DE102013214388B4

DE102013214388B4 - Medizinisches Instrument zur Verwendung mit einer Phasenkontrastbildgebung und Röntgenaufnahmesystem mit Phasenkontrastbildgebung

Info

Publication number: DE102013214388B4
Application number: DE102013214388.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Bernhardt; Thomas Mertelmeier; Ralf Nanke; Marcus Radicke; Martin Hoheisel
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: CN104337528A; DE102013214388A1; US9901312B2; US20150031986A1

Abstract

Medizinisches Instrument (1) zur Verwendung mit einer Phasenkontrastbildgebung, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument (1) wenigstens eine Komponente (23; 24; 25) umfasst, die eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung (12) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Instrument zur Verwendung mit einer Phasenkontrastbildgebung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Röntgenaufnahmesystem mit Phasenkontrastbildgebung.
Die differentielle Phasenkontrastbildgebung oder kurz Phasenkontrastbildgebung stellt ein Bildgebungsverfahren dar, das insbesondere in der Talbot-Lau-Interferometer-Anordnung seit einiger Zeit viel Aufmerksamkeit bekommt. So ist beispielsweise in der Veröffentlichung von F. Pfeiffer et al., „Hard X-ray dark-field imaging using a grating interferometer“, Nature Materials 7, Seiten 134 bis 137, beschrieben, dass mit Hilfe eines interferometrischen Aufbaus, der aus einer konventionellen Röntgenröhre, drei Gittern und einem Röntgendetektor besteht, aus demselben Datensatz sowohl Absorptionskontrast, differentieller Phasenkontrast als auch Dunkelfeldkontrast rekonstruiert werden kann. Ähnliches ist auch Joseph J. Zambelli, et al., „Radiation dose efficiency comparison between differential phase contrast CT and conventional absorption CT", Med. Phys. 37 (2010), Seiten 2473 bis 2479, oder Bech et al., „Soft-tissue phase-contrast tomography with an x-ray tube source", Phys. Med. Biol. 54 (2009), Seiten 2747 bis 2753, oder Bech et al, „Quantitative x-ray dark-field computed tomography", Physics in Medicine an Biology, 55:5529-5539, 2010, zu entnehmen.
Die Wellennatur von Teilchen wie Röntgenquanten lässt die Beschreibung von Phänomenen wie Brechung und Reflexion mit Hilfe des komplexen Brechungsindex $n = 1 - δ + i β$
zu. Dabei beschreibt der Imaginärteil β die Absorption, die heutige klinische Röntgenbildgebung, wie sie z. B. der Computertomographie, Angiographie, Radiographie, Fluoroskopie oder Mammographie zugrunde liegt, und der Realteil δ die Phasenverschiebung, die bei der differentiellen Phasenkontrastbildgebung betrachtet wird.
Aus der DE 10 2010 018 715 A1 ist ein Röntgenaufnahmesystem bekannt, bei dem zur qualitativ hochwertigen Röntgenabbildung ein Röntgenaufnahmesystem zur Phasenkontrastbildgebung eines Untersuchungsobjekts Verwendung findet, das zumindest einen Röntgenstrahler mit einer Vielzahl von Feldemissions-Röntgenquellen zur Aussendung einer kohärenten Röntgenstrahlung, einen Röntgenbilddetektor, ein zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Röntgenbilddetektor angeordnetes Beugungsgitter G₁ und ein weiteres Gitter G₂ aufweist, welches zwischen dem Beugungsgitter G₁ und dem Röntgenbilddetektor angeordnet ist.
In den heute im Fokus stehenden Anordnungen für die klinische Phasenkontrastbildgebung werden konventionelle Röntgenröhren, heute verfügbare Röntgenbilddetektoren, wie sie beispielsweise von M. Spahn in „Flat detectors and their clinical applications“, European Radiology, Volume 15 (2005), Seiten 1934 bis 1947, beschrieben sind, und drei Gitter G₀, G₁ und G₂ verwendet, wie dies nachfolgend anhand der 1 näher erläutert wird, die einen schematischen Aufbau eines Talbot-Lau-Interferometers für die differentielle Phasenkontrastbildgebung mit ausgedehntem Röhrenfokus, Gittern G₀, G₁ und G₂ und pixeliertem Röntgenbilddetektor zeigt.
Die von einem Röhrenfokus 11 eines nicht-kohärenten Röntgenstrahlers 3 ausgehenden Röntgenstrahlen 12 durchdringen zur Erzeugung kohärenter Strahlung ein Absorptionsgitter 13 (G₀), das die örtliche Kohärenz der Röntgenstrahlungsquelle bewirkt, sowie ein Untersuchungsobjekt 6, beispielsweise ein menschlicher oder tierischer Patient. Durch das Untersuchungsobjekt 6 wird die Wellenfront der Röntgenstrahlen 12 durch Phasenverschiebung derart abgelenkt, wie dies die Normale 15 der Wellenfront ohne Phasenverschiebung, d. h. ohne Objekt, und die Normale 16 der Wellenfront mit Phasenverschiebung verdeutlichen. Anschließend durchläuft die phasenverschobene Wellenfront ein Beugungs- oder Phasengitter 17 (G₁) mit einer an die typische Energie des Röntgenspektrums angepassten Gitterkonstanten zur Erzeugung von Interferenzlinien bzw. einem Interferenzmuster 18 und wiederum ein absorbierendes Analysatorgitter 19 (G₂) zum Auslesen des erzeugten Interferenzmusters 18. Mit und ohne Objekt entstehen unterschiedliche Interferenzmuster 18. Die Gitterkonstante des Analysatorgitters 19 ist derjenigen des Phasengitters 17 und der restlichen Geometrie der Anordnung angepasst. Das Analysatorgitter 19 ist z.B. im ersten oder n-ten Talbot-Abstand (Ordnung) angeordnet. Das Analysatorgitter 19 konvertiert dabei das Interferenzmuster 18 in ein Intensitätsmuster, das von einem Detektor oder Röntgenbilddetektor 4 gemessen werden kann. Typische Gitterkonstanten für klinische Anwendungen liegen bei wenigen pm, wie dies auch beispielsweise den zitierten Literaturstellen zu entnehmen ist.
Ist die Röntgenquelle hinreichend kohärent, d. h. der Röhrenfokus 11 der Strahlenquelle hinreichend klein und die erzeugte Strahlungsleistung dennoch ausreichend groß, kann auf das erste Gitter G₀, das Absorptionsgitter 13, verzichtet werden.
Die differentielle Phasenverschiebung wird nun für jedes Pixel des Röntgenbilddetektors 4 gemäß dem Stand der Technik dadurch bestimmt, dass durch ein sogenanntes „Phase-Stepping“ 20, das durch einen Pfeil angedeutet ist, das Analysatorgitter 19 (G₂) in mehreren Schritten (k=1, ...K, mit z.B. K=4 bis 8) um einen entsprechenden Bruchteil der Gitterkonstanten senkrecht zur Strahlungsrichtung der Röntgenstrahlen 12 und lateral zur Anordnung der Gitterstruktur verschoben wird und das für diese Konfiguration während der Aufnahme entstehende Signal S_k im Pixel des Röntgenbilddetektors 4 gemessen und damit das entstandene Interferenzmuster 18 abgetastet wird. Für jedes Pixel werden dann die Parameter einer die Modulation beschreibenden Funktion (z.B. Sinus-Funktion) durch ein geeignetes Fitverfahren, einem Anpassungs- oder Ausgleichsverfahren, an die so gemessenen Signale S_k bestimmt. Diese Parameter sind üblicherweise die Amplitude A, die Phase Φ und die mittlere Intensität I.
Aus dem Vergleich bestimmter abgeleiteter Größen aus diesen Fitparametern für jedes Pixel einmal mit und einmal ohne Untersuchungsobjekt, d.h. Patienten, können dann drei verschiedene Bilder erzeugt werden:

(i) Absorptionsbild,
(ii) differentielles Phasenkontrastbild (DPC) und
(iii) Dunkelfeldbild (dark-field image).

Mit anderen Worten wird bei Dunkelfeldbildern die lokale, d.h. innerhalb eines Pixels, Zerstörung der Kohärenz der Röntgenstrahlung abgebildet. Streuzentren unterhalb der eigentlichen Systemauflösung tragen nach heutigem Wissen maßgeblich zu diesem Effekt bei. Bei der gitterbasierten Phasenkontrastbildgebung werden gleichzeitig ein Absorptionskontrast-, ein Phasenkontrast- und ein Dunkelfeldbild gewonnen.
Die Visibilität, d.h. die normierte Differenz aus maximalem und minimalem Signal (oder genauer: Amplitude normiert auf das mittlere Signal), ist dabei ein Maß zur Charakterisierung der Qualität eines Talbot-Lau-Interferometers. Sie ist definiert als Kontrast der abgetasteten Modulation $V = \frac{I_{max} - I_{min}}{I_{max} + I_{min}} = \frac{A}{\bar{I}} .$
Wenn im Folgenden von Bild gesprochen wird, ist gegebenenfalls das Triumvirat aus Absorptions-, DPC- und Dunkelfeldbild gemeint.
Unter anderem in der Chirurgie und Orthopädie werden bei klinischen Eingriffen häufig Hilfsgegenstände oder medizinische Instrumente in den menschlichen Körper eingebracht. In der klassischen medizinischen röntgenbasierten Bildgebung werden diese medizinische Instrumente, wie beispielsweise Führungsdrähte, Stents, Katheter usw., im weiteren Sinne auch Kontrastmittel, mit Hilfe des Absorptionskontrastes sichtbar gemacht, d.h. Röntgenstrahlung wird an diesen Objekten stärker absorbiert als im übrigen Körper, was sich als Signaldifferenz auf einem ortsauflösenden Detektor zeigt. Die Lage dieser Gegenstände soll in vielen Fällen möglichst einfach und mit einer geringen Röntgendosis kontrolliert werden. Um diese Objekte mit gutem Kontrast darstellen zu können, werden sie üblicherweise aus Materialien angefertigt, die Elemente mit einer hohen Ordnungszahl enthalten, wie zum Beispiel Metalle. Um die Sichtbarkeit dieser Objekte noch weiter zu erhöhen, werden sie oft mit zusätzlichen Materialien hoher Absorption versehen. So werden zum Beispiel auf Führungsdrähten Markierungen aus einer Platin-Iridium-Legierung angebracht oder es werden medizinische Kunststoffe für Katheter zusätzlich mit Bariumsulfat angereichert. Als weiteres Beispiel ist ein medizinischer Kleber, wie zum Beispiel Onyx zu nennen, der mit feinem Tantalpulver gemischt wird, um ihn im Röntgenbild sichtbar zu machen.
Wie vorhergehend beschrieben, betrifft eine andere Methode, um Strukturen im menschlichen Körper mit Hilfe von Röntgenstrahlung sichtbar zu machen, die Phasenkontrastbildgebung bzw. Röntgen-Dunkelfeldbilder, die primär nicht die absorbierende Wirkung der Materie auf Röntgenstrahlung ausnutzt, sondern die Wirkung der Phasenverschiebung beim Passieren des Objekts bzw. die Brechung der Röntgenstrahlung bei der Transmission von Brechungsindex-Gradienten. Werden nun die bei der klassischen Röntgentechnik verwendeten und dort bewährten medizinischen Instrumente bei einer Phasenkontrastbildgebung eingesetzt, sind die erzielten Ergebnisse, insbesondere bezüglich der Darstellungsqualität der erhaltenen Röntgenbilder, oftmals unbefriedigend.
Die DE 10 2007 038 381 A1 beschreibt die Verwendung eines Implantats bei einer Phasenkontrast-CT eines Patienten, wobei zumindest ein Teilbereich eines Patienten durch Röntgenstrahlung, die vor Erreichen des Patienten ein Röntgenabsorptionsgitter durchläuft, abgetastet wird. Bei dem Implantat werden Materialien mit niedriger Dichte oder mit Beschichtungen aus Materialien niedriger Dichte eingesetzt. Der beobachtete Phasenkontrast-Effekt wird durch die Grenzflächen dieser unterschiedlichen Stoffe niedriger Dichte bewirkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein medizinisches Instrument anzugeben, das sich zur Verwendung mit einer Phasenkontrastbildgebung besonders eignet und sich insbesondere im Vergleich zu üblichen medizinischen Instrumenten durch eine verbesserte Sichtbarkeit in einem differentiellen Phasenkontrastbild und/oder Dunkelfeldbild auszeichnet. Weiter besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein entsprechendes Röntgenaufnahmesystem anzugeben.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem medizinischen Instrument zur Verwendung mit einer Phasenkontrastbildgebung mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs und einem Röntgenaufnahmesystem mit Phasenkontrastbildgebung mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen beschrieben.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist ein medizinisches Instrument zur Verwendung mit einer Phasenkontrastbildgebung, das sich dadurch auszeichnet, dass das medizinische Instrument wenigstens eine Komponente umfasst, die eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung aufweist.
Ein medizinisches Instrument kann beispielsweise ein medizinisches Werkzeug für einen interventionellen Eingriff in einem Patienten oder für eine diagnostische Untersuchung eines Patienten sein. Das medizinische Instrument ist zur Verwendung mit einer Phasenkontrastbildgebung, d.h. mit einem Mittel, das eine Bildgebung mittels Phasenkontrast ermöglicht, geeignet. Das erfindungsgemäße medizinische Instrument umfasst wenigstens eine Komponente, die eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung aufweist. Damit kann auch das komplette Instrument eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung aufweisen. Oder die Komponente kann ein Bereich des Instrumentes, in den das Material integriert ist, sein oder es handelt sich um eine diskrete Komponente, die mit einem üblichen medizinischen Instrument verbunden ist. Denkbar ist auch ein Übergang, kontinuierlich oder gestuft, der Stärke der Kleinwinkel-Streuung innerhalb einer Komponenten, d.h. ein Material oder eine Materialanordnung, die einen Gradienten des Brechungsindexes aufweist.
Eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung bedeutet eine stärkere Kleinwinkel-Streuung im Vergleich zu heutzutage üblichen medizinischen Instrumenten. Durch die stärkere Kleinwinkel-Streuung des erfindungsgemäßen medizinischen Instrumentes ist der Kontrast des erfindungsgemäßen medizinischen Instrumentes in einem Dunkelfeld-Bild vergrößert, so dass die Sichtbarkeit des erfindungsgemäßen medizinischen Instruments im Vergleich zu einem heutzutage üblichen medizinischen Instrument verbessert ist. Im Umkehrschluss können medizinische Instrumente so gestaltet werden, dass sie im Dunkelfeld gut sichtbar sind, im Absorptionsbild, d.h. in der klassischen Röntgentechnik, aber nicht sichtbar sind, im Extremfall insbesondere auch keine Metallartefakte auftreten. Daraus ergeben sich bessere diagnostische Möglichkeiten.
Vorzugsweise ist das medizinische Instrument in ein Untersuchungsobjekt einführbar oder das medizinische Instrument ist in einem Untersuchungsobjekt platzierbar.
Wird ein medizinisches Instrument in ein Untersuchungsobjekt, z.B. einen menschlichen oder tierischen Patienten, eingeführt, das medizinische Instrument ist bereits in ein Untersuchungsobjekt eingeführt oder es ist in einem Untersuchungsobjekt platziert, kann es der direkten Beobachtung, z.B. eines Arztes, entzogen sein. In diesen Fällen ist eine Bildgebung durch Röntgentechnik besonders vorteilhaft, insbesondere, wenn es sich um eine Phasenkontrastbildgebung mit einem erfindungsgemäßen medizinischen Instrument handelt.
Auch kann es sich um ein Hilfsmittel handeln, das in einen Patienten eingeführt werden kann und temporär oder unbefristet in einem Patienten verbleiben kann, wie beispielsweise eine Prothese oder eine Gefäßplastik.
Es wird vorgeschlagen, dass das medizinische Instrument einen Führungsdraht, einen Stent oder einen Katheter umfasst.
Die genannten medizinischen Instrumente werden vielfach bei minimalinvasiven Eingriffen eingesetzt, die prinzipbedingt nach dem Einführen in ein Untersuchungsobjekt eine eingeschränkte Sichtbarkeit aufweisen, so dass eine Phasenkontrastbildgebung mit einem erfindungsgemäßen medizinischen Instrument vorteilhaft eingesetzt werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die wenigstens eine Komponente des medizinischen Instruments eine Mikrostruktur auf.
Unter einer Mikrostruktur wird in der Werkstoffkunde die mikroskopische Beschaffenheit eines Materials verstanden. Durch eine geeignete Formgebung der Oberfläche oder zumindest eines Teilvolumens des medizinischen Gerätes kann die Sichtbarkeit in einem Bild, das mit Hilfe einer Phasenkontrastbildgebung gewonnen wurde, maximiert oder zumindest verbessert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die wenigstens eine Komponente des medizinischen Instruments eine Mikrostruktur mit vorgebbarer Strukturgröße auf.
Die Strukturgröße, d.h. die Abmessungen der mikroskopischen Bestandteile der Komponenten des Materials, kann beispielsweise an die Gitterkonstante eines Analysatorgitters und/oder an derjenigen des Phasengitters und/oder an der restlichen Geometrie der Anordnung angepasst sein.
Vorteilhaft beträgt die vorgebbare Strukturgröße der wenigstens einen Komponenten des medizinischen Instrumentes zwischen 0,01 µm und 100 µm.
Ein hoher Bildkontrast durch Kleinwinkelstreuung kann durch Mikrostrukturen mit Strukturgrößen zwischen 0,01 µm und 100 µm erreicht werden. Strukturen innerhalb des medizinischen Instrumentes und/oder einer nicht glatten Oberfläche des medizinischen Instrumentes, die eine Strukturgröße zwischen 10 µm und 50 µm aufweisen bieten insbesondere in der Mammographie eine hohe Dunkelfeldsensitivität und damit einen hohen Bildkontrast.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Mikrostruktur der wenigstens einen Komponenten des medizinischen Instruments durch ein faserartiges oder poröses Material gebildet ist.
Unter einem porösen Material, d.h. einem Material, das Poren aufweist, kann beispielsweise ein schwammartiges oder schaumartiges Material mit fester oder flexibler Konsistenz verstanden werden. Hierbei können die Durchmesser der Poren die Strukturgröße des Materials bestimmen. Auch der Abstand der Poren kann als eine Strukturgröße interpretiert werden. Unter einem faserartigen Material kann ein Material verstanden werden, das Fasern umfasst. Eine Faser ist im Allgemeinen ein im Verhältnis zur Länge dünnes und flexibles Gebilde, wobei auch Materialien mit starren Fasern denkbar sind. Der Durchmesser einer Faser kann die Strukturgröße des Materials bestimmen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Grundgedankens der Erfindung sieht vor, dass das poröse Material der wenigstens einen Komponenten des medizinischen Instruments eine geschlossene Porosität aufweist und wenigstens ein Teil der Poren ein vorgebbares Material umfasst.
Vorteilhaft kann eine geschlossene Porosität durch ein schaumartiges Material gebildet sein. Unter einem Schaum versteht man üblicherweise eine Vielzahl gasförmiger Bläschen, die von festen, flüssigen oder flexiblen Wänden eingeschlossen sind. Somit könnte ein erfindungsgemäßes medizinisches Instrument eine Struktur, z.B. durch eine oberflächige Schicht oder durch ein inneres Volumen, aus einem Schaum aus Gasbläschen umfassen, wobei die Gasbläschen vorteilhaft jeweils einen Durchmesser im Bereich von 0,01 µm bis 100 µm besitzen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das faserartige Material der wenigstens einen Komponenten des medizinischen Instruments einen carbonfaserverstärkten Kunststoff umfasst.
Carbonfasern oder Kohlenstofffasern sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die durch Pyrolyse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden und in der Technik vielfach Verwendung finden. Denkbar wäre, Kohlenstofffasern einzeln oder gebündelt und in einem Kunststoff eingebettet auf der Oberfläche eines medizinischen Instrumentes aufzubringen, um so eine Strukturgröße zu erzielen, die in einem Dunkelfeld gut erkennbar ist.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist ein Röntgenaufnahmesystem mit Phasenkontrastbildgebung zur Aufnahme eines Untersuchungsobjektes und eines medizinischen Instrumentes. Das Röntgenaufnahmesystem umfasst ein Röntgengerät zur Röntgenbildgebung eines Untersuchungsobjekts mittels direkter Messung eines Interferenzmusters mit zumindest einem Röntgenstrahler zur Erzeugung von quasi-kohärenter Röntgenstrahlung, einem Röntgenbilddetektor, der eine Detektorschicht und in einer Matrix angeordnete Detektorpixel aufweist, einem Beugungs- oder Phasengitter, welches zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Röntgenbilddetektor angeordnet ist und ein Interferenzmuster erzeugt, wobei das medizinische Instrument wenigstens eine Komponente umfasst, die eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung aufweist.
Mit besonderem Vorteil ist das medizinische Instrument des Röntgenaufnahmesystems gemäß einer zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgeführt.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren samt Beschreibung. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines bekannten Talbot-Lau-Interferometers für die differentielle Phasenkontrastbildgebung mit ausgedehntem Röhrenfokus, drei Gittern G₀, G₁ und G₂ und pixeliertem Detektor;
2 schematisch und beispielhaft ein medizinisches Instrument mit mehreren Komponenten, die eine gute Röntgen-Dunkelfeldbild-Darstellung ermöglichen;
3 eine Ausführungsform eines medizinischen Instrumentes mit einer schwammartigen Oberfläche;
4 eine Ausführungsform einer faserartigen Oberfläche eines medizinischen Instrumentes;
5 eine Ausführungsform einer schaumartigen Oberfläche eines medizinischen Instrumentes;
6 schematisch und exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Röntgenaufnahmesystems mit Phasenkontrastbildgebung zur Aufnahme eines Untersuchungsobjektes und eines medizinischen Instrumentes;

2 zeigt schematisch und beispielhaft ein medizinisches Instrument 1 mit mehreren Komponenten, die eine gute Röntgen-Dunkelfeldbild-Darstellung ermöglichen. Das medizinische Instrument 1 ist als medizinischer Katheter ausgeführt. Unter einem medizinischen Katheter wird insbesondere ein schlauch- oder stabähnliches Gerät mit einer Länge von ca. 0,3 bis 1,5 m und einem Durchmesser von ca. 1 bis 20 mm verstanden, das in einen menschlichen oder tierischen Körper einführbar ist. Weiter kann ein medizinischer Katheter integrierte oder über Arbeitskanäle einführbare Instrumente, z.B. mikromechanische Geräte, wie kleine Zangen oder Greifer, umfassen, mit denen untersuchende oder intervenierende Vorgänge durchführbar sind. Das medizinische Instrument 1 umfasst einen schlauchförmigen Grundkörper 21, der eine Öffnung 22 aufweist. Ein erster Teilbereich 23 des schlauchförmigen Grundkörpers 21 ist mit einer Schicht eines schwammartigen Materials ausgeführt, so dass die Oberfläche dieses Bereiches mikroskopisch kleine, poröse Öffnungen aufweist, die mit Hilfe einer Röntgen-Dunkelfeldbildgebung gut, insbesondere kontrastreich, in einem Dunkelfeldbild darstellbar sind. Ein zweiter Teilbereich 24 umfasst einen röhrenförmigen Abschnitt, der aus einem carbonfaserverstärkten Kunststoff besteht. Durch eine geeignete Wahl der Struktur, der Strukturgröße und der Strukturausdehnung kann die Intensität und die räumliche Ausdehnung des Dunkelfeldsignals im Bild direkt beeinflusst werden. Der Bereich 24 des medizinischen Instrumentes kann damit genauer und in geeigneten Fällen auch mit einer geringeren Röntgendosis, als durch eine konventionelle Röntgenbildgebung, dargestellt werden. Ein dritter Teilbereich 25 des schlauchförmigen Grundkörpers 21 umfasst im Inneren des schlauchförmigen Grundkörpers 21 eine schaumartige Struktur, die ebenfalls ein großes Dunkelfeldsignal bewirkt. Durch eine längliche Ausformung des schaumartigen Bereiches kann auf einem dargestellten Dunkelfeldbild auf die Ausrichtung des medizinischen Instrumentes geschlossen werden, wodurch beispielsweise eine Detektion einer 2D/3D-Orientierung des medizinischen Instrumentes im Röntgenbild möglich ist.
In 3 ist schematisch eine Ausführungsform eines medizinischen Instrumentes 26 mit einer schwammartigen Oberfläche dargestellt. Durch die Struktur der Oberfläche, die durch mikroskopisch kleine Öffnungen, beispielsweise mit Durchmessern im Mikrometerbereich, gekennzeichnet ist, ist eine kontrastreiche Abbildung des medizinischen Instrumentes auf einem Dunkelfeldbild möglich.
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer faserartigen Oberfläche 27 eines medizinischen Instrumentes. Die Fasern der faserartigen Oberfläche sind nebeneinander oder stoffartig vernetzt angeordnet und können durch ein Kunststoffsubstrat auf dem medizinischen Instrument fixiert sein. Der Durchmesser einer Faser, der vorteilhaft im Mikrometerbereich liegt, bestimmt die Strukturgröße der Oberfläche und damit die Intensität und die räumliche Ausdehnung des Dunkelfeldsignals im Dunkelfeldbild.
In 5 ist schematisch eine Ausführungsform einer schaumartigen Oberfläche 28 eines medizinischen Instrumentes dargestellt. Die schaumartige Oberfläche 28 wird durch einen Schaum aus Gasbläschen gebildet. Der Schaum kann beispielsweise als dünne, z.B. weniger als einen Millimeter dicke, Folie auf das medizinische Instrument aufgebracht sein. In der Mammographie könnten diese Gasbläschen z.B. jeweils einen Durchmesser 14 im Bereich von 10 µm bis 50 µm besitzen. Der Durchmesser der Gasbläschen und gegebenenfalls ihr Abstand zueinander bestimmen die Mikrostruktur der Oberfläche 28.
Die 6 zeigt schematisch und exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Röntgenaufnahmesystems 100 mit Phasenkontrastbildgebung zur Aufnahme eines Untersuchungsobjektes 6 und eines medizinischen Instrumentes 1. Das Röntgenaufnahmesystem 100 umfasst ein Röntgengerät 101 zur Röntgenbildgebung mittels Phasenkontrastbildgebung und ein medizinisches Instrument 1, das wenigstens eine Komponente umfasst, die eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung aufweist. Das Röntgengerät 101 ist mit einem, von einem Ständer 8 in Form eines sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters gehaltenen, C-Bogen 2 ausgestattet, an dessen Enden eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise ein Röntgenstrahler 3 mit Röntgenröhre und Kollimator, und ein Röntgenbilddetektor 4 als Bildaufnahmeeinheit angebracht sind.
Mittels des beispielsweise aus der US 7,500,784 B2 bekannten Knickarmroboters, welcher bevorzugt sechs Drehachsen und damit sechs Freiheitsgrade aufweist, kann der C-Bogen 2 beliebig räumlich verstellt werden, zum Beispiel indem er um ein Drehzentrum zwischen dem Röntgenstrahler 3 und dem Röntgenbilddetektor 4 gedreht wird. Die Realisierung des Röntgengerätes 101 ist nicht auf den Industrieroboter angewiesen. Es können auch übliche C-Bogen-Geräte Verwendung finden.
Der Röntgenbilddetektor 4 kann ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Röntgendetektor sein, der vorzugsweise aus einem Szintillator (z.B. CsJ) und einer aktiven Matrix aus Photodioden aus amorphem Silizium (a-Si) besteht. Es können aber auch integrierende Detektoren auf CMOS-Basis oder auch zählende Detektoren (z.B. CdTe oder CZT und ASIC) Anwendung finden. Der Röntgenbilddetektor 4 weist somit eine Detektorschicht und in einer Matrix angeordnete Detektorpixel auf.
Im Strahlengang des Röntgenstrahlers 3 befindet sich auf einer Tischplatte 5 eines Patientenlagerungstisches ein zu untersuchender Patient als Untersuchungsobjekt 6. An der Röntgendiagnostikeinrichtung ist eine Systemsteuerungseinheit 7 mit einem Bildsystem 9 angeschlossen, das die Bildsignale des Röntgenbilddetektors 4 empfängt und verarbeitet, wobei Bedienelemente beispielsweise nicht dargestellt sind. Die gewonnenen Röntgenbilder können dann auf dem Bildsystem 9, das beispielsweise als Monitorampel mit mehreren Monitoren ausgeführt sein kann, betrachtet werden.
Das medizinische Instrument 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Katheter ausgeführt, der in das Untersuchungsobjekt 6 einführbar ist. Das medizinische Instrument 1 des Ausführungsbeispiels umfasst eine Komponente, die eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung aufweist. Insbesondere weist die Komponente des medizinischen Instruments 1 eine Mikrostruktur mit vorgebbarer Strukturgröße, z.B. einer Strukturgröße zwischen 10 µm und 50 µm, auf, die durch ein faserartiges Material, wie carbonfaserverstärkter Kunststoff, oder durch ein poröses Material, wie ein schaumartiges oder schwammartiges Material, gebildet ist.
Zusammenfassend werden weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung beschrieben.
Die Phasenkontrast-Methode erweist sich als besonders attraktiv, wenn es mit ihrer Hilfe gelingt, medizinische Instrumente darzustellen, deren Abbildung wegen ihres geringen Bildkontrastes bislang nur schwierig möglich war. Dies war zum Beispiel bei sehr dünnen Führungsdrähten oder bei aus Kunststoff bestehenden Kathetern der Fall. In dieser Erfindung wird vorgeschlagen, medizinische Instrumente nicht, wie bisher üblich, aus hoch absorbierenden Materialien anzufertigen, sondern aus schwammartigen, schaumartigen oder faserigen Strukturen aufzubauen oder mit einem solchen Material zu markieren. Das heißt, die medizinischen Instrumente besitzen eine spezielle Oberflächenstruktur oder eine innen liegende Struktur. Alternativ sollen Materialanordnungen eingesetzt werden, die Gradienten des Brechungsindex aufweisen. Mit solchen Strukturen erhält man eine hohe Sichtbarkeit der entsprechend ausgestatteten Instrumente im Phasenkontrast-Bild bzw. im Dunkelfeld-Bild. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung von Führungsdrähten, Stents und Kathetern aus schwammartigen oder faserigen Materialien liefern diese ein hohes Signal im Dunkelfeld und können somit leicht erkannt werden. Mit anderen Worten sind Dunkelfeldbilder im Vergleich zu Absorptions- und Phasenkontrast, sensitiv auf Strukturen der Oberfläche, einer inneren Struktur oder allgemein eines Teils eines Objektes, die unterhalb der Systemauflösung liegen. Diese grundlegend verschiedene Sensitivität birgt ein großes Potential für die Sichtbarkeit und damit die Kontrolle von Hilfsgegenständen innerhalb des menschlichen Körpers, wenn diese Hilfsgegenstände entsprechend gestaltet, konstruiert oder engl. „designed“ sind.
Anhand der Struktur, der Strukturgröße und der Strukturausdehnung kann die Intensität und die räumliche Ausdehnung des Dunkelfeldsignals im Bild direkt beeinflusst werden. Die entsprechenden Instrumente könnten damit genauer und in geeigneten Fällen auch mit einer geringeren Röntgendosis, als bisher, detektiert werden. Es ist beispielsweise möglich, dass zur Kontrolle eine sehr hohe Röntgenenergie benutzt wird und somit die Dosis sehr gering gehalten werden kann.
Erfindungsgemäße Ausführungen medizinischer Instrumente können zum Beispiel so gestaltet werden, dass sie im Absorptionsbild nicht sichtbar sind, im Extremfall bedeutet dies, dass zum Beispiel keine Metallartefakte auftreten, aber im Dunkelfeld gut sichtbar sind. Daraus ergeben sich bessere diagnostische Möglichkeiten.
Eine Überlagerung bzw. Registrierung eines unter Zuhilfenahme eines erfindungsgemäßen medizinischen Instrumentes gewonnenen Dunkelfeldbildes mit vorab aufgenommenen Bildern ist möglich, wobei Kontrollbilder mit geringer Dosis aufgenommen werden können.
Denkbar wäre auch eine Art Barcode aus einem Dunkelfeldsignal auf einem medizinischen Instrument anzubringen.
Die Struktur der dunkelfelderzeugenden Komponenten kann so beschaffen sein, dass eine Detektion einer 2D/3D-Orientierung eines medizinischen Instrumentes im Röntgenbild möglich ist.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Instrumentes ist ein Führungsdraht, der aus einem carbonfaserverstärktem Kunststoff, kurz CFK, angefertigt ist. Derartige CFK-Fasern weisen eine hohe Stabilität auf. Durch die Faserstruktur des CFK erzeugt ein dergestalt hergestellter Führungsdraht ein hohes Dunkelfeld-Signal und wird dadurch gut sichtbar, während die heutigen Führungsdrähte aus Nitinol oder Edelstahl oft schlecht sichtbar sind, da sie auch sehr dünn sind.
Alternativ kann auch eine Kombination aus dem herkömmlichen Führungsdraht und der CFK-Faser verwendet werden, so z.B. eine CFK-Faser, die von einem Metall wie z.B. Nitinol oder Edelstahl eingehüllt ist, oder ein metallischer Führungsdraht, der von CFK ummantelt wird.
Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung sind Stents aus CFK oder anderen stabilen und biokompatiblen Fasern, die auch mit Nitinol- oder Edelstahl-Drähten kombiniert sein können. Derartige Stents könnten die heutigen, nur aus Nitinol oder Edelstahl bestehenden Stents ersetzen und damit im Dunkelfeld-Bild wesentlich besser sichtbar sein.
Als weiteres Ausführungsbeispiel können Katheter aus einem mit mikroskopisch kleinen Luftbläschen versetzten Kunststoff gefertigt werden und dadurch ein deutliches Signal im Dunkelfeld-Bild abgeben.
Alternativ können Katheter mit CFK-Fasern versehen werden, um ihre Sichtbarkeit im Dunkelfeld-Bild zu verbessern.

Claims

Medizinisches Instrument (1) zur Verwendung mit einer Phasenkontrastbildgebung, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument (1) wenigstens eine Komponente (23; 24; 25) umfasst, die eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung (12) aufweist.
Medizinisches Instrument (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument (1) in ein Untersuchungsobjekt (6) einführbar oder in einem Untersuchungsobjekt (6) platzierbar ist.
Medizinisches Instrument (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument (1) einen Führungsdraht, einen Stent oder einen Katheter umfasst.
Medizinisches Instrument (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Komponente (23; 24; 25) des medizinischen Instruments eine Mikrostruktur aufweist.
Medizinisches Instrument (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Komponente (23; 24; 25) des medizinischen Instrumentes (1) eine Mikrostruktur mit vorgebbarer Strukturgröße (14) aufweist.
Medizinisches Instrument (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Strukturgröße (14) der wenigstens einen Komponenten (23; 24; 25) des medizinischen Instrumentes (1) zwischen 0,01 µm und 100 µm beträgt.
Medizinisches Instrument (1) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur der wenigstens einen Komponenten (23; 24; 25) des medizinischen Instrumentes (1) durch ein faserartiges (27) oder poröses (26) Material gebildet ist.
Medizinisches Instrument (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse (26) Material der wenigstens einen Komponenten (23; 24; 25) des medizinischen Instrumentes (1) eine geschlossene Porosität aufweist und wenigstens ein Teil der Poren ein vorgebbares Material umfasst.
Medizinisches Instrument (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das faserartige Material (27) der wenigstens einen Komponenten (23; 24; 25) des medizinischen Instrumentes (1) einen carbonfaserverstärkten Kunststoff umfasst.
Röntgenaufnahmesystem (100) mit Phasenkontrastbildgebung zur Aufnahme eines Untersuchungsobjektes (6) und eines medizinischen Instrumentes (1), umfassend ein Röntgengerät (101) zur Röntgenbildgebung eines Untersuchungsobjektes (6) mittels direkter Messung eines Interferenzmusters (18) mit zumindest einem Röntgenstrahler (3) zur Erzeugung von quasi-kohärenter Röntgenstrahlung, einem Röntgenbilddetektor (4), der eine Detektorschicht und in einer Matrix angeordnete Detektorpixel aufweist, einem Beugungs- oder Phasengitter (17), welches zwischen dem Untersuchungsobjekt (6) und dem Röntgenbilddetektor (4) angeordnet ist und ein Interferenzmuster (18) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument (1) wenigstens eine Komponente (23; 24; 25) umfasst, die eine starke Kleinwinkel-Streuung von Röntgenstrahlung (12) aufweist.
Röntgenaufnahmesystem (100) mit Phasenkontrastbildgebung zur Aufnahme eines Untersuchungsobjektes (6) und eines medizinischen Instrumentes (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9 ausgeführt ist.