschnitt der von der Röntgenröhre (1) abgegebenen Röntgenstrahlung (2) begrenzt.
Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blendenöffnung (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142) die Röntgenstrahlung (2) auf einen zu der Multi-Strahl-Röntgenröhre (1) in fester Position angeordneten Röntgenbildempfänger einblendet, indem sich die erste Blendenöffnung um ihren Mittelpunkt dreht.
Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Blenden (11, 12, 13, 14) derart ansteuerbar sind, dass diejenige erste Blende (11, 12, 13, 14) sich in Ruhe befindet, aus deren erster Blendenöffnung (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142) Röntgenstrahlung (2) austritt, während die anderen ersten Blenden (11, 12, 13, 14) sich in Richtung einer neuen Brennpunktposition bewegen.
Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch: – mindestens zwei erste Blendenöffnungen (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142) in den ersten Blenden (11, 12, 13, 14) und – den ersten Blenden (11, 12, 13, 14) zugeordnete zweite Blenden (21, 22, 23, 24), wobei durch die zweiten Blenden (21, 22, 23, 24) diejenige mindestens eine erste Blendenöffnung (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142) abdeckbar ist, durch die keine Röntgenstrahlung (2) treten soll.
Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte (B1 bis B52) einen regelmäßigen Winkelabstand zueinander aufweisen, und dass der Winkelabstand der ersten Blendenöffnungen (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142) der ersten Blende (11, 12, 13, 14) zueinander das n,5-fache des Winkelabstands der Brennpunkte (B1 bis B52) beträgt, wobei n ∊ N ist.
Mammografieanlage zur Tomosynthese mit einer Multi-Strahl-Röntgenvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche.