DE102011083845A1

DE102011083845A1 - Filter device for hardening X-ray beam transmitted from X-ray radiator of C-arm X-ray device in e.g. surgery of patient, has sections arranged perpendicular to direction and made from materials with different or effective atomic numbers

Info

Publication number: DE102011083845A1
Application number: DE201110083845
Authority: DE
Inventors: Philipp Bernhardt; Martin Spahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-08-23

Abstract

The device (10a) has two filter sections (11) arranged perpendicular to a beam direction (13) and made from different materials e.g. aluminum and/or copper and/or titanium and/or gallium and/or tin, with different atomic numbers or effective atomic numbers. A material with a higher atomic number is passed earlier by an X-ray than a material with a lower atomic number. The materials are arranged such that the atomic number of the materials drops along the direction. The sections are designed as a gallium layer (14), a copper layer (15) and a titanium layer (16) of multilayer structure (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung zur Strahlaufhärtung eines von einem Röntgenstrahler einer Röntgeneinrichtung ausgesandten Röntgenstrahls sowie eine Röntgeneinrichtung mit einer solchen Filtereinrichtung. The invention relates to a filter device for beam hardening of an X-ray emitted by an X-ray source of an X-ray device, and to an X-ray device having such a filter device.

Röntgeneinrichtungen zur Bildgebung, insbesondere im Bereich der Medizin, sind bereits weitgehend bekannt. Von einem Röntgenstrahler ausgehende Röntgenstrahlen durchstrahlen ein zu untersuchendes Objekt, beispielsweise einen Patienten, und werden für die Bildgebung von einem Röntgendetektor empfangen. Genutzt werden derartige Röntgeneinrichtungen beispielsweise für diagnostische Untersuchungen und interventionelle Eingriffe, beispielsweise in der Kardiologie, der Radiologie sowie der Chirurgie. X-ray imaging equipment, especially in the field of medicine, are already widely known. X-rays emanating from an X-ray source pass through an object to be examined, for example a patient, and are received for imaging by an X-ray detector. Such X-ray devices are used, for example, for diagnostic examinations and interventional procedures, for example in cardiology, radiology and surgery.

Eine besondere Variante dieser Röntgeneinrichtungen sind die sogenannten C-Bogen-Röntgeneinrichtungen, die einen C-Bogen umfassen, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler und ein Röntgendetektor angeordnet sind. Ein Hochspannungsgenerator erzeugt die Röhrenspannung für die Röntgenstrahler. Zusätzlich kann ein Bildgebungssystem inklusive wenigstens eines Monitors vorgesehen sein. Eine Steuereinrichtung steuert den Betrieb der Röntgeneinrichtung, und zum Platzieren eines Patienten kann ein Patiententisch vorgesehen sein. Auch bekannt sind Systeme mit zwei C-Bögen. A special variant of these X-ray devices are the so-called C-arm X-ray devices which comprise a C-arm, on which an X-ray emitter and an X-ray detector are arranged opposite one another. A high voltage generator generates the tube voltage for the X-ray source. In addition, an imaging system including at least one monitor may be provided. A controller controls the operation of the x-ray device, and a patient table may be provided for placing a patient. Also known are systems with two C-arms.

Zur Detektion von Röntgenstrahlen im Rahmen der Bildgebung können sogenannte Flachdetektoren als Röntgendetektoren verwendet werden. Diese sind heute flächendeckend in vielen Bereichen der medizinischen Röntgendiagnostik und Röntgenintervention eingeführt, beispielsweise der Radiographie, der interventionellen Radiologie, der Kardangiographie, aber auch zur Bildgebung in der Chirurgie, der Therapie im Rahmen der Kontrolle und Bestrahlungsplanung oder der Mammographie. Bekannt sind beispielsweise Röntgen-Flachdetektoren, die als indirekt-konvertierend und integrierend bezeichnet werden. Derartige Flachdetektoren weisen einen Szintillator, beispielsweise Cäsiumjodid, eine aktive Auslesematrix aus amorphem Silizium (a-Si), wobei die individuellen Pixel eine Photodiode und ein Schaltelement beinhalten, Ansteuerelektronik und Ausleseelektronik auf. Derartige Flachdetektoren sind beispielsweise in dem Artikel von M. Spahn „Flat detectors and their clinical applications“, Eur Radiol (2005), 15: 1934–1947 beschrieben. For the detection of X-rays in the context of imaging so-called flat-panel detectors can be used as X-ray detectors. These are now widely used in many areas of medical X-ray and X-ray intervention, for example, radiography, interventional radiology, cardiac angiography, but also for imaging in surgery, therapy in the context of control and radiation planning or mammography. For example, X-ray flat detectors are known, which are referred to as indirectly-converting and integrating. Such flat-panel detectors include a scintillator, such as cesium iodide, an amorphous silicon (a-Si) readout active matrix, wherein the individual pixels include a photodiode and a switching element, drive electronics, and readout electronics. Such flat detectors are for example in the article of M. Spahn "Flat detectors and their clinical applications", Eur Radiol (2005), 15: 1934-1947 described.

Die theoretisch ideale Röntgenquelle für diagnostische interventionelle Röntgenbildgebung ist ein monochromatischer Röntgenstrahler. Allerdings sind nur Synchrotrons heutzutage in der Lage, eine solche monochromatische Röntgenstrahlung mit ausreichender Dosisleistung zu erzeugen. Synchrotrons jedoch sind wegen der hohen Kosten und ihrer Größe praktisch nicht in der medizinischen Praxis anwendbar. Theoretically ideal X-ray source for diagnostic interventional X-ray imaging is a monochromatic X-ray source. However, only synchrotrons today are capable of producing such monochromatic X-radiation with sufficient dose rate. However, synchrotrons are practically not applicable in medical practice because of their high cost and size.

Daher ist es bekannt, Röntgenstrahler zu verwenden, die generell ein breites Röntgenspektrum erzeugen, wobei dann zusätzlich eine Filtereinrichtung, beispielsweise aus Kupfer, in den Strahlengang eingebracht wird, um das Spektrum aufzuhärten, also insbesondere niederenergetische Anteile weitgehend zu unterdrücken bzw. zu reduzieren. Auch können mehrere Kupferfilter unterschiedlicher Dicke, beispielsweise 0,1 mm, 0,2 mm und 0,6 mm Kupfer, verwendet werden, die in unterschiedlicher Kombination in den Röntgenstrahl eingefahren werden können, um das Röntgenspektrum zu optimieren. Therefore, it is known to use X-ray sources, which generally produce a wide X-ray spectrum, in which case a filter device, for example made of copper, is additionally introduced into the beam path in order to harden the spectrum, ie in particular to suppress or reduce low-energy components to a great extent. It is also possible to use a plurality of copper filters of different thickness, for example 0.1 mm, 0.2 mm and 0.6 mm copper, which can be moved into the x-ray beam in different combinations in order to optimize the x-ray spectrum.

Dabei wird üblicherweise Kupfer verwendet, nachdem die k-Kante von Kupfer bei etwa 9 keV liegt und damit gut geeignet ist, niederenergetische Strahlung des Röntgenspektrums zu unterdrücken. In this case, copper is usually used after the k-edge of copper is about 9 keV and thus is well suited to suppress low-energy radiation of the X-ray spectrum.

Problematisch beim Design einer solchen Filtereinrichtung ist, dass in der diagnostischen und der interventionellen Radiologie und Kardangiographie Röntgenspektren, die mit verschiedensten Röhrenspannungen, beispielsweise im Bereich von 60–125 kV, erzeugt werden, bekannt sind, die unterschiedlichste Anforderungen an die Filter stellen. Eine ideal geeignete Filtereinrichtung für die Aufhärtung und damit die Monochromatisierung des Spektrums sollte dabei folgende Eigenschaften haben: sie sollte einen bezüglich der Quantenenergie stark abfallenden Wirkungsquerschnitt aufweisen, so dass niederenergetische Quanten gut absorbiert und hochenergetische Quanten weitgehend durchgelassen werden, wobei zusätzlich die Absorption im Wesentlichen auf Effekten beruhen sollte, die keine weiteren Tochterquanten erzeugt. Hier eignet sich im Gegensatz zur kohärenten und inkohärenten Streuung die Photoabsorption an relativ niederenergetischen Schalen, die hauptsächlich über Augerelektronen und nicht strahlend rekombinieren. A problem in the design of such a filter device is that in diagnostic and interventional radiology and cardiac angiography X-ray spectra, which are produced with a variety of tube voltages, for example in the range of 60-125 kV, are known, which make very different demands on the filters. An ideally suitable filter device for the hardening and thus the monochromatization of the spectrum should have the following properties: it should have a strongly falling quantum energy cross-section, so that low-energy quanta well absorbed and high-energy quanta are largely transmitted, in addition, the absorption substantially on Should be based on effects that generates no further daughter quanta. Here, in contrast to coherent and incoherent scattering, photoabsorption on relatively low-energy dishes, which recombine mainly via Auger electrons and not radiant.

Will man also beispielsweise den niederenergetischen Anteil im Bereich von 15–40 keV reduzieren, bieten sich Materialien mit einer Ordnungszahl zwischen 20 (Calcium) und 50 (Zinn) an, deren k-Schalen-Bindungsenergie zwischen 4 und 29 keV liegt. Dennoch werden bei heute bekannten Filtereinrichtungen, die eines dieser Materialien verwenden, noch nicht die gewünschten Monochromatisierungseffekte erreicht. Insbesondere erweist es sich als schwierig, eine möglichst hohe Abschirmung bei niedrigen Photonenenergien zu erreichen und gleichzeitig bei hohen Energien eine hinreichend große Intensität durchzulassen, um eine Bildgebung zu ermöglichen. If, for example, one wants to reduce the low-energy content in the range of 15-40 keV, materials with an atomic number between 20 (calcium) and 50 (tin) are available whose k-shell bonding energy is between 4 and 29 keV. Nevertheless, in today known filter devices using one of these materials, not yet achieved the desired monochromatization effects. In particular, it proves to be difficult to achieve the highest possible shielding at low photon energies and at the same time to transmit a sufficiently high intensity at high energies in order to enable imaging.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Filtereinrichtung anzugeben, die in dieser Hinsicht verbessert ist, also mithin bei gleicher Monochromatisierung des Spektrums eine höhere Röntgendosis bei gleichem Röntgenstrahler zur Verfügung stellen können. The invention is therefore based on the object to provide a filter device, which is improved in this regard, so therefore can provide a higher X-ray dose with the same X-ray source with the same monochromatization of the spectrum.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Filtereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass sie wenigstens zwei senkrecht zur Strahlrichtung angeordnete oder anordenbare Filterabschnitte aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Ordnungszahlen oder unterschiedlichen effektiven Ordnungszahlen umfasst. To solve this problem is provided according to the invention in a filter device of the type mentioned that it comprises at least two arranged perpendicular to the beam direction or can be arranged filter sections made of different materials with different atomic numbers or different effective atomic numbers.

Dabei wird unter einer effektiven Ordnungszahl eine die Wirkung beschreibende mittlere Ordnungszahl bei der Verwendung mehrerer unterschiedlicher Elemente in einem Material verstanden. In this case, an effective ordinal number is understood to be a mean ordinal number describing the effect when using a plurality of different elements in a material.

Es wird mithin vorgeschlagen, in der Filtereinrichtung nicht nur ein einziges Material zu verwenden, sondern mehrere Filterabschnitte mit unterschiedlichen Eigenschaften zu kombinieren. Auf diese Weise können die Vorteile unterschiedlicher Materialien genutzt werden und es kann sozusagen „schrittweise“ in unterschiedlichen Bereichen des Spektrums ausgefiltert werden. Beginnt man also beispielsweise mit einem Filtermaterial mit einer niedrigen Ordnungszahl (Z), werden die im Spektrum noch vorhandenen sehr niedrigen Quantenenergien sehr gut unterdrückt. Fügt man nun zusätzlich ein Filtermaterial mit einem höheren Z-Wert, also einer höheren Ordnungszahl, ein, so können nun möglichst effizient Quanten mit einer leicht höheren Energie ebenso entfernt werden. Diese Strategie kann letztlich verfolgt werden, solange noch ein Leistungsüberschuss beim Röntgenstrahler vorhanden ist, mithin genügend Dosis des letztendlich entstehenden und zur Aufnahme genutzten Röntgenstrahls verbleibt. Eine einfache Anpassung der Filtermaterialien und der Filterdicken sorgt dafür, dass sich die Filtereinrichtung auf verschiedene Spektren bei verschiedenen Röhrenspannungen anpassen lässt, beispielsweise also für die Mammographie (Röhrenspannungen zwischen 18 und 42 kV) oder die Computertomographie (Röhrenspannungen bis zu 150 kV). It is therefore proposed to use not only a single material in the filter device, but to combine several filter sections with different properties. In this way, the advantages of different materials can be used and it can be sorted out "step by step" in different areas of the spectrum. Thus, for example, if one starts with a filter material with a low atomic number (Z), the very low quantum energies still present in the spectrum are very well suppressed. Adding a filter material with a higher z-value, ie a higher atomic number, now also quantum with a slightly higher energy can be removed as efficiently as possible. This strategy can ultimately be pursued as long as there is still a surplus of power in the X-ray source, thus leaving enough dose of the X-ray that ultimately arises and is used for recording. A simple adaptation of the filter materials and the filter thicknesses ensures that the filter device can be adapted to different spectra at different tube voltages, for example for mammography (tube voltages between 18 and 42 kV) or computed tomography (tube voltages up to 150 kV).

Diese Verwendung unterschiedlicher Materialien in unterschiedlichen Filterabschnitten hat den überraschenden Effekt und Vorteil, dass bei gleicher Monochromatisierung des Spektrums, das bedeutet gleicher Varianz bzw. gleicher Aufhärtung, im Vergleich zu einer nur aus einem einzigen Material, beispielsweise Titan, bestehenden Filtereinrichtung mehr nutzbare Röntgendosis nach der Filterung verbleibt, wobei beispielsweise 12 % mehr Dosis in einem konkreten Beispiel realisierbar sind. Diese zusätzliche Röntgendosis, die nach dem erfindungsgemäßen Filtervorgang mit mehreren Materialien unterschiedlicher Ordnungszahl entsteht, kann vorteilhaft zur weiteren Monochromatisierung verwendet werden, jedoch sind auch kürzere Schusszeiten oder kleinere Röntgenfoken realisierbar. This use of different materials in different filter sections has the surprising effect and advantage that with the same monochromatization of the spectrum, that is equal variance or the same hardening, compared to a filter device consisting of only a single material, such as titanium, more usable X-ray dose after the Filtering remains, for example, 12% more dose can be realized in a specific example. This additional X-ray dose, which results after the filtering process according to the invention with a plurality of materials of different atomic number, can advantageously be used for further monochromatization, but shorter shot times or smaller X-ray foci can also be realized.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Materialien Elemente sind, insbesondere Feststoffe, und/oder die Ordnungszahl der Materialien im Bereich von 20–50 liegt. Elementare Filterabschnitte weisen eine klar definierte Ordnungszahl auf, wobei sich Feststoffe, die üblicherweise auch für heute bekannte Filtereinrichtungen mit nur einem einzigen Material verwenden lassen, besonders eignen. Grundsätzlich denkbar sind jedoch auch flüssige und/oder gasförmige Materialien, bei denen allerdings geeignete Gefäße notwendig sind. Flüssige und insbesondere gasförmige Stoffe können den Vorteil aufweisen, dass über eine Veränderung des sie beinhaltenden Volumens die Flächenbelegungsdichte ebenso angepasst werden kann. Materialien, deren Ordnungszahl im Bereich von 20–50 liegt, eignen sich besonders gut für heute übliche Spektren, die mit Röhrenspannungen im Bereich von 60–125 kV erzeugt werden. It can be provided that the materials are elements, in particular solids, and / or the atomic number of the materials is in the range of 20-50. Elementary filter sections have a well-defined atomic number, with solids, which can be commonly used for today known filter devices with only a single material, are particularly suitable. In principle, however, are also conceivable liquid and / or gaseous materials in which, however, suitable vessels are necessary. Liquid and in particular gaseous substances can have the advantage that the area occupation density can also be adjusted by changing the volume they contain. Materials with an atomic number in the range of 20-50 are particularly well suited for today's common spectra, which are generated with tube voltages in the range of 60-125 kV.

Alle Materialien, insbesondere Elemente, in dem genannten Bereich für die Ordnungszahlen weisen aufgrund des Photoeffekts an den L- und K-Schalen eine starke Energieabhängigkeit des totalen Wirkungsquerschnitts auf. Dabei lässt sich zeigen, dass die stärkste Energieabhängigkeit, welche als eine Art Schnittkante bezeichnet werden kann, bei einer Quantenenergie liegt, die dem Vier- bis Fünffachen der Energie der K-Kante entspricht. Beispielsweise weist Zink (K-Kante bei 9,6 keV) die stärkste Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts bei Quantenenergien von ca. 45 keV auf. Bei höheren Energien dominiert die inkohärente Streuung, die in erster Näherung nur von der Elektronendichte abhängt. Mit zunehmendem Z, also zunehmender Ordnungszahl, werden die Bindungsenergien der L- und K-Schalen immer größer. All materials, in particular elements, in the named region for the atomic number have a strong energy dependence of the total cross-section due to the photo effect on the L and K shells. It can be shown that the strongest energy dependence, which can be called a kind of cutting edge, is at a quantum energy, which corresponds to four to five times the energy of the K-edge. For example, zinc (K-edge at 9.6 keV) has the strongest energy dependence of the cross-section at quantum energies of about 45 keV. At higher energies, the incoherent scattering dominates, which in a first approximation depends only on the electron density. With increasing Z, ie increasing atomic number, the binding energies of the L and K shells are getting larger.

Dabei weisen Materialien mit einer kleinen Ordnungszahl den Vorteil auf, dass es nur sehr wenige strahlende Übergänge in den L- und K-Schalen gibt, die auch nur sehr wenig Energie enthalten. Materialien mit großem Z, also großer Ordnungszahl, weisen den Vorteil auf, dass der Photoeffekt weit zu hohen Quantenenergien reicht, was zum einen inkohärente Streuung unterdrückt, zum anderen für eine lang anhaltende große Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts sorgt. In this case, materials with a small atomic number have the advantage that there are very few radiating transitions in the L and K shells, which also contain only very little energy. Materials with a large Z, that is a large atomic number, have the advantage that the photoelectric effect reaches far too high a quantum energy, which suppresses incoherent scattering on the one hand and ensures a long-lasting high energy dependence of the cross-section on the other hand.

Materialien in diesem Ordnungszahlenbereich, die vorteilhaft einsetzbar sind, sind beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan, Gallium und Zinn. Materials in this Ordnungszahlenbereich, which are advantageously used, for example, aluminum, copper, titanium, gallium and tin.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Material mit einer höheren Ordnungszahl früher von dem Röntgenstrahl passiert wird als ein Material mit einer niedrigeren Ordnungszahl. Bei mehr als zwei Filterabschnitten sind bevorzugter Weise die Materialien so angeordnet, dass ihre Ordnungszahl entlang der Strahlrichtung absinkt. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise die Streustrahlung, die durch die Filtereinrichtung entsteht, möglichst gering gehalten werden, denn Materialien mit einer hohen Ordnungszahl, die mithin möglichst strahlernah vorgesehen sind, erzeugen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit fluoreszente niederenergetische Röntgenstrahlung, die durch die folgenden Materialien gut abgeschirmt werden kann, da die K-Kanten immer kleiner werden. In einer anderen Reihenfolge könnten diese Streustrahlungsquanten ungehindert auf der Objektseite entweichen. Mithin stellt eine solche Anordnung von Filterabschnitten auch im Hinblick auf die Streustrahlung eine hervorragende Filtermöglichkeit dar. In a particularly advantageous embodiment of the present invention can be provided that at least one material with a Higher atomic number is passed earlier by the X-ray than a material with a lower atomic number. With more than two filter sections, the materials are preferably arranged so that their atomic number drops along the beam direction. In this way, advantageously, the scattered radiation produced by the filter device can be kept as low as possible, because materials with a high atomic number, which are therefore provided as close to the radiator as possible, generate with a high probability fluorescent low-energy X-ray radiation, which are well shielded by the following materials can, because the K-edges are getting smaller. In a different order, these stray radiation quanta could escape unhindered on the object side. Thus, such an arrangement of filter sections also with regard to the scattered radiation is an excellent filter option.

In einer ersten alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Filterabschnitte als Schichten einer Mehrschichtstruktur ausgebildet sein. Das bedeutet, die Filtereinrichtung umfasst eine Mehrschichtstruktur, in der die Materialien mit unterschiedlicher Ordnungszahl als einzelne Schichten aufeinanderfolgen, so dass eine kompakte, mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden leicht herzustellende Filtereinrichtung geschaffen wird. In a first alternative embodiment of the invention, the filter sections may be formed as layers of a multi-layer structure. That is, the filter means comprises a multi-layered structure in which the different atomic number materials follow each other as individual layers, thus providing a compact filtering device which is easily manufactured by methods known in the art.

Bevorzugt ist jedoch eine zweite, alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der wenigstens ein Filterabschnitt, insbesondere alle Filterabschnitte, über eine Bewegungseinrichtung reversibel in den Strahlengang einbringbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Art der Filterung, beispielsweise bei einer variablen Röhrenspannung, auf die Art des Betriebs des Röntgenstrahlers und/oder die gewollte Anwendung anzupassen. Beispielsweise werden in der Pädiatrie geringere Röntgendosen benötigt als bei der Bildgebung eines Erwachsenen. Durch die Möglichkeit, einzelne Filterabschnitte gezielt in den Strahlengang einzubringen, kann also für jede Betriebsart und/oder jede Anwendung eine geeignete Filterung unter Verwendung einer einzigen Filtereinrichtung realisiert werden. Insbesondere ist es dann auch möglich, eine einzige Filtereinrichtung für unterschiedliche Röntgenstrahler einzusetzen. However, a second, alternative embodiment of the present invention is preferred, in which at least one filter section, in particular all filter sections, can be reversibly introduced into the beam path via a movement device. In this way it is possible to adapt the type of filtering, for example with a variable tube voltage, to the type of operation of the X-ray source and / or the desired application. For example, in pediatrics lower doses of X-rays are needed than in adult imaging. Due to the possibility of specifically introducing individual filter sections into the beam path, appropriate filtering using a single filter device can thus be realized for each operating mode and / or each application. In particular, it is then also possible to use a single filter device for different X-ray emitters.

In einer konkreten Ausgestaltung kann hierbei vorgesehen sein, dass die Filterabschnitte drehbar um eine Achse der Bewegungseinrichtung gelagert sind. Die letztlich scheiben- bzw. teilring- oder teilkreisartig ausgebildeten Filterabschnitte können mithin auf platzsparende Weise um eine Achse in den Strahlengang bzw. die Strahlrichtung hineindrehbar gelagert sein. Damit ergibt sich eine äußerst kompakte und vorteilhafte Ausgestaltung. In a specific embodiment, it may be provided that the filter sections are rotatably mounted about an axis of the movement device. The ultimately disc or partial ring or part-circular-shaped filter sections can therefore be mounted rotatably in the manner of rotation about an axis in the beam path or the beam direction in a space-saving manner. This results in an extremely compact and advantageous embodiment.

Vorteilhaft ist es, wenn ein Antriebsmittel zum automatischen Bewegen der Filterabschnitte in den Strahlengang oder aus dem Strahlengang vorgesehen ist. Ein derartiges Antriebsmittel kann beispielsweise durch eine Steuereinrichtung einer Röntgeneinrichtung entsprechend angesteuert werden, um für die Betriebsparameter des Röntgenstrahlers, insbesondere die Röhrenspannung, und/oder die aktuelle Bildaufnahme die geeignete Filterung einzustellen. Damit sind keine manuellen Eingriffe nahe am Röntgenstrahler erforderlich. It is advantageous if a drive means for automatically moving the filter sections in the beam path or from the beam path is provided. Such a drive means can for example be correspondingly controlled by a control device of an X-ray device in order to set the suitable filtering for the operating parameters of the X-ray emitter, in particular the tube voltage, and / or the current image acquisition. Thus, no manual intervention near the X-ray source is required.

Neben der Filtereinrichtung betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Röntgeneinrichtung mit einem Röntgenstrahler und einer dem Röntgenstrahler zugeordneten erfindungsgemäßen Filtereinrichtung. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung übertragen, so dass auch hier die bereits genannten Vorteile erreicht werden können. In addition to the filter device, the present invention also relates to an X-ray device having an X-ray emitter and a filter device according to the invention assigned to the X-ray emitter. All embodiments relating to the filter device according to the invention can be analogously transferred to the X-ray device according to the invention, so that here also the already mentioned advantages can be achieved.

Dabei kann die Filtereinrichtung beispielsweise nahe am Röntgenstrahler angeordnet sein, beispielsweise innerhalb oder an dem Gehäuse des Röntgenstrahlers. Dabei sei an dieser Stelle noch hervorgehoben, dass gegebenenfalls aus gesetzlichen Gründen oder dergleichen am Röntgenstrahler selbst vorgesehene Materialien, die einen filternden Effekt haben, beispielsweise eine Aluminiumumhüllung oder dergleichen, vorliegend nicht als eine Filtereinrichtung im gattungsgemäßen Sinne angesehen werden, sondern es bei der vorliegenden Erfindung allein um dedizierte, dem Röntgenstrahler nachgeschaltete Filtereinrichtungen zur Strahlaufhärtung im Sinne einer verbesserten Monochromatisierung des ausgestrahlten Röntgenspektrum geht. In this case, the filter device can be arranged, for example, close to the X-ray source, for example inside or on the housing of the X-ray source. It should be emphasized at this point that, where appropriate, for legal reasons or the like provided on the X-ray source materials that have a filtering effect, such as aluminum cladding or the like, not considered in the present case as a filter device in the generic sense, but it in the present invention only dedicated, downstream of the X-ray filter devices for beam hardening in the sense of improved monochromatization of the emitted X-ray spectrum goes.

Weist die Röntgeneinrichtung einen Röntgenstrahler mit einer variablen Röhrenspannung und/oder anderen variablen Betriebsparametern auf und/oder wird sie für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, kann eine Steuereinrichtung der Röntgeneinrichtung auch dazu ausgebildet sein, abhängig von den Betriebsparametern, insbesondere der Röhrenspannung, und/oder der Anwendung wenigstens einen Filterabschnitt in den Strahlengang einzubringen und/oder aus dem Strahlengang zu entfernen, wenn eine Bewegungseinrichtung zum reversiblen Einbringen der Filterabschnitte in den Strahlengang vorgesehen ist. If the X-ray device has an X-ray source with a variable tube voltage and / or other variable operating parameters and / or is used for different applications, a control device of the X-ray device can also be designed depending on the operating parameters, in particular the tube voltage, and / or the application to introduce at least one filter section into the beam path and / or to remove it from the beam path if a movement device is provided for the reversible introduction of the filter sections into the beam path.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Further advantages and details of the present invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawing. Showing:

1 eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung, 1 an X-ray device according to the invention,

2 eine Filtereinrichtung mit einer Mehrschichtstruktur, und 2 a filter device having a multilayer structure, and

3 eine Filtereinrichtung mit reversibel in den Strahlengang einbringbaren Filterabschnitten. 3 a filter device with reversibly insertable into the beam path filter sections.

1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung 1. Diese umfasst vorliegend einen an einem Roboterarm 2 gehalterten C-Bogen 3, an dem wie grundsätzlich bekannt sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 4 und ein Röntgendetektor 5, hier ein Flachdetektor, angeordnet sind. Der C-Bogen 3 kann um einen Patiententisch 6 bewegt werden, um Röntgenbilder eines darauf angeordneten Patienten 7 aufzunehmen. Der Betrieb der Röntgeneinrichtung 1 wird dabei von einer Steuereinrichtung 8 gesteuert, der insbesondere auch eine Anzeigevorrichtung 9, hier ein Monitor, zugeordnet ist. 1 shows a schematic diagram of an X-ray device according to the invention 1 , In the present case, this comprises one on a robot arm 2 supported C-arm 3 in which, as is basically known, an X-ray source is located opposite one another 4 and an x-ray detector 5 , here a flat detector, are arranged. The C-arm 3 can be around a patient table 6 be moved to X-ray images of a patient arranged thereon 7 take. The operation of the X-ray device 1 is doing by a control device 8th controlled, in particular also a display device 9 , here a monitor, is assigned.

Innerhalb des Gehäuses des Röntgenstrahlers 4 ist eine hier nur angedeutete erfindungsgemäße Filtereinrichtung 10 vorgesehen. Inside the housing of the X-ray source 4 is a filter device according to the invention only indicated here 10 intended.

Konkrete Ausführungsbeispiele der Filtereinrichtung 10 sind in den 2 und 3 näher dargestellt. Concrete embodiments of the filter device 10 are in the 2 and 3 shown in more detail.

Dabei zeigt die 2 eine weniger bevorzugte Ausführungsform einer Filtereinrichtung 10a, bei der verschiedene Filterabschnitte 11 als eine Schichtstruktur 12 angeordnet sind, wobei sich die Filterabschnitte 11 senkrecht zur Strahlrichtung 13 im Strahlengang befinden. Die vom Röntgenstrahler ausgesandten Röntgenquanten passieren entlang der Strahlrichtung 13 also zuerst eine Schicht 14 aus Gallium (Ordnungszahl 32), dann eine Schicht 15 aus Kupfer (Ordnungszahl 29) und schließlich eine Schicht 16 aus Titan (Ordnungszahl 22). Das bedeutet, die Materialien Titan, Kupfer und Gallium sind so angeordnet, dass zuerst das Material mit der höchsten Ordnungszahl, dann das Material mit der mittleren Ordnungszahl und schließlich das Material mit der niedrigsten Ordnungszahl durchstrahlt wird. Dies hat den Effekt, dass Streustrahlungsphotonen durch das Material mit der niedrigsten Ordnungszahl (hier Titan) wenigstens teilweise ohne weitere Streustrahlung absorbiert werden, nachdem es nur sehr wenige strahlende Übergänge in den L- und K-Schalen der Materialien mit niedriger Ordnungszahl gibt. It shows the 2 a less preferred embodiment of a filter device 10a , at the different filter sections 11 as a layered structure 12 are arranged, wherein the filter sections 11 perpendicular to the beam direction 13 located in the beam path. The X-ray quanta emitted by the X-ray source pass along the beam direction 13 So first a shift 14 made of gallium (atomic number 32 ), then a shift 15 made of copper (atomic number 29 ) and finally a layer 16 Titanium (atomic number 22 ). This means that the materials titanium, copper and gallium are arranged so that first the material with the highest atomic number, then the material with the average atomic number and finally the material with the lowest atomic number is irradiated. This has the effect of scattering radiation photons being absorbed by the lowest atomic number material (here titanium) at least partially without further scattering radiation, since there are very few radiative transitions in the L and K shells of the low atomic number materials.

Im gezeigten Beispiel kann beispielsweise durch die Titan-Schicht 16 eine Entfernung von Quantenenergien zwischen 15–25 keV realisiert werden, wobei durch die Kupfer-Schicht 15 Quanten im Bereich von etwa 40 keV zusätzlich abgebaut werden. Eine letzte Stufe bildet die Gallium-Schicht 14, die Röntgenquanten einer noch etwas höheren Energie ausfiltert. Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass selbstverständlich auch mehr als drei Filterabschnitte 11 vorgesehen sein können, beispielsweise bis zu fünf Filterabschnitte 11, so dass insbesondere noch Filterabschnitte aus Zirkon und Zinn hinzugefügt werden können, was im Übrigen auch für das Ausführungsbeispiel gemäß 3 gilt. In the example shown, for example, by the titanium layer 16 a distance of quantum energies between 15-25 keV can be realized, passing through the copper layer 15 Quantum in the range of about 40 keV be additionally degraded. One final step is the gallium layer 14 , which filters out X-ray quanta of a slightly higher energy. It should be noted at this point that, of course, more than three filter sections 11 may be provided, for example, up to five filter sections 11 , so that in particular still filter sections of zirconium and tin can be added, which incidentally also for the embodiment according to 3 applies.

Die Dicke der einzelnen Schichten bzw. Filterabschnitte 11 ergibt sich im Allgemeinen unter Berücksichtigung ihrer Absorptionseigenschaften und ihrer Dichte. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel eine Dicke von ca. 0,8 mm für Titan, eine Dicke von ca. 0,4 mm für Kupfer und eine Dicke von ca. 0,6 mm für Gallium vorgesehen werden. The thickness of the individual layers or filter sections 11 generally results considering their absorption properties and their density. For example, in one embodiment, a thickness of about 0.8 mm for titanium, a thickness of about 0.4 mm for copper, and a thickness of about 0.6 mm for gallium may be provided.

3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 10b, hier in einer Aufsicht in einer Prinzipskizze. Bei der Ausführungsform gemäß 3 können die Filterabschnitte 11 beliebig in den Strahlengang, angedeutet wiederum durch die Strahlrichtung 13, eingeschwenkt werden, weshalb eine hier nur angedeutet dargestellte Bewegungseinrichtung 17 vorgesehen ist. Die Bewegungseinrichtung 17 umfasst eine Achse 18, um die die Filterabschnitte 11 schwenkbar sind, vgl. Pfeile 24, so dass sie reversibel in den Strahlengang einbringbar sind. Damit dies automatisch geschehen kann, sind ebenfalls nur angedeutete Antriebsmittel 19 vorhanden, die über die Steuereinrichtung 8 (1) ansteuerbar sind, wozu beispielsweise ein dediziertes Programmmittel 20 vorgesehen werden kann. 3 shows a preferred embodiment of a filter device according to the invention 10b , here in a supervision in a schematic diagram. In the embodiment according to 3 can the filter sections 11 as desired in the beam path, indicated in turn by the beam direction 13 , be pivoted, which is why a here only hinted movement device 17 is provided. The movement device 17 includes an axis 18 to the the filter sections 11 are pivotable, cf. arrows 24 , so that they can be reversibly introduced into the beam path. For this to happen automatically, are also only indicated drive means 19 present, via the control device 8th ( 1 ) are controllable, including, for example, a dedicated program means 20 can be provided.

Erneut sind in diesem Ausführungsbeispiel drei Filterabschnitte 11 gezeigt, die als teilkreisförmige Plättchen 21–23 realisiert sind. Dabei besteht das Plättchen 21, welches im Strahlengang angeordnet zuerst durch den Röntgenstrahl passiert wird, aus Gallium, das mittlere Plättchen 22 aus Kupfer und das unterste Plättchen 23 aus Titan, mithin wieder dem Material mit der niedrigsten Ordnungszahl. Auch hier ist, wie bereits angedeutet, es durchaus denkbar, weitere Filterabschnitte 11 bzw. Plättchen mit Materialien weiterer Ordnungszahlen vorzusehen, beispielsweise Plättchen aus Zirkon und/oder Zink. Again, in this embodiment, three filter sections 11 shown as part-circular platelets 21 - 23 are realized. The platelet exists 21 , which is first passed through the X-ray beam in the beam path, made of gallium, the middle platelet 22 made of copper and the lowest plate 23 made of titanium, again the material with the lowest atomic number. Again, as already indicated, it is quite possible, more filter sections 11 or to provide platelets with materials of other atomic numbers, for example platelets of zirconium and / or zinc.

Ein Vorteil der Filtereinrichtung 10b ist es, dass sie auf unterschiedliche Anforderungen an die Röntgendosis bzw. das Röntgenspektrum angepasst werden kann. Weist beispielsweise der Röntgenstrahler 4 eine variable Röhrenspannung auf, so kann eine Auswahl der Filterabschnitte 11 derart erfolgen, dass in jedem Fall noch genügend Dosisleistung zur Bildgebung den Patienten 7 erreicht. Aber auch die Anwendung, mithin Parameter, die eine bestimmte, aktuell durchzuführende Bildaufnahme beschreiben, kann Einfluss auf das gewünschte Spektrum bzw. die gewünschte verbleibende Röntgendosis haben. So ist beispielsweise bei Aufnahmen im Bereich der Pädiatrie eine geringere Röntgendosis erforderlich, so dass weitere „Filterstufen“, mithin weitere Filterabschnitte, in den Strahlengang eingebracht werden können, um die Röntgendosis zu senken und gleichzeitig für eine Verbesserung der Monochromatisierung zu sorgen. Aufnahmeparameter und Betriebsparameter des Röntgenstrahlers 4 werden von der Steuereinrichtung 8 verarbeitet und in entsprechende Ansteuerungssignale für die Antriebsmittel 19 umgesetzt. An advantage of the filter device 10b It is that it can be adapted to different requirements for the X-ray dose or the X-ray spectrum. For example, indicates the X-ray source 4 a variable tube voltage, so can a selection of the filter sections 11 in such a way that in each case enough dose rate for imaging the patient 7 reached. But even the application, and thus parameters that describe a specific, currently to be performed image acquisition, can influence the desired spectrum or the desired remaining X-ray dose. Thus, for example, in the field of pediatrics, a lower X-ray dose is required, so that more "filter stages", thus further Filter sections can be introduced into the beam path to reduce the X-ray dose while ensuring an improvement in monochromatization. Recording parameters and operating parameters of the X-ray source 4 be from the controller 8th processed and in corresponding control signals for the drive means 19 implemented.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich die Dicken der einzelnen Filterabschnitte 11 in Strahlrichtung 13 letztlich auch durch Betrachtungen des gewünschten Absorptionsverhaltens ergeben. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass mit steigender Ordnungszahl häufig auch eine höhere Flächenbelegungsdichte erforderlich ist, da höherenergetische Quanten sich schwerer absorbieren lassen. It should be noted at this point that the thicknesses of the individual filter sections 11 in the beam direction 13 ultimately also by considerations of the desired absorption behavior. It should be noted that with increasing atomic number often a higher surface occupation density is required because higher energy quanta can be absorbed more difficult.

Mit der in 3 dargestellten Filtereinrichtung 10b konnten im Vergleich zu einem reinen Titan-Filter bei gleicher Monochromatisierung des Spektrums, also insbesondere gleicher Aufhärtung, um 12 % höhere Röntgendosen erhalten werden, die für eine weitere Monochromatisierung, kürzere Schusszeiten oder kleinere Röntgenfoken verwendet werden können. With the in 3 shown filter device 10b could be compared to a pure titanium filter with the same monochromatization of the spectrum, ie in particular the same hardening, obtained by 12% higher X-ray doses, which can be used for further monochromatization, shorter shot times or smaller X-ray foke.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

M. Spahn "Flat detectors and their clinical applications", Eur Radiol (2005), 15: 1934-1947 [0004]

Claims

Filter device ( 10 . 10a . 10b ) for the beam hardening of one of an X-ray source ( 4 ) of an X-ray device ( 1 ) emitted X-ray beam, characterized in that they at least two perpendicular to the beam direction ( 13 ) arranged or arrangeable filter sections ( 11 ) of different materials with different atomic numbers or different effective atomic numbers.

Filter device according to claim 1, characterized in that the materials are elements, in particular solids, and / or the atomic number of the materials in the range of 20 to 50 is located.

Filter device according to claim 1 or 2, characterized in that the materials comprise aluminum and / or copper and / or titanium and / or gallium and / or tin.

Filter device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one material with a higher atomic number is passed earlier by the X-ray beam than a material with a lower atomic number.

Filter device according to claim 4, characterized in that the materials are arranged so that their atomic number along the beam direction ( 13 ) decreases.

Filter device according to one of the preceding claims, characterized in that the filter sections ( 11 ) as layers ( 14 . 15 . 16 ) of a multilayer structure ( 12 ) are formed.

Filter device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one filter section ( 11 ), in particular all filter sections ( 11 ), via a movement device ( 17 ) is reversibly introduced into the beam path.

Filter device according to claim 7, characterized in that the filter sections ( 11 ) rotatable about an axis ( 18 ) of the moving device ( 17 ) are stored.

Filter device according to claim 7 or 8, characterized in that a drive means ( 19 ) for automatically moving the filter sections ( 11 ) is provided in the beam path or from the beam path.

X-ray device ( 1 ) with an X-ray source ( 4 ) and an X-ray source ( 4 ) associated filter device ( 10 . 10a . 10b ) according to one of the preceding claims.