DE102014221599A1

DE102014221599A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung

Info

Publication number: DE102014221599A1
Application number: DE102014221599.4A
Authority: DE
Inventors: Jörg Freudenberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-04-28
Also published as: CN105534535B; US9949705B2; US20160113610A1; CN105534535A

Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung zur Slot-Scan Phasenkontrast Röntgenbildgebung, aufweisend einen Röntgenstrahler (3), mehrere Röntgengitter (4, 5, 6), eine Patientenliege (7) und einen Röntgendetektor (9), an. Positionsmarkierungselemente (1, 2) sind im Strahlengang des Röntgenstrahlers (3) derart ausgebildet und angeordnet, dass sie in einem Röntgenbild sichtbar sind. In dem Röntgenbild kann aus der Lage und dem Abstand der Positionsmarkierungselemente (1, 2) zueinander eine relative Position eines Objekts auf der Patientenliege (7) zu einem Röntgenstrahlenfächer des Röntgenstrahlers (3) ermittelt werden. Ein zugehöriges Verfahren wird ebenfalls angegeben. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine kostspielige, genaue mechanische Justierung von Komponenten der Vorrichtung überflüssig wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Slot-Scan Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung.
Hintergrund der Erfindung
Die Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung ist ein neuartiges Röntgenbildgebungsverfahren, das nicht wie bei herkömmlichen Röntgengeräten ausschließlich die Absorption durch ein Objekt als Informationsquelle nutzt. Es kombiniert die Absorption mit der Verschiebung der Phase der Röntgenstrahlung beim Durchgang durch das Objekt. Der Informationsgehalt ist ungleich höher, da einerseits die Absorption genaue Bilder von den stark absorbierenden Knochen liefert, andererseits der Phasenkontrast scharfe Bilder von den Strukturen des Weichteilgewebes macht. Das bietet die Möglichkeit, krankhafte Veränderungen wie die Entstehung von Tumoren, Gefäßverengungen oder krankhafte Veränderungen der Knorpel wesentlich früher als bisher erkennen zu können.
Der Durchgang von Röntgenstrahlung durch Materie wird mittels eines komplexen Brechungsindex beschrieben. Der Imaginärteil des Brechungsindex gibt die Stärke der Absorption an, der Realteil des Brechungsindex gibt hingegen die Phasenverschiebung der durch ein Material hindurch laufenden Röntgenwelle an. In der Phasenkontrast-Bildgebung werden die Phaseninformationen der lokalen Phase oder der lokale Gradient der Phase der ein Objekt durchlaufenden Wellenfront bestimmt. Analog zur Röntgentomographie können auch tomographische Darstellungen der Phasenverschiebung aufgrund einer Vielzahl von Bildern rekonstruiert werden.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, um eine Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung zu realisieren. Bei den bekannten Lösungen geht es darum, durch spezielle Anordnungen und Verfahren, die Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung beim Durchgang eines Objekts als Intensitätsschwankung sichtbar zu machen. Eine sehr vielversprechende Methode ist die Gitter-Phasenkontrast-Bildgebung, auch als Talbot-Lau Interferometrie bezeichnet, wie sie vielfach in der Literatur beschrieben ist, beispielsweise auch in der europäischen Offenlegungsschrift EP 1 879 020 A1 . Das Wesentliche des Talbot-Lau-Interferometers sind drei Röntgengitter, die zwischen einer Röntgenröhre und einem Röntgendetektor angeordnet sind.
Derartige Interferometer können neben dem klassischen Absorptionsbild zwei zusätzliche Messparameter in Form weiterer Bilder darstellen: das Phasenkontrastbild und das Dunkelfeldbild. Die Phase der Röntgenwelle wird dabei durch Interferenz mit einer Referenzwelle durch Verwendung der interferometrischen Gitteranordnung bestimmt.
Die EP 1 879 020 A1 offenbart eine Anordnung mit einer Röntgenröhre und einem pixelierten Röntgendetektor, zwischen denen ein zu durchstrahlendes Objekt angeordnet ist. Ein Quellengitter, auch als Kohärenzgitter bezeichnet, ist zwischen dem Brennfleck der Röntgenröhre und dem Objekt angeordnet. Es dient zur Simulation mehrerer Linienquellen mit räumlicher Teilkohärenz der Röntgenstrahlung, was eine Voraussetzung der interferometrischen Bildgebung ist.
Ein Beugungsgitter, auch als Phasengitter oder Talbotgitter bezeichnet, ist zwischen dem Objekt und dem Röntgendetektor angeordnet. Das Beugungsgitter prägt der Phase der Wellenfront eine Phasenverschiebung um typischerweise Pi auf.
Ein Absorptionsgitter zwischen dem Beugungsgitter und dem Röntgendetektor dient zur Messung der durch das Objekt erzeugten Phasenverschiebung. Die Wellenfront vor dem Objekt wird durch das Objekt „verkrümmte“. Die drei Gitter müssen zueinander parallel und zueinander in exakten Abständen angeordnet sein.
Der Röntgendetektor dient zum ortsabhängigen Nachweis von Röntgenquanten. Da die Pixelierung des Röntgendetektors im Allgemeinen nicht ausreichend ist, um die Interferenzstreifen des Talbot-Musters aufzulösen, wird das Intensitätsmuster durch Verschiebung eines der Gitter abgetastet (= „phase-stepping“). Die Abtastung erfolgt schrittweise oder kontinuierlich senkrecht zur Richtung des Röntgenstrahls und senkrecht zur Schlitzrichtung des Absorptionsgitters. Es können drei verschiedene Arten von Röntgenbildern aufgenommen bzw. rekonstruiert werden: das Absorptionsbild, das Phasenkontrastbild und das Dunkelfeldbild.
Alternativ zum „phase stepping“ kann das „Slot-Scan Verfahren“ eingesetzt werden, bei dem der Tisch mit dem Objekt relativ zum Röntgenstrahler und den Gittern verfahren wird. Beispielsweise ist in der PCT Offenlegungsschrift WO 2013/111050 A1 ein derartiges Verfahren beschrieben. Dabei können die Gitter auch kleiner gewählt werden oder es können nebeneinandergereihte Teilgitter zum Einsatz kommen. Für die Zusammensetzung der für das Slot-Scan Verfahren erforderlichen Einzelbilder ist die Position des Objekts in Bezug auf den Strahlenfächer des Röntgenstrahlers genau zu kennen. Dazu sind die Hauptkomponenten des Systems mechanisch miteinander verbunden und mit aufwendigen Messhilfen ausgerüstet. Mit bekannten Anordnungen ist eine Messgenauigkeit von 0,3 bis 1,0 mm erreichbar.
Beim Slot-Scan-Verfahren kann auch bei einem ortsfesten Patiententisch und einem ortsfesten Detektor ein Fächerstrahl des Röntgenstrahlers relativ dazu bewegt werden. Für die Phasenkontrastbildgebung müssen dabei jedoch auch die drei Röntgengitter verschoben werden. Diese Option ist daher aufwendiger.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine weitere Vorrichtung und ein weiteres Verfahren zur Slot-Scan Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung anzugeben, bei denen die relative Position zwischen einem Objekt und dem das Objekt durchdringenden Röntgenstrahlenfächer genauer ermittelt werden können.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vorrichtung und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß umfasst eine Slot-Scan Phasenkontrast Röntgenbildgebungsvorrichtung Positionsmarkierungselemente auf einem der Röntgengitter und der Patientenliege. Die Positionsmarkierungselemente sind so ausgebildet und angeordnet, dass sie in einem Röntgenbild sichtbar sind. Ihre Lage zueinander wird zur Ermittlung der Relativposition verwendet. Die Positionsmarkierungselemente dienen somit als Justierhilfen. Mittels einer Bildverarbeitungssoftware kann die Relativposition aus dem Röntgenbild ermittelt werden.
Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur Slot-Scan Phasenkontrast Röntgenbildgebung. Die Vorrichtung weist einen Röntgenstrahler, mehrere Röntgengitter, eine Patientenliege und einen Röntgendetektor auf. Positionsmarkierungselemente sind im Strahlengang des Röntgenstrahlers angeordnet. Die Positionsmarkierungselemente sind so ausgebildet, dass sie in einem Röntgenbild sichtbar sind und in dem Röntgenbild aus ihrer Lage und ihrem Abstand zueinander eine relative Position eines Objekts auf der Patientenliege zu einem Röntgenstrahlenfächer des Röntgenstrahlers ermittelbar ist.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine kostspielige, genaue mechanische Justierung von Komponenten der Vorrichtung überflüssig wird.
In einer Weiterbildung bestehen die Positionsmarkierungselemente aus einem ersten und einem zweiten Positionsmarkierungselement.
In einer weiteren Ausführungsform können das erste Positionsmarkierungselement auf einem der Röntgengitter und das zweite Positionsmarkierungselement auf der Patientenliege angeordnet sein.
In einer weiteren Ausbildung können mehrere zweite Positionsmarkierungselemente auf der Oberfläche eines Liegenbretts der Patientenliege in Längsrichtung des Liegenbretts angeordnet sein.
Des Weiteren kann eine Bildverarbeitungseinheit die Lage und den Abstand der Positionsmarkierungselemente zueinander ermitteln.
Bevorzugt können die Positionsmarkierungselemente als ein Kreuz, als ein Kreisring oder als ein Dreieck ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform können die Positionsmarkierungselemente Bereiche aufweisen, die im Dunkelfeldbild, im Phasenkontrastbild, im Absorptionsbild oder in jeder beliebigen Kombination sichtbar sind.
Außerdem können die Positionsmarkierungselemente eine Schichtdicke von 10 µm bis 500 µm aufweisen und einen Durchmesser von 150 µm bis 25 mm haben.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Slot-Scan Phasenkontrast Röntgenbildgebung, wobei mit Hilfe von in einem Röntgenbild sichtbaren Positionsmarkierungselementen, die im Strahlengang eines Röntgenstrahlers angeordnet sind, aus der Lage und dem Abstand der Positionsmarkierungselemente in dem Röntgenbild zueinander eine relative Position eines zu durchstrahlenden Objekts zu einem Röntgenstrahlenfächer des Röntgenstrahlers ermittelt wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens können die Positionsmarkierungselemente ein erstes und ein zweites Positionsmarkierungselement umfassen.
In einer weiteren Ausprägung können das erste Positionsmarkierungselement auf einem Röntgengitter und das zweite Positionsmarkierungselement auf einer das Objekt tragenden Patientenliege angeordnet sein.
Des Weiteren kann mit einer Bildverarbeitungssoftware die Lage und der Abstand des ersten Positionsmarkierungselements zu dem zweiten Positionsmarkierungselement ermittelt werden.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: Slot-Scan Vorrichtung mit einem Boden- und einem Deckenstativ,
2: Slot-Scan Vorrichtung mit zwei Deckenstativen,
3: Slot-Scan Vorrichtung mit einem C-Bogen,
4: Beispiele von Positionsmarkierungselementen,
5: Positionsmarkierungselement auf einem Röntgengitter und
6: Positionsmarkierungselement auf einem Liegenbrett einer Patientenliege.
Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
1 bis 3 zeigen schematisch Beispiele für Slot-Scan Vorrichtungen zur Röntgenphasenkontrastbildgebung mit einem Röntgenstrahler 3, einem Röntgendetektor 9, einer Patientenliege 7 und einer Gitteranaordnung. Die Gitteranordnung weist ein erstes Röntgengitter 4, ein zweites Röntgengitter 5 und ein drittes Röntgengitter 6 auf. Das zweite und das dritte Röntgengitter 5 und 6 befinden sich unterhalb eines Liegenbretts (= Tischplatte) der Patientenliege 7 vor dem Röntgendetektor 9. Die Patientenliege 7 dient zur Lagerung eines nicht dargestellten Objekts, das vom Röntgenstrahlenfächer des Röntgenstrahlers 3 durchstrahlt wird. Das Objekt, beispielsweise ein Patient, ist zusammen mit der Patientenliege 7 verfahrbar.
In den 1 und 2 ist der Röntgendetektor 9 an einem ersten Deckenstativ 10 befestigt und kann mit Hilfe des an der Decke 14 angeordneten ersten Deckenstativs 10 verfahren werden. In der 1 ist der Röntgenstrahler 3 mit einem zweiten Deckenstativ 11 verbunden und kann mit diesem verfahren werden. Das zweite Deckenstativ 11 ist an der Decke 14 angeordnet. Die drei Röntgengitter 4, 5, und 6 sind in der Anordnung nach 1 mit einem Bodenstativ 12 verbunden. Das Bodenstativ 12 steht auf dem Boden 15. Die Röntgengitter 4, 5 und 6 können ebenfalls bewegt werden.
In der Anordnung nach 2 sind der Röntgenstrahler 3 und die drei Röntgengitter 4, 5 und 6 gemeinsam an dem zweiten Deckenstativ 11 befestigt und können mit diesem verfahren werden. Der Röntgenstrahler 3, der Röntgendetektor 9 und die drei Röntgengitter 4, 5 und 6 sind in der Anordnung nach 3 an einem C-Bogen 13 bewegbar angeordnet. Der C-Bogen 13 ist mit dem Bodenstativ 12 auf dem Boden 15 angeordnet.
Bei allen beispielhaften Ausführungen gemäß der 1 bis 3 sind nicht dargestellte Positionsmarkierungselemente an einem der Röntgengitter 4, 5 oder 6 und der Patientenliege 7 angebracht. Die Positionsmarkierungselemente werden vom Röntgenstrahlenfächer des Röntgenstrahlers 3 durchstrahlt und sind in den vom Röntgendetektor 9 erfassten Röntgenbildern (Absorptionsbild und/oder Dunkelfeldbild und/oder Phasenkontrastbild) sichtbar. Mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware können die Abstände der Positionsmarkierungselemente zueinander bestimmt werden. Dadurch kann eine genaue Erfassung der relativen Lage des Objekts auf der Patientenliege 7 in Bezug auf die Röntgengitter 4, 5 und 6, d.h. in Bezug auf den Röntgenstrahlenfächer, erfolgen. Mechanische Messhilfen zur Positionsbestimmung können so entfallen. Die Positionsmarkierungselemente dienen somit als Justierhilfen. Mithilfe dieser Vorrichtungen kann eine Genauigkeit von kleiner 0,1 mm erzielt werden. Vorteilhaft ist, dass alle Komponenten der Slot-Scan Vorrichtung relativ zueinander bewegt werden dürfen. Beispielsweise kann auch der Röntgendetektor 9 (bei Anordnungen ohne Streustrahlenraster vor dem Röntgendetektor 9) zusammen mit der Patientenliege 7 bei der Röntgenbildaufnahme verfahren werden, wobei der Röntgenstrahler 3 und die drei Röntgengitter 4, 5 und 6 fest stehen.
In der 4 sind beispielhafte Ausführungsformen des ersten und des zweiten Positionsmarkierungselements 1 und 2 dargestellt. Grundsätzlich können alle ebenen, geometrischen Formen zum Einsatz kommen. Für eine einfache automatische Bildauswertung bieten sich ein Kreuz, ein Kreisring, ein Dreieck mit einem dreieckigen Ausschnitt und ein Kreuz mit zentraler Lücke an. Die Positionsmarkierungselemente 1 und 2 sind etwa 10 bis 500 µm dick und weisen eine maximale Ausdehnung (Durchmesser) zwischen etwa 150 µm und 25 mm auf. Die Stegbreite der Positionsmarkierungselemente 1 und 2 beträgt etwa 30 bis 500 µm bei einer angenommenen Detektorpixelgröße von 50 bis 140 µm.
Für Absorptionssignale kann eine Metallschicht, für Dunkelfeldsignale eine Kalkstaubschicht und für Phasensignale eine Plexiglasschicht verwendet werden. Alle Signalformen lassen sich untereinander kombinieren, wie in dem Kreuz mit zentraler Lücke angedeutet ist. Zwei der vier Kreuzarme sind beispielweise für die Absorption ausgebildet, ein Kreuzarm für das Phasensignal und ein Kreuzarm für das Dunkelfeldsignal.
In 5 ist eine Gitteranordnung mit den drei Röntgengittern 4, 5 und 6 nach einer der 1 bis 3 schematisch dargestellt, wobei das erste Positionsmarkierungselement 1 auf dem zweiten Röntgengitter 5 randständig ausgebildet ist. Bevorzugt liegt das erste Positionsmarkierungselement 1 am Rand des genutzten Strahlengangs. Das erste Positionsmarkierungselement 1 kann auch alternativ auf dem dritten Röntgengitter 6 angeordnet sein.
In 6 ist das Liegenbrett 8 einer Patientenliege 7 für eine Anordnung nach einer der 1 bis 3 dargestellt. In Längsrichtung des Liegenbretts 8 sind die zweiten Positionsmarkierungselemente 2 randständig auf dem Liegenbrett 8 angeordnet. Die zweiten Positionsmarkierungselemente 2 haben zueinander eine Lücke zwischen 1 bis 10 cm. Dadurch wird erreicht, dass immer mindestens ein zweites Positionsmarkierungselement 2 in dem beim Slot-Scan-Verfahren durchstrahlten Bereich zu liegen kommt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: erstes Positionsmarkierungselement
2: zweites Positionsmarkierungselement
3: Röntgenstrahler
4: erstes Gitter
5: zweites Gitter
6: drittes Gitter
7: Patientenliege
8: Liegenbrett
9: Röntgendetektor
10: erstes Deckenstativ
11: zweites Deckenstativ
12: Bodenstativ
13: C-Bogen
14: Decke
15: Boden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1879020 A1 [0004, 0006]
WO 2013/111050 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung zur Slot-Scan Phasenkontrast Röntgenbildgebung, aufweisend einen Röntgenstrahler (3), mehrere Röntgengitter (4, 5, 6), eine Patientenliege (7) und einen Röntgendetektor (9), gekennzeichnet durch: – im Strahlengang des Röntgenstrahlers (3) angeordnete Positionsmarkierungselemente (1, 2), die ausgebildet und angeordnet sind, in einem Röntgenbild sichtbar zu sein, wobei aus der Lage und dem Abstand der Positionsmarkierungselemente (1, 2) in dem Röntgenbild zueinander eine relative Position eines Objekts auf der Patientenliege (7) zu einem Röntgenstrahlenfächer des Röntgenstrahlers (3) ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungselemente (1, 2) ein erstes und ein zweites Positionsmarkierungselement umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Positionsmarkierungselement (1) auf einem der Röntgengitter (4, 5, 6) und das zweite Positionsmarkierungselement (2) auf der Patientenliege (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zweite Positionsmarkierungselemente (2) auf der Oberfläche eines Liegenbretts (8) der Patientenliege (7) in Längsrichtung des Liegenbretts (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – eine Bildverarbeitungseinheit, die ausgebildet und programmiert ist, die Lage und den Abstand der Positionsmarkierungselemente (1, 2) zueinander zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungselemente (1, 2) als ein Kreuz, als ein Kreisring oder als ein Dreieck ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungselemente (1, 2) Bereiche aufweisen, die im Dunkelfeldbild, im Phasenkontrastbild, im Absorptionsbild oder in einer beliegen Kombination dieser sichtbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungselemente (1, 2) eine Schichtdicke von 10 µm bis 500 µm aufweisen und einen Durchmesser von 150 µm bis 25 mm haben.
Verfahren zur Slot-Scan Phasenkontrast Röntgenbildgebung, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von in einem Röntgenbild sichtbaren, im Strahlengang eines Röntgenstrahlers (3) angeordneten Positionsmarkierungselementen (1, 2) aus der Lage und dem Abstand der Positionsmarkierungselemente (1, 2) in dem Röntgenbild zueinander eine relative Position eines zu durchstrahlenden Objekts zu einem Röntgenstrahlenfächer des Röntgenstrahlers ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungselemente (1, 2) ein erstes und ein zweites Positionsmarkierungselement umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Positionsmarkierungselement (1) auf einem Röntgengitter (4, 5, 6) und das zweite Positionsmarkierungselement (2) auf einer das Objekt tragenden Patientenliege (7) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Bildverarbeitungssoftware die Lage und der Abstand des ersten Positionsmarkierungselements (1) zu dem zweiten Positionsmarkierungselement (2) ermittelt werden.