DE102012208531A1

DE102012208531A1 - Streustrahlenkorrektur bei Röntgensystemen

Info

Publication number: DE102012208531A1
Application number: DE201210208531
Authority: DE
Inventors: Matthias Goldammer; Karsten Schörner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-11-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung einer mittels einer Röntgenquelle (5) ausgeführten Projektion eines abzubildenden Objektes (9) auf einen eine Mehrzahl von Gruppen von Detektorpixel (x, y) aufweisenden Detektor (7). Vor Durchlaufen des Objekts erfolgt ein Amplitudenmodulieren jeweils einer eindeutigen Markierungsfrequenz auf einer jeweiligen Gruppe zulaufenden Primärstrahlen der Röntgenquelle derart, dass allen Gruppen des Detektors jeweils eine eindeutige Markierungsfrequenz der dort ankommenden Primärstrahlen zugeordnet ist. Es kann eine eindeutige Trennung von Primärstrahlung und Sekundärstrahlung ausgeführt werden, so dass das Objekt wirksam analysiert werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung einer mittels einer Röntgenquelle ausgeführten Projektion eines abzubildenden Objektes auf einen eine Mehrzahl von Gruppen von Detektorpixel aufweisenden Detektors. Röntgensysteme sind insbesondere Röntgen-CT- und digitale Radiografie-Systeme.
In der Röntgen-Computertomographie (CT) tritt neben der zu detektierenden Primärstrahlung ebenso Streustrahlung auf. Wird die Detektion von Streustrahlung nicht verhindert, bzw. bleiben die aufgenommenen Projektionen unkorrigiert, führt dies zu Streustrahlartefakten in dem rekonstruierten CT-Volumen, das aus Voxeln besteht. Derartige Streustrahlartefakte können beispielsweise durch einen sogenannten Cupping-Effekt bewirkt sein, der zu ungleichmäßigen Voxelwerten in einem homogenen Objektmaterial führt, sodass sich bei Auftragung der Dichtewerte entlang einer Linie, also bei einer Erstellung eines Linienprofils, eine Wölbung anstelle einer Gerade ergibt. Zusätzlich können sich Streifenmuster und Kontrastverluste im Allgemeinen ergeben. Streustrahlung tritt ebenso im Bereich der digitalen Radiografie auf und bewirkt dort vor allem Kontrastverluste.
Zur Streustrahlungskorrektur bestehen unterschiedliche herkömmliche Lösungsansätze, die hauptsächlich in zwei Gruppen eingeteilt werden können:

1. Maßnahmen zur Reduktion der detektierten Streustrahlung, wie dies beispielsweise mittels Verwendung eines Anti-Streustrahlen-Gitters ausgeführt wird.
2. Sogenannte a posteriori-Korrekturen der Streustrahlung, indem in jeder CT-Projektion der Streuanteil entsprechend subtrahiert wird.

Für die 2. Gruppe ist eine möglichst genaue Kenntnis des detektierten Streuanteils erforderlich. Hierzu bestehen verschiedene Ansätze, diesen Streuanteil zu bestimmen, die ebenso in zwei Gruppen eingeteilt werden können:

1. Software-basierte Lösungen, wie dies beispielsweise Monte-Carlo-Simulationen, deterministische Berechnungen der Streuung erster Ordnung, Faltungsalgorithmen beruhend auf sogenannten Point-Spread-Functions sein können.
2. Experimentelle Methoden zur Bestimmung des Streuanteils anhand von Messungen.

Innerhalb dieser zweiten Gruppe der experimentellen Methoden sind unterschiedliche Messverfahren bekannt. Beispielsweise

a) Beam-Stopper basierte Verfahren und
b) eine dazu komplementäre Technik, die Aperturen und zwar sogenannte Beam-Holes verwendet und
c) ein erst vor kurzer Zeit vorgeschlagenes Verfahren, welches auf der sogenannten räumlichen Primärmodulation basiert.

Der Vorteil der letztgenannten Methode der räumlichen Primärmodulation, gegenüber anderen experimentellen Verfahren ist, dass hierbei die Streustrahlenmessung/-abschätzung innerhalb des eigentlichen CT-Scans durchgeführt werden kann, das heißt die Streudaten werden simultan zu den eigentlichen CT-Projektionen gewonnen. Dies führt natürlich gegenüber anderen Methoden, die einen zusätzlichen Messdurchgang erfordern, zu einem kleineren Messaufwand und zugleich zu einer Zeitersparnis, welche besonders für die Röntgen-CT eine entscheidende Verbesserung darstellt. Röntgen-CT umfasst sowohl die industrielle als auch die medizinische CT.
Dieses unter c) genannte herkömmliche Verfahren gemäß der US 7,463,712 B2 sieht vor, dass ein Primärmodulator zwischen das aufzunehmende Objekt und Röntgenröhre platziert wird. Der Primärmodulator prägt den Primärstrahlen per Amplitudenmodulation ein Muster auf, beispielsweise in Form eines Schachbrettes mit hellen und dunklen Feldern. Dazu kann beispielsweise eine Leiterplatine aus Kupfer verwendet werden, in die per Ätzprozesse ein Muster eingebracht wird, d. h. an den hellen Feldern wird das Kupfer entsprechend weggeätzt. Die unterschiedlich starken Abschwächungseigenschaften bzw. Abschwächungs-Koeffizienten von Kupfer bzw. von dem bloßen Leiterplatinen-Material sorgen für eine entsprechende Strahlabschwächung durch die dunklen Felder (Kupfer), während an den hellen Feldern kaum bzw. gar nicht abgeschwächt wird (Leiterplatinen-Material). Der Modulator befindet sich während des gesamten CT-Scans bzw. der gesamten CT-Abtastung stationär, das heißt, unbewegt, zwischen Objekt und Röntgenröhre, d. h., er verändert seine Position nicht. Das aufmodulierte, schachbrettartige Muster ist somit in jeder Projektion des CT-Scans wiederzufinden, d. h. sowohl in Freistrahlbereichen als auch in objektverdeckten Bereichen. Dabei ist die relative Modulationsstärke, was das Primärsignal angeht, an allen Stellen gleich groß. Aufgenommen wird jedoch vom Detektor nicht nur dieses modulierte Primärsignal, sondern zusätzlich wird dieses überlagert von einem unmodulierten, räumlich niederfrequenten Streusignal, das aufgrund von Röntgen-Streueffekten, inbesondere Compton-Streuprozessen, im Prüfobjekt und in der Laborumgebung zustande kommt. Der Detektor nimmt also ein Gesamtsignal auf, bestehend aus moduliertem Primärsignal und dem überlagerten unmodulierten Streusignal.
Im Folgenden ist es möglich, das modulierte Primärsignal im Fourier-Raum von dem unmodulierten Streusignal zu separieren. Dies erfolgt durch eine entsprechende Hochpass- bzw. Tiefpassfilterung der modulierten Projektion. Die tiefpassgefilterte Version der modulierten Projektion ergibt im Frequenzraum die Überlagerung der Frequenzanteile von unmoduliertem Primärbild und Streufunktion. Die hochpassgefilterte Version beinhaltet nur die spektrale Komponente des modulierten Primärsignals, kann also im Folgenden demoduliert und gewichtet werden, um im Frequenzraum eine Approximation des ausschließlichen Primärsignals zu erhalten. Dieses kann nach inverser Fourier-Transformation als approximiertes Primärbild von der tiefpassgefilterten Version, das Streu- und Primärsignale aufweist, subtrahiert werden, um eine Annäherung des Streubildes zu erhalten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Röntgenbilderzeugung, insbesondere Computertomographie, oder digitale Radiographie derart bereitzustellen, dass infolge einer Streustrahlung erzeugte Artefakte in einem rekonstruierten Computertomographievolumen im Vergleich zum Stand der Technik einfacher und wirksamer korrigiert werden. Es soll insbesondere Primärstrahlung von Sekundärstrahlung eindeutig unterschieden werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und einer Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Erfassung einer mittels einer Röntgenquelle ausgeführten Projektion eines abzubildenden Objekts auf einen eine Mehrzahl von Gruppen von Detektorpixel aufweisenden Detektor vorgeschlagen, wobei vor Durchlaufen des Objekts ausgeführtes Amplitudenmodulieren jeweils einer eindeutigen Markierungsfrequenz auf einer jeweiligen Gruppe zulaufenden Primärstrahlen der Röntgenquelle derart ausgeführt wird, dass allen Gruppen des Detektors jeweils eine eindeutige Markierungsfrequenz der dort ankommenden Primärstrahlen zugeordnet ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erfassung einer mittels einer Röntgenquelle ausgeführten Projektion eines abzubildenden Objekts auf einen eine Mehrzahl von Gruppen von Detektorpixel aufweisenden Detektor beansprucht, wobei vor Durchlaufen des Objekts ein Amplitudenmodulieren jeweils einer eindeutigen Markierungsfrequenz auf einer jeweiligen Gruppe zulaufenden Primärstrahlen der Röntgenquelle derart ausgeführt wird, dass allen Gruppen des Detektors jeweils eine eindeutige Markierungsfrequenz der dort ankommenden Primärstrahlen zugeordnet ist.
Eine wesentliche Schwierigkeit bei der A-posteriori Korrektur der Streustrahlung ist die klare Unterscheidung zwischen gewünschter Primärstrahlung und später zu korrigierender Streustrahlung. In einer herkömmlichen Standard-Durchstrahlungsanordnung ist dies nicht möglich, da die direkte und die gestreute Strahlung sich überlagern und unveränderte oder zunächst ununterscheidbare Signale erzeugen. Wenn dagegen die detektierte Strahlung einer dieser beiden Arten, das heißt direkt ist primär oder aber gestreut ist sekundär, zugeordnet werden kann, wird eine entsprechende Korrektur möglich. Eine Zuordnung kann prinzipiell auf mehrere Arten erfolgen. Zum einen kann die Richtung aus der die Strahlung auf den Detektor trifft als Indiz dienen, zum anderen kann die Strahlung in irgendeiner Form markiert sein, also über Wellenlänge oder eine zeitliche Modulation klar ihrem Ursprung zugeordnet werden. Da zum einen typische Detektoren in der CT weder richtungs- noch wellenlängenabhängige Empfindlichkeit haben, und zum anderen durch den Streuprozess selbst diese Merkmale nicht eindeutig sind, und zwar weil Mehrfachstreuung Richtungsinformationen vernichtet und eine inelastische Comptonstreuung die Wellenlänge verändert, ist die zeitliche Modulation die zielgerichtete Möglichkeit eine klare Zuordnung zu schaffen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Amplitudenmodulieren der Markierungsfrequenzen mittels Bewegen mindestens eines Modulatorfeldes mit den jeweiligen Markierungsfrequenzen entsprechenden räumlichen Mustern von Bereichen mit unterschiedlicher Röntgenstrahlabschwächung relativ zu Röntgenquelle, Objekt und Detektor ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Modulatorfeld zum Erzeugen der Muster ausschließlich Bereiche mit einer kleinen oder einen dazu relativ großen Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Gruppen jeweils Detektorpixelgeraden des Detektors sein und ein jeweiliges Modulatorfeld für jede Detektorpixelgerade jeweils ein entlang einer Parallelen zu dieser Detektorpixelgerade sich wiederholendes Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisen und entlang der Richtung der Parallelen relativ bewegt werden, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz einer jeweiligen Detektorpixelgerade mittels der Ausgestaltung des dazugehörigen Musters eingestellt werden kann. Grundsätzlich können mehrere Detektorpixelgeraden jeweils eine Detektorzeile erzeugen.
Eine Detektorpixelgerade ist eine Aneinanderreihung einer Mehrzahl von Pixel des Detektors entlang einer Gerade. Eine Detektorpixelgerade kann beispielsweise eine Detektorzeile, eine Detektorspalte oder eine Detektordiagonale beziehungsweise schräg verlaufend sein. Die Detektorpixelgeraden sind bevorzugt frei von Lücken. Da die Anzahl der Pixel einer Detektorpixelgeraden endlich ist, kann ebenso von jeweiligen Detektorpixelstrecken gesprochen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Gruppen jeweils ein eindeutiges Detektorpixel einer ersten und einer zweiten sich schneidenden Detektorpixelgeraden sein, ein erstes Modulatorfeld mit einem parallel zu der ersten Detektorpixelgeraden sich erstreckenden wiederholenden ersten Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung relativbewegt werden, und ein zweites Modulatorfeld mit einem parallel zu der zweiten Detektorpixelgeraden sich erstreckenden wiederholenden zweiten Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung relativ bewegt werden, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz des jeweiligen Detektorpixels mittels des ersten und zweiten Musters eingestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Detektorpixelgeraden der Gruppen parallel zueinander verlaufen und für alle Detektorpixelgeraden ein Modulatorfeld verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die erste und die zweite Detektorpixelgerade eines jeweiligen Detektorpixels zueinander orthogonal verlaufen, alle ersten Detektorpixelgeraden zueinander parallel verlaufen, alle zweiten Detektorpixelgeraden zueinander parallel verlaufen und für die ersten und zweiten Detektorpixelgeraden jeweils ein Modulatorfeld verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Gruppen Detektorpixelgeraden des Detektors sein und kann das Modulatorfeld für jede Detektorpixelgeraden in der gleichen Reihenfolge jeweils ein entlang einer Parallelen zur Detektorpixelgerade sich wiederholendes Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisen und entlang der Richtung der Parallele relativ bewegt werden, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz einer jeweiligen Detektorgerade mittels der Ausgestaltung des Musters eingestellt werden kann. Die Relativbewegung kann beispielweise eine Hin- und Her- Bewegung des Modulatorfeldes sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Muster eine Aneinanderreihung von zu der Parallelen senkrechten Linien gleicher Breite abwechselnd mit kleiner und großer Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisen, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz einer jeweiligen Detektorpixelgerade mittels der Breite der modulierenden Linien eingestellt werden kann. Es kann das Muster entlang einer Gerade ein Linienmuster in dem Sinne eines Rechtecksignales mit den Zuständen 0 und 1 sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Muster ein eine sinusförmige Modulation erzeugendes Wellenmuster sein, d.h. das Material wird entsprechend des exponentiellen Abschwächungsgesetzes und der Strahlaufhärtung so gestaltet, dass eine zeitlich sinusförmige Modulation bei Bewegen eines Modulatorfeldes erfolgt. Ein Wellenmuster kann beispielsweise ein sinusoidales Muster sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Gruppen jeweils aus einem einzigen Detektorpixel bestehen. Auf diese Weise wird jedem Detektorpixel in eindeutiger Weise eine Modulationsfrequenz zugeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein erstes Modulatorfeld jeweils eine in eine erste Richtung erfolgende Aneinanderreihung von zu der ersten Richtung senkrechten Linien gleicher Breite abwechselnd in kleiner und großer Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisen und entlang der ersten Richtung relativ bewegt werden, und es kann ein zweites Modulatorfeld jeweils eine in eine zweite Richtung erfolgende Aneinanderreihung von zu der zweiten Richtung senkrechten Linien gleicher Höhe abwechselnd mit kleiner und großer Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisen und entlang der zweiten Richtung relativ bewegt werden, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz eines jeweiligen Detektorpixels mittels der Breite und der Höhe der modulierenden Linien eingestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Richtung orthogonal zur zweiten Richtung sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Richtung die horizontale Richtung und die zweite Richtung die vertikale Richtung sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Modulationsfelder im Strahlenverlauf hintereinander angeordnet und synchron zueinander relativ bewegt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Relativbewegen mittels Rotation des mindestens einen Modulatorfeldes um die Röntgenquelle erfolgen. Damit ist beispielsweise ein Gantry-ähnlicher Aufbau gemeint, im Sinne eines rotierenden Systems von Röhre und Detektor bei stationärem Modulatorfeld. Andererseits kann das Modulatorfeld rotationssymmetrisch ausgeführt sein und dann um die „optische Achse“, also die Verbindungslinie Fokus zu Detektormittelpunkt, rotieren. Allerdings muss dann hinsichtlich dem zweiten Modulatorfeld eine eindeutige Zuordnung von Markierungsfrequenzen zu Detektorpixeln geschaffen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann aus einem Gesamtsignal je Detektorpixel ein markiertes Primärsignal von einem auf Streuungen beruhenden Sekundärsignal gefiltert beziehungsweise getrennt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können aus einem Gesamtsignal je Detektorpixel alle auf Streuungen beruhenden Sekundärsignale mittels deren Markierungsfrequenzen hinsichtlich deren Verlaufs aufgeschlüsselt werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1a ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Amplitudenmodulation;
1b ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Amplitudenmodulation;
2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Modulation;
3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1a zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Modulatorfeldes. Mittels der zeitlichen Modulation soll eine klare Unterscheidung zwischen gewünschter Primärstrahlung und später zu korrigierender Streustrahlung auf einfache Weise ausführbar beziehungsweise möglich sein. Um eine detektorpixelspezifische Modulation der Primärstrahlen technisch zu erreichen, kann ein Linienmodulator gemäß 1a beziehungsweise ein doppelter Linienmodulator gemäß 1b verwendet werden. Der einfache Linienmodulator gemäß 1a zeigt eine horizontale Anordnung von Abschwächungsmustern in Form von Linien, die einen in horizontaler Richtung sinusförmigen Verlauf in der Röntgenabschwächung bewirken. Für das Abschwächungsmuster kann entsprechend präpariertes Material, wie beispielsweise Kupfer, in unterschiedlicher Dicke aufgetragen werden. Das Besondere dabei ist, dass, wie in gezeigt, für jede Zeile/Linie eine andere räumliche Frequenz dieses Abschwächungsmusters gewählt wurde. Wird dieser Primärmodulator kontinuierlich horizontal verschoben und währenddessen eine Vielzahl j = 1...N_Mod von Modulationsprojektionen aufgenommen, ergibt sich für die Detektorpixel, die von der obersten Reihe des Linienmodulators abgedeckt werden, eine zeitliche Modulation der detektierten Röntgenintensität mit der Frequenz f₀ und für die darunter liegenden Pixel eine zeitliche Modulation der detektierten Röntgenintensität mit der Frequenz f₁ usw. Es lassen sich hiermit für einen beliebigen Detektor mit der Auflösung von N_x × N_y Pixeln bei einer Wahl von f₀, f₁, ... F_(Nx-1) verschiedenen Frequenzen für jede Detektorzeile eine ihr eigene Modulationsfrequenz realisieren. Diese Anordnung bewirkt bereits eine Unterscheidung der Detektorzeilen, und stellt somit also bereits die Möglichkeit dar, einen Großteil der detektierten Streustrahlung durch entsprechende Signaltrennung und a-posteriori-Subtraktion zu korrigieren. Innerhalb derselben Zeile beziehungsweise Linie ist dagegen noch keine Trennung möglich. 1a zeigt einen Linienmodulator mit einer Aufteilung verschiedener räumlicher Frequenzen (f₁, ... f₁₀) in zehn unterschiedlichen Zeilen beziehungsweise Linien, wie hier beispielhaft dargestellt. Grundsätzlich kann eine feinere Unterteilung, beispielsweise eine Linienmodulatorzeile pro Detektorpixelzeile, ausgebildet sein.
In der Praxis kann ebenso mit einer kleineren Anzahl an Linien < N_x beziehungsweise < N_y bei dem in 1a dargestellten Linienmodulator verfahren werden. Dann erhält man jedoch nicht für jeden Detektorpixel, sondern lediglich für entsprechend größere Gruppen von Detektorpixel, die ebenso als Pixelcluster bezeichnet werden können, die beschriebene spezifische Modulationsfrequenz zur jeweiligen Markierung. Dennoch kann dies in der Praxis von Vorteil sein, damit nicht eine derart große Anzahl an Modulationsfrequenzen gemessen und sauber voneinander getrennt werden müssen.
1b zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Amplitudenmodulation mittels zweier Modulatorfelder. Im Unterschied zur 1a soll nun zusätzlich innerhalb derselben Zeilen beziehungsweise Linien ebenso eine Trennung von Primär- und Sekundärstrahlung ermöglicht werden. Um eine derartige Trennung zu ermöglichen, wird das Prinzip gemäß 1a noch in der vertikalen Dimension gemäß 1b um einen Schritt weitergeführt. Der dort dargstellte doppelte Linienmodulator schaltet zwei einfache Linienmodulatoren derart hintereinander, dass der zweite Linienmodulator im Gegensatz zum ersten orthogonal steht, das heißt seine Linienanordnungen gegen die des ersten Linienmodulators entsprechend verkippt sind. Die Verkippung muss nicht zwingend orthogonal sein, erweist sich aber als vorteilhaft. Die beiden Linienmodulatoren 1 und 3 werden aufeinander abgestimmt, synchron zueinander und entlang ihrer jeweiligen Linienausrichtung bewegt. Dies stellen die beiden Pfeile in 1b dar. Das heißt der erste Linienmodulator 1 wird in horizontaler Richtung und der zweite Linienmodulator 3 in vertikaler Richtung bewegt, um für jeden Detektorpixel eine ihm eigene Modulationsfrequenz bereitzustellen. Es ergibt sich die Modulationsfrequenz jedes einzelnen Pixels wie folgt. Der Primärstrahl mit Eingangsintensität I₀ vor den beiden Linienmodulatoren 1 und 3, der später den Pixel x, y auf der Detektorebene trifft, erfährt zunächst durch den ersten Primärmodulator 1 mit horizontal angeordneten Linien eine zeitliche Modulation der Art f_Mod1(t) = A·sin(2·pi*f_A·t), (1) wobei A die Modulationsstärke und f_A die zeitliche Modulationsfrequenz des ersten Linienmodulators bezeichnet. Der so modulierte Primärstrahl trifft als nächstes auf den zweiten Linienmodulator 3 mit vertikal angeordneten Linien und erfährt durch diesen eine entsprechende zweite Zeitmodulation der Art: f_Mod2(t) = B·sin(2·pi·f_B·t). (2)
Da beide Vorgänge durch Abschwächung der Röntgenintensität charakterisiert sind, ergibt sich die für den Primärstrahl bereitstehende Röntgenintensität hinter den Linienmodulatoren als Produkt der Abschwächungsvorgänge: I_0,mod = I₀·Asind(2·pi·f_A·t)·B·sin(2·pi·f_B·t) = I₀·A·B·½·(cos(2·pi·(f_A – f_B)·t) – cos(2·pi·(f_A + f_B)·t)). (3)
Das bedeutet, man erhält bei dem doppelten Linienmodulator gemäß 1b ein zeitlich moduliertes Primärsignal, das die Frequenzen (f_A – f_B) und (f_A + f_B) aufweist. Durch eine entsprechend geschickte Wahl der einzelnen Linienfrequenzen f₀, f₁, f₂, f₃, ... auf den beiden Linienmodulatoren 1 und 3 kann somit sichergestellt werden, dass in der Gesamtheit aller auftretenden Modulationsfrequenzen jede einzelne nur ein einziges Mal vorkommt, sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung. Somit ergibt sich für jeden Detektorpixel eine ihm eigene Modulationsfrequenz. Auf diese Weise sind Verfahren zur Streustrahlenkorrektur mittels zeitlicher Modulation der Primärsignale für jeden einzelnen Pixel anwendbar. 1b zeigt zwei hintereinander geschaltete Linienmodulatoren 1 und 3, die horizontal und vertikal kodiert sind, und zwar jeweils mit unterschiedlichen räumlichen Frequenzen, ähnlich wie es in 1a dargestellt ist. Die beiden Linienmodulatoren 1 und 3 werden zeitlich aufeinander abgestimmt und besonders vorteilhaft orthogonal zueinander bewegt, um eine vollständige zeitliche Modulation des Abschwächungsprofils für jeden einzelnen Pixel oder für jede Gruppe von Pixeln zu realisieren. Dies kann im Folgenden verwendet werden, um die Anteile von direkter Primärstrahlung und von der gestreuten Sekundärstrahlung zu unterscheiden und entsprechend eine nachfolgende Korrektur des Streubeitrags auszuführen. Bezugszeichen 1 kennzeichnet den Primärmodulator mit horizontalen sinusoidalen Kurven und Bezugszeichen 3 kennzeichnet den Primärmodulator mit vertikalen sinusoidalen Kurven. Ausgehend von einem Brennpunkt einer Röntgenquelle 5 verläuft ein kegelförmiger Röntgenstrahl.
1a und 1b zeigen eine Verwendung eines einfachen und doppelten Linienmodulators zur pixelweise unterschiedlichen Modulation, wobei eine zeitliche Modulation des Primärsignals ausgeführt wird.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Amplitudenmodulation. Erfindungsgemäß wird die zeitliche Modulation für eine klare Zuordnung von Primärstrahlung und Sekundärstrahlung verwendet. Idealerweise wird die Strahlung einer Röntgenquelle 5, die auf einen Detektor 7 gerichtet ist pro Pixel i unterschiedlich kodiert, sodass auf Seite des Detektors 7 aufgrund des Codes die ursprüngliche Zielrichtung der Strahlung zugeordnet werden kann. Da sich in jedem Detektorpixel i prinzipiell die gestreute Strahlung aus jeder Richtung mischen kann mit der direkten Strahlung, reicht eine einfache Binärkodierung nicht aus, sondern die Einzelintensitäten müssen auch bei großflächiger Überlagerung klar unterscheidbar sein. Daher ist die einfachste Kodierung eine Kodierung bestehend aus einer Frequenz pro Pixel oder einer entsprechend eindeutigen Kombination von Frequenzen.
Ziel dieser Erfindung ist es daher insbesondere für jeden Detektorpixel i eine eigene Modulationsfrequenz der Primärmodulation bereitzustellen. Das zugrundeliegende Schema ist in 2 dargstellt. Jeder emittierte Primärstrahl P weist eine ihm eigene Modulationsfrequenz f₀, f₁, f₂, etc. auf. Die Vorteile, die sich aus einer für jeden Detektorpixel i unterschiedlichen Modulationsfrequenz ergeben sind wie folgt. Mit den vorgestellten, kontinuierlich bewegten Linienmodulatoren 1 und 3 in einfacher und doppelter Anordnung, lassen sich für jeden Detektorpixel i eine ihm eigene Modulationsfrequenz bereitstellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren hat man somit eine für jeden Detektorpixel i eigene Modulationsart vorliegen. Es wird nicht eine Modulationsfrequenz für alle Detektorpixel verwendet. Dadurch, dass nun jedes Pixel x, y bzw. i spezifisch moduliert wird, werden insbesondere folgende zwei Vorteile bewirkt: 1. Es wird eine genauere Messung des Primärsignals und des Streusignals möglich. Bei Verwendung lediglich einer Modulationsfrequenz für alle Pixel bleiben noch störende Anteile an Streusignalen bestehen, die genauso wie die Primärsignale moduliert sind und folglich nicht von diesen unterscheidbar sind. Dadurch weist ein derartiges herkömmliches Verfahren eine intrinsische Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Signalhöhe von Primär- und Streusignal auf. Diese Ungenauigkeit ist bei der Verwendung der doppelten Linienmodulatoren 1 und 3 und einer damit einhergehenden pixelspezifischen Modulation der Primärsignale nicht mehr vorhanden. 2. Man erhält für jeden Detektorpixel sowohl das gewünschte Primärsignal als auch eine Aufschlüsselung aller Streubeiträge aus den vorkommenden, unterschiedlichen Raumrichtungen. Dabei lässt sich aus dem, in einem Pixel registriertem Gesamtsignal per Frequenzanalyse bestimmen, welche Anteile von welchem ehemals modulierten Primärsignal durch Streuvorgänge abstammen. Entsprechend 2 werden in den Detektorpixel i neben dem eigentlichen, mit f₀-modulierten Primärsignal auch noch exemplarisch die Streubeiträge aus anderen Richtungen, moduliert mit den Frequenzen f₁ und f₂ detektiert. Diese erweiterte Auswertung stellt neben dem eigentlichen Primärsignal eine zusätzlich gewonnene Information bereit, die weitergehend verwendet werden kann, beispielsweise für eine Tomographie anhand von Streusignalen.
2 zeigt das Grundprinzip der pixelweisen unterschiedlichen zeitlichen Modulation. Für jeden einzelnen Detektorpixel i wird der Primärstrahl P zeitlich moduliert, und zwar mit einer der Frequenzen f₀, f₁, f₂ .... Während die Primärstrahlen P in jedem Detektorpixel exakt diese Modulation aufweisen, „verschwimmt“ diese Information in dem gleichzeitig detektierten Streubeitrag S = S1 + S2 + ..., der sich aus vielen überlagernden Einzelstreubeiträgen S1, S2, ... mit jeweils anderen Frequenzen (f₁, f₂, ...) zusammensetzt. Durch geeignete (Bandpass-)Filterung kann man so aus dem detektierten Gesamtsignal T das eigentliche Nutzsignal, das Primärsignal P, entsprechend separieren. Das zu untersuchende Objekt ist mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Verfahren zur Erfassung einer mittels einer Röntgenquelle ausgeführten Projektion eines abzubildenden Objektes auf einen eine Mehrzahl von Gruppen von Detektorpixel (x, y) aufweisenden Detektors. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch den Schritt S des vor Durchlaufen des Objekts ausgeführten Amplitudenmodulierens jeweils einer eindeutigen Markierungsfrequenz auf einer jeweiligen Gruppe zulaufenden Primärstrahlen der Röntgenquelle derart, dass allen Gruppen des Detektors jeweils eine eindeutige Markierungsfrequenz der dort ankommenden Primärstrahlen zugeordnet ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind hier Gruppen als Detektorpixelspalten des Detektors ausgebildet.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung einer mittels einer Röntgenquelle 5 ausgeführten Projektion eines abzubildenden Objektes 9 auf einen eine Mehrzahl von Gruppen von Detektorpixel x, y aufweisenden Detektors 7. Vor Durchlaufen des Objekts erfolgt ein Amplitudenmodulieren jeweils einer eindeutigen Markierungsfrequenz auf einer jeweiligen Gruppe zulaufenden Primärstrahlen der Röntgenquelle derart, dass allen Gruppen des Detektors jeweils eine eindeutige Markierungsfrequenz der dort ankommenden Primärstrahlen zugeordnet ist. Es kann eine eindeutige Trennung von Primärstrahlung und Sekundärstrahlung ausgeführt werden, so dass das Objekt wirksam analysiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7463712 B2 [0007]

Claims

Verfahren zur Erfassung einer mittels einer Röntgenquelle ausgeführten Projektion eines abzubildenden Objektes auf einen eine Mehrzahl von Gruppen von Detektorpixel (x, y) aufweisenden Detektors, gekennzeichnet durch vor Durchlaufen des Objekts ausgeführtes Amplitudenmodulieren jeweils einer eindeutigen Markierungsfrequenz auf einer jeweiligen Gruppe zulaufenden Primärstrahlen der Röntgenquelle derart, dass allen Gruppen des Detektors jeweils eine eindeutige Markierungsfrequenz der dort ankommenden Primärstrahlen zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Amplitudenmodulieren der Markierungsfrequenzen mittels Bewegen einerseits mindestens eines jeweils den jeweiligen Markierungsfrequenzen entsprechende räumliche Muster von Bereichen mit unterschiedlicher Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisenden Modulatorfeldes und andererseits Röntgenquelle, Objekt und Detektor relativ zueinander.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen jeweils Detektorpixelgeraden des Detektors sind und ein jeweiliges Modulatorfeld für jede Detektorpixelgerade jeweils ein entlang einer Parallelen zu dieser Detektorpixelgerade sich wiederholendes Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung aufweist und entlang der Richtung der Parallelen relativ bewegt wird, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz einer jeweiligen Detektorpixelgerade mittels der Ausgestaltung des dazugehörigen Musters eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen jeweils ein eindeutiges Detektorpixel einer ersten und einer zweiten sich schneidenden Detektorpixelgeraden sind, ein erstes Modulatorfeld mit einem parallel zu der ersten Detektorpixelgeraden sich erstreckenden wiederholenden ersten Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung relativbewegt wird, und ein zweites Modulatorfeld mit einem parallel zu der zweiten Detektorpixelgeraden sich erstreckenden wiederholenden zweiten Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung relativ bewegt wird, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz des jeweiligen Detektorpixels mittels des ersten und zweiten Musters eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorpixelgeraden der Gruppen parallel zueinander verlaufen und für alle Detektorpixelgeraden ein Modulatorfeld verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Detektorpixelgerade eines jeweiligen Detektorpixels zueinander orthogonal verlaufen, alle ersten Detektorpixelgeraden zueinander parallel verlaufen, alle zweiten Detektorpixelgeraden zueinander parallel verlaufen und für die ersten und zweiten Detektorpixelgeraden jeweils ein Modulatorfeld verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulatorfeld zum Erzeugen der Muster ausschließlich Bereiche mit einer kleinen und einer dazu relativ großen Röntgenstrahlungsabschwächung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster eine Aneinanderreihung von zu den Parallelen senkrechten Linien gleicher Breite abwechselnd mit kleiner und großer Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisen, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz einer jeweiligen Detektorpixelgerade mittels der Breite der modulierenden Linien eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster eine sinusförmige Modulation erzeugende Wellenmuster sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Modulationsfelder im Strahlenverlauf hintereinander angeordnet und synchron zueinander relativ bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Relativbewegen mittels Rotation des mindestens einen Modulatorfeldes um die Röntgenquelle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Gesamtsignal je Detektorpixel ein markiertes Primärsignal von auf Streuungen beruhenden Sekundärsignalen gefiltert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Gesamtsignal je Detektorpixel alle auf Streuungen beruhenden Sekundärsignale mittels deren Markierungsfrequenzen hinsichtlich deren Verlaufs aufgeschlüsselt werden.
Vorrichtung zur Erfassung einer mittels einer Röntgenquelle (5) ausgeführten Projektion eines abzubildenden Objektes (9) auf einen eine Mehrzahl von Gruppen von Detektorpixel (x, y) aufweisenden Detektors (7), gekennzeichnet durch vor Durchlaufen des Objekts ausgeführtes Amplitudenmodulieren jeweils einer eindeutigen Markierungsfrequenz auf einer jeweiligen Gruppe zulaufenden Primärstrahlen der Röntgenquelle derart, dass allen Gruppen des Detektors jeweils eine eindeutige Markierungsfrequenz der dort ankommenden Primärstrahlen zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Amplitudenmodulieren der Markierungsfrequenzen mittels Bewegen einerseits mindestens eines jeweils den jeweiligen Markierungsfrequenzen entsprechende räumliche Muster von Bereichen mit unterschiedlicher Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisenden Modulatorfeldes und andererseits Röntgenquelle, Objekt und Detektor relativ zueinander.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen jeweils Detektorpixelgeraden des Detektors sind und ein jeweiliges Modulatorfeld für jede Detektorpixelgerade jeweils ein entlang einer Parallelen zu dieser Detektorpixelgerade sich wiederholendes Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung aufweist und entlang der Richtung der Parallelen relativ bewegt wird, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz einer jeweiligen Detektorpixelgerade mittels der Ausgestaltung des dazugehörigen Musters eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen jeweils ein eindeutiges Detektorpixel einer ersten und einer zweiten sich schneidenden Detektorpixelgeraden sind, ein erstes Modulatorfeld mit einem parallel zu der ersten Detektorpixelgeraden sich erstreckenden wiederholenden ersten Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung relativbewegt wird, und ein zweites Modulatorfeld mit einem parallel zu der zweiten Detektorpixelgeraden sich erstreckenden wiederholenden zweiten Muster hinsichtlich der Röntgenstrahlungsabschwächung relativ bewegt wird, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz des jeweiligen Detektorpixels mittels des ersten und zweiten Musters eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorpixelgeraden der Gruppen parallel zueinander verlaufen und für alle Detektorpixelgeraden ein Modulatorfeld verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Detektorpixelgerade eines jeweiligen Detektorpixels zueinander orthogonal verlaufen, alle ersten Detektorpixelgeraden zueinander parallel verlaufen, alle zweiten Detektorpixelgeraden zueinander parallel verlaufen und für die ersten und zweiten Detektorpixelgeraden jeweils ein Modulatorfeld verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulatorfeld zum Erzeugen der Muster ausschließlich Bereiche mit einer kleinen und einer dazu relativ großen Röntgenstrahlungsabschwächung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster eine Aneinanderreihung von zu den Parallelen senkrechten Linien gleicher Breite abwechselnd mit kleiner und großer Röntgenstrahlungsabschwächung aufweisen, wobei die jeweilige Markierungsfrequenz einer jeweiligen Detektorpixelgerade mittels der Breite der modulierenden Linien eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster eine sinusförmige Modulation erzeugende Wellenmuster sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Modulationsfelder im Strahlenverlauf hintereinander angeordnet und synchron zueinander relativ bewegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Relativbewegen mittels Rotation des mindestens einen Modulatorfeldes um die Röntgenquelle erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Gesamtsignal je Detektorpixel ein markiertes Primärsignal von auf Streuungen beruhenden Sekundärsignalen gefiltert wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Gesamtsignal je Detektorpixel alle auf Streuungen beruhenden Sekundärsignale mittels deren Markierungsfrequenzen hinsichtlich deren Verlaufs aufgeschlüsselt werden.