-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur stereoskopischen Röntgenbildgebung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Systemeinheit zur stereoskopischen Röntgenbildgebung.
-
Zur diagnostischen Untersuchung und für interventionelle Eingriffe zum Beispiel in der Kardiologie, der Radiologie oder der Chirurgie werden zur Bildgebung oft Röntgensysteme eingesetzt. Diese Röntgensysteme umfassen zumeist einen C-Bogen, an dem in gegenüberliegender Lage eine Röntgenröhre und ein Röntgendetektor angeordnet sind, ein Patiententisch und eine Systemsteuer- und Anzeigeeinheit. Systeme mit zwei Ebenen, d. h. mit zwei C-Bögen werden ebenfalls in der interventionellen Radiologie eingesetzt.
-
Monoplan-Systeme, d. h. Röntgensysteme mit einer Röhre und einem Detektor, werden sowohl für die Diagnostik, z. B. bei der nativen kontrastmittelgestützten Gefäßdarstellung, der digitalen Subtraktionsangiographie, DSA, oder der Cone-beam Computertomographie zur Erzeugung von volumetrischen Datensätzen, als auch bei interventionellen Eingriffen, wie beispielsweise der perkutanen transluminalen coronaren Angioplastie, PTCA, der Ballondilatation, dem Coiling, der Embolisation, oder der Ablation, verwendet.
-
Biplan-Systeme werden dann eingesetzt, wenn insbesondere für einen interventionellen Eingriff eine nahezu gleichzeitige Darstellung von beispielsweise einem Gefäß oder einem Aneurisma aus verschiedenen Blickwinkeln notwendig ist, um eine bessere Vorstellung von den tatsächlichen räumlichen Verhältnissen zu bekommen. Anwendungsgebiete sind zum Beispiel die Neuroradiologie, die kardiologische Elektrophysiologie oder die Kinderkardiologie.
-
Die Darstellung eines Organs aus zwei Projektionsrichtungen mit zwei Detektorebenen, also einem Biplan-System, erlaubt es allerdings nicht, einen räumlichen oder 3D-Eindruck verschiedener Strukturen eines Organs, wie beispielsweise einer Kreuzung von Gefäßen oder die Lage eines Aneurismas, oder anderer Objekte zu erzeugen. Eine Wahrnehmung von Vordergrund und Hintergrund ist nur eingeschränkt möglich.
-
Ein Verfahren, einen räumlichen Eindruck von einem Objekt zu gewinnen, bietet die sogenannte Stereoskopie. Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/Stereoskopie; Stand: 1.08.2011) beschreibt Stereoskopie unter anderem folgendermaßen: „Die Stereoskopie (griech. stereos = Raum/räumlich, fest – skopeo = betrachten) ist die Wiedergabe von Bildern mit einem räumlichen Eindruck von Tiefe, der physikalisch nicht vorhanden ist. Umgangssprachlich wird Stereoskopie auch fälschlich immer als „3D” bezeichnet, obwohl es sich nur um zweidimensionale Abbildungen handelt, die einen räumlichen Eindruck vermitteln.” und weiter: „Das Prinzip beruht immer darauf, dass Menschen wie alle Primaten und die meisten Raubtiere durch ihre zwei Augen ihre Umgebung gleichzeitig aus zwei Blickwinkeln betrachten. Dadurch kann ihr Gehirn zu allen betrachteten Objekten effizient eine Entfernung zuordnen und ein dreidimensionales Bild seiner Umgebung gewinnen, ohne den Kopf in Bewegung halten zu müssen. Die Stereoskopie befasst sich folglich nur damit, in das linke und rechte Auge jeweils unterschiedliche zweidimensionale Bilder aus zwei leicht abweichenden Betrachtungswinkeln zu bringen. Die jeweiligen Verfahren dazu sind aber unterschiedlich.”
-
Auf dem Gebiet der Röntgenbildgebung ist die Stereoskopie ebenfalls einsetzbar. Eine Ausführung ist beispielsweise in der
US 4769701 A1 , die der Offenlegungsschrift
DE 36 23 053 A1 entspricht, beschrieben. Dabei werden zwei Röntgenfoken verwendet, die in gewissem Abstand zueinander positioniert sind und deren Zentralstrahlen sich in der Aufnahmeebene schneiden. Diese erzeugen nacheinander Strahlung, die auf einem Röntgendetektor registriert wird. Die Bilder, die aus jeweils unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen wurden, werden dann durch eine geeignete Vorrichtung separat jeweils dem linken und dem rechten Auge eines Betrachters zugeführt. Hierdurch entsteht der dreidimensionale Eindruck.
-
In der Veröffentlichungsschrift
DE 11 2007 002 364 T5 ist ein System zum Gewinnen eines stereoskopischen Röntgenbildes eines Objekts beschrieben. Das System weist ein Paar von voneinander beabstandeten Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen auf. Zwei Kollimatoren, die jeweils einer Röntgenröhre zugeordnet sind, sind derart ausgestaltet und ausgerichtet, dass Röntgenstrahlen, die nicht auf das Objekt ausgerichtet sind, eingeschränkt sind. Ein digitaler Bildsensor, der von den Kollimatoren entfernt, dem Objekt gegenüberliegend angeordnet ist, dient dem Detektieren von Röntgenstrahlen aus den Röntgenröhren und dem Liefern von Sensordaten für jede Röntgenröhre zum Bilden des stereoskopischen Röntgenbildes.
-
Bei der Anwendung von Stereoskopie in der medizinischen Röntgenbildgebung gibt es spezielle Aufgaben, die es zu lösen gilt. Eine Aufgabe betrifft eine mögliche Bewegung eines Objektes oder Organs. Bei interventionellen und gleichermaßen diagnostischen Untersuchungen gibt es beispielsweise Organe, die im Wesentlichen unbewegt sind, wie z. B. fixierte Schädel oder Extremitäten. Andere weisen eine nur geringe Bewegung auf, wie z. B. die Leber. Wieder andere sind in ständiger Bewegung mit unter Umständen erheblichen Amplituden, wie z. B. das Herz oder die Aorta. Bei interventionellen Untersuchungen werden Objekte, wie z. B. Katheter, Drähte oder Coils bewegt. Und schließlich gibt es dadurch Bewegungen, dass ein Patient eine Bewegung ausführt oder ein Patiententisch oder der C-Bogen des Röntgengerätes verfahren wird. Ein Anwendungsfall wäre beispielsweise die interventionelle Kardangiographie oder Elektrophysiologie, z. B. bei der Punktion einer Herzwand mit einer transseptalen Nadel. Bei bewegten Objekten ist aber sicherzustellen, dass die Bildgebung aus den beiden Projektionsrichtungen nahezu zeitgleich erfolgt, damit eine zeitliche Korrelation zwischen beiden Projektionsbildern gewährleistet ist. Sind die Unterschiede zwischen den beiden Bildern nicht nur durch die unterschiedliche Projektionseinstellung bedingt, sondern auch durch eine Bewegung, ist eine räumliche gleiche Zuordnung des Objektes im Stereobild nicht möglich. Eine gleichzeitige Aufnahme beider Bilder ist wegen des einen Röntgendetektors prinzipbedingt nicht möglich, so dass zwischen der Aufnahme der beiden Bilder immer eine gewisse Zeitspanne liegt. Die Folge ist eine Verschlechterung der Bildqualität bei bewegten Objekten.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und eine Systemeinheit zur stereoskopischen Röntgenbildgebung anzugeben, die eine bessere Bildqualität, insbesondere bei bewegten Objekten, gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Systemen bieten.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur stereoskopischen Röntgenbildgebung mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs und einer Systemeinheit zur stereoskopischen Röntgenbildgebung mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Patentanspruchs.
-
Der Grundgedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur stereoskopischen Röntgenbildgebung mit Hilfe
- – einer stereoskopischen Röntgenröhre, die zwei in geringem Abstand angeordnete Röntgenstrahlenquellen umfasst,
- – eines Röntgenstrahlungsdetektors, der einen Szintillator aufweist, welcher auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftreffende Röntgenstrahlenquanten in Lichtquanten wandelt, und der ferner ein Raster von Detektoreinheiten aufweist, wobei jede Detektoreinheit einen lichtempfindlichen Empfänger aufweist, an dem ein Messwert durch auf ihn eintreffende Lichtquanten verändert wird, und wobei jede Detektoreinheit einen Zwischenspeicher für aus dem lichtempfindlichen Empfänger ausgelesene Messwerte aufweist,
wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: - S1) Zurücksetzen der Messwerte in allen lichtempfindlichen Empfängern auf einen vorbestimmten Wert;
- S2) Abgabe von Röntgenstrahlung von der ersten Röntgenstrahlenquelle, so dass diese Röntgenstrahlung nach Durchlaufen eines Bildobjekts auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftrifft;
- S3) Auslesen der Messwerte aus allen lichtempfindlichen Empfängern in die zugehörigen Zwischenspeicher und sodann Zurücksetzen der Messwerte in jedem Empfänger auf den vorbestimmten Wert;
- S4) Abgabe von Röntgenstrahlung von der zweiten Röntgenstrahlenquelle, so dass diese Röntgenstrahlung nach Durchlaufen des Bildobjekts auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftrifft;
- S5) Auslesen der Messwerte aus allen Zwischenspeichern in einen zentralen Speicher, so dass man einen ersten Röntgenbilddatensatz aus der Projektionsrichtung der ersten Röntgenstrahlenquelle erhält;
- S6) Auslesen der Messwerte aus allen lichtempfindlichen Empfängern in den zentralen Speicher, so dass man einen zweiten Röntgenbilddatensatz aus der Projektionsrichtung der zweiten Röntgenstrahlenquelle erhält.
-
Die stereoskopische Röntgenbildgebung erfolgt somit mit Hilfe einer stereoskopischen Röntgenröhre, deren beiden Röntgenstrahlenquellen, d. h. deren Foki, in geringem Abstand voneinander angeordnet sind. Unter einem geringen Abstand wird insbesondere ein Abstand von ca. 65 mm, dem mittleren menschlichen Augenabstand, bis z. B. 10 cm bis 20 cm oder mehr für einen verstärkten stereoskopischen Effekt, verstanden. Der Abstand der Röntgenstrahlenquellenfoki wird auch als Stereobasis bezeichnet. Weiter erfolgt die stereoskopische Röntgenbildgebung mit Hilfe eines Röntgenstrahlungsdetektors, der neben einem Szintillator und einem Raster von Detektoreinheiten mit lichtempfindlichen Empfängern, die z. B. als Fotodioden ausgeführt sind, auf jeder Detektoreinheit einen Zwischenspeicher für aus dem lichtempfindlichen Empfänger ausgelesene Messwerte aufweist. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte S1 bis S6.
-
In Verfahrensschritt S1 wird zunächst der Messwert an allen lichtempfindlichen Empfängern zurückgesetzt, d. h. die Spannung wird auf einen festen negativen Wert, die sog. Vorspannung, gesetzt.
-
Nun wird in Verfahrensschritt S2 von der ersten Röntgenstrahlenquelle der Röntgenröhre Röntgenstrahlung abgegeben, so dass diese nach Durchlaufen eines Bildobjekts auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftrifft. Dabei wird die Fotodiode abhängig vom auftreffenden Licht teilweise oder sogar ganz entladen.
-
In Verfahrensschritt S3 wird dann der Messwert aus allen lichtempfindlichen Empfängern in den zugehörigen Zwischenspeicher, d. h. in den Zwischenspeicher desselben Detektorelements, ausgelesen. Zudem wird in jedem lichtempfindlichen Empfänger der Messwert abermals auf die negative Vorspannung gesetzt.
-
In Verfahrensschritt S4 wird sodann von der zweiten Röntgenstrahlenquelle der Röntgenröhre Röntgenstrahlung abgegeben, so dass sie nach Durchlaufen des Bildobjekts auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftrifft.
-
In Verfahrensschritt S5 wird anschließend oder gleichzeitig mit Verfahrensschritt S4 der Messwert aus allen Zwischenspeichern in einen zentralen Speicher ausgelesen, so dass man einen ersten Röntgenbilddatensatz aus der Projektionsrichtung der ersten Röntgenstrahlenquelle erhält.
-
In Verfahrensschritt S6 wird zudem der Messwert aus allen lichtempfindlichen Empfängern in den zentralen Speicher ausgelesen, so dass man einen zweiten Röntgenbilddatensatz aus der Projektionsrichtung der zweiten Röntgenstrahlenquelle erhält.
-
Durch die Erfindung wird zwischen der Aufnahme zweier Röntgenbilder, also zwischen dem Gewinnen zweier Röntgenbilddatensätze, mit unterschiedlichen Projektionen ein Minimum an Zeit verloren, weil der Messwert aus den lichtempfindlichen Empfängern nicht unmittelbar zeitaufwändig in den zentralen Speicher ausgelesen wird, sondern zeitsparend in den Zwischenspeicher ausgelesen wird. Dadurch ist der Unterschied der beiden Röntgenbilder aus leicht versetzter Projektion bei einer möglichen Bewegung des Bildobjekts minimal, so dass das stereoskopische Bild auch unter dieser schwierigen Aufnahmebedingung von hoher Qualität ist.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Messwerte in Verfahrensschritt S6 zunächst in den Zwischenspeicher eingelesen bzw. aus den lichtempfindlichen Empfängern in den Zwischenspeicher eingelesen, und sodann werden sie 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 sein.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Verfahrensschritte S1 bis S6 mit einer vorgebbaren Periode wiederholt ausgeführt bis ein Abbruchkriterium, insbesondere ein Betätigen eines Tasters, erfüllt ist. Bei dieser Ausführungsform können zeitliche Veränderungen eines Bildobjekts in einer stereoskopischen Darstellung sichtbar gemacht werden, also eine stereoskopische Durchleuchtung oder ein szenischer Betrieb. Die vorgebbare Periode ist dabei gleich dem Kehrwert einer gewünschten Bildfrequenz, beispielsweise beträgt die Periode 100 ms bei einer Bildfrequenz von 10 Hz, d. h. zehn stereoskopische Bilder pro Sekunde. Die Bildakquisition endet, wenn ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Das Abbruchkriterium kann zum Beispiel das Drücken eines Tasters, das Erreichen einer bestimmten Anzahl an Bildern oder das Erreichen einer Zeitdauer sein.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung steuert eine periphere Detektorelektronik den Ablauf des Verfahrens und/oder führt eine Analog-Digital-Wandlung der Messwerte durch und/oder bereitet die Röntgenbilddatensätze auf, wobei insbesondere die geometrische Anordnung änderbar sind, detektorspezifische Korrekturen durchführbar sind, oder Elemente des Röntgenbilddatensatzes zusammenfassbar sind, und/oder führt die Röntgenbilddatensätze einer Systemrecheneinheit zu. Die periphere Detektorelektronik kann vorteilhaft als eine Mikroelektronikschaltung, z. B. als anwendungsspezifische Entwicklung, ASIC (application-specific Integrated Circuit), oder als vom Kunden konfigurierbare digitale Integrierte Schaltung, FPGA (field programmable Gate Array), ausgeführt sein. Eine wesentliche Aufgabe der peripheren Detektorelektronik könnte in der zeitlichen Ablaufsteuerung des Verfahrens bestehen, d. h. durch geeignete Steuersignale beispielsweise das Zurücksetzen von Messwerten, das Triggern der Abgabe von Röntgenstrahlung durch eine der Röntgenstrahlenquellen, das Speichern eines Messwertes in einem Zwischenspeicher, usw. bewirken. Weiter wäre die Überprüfung der Durchführbarkeit des Verfahrens anhand der Zeitparameter, wie Röntgenpulsdauern, notwendige Dauern für Datentransfer oder der Periode bis ein weiteres stereoskopisches Bild erfasst werden kann, eine Aufgabe. Für eine Weiterverarbeitung, z. B. innerhalb der peripheren Detektorelektronik oder in einer Systemrecheneinheit, ist es zweckmäßig, analoge Messwerte zu digitalisieren, d. h. eine analog zu digital Wandlung durchzuführen. Eine weitere Aufgabe der peripheren Detektorelektronik kann eine erste Aufbereitung der Röntgenbilddatensätze sein. Beispielsweise könnten darunter einfache Bildoperationen, wie Beschneiden, Rotieren, oder Skalieren der Datensätze, oder detektorspezifische Korrekturen, wie das Maskieren von Bildpunktefehlern oder die Korrektur eines Offsets aus dem Dunkelstrom des Sensors, oder das Zusammenfassen von Bildpunkten, dem sogenannten „Binning”, verstanden werden.
-
Vorteilhaft werden wenigstens ein Teil des ersten und des zweiten Röntgenbilddatensatzes mit Hilfe eines zur stereographischen Darstellung ausgeführten Anzeigemittels visualisiert.
-
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung betrifft eine Systemeinheit zur stereoskopischen Röntgenbildgebung. Die Systemeinheit umfasst einen Röntgenstrahlungsdetektor, eine stereoskopische Röntgenröhre und eine periphere Detektorelektronik. Der Röntgenstrahlungsdetektor weist einen Szintillator auf, welcher dazu ausgebildet ist, auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftreffende Röntgenstrahlenquanten in Lichtquanten zu wandeln, ferner weist er ein Raster von Detektoreinheiten auf, wobei jede Detektoreinheit einen lichtempfindlichen Empfänger aufweist, an dem ein Messwert durch auf ihn eintreffende Lichtquanten veränderbar ist, und wobei jede Detektoreinheit einen Zwischenspeicher für aus dem lichtempfindlichen Empfänger auslesbare Messwerte aufweist. Die stereoskopische Röntgenröhre umfasst zwei in geringem Abstand angeordnete Röntgenstrahlenquellen, wobei die Röntgenstrahlenquellen gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind, und wobei die Röntgenstrahlenquellen dazu ausgeführt sind, dass sich, in einem Röntgenstrahlen abgebenden Zustand, die Zentralstrahlen in einer Aufnahmeebene schneiden. Die Komponenten der Systemeinheit sind ferner dazu ausgebildet, eines der zuvor beschriebenen Verfahren auszuführen.
-
Der Röntgenstrahlungsdetektor ermöglicht die nahezu gleichzeitige Bildgebung aus zwei Blickwinkeln. Dies ist für die Aufnahme von bewegten Organen, wie Herz, Aorta oder Leber, oder bewegte Objekte, wie Führungsdraht, Katheter oder Coil wichtig. Für die räumliche gleiche Zuordnung eines bewegten Objektes im Stereobild wäre es ideal, wenn die beiden Projektionsbilder gleichzeitig erzeugt werden würden. Dies ist wegen des einen Röntgendetektors prinzipbedingt jedoch nicht möglich, so dass die Aufgabe der Systemeinheit zur stereoskopischen Röntgenbildgebung darin besteht, die beiden Bilder möglichst kurz hintereinander aufzunehmen. Dazu bedarf es einer Detektortechnologie, die eine derartige Zeitgebung unterstützt. Bisherige Technologien und Systeme, wie z. B. Bildverstärker/Fernsehröhrenkamera, Bildverstärker/Frametransfer-CCD-Kamera, Flachdetektoren auf CsI- oder a-Si-Basis, erlauben es nicht in kürzester Zeit hintereinander zwei Aufnahmen zu generieren, die einen nahezu gleichen Bewegungszustand des Objekts, z. B. eines Organs, dokumentieren. Die Erfindung nutzt Detektoren, die vorzugsweise mit CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor, dt. komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) oder verwandter, auf kristallinem Silizium basierender, Technologien, hergestellt sind, und die spezielle Eigenschaften, insbesondere schnelle Zwischenspeicher, sogenannte Schattenregistern, besitzen, die es erlauben, mit kurzem Abstand zwei getrennte Röntgenaufnahmen vorzunehmen und den Ausleseprozess, der typischerweise relativ langwierig ist, in einer weniger zeitkritischen Phase durchzuführen. Daher ist dieser Ansatz in besonderem Maße für stereoskopische Bildgebung mit bewegten Objekten geeignet.
-
Bei der stereoskopischen Röntgenröhre ist wichtig, dass die beiden Röntgenstrahlenquellen in einem geringen Abstand zueinander angeordnet sind und nacheinander Strahlung, die auf dem Röntgendetektor registriert wird, erzeugen können. Bei minimalen möglichen Abständen von ca. 6,5 cm bis 10 cm ist es vorteilhaft, die Röntgenstrahlenquellen gemeinsam in einem Gehäuse anzuordnen. Alternativ und insbesondere für größere Abstände lassen sich aber auch zwei getrennte Strahler nebeneinander anordnen. Insbesondere wären hierfür Strahler mit geerdeter Anode vorteilhaft, da sie baulich kleiner ausgeführt werden können.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Röntgenstrahlenquellen jeweils ein Anodenteller-Kathode-Paar umfassen, die entlang einer Achslinie angeordnet sind und dass die Anodenteller-Kathode-Paare in spiegelbildlicher Lage mit einer Spiegelebene senkrecht zu der Achslinie angeordnet sind. Röntgenstrahlenquellen, bei denen ein Anodenteller und eine Kathode auf einer Achslinie angeordnet sind, sind aus dem Stand der Technik bekannt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird nun vorgeschlagen, zwei solcher Röntgenstrahlenquellen auf einer Achslinie anzuordnen und die geometrische Abfolge von Anodenteller und Kathode so auszuführen, dass die Lage der Röntgenstrahlenquellen spiegelbildlich zu einer Senkrechten der Achslinie ist. Prinzipiell sind dabei Abfolgen möglich, bei denen die beiden Kathoden zwischen den beiden Anodentellern angeordnet sind oder bei denen die beiden Anodenteller zwischen den beiden Kathoden angeordnet sind. Der letztere Fall hat den Vorteil, dass die beiden Anodenteller enger beieinander gebaut werden können wodurch der Abstand der Zentralstrahlen der Röntgenstrahlenquellen sehr klein ist.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die stereoskopische Röntgenröhre als Drehkolbenröhre ausgeführt, wobei die Achslinie die Drehachse bildet. Drehkolbenröhren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die beschriebene stereoskopische Röntgenröhre kann mit wenig Mehraufwand als Drehkolbenröhre ausgeführt werden, wobei vorzugsweise die Achslinie die Drehachse bildet.
-
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
-
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren samt Beschreibung. Es zeigt:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhre nach dem Stand der Technik;
-
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen stereoskopischen Röntgenröhre mit zwei benachbarten Kathoden;
-
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen stereoskopischen Röntgenröhre mit zwei benachbarten Anodentellern;
-
4 eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Röntgenstrahlungsdetektors, der bei der Erfindung eingesetzt werden kann;
-
5 Ausführungsbeispiel einer Schaltung eines Röntgenstrahlungsdetektorelements, die einen lichtempfindlichen Empfänger aufweist, an dem ein Messwert durch auf ihn eintreffende Lichtquanten verändert wird;
-
6 eine Schemazeichnung zur Verdeutlichung des Aufbaus eines Detektorelements, des bei der Erfindung verwendbaren Röntgenstrahlungsdetektors;
-
7 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
8 bis 11 Zeitverlaufskurven für unterschiedliche digitale Größen, anhand derer beispielhaft vier unterschiedliche Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht werden;
-
12 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Systemeinheit zur stereoskopischen Röntgenbildgebung;
-
13 schematisch ein beispielhafter Ablauf einer stereoskopischen Röntgenbildgebung.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Röntgenstrahlenquelle 21, die eine Röntgenröhre zum Erzeugen von Röntgenstrahlen 22 nach dem Stand der Technik umfasst. Genauer umfasst sie eine Kathode 23 und einen Anodenteller 26, die in einem evakuierten Glaskörper 27 angeordnet sind. Die von der Kathode 23 emittierten Elektronen 24 werden durch eine Hochspannung beschleunigt und treffen, gegebenenfalls durch Ablenkspulen 25 in ihrer Flugbahn gesteuert, auf den Anodenteller 26, wo sie abgebremst werden und die charakteristische Röntgenstrahlung, Bremsstrahlung und Lilienfeldstrahlung erzeugen. Die Röntgenstrahlenquelle 21 ist als sogenannte Drehkolbenröhre ausgeführt. Das bedeutet, dass der, in Lagern 30 geführte, Glaskörper 27, die Kathode 23 und der Anodenteller 26 rotationssymmetrisch zu einer Drehachse 32 ausgeformt sind und mit Hilfe eines symbolisch dargestellten Motors 33 eine Drehbewegung 31 ausführen können. Zur Kühlung des durch den Elektronenbeschuss heiß werdenden Anodentellers kann durch den Zulauf 28 und den Ablauf 29 Kühlflüssigkeit, z. B. ein Kühlöl, in die Apparatur gepumpt werden.
-
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen stereoskopischen Röntgenröhre 20 mit zwei in einem Abstand 35, der sogenannten Stereobasis, voneinander angeordneten Röntgenstrahlenquellen 21 und 21' dargestellt. Die Funktion und der Aufbau jeder einzelnen Röntgenstrahlenquelle 21 oder 21' entspricht prinzipiell der in 1 gezeigten Röntgenstrahlenquelle 21, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten kennzeichnen. Bezugszeichen mit Apostroph kennzeichnen die entsprechenden Komponenten der zweiten Röntgenstrahlenquelle 21' der Röntgenröhre 20. Die beiden Röntgenstrahlenquellen 21 und 21' sind entlang derselben Achslinie 32 angeordnet. Weiter sind die Anodenteller-Kathode-Paare 26, 23 bzw. 26', 23' in spiegelbildlicher Lage mit einer Spiegelebene 34, die senkrecht zur Achslinie 32 ist, angeordnet. Somit sind die beiden Kathoden 23 und 23' benachbart und zwischen den beiden Anodentellern 26 und 26' angeordnet. Diese Anordnung erlaubt einen ausreichend kleinen Abstand 35 der beiden Zentralstrahlen 22 und 22' der Röntgenstrahlenquellen 21 und 21'. In einer alternativen Ausführungsform sind die beiden Glaskörper 27 und 27' miteinander verbunden, was konstruktive Vorteile bringt, beispielsweise ein geringerer Aufwand an mechanischen Teilen, weil insbesondere die Lager an der Spiegelebene nur einmalig ausgeführt werden müssen oder ein einziges Vakuum für beide Glaskörper 27 und 27' ausreicht.
-
3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen stereoskopischen Röntgenröhre 20 mit zwei in einem Abstand 35 voneinander angeordneten Röntgenstrahlenquellen 21 und 21'. Die Funktion und der Aufbau jeder einzelnen Röntgenstrahlenquelle 21 oder 21' entspricht wieder prinzipiell der in 1 gezeigten Röntgenstrahlenquelle 21, wobei wieder gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten kennzeichnen. Bezugszeichen mit Apostroph kennzeichnen wieder die entsprechenden Komponenten der zweiten Röntgenstrahlenquelle 21' der Röntgenröhre 20. Die beiden Röntgenstrahlenquellen 21 und 21' sind wieder entlang derselben Achslinie 32 angeordnet. Weiter sind die Anodenteller-Kathode-Paare 26, 23 bzw. 26', 23' in spiegelbildlicher Lage mit einer Spiegelebene 34, die senkrecht zur Achslinie 32 ist, angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die beiden Anodenteller 26 und 26' benachbart und zwischen den Kathoden 23 und 23' angeordnet. Diese Anordnung erlaubt einen noch kleineren Abstand 35 der beiden Zentralstrahlen 22 und 22' der Röntgenstrahlenquellen 21 und 21' als in der Ausführungsform aus 2. Wieder können die beiden Glaskörper 27 und 27' miteinander verbunden sein.
-
In 4 ist eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Röntgenstrahlungsdetektors 40, der bei der Erfindung eingesetzt werden kann dargestellt. Jeder Röntgenstrahlungsdetektor 40 besteht aus einer Vielzahl von Röntgenstrahlungsdetektorelementen 45, von denen in 4 eines vergrößert dargestellt ist. Auf den Detektorelementen 45 befindet sich eine Schicht aus Szintillatormaterial 41, das auftreffende Röntgenstrahlenquanten „hv” in Lichtquanten umwandelt.
-
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung des Röntgenstrahlungsdetektorelements, die einen lichtempfindlichen Empfänger aufweist, an dem ein Messwert durch auf ihn eintreffende Lichtquanten verändert wird. Die Schaltung kann vorteilhaft mit einer CMOS-Technologie gefertigt werden. In einem ersten Schritt wird ein Transistor 63 durch ein geeignetes Schaltsignal 62, einem sog. Reset-Signal, in einen leitenden Zustand versetzt, wodurch die Spannung an einem Knoten 68, d. h. an der Basis eines Transistors 64 und an der Kathode einer Photodiode 50, auf eine Vorspannung 60 gesetzt wird. Durch auf die Photodiode 50 eintreffende Lichtquanten entlädt sich der Knoten an der Basis des Transistors 64. Nach Ende der Belichtung werden die Messwerte der Röntgenstrahlungsdetektorelemente ausgelesen. Dies erfolgt jeweils mit Hilfe eines Transistors 66, der durch Aktivieren einer Zeile 65 ausgewählt wird und der den Ausleseprozess über die Spalte 67 initiiert. Ein als source-follower geschalteter Transistor 64 mit einer Spannungsversorgung 61 dient als Puffer und verstärkt die Spannung am Knoten 68, ohne dabei die Photodiode 50 zu entladen, d. h. es handelt sich um ein zerstörungsfreies Auslesen, wodurch es möglich ist, z. B. das Signal mehrfach auszulesen, um beispielsweise das Rauschen zu verbessern.
-
Aus 6 ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel des Aufbaus eines einzelnen Detektorelements 45 ersichtlich. Eine Fotodiode 50 wandelt Lichtquanten, die den Szintillator verlassen, in eine zur Zahl der Lichtquanten proportionale elektrische Spannung um, bis ein Zurücksetzen der Spannung auf einen bestimmten Wert, der Vorspannung, erfolgt. Neben der Fotodiode 50 angeordnet ist ein so genanntes Transfergate 51, das die Aufgabe hat, die Ladung an der Fotodiode 50 weiterzugeben, vorliegend nämlich in einen Zwischenspeicher 52. Dem Zwischenspeicher 52 nachgeordnet sind ein Verstärker 53 und ein Schalttransistor 54, so dass über zeilenweise Ausleseleitungen 55 und spaltenweise Ausleseleitungen 56 ein Auslesen der Datenwerte, d. h. der Ladungs-Messwerte oder von dieser Ladung entsprechenden Spannungsmesswerten, aus dem Zwischenspeicher 52 in einen zentralen Speicher erfolgen kann. Vorliegend sollen die einzelnen Detektorelemente 45 in CMOS-Technologie oder verwandten Technologien realisiert sein.
-
Der Aufbau eines Detektorelements nach Art des Detektorelements aus 5 und 6 sind grundsätzlich bekannt. Vorliegend steht im Zentrum des Interesses eine besondere Anwendung bei der stereoskopischen Röntgenbildgebung mit Hilfe einer stereoskopischen Röntgenröhre anzugeben.
-
7 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur stereoskopischen Röntgenbildgebung mit Hilfe einer stereoskopischen Röntgenröhre, die zwei in geringem Abstand angeordnete Röntgenstrahlenquellen umfasst, eines Röntgenstrahlungsdetektors, der einen Szintillator aufweist, welcher auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftreffende Röntgenstrahlenquanten in Lichtquanten wandelt, und der ferner ein Raster von Detektoreinheiten aufweist, wobei jede Detektoreinheit einen lichtempfindlichen Empfänger aufweist, an dem ein Messwert durch auf ihn eintreffende Lichtquanten verändert wird, und wobei jede Detektoreinheit einen Zwischenspeicher für aus dem lichtempfindlichen Empfänger ausgelesene Messwerte aufweist. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte S1 bis S6 und endet „End” nach Verfahrensschritt S6. Die einzelnen Verfahrensschritte lauten:
- S1) Zurücksetzen der Messwerte in allen lichtempfindlichen Empfängern auf einen vorbestimmten Wert;
- S2) Abgabe von Röntgenstrahlung von der ersten Röntgenstrahlenquelle, so dass diese Röntgenstrahlung nach Durchlaufen eines Bildobjekts auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftrifft;
- S3) Auslesen der Messwerte aus allen lichtempfindlichen Empfängern in die zugehörigen Zwischenspeicher und sodann Zurücksetzen der Messwerte in jedem Empfänger auf den vorbestimmten Wert;
- S4) Abgabe von Röntgenstrahlung von der zweiten Röntgenstrahlenquelle, so dass diese Röntgenstrahlung nach Durchlaufen des Bildobjekts auf den Röntgenstrahlungsdetektor auftrifft;
- S5) Auslesen der Messwerte aus allen Zwischenspeichern in einen zentralen Speicher, so dass man einen ersten Röntgenbilddatensatz aus der Projektionsrichtung der ersten Röntgenstrahlenquelle erhält;
- S6) Auslesen der Messwerte aus allen lichtempfindlichen Empfängern in den zentralen Speicher, so dass man einen zweiten Röntgenbilddatensatz aus der Projektionsrichtung der zweiten Röntgenstrahlenquelle erhält.
-
In einer alternativen Ausführungsform wird das Verfahren mit einer Periode wiederholt ausgeführt, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist.
-
In 8 bis 11 sind Zeitverlaufskurven 100 bis 103 für unterschiedliche digitale Signale dargestellt, anhand derer beispielhaft vier unterschiedliche Varianten des Zeitablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht wird.
-
Die Vorgehensweise gemäß einer Alternative wird zunächst anhand der 8 beschrieben. Vorliegend gibt es einen Systemtrigger, der gemäß der Kurve 110 Pulse 111 bereitstellt. Durch den Systemtrigger wird bewirkt, dass das so genannte Integrationsfenster der Fotodioden offen ist, siehe Pulse in Kurve 120. Unmittelbar danach wird begonnen, gemäß der Kurve 130 Röntgenstrahlung von einer ersten Röntgenstrahlenquelle abzugeben. Die Fotodioden messen während des Integrationsfensters die Lichtquanten, wobei eine Integration der Messwerte in an sich bekannter Weise erfolgt. Nach Beendigung des Röntgenstrahlenpulles erfolgt gemäß der Kurve 150 ein Datentransferpuls 151 von den Fotodioden in den jeweiligen Zwischenspeicher. Anschließend erfolgt gemäß der Kurve 160 und dem Puls 161 ein Zurücksetzen der Fotodioden. Nun geht es mit zwei Vorgängen gleichzeitig weiter: Die in den Zwischenspeichern sämtlicher Detektorelemente eingespeicherten Datenwerte werden gemäß der Kurve 170 während eines Pulses 171 in einen zentralen Speicher ausgelesen. Gleichzeitig wird gemäß der Kurve 120 das Fotodiodenintegrationsfenster wieder geöffnet, und nunmehr erfolgt gemäß der Kurve 140 ein Aussenden von Röntgenstrahlung von einer zweiten Röntgenstrahlenquelle. Nachdem das Bild aufgenommen wurde, verstreicht noch etwas Zeit mit dem Auslesen gemäß der Kurve 170. Sobald das erste Bild von der ersten Röntgenstrahlenquelle ausgelesen ist, kann ein Datentransfer gemäß der Kurve 150, Puls 152 aus den Fotodioden in den jeweiligen Zwischenspeicher erfolgen. Sobald die Spannungswerte aus den Fotodioden in die entsprechenden Zwischenspeicher eingelesen sind, kann abermals ein Zurücksetzen der Fotodioden gemäß Kurve 160, Puls 162 erfolgen, und sodann kann das zweite Röntgenbild in den zentralen Speicher ausgelesen werden, also der 2D-Bilddatensatz von der zweiten Röntgenstrahlenquelle, siehe wieder die Kurve 170, Puls 172. Anschließend gibt es wieder einen Puls 111 durch den Systemtrigger, und das Verfahren wiederholt sich nach einer vorgebbaren Periodendauer 105, es wird ein zweites stereoskopische Bildpaar, bestehend aus einem zweiten Bild von der ersten Röntgenstrahlenquelle und einem zweiten Bild von der zweiten Röntgenstrahlenquelle aufgenommen usw.
-
9 zeigt in einer Zeitverlaufskurve 101 eine Alternative eines Zeitablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens. Generell sind die Integrationsfenster für eine bestimmte Bildfrequenz des Detektors vorgegeben. Der entsprechende Röntgenpuls sollte immer kürzer oder maximal gleichlang wie das Integrationsfenster sein, ansonsten würde Strahlung appliziert, die nicht bildrelevant ist, was zu einer unnötigen Strahlenbelastung, z. B. für einen Patienten, führen würde. Im Allgemeinen ist der Röntgenpuls kürzer als das Integrationsfenster, dessen maximale Länge dem System auch vor dem Röntgenschuss bekannt ist. Verzögert man den Röntgenpuls von der ersten Röntgenstrahlenquelle nun soweit, dass er in das Ende des Detektorintegrationsfensters fällt und legt man andererseits den Röntgenpuls von der zweiten Röntgenstrahlenquelle so, dass er am Anfang des zweiten Integrationsfensters beginnt, dann liegen die beiden Röntgenpulse maximal zeitlich eng beieinander, was Vorteile für die stereoskopische Bilderzeugung bedeutet, nämlich die bestmögliche ”Gleichzeitigkeit”.
-
In 10 ist in einer Zeitverlaufskurve 102 eine weitere Alternative eines Zeitablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hier ist eine Timingvariante beschrieben, bei der eine Eigenschaft von CMOS-Detektoren genutzt wird, nämlich eine geringe Abhängigkeit des Offsetverhaltens, respektive des Dunkelstroms, von der Integrationslänge. Bei geringer oder keiner Änderung des Offsets über einen gewissen Integrationsfensterbereich, z. B. 10 ms bis 100 ms, oder sogar 5 ms bis 200 ms, können Offsetbilder, die gewöhnlich in Kalibrierzyklen während der Ruhephasen der Röntgenbildung erzeugt werden, d. h. wenn keine Strahlung abgegeben wird oder sich kein Patient im Strahlengang der Röntgenstrahler befindet, kann die Integrationszeit variabel eingestellt werden. Sie kann dann kurz vor Beginn der Strahlung beginnen und mit Ende der Strahlung enden. Das Integrationsfenster ist dann immer optimal, also minimal und wird durch die Applikation, insbesondere in der klinischen Anwendung, abhängig von der Dosis, von Objektbewegungen, vom Röntgenspektrum, von der Anatomie des Patienten etc., bestimmt. Durch variable Röntgenfenster wird nun sichergestellt, dass die Pulse der beiden Röntgenstrahlenquellen für alle Bildpaare zeitlich optimal eng beieinander liegen.
-
11 zeigt in einer Zeitverlaufskurve 103 eine weitere Alternative eines Zeitablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser Varianten erfolgt das Auslesen aus den Zwischenspeichern nicht gleichzeitig mit dem Gewinnen von Röntgenbildern von der zweiten Röntgenstrahlenquelle, sondern erst anschließend, siehe die Kurve 170 der 11. Dadurch verzögert sich insgesamt die Zeitdauer. Möglicherweise ist dieses Verfahren jedoch effizienter, um möglichst störungsfrei Daten zu gewinnen.
-
In 12 ist ein Ausführungsbeispiel einer Systemeinheit 10 zur stereoskopischen Röntgenbildgebung dargestellt. Sie umfasst ein Röntgengerät mit einem C-Bogen 11, an dem ein Röntgenstrahlungsdetektor 40 und eine stereoskopische Röntgenröhre 20, die zwei in geringem Abstand angeordnete Röntgenstrahlenquellen 21 und 21' umfasst, angeordnet sind. Das Röntgengerät wird von einer Systemrecheneinheit 14 angesteuert. Ein Patiententisch 12 mit einem Patienten 13 befindet sich in einer solchen Position, dass von der stereoskopischen Röntgenröhre 20 ausgehende Röntgenstrahlung 22 und 22' den Körper des Patienten 13 durchläuft, bevor sie auf den Röntgenstrahlungsdetektor 40 auftrifft. Eine periphere Detektorelektronik 17 umfasst einen zentralen Speicher 15 und eine elektronische Schaltung 16. Eine wesentliche Aufgabe der peripheren Detektorelektronik 17 ist es, den Ablauf eines Verfahrens zur stereoskopischen Röntgenbildgebung zu steuern und dazu insbesondere auch mit den Röntgenstrahlenquellen 21 und 21' und dem Röntgenstrahlungsdetektor 40 zu kommunizieren. Während oder nach einer Akquisition eines oder mehrerer stereoskopischen Röntgenbilder sendet die periphere Detektorelektronik 17 die Bilddaten beispielsweise an die Systemrecheneinheit 14.
-
13 schließlich zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf einer stereoskopischen Röntgenbildgebung. Mit kurzem zeitlichen Abstand senden zwei Röntgenstrahlenquellen 21 und 21' einer stereoskopischen Röntgenröhre 20, zwei Röntgenpulse 22 und 22' aus. Die beiden Röntgenstrahlenquellen 21 und 21', bzw. deren Röntgenfoki, sind gemeinsam in einem Gehäuse und in geringem Abstand, z. B. 6,5 cm bis 20 cm, voneinander angeordnet, und so ausgerichtet, dass sich in einem Röntgenstrahlen abgebenden Zustand, die Zentralstrahlen in einer Aufnahmeebene schneiden. Die von der stereoskopischen Röntgenröhre 20 ausgehende Röntgenstrahlung 22 und 22' durchläuft ein Untersuchungsobjekt, z. B. den Körper eines Patienten 13, und trifft dann auf einen Röntgenstrahlungsdetektor 40 auf. In einer peripheren Detektorelektronik 17 können verschiedene Verfahrensschritte ablaufen: Beispielsweise kann ein Analog-Digital-Wandler 70 eine analog zu digital Wandlung der detektierten Messwerte durchführen, um eine einfache Weiterverarbeitung der Messwerten, die als Bildpunkte interpretiert werden, zu ermöglichen. Oder eine Rohbilddatenverarbeitung 71 kann die erfassten Bildpunkte mit Hilfe von Kalibrierdaten 72 korrigieren. Oder ein Bildsplitter 73 kann die beiden stereoskopischen Bilder in geeigneter Weise aufteilen. Die beiden stereoskopischen Bilder werden anschließend einem Mittel 74 zur Darstellung eines stereoskopischen Bildes zugeführt. Dieses Mittel 74 kann z. B. ein Monitor sein, der zur Darstellung eines stereoskopischen Bildes ausgelegt ist. Mit Hilfe eines Mittels 76 zum Betrachten eines stereoskopischen Bildes, z. B. einer Polarisationsbrille, die das mit Hilfe der einen Röntgenstrahlenquelle gewonnene Bild dem linken Auge eines Betrachters zuführt und das mit Hilfe der anderen Röntgenstrahlenquelle gewonnene Bild dem rechten Auge eines Betrachters zuführt, kann das stereoskopische Bild mit seinem Tiefeneindruck von einem Betrachter betrachtet werden. Statt eines Monitors und einer geeigneten Brille, kann auch alternativ eine semitransparente Stereo-Brille, die z. B. mit LED- oder OLED-Displays ausgestattet ist, Verwendung finden. Diese erlaubt es, die Blickrichtung zu ändern, z. B. zu einem Katheter oder einem Patienten, und dennoch gleichzeitig die stereoskopische Bildgebung wahrzunehmen. Dabei wird abwechselnd die Information, d. h. die Bilder, der ersten Röntgenstrahlenquelle in ein Auge und die Information, d. h. die Bilder, der zweiten Röntgenstrahlenquelle in das andere Auge projiziert.
