DE102015212369A1

DE102015212369A1 - Method and device for the selective detection and quantification of contrast agents

Info

Publication number: DE102015212369A1
Application number: DE102015212369.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Flohr; Johannes Georg KORPORAAL; Bernhard Krauss; Bernhard Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2016-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven Detektierung und Quantifizierung von Kontrastmitteln, mit einem multi-Energie Computertomographen, der für eine Aufzeichnung von zwei Computertomographie-Aufnahmen des Körpermaterials bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung ausgebildet ist. Mit der Erfindung ist es möglich, Kontrastmittel auf Nanopartikel-Basis, wie Gold oder Eisen, auch in niedrigen Konzentrationen zu detektieren und zu quantifizieren.The invention relates to an apparatus and a method for the selective detection and quantification of contrast agents, with a multi-energy computer tomograph, which is designed for recording two computed tomography images of the body material with different spectral distribution of the X-radiation. The invention makes it possible to detect and quantify nanoparticle-based contrast agents, such as gold or iron, even in low concentrations.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven Detektierung und Quantifizierung von Kontrastmittel, mit einem multi-Energie Computertomographen, der für eine Aufzeichnung von mehreren Computertomographie-Aufnahmen eines Körpermaterials bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung ausgebildet ist. The invention relates to an apparatus and a method for the selective detection and quantification of contrast agents, with a multi-energy computer tomograph, which is designed for recording multiple computed tomography images of a body material with different spectral distribution of the X-radiation.

Die Detektierung und Quantifizierung neuartiger Kontrastmittel in der Computertomographie (kurz: CT) ist ein wachsendes klinisches Forschungsgebiet. Insbesondere Nanopartikel auf Basis von Gold (Kurzzeichen: Au) oder Eisen (Kurzzeichen: Fe) sind potentiell interessant für die gezielte CT-Bildgebung des Herzens, um sogenannte vulnerable Plaques identifizieren zu können. Als vulnerables Plaque werden Plaque bezeichnet, welche ein erhöhtes Risiko für thrombotische Komplikationen wie Schlaganfälle oder Myokardinfarkte aufweisen. Besonders schnell wachsende Plaques werden ebenfalls als vulnerabel bezeichnet. Ein Kriterium für ein vulnerables Plaque ist eine Entzündung innerhalb des Plaques. Dabei wird das Plaque durch Makrophagen oder T-Zellen infiltriert. Nanopartikel auf der Basis von Gold lagern sich insbesondere gezielt in Makrophagen und damit auch an vulnerable Plaques an. The detection and quantification of novel contrast agents in computed tomography (CT for short) is a growing area of clinical research. In particular, nanoparticles based on gold (abbreviation: Au) or iron (abbreviation: Fe) are potentially of interest for targeted CT imaging of the heart in order to be able to identify so-called vulnerable plaques. Vulnerable plaques are plaques that are at increased risk for thrombotic complications such as strokes or myocardial infarction. Particularly fast-growing plaques are also referred to as vulnerable. One criterion for vulnerable plaque is inflammation within the plaque. The plaque is infiltrated by macrophages or T cells. Nanoparticles based on gold deposit specifically in macrophages and thus also on vulnerable plaques.

Derzeit können Nanopartikel basierend auf Gold oder Eisen in geringer Konzentration mit einem herkömmlichen Computertomograhiegerät nicht detektiert oder quantifiziert werden. Das liegt daran, dass die K-Kante dieser Elemente bei hohen Energien im Bereich der Energie der verwendeten Röntgenstrahlung liegt. Die K-Kante von Gold liegt bei 80.7keV. In CT-Scans mit in der medizinischen CT kommen üblicher Weise Röntgenröhren als Röntgenquellen zum Einsatz. Bei üblichen Röhrenspannungen von z.B. 80kV, 100kV, 120kV oder 140kV hat Gold bei allen Röhrenspannungen etwa die gleiche Röntgenabsorption und als Folge etwa den gleichen CT-Wert in CT-Bildern. Currently, nanoparticles based on gold or iron in low concentration can not be detected or quantified with a conventional computer tomography device. This is because the K-edge of these elements at high energies is in the range of the energy of the X-ray used. The K-edge of gold is 80.7keV. In CT scans with medical CT, X-ray tubes are commonly used as X-ray sources. At usual tube voltages of e.g. 80kV, 100kV, 120kV, or 140kV has approximately the same X-ray absorption at all tube voltages and, as a result, approximately the same CT value in CT images.

Bei dem in der CT gängigen Kontrastmittel Jod ist das anders, da Jod aufgrund seiner K-Kante bei 33keV bei niedrigen Röhrenspannungen von z.B. 80kV eine viel höhere Röntgenabsorption aufweist als bei hohen Röhrenspannungen von z.B. 140kV. Die charakteristische Änderung der CT-Werte bei einer Änderung der Röhrenspannung von 140kV zu 80kV macht es einfach Jod anhand dieser Änderung der CT-Werte in sogenannten multi-Energie CT-Bildern eindeutig zu identifizieren. Bei der multi-Energie CT werden Röntgenspektren mit unterschiedlichen Maximal-Energien emittiert. Die unterschiedlichen Maximal-Energien können sowohl durch eine einzelne Röntgenquelle als auch durch zwei verschiedene Röntgenquellen erzeugt werden. Bei der multi-Energie CT können Bilder des gleichen Aufnahmebereiches insbesondere gleichzeitig durch Röntgenspektren mit unterschiedlichen Maximal-Energien aufgenommen werden. This is different in contrast agent iodine, which is common on CT, because iodine, due to its K-edge at 33 keV at low tube voltages of e.g. 80kV has much higher x-ray absorption than at high tube voltages of e.g. 140 kV. The characteristic change in CT values with a change in tube voltage from 140kV to 80kV makes it easy to unambiguously identify iodine from this change in CT values in so-called multi-energy CT images. In the multi-energy CT X-ray spectra are emitted with different maximum energies. The different maximum energies can be generated by a single X-ray source as well as by two different X-ray sources. In the case of the multi-energy CT, images of the same recording area can be recorded in particular simultaneously by X-ray spectra with different maximum energies.

Gold jedoch zeigt keine Änderung des CT-Werts als Funktion der Röhrenspannung bei üblichen in der medizinischen CT verwendeten Röntgenspektren. Gold verhält sich unter diesen Bedingungen so ähnlich wie Wasser oder Weichteilgewebe und kann deshalb in geringen Konzentrationen nicht von diesen immer im Körper vorkommenden Substanzen unterschieden werden. However, gold shows no change in CT value as a function of tube voltage for standard X-ray spectrums used in medical CT. Gold behaves similarly to water or soft tissue under these conditions and therefore can not be differentiated from these substances that are always present in the body at low concentrations.

Bisher gibt es keine kommerziell erhältlichen Computertomographiegeräte, die in der Lage sind, dieses Problem zu lösen. In der Forschung wurde versucht, die K-Kanten Bildgebung zu benutzen, um Gold (oder andere schwere Elemente wie Eisen) in der Gegenwart anderer Substanzen zu detektieren und zu quantifizieren, z.B. mit experimentellen multi-Energie Computertomographiegeräten basierend auf photonenzählenden Detektoren. Multi-Energie fähige Computertomographiegeräte mit photonenzählenden Detektoren haben nach dem Stand der Technik aber Nachteile wie einen geringen maximalen Photonenfluss der Röntgenröhre und eine klinisch nicht voll taugliche Bildqualität. So far, there are no commercially available computed tomography devices that are able to solve this problem. Research has attempted to use K-edge imaging to detect and quantify gold (or other heavy elements such as iron) in the presence of other substances, e.g. with experimental multi-energy computed tomography devices based on photon counting detectors. However, multi-energy computed tomography devices with photon counting detectors have disadvantages such as a low maximum photon flux of the X-ray tube and a clinically not fully suitable image quality in the prior art.

Es ist Aufgabe der Erfindung Nanopartikel auf Basis von schweren Elementen wie Gold oder Eisen auch in niedrigen Konzentrationen zu detektieren und zu quantifizieren. It is an object of the invention to detect nanoparticles based on heavy elements such as gold or iron even in low concentrations and to quantify.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine multi-Energie Aufnahmetechnik, wie sie z.B. an einem Computertomographiegerät mit zwei Röntgenquellen realisiert werden kann, so modifiziert wird, dass eine gezielte K-Kanten Bildgebung schwerer Elemente möglich ist. Mit der vorgeschlagenen Modifikation ist es möglich, Gold oder andere schwere Elemente in der Gegenwart anderer im Körper eines Patienten vorkommender Substanzen, wie Weichteilgewebe, Wasser, Calcium, oder Jod, eindeutig zu detektieren und zu quantifizieren. Dies kann es ermöglichen, Nanopartikel auf Basis von Gold mit einem multi-Energie Computertomographiegerät auch in geringen Konzentrationen festzustellen und so vulnerable Plaques zu identifizieren – auch bei gleichzeitiger Applikation anderer Kontrastmittel. Außerdem können mit der Erfindung kalzifizierte Anteile in Plaques eindeutig von den vulnerablen Plaques unterschieden werden. This object is achieved in that a multi-energy recording technique, as e.g. can be realized on a computed tomography device with two X-ray sources, is modified so that a targeted K-edge imaging of heavy elements is possible. With the proposed modification, it is possible to clearly detect and quantify gold or other heavy elements in the presence of other substances occurring in the body of a patient, such as soft tissue, water, calcium, or iodine. This can make it possible to detect nanoparticles based on gold with a multi-energy computed tomography device even in low concentrations and thus identify vulnerable plaques - even with simultaneous application of other contrast agents. In addition, calcified fractions in plaques can be clearly distinguished from the vulnerable plaques with the invention.

Die Erfinder schlagen vor, zwei Röntgenspektren eines multi-Energie Computertomographiegeräts so zu modifizieren, dass das eine Röntgenspektrum im wesentlichen Energiebeiträge unterhalb der K-Kante eines schweren Elements (Au oder Fe als Beispiel) hat, das andere Röntgenspektrum im wesentlichen Energiebeiträge oberhalb dieser K-Kante. Das kann technisch realisiert werden durch Verwendung eines Röntgenspektrums mit einer Maximalenergie, die etwas über der K-Kante des gewünschten Elements liegt (bei Gold mit einer K-Kante von 80,7keV also z.B. ein Röntgenspektrum bei 90kV Röhrenspannung), und eines anderen Röntgenspektrums mit einer höheren Maximalenergie, bei der die Energiebeiträge unterhalb der K-Kante des gewünschten Elements durch geeignete Vorfilterung entfernt werden (bei Gold z.B. ein Röntgenspektrum bei 120kV Röhrenspannung mit 0,6mm Zinn-Vorfilterung). Die von einer Röntgenquelle ausgesandten Photonen weisen eine Energieverteilung über einen bestimmten Energiebereich auf. Bei einer Röhrenspannung von 120kV entstehen Photonen mit Energien bis 120keV. Dabei liegt ein großer Teil der Photonen-Energien unterhalb der K-Kante von Gold von 80,7keV. Mittels eines geeigneten Vorfilters aus Metall können die Röntgen-Photonen mit Energien unterhalb der K-Kante herausgefiltert werden, so dass der Durchschnitt der Energien der verbleibenden Photonen oberhalb der K-Kante liegt. Es hat sich gezeigt, dass sich ein Vorfilter aus 0,6 mm starkem Zinn bei Gold als Kontrastmittel besonders gut als Vorfilter eignet. The inventors propose to modify two X-ray spectra of a multi-energy computed tomography device such that one X-ray spectrum has substantially energy contributions below the K-edge of a heavy element (Au or Fe as an example), the other X-ray spectrum essentially energy contributions above this K-edge. Edge. This can be technically realized by using an X-ray spectrum with a maximum energy slightly above the K-edge of the desired element (for gold with a K-edge of 80.7keV, eg an X-ray spectrum at 90kV tube voltage), and another X-ray spectrum a higher maximum energy at which the energy contributions below the K-edge of the desired element are removed by appropriate pre-filtering (for example, an X-ray spectrum at 120kV tube voltage with 0.6mm tin pre-filtering for gold). The photons emitted by an X-ray source have an energy distribution over a certain energy range. At a tube voltage of 120kV, photons with energies up to 120keV are generated. A large part of the photon energies lie below the K edge of 80.7 keV gold. By means of a suitable pre-filter made of metal, the X-ray photons can be filtered out with energies below the K-edge, so that the average of the energies of the remaining photons is above the K-edge. It has been shown that a pre-filter of 0.6 mm tin with gold as a contrast agent is particularly well suited as a pre-filter.

Eine Röntgenquelle mit einer Röhrenspannung von 90kV emittiert Photonen mit Energien bis 90kV. Der Durchschnitt der Energieverteilung liegt dabei deutlich unterhalb der K-Kante von Gold. An X-ray source with a tube voltage of 90kV emits photons with energies up to 90kV. The average energy distribution is well below the K edge of gold.

Zu der Erfindung gehört auch ein multi-Energie Computertomographiegerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Computertomographiegerät kann eine Röntgenquelle, welche Röntgenspektren mit unterschiedlichen Maximal-Energien emittiert. Eine solche Röntgenquelle wird auch als „dualenergy“-Quelle bezeichnet. Eine einzelne Röntgenquelle kann insbesondere durch das sogenannte „kV-Switching“ als „dualenergy“-Quelle ausgebildet sein. Bei dem „kV-Switching“ wird schnell zwischen verschiedenen Röhrenspannungen hin und her geschaltet. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird eine multi-Energie Aufnahme mittels „kV-Switching“ auch als gleichzeitige Aufnahme betrachtet. Das multi-Energie Computertomographiegerät kann auch zwei räumlich getrennte Röntgenquellen aufweisen, welche Röntgenspektren mit unterschiedlichen Maximalenergien emittieren. Erfindungsgemäß liegt der Durchschnitt der Energiebeiträge eines ersten Röntgenspektrums des multi-Energie Computertomographen unterhalb der K-Kante eines Kontrastmittels, und der Durchschnitt der Energiebeiträge eines zweiten Röntgenspektrums des multi-Energie Computertomographen liegt oberhalb der K-Kante des Kontrastmittels. The invention also includes a multi-energy computed tomography device for carrying out the method according to the invention. The computed tomography device can be an X-ray source, which emits X-ray spectra with different maximum energies. Such an X-ray source is also referred to as a "dual energy" source. A single X-ray source can be designed in particular by the so-called "kV-switching" as a "dual energy" source. With the "kV-switching" fast switching between different tube voltages. For the purposes of the present application, a multi-energy recording by means of "kV-switching" is also considered as a simultaneous recording. The multi-energy computed tomography device can also have two spatially separate X-ray sources which emit X-ray spectra with different maximum energies. According to the invention, the average of the energy contributions of a first X-ray spectrum of the multi-energy computer tomograph is below the K edge of a contrast agent, and the average of the energy contributions of a second X-ray spectrum of the multi-energy computed tomography is above the K edge of the contrast agent.

Das erfindungsgemäße Computertomographiegerät kann auf das Kontrastmittel Eisen abgestimmt sein, das heißt der Großteil der Photonenenergien des ersten Röntgenspektrums liegt unterhalb der K-Kante von Eisen und der Großteil der der Photonenenergien des zweiten Röntgenspektrums liegt oberhalb der K-Kante. The computed tomography device according to the invention can be tuned to the contrast agent iron, that is, the majority of the photon energies of the first X-ray spectrum is below the K edge of iron and the majority of the photon energies of the second X-ray spectrum is above the K edge.

Ein Nanopartikel bezeichnen Verbünde von einigen wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Ein Nanopartikel weist typischer Weise einen Kern in der Größe von weniger als 1 Mikrometer auf, vorzugsweise eine Größe von 1 Nanometer bis 100 Nanometer oder eine Größe von 5 Nanometern bis 50 Nanometern oder eine Größe von 1 Nanometer bis 10 Nanometer. Ein Nanopartikel kann lediglich einen Kern aufweisen, welcher beispielsweise aus Gold oder Eisen besteht. Weiterhin kann der Kern eines Nanopartikels aber auch eine Hülle aufweisen, insbesondere um bestimme Funktionen zu erfüllen. Beispielsweise kann ein Nanopartikel eine Hülle aus Polystyren oder einem anderen Kunststoff aufweisen und/oder einen Antikörper oder eine andere funktionell Gruppen aufweisen. Solche Gruppen können insbesondere dazu dienen das Nanopartikel spezifisch zu binden, beispielsweise an einen Krankheitserreger oder eine bestimmte Art von Gewebe. A nanoparticle is a composite of a few to a few thousand atoms or molecules. A nanoparticle typically has a core less than 1 micrometer in size, preferably a size of 1 nanometer to 100 nanometers, or a size of 5 nanometers to 50 nanometers, or a size of 1 nanometer to 10 nanometers. A nanoparticle can only have a core, which consists for example of gold or iron. Furthermore, the core of a nanoparticle but also have a shell, in particular to fulfill certain functions. For example, a nanoparticle may have a shell of polystyrene or another plastic and / or have an antibody or other functional groups. Such groups may in particular serve to specifically bind the nanoparticle, for example to a pathogen or a specific type of tissue.

Alternativ kann das erfindungsgemäße Computertomographiegerät auf das Kontrastmittel Gold abgestimmt sein, das heißt der Großteil der Photonenenergien des ersten Röntgenspektrums liegt unterhalb der K-Kante von Gold und der Großteil der der Photonenenergien des zweiten Röntgenspektrums liegt oberhalb dieser K-Kante. Alternatively, the computed tomography device according to the invention can be tuned to the contrast agent gold, that is, the majority of the photon energies of the first X-ray spectrum is below the K edge of gold and the majority of the photon energies of the second X-ray spectrum is above this K edge.

Die Erfindung ermöglicht die Computertomographie-Aufnahme eines Körpermaterials. Die Computertomographie-Aufnahme bezieht sich also auf die Aufnahme eines Aufnahmebereiches eines Patienten, wobei dem Patienten ein Kontrastmittel zugeführt wurde. Das Kontrastmittel kann insbesondere dem Blutkreislauf des Patienten zugeführt werden. Bei dem Körpermaterial handelt es sich um Material des Körpers des Patienten. So kann es sich bei dem Körpermaterial um Muskelgewebe, Knochen oder ein Organ wie das Herz handeln. The invention enables computed tomography imaging of a body material. The CT scan thus refers to the inclusion of a receiving area of a patient, wherein the patient a contrast agent was supplied. The contrast agent can in particular be supplied to the bloodstream of the patient. The body material is material of the body of the patient. Thus, the body material may be muscle tissue, bone or an organ such as the heart.

Es zeigen: Show it:

1 CT-Werte kleiner Gold-Konzentrationen bei hoher Röhrenspannung als Funktion des CT-Wertes bei niedrigen Röhrenspannungen, 1 CT values of low gold concentrations at high tube voltage as a function of the CT value at low tube voltages,

2 Röntgenspektren mit 90kV Röhrenspannung und 120kV Röhrenspannung sowie mit einem Vorfilter aus 0,6 mm dicken Zinn, sowie die Röntgenschwächung von Jod und Gold, 2 X-ray spectra with 90kV tube voltage and 120kV tube voltage as well as with a pre-filter made of 0.6 mm thick tin, and the X-ray attenuation of iodine and gold,

3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Computertomographiegeräts, 3 a schematic representation of an embodiment of a computed tomography device according to the invention,

4 eine schematische Darstellung einer Röntgenquelle mit Vorfilter. 4 a schematic representation of an X-ray source with pre-filter.

1 zeigt den CT-Wert kleiner Gold-Konzentrationen bei hoher Röhrenspannung als Funktion des CT-Wertes bei niedrigen Röhrenspannungen. Auf der horizontalen sowie der vertikalen Achse sind jeweils einheitenlose CT-Werte aufgetragen. Auf der horizontalen Achse sind die CT-Werte bei einer niedrigen Röhrenspannung von 80kV aufgetragen. Auf der vertikalen Achse sind die CT-Werte bei einer hohen Röhrenspannung von 140kV aufgetragen. Die Messpunkte für die einzelnen CT-Werte werden durch kreisförmige Einträge in 1 dargestellt. Der CT-Wert ist 0 für reines Wasser. Die verschiedenen Messpunkte entsprechen einer wässrigen Suspension mit Nanopartikeln auf Gold-Basis. Dabei variiert die Konzentration der Nanopartikel, welche maximal 10mM beträgt. Mit steigender Konzentration der Nanopartikel steigt auch der CT-Wert an, der Messpunkt rechts oben im 1 entspricht also einer 10mM Suspension. Die Linie entspricht einer Geraden der Steigung 1. 1 zeigt also, dass sich die CT-Werte von wässrigen Suspensionen mit einer Konzentration an Nanopartikeln auf Gold-Basis nahezu linear mit der Konzentration ansteigen, zumindest im Bereich bis maximal 10mM. Daher können Nanopartikel auf Gold-Basis nicht durch die Aufnahme bei unterschiedlichen Röhrenspannungen ohne weitere Filterung von Wasser oder Weichteilgewebe unterschieden werden. 1 shows the CT value of small gold concentrations at high tube voltage as a function of the CT value at low tube voltages. Unit-free CT values are plotted on the horizontal and vertical axes. On the horizontal axis the CT values are plotted at a low tube voltage of 80kV. On the vertical axis the CT values are plotted at a high tube voltage of 140kV. The measurement points for the individual CT values are indicated by circular entries in 1 shown. The CT value is 0 for pure water. The different measurement points correspond to an aqueous suspension with nanoparticles based on gold. The concentration of the nanoparticles, which is a maximum of 10mM, varies. As the concentration of nanoparticles increases, so does the CT value, which is the top right of the measurement point 1 therefore corresponds to a 10mM suspension. The line corresponds to a straight line of the slope 1 , 1 shows that the CT values of aqueous suspensions with a concentration of nanoparticles based on gold increase almost linearly with the concentration, at least in the range up to a maximum of 10 mM. Therefore, gold-based nanoparticles can not be distinguished by uptake at different tube voltages without further filtering of water or soft tissue.

2 zeigt Röntgenspektren mit 90kV Röhrenspannung und 120kV Röhrenspannung sowie mit einem Vorfilter aus 0,6 mm dicken Zinn (Kurzzeichen: Sn), sowie die Röntgenschwächung von Jod und Gold. 2 shows X-ray spectra with 90kV tube voltage and 120kV tube voltage as well as with a pre-filter made of 0.6 mm thick tin (abbreviation: Sn), as well as the X-ray attenuation of iodine and gold.

Das Röntgenspektrum bei einer Röhrenspannung von 90kV ist in 2 mit dem Bezugszeichen 101 versehen. Das Röntgenspektrum bei einer Röhrenspannung von 120kV, gefiltert durch eine 0,6 mm dicken Vorfilter aus Zinn, ist in 2 mit dem Bezugszeichen 102 versehen. Die Röntgenschwächung von Iod ist in 2 mit dem Bezugszeichen 103 versehen. Die Röntgenschwächung von Gold ist in 2 mit dem Bezugszeichen 104 versehen. Die Energiekomponenten des Röntgenspektrums bei einer Röhrenspannung von 90kV liegen größtenteils unterhalb von 80,7keV und damit unter der K-Kante von Gold. Die Energiekomponenten des Röntgenspektrums bei einer Röhrenspannung von 120kV, gefiltert durch einen 0,6 mm dicken Vorfilter aus Zinn, liegen hauptsächlich oberhalb von 80,7keV. Simultane CT-Bildgebung mit diesen beiden Spektren erlaubt die K-Kanten Bildgebung von Gold. Erste Simulationen zeigen, dass der CT-Wert von Gold bei einem Röntgenspektrum bei einer Röhrenspannung von 120kV, gefiltert mit einem 0,6 mm dicken Vorfilter aus Zinn, um 20% höher ist als bei einem Röntgenspektrums bei einer Röhrenspannung von 90kV. Dieser starke Anstieg des CT-Werts bei höheren Röhrenspannungen ist in dieser Anordnung typisch für Gold – oder ein anderes schweres Element, auf das die Spektren wie oben beschrieben optimiert sind – und wird von keinem anderen Material gezeigt. Deshalb kann Gold mit der hier beschriebenen Erfindung auch in kleinen Konzentrationen von Weichteilgewebe oder Wasser oder Jod oder Calcium unterschieden werden. Wasser und Weichteilgewebe hat im Wesentlichen den gleichen CT-Wert bei Röntgenspektren bei unterschiedlichen Röhrenspannungen. Der CT-Wert von Jod und von Knochen ist hingegen bei einem Röntgenspektrums bei einer Röhrenspannung von 90kV deutlich höher als bei einem Röntgenspektrums bei einer Röhrenspannung von 120kV, gefiltert durch einen 0,6 mm dicken Vorfilter aus Zinn. The X-ray spectrum at a tube voltage of 90 kV is in 2 with the reference number 101 Mistake. The X-ray spectrum at a tube voltage of 120 kV, filtered through a 0.6 mm thick prefilter made of tin, is in 2 with the reference number 102 Mistake. The X-ray attenuation of iodine is in 2 with the reference number 103 Mistake. The x-ray attenuation of gold is in 2 with the reference number 104 Mistake. The energy components of the X-ray spectrum at a tube voltage of 90 kV are mostly below 80.7 keV and thus below the K edge of gold. The energy components of the X-ray spectrum at a tube voltage of 120 kV, filtered through a 0.6 mm thick pre-filter made of tin, are mainly above 80.7 keV. Simultaneous CT imaging with these two spectra allows the K-edge imaging of gold. First simulations show that the CT value of gold in an X-ray spectrum at a tube voltage of 120 kV, filtered with a 0.6 mm thick pre-filter made of tin, is 20% higher than with an X-ray spectrum at a tube voltage of 90 kV. This large increase in CT at higher tube voltages in this arrangement is typical of gold - or another heavy element optimized for the spectra as described above - and is not shown by any other material. Therefore, gold can also be distinguished with the invention described herein in small concentrations of soft tissue or water or iodine or calcium. Water and soft tissue has essentially the same CT value in X-ray spectra at different tube voltages. The CT value of iodine and bone, on the other hand, is significantly higher for an X-ray spectrum at a tube voltage of 90kV than for an X-ray spectrum at a tube voltage of 120kV filtered through a 0.6mm thick tin pre-filter.

3 zeigt ein erfindungsgemäßes Computertomographie-System 1. In den hier gezeigten Beispielen liegt ein Patient P bei der Aufnahme von Messdaten auf einer Patientenliege 8. Die Patientenliege 8 ist dazu ausgelegt den Patienten P während einer tomographischen Aufnahme entlang einer Systemachse 9 zu verfahren. Bei der Aufnahme der Messdaten rotieren Röntgenquellen 2, 4 und mit den Röntgenquellen 2, 4 zusammenwirkende Röntgendetektoren 3, 5 um die Systemachse 9. Die Röntgenquellen 2, 4 emittieren dabei Strahlung der Art und Weise, dass diese Strahlung für die Röntgendetektoren 3, 5 grundsätzlich detektierbar ist. Die Strahlung wird durch das jeweilige Untersuchungsobjekt geschwächt, insbesondere durch Absorption und Reflektion der Strahlung. 3 shows a computed tomography system according to the invention 1 , In the examples shown here, a patient P lies on a patient couch when taking measurement data 8th , The patient bed 8th is adapted to the patient P during a tomographic recording along a system axis 9 to proceed. When taking the measurement data, X-ray sources rotate 2 . 4 and with the x-ray sources 2 . 4 cooperating X-ray detectors 3 . 5 around the system axis 9 , The X-ray sources 2 . 4 emit radiation of the kind that this radiation for the X-ray detectors 3 . 5 is basically detectable. The radiation is weakened by the respective examination object, in particular by absorption and reflection of the radiation.

Dadurch ist der hier gezeigte Computertomograph besonders geeignet für Mehrfachenergie-Aufnahmen, bei denen die beiden Röntgenröhren jeweils Röntgenstrahlung mit einem unterschiedlichen Röntgenspektrum emittieren. Die Gantry 6 des Computertomographen kann so ausgebildet sein, dass sie um wenigstens eine Achse senkrecht zur Systemachse 9 kippbar ist. As a result, the computer tomograph shown here is particularly suitable for multiple energy recordings in which the two x-ray tubes each emit x-radiation with a different x-ray spectrum. The gantry 6 The computed tomography device may be designed such that it is at least one axis perpendicular to the system axis 9 is tiltable.

Zusätzlich verfügt das hier dargestellte Computertomographie-System 1 auch über einen Kontrastmittelinjektor 11 zur Injektion von Kontrastmittel in den Blutkreislauf des Patienten P. Dadurch können die Messdaten mittels eines Kontrastmittels derart aufgenommen werden, dass z.B. die Gefäße des Patienten P, in den Bilddaten f mit einem erhöhten Kontrast dargestellt werden können. Weiterhin besteht mit dem Kontrastmittelinjektor 11 auch die Möglichkeit, Perfusionsmessungen durchzuführen. Unter Kontrastmittel werden allgemein solche Mittel verstanden, welche die Darstellung von Strukturen und Funktionen des Körpers bei bildgebenden Verfahren verbessern. Im Rahmen der hier vorliegenden Anmeldung sind unter Kontrastmitteln insbesondere schwere Elemente wie Eisen oder Gold zu verstehen. In addition, the computer tomography system shown here has 1 also via a contrast agent injector 11 for the injection of contrast agent into the blood circulation of the patient P. Thereby, the measurement data can be recorded by means of a contrast agent such that, for example, the vessels of the patient P, can be displayed in the image data f with an increased contrast. Furthermore, there is the contrast agent injector 11 also the possibility to perform perfusion measurements. Contrast agents are generally understood to mean those agents which improve the representation of structures and functions of the body in imaging processes. In the context of the present application, the term "contrast agent" is to be understood in particular to mean heavy elements such as iron or gold.

Weiterhin umfasst ein erfindungsgemäßes Computertomographie-System einen Computer 10, der auch als Workstation bezeichnet wird. Der hier gezeigte Computer 10 ist ausgelegt zur Ansteuerung der einzelnen Einheiten des Computertomograhie-Systems wie z.B. zur Ansteuerung der Patientenliege 8, des Kontrastmittelinjektors 11 und der Röntgenröhre sowie dem Röntgendetektor. Der Computer 10 ist mit einer Ausgabeeinheit sowie einer Eingabeeinheit verbunden. Bei der Ausgabeeinheit handelt es sich beispielsweise um einen (oder mehrere) LCD-, Plasma- oder OLED-Bildschirm(e). Die Ausgabe auf der Ausgabeeinheit umfasst beispielsweise eine graphische Benutzeroberfläche oder die Ausgabe von Bilddaten. Die Eingabeeinheit ist ausgelegt zur Eingabe von Daten wie z.B. Patientendaten sowie zur Eingabe und Auswahl von Parametern für die einzelnen Einheiten des Computertomographie-Systems. Bei der Eingabeeinheit handelt es sich beispielsweise um eine Tastatur, eine Maus, einen sogenannten Touchscreen oder auch um ein Mikrofon zur Spracheingabe. Furthermore, a computed tomography system according to the invention comprises a computer 10 which is also referred to as a workstation. The computer shown here 10 is designed to control the individual units of the computer tomography system such as for controlling the patient bed 8th , the contrast agent injector 11 and the X-ray tube and the X-ray detector. The computer 10 is connected to an output unit and an input unit. The output unit is, for example, one (or more) LCD, plasma or OLED screen (s). The output on the output unit includes, for example, a graphical user interface or the output of image data. The input unit is designed to input data such as patient data as well as to input and select parameters for the individual units of the computed tomography system. The input unit is, for example, a keyboard, a mouse, a so-called touchscreen or even a microphone for voice input.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Röntgensystems mit Vorfilter, wie es in ähnlicher Weise in einem erfindungsgemäßen Computertomographiegerät zum Einsatz kommen könnte. Dieses Röntgensystem weist eine Röntgenröhre mit einem Fokus 22 der Röntgenquelle auf, von dem Röntgenstrahlung in einem Strahlengang 26 ausgesandt wird. Diese Röntgenstrahlung passiert zunächst ein Formfilter 23, wird anschließend durch einen erfindungsgemäßen Vorfilter 21 spektral modifiziert und durch Blenden 24 begrenzt auf einen Detektor 25 gerichtet. Im Strahlenbündel 26 befindet sich bei der Durchführung des Verfahrens ein hier nicht näher dargestellter Patient. Zur Variation des Zusatzfilters können beispielsweise unterschiedlich dicke Filterschichten oder unterschiedliche Filtermaterialien eingesetzt werden. 4 shows a schematic representation of an X-ray system with pre-filter, as it could be used in a similar manner in a computed tomography device according to the invention. This X-ray system has an X-ray tube with a focus 22 the X-ray source, from the X-ray in a beam path 26 is sent out. This X-ray radiation first passes through a mold filter 23 , is subsequently passed through a prefilter according to the invention 21 spectrally modified and by aperture 24 limited to a detector 25 directed. In the beam 26 is in the implementation of the method is not shown here patient. For varying the additional filter, for example, different thickness filter layers or different filter materials can be used.

In den hier gewählten Beispielen ist der Röhrenstrom bei variabler Röhrenspannung konstant. In weiteren hier nicht näher beschriebenen Ausführungsformen kann das Röntgenspektrum ebenfalls durch einen variablen Röhrenstrom beeinflusst werden. In the examples chosen here, the tube current is constant at variable tube voltage. In further embodiments not described in more detail here, the X-ray spectrum can also be influenced by a variable tube current.

Claims

Device for selectively detecting and quantifying contrast media, comprising a multi-energy computer tomograph designed for recording two computed tomography images of a body material with different spectral distribution of the x-ray radiation, characterized in that the average of the energy contributions of a first x-ray spectrum of the multi-energy Energy CT computer below the K edge of a contrast agent, and that the average of the energy contributions of a second X-ray spectrum of the multi-energy computed tomography is above the K edge of the contrast agent.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the distribution of the energy contributions of the first and the second X-ray spectrum of the multi-energy computer tomograph is tuned to the K edge of iron.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the distribution of the energy contributions of the first and the second X-ray spectrum of the multi-energy computer tomograph is tuned to the K-edge of gold.

Apparatus according to claim 1 or 3, characterized in that the first X-ray spectrum is generated with a tube voltage of 90kV.

Device claim 1 or 3, characterized in that the second X-ray spectrum is generated at a tube voltage of 120kV, which is filtered by a tin pre-filter.

A method for the selective detection and quantification of contrast agents, using a multi-energy computed tomography, which is designed for recording two computed tomography images of a body material with different spectral distribution of the X-radiation, characterized in that a first X-ray spectrum of the multi-energy computed tomography so it is chosen that the average of the energy contributions is below the K-edge of a contrast agent, and that a second X-ray spectrum of the multi-energy computed tomography is selected so that the average of the energy contributions is above the K-edge of the contrast agent.

A method according to claim 6, characterized in that the distribution of the energy contributions of the first and the second X-ray spectrum of the multi-energy computer tomograph is tuned to the K edge of iron.

A method according to claim 6, characterized in that the distribution of the energy contributions of the first and the second X-ray spectrum of the multi-energy computer tomograph is tuned to the K edge of gold.

A method according to claim 6 or 8, characterized in that the first X-ray spectrum is generated with a tube voltage of 90kV.

A method according to claim 6, 8 or 9, characterized in that the second X-ray spectrum is generated at a tube voltage of 120 kV, which is filtered by a tin pre-filter.

Multi-energy computed tomography device, comprising an X-ray source which emits X-ray spectra with different maximum energies, characterized in that the average of the energy contributions of a first X-ray spectrum of the multi-energy computed tomography below the K edge of a contrast agent, and that the average of the energy contributions of a second X-ray spectrum of the multi-energy computed tomography is above the K edge of the contrast agent.

Computed tomography device according to claim 11, characterized in that the contrast agent comprises iron, in particular nanoparticles based on iron.

Computed tomography device according to claim 11, characterized in that the contrast agent comprises gold, in particular nanoparticles based on gold.

Computed tomography device according to claim 11 or 13, characterized in that the first X-ray spectrum is generated with a tube voltage of 90kV.

Computed tomography device according to one of claims 11, 13 or 14, characterized in that the second X-ray spectrum is generated at a tube voltage of 120 kV, which is filtered by a tin pre-filter.

X-ray source for a computed tomography device according to one of claims 11 to 15, wherein the X-ray source emits X-ray spectra with different maximum energies, characterized in that the average of the energy contributions of a first X-ray spectrum of the multi-energy computed tomography is below the K edge of a contrast agent, and that the average of the energy contributions of a second X-ray spectrum of the multi-energy computer tomograph lies above the K edge of the contrast agent.