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Die Erfindung betrifft ein insbesondere für medizintechnische Zwecke geeignetes Röntgengerät sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Röntgengerätes.
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In einer Röntgenröhre wird durch das Auftreffen eines Elektronenstrahls auf eine Anode Röntgenstrahlung erzeugt. Bei feststehender Anode bestimmen die auftreffenden Elektronen einen Brennfleck; im Fall einer rotierenden Anode entsteht beim Betrieb der Röntgenröhre eine Brennfleckbahn.
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Aus der
DE 103 01 071 A1 ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Einstellen der Brennfleckposition einer Röntgenröhre bekannt. Hierbei soll die Einstellung der Brennfleckposition nicht durch Steuerung, sondern durch eine Regelung erfolgen, um sowohl vorhersehbare als auch nicht vorhersehbare Störeinflüsse auf die Einstellung der Brennfleckposition automatisch zu kompensieren. Sensoren sind vorgesehen, um ein Signal zu messen, das die Brennfleckposition wiederspiegelt. Dieses Signal wird als Regelgröße für eine Ablenk-Regelung verwendet. Die Messung der Brennfleckposition kann beispielsweise durch ortsaufgelöste Bestimmung der Intensität des Röntgenstrahls oder durch Temperaturmessung an der Anode, zum Beispiel mit Infrarotkameras, erfolgen.
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Aus der
JP 11009584 A ist ein Verfahren zur Verfolgung der Position eines Röntgenstrahls bekannt, welches dazu dienen soll, die Position des Röntgenstrahls auch bei einer temperaturbedingten Verlagerung des Brennflecks beizubehalten. Der Röntgenstrahl tritt durch eine verstellbare, schlitzförmige Blende auf einen ein Array von Photodioden aufweisenden Detektor, welcher eine ortsaufgelöste Intensitätsmessung in zwei Dimensionen ermöglicht.
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Die
DE 196 50 528 A1 betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer Röntgenstrahl-Position in Mehrfach-Schnitt-Computer-Tomographie-Abtasteinrichtungen. Auch in diesem Fall sind in separaten Reihen angeordnete Erfassungseinrichtungszellen vorgesehen, um die Brennpunktposition der Röntgenstrahlung zu bestimmen. Die von den Erfassungseinrichtungszellen gelieferten Signale werden genutzt, um einen Kollimationseinrichtungs-Nachführmechanismus anzusteuern.
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Die
WO 2008/132635 A2 offenbart ein bildgebendes medizintechnisches System mit einer Röntgenquelle, bei welchem davon ausgegangen wird, dass die Position eines Brennpunktes in einer Längsrichtung eine Funktion der Temperatur mindestens einer Röntgenkomponente ist. Basierend auf diesem Zusammenhang wird rechnergestützt eine Kollimatorposition temperaturabhängig geändert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Röntgengerät gegenüber dem genannten Stand der Technik mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand insbesondere hinsichtlich der geometrischen Qualität der Abbildungseigenschaften weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Röntgengerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Röntgengerätes gemäß Anspruch 11. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Röntgenquelle erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Das Röntgengerät umfasst eine Röntgenquelle und einen mit dieser zusammenwirkenden Detektor, sowie ein zwischen der Röntgenquelle und dem Detektor angeordnetes Korrekturobjekt mit definierter Geometrie und/oder bekanntem Strahlenabsorptionsverhalten, welches mittels des Detektors erkennbar und hierbei zur Anzeige von Eigenschaften der Röntgenquelle, insbesondere deren Brennfleckposition, auf dem Detektor ausgebildet ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass sich die Position der Röntgenstrahlungsquelle in einer Röntgenröhre, das heißt die Brennfleckposition, durch die thermisch bedingte Ausdehnung von Komponenten der Röntgenröhre während des Betriebes ändert. In einer Röntgenröhre mit drehbarer Anode, wie beispielsweise in der
DE 103 01 071 A1 sowie der prioritätsgleichen
US 7,001,071 B2 offenbart, kann sich beispielsweise die Drehanode selbst, ein Verbindungselement zwischen der Drehanode und einem Lager, das Lager oder Einzelteile des Lagers, das Vakuumgehäuse oder ein sonstiges Teil der Röntgenröhre ausdehnen, wobei sich die verschiedenen Teile typischerweise in unterschiedlichem Maße thermisch bedingt ausdehnen.
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Eine solche während des Betriebes eines Röntgengerätes auftretende Änderung der Geometrie der Röntgenquelle bedeutet eine Verschiebung der Röntgenquelle relativ zum Detektor und damit eine Verschiebung und/oder Verzerrung eines mit dem Detektor aufgenommenen Bildes. Dies ist insbesondere in Fällen nachteilig, in denen eine Serie von zusammenhängenden Bildern aufgenommen wird, wie in der Computertomographie. Generell verfälscht die Änderung der Abbildungsgeometrie örtliche Relationen zwischen Objektmerkmalen, die auf verschiedenen Bildern wiedergegeben sind. Hinzu kommt als nachteiliger Effekt bei thermisch bedingten Abmessungsänderungen einer Röntgenquelle ein Verlust an Auflösungsvermögen, wenn die thermisch bedingte Bewegung groß im Vergleich zur Pixelgröße des Detektors ist.
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Im grundlegenden Unterschied zu im Stand der Technik vorgeschlagenen Verfahren, welche stets Eingriffe in die Röntgenquelle vorsehen, um die Abbildungsqualität im Fall thermisch bedingter geometrischer Änderungen möglichst weitgehend zu erhalten, werden nach der Erfindung vom Detektor aufgenommene Daten verwendet, um eine thermisch, mechanisch oder durch andere Ursachen bedingte Änderung der Brennfleckposition zu kompensieren. Ein Eingriff in die Abbildungseigenschaften des Röntgengerätes, etwa durch Verstellung eines Kollimators, ist dabei nach vorteilhafter Gestaltung des Verfahrens nicht vorgesehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Überwachung der Brennfleckgeometrie, insbesondere die Brennfleckposition, was hinsichtlich des apparatetechnischen Aufwandes besonders einfach dadurch geschieht, dass ein Korrekturobjekt mit definierter Geometrie und bekanntem Strahlenabsorptionsverhalten in einen von der Röntgenstrahlung beaufschlagten Bereich zwischen der Röntgenquelle und einem zugehörigen Detektor eingebracht wird. Das Korrekturobjekt erzeugt eine eindeutige Signatur in den vom Detektor aufgenommenen Daten in jeder Stufe der Datenverarbeitung und zeigt damit Eigenschaften der Röntgenquelle, insbesondere die Brennfleckposition, an. Unter "Eigenschaften der Röntgenquelle" bzw. Brennfleckgeometrie werden neben der Position des Brennflecks auch dessen Form, Größe und Profil als dessen Geometriegrößen subsumiert. Mindestens eine dieser Eigenschaften wird durch den Detektor erfasst und anschließend maschinell oder rechnergeschützt ausgewertet.
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Vorzugsweise erfolgt die Kompensation der temperatur- oder mechanisch-bedingten Änderung der Brennfleckgeometrie im frühestmöglichen Stadium der Verarbeitung der vom Detektor aufgenommenen Daten. Im Fall eines Computertomographiesystems, wie beispielsweise in der
WO 2008/132635 A2 offenbart, werden zum Beispiel bereits Rohdaten, welche zur Generierung von auswertbaren Bilddaten vorgesehen sind, im Sinne einer Kompensation der Änderung der Brennfleckgeometrie unmittelbar korrigiert, wodurch ein Auflösungsverlust minimiert wird. Ebenso kann die Kompensation der Änderungen der Brennfleckgeometrie auch bei der Rekonstruktion von Bildern aus den unveränderten Rohdaten erfolgen. Daher wir im Folgenden unter „Korrektur von Rohdaten“ sowohl die Korrektur der Rohdaten als auch die entsprechende Rekonstruktion der Bilddaten subsumiert.
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Gemäß einer ersten Variante des Röntgengerätes weist das in dieses integrierte Korrekturobjekt einen Transmissionsgrad, bezogen auf die von der Röntgenquelle emittierte Röntgenstrahlung, größer Null auf, das heißt das Korrekturobjekt ist gegenüber Röntgenstrahlung zumindest teilweise durchlässig. Das Korrekturobjekt kann hierbei vollständig innerhalb, teilweise innerhalb oder vollständig außerhalb des Querschnitts eines mittels der Röntgenstrahlung zu untersuchenden Objektes und damit in entsprechender Weise relativ zu einem von dem Detektor aufgenommenen Bild angeordnet sein. Die Anordnung des Korrekturobjektes im selben Strahlungsquerschnitt, in dem auch das Untersuchungsobjekt angeordnet ist, hat den Vorteil, dass kein Teil des Strahlungsquerschnitts für Korrekturzwecke reserviert werden muss und nicht mehr für die eigentliche Röntgenuntersuchung zur Verfügung stünde. Dagegen hat die Positionierung des Korrekturobjektes außerhalb des für die Untersuchung verwendeten Strahlungsquerschnitts den Vorteil, dass die Bildung von Artefakten in den Bilddaten prinzipbedingt ausgeschlossen ist.
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Die Erkennbarkeit des Korrekturobjektes im Fall dessen gegenüber Röntgenstrahlung teildurchlässiger Ausbildung ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung dadurch verbessert, dass das Korrekturobjekt mehrere Bereiche mit unterschiedlichem Strahlenabsorptionsverhalten aufweist. Die Bereiche, welche sich hinsichtlich des Transmissionsgrades voneinander unterscheiden, können hierbei durch unterschiedliche Wandstärke eines einzigen Materials und/oder durch die Verwendung unterschiedliche Transmissionskoeffizienten aufweisender Materialien hergestellt sein. In jedem Fall kann insbesondere bei vollständiger Einbettung des Korrekturobjektes in das vom Detektor aufgenommene Bild durch die definierte, einem Wasserzeichen vergleichbare, vom Korrekturobjekt erzeugte Signatur eindeutig auf die Einflüsse einer veränderten Geometrie des Röntgengerätes auf die Bildgebung geschlossen werden und ein solcher Einfluss im Sinne einer Rekonstruktion aus den Bilddaten beziehungsweise aus als Vorstufe von Bilddaten vorliegenden Rohdaten herausgerechnet werden.
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Gemäß einer zweiten Variante des Röntgengerätes ist das Korrekturobjekt gegenüber der von der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlung zumindest annähernd undurchlässig. Das Korrekturobjekt liegt in diesem Fall vorzugsweise außerhalb oder am Rand des mittels der Röntgenstrahlung untersuchten Querschnitts. In bevorzugter Ausgestaltung ist das Korrekturobjekt durch Konturen einer Blende, welche ein mittels des Detektors aufgenommenes Bild begrenzen und durch den Detektor erfassbar sind, gebildet. Damit wird sicher ausgeschlossen, dass Strukturen des Korrekturobjektes innerhalb des Untersuchungsobjektes erscheinen und möglicherweise die Auswertung von Bilddaten erschweren. Voraussetzung für diese Ausgestaltung ist ein Detektor, der einen weiteren Querschnitt als den durch die Blende begrenzten, den Untersuchungsbereich definierenden Querschnitt abdeckt.
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Unabhängig davon, ob das Korrekturobjekt innerhalb oder außerhalb des untersuchten Querschnitts angeordnet ist, kann das Korrekturobjekt, von der Röntgenquelle aus betrachtet, entweder vor oder hinter einem im Untersuchungsvolumen angeordneten Untersuchungsobjekt positioniert sein, wobei in allen Fällen die Röntgenquelle, der Detektor und ein Untersuchungsobjekt, auch als Abbildungsobjekt bezeichnet, relativ zueinander beweglich sein können. Je nach Positionierung des Korrekturobjektes ist dieses beispielsweise am Detektor, an einer Strahlenblende, am Untersuchungs- oder Abbildungsobjekt oder an der Röntgenquelle befestigt.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass ohne Eingriff in die Hardware eines Röntgengerätes eine Abwanderung des Brennflecks von dessen ursprünglicher Position ausschließlich durch Korrektur der vom Detektor aufgenommenen Daten kompensiert wird, wobei sämtliche für die Korrektur notwendigen Informationen – ohne Verwendung eines zusätzlichen Sensors – ebenfalls vom Detektor aufgenommen werden, indem die Lage und/oder Form eines im Strahlengang der Röntgenstrahlung angeordneten, mittels des Detektors erfassten, vorzugsweise semipermeablen Korrekturobjektes ausgewertet wird.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 Ein Röntgengerät mit Korrekturobjekt in stark schematisierter, perspektivischer Ansicht,
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2 ein ortsaufgelöstes, die Signatur des Korrekturobjektes zeigendes Signal eines Detektors des Röntgengerätes nach 1,
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3 eine alternative Gestaltung eines Korrekturobjektes,
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4 die Signatur des Korrekturobjektes nach 3,
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Röntgengerätes in einer Darstellung analog 1,
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6 ein ortsaufgelöstes Detektorsignal in einem Diagramm analog 2 und 4.
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Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Röntgengerät, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird, weist eine Röntgenquelle 2 sowie einen mit dieser zusammenwirkenden Detektor 3 auf. Das Röntgengerät 1 ist beispielsweise als Computertomographiegerät ausgebildet. Die von der Röntgenquelle 2 ausgestrahlte Röntgenstrahlung geht von einem Brennfleck 4 auf einer nicht weiter dargestellten, vorzugsweise rotierenden Anode der Röntgenquelle 2 aus. Die übliche Realisierungsform der Röntgenquelle 2 ist ein Röntgenstrahler, der – im Gegensatz zur Darstellung der Röntgenquelle 2 in den Zeichnungen als Punkt – endliche Abmessungen aufweist.
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Im Strahlungsfeld der Röntgenstrahlung zwischen der Röntgenquelle 2 und dem Detektor 3 befindet sich in der Nähe des Brennflecks 4 eine Montagefläche 5, welche zum Beispiel an einer Blende in einem Kollimator oder auf einer gesonderten, relativ zum Detektor 3 ortsfesten Fläche angeordnet ist.
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Auf der Montagefläche 5 ist ein Korrekturobjekt 6 befestigt, bei welchem es sich im Ausführungsbeispiel nach 1 um eine teiltransparente Struktur, nämlich einen Zylinder aus PEEK (Polyetheretherketon) handelt. Das Korrekturobjekt 6 wird auf dem Detektor 3 abgebildet und ist in 1 als Korrekturabbild 7 erkennbar.
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Eine Schnittlinie 8, welche durch das vom Detektor 3 aufgenommene Bild gelegt ist, schneidet das das Korrekturobjekt 6 wiedergebende Korrekturabbild 7. Ändert sich, insbesondere temperaturbedingt, die Lage des Brennflecks 4 innerhalb der Röntgenquelle 2, so verlagert sich die Position des vom Detektor 3 aufgenommenen Korrekturabbilds 7.
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Die Verteilung der vom Detektor 3 erfassten Intensität der Röntgenstrahlung und damit auch die erfasste Dosis D längs der Schnittlinie 8 ist in 2 dargestellt, wobei – wie in 1 – vereinfachend eine Situation betrachtet wird, in der sich kein Untersuchungsobjekt zwischen der Röntgenquelle 2 und dem Detektor 3 befindet. Deutlich erkennbar ist eine Absenkung der Dosis D im Bereich des Korrekturabbilds 7, wobei der abgesenkte Bereich klar durch Kanten 9, welche die Kontur des Korrekturobjekts 6 wiedergeben, eingegrenzt ist.
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Verschieben sich durch im Laufe des Betriebes des Röntgengerätes 1 auftretende Änderungen der Brennfleckgeometrie die Positionen der Kanten 9, so werden die mittels des Detektors 3 erfassten Rohdaten oder die daraus gewonnenen Bilddaten dahingehend korrigiert, dass sie Daten entsprechen, welche bei unveränderter Brennfleckgeometrie aufgenommen worden wären, das heißt auf verschiedenen mit dem Detektor 3 aufgenommenen Bildern stets deckungsgleiche Kanten 9 vorliegen.
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Die Brennfleckgeometrie wird somit ausschließlich mit Methoden der Datenverarbeitung, ohne Eingriff in den Betrieb der Röntgenquelle 2, korrigiert. Aus den das Korrekturabbild 7 beinhaltenden Rohdaten, vorzugsweise bereits aus den als Vorläuferdaten vorliegenden Rohdaten, wird zusätzlich zur Kompensation der veränderten Geometrie des Brennflecks 4 das Korrekturabbild 7 automatisch herausgerechnet, so dass für den Nutzer des Röntgengerätes 1 das Korrekturobjekt 6 auf den aufgenommenen Bildern nicht erkennbar ist.
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Die 3 zeigt ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 1 modifiziertes Korrekturobjekt 10. Dieses weist mehrere in 2 rechteckig dargestellte Flächenbereiche 11 auf, in denen im Vergleich zu den übrigen Bereichen des Korrekturobjektes 10 der Transmissionsgrad, bezogen auf die von der Röntgenquelle 2 emittierte Strahlung, gezielt reduziert ist, was zum Beispiel durch eine erhöhte Dicke oder durch zusätzlich aufgetragene Materialschichten realisiert ist.
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In ähnlicher Weise könnte gemäß einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels in den Flächenbereichen 11 gegenüber den umgebenden Bereichen des Korrekturobjektes 10 die Absorption von Röntgenstrahlung auch reduziert sein. Insbesondere kann es sich bei den Flächenbereichen 11 um Aussparungen innerhalb des Korrekturobjektes 6 handeln.
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Wird statt des in 1 dargestellten Korrekturobjektes 6 das Korrekturobjekt 10 nach 3 im Röntgengerät 1 verwendet, so ergibt sich längs der in 3 gestrichelt eingezeichneten Schnittlinie 8 der in 4 dargestellte Zusammenhang zwischen Ort x und Dosis D, wobei auch in diesem Fall eine Mehrzahl an Kanten 9 erkennbar ist, welche die geometrisch sowie strahlungstechnisch definierten Eigenschaften des Korrekturobjektes 10 wiedergeben. In dem von dem Detektor 3 aufgenommenen Bild zeichnet sich das Korrekturobjekt 10 deutlich ab, wodurch eine besonders präzise rechnerische Kompensation einer eventuellen Änderung von Parametern des Brennflecks der Röntgenquelle 2 ermöglicht wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach 5 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, dass das Korrekturobjekt 6 durch die Kanten einer Strahlenblende 12 gebildet ist. Die kompletten, mit dem Korrekturobjekt 6 identischen Umrisse der Strahlenblende 6 stellen in diesem Fall das mit dem Detektor 3 erfasste Korrekturabbild 7 dar. Um die Strahlenblende 12 komplett auf dem Detektor 3 darzustellen sind im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach 1 die Detektorabmessungen vergrößert. Alternativ kann auch durch eine verringerte Kollimatorgröße dafür gesorgt werden, dass die Strahlenblende 12 als Korrekturobjekt 6 nutzbar ist. In beiden Fällen ist sichergestellt, dass sich das Korrekturobjekt 6 nicht innerhalb eines mit dem Röntgengerät 1 untersuchten Querschnitts befindet.
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Die Kompensation einer eventuellen Abwanderung des Brennflecks 4 erfolgt im Ausführungsbeispiel nach 5 in gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel nach 1. Die zum Ausführungsbeispiel nach 5 gehörende Dosisverteilung längs der Schnittlinie 8 ist in 6 dargestellt. Deutlich erkennbar ist, dass die Kanten 9 in diesem Fall die Ränder des vom Detektor 3 aufnehmbaren Bildes bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10301071 A1 [0003, 0010]
- JP 11009584 A [0004]
- DE 19650528 A1 [0005]
- WO 2008/132635 A2 [0006, 0014]
- US 7001071 B2 [0010]
