DE102012209150B3

DE102012209150B3 - Adaptives Röntgenfilter und Verfahren zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102012209150B3
Application number: DE102012209150A
Authority: DE
Inventors: Hans Liegl; Reiner Franz Schulz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: US9312040B2; US20130322604A1; CN103456383A; CN103456383B

Abstract

Die Erfindung beansprucht ein adaptives Röntgenfilter zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung. Das adpative Röntgenfilter (1) umfasst eine erste eine Röntgenstrahlung (2) absorbierende Flüssigkeit (15), beispielsweise Galinstan, und elektrisch verformbare Stellelemente (17), die die Schichtdicke der ersten Flüssigkeit (15) am Ort des jeweiligen Stellelementes (17) verändern, indem sie die erste Flüssigkeit (15) zumindest teilweise verdrängen. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch das adaptive Röntgenfilter (1) das Strahlungsfeld einer Röntgenstrahlung (2) einfach, präzise und schnell moduliert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein adaptives Röntgenfilter zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung mit einer ersten Kammer mit einer ersten Flüssigkeit, einer zweiten Kammer mit einer zweiten Flüssigkeit und einer flexiblen Membran, die die erste von der zweiten Kammer trennt und durch die das Schichtdickenverhältnis der ersten und der zweiten Flüssigkeit veränderbar ist.
Bei Untersuchungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen kommt es häufig 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 Mediastinum, also im Bereich vor den Lungenflügeln sehr groß bedingt durch die dort angeordneten Organe, während sie im Bereich der Lungenflügel selbst sehr klein ist. Sowohl für einen 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 geringerer Schwächung zu applizieren. Daneben gibt es Anwendungen, bei denen nur ein Teil des untersuchten Bereichs mit großer diagnostischer Qualität, das heißt mit weniger Rauschen, aufgenommen werden muss. Die umgebenden Teile sind für die Orientierung, nicht aber für die eigentliche Diagnose wichtig. Diese umgebenden Bereiche können 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.
Aus der Schrift DE 100 19 243 C1 ist ein Filter zum Absorbieren von Röntgenstrahlung bekannt. Das Filter umfasst eine an einem Gehäuse angeordnete ansteuerbare Elektroden-Matrix zum Erzeugen eines auf im Gehäuse befindlichen Flüssigkeiten wirkenden Feldes. Dabei weist das Gehäuse wenigstens eine erste und eine zweite mit Zu- und Abflüssen versehene Kammer auf, die mittels einer flexiblen Membran voneinander abgedichtet sind. In den Kammern befinden sich in ihrem Absorptionsverhalten für Röntgenstrahlen unterschiedliche Flüssigkeiten. Dabei ist die Membran als Gegenelektrode zu der in einer der Kammern, die mit einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gefüllt ist, angeordneten Elektroden-Matrix derart ausgebildet, dass sie durch elektrostatische Anziehung gezielt in Richtung der Elektroden-Matrix unter im Wesentlichen druckloser Verschiebung der Flüssigkeiten in und aus angeschlossenen Ausgleichsgefäßen verformt wird.
Aus dem Stand der Technik sind Polymere bekannt, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern. Sie werden elektroaktive Polymeren (EAP) genannt. Ein Beispiel für ein elektroaktives Polymer ist ein dielektrisches Elastomer. Ein dielektrisches Elastomer wandelt elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit um. Ein Aktuator auf Basis eines dielektrischen Elastomers lässt sich beispielsweise dadurch bauen, dass ein Elastomerfilm beidseitig mit Elektroden beschichtet wird, an die dann eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Durch die angelegte Spannung wird der Elastomerfilm in Dickenrichtung zusammengedrückt, wobei er sich seitlich ausdehnt. Bei diesem Vorgang kann der Elastomerfilm Arbeit verrichten und damit als Aktuator wirken. Wird die Spannung zwischen den Elektroden wieder entfernt, nimmt der Elastomerfilm wieder seine ursprüngliche Form an.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiteres adaptives Röntgenfilter zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in einer Ebene orthogonal angeordnete elektrisch verformbare Stellelemente lokal die Schichtdicke einer eine 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 eine Röntgenstrahlung absorbierende Flüssigkeit, beispielsweise Galinstan, und elektrisch verformbare Stellelemente, die die Schichtdicke der ersten Flüssigkeit am Ort des jeweiligen Stellelementes verändern, indem sie die erste Flüssigkeit zumindest teilweise verdrängen. In der Fachliteratur sind Stellelemente auch unter dem Begriff Aktuatoren bekannt und bezeichnen Wandler, mit denen elektronische Signale in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen umgesetzt werden. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch das adaptive Röntgenfilter 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.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Röntgenfilter eine für Röntgenstrahlung transparente, flexible Membran, die die erste Flüssigkeit von den Stellelementen trennt, wobei die Membran durch die Stellelemente bewegbar ist. Die Stellelemente sind dabei an der Membran angeordnet. Mit Hilfe der Membran wird somit die Schichtdicke der ersten Flüssigkeit lokal verändert.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Röntgenfilter eine unterhalb der Membran angeordnete zweite Flüssigkeit, welche Röntgenstrahlung-transparent ist. Die zweite Flüssigkeit weist eine Röntgenstrahlungsabsorptionseigenschaft auf, die ähnlich der der Stellelemente ist. Dadurch werden unerwünschte Strukturen durch die Stellelemente in den Röntgenbildern vermieden.
Bevorzugt können die Stellelemente von der zweiten Flüssigkeit umgeben sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Stellelement aus mindestens einem elektroaktiven Element bestehen. Elektroaktive Elemente ziehen sich bei Anlegen einer Spannung zusammen oder dehnen sich aus. Dadurch kann eine Auslenkung der Membran erzielt und somit die Röntgenstrahlungabsorbierende Länge der ersten Flüssigkeit moduliert werden, wodurch ein nicht gleichmäßiges Röntgenstrahlenfeld einstellbar ist.
Weiterhin kann das Stellelement ein elektroaktives Polymer umfassen. Ein Stellelement auf Basis eines elektroaktiven Polymers, zum Beispiel in Form eines dielektrischen Elastomers, lässt sich beispielsweise dadurch bauen, dass ein Elastomerfilm beidseitig mit Elektroden beschichtet wird, an die eine elektrische Spannung angelegt wird. Bei angelegter Spannung wird der Elastomerfilm in Dickenrichtung zusammengedrückt, wobei er sich seitlich ausdehnt. Durch diese Ausdehnung kann eine Auslenkung der Membran erreicht werden. Wird die Spannung zwischen den Elektroden wieder entfernt, nimmt der Elastomerfilm wieder seine ursprüngliche Form an.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann an dem Stellelement eine Hebelvorrichtung angeordnet sein, die einen Stellweg, also eine Auslenkung, des Stellelementes vergrößert.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung mit einem adaptiven Röntgenfilter, wobei in einer Ebene angeordnete Stellelemente des adaptiven Röntgenfilters elektrisch verformt und/oder durch eine elektrische Ursache in der Länge verändert werden, wodurch die Schichtdicke einer von der Röntgenstrahlung durchstrahlten, Röntgenstrahlung absorbierenden ersten Flüssigkeit am Ort des jeweiligen Stellelementes verändert wird, indem die Stellelemente die erste Flüssigkeit zumindest teilweise verdrängen können.
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 mit Stellelementen,
3: einen Querschnitt durch ein adaptives Röntgenfilter mit unterschiedlich verstellten Stellelementen,
4: einen Querschnitt durch ein Stellelement mit elektroaktiven Elementen,
5: einen Querschnitt durch ein Stellelement mit einem elektroaktiven Polymer im ausgedehnten Zustand, und
6: einen Querschnitt durch ein Stellelement mit einer Hebelvorrichtung.
1 zeigt das Funktionsprinzip eines adaptiven Röntgenfilters. Durch ein adaptives Röntgenfilter 1 erfolgt eine ortsabhängige Schwächung einer Röntgenstrahlung 2. Von einer Röntgenquelle 3 wird die Röntgenstrahlung 2 erzeugt, durchdringt zunächst das erfindungsgemäße adaptive Röntgenfilter 1 sowie anschließend einen Patienten 4 und wird schließlich von einem Röntgendetektor 5 gemessen. Mit einer Steuereinheit 6 wird die örtliche Schwächung der Röntgenstrahlung 2 durch das adaptive Röntgenfilter 1 gesteuert.
Das Intensitätsprofil 7 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 8 der Röntgenstrahlung 2 nach dem Durchtritt durch das adpative Röntgenfilter 1 schematisch dargestellt. Deutlich zu sehen ist die durch das adaptive Röntgenfilter 1 bedingte Änderung der örtlichen Intensität y anhand der Form des Intensitätsprofils 8.
In 2 ist ein Querschnitt durch ein adaptives Röntgenfilter mit Stellelementen dargestellt. Der adaptive Röntgenfilter 1 besteht aus einem Gehäuse 9, welches mittels einer flexiblen Membran 10 in eine erste Kammer 11 mit einer ersten Flüssigkeit 15 und eine zweite Kammern 12 mit einer zweiten Flüssigkeit 16 getrennt ist. Jede der Kammern 11, 12 verfügt über einen Zu-/Abfluss 13, 14, über die die Flüssigkeiten 15, 16 zu- bzw. abführbar sind. Bei der ersten Flüssigkeit 15 handelt es sich um eine eine Röntgenstrahlung absorbierende Flüssigkeit, bei der zweiten Flüssigkeit 16 um eine Röntgenstrahlung-transparente Flüssigkeit.
An der Unterseite der Membran 10 sind Stellelemente wie beispielsweise Aktuatoren angeordnet. Die Stellelemente 17 und die zweite Flüssigkeit 16 weisen dabei vergleichbare Röntgenstrahlungsabsorbtionseigenschaften auf, wodurch sichergestellt wird, dass keine unerwünschte Strukturen in einem erstellten Röntgenbild zu sehen sind. Durch die Zuflüsse/Abflüsse 13, 14 können die Flüssigkeiten 15, 16 eingefüllt werden, sowie ein Differenzdruck auf die Membran 10 aufgebracht werden. Des Weiteren kann durch diese Öffnungen 13, 14 je nach Auslenkung der Membran 10 zum Ausgleich Flüssigkeit 15, 16 zu- oder abgeführt werden. Über Ansteuerleitungen 18 können Steuersignale, wie beispielsweise eine Spannung, an die Stellelemente 17 gesendet werden, worauf hin in der Folge die Stellelemente 17 sich zusammenziehen oder ausdehnen, wodurch die Membran 10 ausgelenkt wird.
In 3 ist ein Querschnitt durch ein adaptives Röntgenfilter mit unterschiedlich verstellten Stellelementen zu sehen. Dargestellt ist ein adaptives Röntgenfilter 1 mit identischem Aufbau wie in 2 beschrieben. Über die Ansteuerleitungen 18 sind Steuersignale, wie beispielsweise eine Spannung, an die Stellelemente 17 sendbar, worauf hin sich in der Folge die Stellelemente 17 unterschiedlich stark ausdehnen. Dadurch wird eine Auslenkung der Membran 10 und somit eine Modulation der absorbierenden Länge der ersten Flüssigkeit 15 erreicht, wodurch ein nicht gleichmäßiges Röntgenbild einstellbar ist.
4 zeigt einen Querschnitt durch ein Stellelement mit elektroaktiven Elementen. Ein Stellelement 17 umfasst mehrere elektroaktive Elemente 19, welche sich bei Anlegen einer Spannung ausdehnen. Wird die Spannung wieder entfernt, nehmen die elektroaktiven Elemente 19 wieder ihre ursprüngliche Form an. Um unerwünschte Strukturen auf einem zu erstellenden Röntgenbild zu vermeiden, sollen die elektroaktiven Elemente 19 eine ähnliche Röntgenstrahlung-transparente Eigenschaft aufweisen wie die umgebenden Materialien, beispielsweise eine nicht dargestellte Flüssigkeit, die die elektroaktiven Elemente 19 umgibt.
5 zeigt einen Querschnitt durch ein Stellelement mit einem elektroaktiven Polymer im ausgedehnten Zustand. Ein Stellelement 17 umfasst einen dielektrischen Elastomerfilm 20, der beidseitig mit nichtgezeigten Elektroden beschichtet ist, an die eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Durch die angelegte Spannung wird der dielektrische Elastomerfilm 20 in Dickenrichtung zusammengedrückt, wobei er sich seitlich ausdehnt. Durch diese Ausdehnung kann eine Auslenkung einer nicht gezeigten Membran erreicht werden. Wird die Spannung zwischen den Elektroden entfernt, nimmt der dielektrische Elastomerfilm 20 wieder seine ursprüngliche flache Form an.
In 6 ist ein Querschnitt durch ein Stellelement mit einer Hebelvorrichtung dargestellt. Ein Stellelement 17 umfasst ein elektroaktives Element 19, das sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung verkürzt. Das elektroaktive Element 19 steht mit einer Hebelvorrichtung 21, die ebenfalls in dem Stellelement 17 angeordnet ist, derart in Wirkverbindung, dass eine Verkürzung des elektroaktiven Elementes 19 zu einer Auslenkung 22 führt, die aufgrund der Hebelwirkung größer als die Verkürzung des elektroaktiven Elementes 19 ist. Die für die Hebelvorrichtung 21 verwendeten Materialien, das elektroaktive Element 21 und eine nicht gezeigte Flüssigkeit, die das elektroaktive Element 19 und die Hebelvorrichtung 21 umgibt, sollen dabei ähnliche Röntgenstrahlung-transparente Eigenschaft aufweisen. Dadurch werden unerwünschte Strukturen auf einem zu erstellenden Röntgenbild vermieden.
Bezugszeichenliste

1: Adaptives Röntgenfilter
2: Röntgenstrahlung
3: Röntgenquelle
4: Patient
5: Röntgendetektor
6: Steuereinheit
7: Intensitätsprofil der Röntgenstrahlung 2 vor dem adaptiven Röntgenfilter 1
8: Intensitätsprofil der Röntgenstrahlung 2 nach dem adaptiven Röntgenfilter 1
9: Gehäuse
10: Membran
11: erste Kammer
12: zweite Kammer
13: Zu-/Abfluss erste Kammer
14: Zu-/Abfluss zweite Kammer
15: erste Flüssigkeit
16: zweite Flüssigkeit
17: Stellelement
18: Ansteuerleitung
19: elektroaktives Element
20: dielektrischer Elastomerfilm
21: Hebevorrichtung
22: Auslenkung

Claims

Adaptives Röntgenfilter (1) zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung (2), gekennzeichnet durch: – eine erste eine Röntgenstrahlung (2) absorbierende Flüssigkeit (15) und – elektrisch verformbare Stellelemente (17), die die Schichtdicke der ersten Flüssigkeit (15) am Ort des jeweiligen Stellelementes (17) verändern, indem sie die erste Flüssigkeit (15) zumindest teilweise verdrängen.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (17) in einer zur Röntgenstrahlung (2) senkrecht stehenden Ebene angeordnet sind.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: – eine für die Röntgenstrahlung (2) transparente, flexible Membran (10), die die erste Flüssigkeit (15) von den Stellelementen (17) trennt, – wobei die Membran (10) durch die Stellelemente (17) bewegbar ist.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch: – eine unterhalb der Membran (10) angeordnete zweite, Röntgenstrahlung-transparente Flüssigkeit (16), deren Röntgenstrahlungsabsorptionseigenschaft ähnlich der der Stellelemente (17) ist.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (17) von der zweiten Flüssigkeit (16) umgeben sind.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (17) aus mindestens einem elektroaktiven Element besteht.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (8) ein elektroaktives Polymer umfasst.
Adaptives Röntgenfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: eine an dem Stellelement (17) angeordnete Hebelvorrichtung (21), die einen Stellweg des Stellelementes (17) vergrößert.
Verfahren zur Veränderung der lokalen Intensität einer Röntgenstrahlung (2) mit einem adaptiven Röntgenfilter (1), gekennzeichnet durch: – elektrisches Verformen und/oder eine elektrisch verursachte Längenänderung von in einer Ebene angeordneten Stellelementen (17) des adaptiven Röntgenfilters (1), – wobei die Schichtdicke einer von der Röntgenstrahlung (2) durchstrahlten, Röntgenstrahlung (2) absorbierenden ersten Flüssigkeit (15) am Ort des jeweiligen Stellelementes (17) verändert wird, indem die Stellelemente (17) die erste Flüssigkeit (15) zumindest teilweise verdrängen.