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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen von Röntgenbildern, insbesondere mithilfe eines Röntgenangiographiesystems, das eine Röntgenstrahlungsquelle und einen Röntgenstrahlungsdetektor umfasst, die gemeinsam an einem C-Bogen angeordnet sind und bei der Aufnahme von unterschiedlichen Röntgenbildern in unterschiedliche Positionen versetzt werden, indem der Röntgen-C-Bogen um eine Achse gedreht wird. Die Erfindung befasst sich insbesondere mit einer Bildgebung unter Verwendung unterschiedlicher Röntgenspektren, damit die Möglichkeit besteht, bestimmte Strukturen hervorzuheben. Diese so genannte Dual-Energy-Bildgebung funktioniert wie folgt: Unterschiedliche chemische Materialien absorbieren Röntgenstrahlung bei einer bestimmten Frequenz in unterschiedlichem Maße. Dies gilt auch für biologisches Gewebe. Beispielsweise kann Knochengewebe Röntgenstrahlung bei einer ersten Frequenz stärker absorbieren als bei einer zweiten Frequenz, wohingegen weiches Gewebe Röntgenstrahlung bei der zweiten Frequenz stärker absorbieren kann als bei der ersten Frequenz. Verwendet man dann, unterschiedliche Energiespektren, die sich in dem jeweiligen Anteil an Strahlung mit der ersten Frequenz und mit der zweiten Frequenz unterscheiden, so lässt sich Folgendes tun: Man verwendet die Datenwerte aus dem einen Bilddatensatz und addiert sie, jeweils gewichtet, mit den denselben Bildpunkten entsprechenden Datenwerten des zweiten Bilddatensatzes. Je nach Wahl der Gewichte lassen sich unterschiedliche Strukturen in den so gewinnbaren Röntgenbildern hervorheben.
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Bei der Gewinnung von Röntgenbildern in größerer Zahl mithilfe eines Röntgenangiographiesystems kommt es auf eine hohe Geschwindigkeit an, mit der die einzelnen 2D-Bilddatensätze gewonnen werden, wenn aus der Gesamtheit dieser 2D-Bilddatensätze ein 3D-Bilddatensatz berechnet werden soll (so genannte Rekonstruktion); denn das Bildobjekt, zumeist ein Mensch (Patient), bewegt sich während der Bildaufnahme naturgemäß immer, und je länger das Gewinnen der Röntgenbilder andauert, desto größer ist die „Verschmierung“ im Bild.
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Die in Röntgenangiographiesystemen verwendeten Röntgenstrahlungsdetektoren weisen in der Regel einen Szintillator auf, der auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftreffende Röntgenstrahlenquanten in Lichtquanten wandelt. Der Röntgenstrahlungsdetektor weist ferner ein Raster bzw. eine Matrix von Detektoreinheiten auf, wobei jede Detektoreinheit einen lichtempfindlichen Empfänger aufweist, an dem ein Messwert durch auf ihn auffallende Lichtquanten verändert wird. Typischerweise ist der lichtempfindliche Empfänger eine Fotodiode und der Messwert betrifft eine sich durch auftreffende Lichtquanten erhöhende Spannung.
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Die Fotodioden werden typischerweise in einen zentralen Speicher ausgelesen. Das Auslesen kann lediglich zeilenweise erfolgen und bedarf daher einer relativ langen Zeitdauer.
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Will man nun mithilfe eines Röntgenangiographiesystems jeweils zwei Röntgenbilddatensätze gewinnen, nämlich mit unterschiedlichen Spektren, und insgesamt eine ausreichend große Zahl von 2D-Röntgenbilddatensätzen in geringer Zeit gewinnen, so besteht das Problem, dass die Fotodioden zu langsam ausgelesen werden können.
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Von anderen Anwendungen her ist es bekannt, auf Detektorelementen einen Zwischenspeicher vorzusehen, in den von den jeweiligen lichtempfindlichen Empfängern die Messwerte ausgelesen werden können, sodass dann die Empfänger auf Null zurückgesetzt werden können. Der Zwischenspeicher kann zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden. Zur Realisierung eines solchen Zwischenspeichers ist insbesondere die CMOS-Technologie oder eine verwandte Technologie geeignet. CMOS steht für „Complementary Metal Oxide Semiconductor“, komplementäre Metalloxid-Halbleiter.
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In der
DE 102 24 227 A1 ist ein Röntgendetektor mit einem Szintillator zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in Licht und mit einem Sensor zur Detektion des im Szintillator durch die Röntgenstrahlung erzeugten Lichts beschrieben. Das vom Szintillator erzeugte Licht weist ein Spektrum auf, das vom Energiespektrum der Röntgenstrahlung abhängt. Bei der Durchführung eines Dual-Energie-Verfahrens ergeben sich somit unterschiedliche Bildsignale. Der Sensor zum Empfangen des Lichts kann Fotodiodenelemente und eine elektrisch leitende Struktur zum Ansteuern und/oder Auslesen der Fotodiodenelemente aufweisen.
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In der
DE 10 2006 025 423 A1 ist eine Röntgenanlage mit Dual-Energy-Betrieb sowie ein Verfahren zum Gewinnen von jeweils zwei Projektionsbildern einzelner Bewegungsphasen eines bewegten Objekts beschrieben. In einer Ausführungsform des Betriebsverfahrens ist vorgesehen, die einzelnen Bilder mit einem zeitlichen Abstand zu erfassen. Der zeitliche Abstand beträgt wenige Millisekunden. Eine andere Ausführungsform sieht die simultane Erfassung der Bildpaare vor.
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Vorliegend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein möglichst effizientes Verfahren zum Gewinnen von Röntgenbildern mit unterschiedlichen Spektren bereitzustellen, das insbesondere mit einem Röntgenangiographiesystem so verwirklichbar ist, dass die erzielbare Bildqualität möglichst hoch ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Das Gewinnen von Röntgenbildern erfolgt somit mithilfe eines Röntgenstrahlungsdetektors, der neben einem Szintillator und einem Raster von Detektoreinheiten mit lichtempfindlichen Empfängern (Fotodioden) auf jeder Detektoreinheit einen Zwischenspeicher für aus dem lichtempfindlichen Empfänger ausgelesene Messwerte aufweist. Das Verfahren umfasst dann die folgenden Schritte:
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In Schritt a) wird zunächst der Messwert an allen lichtempfindlichen Empfängern zurückgesetzt, d. h. die Spannung auf einen festen negativen Wert gesetzt (Vorspannung).
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Nun wird in Schritt b) von einer Röntgenröhre Röntgenstrahlung mit einem ersten Spektrum abgegeben, sodass diese nach Durchlaufen eines Bildobjekts auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftrifft. Dabei wird die Fotodiode abhängig vom auftreffenden Licht teilweise oder sogar ganz entladen.
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In Schritt c) wird dann der Messwert aus allen lichtempfindlichen Empfängern in den zugehörigen Zwischenspeicher (desselben Detektorelements) ausgelesen. Zudem wird in jedem lichtempfindlichen Empfänger der Messwert abermals auf die negative Vorspannung gesetzt.
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In Schritt d) wird sodann von der Röntgenröhre Röntgenstrahlung mit einem zweiten Spektrum abgegeben, sodass sie nach Durchlaufen des Bildobjekts auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftrifft.
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In Schritt e) wird anschließend oder gleichzeitig mit Schritt d) der Messwert aus allen Zwischenspeichern in einen zentralen Speicher ausgelesen, sodass man einen 2D-Röntgenbilddatensatz zum ersten Spektrum erhält.
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In Schritt f) wird zudem der Messwert aus allen lichtempfindlichen Empfängern in den zentralen Speicher ausgelesen, sodass man einen 2D-Röntgenbilddatensatz zum zweiten Spektrum erhält.
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Durch die Erfindung wird zwischen der Aufnahme zweier Röntgenbilder, also zwischen dem Gewinnen zweier 2D-Röntgenbilddatensätze, mit unterschiedlichen Spektren ein Minimum an Zeit verloren, weil der Messwert aus den lichtempfindlichen Empfängern nicht unmittelbar zeitaufwendig in den zentralen Speicher ausgelesen wird, sondern zeitsparend in den Zwischenspeicher ausgelesen wird.
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Dadurch lassen sich auch bei ständiger Drehung des Röntgenstrahlungsdetektors mit der Röntgenstrahlungsquelle gut zueinander passende 2D-Röntgenbilddatensätze für unterschiedliche Spektren gewinnen, sodass bestimmte Strukturen des Bildobjekts besonders präzise abbildbar sind.
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Bei der Erfindung wird der Messwert in Schritt f) zunächst in den Zwischenspeicher eingelesen bzw. aus dem lichtempfindlichen Empfänger in den Zwischenspeicher eingelesen, und sodann wird er aus dem Zwischenspeicher in den zentralen Speicher ausgelesen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform bedarf es keines besonderen Auslesemechanismus vom lichtempfindlichen Empfänger zum zentralen Speicher, sondern es genügen Ausleseeinrichtungen zum Auslesen eines Messwerts aus dem jeweiligen lichtempfindlichen Empfänger in den Zwischenspeicher und gleichzeitig Ausleseeinrichtungen zum Auslesen eines Messwerts aus dem Zwischenspeicher in den zentralen Speicher. Auf diese Weise kann der Röntgenstrahlungsdetektor, welcher bei dem Verfahren verwendet wird, kompakt und unaufwendig gebaut werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren wiederholt durchgeführt, wobei bzw. während der Röntgenstrahlungsdetektor und die Röntgenröhre gemeinsam um eine Achse gedreht werden. Zwischen Schritt b) und Schritt d) erfolgt eine Drehung in einem ersten Drehwinkel. Zwischen Schritt d) und der nachfolgenden Wiederholung von Schritt b) erfolgt eine Drehung in einem zweiten Drehwinkel, und der zweite Drehwinkel ist größer als der erste Drehwinkel. Es wird auf diese Weise der Effekt erzielt, dass die beiden in den zugehörigen Schritten e) und f) gewonnenen 2D-Röntgenbilddatensätze besser zueinander passen als unterschiedliche 2D-Röntgenbilddatensätze aus nachfolgenden Durchläufen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Auf diese Weise ist auch das Berechnen eines neuen Bilddatensatzes durch eine gewichtete bildpunktweise Addition oder Subtraktion der Datenwerte des ersten und zweiten Bilddatensatzes möglich, welche dementsprechend auch durchgeführt wird. Wenn gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch 1 die Röntgenbilder effizient gewonnen werden können und beispielsweise gemäß Patentanspruch 2 die beiden Bilddatensätze besonders gut zueinander passen, dann ist für eine besonders gute Qualität der durch die gewichtete bildpunktweise Addition oder Subtraktion gewonnenen Bilddatensätze gesorgt. Es können mehr als ein neuer Bilddatensatz gewonnen werden, wenn die Gewichte jeweils unterschiedlich gewählt werden.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben, in der
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Röntgenangiographiesystems ist, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht werden kann;
- 2 eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Röntgenstrahlungsdetektors ist, der bei der Erfindung eingesetzt wird;
- 3 eine Schemazeichnung zur Verdeutlichung des Aufbaus eines Detektorelements des bei der Erfindung verwendeten Röntgenstrahlungsdetektors ist;
- 4 eine relative Position von Röntgenstrahlungsquelle und Röntgenstrahlungsdetektor bei dem Röntgenangiographiesystem aus 1 bei Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht und
- 5 und 6 Zeitverlaufskurven für unterschiedliche digitale Größen sind, anhand derer zwei unterschiedliche Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht werden.
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Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Röntgenangiographiesystem weist einen Röntgen-C-Bogen 12 auf, an dem eine Röntgenstrahlungsquelle 14 (Röntgenröhre) und ein Röntgenstrahlungsdetektor 16 angeordnet sind. Der Röntgen-C-Bogen 12 ist an einem Sechsachs-Knickarmroboter 18 angeordnet, der von einer zentralen Steuereinheit 20 mit einem zentralen Speicher 21 angesteuert wird. Ein Patiententisch 22 mit einem Patienten 24 befindet sich in einer solchen Position, dass von der Röntgenstrahlungsquelle 14 ausgehende Röntgenstrahlung den Körper des Patienten 24 durchläuft, bevor sie auf den Röntgenstrahlungsdetektor 16 auftrifft.
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Jeder Röntgenstrahlungsdetektor 16 besteht gemäß 2 aus einer Vielzahl von Röntgenstrahlungsdetektorelementen 26, von denen in 2 eines vergrößert dargestellt ist. Auf den Detektorelementen 26 befindet sich eine Schicht aus Szintillatormaterial 28, das auftreffende Röntgenstrahlenquanten hv in Lichtquanten umwandelt.
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Vorliegend sind die einzelnen Detektorelemente 26 aufgebaut wie anhand von 3 ersichtlich:
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Eine Fotodiode 30 wandelt Lichtquanten, die den Szintillator 28 verlassen, in eine zur Zahl der Lichtquanten proportionale elektrische Spannung um, bis ein Zurücksetzen der Spannung auf einen negativen Wert (Vorspannung) erfolgt. Neben der Fotodiode 30 angeordnet ist ein so genanntes Transfergate 32, das die Aufgabe hat, die Ladung an der Fotodiode 30 weiterzugeben, vorliegend nämlich in einen Zwischenspeicher 34. Dem Zwischenspeicher 34 nachgeordnet sind ein Verstärker 36 und ein Schalttransistor 38, sodass über zeilenweise Ausleseleitungen 40 und spaltenweise Ausleseleitungen 42 ein Auslesen der Datenwerte aus dem Zwischenspeicher in den zentralen Speicher 21 erfolgen kann (also der Ladungs-Messwerte oder von dieser Ladung entsprechenden Spannungsmesswerten). Vorliegend sollen die einzelnen Detektorelemente 26 in CMOS-Technologie oder verwandten Technologien realisiert sein.
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Der Aufbau eines Detektorelements nach Art des Detektorelements 26 aus 3 ist grundsätzlich bekannt. Vorliegend steht im Zentrum des Interesses eine besondere Anwendung in dem Röntgenangiographiesystem 10: Es soll eine Dual-Energy-3D-Bildgebung erfolgen, also eine Bildgebung, bei deren 3D-Bilddatensatz, bei dem einer Vielzahl von Volumenelementen im dreidimensionalen Raum Grauwerte zugeordnet werden, aus 2D-Bilddatensätzen berechnet wird, wobei durch die Dual-Energy-Bildgebung die Grauwerte eine Darstellung ermöglichen, bei der bestimmte Körperstrukturen besonders hervorgehoben sind. Zur Dual-Energy-Bildgebung müssen jeweils zwei 2D-Röntgenbilddatensätze aufgenommen werden, und zwar unter Änderung des Röntgenspektrums.
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Der Ansatz, zwei Spektren in kurzen Zeitabständen hin- und herzuschalten kann mit folgenden Methoden umgesetzt werden:
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Modernere Generatoren und primär gepulste Röntgenröhren können heute innerhalb weniger Millisekunden die Hochspannung zwischen zwei Pulsen verändern. Dazu wird im einfachsten Fall genau wie im normalen Pulsbetrieb die Hochspannung nach Ende des ersten Pulses abgeschaltet. Nach wenigen Millisekunden wird nun für den nächsten Puls eine andere Hochspannung gewählt. Eine solche kV-Änderung ist sogar ohne eine Unterbrechung möglich; dabei wird vom Generator einfach eine neue Spannung während eines Pulses gewählt. Wichtig dabei ist, dass der Generator bei der Hochspannungsänderung den resultierenden Röhrenstrom erfasst und diesen eventuell möglichst schnell nachregelt. Unterschiedliche Hochspannungen haben nämlich auch einen Einfluss auf die Elektronenemission der Wendel (über die Feldemission). Daher erfordern höhere Spannungen zumeist eine geringere Heizleistung der Wendel.
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Eine Verbesserung in der Unterscheidung zwischen zwei Spektren erreicht man noch zusätzlich durch eine Veränderung der Vorfilterung. Dies geschieht vorliegend mithilfe von in den Figuren nicht gezeigten schnell ein- und ausfahrbaren Filterelementen. Solche Filterelemente können heutzutage mithilfe von mechanischen Federn innerhalb von 100 ms ein- und ausgefahren werden. Schneller gelingt dies mit Keilfiltern, die linear oder durch eine Drehung im Strahlengang hin- und herbewegt werden und so eine schnelle Änderung der Vorfilterung bewirken.
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Sofern man auf einen Filterwechsel ganz verzichten möchte, ist es auch möglich, für die unterschiedlichen Spektren einen verschiedenen Brennfleck zu erzeugen, wie dies in so genannten Doppelanodenröhren oder Röntgenröhren mit zwei Brennbahnen möglich ist. Dann kann für jeden Brennfleck die zweckmäßigste Vorfilterung bereits vorher ausgewählt werden. Wichtig dabei ist, dass die Brennflecke nicht zu weit auseinander liegen, um die Dual-Energie-Subtraktion noch zu ermöglichen.
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Die Vorgehensweise gemäß einer Alternative wird zunächst anhand der 5 beschrieben.
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Vorliegend gibt es einen Systemtrigger, der gemäß der Kurve 44 Impulse 46 bereitstellt. Durch den Systemtrigger wird bewirkt, dass das so.genannte Integrationsfenster der Fotodioden 30 offen ist, siehe den Puls 48. Unmittelbar danach wird begonnen, gemäß der Kurve 50 Röntgenstrahlung mit einem Spektrum A abzugeben. Die Fotodioden messen die Lichtquanten, wobei eine Integration der Messwerte in an sich bekannter Weise erfolgt. Nach Beendigung des Röntgenstrahlenimpulses erfolgt gemäß der Kurve 52 ein Datentransferimpuls 54 von den Fotodioden 30 in den jeweiligen Zwischenspeicher 34. Anschließend erfolgt gemäß der Kurve 57 und dem Puls 58 ein Zurücksetzen der Fotodioden. Nun geht es mit zwei Vorgängen gleichzeitig weiter: Die in den Zwischenspeichern 34 sämtlicher Detektorelemente 26 eingespeicherten Datenwerte werden gemäß der Kurve 58 in den zentralen Speicher 21 ausgelesen. Gleichzeitig wird gemäß der Kurve 48 das Fotodiodenintegrationsfenster wieder geöffnet, und nunmehr erfolgt gemäß der Kurve 60 ein Aussenden von Röntgenstrahlung mit dem Spektrum B. Nachdem das Bild aufgenommen wurde, verstreicht noch etwas Zeit mit dem Auslesen gemäß der Kurve 58. Sobald das erste Bild für das Spektrum A ausgelesen ist, kann ein Datentransfer gemäß der Kurve 52 aus den Fotodioden 30 in den jeweiligen Zwischenspeicher 34 erfolgen. Sobald die Spannungswerte aus den Fotodioden 30 in die entsprechenden Zwischenspeicher 34 eingelesen sind, kann abermals ein Zurücksetzen der Fotodioden erfolgen, und sodann kann das zweite Röntgenbild in den zentralen Speicher 21 ausgelesen werden, also der 2D-Bilddatensatz zum Spektrum B, siehe wieder die Kurve 58. Anschließend gibt es wieder einen Puls 46 durch den Systemträger, und das Verfahren wiederholt sich, es wird ein zweites Bild zum Röntgenspektrum A aufgenommen und ein zweites Bild zum Röntgenspektrum B aufgenommen etc.
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Bei einer alternativen Vorgehensweise gemäß 6 wird im Wesentlichen analog wie bei dem Verfahren gemäß 5 vorgegangen, aber anders als soeben beschrieben, erfolgt das Auslesen aus den Zwischenspeichern nicht gleichzeitig mit dem Gewinnen von Röntgenbildern zum Spektrum B, sondern erst anschließend, siehe die Kurve 58' in 6. Dadurch verzögert sich insgesamt die Zeitdauer. Möglicherweise ist das Verfahren gemäß 6 jedoch effizienter, um möglichst störungsfrei Daten zu gewinnen.
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Dem Verfahren gemäß 5 und 6 gemeinsam ist, dass die Röntgenstrahlungsquelle 14 wie in 4 gezeigt, einer durchgehend erfolgenden Drehung des Röntgen-C-Bogens gemäß dem Pfeil 62 (4) bei Aufnahme der Bilder mit Spektrum A einerseits und Spektrum B andererseits nur einen geringen Weg durchlaufen, siehe den Unterschied zwischen den durchgezogenen Linien in 4 und den gestrichelten Linien, wohingegen zwischen zwei unterschiedlichen Bilddurchläufen in einem größeren Winkelbereich gedreht wird, siehe den Abstand zwischen zwei Darstellungen der Röntgenstrahlungsröhre 14 mit durchgezogener Linie jeweils bzw. mit gestrichelter Linie jeweils.
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Die Winkelabstände sind hierbei durch die zeitliche Taktung gemäß der Kurve 48 vorgegeben.
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Es werden beispielsweise über einen Winkelbereich von 200°, der gleichmäßig durchlaufen wird, in 5 Sekunden 300 Bildpaare gewonnen.
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Nunmehr stehen Röntgenstrahlungsbilder zur Verfügung. Bezeichnet man die Grauwerte aus einem bestimmten 2D-Röntgenbilddatensatz, der mit Spektrum A aufgenommen wurde, als gA und die entsprechenden Grauwerte aus dem 2D-Bilddatensatz, der mit Spektrum B aufgenommen wurde, als gB, so berechnet man neue 2D-Bilddatensätze gemäß der Formel gneu,1 = a1 · gA + a2·gB. Dann lässt sich beispielsweise in entsprechenden Bilddarstellungen der Grauwerte gneu,1 Knochengewebe besonders gut darstellen. Genauso lässt sich mit anderen Gewichtungsfaktoren arbeiten, also z. B. berechnen: gneu,2 = b1 . gA + b2 · gB. Mit den Grauwerten gneu,2 lässt sich beispielsweise weiches Gewebe besonders gut darstellen.
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Mit anderen Gewichtungen lassen sich z. B. auch körperfremde Objekte wie etwa Stents gut darstellen.
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Man erhält somit eine Vielzahl von 2D-Bilddatensätzen gneu,1 bzw. gneu,2 für unterschiedliche Stellungen der Röntgenstrahlungsquelle 14 und des Röntgenstrahlungsdetektors 16, und so lässt sich jeweils ein 3D-Bilddatensatz rekonstruieren. Aus den 3D-Bilddatensätzen lassen sich dann Darstellungen in beliebiger Art und Weise geben, z. B. Schnittbild, Projektion oder Volumendarstellungen („Volume Rendering“). Es kann anstelle zweier 3D-Bilddatensätze ein kombinierter 3D-Bilddatensatz berechnet werden.
