DE102012206953B3

DE102012206953B3 - Adaptives Röntgenfilter und Verfahren zur adaptiven Schwächung einer Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102012206953B3
Application number: DE201210206953
Authority: DE
Inventors: Franz Fadler; Hans Liegl; Reiner Franz Schulz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN103377745B; CN103377745A; US20130287179A1; US9183961B2

Abstract

Die Erfindung gibt ein adaptives Röntgenfilter (1) und ein zugehöriges Verfahren zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung (2) an. Das Röntgenfilter (1) umfasst eine erste, Röntgenstrahlung (2) absorbierende Flüssigkeit (3) und hydraulisch bewegbare Stellelemente (8), die die Schichtdicke (9) der ersten Flüssigkeit (3) am Ort des jeweiligen Stellelements (8) verändern, indem sie die erste Flüssigkeit (3) zumindest teilweise verdrängen können. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass das Strahlungsfeld einer Röntgenstrahlung einfach, präzise und schnell in zwei Dimensionen moduliert werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein adaptives Röntgenfilter und ein zugehöriges Verfahren zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung durch lokale Veränderung der Schichtdicke einer Röntgenstrahlung absorbierenden Flüssigkeit.
Hintergrund der Erfindung
Bei Untersuchungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen kommt es oft vor, dass der Patient bzw. dessen Organe im zu untersuchenden Bereich ein stark unterschiedliches Absorptionsverhalten hinsichtlich der applizierten Röntgenstrahlung aufweisen. Beispielsweise ist bei Thoraxaufnahmen die Schwächung im Bereich vor den Lungenflügeln sehr groß, bedingt durch die dort angeordneten Organe, während sie im Bereich der Lungenflügel selbst klein ist. Sowohl für den Erhalt einer aussagekräftigen Aufnahme als auch insbesondere zur Schonung des Patienten ist es sinnvoll, die applizierte Dosis bereichsabhängig derart einzustellen, dass nicht mehr Röntgenstrahlung als nötig zugeführt wird. Das heißt, in den Bereichen mit großer Schwächung ist eine größere Dosis als in Bereichen mit geringer Schwächung zu applizieren. Daneben gibt es Anwendungen, bei denen nur ein Teil des untersuchten Bereiches mit großer diagnostischer Qualität, das heißt mit wenig Rauschen aufgenommen werden muss. Die umgebenden Teile sind für die Orientierung, nicht aber für die eigentliche Diagnose wichtig. Diese umgebenden Bereiche könnten also mit einer geringeren Dosis abgebildet werden, um auf diese Weise die gesamte applizierte Dosis zu reduzieren.
Zur Schwächung von Röntgenstrahlung werden Filter eingesetzt. Ein derartiges Filter ist beispielsweise aus der DE 44 22 780 A1 bekannt. Dieses weist ein Gehäuse mit einer ansteuerbaren Elektrodenmatrix auf, mittels welcher ein elektrisches Feld erzeugt wird, das auf eine mit der Elektrodenmatrix in Verbindung stehende Flüssigkeit wirkt, in welcher Röntgenstrahlen absorbierende Ionen vorhanden sind. Diese sind frei beweglich und wandern in Abhängigkeit von dem angelegten Feld. Auf diese Weise ist es möglich, durch entsprechende elektrische Feldausbildung im Bereich einer oder mehrerer Elektroden entsprechend viele oder wenige Ionen zu akkumulieren, um auf diese Weise lokal das Absorptionsverhalten des Filters zu ändern.
Die Offenlegungsschrift DE 21 59 365 A offenbart ein adaptives Röntgenfilter, wobei mit Hilfe einer flexiblen, gummielastischen Blende und damit verbundenen Drähten die Dicke einer Röntgenstrahlung absorbierende Flüssigkeit lokal veränderbar ist.
Die Patentschrift DE 699 08 494 T2 offenbart ein Röntgenfilter mit einer Röntgenstrahlung absorbierenden Flüssigkeit, wobei Filterelemente des Filters mit einem Ende mit einer röntgentransparenten Flüssigkeit in Verbindung stehen.
Die niederländische Offenlegungsschrift NL 8903110 A offenbart ein Röntgensystem, bei dem der Ausgang eines Röntgendetektors zu einer Pumpe geführt wird, die die Konzentration einer röntgenabsorbierenden Flüssigkeit in einem Filter steuert.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiteres adaptives Röntgenfilter und ein zugehöriges Verfahren anzugeben, die sicher, präzise und robust Röntgenstrahlung mit hoher Auflösung ortsabhängig schwächen.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem adaptiven Röntgenfilter und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in einer Ebene wabenförmig angeordnete, hydraulisch bewegbare Stellelemente lokal die Schichtdicke einer Röntgenstrahlung absorbierenden ersten Flüssigkeit verändern können. Dadurch ändert sich das lokale Absorptionsverhalten des Filters. Bei geringer Schichtdicke gelangt mehr Röntgenstrahlung zu einem Objekt als bei größerer Schichtdicke. Die Röntgenstrahlung kann somit in zwei Dimensionen moduliert werden.
Die Erfindung beansprucht ein adaptives Röntgenfilter zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung. Das Röntgenfilter umfasst eine erste, Röntgenstrahlung absorbierende Flüssigkeit, beispielsweise Galinstan, und hydraulisch bewegbare Stellelemente, welche die Schichtdicke der ersten Flüssigkeit am Ort des jeweiligen Stellelements verändern, indem sie die erste Flüssigkeit zumindest teilweise verdrängen. Die Stellelemente sind pilzförmig ausgebildet und weisen jeweils eine Kappe und einen Stiel auf. Die Kappen sind in einer Grundposition nahezu bündig zueinander angeordnet. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass das Strahlungsfeld einer Röntgenstrahlung einfach, präzise und schnell moduliert werden kann.
In einer Weiterbildung können die Stellelemente in einer zur Röntgenstrahlung senkrecht stehenden Ebene angeordnet sein. Sie bilden somit eine Matrix, die wabenförmig ausgebildet sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Röntgenfilter eine für Röntgenstrahlung transparente, flexible erste Membran, die die erste Flüssigkeit von den Stellelementen trennt, wobei die erste Membran durch die Stellelemente bewegt wird. Mit Hilfe der ersten Membran wird somit die Schichtdicke der ersten Flüssigkeit lokal verändert.
Des Weiteren umfasst das Röntgenfilter eine oberhalb der ersten Flüssigkeit angeordnete Deckplatte, in deren Richtung die erste Membran durch die Stellelemente gedrückt wird. Durch die Deckplatte und die erste Membran wird eine Kammer gebildet, in der sich die erste Flüssigkeit befindet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Röntgenfilter eine unterhalb der ersten Membran angeordnete zweite Flüssigkeit, in der die Stellelemente angeordnet sind. Die zweite Flüssigkeit hat ähnliche Röntgenstrahlung absorbierende Eigenschaften wie die Stellelemente. Dadurch werden unerwünschte Strukturen durch die Stellelemente in den Röntgenbildern vermieden.
Bevorzugt sind die Stellelemente von der zweiten Flüssigkeit umgeben.
Des Weiteren kann das Röntgenfilter eine unterhalb der Stellelemente angeordnete flexible zweite Membran umfassen, die ortsabhängig hydraulisch in Richtung der Stellelemente bewegbar ist und dadurch die Stellelemente in Richtung der ersten Flüssigkeit derart bewegt, dass die Stellelemente die Schichtdicke der ersten Flüssigkeit lokal verdrängen. Die zweite Membran bewirkt, dass die zweite Flüssigkeit in einer Art Kammer gehalten wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Röntgenfilter eine unterhalb der zweiten Membran angeordnete Verteilerplatte mit Zuleitungen für eine dritte Flüssigkeit, mit deren Hilfe ein hydraulischer Druck auf die Stellelemente ausgeübt wird. Dadurch können die Stellelemente hydraulisch bewegt werden. Über Miniventile kann die dritte Flüssigkeit in die Zuleitungen fließen und aus diesen abfließen.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung mit einem adaptiven Röntgenfilter, wobei in einer Ebene angeordnete pilzförmige Stellelemente des adaptiven Röntgenfilters hydraulisch bewegt werden, wodurch die Schichtdicke einer von der Röntgenstrahlung durchstrahlten, Röntgenstrahlung absorbierenden ersten Flüssigkeit am Ort des jeweiligen Stellelements verändert wird. Die Kappen der Stellelements sind zueinander nahezu bündig angeordnet und verdrängen bei Bewegung der Stellelemente die erste Flüssigkeit zumindest teilweise.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: das Funktionsprinzip eines adaptiven Röntgenfilters,
2: einen Querschnitt durch ein adaptives Röntgenfilter,
3: eine Draufsicht eines adaptives Röntgenfilters und
4: eine Ansicht eines adaptiven Röntgenfilters von unten.
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt das Grundprinzip der ortsabhängigen Schwächung einer Röntgenstrahlung 2 durch ein adaptives Röntgenfilter 1. Von einer Röntgenquelle 16 wird die Röntgenstrahlung 2 erzeugt, durchdringt zunächst das erfindungsgemäße adaptive Röntgenfilter 1 sowie anschließend einen Patienten 17 und wird schließlich von einem Röntgendetektor 18 gemessen. Mit einer Steuereinheit 19 wird die örtliche Schwächung der Röntgenstrahlung 2 durch das adaptive Röntgenfilter 1 gesteuert.
Das Intensitätsprofil 20 der Röntgenstrahlung 2 vor dem adaptiven Filter 1 ist in der 1 rechts oben schematisch dargestellt. Über der Achse x, die den Ort angibt, ist die Intensität y dargestellt. Zu sehen ist ein nahezu gleichmäßiger Verlauf der Intensität y. In der 1 rechts unten ist das Intensitätsprofil 21 nach dem Durchtritt durch das Röntgenfilter 1 schematisch dargestellt. Deutlich zu sehen ist die durch das Filter 1 bedingte Änderung der örtlichen Intensität y anhand der Form des Intensitätsprofils 21.
Ein adaptives Röntgenfilter 1 gemäß der Erfindung zeigt 2 in einer Ansicht mit Querschnitt. Auf einer Grundplatte 15 aus Kohlenstofffaser verstärktem Kunststoff ist eine Verteilplatte 13 angeordnet. Die Verteilerplatte 13 hat eine Vielzahl von röhrenartigen Zuleitungen 14, durch die eine dritte Flüssigkeit 5 zu- und abfließen kann. Die Zuleitungen 14 enden unterhalb von wabenförmig in einer Ebene bewegbar angeordneten Stellelementen 8. Zwischen den Stellelementen 8 und der Verteilerplatte 13 befindet sich eine flexible zweite Membran 7 als Schaltmembran. Wird über nicht dargestellte Miniventile dritte Flüssigkeit 5 zugeführt, hebt sich die Schaltmembran 7 lokal an und bewegt somit hydraulisch das Stellelement 8 nach oben, das heißt in Richtung einer einfallenden Röntgenstrahlung 2.
Die Stellelemente 8 sind pilzförmig ausgebildet und haben eine Kappe 11 und einen Stiel 12. Die Stellelemente 8, insbesondere die Kappen 11, liegen in einer zweiten Flüssigkeit 4, die ähnliche Röntgen-Absorptionseigenschaften wie die Stellelemente 8 hat. Dadurch wird verhindert, dass durch die Stellelemente 8 gebildete, unerwünschte Strukturen im Röntgenbild sichtbar werden. Die Kappen 11 liegen nahezu bündig aneinander an.
Gegen die Richtung der einfallenden Röntgenstrahlung 20, oberhalb der Stellelemente 8, ist eine flexible erste Membran 6 als Trennmembran angeordnet. Mit einem Abstand befindet sich oberhalb der Trennmembran 6 eine Deckplatte 10 aus Kohlenstofffaser verstärktem Kunststoff. Die Deckplatte 10 und die Trennmembran 6 bilden eine Kammer, in der eine Röntgenstrahlung absorbierende erste Flüssigkeit 3, beispielsweise ein Flüssigmetall wie Galinstan, oder kolloidale Lösungen mit röntgenabsorbierenden Elementen, eingeschlossen ist. Wird das Stellelement 8 hydraulisch nach oben bewegt, wird durch die Kappe 11 des Stellelements 8 am Ort der Kappe 11 die Trennmembran 6 nach oben bewegt und verdrängt somit die erste Flüssigkeit 3 am Ort der Kappe 11. Dadurch verändert sich am Ort der Kappe 11 lokal die Röntgenstrahlungsabsorption, da die Schichtdicke 9 der ersten Flüssigkeit 3 verringert wird. Durch die wabenförmige Anordnung der Stellelemente 8 kann somit jedes Profil zur ortsabhängigen Schwächung von Röntgenstrahlung angenähert werden. Die örtliche Auflösung steigt, je kleiner die Kappen 11 der Stellelemente 8 ausgebildet sind und je dichter die Stellelemente 8 gepackt sind. Durch ihre Tiefpasswirkung verhindert die Trennmembran 6 scharfe (hochfrequente) Übergänge in der Röntgenaufnahme, was günstig für die Bilddarstellung ist.
Durch nicht dargestellte Einlassöffnungen können die erste Flüssigkeit 3 und die zweite Flüssigkeit 4 eingefüllt werden. Zusätzlich kann durch die Einlassöffnungen ein Differenzdruck auf die Trennmembran 6 aufgebracht werden. Des Weiteren kann durch die Einlassöffnungen je nach Auslenkung der Trennmembran 6 zum Ausgleich erste und zweite Flüssigkeit 3, 4 zu- oder abgeführt werden.
Mit anderen Worten, die Stellelemente 8 werden hydraulisch in Richtung der Trennmembran 6 bewegt, indem über die Zuleitungen 14 in der Verteilerplatte 13 ein Flüssigkeitsdruck aufgebracht wird. Die Zuleitungen 14 werden über nicht dargestellte Miniventile gesteuert. Das Rückführen der Stellelemente 8 erfolgt durch Aufbringen eines Gegendrucks über die erste Flüssigkeit 3 und die Trennmembran 6 bei geöffneten Miniventilen.
Alle Stellelemente 8 sind im Normalzustand ausgefahren und drücken gegen die Trennmembran 6. Dadurch entweicht die erste Flüssigkeit 3 aus der durch die Deckplatte 10 und die Trennmembran gebildeten Kammer. Die Miniventile sind geschlossen. Das Filter hat die geringste Absorption. Um eine Absorptionsmodulation zu erreichen, werden die entsprechenden Miniventile geöffnet und ein Gegendruck über die erste Flüssigkeit 3 auf die Trennmembran 6 aufgebracht. Die Stellelemente 8 mit zugehörigen geöffneten Miniventilen werden zurückgedrückt, die Trennmembran 6 ausgelenkt und erste Flüssigkeit 3 strömt nach. Die absorbierende Schichtdicke 9 der ersten Flüssigkeit 3 kann somit örtlich moduliert werden und damit ein nicht gleichförmiges Röntgenstrahlungsfeld einstellen.
In 3 ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes adaptives Röntgenfilter 1 zu sehen. Zu erkennen sind die Buchstaben „C” und „V”, die durch ausgefahrene Stellelemente 8 gebildet werden. Angedeutet ist die wabenförmige Struktur der in einer Ebene angeordneten Stellelemente 8. Das Filter 1 umfasst die Grundplatte 15, darauf angeordnet die Verteilerplatte 13 mit den Zuleitungen 14, darüber liegt die Schaltmembran 7, darüber liegt eine Lage mit den Stellelementen 8, die auf die Trennmembran 6 drücken. Eine Deckplatte 10 schließt das Röntgenfilter 1 noch oben hin ab. Zwischen Deckplatte 10 und Trennmembran 6 befindet sich die erste Flüssigkeit 3. Die Stellelemente 8 liegen in einer zweiten Flüssigkeit 4, die sich zwischen der Trennmembran 6 und der Schaltmembran 7 befindet.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes adaptives Röntgenfilter 1 nach 3 von unten. Zur besseren Darstellung sind die einzelnen Lagen teilweise transparent dargestellt. Zu sehen sind in der 4 von oben nach unten dargestellt: die Grundplatte 15, die Verteilplatte 13 mit den Zuleitungen 14 zum Aufbringen des Drucks auf die Stellelemente 8, die Schaltmembran 7, die Ebene mit den Stellelementen 8, die Trennmembran 6 und die Deckplatte 10. Die Zuleitungen 14 sind so angeordnet, dass zu jedem Stellelement 8 eine Zuleitung führt.
Bezugszeichenliste

1: Adaptives Röntgenfilter
2: Röntgenstrahlung
3: Erste Flüssigkeit
4: Zweite Flüssigkeit
5: Dritte Flüssigkeit
6: Erste Membran/Trennmembran
7: Zweite Membran/Schaltmembran
8: Stellelement
9: Schichtdicke
10: Deckplatte
11: Kappe des Stellelements 8
12: Stiel des Stellelements 8
13: Verteilerplatte
14: Zuleitung
15: Grundplatte
16: Röntgenquelle
17: Patient
18: Röntgendetektor
19: Steuereinheit
20: Intensitätsprofil vor dem Röntgenfilter 2
21: Intensitätsprofil nach dem Röntgenfilter 2
x: x-Achse/Ort
y: y-Achse/Intensität

Claims

Adaptives Röntgenfilter (1) zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung (2), mit: – einer Röntgenstrahlung (2) absorbierenden ersten Flüssigkeit (3) und – hydraulisch bewegten Stellelementen (8), die die Schichtdicke (9) der ersten Flüssigkeit (3) am Ort des jeweiligen Stellelements (8) verändern, dadurch gekennzeichnet, – dass die Stellelemente (8) pilzförmig ausgebildet sind und jeweils eine Kappe (11) und einen Stiel (12) aufweisen, – wobei die Kappen (11) wabenförmig und in einer Grundposition nahezu bündig zueinander angeordnet sind und – wobei die Kappen (11) bei einer Bewegung der Stellelemente (8) die erste Flüssigkeit (3) zumindest teilweise verdrängen.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (8) in einer zur Röntgenstrahlung (2) senkrecht stehenden Ebene und/oder in einer wabenförmigen Matrix angeordnet sind.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: – eine für Röntgenstrahlung (2) transparente, flexible erste Membran (6), die die erste Flüssigkeit (3) von den Stellelementen (8) trennt, – wobei die erste Membran (6) durch die Stellelemente (8) bewegbar ist.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch: – eine oberhalb der ersten Flüssigkeit (3) angeordnete Deckplatte (10), in deren Richtung die erste Membran (6) durch die Stellelemente (8) druckbar ist, und die zusammen mit der ersten Membran (6) einen Hohlraum für die erste Flüssigkeit (3) bildet.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch: – eine unterhalb der ersten Membran (3) angeordnete zweite Flüssigkeit (4), deren Röntgenstrahlungsabsorptionseigenschaft ähnlich der der Stellelemente (8) ist.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (8) von der zweiten Flüssigkeit (4) umgeben sind.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – eine unterhalb der Stellelemente (8) angeordnete flexible zweite Membran (7), die ortsabhängig hydraulisch in Richtung der Stellelemente (8) bewegbar ist und dadurch die Stellelemente (8) in Richtung der ersten Flüssigkeit (3) derart bewegt, dass die Stellelemente (8) die Schichtdicke (9) der ersten Flüssigkeit (3) lokal verändern.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch: – eine unterhalb der zweiten Membran (7) angeordnete Verteilerplatte (13) mit Zuleitungen (14) für eine dritte Flüssigkeit (5), mit deren Hilfe ein hydraulischer Druck auf die Stellelemente (8) ausübbar ist.
Verfahren zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung (2) mit einem adaptiven Röntgenfilter (1), gekennzeichnet durch: – hydraulisches Bewegen von in einer Ebene angeordneten pilzförmigen Stellelementen (8) des adaptiven Röntgenfilters (1), – wobei die Stellelemente (8) jeweils einen Stil (12) und eine Kappe (11) aufweisen und die Kappen (11) wabenförmig und zueinander nahezu bündig angeordnet sind und – wobei die Schichtdicke (9) einer von der Röntgenstrahlung (2) durchstrahlten, Röntgenstrahlung absorbierenden ersten Flüssigkeit (3) am Ort des jeweiligen Stellelements (8) verändert wird, indem die Kappen (11) die erste Flüssigkeit zumindest teilweise verdrängen.