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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Kennlinie eines Röntgengerätes mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Merkmalen.
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Bei diagnostisch eingesetzten Röntgengeräten treten Betriebsfehler auf, die entweder zu qualitativ unzureichenden Röntgenbildern oder zu unzulässig hohen oder unterschiedlich starken Strahlenbelastungen bei Patienten führen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Methoden der Röntgendiagnostik überprüfbar zu machen und sie einer Qualitätskontrolle zu unterziehen. Vom Gesetzgeber sind in regelmäßigen Abständen sogenannte Konstanzprüfungen von Röntgeneinrichtungen vorgeschrieben. Dabei wird eine nach Industrienorm (DIN) festgelegte Konstanz maßgebender Kenngrößen von Röntgenaufnahmen überprüft, insbesondere ob Bildqualität und die Höhe der Strahlenexposition vorgegebene Angaben erfüllen und entsprechend festgelegte Grenzabweichungen nicht überschritten werden.
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Die in der Röntgendiagnostik zum Einsatz kommenden Röhrenspannungen liegen ungefähr im Bereich zwischen 28 kV und 150 kV. Für die Weichstrahldiagnostik werden Röntgenspannungen im Bereich zwischen 28 kV und 100 kV verwendet. Die Weichstrahldiagnostik, dazu zählen beispielsweise die Mammographie und die Knochen- und Gelenkdiagnostik, hat den Vorteil, dass aufgrund der größeren Absorptionsdifferenzen weicherer Röntgenstrahlen im Gewebe (Fotoeffekt) und der geringeren Streustrahlung (Comptoneffekt) höhere Bildkontraste erreichbar sind. Nachteilig ist die höhere Strahlenexposition des Patienten. Für die sog. Hartstrahldiagnostik werden Röntgenspannungen im Bereich von 120 kV bis 130 kV verwendet. Ihr Vorteil ist die kürzere Belichtungszeit und damit eine geringere Strahlenexposition des Patienten. Nachteilig sind jedoch die höhere Strahlenbelastung und der geringere Kontrast der Bilder.
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Die Qualitätskontrolle der Röntgengeräte soll gewährleisten, dass die zur Behandlung und Untersuchung am Menschen eingesetzte Röntgenstrahlung aussagefähige Bilder liefert, gleichzeitig jedoch sicherstellen, dass die Patienten nicht mehr als nötig belastet werden.
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Die Qualitätskontrolle kann in der Erstellung und Auswertung einer Kennlinie des Röntgengerätes erfolgen. Bisher sind Verfahren zur Bestimmung der Kennlinie eines Röntgengerätes bekannt, bei denen eine Expositionsreihe über mehrere zeitlich nacheinander folgende Röntgenaufnahmen an einem genormten Prüfkörper, einem sog. Prüf-Phantom vorgenommen wird. Der Prüfkörper besteht bei den bekannten und vorgeschriebenen Prüf-Verfahren aus einer Polymethylmethacrylat-Platte (PMMA; Acrylglas) definierter Größe als Schwächungskörper, der mit Röntgenstrahlen des zu prüfenden Röntgengerätes bestrahlt wird. Von diesem Prüfkörper werden Aufnahmen mit n verschiedenen Strom-Zeitprodukten (mAs), also dem Produkt aus dem Röhrenstrom (mA) und der Zeit (s), erstellt. Die Strom-Zeit-Produkte sind ein ungefähres Maß der applizierten Dosis zur Bilderzeugung. In einem festgelegten Feld der Bilder werden die mittleren Grauwerte gemessen. Die so ermittelten Grauwerte werden gegen die gemessene Luftkerma der Röntgenquelle aufgetragen. Bei bestimmten Röntgen-Systemen ergibt sich beispielsweise eine streng lineare Abhängigkeit.
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Bekannt im Stand der Technik ist der Einsatz von treppenförmigen Prüfkörpern (Prüf-Phantomen). In der Schrift
DE 36 42 565 wird ein dreistufiger Treppenkörper als Prüf-Phantom für eine Konstanzprüfung verwendet.
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Die herkömmlichen Konstanzprüfungen lassen jedoch nur Aussagen über die Eigenschaften ein- und desselben Röntgengerätes zu. Nicht vorgesehen ist, Röntgengeräte gleichen oder unterschiedlicher Typs sowie gleicher und verschiedener Hersteller zu überprüfen.
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Deshalb besteht unabhängig von den bisher nach DIN 6868 vorgeschriebenen Konstanzprüfungen ein Bedürfnis dafür, die Strahlenqualität und Konstanz von Röntgengeräten miteinander vergleichen zu können.
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Hier setzt die Erfindung an.
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Die primär aus der Röntgenquelle erzeugte Bremsstrahlung ist nicht monochromatisch, sondern weist überwiegend ein kontinuierliches Strahlenspektrum auf. Die darin enthaltene niedrigenergetische („weiche”) Röntgenstrahlung ist für die Bildgebung ineffizient und führt zu einer höheren Strahlenbelastung. In der Röntgendiagnostik wird die von der Röntgenquelle erzeugte Strahlung deshalb gefiltert mit dem Ziel, diese niedrigenergetische Strahlung zu eliminieren. Bekannt ist, dass die Intensität der Röntgenstrahlung exponentiell abnimmt, was durch das Schwächungsgesetz beschrieben wird. Die Schwächung der Strahlung beim Durchgang durch Materie erfolgt durch Absorption und durch Streuung (Comptoneffekt).
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Die Absorption der Röntgenstrahlung steigt mit Erhöhung der zu durchdringenden Dicke der bestrahlten Materie. Die Halbwertschichtdicke (HWS) bezeichnet die Schichtdicke eines Materials bei dem die Strahlendosis, also die Intensität der Strahlung, auf die Hälfte reduziert wird. Sie ist ein qualitatives Maß der Strahlenexposition des Patienten und dient zur Charakterisierung der Röntgenstrahlung. Bei monochromatischer Strahlung ist die Halbwertschichtdicke konstant.
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In der ersten Halbwertschichtdicke des bestrahlten Materials werden vornehmlich die energieärmeren Anteile des Bremsspektrums absorbiert. Um die die erste Halbwertschichtdicke passierende Strahlung mit energiereicheren Anteilen nochmals auf 50% zu reduzieren, wird eine dickere zweite Halbwertschichtdicke benötigt. Der Quotient aus erster und zweiter Halbwertschicht wird als Homogenitätsgrad bezeichnet und ist ein Maß für die spektrale Verteilung und Güte der Röntgenstrahlung.
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Bei heterogener Strahlung werden die Strahlenanteile unterschiedlicher Quantenenergie durch das Material unterschiedlich stark vermindert. Energiereichere Strahlung besitzt eine relativ stärkere Durchdringungsfähigkeit, während energieärmere Strahlung relativ stärker absorbiert wird. Dieser Filterungsprozess führt zu einer relativen Zunahme der energiereichen Strahlung. Man bezeichnet diesen Vorgang auch als Aufhärtung. Die ursprünglich heterogene Strahlung wird monochromatischer.
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Mit zunehmender Aufhärtung der heterogenen Strahlung erhöht sich die Halbwertschichtdicke (HWS) eines Stoffes. Ab einer gewissen Materialdicke ist der Effekt der Härtung so weit ausgeprägt, dass eine weitere Erhöhung der Materialdicke zu einer gleichbleibenden Homogenität der Strahlung führt und somit zu konstanten Halbwertschichtdicken (HWS).
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Für das Element Aluminium ist bekannt, dass die Halbwertschichtdicke – also diejenige Schichtdicke, die die Dosisleistung auf 50% reduziert – sich über 2 mm Materialdicke nicht mehr verändert, d. h. ein weitgehend schmalbandiges („monochromatisches”) Spektrum vorhanden ist, das qualitativ durch Subtraktion der Absorptionslinie von der Bremsstrahlung beschreibbar ist.
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Diese Eigenschaft des Aluminiums kann zur Ermittlung einer Kennlinie, die eine Grauwert-Dosis-Abhängigkeit charakterisiert, für Röntgengeräte herangezogen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung einer Kennlinie für Röntgengeräte anzugeben, mit dem die Strahlenqualität von Röntgengeräten überprüfbar und vergleichbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Ermittlung einer Kennlinie eines Röntgengerätes mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Kennlinie eines Röntgengerätes, wobei ein treppenförmiger Prüfkörper verwendet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung in zwei Schritten durchgeführt wird, wobei in einem ersten Schritt eine Konversionsfunktion bestimmt wird, welche die Abhängigkeit einer gemessenen Röntgenstrahlungsleistung von einer jeweiligen Schichtdicke des treppenförmigen Prüfkörpers beschreibt, und in einem zweiten Schritt über die Parameter der Konversionsfunktion eine Kennlinie erstellt wird.
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Mit der so ermittelten Kennlinie sind Aussagen über die Strahlenqualität der Röntgengeräte möglich, die zu Vergleichsanalysen herangezogen werden können.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Konversionsfunktion der treppenförmige Prüfkörper über seine gesamte Ausdehnung mit Röntgenstrahlen des Röntgengerätes bestrahlt wird, wobei der treppenförmige Prüfkörper aufrecht im Strahlengang des Röntgengerätes ausgerichtet wird, das Röntgenbild des treppenförmigen Prüfkörpers durch einen einmaligen Aufnahmevorgang aufgenommen wird und die Röntgenstrahlungsleistung im Bereich jeder Treppenstufe des treppenförmigen Prüfkörpers in dessen Röntgenbild ausgelesen wird.
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Die Bestimmung einer Konversionsfunktion als Zwischenschritt zur Bestimmung der Kennlinie ist erforderlich, da sich ein direkter funktionaler Zusammenhang zwischen den Schichtdicken des Prüfkörpers und den korrespondierenden Grauwerten aufgrund des Effektes der Härtung der Röntgenstrahlung nicht herstellen lässt. Die Konversionsfunktion stellt den Zusammenhang zwischen Schichtdicken und korrespondierenden Grauwerten dar.
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Erfindungswesentlich ist, dass lediglich eine einzige Röntgenexposition über die strahlenabsorbierende Treppe vorgenommen wird. Dadurch können die zu prüfenden und miteinander zu vergleichenden Röntgengeräte zu gleichen Bedingungen geprüft werden, beispielsweise nach erstem Anschalten des Gerätes.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass aus den Parametern der vorbestimmten Konversionsfunktion über ein Datenverarbeitungsprogramm die Kennlinie erstellt wird.
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Die Kennlinie soll die Abhängigkeit des Grauwertes (GW) von der Dosis (D), also GW = f(D) darstellen. Dazu werden die Grauwert-Dosis-Paare der Röntgenexposition bestimmt. Die Parameter der vorbestimmten Konversionsfunktion werden an die ermittelten Röntgenstrahlungsleistungen angepasst.
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In einer nächsten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Konversionsfunktion in mindestens zwei Bereiche aufgeteilt ist, wobei ein erster Bereich polynominal und ein zweiter Bereich exponentiell verläuft.
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Aus der Konversionsfunktion ist ersichtlich, dass die Abhängigkeit zwischen Grauwert GW und Schichtdicke x des Prüfkörpers zwei Funktionen folgt. Die Konversionsfunktion lässt sich in zwei Abschnitte unterteilen. Im ersten Abschnitt ergibt sich eine Polynomfunktion und im zweiten Abschnitt, der ab einer bestimmten Schichtdicke des bestrahlten Materiales zu verzeichnen ist, ergibt sich eine Exponentialfunktion.
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Eine nächste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kennlinie aus dem exponentiellen Bereich der Konversionsfunktion ermittelt wird.
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Die Kennlinie des Röntgengerätes wird anhand eines dafür konzipierten Datenverarbeitungsprogrammes erstellt. Über die Kenntnis der Luftkerma und den Halbwertschichtdicken für Aluminium werden korrespondierende Grauwert-Dosis-Paare errechnet und grafisch dargestellt.
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Der treppenförmige Prüfkörper besteht vorzugsweise aus Aliminium. Er weist wenigstens vier, vorzugsweise 12 Stufen und damit 12 verschiedene Schichtdicken auf.
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Entscheidend bei der Wahl des Materials des Prüfkörpers sind seine physikalischen Eigenschaften als Schwächungskörper, insbesondere die Halbwertschichtdicken.
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Aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften des Aluminiums wird ein Prüf-Phantom aus Aluminium bevorzugt. Bei einer Schichtdicke bis zu 2 mm folgt die Schwächung einer Polynomfunktion 4. Grades und bei einer Schichtdicke ab 2 mm einer Exponentialfunktion.
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Die Stufigkeit des Prüfphantoms mit mehr als 3 Stufen und damit mehr als 3 Schichtdicken erlaubt eine Auswertung über ein breites Spektrum der Schichtdicken und dem damit korrelierenden Absorptionsverhalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schichtdicken des treppenförmigen Prüfkörpers so bemessen sind, dass bei der Arbeitsleistung der Röntgenquelle die Röntgenextinktion im Bereich der geringsten Schichtdicke des treppenförmigen Prüfkörpers durch wellenlängenabhängige Absorption dominiert ist.
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Eine nächste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schichtdicken des treppenförmigen Prüfkörpers so bemessen sind, dass bei der Arbeitsleistung der Röntgenquelle die Röntgenextinktion im Bereich der größten Schichtdicke des treppenförmigen Prüfkörpers durch Streuung dominiert ist.
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Durch die Vorgabe definierter Schichtdicken des treppenförmigen Prüfkörpers lässt sich die Abhängigkeit von Grauwert und Schichtdicke über den gesamten Dickenumfang darstellen.
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Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des treppenförmigen Prüfkörpers im Bereich der größeren Schichtdicken um jeweils eine Aluminiumhalbwertschichtdicke zunimmt.
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Ab einer Schichtdicke des Aluminiums von 2 mm bleiben die Halbwertschichtdicken konstant. Nimmt die Schichtdicke des Prüfkörpers jeweils um eine Halbwertschichtdicke zu, reduzieren sich die Dosen jeweils um die Hälfte. Es lassen sich korrespondierende Grauwert-Dosis-Paare aus den Halbwertschichtdicken bestimmen.
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Schließlich ist in einer nächsten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Röntgenstrahlungsleistung wellenlängenunabhängig gemessen wird.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzip-Skizze des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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2 die Darstellung einer Konversionsfunktion.
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In 1 wird eine Prinzip-Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Ein treppenförmiger, 12-stufiger Aluminium-Prüfkörper 20 wird in den Strahlengang einer Röntgenquelle 10 (Röntgengerät) gebracht. Der Prüfkörper 20 wird mit Röntgenstahlen der Röntgenquelle 10 vorgegebener Leistung bestrahlt. Das Röntgenbild wird über einen Detektor 30 aufgezeichnet. Die gemessenen Grauwerte GW werden in Abhängigkeit von den Aluminiumschichtdicken x ermittelt und daraus eine Konversionsfunktion 41 erstellt. Bezugszeichen 40 zeigt eine schematische Darstellung dieser Abhängigkeit.
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Aus der Konversionsfunktion 41 wird die Kennlinie 51 der Röntgenquelle 10 über ein geeignetes Computerprogramm ermittelt. Bezugszeichen 50 zeigt die schematische Darstellung der Abbildung der Kennlinie als Grauwert-Dosis-Paare, die den Verlauf der Kennlinie 51 des Röntgengerätes 10 bilden.
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2 zeigt die grafische Darstellung einer Konversionsfunktion 40 eines treppenförmigen Aluminium-Prüfkörpers 20. Es sind die Grauwerte GW zu den Aluminiumdicken des Prüfkörpers 20 aufgetragen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Röntgengerät
- 20
- Prüfkörper
- 30
- Detektor
- 40
- grafische Darstellung einer Konversionsfunktion
- 41
- exponentieller Bereich der Konversionsfunktion
- 50
- grafische Darstellung einer Kennlinie
- 51
- Verlauf der Kennlinie
- GW
- Grauwert
- x
- Schichtdicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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