DE10221634B4

DE10221634B4 - Vorrichtung zur örtlichen Modulation eines zweidimensionalen Röntgenstrahlenfeldes und Röntgenbildsystem mit einer solchen Vorrichtung, sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE10221634B4
Application number: DE2002121634
Authority: DE
Inventors: Hartmut Sklebitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: DE10221634A1

Abstract

Vorrichtung zur örtlichen Modulation eines zweidimensionalen Röntgenstrahlenfeldes, mit einer Vielzahl von selbsttragenden flachen Schwächungselementen (2) für Röntgenstrahlung, die matrixartig an einem Träger (4) angeordnet und mit unabhängig voneinander ansteuerbaren Antrieben zwischen zumindest zwei Stellungen schwenk- oder kippbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe piezoelektrische Antriebselemente (3) umfassen, die als einseitig am Träger (4) befestigte, lang gestreckte piezoelektrische Biegeelemente mit einem freien Ende ausgebildet sind, an dem die Schwächungselemente (2) befestigt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur örtlichen Modulation eines zweidimensionalen Röntgenstrahlenfeldes, mit einer Vielzahl von selbsttragenden flachen Schwächungselementen für Röntgenstrahlung, die matrixartig an einem Träger angeordnet und mit unabhängig voneinander ansteuerbaren Antrieben zwischen. zumindest zwei Stellungen schwenk- oder kippbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Röntgenbildsystem mit einer derartigen Modulationsvorrichtung sowie mehrere Verwendungen der Vorrichtung.
Flächenhafte Röntgenbildsysteme werden vor allem in der medizinischen Diagnostik eingesetzt, um Durchleuchtungsbilder des Körperinneren eines Patienten zu erhalten. Der Patient wird hierbei von einem sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zweidimensional erstreckenden Röntgenstrahlenfeld durchstrahlt und die ortsabhängige Schwächung der hinter dem Patienten empfangenen Röntgenstrahlung als Bildinformation dargestellt bzw. ausgewertet. Flächenhafte Röntgenbildsysteme finden dabei neben der herkömmlichen Radiographie auch in der Fluoroskopie sowie in neuerer Zeit auch in sog. Multislice-Systemen in der Computertomographie Anwendung.
Eine wesentliche Rolle bei Anwendungen in der medizinischen Röntgendiagnostik spielt die Strahlendosis, der der Patient sowie das medizinische Personal während der Untersuchung ausgesetzt sind. Durch Verwendung von Bilddetektoren mit einem DQE (Digitale Quanteneffizienz) von nahe 1 sowie digitalen Bildspeichern und Bildverarbeitungstechniken konnte bisher bereits eine deutliche Dosisreduzierung erreicht werden. Der heutige technische Status der Röntgentechnik erlaubt jedoch keine weitere signifikante Senkung der Dosis mit bekannten Mitteln.
Eine Reduktion der applizierten Röntgendosis kann durch Einsatz eines semitransparenten Vorfilters erreicht werden, der zumindest eine zentrale Öffnung für den ungehinderten Durchlass der Röntgenstrahlung aufweist. Durch geeignete Platzierung eines derartigen Filters, wie er bspw. aus der US 5278887 bekannt ist, wird nur der Bereich des Patienten innerhalb des zweidimensionalen Strahlenfeldes mit der erforderlichen Dosis beaufschlagt, der für den Benutzer des Röntgenbildsystems von Interesse ist. Die außerhalb dieses ROI (Region of Interest) liegenden Bereiche im Bild sind dennoch erkennbar, wenn auch mit vermindertem Kontrast. Diese Technik bewirkt zwar eine starke Dosisverringerung in den Randbereichen des Bildes, lässt sich jedoch kaum an unterschiedliche Objektformen und -größen anpassen. Der Einsatz einer Vielzahl von individuell geformten Filtern würde eine voluminöse und teure zusätzliche Vorrichtung erfordern.
Auch bei Einsatz einer derartigen Filtertechnik liegt jedoch bei bestimmten zu befundenden Regionen des Körpers die Dosis lokal um ein Vielfaches höher, als es für einen guten Kontrast erforderlich wäre. Dieses Problem tritt besonders in Körperregionen auf, in denen Bereiche sehr starker Röntgenabsorption und Bereiche sehr schwacher Röntgenabsorption nahe beieinander liegen. Da der diagnostizierende Arzt in der Regel alle Organe eines vorliegenden Röntgenbildes befunden muss, ist die applizierte Röntgendosis so einzustellen, dass für alle im Bild erfassten Objekte ein ausreichender Störabstand erzielt wird. So stellen bspw. in einem ap-Thorax-Röntgenbild die hellsten – intensitätsreichsten – Bildstellen Lungengewebe ohne eine vorgelagerte Rippe dar, während im Mediastinum Wirbelsäule, Herz und Sternum übereinander projiziert werden und somit die dunkelste – intensitätsärmste – Bildregion erzeugen. Bei einem für die Aufnahme eines derartigen Röntgenbildes angenommenen Dynamikbereich im Strahlenfeld hinter dem Patienten von 1:1000 muss somit die 1000fach höhere Dosis für das gesamte Bild appliziert werden, um den dichtesten Bildbereich des Mediastinum noch befunden zu können, als es allein zur Befundung des Lungengewebes erforderlich wäre. Daher ist derzeit eine partielle Dosis-Mehrapplikation in den Bildbereichen mit geringerer Schwächung als an den dunkelsten Bildstellen nicht vermeidbar. Dadurch bedingt sind auch erhöhte Streustrahlenanteile und dadurch ein höheres Bildrauschen besonders in dunklen Bildteilen.
Aus einem Bereich der Röntgenbildtechnik, in dem eindimensionale Strahlenfelder in Form von fächerförmig aufgeweiteten Röntgenstrahlen zur Durchleuchtung eingesetzt werden, wie bspw. in der herkömmlichen Computertomographie, sind Vorrichtungen zur örtlichen Modulation des Strahlenfeldes bekannt, die zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem Patienten positioniert werden. Bei diesen Vorrichtungen werden in der Regel zungenförmige Schwächungselemente in Form eines eindimensionalen Arrays entsprechend der eindimensionalen Erstreckung des Strahlenfeldes angeordnet. Die Schwächungselemente sind über separate Antriebe unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass einzelne Abschnitte bzw. Kanäle des eindimensionalen Strahlenfeldes unabhängig voneinander durch Einbringung der Schwächungselemente geschwächt bzw. moduliert werden können. Eine derartige Vorrichtung ist bspw. aus der US 5044007 bekannt, bei der die zungenförmig ausgebildeten Schwächungselemente kippbar angeordnet sind und über ihre Antriebe in das Strahlenfeld gekippt werden können. Die Ansteuerung der einzelnen Antriebe erfolgt in Abhängigkeit von der nach Durchstrahlung des zu untersuchenden Körpers aus dem Körper austretenden Röntgenstrahlung, bezogen auf den jeweiligen mit dem Schwächungselement beeinflussbaren Kanal. Auf diese Weise lässt sich die für einen ausreichenden Kontrast erforderliche Strahlendosis lokal auf den jeweils notwendigen Wert reduzieren, so dass sich insgesamt eine verringerte Strahlenbelastung für den Patienten ergibt.
Ähnliche Vorrichtungen sind aus der US 5054048 , der EP 0251407 B1 sowie der US 4715056 bekannt. In der US 5054048 sind die Schwächungselemente als Schiebeelemente ausgestaltet, die über einen Schiebemechanismus mit einem elektromechanischen Antrieb in den Strahl bzw. aus dem Strahl gefahren werden. Die Schwächungselemente sind hierbei keilförmig ausgestaltet, so dass durch eine Verschiebung senkrecht zur Strahlrichtung unterschiedliche Schwächungsgrade erreicht werden können.
Die EP 0251407 B1 gibt einen Hinweis auf den Einsatz von flachen Schwächungselementen aus einem piezoelektrischen Material, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen zwei Positionen kippbar sind.
Aus der US 4715056 ist eine weitere eindimensionale Schwächungsvorrichtung bekannt, bei der ebenfalls kipp- bzw. schwenkbar angeordnete flache Schwächungselemente aus einem piezoelektrischen Material gebildet sind und durch Anlegen einer elektrischen Spannung in den Strahlengang gebogen werden können. Diese Druckschrift offenbart weiterhin die Möglichkeit des elektromagnetischen Antriebs sowie des Antriebs durch einen Schrittmotor.
Diese in den vorgenannten Druckschriften beschriebenen Vorrichtungen zur Schwächung eines eindimensionalen Strahlenfeldes lassen sich jedoch aufgrund ihrer Ausgestaltung mit den in der Regeln seitlich angeordneten Antrieben nicht ohne Weiteres auf flächenhafte Röntgenbildsysteme mit zweidimensionalen Strahlenfeldern übertragen, da die Antriebseinheiten im zweidimensionalen Strahlenfeld liegen würden.
Im deutschen Gebrauchsmuster 91 09 028 ist eine Strahlenschwächungsvorrichtung für zweidimensionale Röntgenstrahlenfelder beschrieben, bei der in einer Matrix aus Absorptionszellen zungenförmige Schwächungselemente aus strahlenabsorbierendem Material vorgesehen sind, die mit ihrem freien Ende zur Abschattung der Strahlung auslenkbar sind. Der Antrieb der einzelnen Schwächungselemente erfolgt über elektrostatische Ablenkkräfte. Allerdings ist bei diesem Antriebsprinzip die Zeit zur Betätigung der Schwächungselemente relativ lang, weil die einsetzbaren maximalen Spannungen aufgrund der Überschlagsgefahr in der Zelle und der Zuleitung limitiert sind. Weiterhin ist es regeltechnisch kompliziert, die Position der Schwächungselemente in einer Zwischenstellung stabil zu halten, da die auf die Schwächungselemente wirkenden Kräfte mit dem Quadrat der angelegten Spannung variieren, während sich die zugehörigen Rückstell-Federkräfte linear mit dem Auslenkungswinkel ändern. Die Mechanik für diese Vorrichtung ist zudem kompliziert und nur mit großem Aufwand herstellbar.
Im deutschen Gebrauchsmuster 94 09 376 ist eine weitere Vorrichtung zur örtlichen Modulation des zweidimensionalen Strahlenfeldes eines flächenhaften Röntgenbildsystems bekannt, die eine Vielzahl von selbsttragenden, als Kippspiegel ausgebildeten Schwächungselementen für Röntgenstrahlung aufweist, die matrixartig an einem Träger angeordnet und mit unabhängig voneinander ansteuerbaren Antrieben zwischen zwei Stellungen kippbar sind. Die Ansteuerung erfolgt auch hier elektrostatisch über das Halbleiter-Trägersubstrat. Eine derartige, aus dem Gebiet digitaler Bildprojektoren bekannte Kippspiegelanordnung lässt jedoch wiederum lediglich zwei Stellungen der Kippspiegel zu. Weiterhin lässt sich ein derartiges System bisher nicht in der Praxis einsetzen, da die Röntgenstrahlungs-Empfindlichkeit der erforderlichen Bauelemente noch zu hoch ist.
Ein weiterer Ansatz zur örtlichen Modulation eines zweidimensionalen Röntgenstrahlenfeldes nutzt Röntgen-Absorbermaterial in einer Suspension, die sich durch den Einfluss von Elektrophorese in Richtung elektrisch angesteuerter Elektroden bewegen lässt. Magneto-Rheologische oder elektro-rheologische Flüssigkeiten wurden in diesem Zusammenhang bereits eingesetzt. Bei dieser Technik muss jedoch eine relativ langsame Verstell-Zeit des Modulators in Kauf genommen werden, da die Beweglichkeit einer Flüssigkeit unter den realisierbaren elektrischen Feldstärken begrenzt ist. Ein weiteres Problem stellt die unbekannte Lebensdauer der Flüssigkeiten bei den im Strahlenfeld auftretenden hohen Dosiswerten dar (vgl.
US 5559853 sowie US 5878111 ).

Die DE 197 15 226 A1 betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur hochgenauen Mikropositionierung, mit der Objekte translatorisch und/oder rotatorisch bewegt sowie hoch aufgelöst positioniert werden können. Das Ausführungsbeispiel dieser Druckschrift zeigt hierzu eine Anordnung von drei Piezostellelementen, mit der eine Platte in sechs Freiheitsgraden bewegt, insbesondere auch verkippt werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur örtlichen Modulation eines zweidimensionalen Strahlenfeldes in einem flächenhaften Röntgenbildsystem anzugeben, die eine große Modulationstiefe bei schneller Reaktionszeit ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 13 gibt ein Röntgenbildsystem mit einer derartigen Vorrichtung an. Weitere Verwendungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 20 – 24 angeführt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Röntgenbildsystems sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorliegende Vorrichtung weist eine Vielzahl von selbsttragenden flachen Schwächungselementen für Röntgenstrahlung auf, die matrixartig an einem Träger angeordnet und mit unabhängig voneinander ansteuerbaren Antrieben zwischen zumindest zwei Stellungen schwenk- oder kippbar sind. Bei der vorliegenden Vorrichtung umfassen die Antriebe piezoelektrische Antriebselemente, die mit den Schwächungselementen in Verbin dung stehen. Unter einem selbsttragenden Schwächungselement ist hierbei ein Bauteil zu verstehen, das im Gegensatz zu einer einfachen Schicht stabil ist und sich ohne weitere Unterstützung frei im Raum anordnen und bewegen lässt.

Die Antriebselemente sind gemäß einer Alternative als einseitig auf einem Träger befestigte lang gestreckte piezoelektrische Elemente, sog. Bieger, ausgestaltet, an deren freiem Ende die Schwächungselemente befestigt sind. In einer weiteren Alternative ist der Träger ein von parallel zueinander verlaufenden oder auf den Fokus einer Röntgenquelle ausgerichteten Durchgangskanälen durchzogenes Substrat, in denen die Schwächungselemente angeordnet sind. Die Schwächungselemente sollten hierbei derart innerhalb der Durchgangskanäle kipp- oder schwenkbar angeordnet sein, dass sie diese in einer Stellung vollständig verschließen. Als Antriebselemente können in diesem Fall für jedes Schwächungselement zwei Piezo-Stapel-Aktoren vorgesehen sein, die an jeweils einer Hauptfläche der Schwächungselemente gegeneinander versetzt angreifen und mit der Innenwandung der Durchgangsöffnung verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung können die Schwächungselemente bei Ansteuerung der Antriebselemente um eine zentrale Achse gekippt werden.

Hintergrund der vorliegenden Erfindung – wie auch einiger der Vorrichtungen des Standes der Technik – ist die Erkenntnis, dass die örtliche Verteilung des Strahlenfeldes vor dem Durchtritt durch den Körper des Patienten abgesehen von Störeffekten praktisch homogen ist, während durch die Absorptionsverhältnisse des Patientenkörpers bedingt, der Dynamikbereich im Strahlenfeld unmittelbar vor dem Röntgendetektor bis zu 1:1000 oder größer betragen kann. Mit der vorliegenden Vorrichtung soll eine weitere Dosisreduzierung dadurch erreicht werden, dass innerhalb des zweidimensionalen Strahlenfeldes vor dem Durchtritt durch den Körper örtlich jeweils nur so viel Dosis appliziert wird, dass an dieser Stelle noch eine für einen guten Kontrast gerade ausreichende Intensität auf den Röntgendetektor auftrifft. So ermöglicht die vorliegende Vorrichtung eine schnelle, adaptive, Bildinhaltgesteuerte örtliche Strahlenschwächung im zweidimensionalen Strahlenfeld vor dem Patientenkörper. Selbstverständlich muss das dabei erhaltene Bildsignal des Röntgendetektors vor einer Weiterverarbeitung oder der Anzeige entsprechend der eingestellten örtlichen Transparenz der als Strahlenschwächer arbeitenden Vorrichtung korrigiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann mit der vorliegenden Vorrichtung bei geeigneter Ansteuerung auch eine Dynamikerhöhung im Röntgenbild erzielt werden.

Die mit der Vorrichtung erreichbare Dosisreduktion beruht darauf, dass durch gesteuertes Schwenken oder Kippen der einzelnen Schwächungselemente innerhalb ihres jeweiligen Matrixbereiches, im Folgenden auch als Strahlenkanal oder Zelle bezeichnet, in jeder Bildregion individuell nur so viel Dosis appliziert wird, wie dort zur Erzielung eines genügend hohen Störabstandes erforderlich ist. Bezogen auf das eingangs genannte Beispiel eines ap-Thorax-Röntgenbildes bedeutet dies, dass in Lungengewebe ohne vorgelagerte Rippe enthaltenden Bereichen eine um den Faktor 1000 geringere Röntgendosis appliziert wird als in den Bereichen des Mediastinum.

Durch die Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung mit piezoelektrischen Antrieben wird eine sehr schnelle Reaktions zeit bei der Modulation der Röntgenstrahlung erreicht. Die aus einem Röntgenstrahlung stark absorbierendem Material gebildeten Schwächungselemente können durch geeignete Anordnung relativ zu den piezoelektrischen Antriebselementen, mit denen sie in Verbindung stehen, einen großen Bewegungshub in sehr kurzer Zeit durchführen. Als Schwächungselemente können hierbei bspw. flache Metallstäbe oder Metallplatten, bspw. aus Wolfram, eingesetzt werden. Als Antriebselemente eignen sich bspw. Piezo-Stapel-Aktoren oder piezoelektrisch betätigte Bieger, mit denen die Schwächungselemente jeweils in Verbindung stehen bzw. verbunden sind.

Die Schwächungselemente sind in ihrer Nullstellung, in der sie die Röntgenstrahlung innerhalb der Zelle bzw. des Strahlenkanals am geringsten schwächen, mit ihrer Längsachse auf den Fokus der Röntgenquelle des Röntgenbildsystems ausgerichtet, in dem sie zum Einsatz kommen. Durch eine Ansteuerung der Antriebe werden diese Schwächungselemente dann innerhalb ihrer Zelle verkippt, so dass sie einen größeren Teil der Zellenfläche einnehmen. Durch die matrixartige Anordnung der einzelnen Schwächungselemente entsteht eine Matrix steuerbarer Strahlen-Kanäle. Die Matrix muss hierbei bei weitem nicht so fein unterteilt sein wie die Matrix des flächenhaften Röntgendetektors in dem Röntgenbildsystem. Durch die Nähe der Schwächungselemente zum Fokus der Röntgenquelle bilden sich diese gewollt unscharf am Röntgendetektor ab. Es ist vorteilhaft, wenn sich die abschattende Wirkung jeweils benachbarter Schwächungselemente am Röntgendetektor teilweise überlagert, da auf diese Weise eine örtlich gleichmäßigere Abschattung entsteht. Die Steuerung des Quantenflusses der Röntgenstrahlung in jedem Strahlenkanal erfolgt durch die Variation des Neigungs- bzw. Kippwinkels der Schwächungselemente mittels der Piezoaktoren. Wenn das Schwächungselement mit seiner Längsachse exakt auf den Fokus der Röntgenquelle ausgerichtet ist, beträgt die Absorption im betrachteten Strahlenkanal ein Minimum. In dieser Stellung wird der Maximalwert der Strahlung in diesem Kanal durchgelassen. Wenn das Schwächungsele ment durch den Piezoaktor maximal geschwenkt bzw. gekippt wird, erfolgt die Strahlenschwächung in einem größeren Bereich des betrachteten Strahlenkanals. So wird durch eine Verkippung des Schwächungselementes von 5° gegenüber der Nullstellung eine für die Absorption der Röntgenstrahlung im betrachteten Kanalbereich wirksame Dicke des Schwächungselementes erhalten, die dem 11,43-fachen der Dicke des Schwächungselementes entspricht. Dies ergibt bei einer Dicke von bspw. 125 μm eine für die Schwächung der Röntgenstrahlung wirksame Dicke von 1,5 mm. Als Schwächungsfaktor wird hieraus bei einer Röntgenspannung von 50 bis 80 keV eine Quantenfluss-Änderung > 10^–13im Falle eines Schwächungselementes aus Wolfram erhalten. Eine hohe absorbierende Wirkung dieser Projektionen des Schwächungselementes ist Voraussetzung dafür, dass tatsächlich eine Modulation des Strahlenfeldes stattfindet und nicht eine mehr oder weniger große Aufhärtung des Strahlungsspektrums.

Als Träger für die Antriebselemente wird vorzugsweise ein Material verwendet, das die zu modulierende Röntgenstrahlung _ möglichst wenig absorbiert. Hierfür bieten sich insbesondere Materialien aus Kunststoff oder aus Metallen mit einer geringen Kernladungszahl an.

Das vorliegende Röntgenbildsystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur örtlichen Modulation des zweidimensionalen Strahlenfeldes besteht in bekannter Weise aus einer Röntgenquelle und einem auf der gegenüberliegenden Seite eines Untersuchungsvolumens liegenden flächenhaften Röntgenbilddetektor. Die vorliegende Vorrichtung wird auf der der Röntgenquelle nahen Seite des Untersuchungsvolumens im Strahlengang der Röntgenstrahlung angeordnet. Weiterhin umfasst das Röntgenbildsystem eine Steuerung zur Ansteuerung der Antriebe der Vorrichtung, vorzugsweise in Abhängigkeit von der auf den Röntgendetektor örtlich auftreffenden Röntgenstrahlung. Mit dieser Steuerung können die Schwächungselemente elektronisch in Abhängigkeit von der lokal empfangenen Röntgenstrahlung bzw. vom Bildinhalt in der Weise gesteuert werden, dass eine Einebnung des Kontrastes bewirkt wird. In hellen Partien werden die Schwächungselemente hierbei durch partielle Kippung auf einen reduzierten Quantenfluss gestellt. Die dadurch bewirkte Kontrastverringerung kann für die Bildwiedergabe elektronisch, bspw. durch digitale Nachverarbeitung, ausgeglichen werden, wobei die effektive Wirkung der Schwächungselemente in jedem Kanal mit einem geeigneten Bilddetektor erfasst und/oder aus der Ansteuerspannung der piezoelektrischen Antriebselemente abgeleitet werden kann. Hierzu wird für jeden Bildpunkt des Röntgendetektors der Amplituden-Istwert mit dem zuvor gemessenen Schwächungsfaktor an diesem Bildpunkt multipliziert. Dieser Schwächungsfaktor kann sich auch aus der abschattenden Wirkung mehrerer Schwächungselemente zusammensetzen, da sich diese abschattende Wirkung durch die der Röntgenquelle nahe Anordnung der Schwächungselemente zum Teil am Röntgendetektor überlagern kann.

In einer Ausgestaltung kann die aktuelle Stellung der Schwächungselemente statt durch Messung des Quantenflusses auch durch eine optische Kontrolleinrichtung erfasst werden, die durch die Vorrichtung hindurch tretendes Licht kanalabhängig detektiert.

Die vorliegende Vorrichtung lässt sich für unterschiedliche Aufgaben im Bereich der Röntgenbildtechnik einsetzen. So ist es zur Kontrastverbesserung bei einigen Röntgenbildsystemen erforderlich, das Strahlenfeld möglichst gut an die Objektform anzupassen. Dies gilt besonders bei RBV-basierten Bildsystemen, bei denen Überstrahlungen einen negativen Einfluss auf den Kontrast haben. Die Anpassung des Strahlenfeldes an die Objektform ist bisher mit Zeitaufwand, Bedienaufwand und zusätzlicher Dosisapplikation verbunden. Mit der vorliegenden Vorrichtung lässt sich eine Strahlenblende realisieren, die sich auf einfache und schnelle Weise an die Objektform anpassen lässt. Hierzu ist lediglich ein einziger Röntgenschuss als Niedrigdosis-Applikation erforderlich, um die Anpassung vornehmen zu können. Die Strahlenkanäle außerhalb der mit der Niedrigdosis-Applikation gemessenen bzw. vorgebbaren Objektform werden mit den Schwächungselementen vollständig verschlossen, während die innerhalb der Objektform liegenden Strahlenkanäle bei dieser Anwendung vollständig geöffnet bleiben.

In einer weiteren Anwendung kann die vorliegende Vorrichtung zur Dosisverringerung, Dynamikerhöhung und/oder Verbesserung der Bildqualität bei Radiographieaufnahmen oder DSA dienen. Bei dieser Anwendung wird der von einem zweidimensionalen Röntgendetektor, z. B. einem FD, mit schneller Abtastrate ermittelte Quantenfluss im Wirkungsbereich der einzelnen Schwächer der Vorrichtung während des ersten Teils der Belichtung von einer Steuereinheit erfasst und zur Einstellung der Schwächung der individuellen Kanäle verwendet. Bildstellen hoher Intensität erhalten bei der Weiterbelichtung durch Reduzierung der Transparenz mittels der Strahlenschwächer im zweiten Teil der Belichtung weniger oder keine weiteren Quanten, während an dunklen intensitätsarmen Bildstellen die Schwächungselemente auf höchste Transparenz eingestellt bleiben. Durch die schnelle Dreh- bzw. Kippbarkeit der Schwächungselemente lässt sich diese Anwendung in Echtzeit durchführen.

Die Schwächungsstärke der einzelnen Kanäle wird gleichzeitig erfasst und einer digitalen Bildverarbeitung zugeführt, die den Kontrast über das gesamte vom Röntgendetektor erhaltene Bild normalisiert. Für die Erfassung der Strahlenschwächung bzw. der Stellung der einzelnen Strahlenschwächer kann bspw. eine optische Messeinrichtung eingesetzt werden, wie sie in einem der Ausführungsbeispiele nachfolgend erläutert wird. Selbstverständlich lässt sich die Bildaufnahme auch unter Einfügen von kurzen Prescans niedriger Dosis durchführen, in denen jeweils die Daten für die Ansteuerung der Schwächungselemente erhalten werden.

Bei dieser Anwendung der vorliegenden Vorrichtung wird in relativ transparenten Bildregionen signifikant weniger Röntgendosis appliziert. Der Faktor der erreichbaren Dosisreduktion ist objektabhängig und kann im Einzelfall mehr als den Faktor 10 betragen. Bei der Durchführung der Anwendung mit Hilfe zusätzlicher Prescans kann das mit dem Prescan akquirierte Bild in das Endbild integriert werden, so dass alle applizierten Röntgenquanten zum Endbild beitragen. Die Reaktionszeit der einzelnen Strahlenschwächer muss für diese Anwendung schnell genug und die Abtastrate des Röntgendetektors relativ hoch sein. Als Reaktionszeit der Strahlenschwächer können Werte von 100 ms bis zu 100 μs erreicht werden. Die Schwächungselemente arbeiten hierbei nur im Ein/Aus-Modus, d. h. ohne Nutzung von Zwischenstellungen.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Vorrichtung in der medizinischen Diagnostik betrifft die Dosisverringerung, Dynamikerhöhung und/oder Verbesserung der Bildqualität bei der Fluoroskopie. Bei dieser Applikation kann die Transparenz der vorausgehenden Bilder als Grundlage für die Einstellung der einzelnen Schwächungselemente der Vorrichtung verwendet werden. Da sich der Bildinhalt aufeinander folgender Bilder in der Fluoroskopie meist nur wenig unterscheidet, können auch relativ langsam reagierende Systeme aus Schwächungs- und Antriebselementen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der vorliegenden Vorrichtung bei RBV-basierten Systemen, da die Absenkung der Spitzenhelligkeit in einer signifikanten Fläche des RBV-Eingangsschirmes dem Kontrast im Ausgangsbild zu Gute kommt. Durch zusätzliche Reduktion von Streustrahlung bei Einsatz der vorliegenden Vorrichtung ergibt sich außerdem ein rauschärmeres Bild. Auch in diesem Fall werden die ggf. zwischengespeicherten Daten der Strahlenschwächung, d. h. Dauer, Ort und Grad der Schwächung, einer digitalen Bildverarbeitung zugeführt, welche den Kontrast über das gesamte Bild normalisiert. Bei dieser Anwendung arbeiten die Schwächungselemente vorteilhaft auch in Zwischenstellungen, die aufgrund der Information der vorausgehenden Bilder optimal wählbar sind.

Eine weitere Möglichkeit des Einsatzes der vorliegenden Vorrichtung besteht in einer Dosisverringerung durch Foveabezogene Dosisverteilung in der Fluoroskopie. Die Fähigkeit des menschlichen Auges, Kontrast- und Auflösungsdetails eines Bildes ohne Bewegung des Augapfels zu erkennen, ist von der Lage der Fovea, dem örtlichen Sehzentrum des Auges, in Relation zu den dargestellten Bilddetails abhängig. Die maximal erkennbare Ortsauflösung im Sehzentrum beträgt in etwa das rund 2000-fache der Blickfeld-Randbereiche. Ähnliches gilt für die Kontrastauflösung. Daher ist eine signifikante Dosiseinsparung ohne subjektiven Bildqualitätsverlust möglich, wenn im Durchleuchtungsbetrieb des Röntgenbildsystems die unverminderte Dosis nur im Fovea-Bereich appliziert und abhängig vom Intensitäts-Schwächungsgrad der Kontrast in den Randbereichen digital angehoben wird. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, die zeitliche Übertragungsfunktion in den Berei chen außerhalb der Fovea abzusenken, um das Quantenrauschen in diesen Bereichen niedrig zu halten. Letztere Maßnahme nutzt aus, dass die Fähigkeit der Augen zur Erkennung zeitlicher Fluktuationen mit dem Abstand vom Sehzentrum steigt. Diese Applikation setzt voraus, dass die Blickrichtung der das Röntgenbild betrachtenden Person, insbesondere des untersuchenden Arztes, in Echtzeit erfasst wird. Hierfür sind bereits Geräte, sog. Okulographen, bekannt, die die momentane Blickrichtung einer Person erfassen. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Betrachter eines Bildes in der Fluoroskopie mit einem optimalen Bild zu versorgen, die verschiedene Blickrichtungen haben dürfen. In diesem Fall werden die Blickrichtungsdaten aller Betrachter zur Steuerung der Schwächungselemente eingesetzt und die Kontrastanhebung entsprechend der aktuellen Strahlenschwächung durchgeführt.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Vorrichtung stellen Multislice-CT-Systeme dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen CT-Systemen mit einzeiliger Bilderfassung geht der Entwicklungstrend heutzutage in Richtung flächenhafter CT-Systeme. Hierbei werden von flächenhaften zweidimensionalen Röntgendetektorarrays akquirierte bis zu 256 CT-Scheiben gleichzeitig aufgenommen. Die vorliegende Vorrichtung lässt sich in einem derartigen zweidimensionalen Strahlungsfeld ebenso einsetzen, wie dies im Zusammenhang mit den Fluoroskopieanwendungen bereits erläutert wurde. Durch die kontinuierliche Rotation von Röntgendetektor und Brennfleck der Röntgenröhre ändern sich die Absorptionsdaten jedoch kontinuierlich. Die Änderung ist jedoch aus den Daten der jeweils vorangehenden Bilder des Sinogramms eingeschränkt vorhersehbar, so dass die jeweilige Stellung der Schwächungselemente mit einer geeigneten Vorhersage-Elektronik festgelegt werden kann. Eine derartige Vorhersage-Elektronik geht in der einfachsten Version von der Annahme aus, dass sich die registrierten Translationen der Bildsignale in den vorausgehenden Bildern im Sinogramm weiter fortsetzen. Dadurch ist es möglich, die gleichen Strategien bei der Ansteuerung der Schwä chungselemente einzusetzen, wie dies zur Dosisverringerung, Dynamikerhöhung und/oder Verbesserung der Bildqualität im Zusammenhang mit der Fluoroskopie bereits erläutert wurde. Da beim Start der Anwendung jedoch noch keine vorangehenden Bilddaten vorliegen, kann in diesem Fall eine Startbedingung bspw. mit einem einmaligen Prescan mit reduzierter Dosis erhalten werden. Durch den Einsatz der vorliegenden Vorrichtung bei derartigen CT-Geräten ergibt sich auch hier eine signifikante Dosisreduktion sowie eine verbesserte Bildqualität aufgrund verringerter Streustrahlenintensität.

Die vorliegende Vorrichtung und das zugehörige Röntgenbildsystem werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Teils einer beispielhaften Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß 1 im Ausschnitt;
3 die beispielhafte Vorrichtung gemäß den 1 und 2 zusammen mit einer Einrichtung zur Erfassung der Stellung der Schwächungselemente;
4 eine weitere beispielhafte Ausgestaltung einer Zelle der vorliegenden Vorrichtung;
5 eine weitere beispielhafte Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht;
6 schematisch drei Schwächungselemente gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht, die sich in Nullstellung befinden;
7 die Ausgestaltung gemäß 6 in einer ausgelenkten Stellung der Schwächungselemente; und
8 ein Beispiel für eine Ausgestaltung eines Röntgenbildsystems unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt schematisch einen stark vergrößerten Ausschnitt aus einer Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung, wie sie im zweidimensionalen Röntgenfeld eines Röntgenbildsystems angeordnet wird. Die Vorrichtung 1 besteht aus einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Schwächungselementen 2 die über piezoelektrische Antriebe 3 mit einem Trägersubstrat 4 verbunden sind. Das Trägersubstrat 4 weist in diesem Beispiel eine Vielzahl von Durchgangskanälen 5 auf, an deren Wandungen die in diesem Beispiel als Piezo-Stapel-Aktoren ausgebildeten Antriebselemente 3 befestigt sind. Sowohl die die Wandungen bildenden Stege 6 des Trägers 4, durch die eine Vielzahl von Durchgangskanälen 5 als Zellen festgelegt werden, als auch die Schwächungselemente 2 selbst sind in Ruhestellung auf den Brennfleck 7 der Röntgenröhre ausgerichtet, wie dies in der Ansicht der 1 zu erkennen ist. Die Oberfläche des Trägers 4 kann selbstverständlich anstatt in der gezeigten ebenen Form auch in Form einer Kugeloberfläche ausgebildet sein, so dass die vom Brennfleck 7 ausgehenden Röntgenstrahlen an jedem Ort senkrecht auf diese Oberfläche auftreffen. Die Schwächungselemente 2 sind als flache Paddel oder Platten aus Wolfram ausgeführt und können mittels der jeweiligen Piezo-Aktoren 3 um die virtuelle Drehachse 8 gekippt werden. Die für jedes einzelne Paddel 2 zuständigen Aktoren 3 werden so innerhalb des Kanals 5 angeordnet, dass sie in gleicher Richtung arbeiten. Sie dehnen sich gleichzeitig aus oder ziehen sich gleichzeitig zusammen, wenn eine entsprechende Spannung angelegt wird. In der mittleren Zelle der 1 ist die ausgelenkte Position des Paddels 2 gestrichelt dargestellt. In dieser verkippten Stellung wird die maximal mögliche Schwächung der Röntgenstrahlung in der Zelle erreicht. Durch Ansteuerung der Piezo-Aktoren 3 mit geringerer Spannung lassen sich auch beliebige Zwischenstellungen realisieren. In der Nullstellung der Schwächungselemente, wie sie mit den durchgezogenen Linien veranschaulicht ist, wird der maximal mögliche Anteil der Röntgenstrahlung durch die vorliegende Vorrichtung hindurch gelassen. Das Material des Trägers 4 kann dabei so gewählt sein, dass es entweder Röntgenstrahlung sehr stark oder sehr schwach absorbiert. Im ersten Fall muss dabei immer ein fester Anteil an Schwächung der Röntgenstrahlung in Kauf genommen werden, während im zweiten Fall die Röntgenstrahlung durch die Vorrichtung in der dargestellten Ausführungsform nicht vollständig blockiert werden kann.
Vorzugsweise sind die Paddel 2 an ihren Endflächen derart angeschrägt, dass sie flächig an die Wandungen der Stege 6 anschlagen, wie dies aus der 1 ersichtlich ist. Durch diese Ausgestaltung wird die Röntgenstrahlung bei ausgelenktem Paddel 2 im Durchlasskanal 5 optimal geschwächt.
Durch die Ansteuerung der Aktoren 3 zum Betrieb in gleicher Richtung lässt sich eine einfache gemeinsame Kontaktierung von der Wandung der Stege 6 aus realisieren. Das Paddel 2 muss in diesem Fall nicht extra kontaktiert werden. Die Kontaktierung der Piezo-Aktoren 3 kann in diesem Beispiel leicht realisiert werden, indem dünne metallische Leiterbahnen parallel oder in mehreren Lagen auf einer Seite des Trägers 4 auf den Stegen 6 zum Rand der Vorrichtung geführt werden, während eine gemeinsame Elektrode auf der entgegengesetzten Oberfläche des Trägers 4 ausgebildet wird. Die brennfleckseitig ausgerichtete Oberfläche des Trägers 4 trägt hierbei vorzugsweise die gemeinsame Elektrode, während die dem Brennfleck 7 abgewandte Seite des Trägers 4 die einzelnen Leiterbahnen trägt, da auf dieser Seite ein größerer Leiterbahnquerschnitt erreicht werden kann.
Als piezoelektrische Aktoren 3 kommen bei der vorliegenden Vorrichtung in dieser wie auch in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen besonders Multilayer-Keramiken zum Einsatz, weil diese den vielfachen Hub einschichtiger Keramiken erzeugen. Um die Anforderungen an den Keramikhub bei der vorliegenden Ausführungsform zu reduzieren, sollten die Aktoren 3 möglichst nahe an der Drehachse 8 angreifen, so dass ein kleiner Hub durch die Hebelwirkung eine große Verstellung der Paddel 2 bewirkt.
Die vorliegende Vorrichtung weist eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Schwächungselementen 2 auf, die in den entsprechenden Durchgangskanälen 5 des Trägers 4 angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Matrix von steuerbaren Absorptionszellen 9 gebildet, wie sie in einem Ausschnitt in Draufsicht in der 2 zu erkennen ist. Die Figur zeigt die Stege des Trägers 4, die die Durchgangskanäle 5 begrenzen. Innerhalb der Durchgangskanäle 5 sind die paddelförmigen Schwächungselemente 2 zu erkennen, die über die Piezo-Aktoren 3 mit den Wandungen des Trägers 4 verbunden sind. Die Schwächungselemente 2 werden in diesem Beispiel lediglich durch die Aktoren 3 gehalten.
Eine derartige Vorrichtung lässt sich mit jeder gewünschten Anzahl von Absorptionszellen 9 realisieren. So kann bspw. eine Matrix aus 10 × 10 oder auch aus 100 × 100 derartiger Absorptionszellen bereitgestellt werden. Da eine bestimmte Wandstärke der Stege 6 des Trägers 4 für die Stabilität der Vorrichtung erforderlich ist, kann es auch vorteilhaft sein, zwei oder mehr derartiger Vorrichtungen in Strahlrichtung hintereinander anzuordnen. Durch die auf diese Weise erhaltenen mehreren Schwächungsebenen wird ein höherer räumlicher Modulationsbereich des Strahlenprofils erreicht. Eine besonders günstige Anordnung entsteht dann, wenn die Kanäle 5 zweier hintereinander liegender Ebenen den gleich großen quadratischen Raumwinkel des Brennflecks 7 der Röntgenröhre beeinflussen und so angeordnet sind, dass eine Ebene die weißen Felder eines gedachten Schachbrettmusters beeinflusst und die andere Ebene die schwarzen Felder.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Matrix der Absorptionszellen 9 derart innerhalb des Röntgenbildystems angeordnet, dass sie zur Bildmatrix des Röntgendetektors gedreht ist.
Die einzelnen Schwächungselemente 2 der vorliegenden Vorrichtung werden elektronisch in Abhängigkeit vom Bildinhalt in der Weise gesteuert, dass eine Einebnung des Kontrastes im Röntgenbild bewirkt wird. In hellen Bildpartien werden die Strahlenschwächer 2 auf verringerten Quantenfluss, d. h. stärkere Schwächung gestellt, während in dunklen Bildbereichen die Nullstellung beibehalten wird. Die dadurch bewirkte Kontrastverringerung auf der Seite des Röntgendetektors muss für die Bildwiedergabe elektronisch ausgeglichen werden. Im Beispiel der 3 wird hierfür die effektive Wirkung der Schwächungselemente 2 mit einem gesonderten Bilddetektor 10 gemessen. Hierbei wird eine optische Messeinrichtung eingesetzt, die aus einem relativ für Röntgenstrahlen transparenten, diffusen Lichtreflektor 11 besteht. Dieser Lichtreflektor 11 wird möglichst homogen mit einer oder mehreren Lichtquellen 14 beleuchtet. Das Bild der Schwächungsvorrichtung 1 wird optisch an einem Spiegel 12 gespiegelt und über ein Linsensystem 13 dem Bilddetektor 10 zugeführt. Dieser Bilddetektor kann bspw. ein Photodiodenarray (PDA) oder ein CCD- oder CMOS-Bildsensor mit genügend hoher zeitlicher Auflösung sein. Der diffuse Lichtreflektor 11 kann bspw. aus Papier oder einer mit Farbe versehenen Metallfolie bestehen oder ein flächenhafter Lichtleiter sein, aus dem Licht ausgekoppelt wird, welches am Rand eingestrahlt wird. Der Spiegel 12 kann wiederum in Form einer Metallfolie realisiert sein. Durch diese optische Abbildung kann jederzeit die Winkelstellung der Schwächungselemente 2 mit dem Bilddetektor 10 erfasst und für eine Normierung des Röntgenbildes herangezogen werden. Dazu wird für jeden Bildpunkt der Amplituden-Istwert mit dem zuvor gemessenen Schwächungsfaktor an diesem Bildpunkt multipliziert.
Die Winkelstellung der Schwächungselemente kann u. U. (wenn auch mit reduzierter Genauigkeit wegen Hystereseeffekten in der Piezo-Keramik) aus der Ansteuerspannung der Piezo-Aktoren 3 abgeleitet werden. Auch in diesem Fall muss der jeweiligen Spannung vorab ein Schwächungsfaktor zugeordnet werden.
Die 4 und 5 zeigen weitere Ausgestaltungen der Schwächungselemente bzw. deren Anordnung innerhalb der Absorptionszellen. 4 zeigt wiederum in Seitenansicht eine stark vergrößerte Darstellung einer Absorptionszelle 9 mit einem darin angeordneten Paddel 2 und den zugehörigen Piezo-Aktoren 3. In diesem Beispiel sind die Paddel 2 gegenüber der Ausführungsform der 1 verlängert ausgeführt, so dass sie in der ausgelenkten Stellung auch die benachbarten Stege 6 mit überdecken. Die oberen Enden dieser Stege 6 sind entsprechend abgeflacht und die Enden der Paddel 2 an die Ausrichtung der Stege 6 angepasst, wie dies aus der 4 ersichtlich ist. Im ausgelenkten Zustand reichen die Paddel 2 somit bis zur Grenze des Nachbarkanals, so dass auch die Stege 6 voll abgedeckt sind. Das erhöht die maximale Abschattung in diesem Kanal erheblich, wobei die Stege 6 aus für Röntgenstrahlung transparentem Material gebildet sein können.
5 zeigt schließlich die Vorrichtung der 4 nochmals ausschnittsweise in Draufsicht. Bei dieser Ausgestaltung sind die Drehachsen 8 jeweils benachbarter Absorptionszellen 9 um 90° zueinander gedreht. Auf diese Weise kann im Zusammenhang mit der Oberdeckung der dazwischen liegenden Stege 6 durch die Paddel 2 eine nahezu vollständige Abschattung des Strahlenfeldes erzielt werden.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung ist in den 6 und 7 dargestellt. In den Figuren sind hierbei jeweils nur drei Schwächungselemente 2 in Seitenansicht dargestellt, obwohl diese selbstverständlich in größerer Anzahl in der vorliegenden Vorrichtung eingesetzt werden. Die 6 zeigt hierbei die Anordnung von Schwächungselementen 2 auf einem in diesem Beispiel ebenen Trägersubstrat 4 aus einem für Röntgenstrahlen transparenten Material, bspw. aus Kunststoff. Selbstverständlich kann der Träger 4 auch hier kugelförmig ausgeführt sein, so dass die vom Brennfleck 7 der Röntgenröhre eintreffenden Strahlen immer senkrecht auf die Trägeroberfläche auftreffen. In der vorliegenden Ausgestaltung sind die piezoelektrischen Elemente 3 als Biegeaktoren ausgeführt, die in Richtung des Brennflecks 7 ausgerichtet stehend auf dem Trägersubstrat 4 angeordnet sind. Dieses Biegeaktoren 3 sind vorzugsweise zungenförmig oder stabförmig ausgebildet. An den freien Enden dieser Aktoren 3 sind die flachen Schwächungselemente 2 befestigt, die auch in diesem Beispiel aus Wolfram bestehen und vorzugsweise Paddel- oder Plattenform aufweisen. Die Verbindung zwischen den Biegeaktoren 3 und den selbsttragenden Schwächungselementen 2 kann durch Kleben, Pressen oder Löten realisiert sein und erfolgt nur in einem Endbereich der Biegeaktoren 3, der in der Figur mit dem Bezugszeichen F angedeutet ist. Jedes Schwächungselement 2 bedient auch hier einen Absorptionskanal der Vorrichtung. Die Kontaktierung der Biegeaktoren 3 erfolgt an einer oder beiden Oberflächen des Trägersubstrates 4, ähnlich wie dies bereits in Verbindung mit den 1 – 3 erläutert wurde. Die 6 zeigt hierbei die Nullstellung der Schwächungselemente 2, bei der diese auf den Fokus 7 der Röntgenröhre ausgerichtet sind.
Bei einer Ansteuerung der piezoelektrischen Biegeaktoren 3 werden die Schwächungselemente 2 im Strahlengang der Röntgenstrahlung gekippt, wie dies anhand der 7 ersichtlich ist. Bei dieser Darstellung wird die gesamte Strahlung durch die Schwächungselemente 2 absorbiert. Die matrixförmige Anordnung dieser Schwächungselemente erfolgt in gleicher Weise, wie bereits in Verbindung mit den vorangehenden Figuren er läutert wurde. Im vorliegenden Fall sind jedoch keine Durchgangskanäle im Trägersubstrat 4 erforderlich, da die piezoelektrischen Biegeaktoren 3 mit den mit ihnen verbundenen Schwächungselementen 2 direkt auf der Oberfläche des Substrates 4 angeordnet sind.
Eine derartige Vorrichtung wie auch die der vorangehenden Ausführungsbeispiele, lässt sich sehr vorteilhaft mit auf Stereolithographie basierenden Techniken herstellen. Dabei sind keine Werkzeuge oder Formen erforderlich, da Änderungen sowie der Aufbau dieser Vorrichtungen auf Softwareebene realisiert werden können. Das Trägersubstrat 4 besteht in diesem Fall aus einem Polymermaterial, wobei auf die Verwendung möglichst strahlenresistenter Polymere geachtet werden muss, um eine akzeptable Lebensdauer der Vorrichtung zu erreichen. Ein weiterer Vorteil der Technik der Stereolithographie zur Herstellung der vorliegenden Vorrichtung besteht darin, dass die Stege einer Ausführungsform gemäß der 1 nur dort verstärkt gebildet werden können, wo dies aus Stabilitätsgründen erforderlich ist. Dadurch werden die unerwünschte Grundabsorption der Vorrichtung sowie eine unerwünschte Strahlenaufhärtung durch den Kunststoffkörper so gering wie möglich gehalten.
Selbstverständlich können auch die einzelnen Schwächungselemente 2 zusätzliche Verstärkungen aufweisen, die das Widerstandsmoment erhöhen. Derartige Verstärkungen bspw. Randverstärkungen der plattenförmigen Schwächungselemente, sollten dann aus nur gering die Röntgenstrahlung absorbierenden Materialien, bspw. aus Be, gebildet sein.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, die vorliegende Vorrichtung in einem entsprechenden gasdichten Gehäuse aus für Röntgenstrahlung transparentem Material anzuordnen. In diesem Fall kann durch einen geringen Gasdruck innerhalb dieses Gehäuses und/oder durch Einbringen eines Gasvolumens geringer Masse, bspw. Helium oder Wasserstoff, die Reaktionszeit der einzelnen Schwächungselemente erhöht werden. Eine Erhöhung der Schaltzeiten der einzelnen Schwächungselemente kann auch dadurch erreicht werden, dass die piezoelektrischen Antriebselemente bei der Ansteuerung mit einer erhöhten Anfangsspannung betrieben werden.
8 zeigt schließlich beispielhaft ein Röntgenbildsystem, in dem die vorliegende Vorrichtung eingesetzt wird. Bei diesem System erfolgt die Steuerung der Schwächungselemente 2 der vorliegenden Vorrichtung 1 nach der im Detektorausgangssignal ermittelten Intensitätsverteilung im Objekt, dem Patienten 18. Die Figur zeigt den Hochspannungsgenerator 15 für den Betrieb der Röntgenröhre 16. Zwischen der Röntgenröhre 16 und dem Röntgenbilddetektor 19 ist der Patient 18 angeordnet, der von den Röntgenstrahlen durchstrahlt wird. Auf der röntgenröhrennahen Seite ist eine übliche Strahlenblende 17 zur Eingrenzung des Strahlenfeldes sowie die erfindungsgemäße Modulationsvorrichtung 1 angeordnet. Die vom Detektor 19 empfangene Intensitätsverteilung innerhalb des Bildes wird von einer Detektorelektronik 20 ausgewertet. Bei Erkennung von hellen Bildstellen werden die Schwächungselemente über eine entsprechende Steuerung 21 Zellen- bzw. Kanal-selektiv angesteuert, um die Dosis in den zugehörigen Strahlenkanälen zu reduzieren. Mit einer geeigneten Messeinrichtung 22 wird schließlich die Stellung der einzelnen Schwächungselemente innerhalb der Vorrichtung 1 in Echtzeit erfasst und aufbereitet, um die kanalabhängige Schwächung über einen Speicher 23 einer digitalen Bildnachverarbeitung 24 zur Verfügung zu stellen. In dem Speicher 23 wird der Istwert der aktuellen Schwächerstellungen in seinem zeitlichen Verlauf gespeichert. Auf diese Weise kann für alle Bildpunkte die applizierte Dosis errechnet werden. Daraus ist der Wert zur exakten Wiederherstellung (Normalisierung) der Kontrastwerte für die Bild-Darstellung des Röntgenbildes auf dem Bildschirm 25 ableitbar, die von einer digitalen Bildnachverarbeitungs-Elektronik 24 ausgeführt wird. Das Bildsignal von Bildpunkten, welche bedingt durch die Stellung der Schwächungselemente weniger Quanten erhielten als andere, bei denen die Schwächungselemente voll geöffnet, d.h. in Nullstellung waren, wird entsprechend der errechneten Reduktion des Quantenflusses verstärkt, also im Kontrast angehoben. Auf diese Weise ergibt sich der gewünschte homogene Bildeindruck. Die erfassten Ist-Werte der Stellungen der Schwächungselemente können auch gleichzeitig der Schwächersteuerung 21 zugeführt werden, um auf diese Weise eine geeignete Regelschleife zu bilden.
Mit der vorliegenden Vorrichtung wird ein reaktionsschneller zweidimensionaler Strahlenschwächer realisiert, der eine weitere signifikante Dosisreduktion für flächenhafte Röntgenbildsysteme ermöglicht. Ein wesentliches Merkmal ist die Verwendung von piezoelektrischen Aktoren zur Verkippung von Schwächungselementen, die auf oder in einem geeigneten Substrat gelagert sind. Zur Erzeugung eines zweidimensionalen Schwächers wird ein Array von getrennt steuerbaren Kanälen gebildet, deren Wirkung sich in vorteilhafter Weise teilweise überlappen kann. Die Vorrichtung wird so angesteuert, dass sie die objektabhängige Intensitätsvariation zwischen Patienten und Bilddetektor einebnet. Mit digitaler Bildverarbeitung werden die Amplitudenwerte der Bildsignale vor der Anzeige oder der Weiterverarbeitung wieder normalisiert. Die damit erreichbare Dosisreduktion beruht darauf, dass normalerweise bei den gegebenen Absorptionsunterschieden im Röntgenbild den transparenten Bildregionen die gleich hohe Dosis appliziert wird, die eigentlich nur für Diagnosefähigkeit der Dichte von Bildstellen erforderlich ist. Durch den vorliegenden adaptiven Strahlenschwächer wird in jeder Bildregion individuell nur so viel Dosis appliziert, wie dort zur Erzielung eines genügend hohen Streuabstandes erforderlich ist. Die Vorrichtung lässt sich vor allem für adaptive, objektabhängige Strahleneinblendung, in der digitalen Radiographie, in der Fluoroskopie und auch in CT-Multislice-Systemen einsetzen. Die Vorrichtung kann auch zur Erhöhung des Dynamikbereiches eines flächenhaften Röntgenbilddetektors verwendet werden.

Claims

Vorrichtung zur örtlichen Modulation eines zweidimensionalen Röntgenstrahlenfeldes, mit einer Vielzahl von selbsttragenden flachen Schwächungselementen (2) für Röntgenstrahlung, die matrixartig an einem Träger (4) angeordnet und mit unabhängig voneinander ansteuerbaren Antrieben zwischen zumindest zwei Stellungen schwenk- oder kippbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe piezoelektrische Antriebselemente (3) umfassen, die als einseitig am Träger (4) befestigte, lang gestreckte piezoelektrische Biegeelemente mit einem freien Ende ausgebildet sind, an dem die Schwächungselemente (2) befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwächungselemente (2) zumindest annähernd parallel zu den lang gestreckten Biegeelementen an diesen befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) ein für Röntgenstrahlung transparentes Substrat ist.
Vorrichtung zur örtlichen Modulation eines zweidimensionalen Röntgenstrahlenfeldes, mit einer Vielzahl von selbsttragenden flachen Schwächungselementen (2) für Röntgenstrahlung, die matrixartig an einem Träger (4) angeordnet und mit unabhängig voneinander ansteuerbaren Antrieben zwischen zumindest zwei Stellungen schwenk- oder kippbar sind, wobei der Träger (4) ein von Durchgangskanälen (5) durchzogenes Substrat ist, die parallel zueinander verlaufen oder auf einen Fokus (7) ausgerichtet sind und in denen die Schwächungselemente (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe piezoelektrische Antriebselemente (3) umfassen, die mit den Schwächungselementen (2) in Verbindung stehen, wobei zwei gegenüberliegende Hauptflächen der Schwächungselemente (2) gegeneinander versetzt mit jeweils einem von einer Innenwandung der Durchgangskanäle (5) ausgehenden Antriebselement (3) verbunden sind, über die das Schwächungselement (2) um eine zentrale Achse (8) kippbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwächungselemente (2) derart innerhalb der Durchgangskanäle (5) kipp- oder schwenkbar angeordnet sind, dass sie die Durchgangskanäle (5) in einer Stellung vollständig verschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (3) Piezo-Stapel-Aktoren sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Ränder der Schwächungselemente (2), die in einer Stellung der Schwächungselemente (2) mit einer Innenwandung der Durchgangskanäle (5) in Berührung kommen, derart ausgebildet sind, dass sie in dieser Stellung flächig an der Innenwandung anliegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kipp- bzw. Schwenkrichtung jeweils benachbarter Schwächungselemente (2) senkrecht zueinander gewählt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwächungselemente (2) plattenförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwächungselemente (2) aus einem metallischen Material hoher Kernladungszahl gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) mit den Schwächungselementen (2) von einem gasdichten Gehäuse aus für Röntgenstrahlung transparentem Material umschlossen ist, in dem ein relativ zu Atmosphärendruck geringer Gasdruck herrscht und/oder ein Gasvolumen mit im Vergleich zu einem Luftvolumen geringer Masse eingeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwächungselemente (2) mit lokalen Verstärkungen ausgebildet sind.
Röntgenbildsystem mit einem auf einer Seite eines Untersuchungsvolumens angeordneten flächenhaften Röntgendetektor (19), einer Röntgenquelle (16) zur Emission von Röntgenstrahlung in Richtung des Röntgendetektors (19), die auf einer dem Röntgendetektor (19) gegenüberliegenden Seite des Untersuchungsvolumens angeordnet ist, einer auf einer der Röntgenquelle (16) nahen Seite des Untersuchungsvolumens zwischen der Röntgenquelle (16) und dem Röntgendetektor (19) angeordneten Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einer Steuerung (21) zur voneinander unabhängigen Ansteuerung der Antriebe (3) der Vorrichtung (1).
Röntgenbildsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (22) zur Erfassung der Stellung der Schwächungselemente (2) der Vorrichtung (1) und/oder zur Erfassung eines durch die Stellung der Schwächungselemente (2) hervorgerufenen ortsabhängigen Schwächungsfaktors sowie eine Bildverarbeitungseinrichtung (24) vorgesehen sind, die vom Röntgendetektor (19) erfasste Röntgenstrahlung auf Basis des ortsabhängigen Schwächungsfaktors normiert.
Röntgenbildsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (22) zur Erfassung der Stellung der Schwächungselemente (2) eine optische Messanordnung ist, die durch die Vorrichtung (1) hindurch tretendes Licht ortsabhängig erfasst.
Röntgenbildsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (21) zur voneinander unabhängigen Ansteuerung der Antriebe (3) der Vorrichtung (1) in Abhängigkeit von auf den Röntgendetektor (19) auftretender Röntgenstrahlung ausgebildet ist.
Röntgenbildsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (21) zur Erzielung einer maximalen Dynamik in einer mit dem Röntgenbildsystem erhaltenen Bildaufnahme ausgebildet ist.
Röntgenbildsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (21) mit einer Einrichtung zur Erfassung der momentanen Blickrichtung eines oder mehrerer Benutzer verbunden und zur Erzielung einer minimalen Dosisapplikation im Blickbereich des Benutzers in einer mit dem Röntgenbildsystem erhaltenen Bildaufnahme ausgebildet ist.
Röntgenbildsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) derart angeordnet ist, das ein durch die Schwächungselemente (2) vorgegebenes erstes rechtwinkliges Raster relativ zu einem durch Bildelemente des Röntgende tektors (19) vorgegebenen zweiten rechtwinkligen Raster gedreht ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als variable Strahlenblende zur Anpassung des Strahlenfeldes eines Röntgenbildsystems an die Form eines zu untersuchenden Objektes (18), bei der Schwächungselemente (2) von Kanälen (5) außerhalb eines interessierenden Bereiches des Objektes (18) in eine maximal absorbierende Stellung und Schwächungselemente (2) von Kanälen (5) innerhalb des interessierenden Bereiches in eine minimal absorbierende Stellung gebracht werden.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Dosisverringerung, Dynamikerhöhung und/oder Verbesserung der Bildqualität bei Radiographieaufnahmen oder DSA mit einem Röntgenbildsystem, bei der ein von einem zweidimensionalen Röntgendetektor (19) des Röntgenbildsystems erfasster Quantenfluss im Wirkungsbereich der einzelnen Schwächungselemente (2) erfasst und zur Einstellung der Schwächung individueller Kanäle (5, 9) während der Aufnahme verwendet wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Dosisverringerung, Dynamikerhöhung und/oder Verbesserung der Bildqualität bei der Fluoroskopie mit einem Röntgenbildsystem, bei der eine Transparenzverteilung vorausgehender Fluoroskopie-Bilder als Grundlage für die Einstellung der einzelnen Schwächungselemente (2) herangezogen wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Dosisverringerung durch Fovea-bezogene Dosisverteilung in der Fluoroskopie mit einem Röntgenbildsystem, bei der die Blickrichtung eines das Röntgenbild betrachtenden Benutzers in Echtzeit erfasst und unverminderte Röntgenstrahlung nur im Fovea-Bereich appliziert wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Dosisverringerung, Dynamikerhöhung und/oder Verbesserung der Bildqualität in Multislice-CT-Systemen, bei der aus Daten jeweils vorangehenden Bilder eines Sinogramms die jeweilige Stellung der Schwächungselemente (2) bei der Aufnahme eines aktuellen Bildes festgelegt wird.