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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Streustrahlenraster, insbesondere für medizinische Röntgeneinrichtungen, das sich aus zahlreichen durch ein Füll- und Trägermaterial voneinander getrennten Absorptionselementen für Röntgenstrahlung zusammensetzt, die annähernd parallel zueinander oder auf einen gemeinsamen Fokus hin ausgerichtet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Streustrahlenrasters.
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In typischen Einsatzgebieten von Röntgendurchstrahlungsverfahren, wie beispielsweise der Röntgeninspektion oder der medizinischen Röntgendiagnostik, spielt die bei der Röntgendurchleuchtung erreichbare Auflösung eine wichtige Rolle. Eine gute Auflösung wird bei Verwendung von Detektor-Arrays mit möglichst eng beieinander liegenden kleinflächigen Detektorelementen sowie einer vor diesen Detektorelementen angeordneten Einrichtung zur engen Begrenzung des Raumwinkels erreicht, unter dem Röntgenstrahlung auf das jeweilige Detektorelement fallen kann. Diese als Streustrahlenraster bekannte Einrichtung lässt im Idealfall nur die auf einer geradlinigen Verbindung zwischen dem Fokus der eingesetzten Röntgenröhre und dem jeweiligen Detektorelement propagierende Röntgenstrahlung passieren und absorbiert Röntgenstrahlung, die aufgrund von Streuung unter einem anderen Winkel einfällt. Die Streustrahlung trägt aufgrund ihrer Entstehungsgeschichte nicht zur Bildinformation bei und führt zu einer deutlichen Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses sowie der erreichbaren Auflösung des Röntgenbildes, falls sie ungeschwächt auf die Detektorelemente auftrifft. Durch den Einsatz geeigneter Streustrahlenraster, die in der Regel auf die geometrischen Verhältnisse der jeweiligen Röntgenanlage, insbesondere der Anordnung der Röntgenröhre und Röntgendetektoren, angepasst sind, lässt sich der Anteil an Streustrahlung, der die Detektorelemente erreicht, deutlich reduzieren, so dass damit in vielen Fällen erst verwertbare Röntgenbilder erhalten werden.
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Streustrahlenraster setzen sich aus zahlreichen durch ein Füll- und Trägermaterial voneinander getrennten Absorptionselementen für Röntgenstrahlung zusammen, die entweder annähernd parallel zueinander oder auf einen gemeinsamen Fokus hin, den Fokus der Röntgenröhre, ausgerichtet sind. Heutzutage werden in Röntgen-CT-Anlagen in der Regel noch Streustrahlenraster eingesetzt, die annähernd parallel zueinander verlaufende oder auf den Röntgenfokus hin ausgerichtete Bleilamellen aufweisen, zwischen denen Papierstreifen als Füll- und Trägermaterial eingebracht sind. In vielen Fällen wird der Abstand der Bleilamellen bei der Fertigung der Streustrahlenraster so eingestellt, dass die Bleilamellen beim Einsatz des Streustrahlenrasters möglichst genau über den Trennsepten der detektorseitigen Leuchtstoff-Arrays liegen. Die Streustrahlenraster müssen daher mechanisch sehr präzise hergestellt werden. Auch die zum Teil realisierte Ausrichtung auf den Fokus der Röntgenröhre erfordert einen aufwendigen Herstellungsprozess. Durch diese hohen Anforderungen an die Präzision verursacht die Fertigung der Streustrahlenraster hohe Kosten. Auch eine zweidimensionale Kollimierung der Röntgenstrahlung, wie sie bei Einsatz von zweidimensionalen Detektor-Arrays erforderlich ist, lässt sich mit derartigen Streustrahlenrastern nicht erreichen.
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Aus der
DE 197 26 846 C1 ist ein Streustrahlenraster bekannt, bei dem der Abstand der hier ebenfalls lamellenförmigen Absorptionselemente, die parallel zueinander ausgerichtet sind, von der Mitte des Rasters kontinuierlich zum Rand hin zunimmt. Gleichzeitig wird die Breite der Absorptionselemente zum Rand hin vergrößert. Durch diese Ausgestaltung des Streustrahlenrasters lässt sich ein über die gesamte Rasterbreite weitgehend einheitliches Absorptionsverhalten realisieren. Allerdings bestehen auch hier hohe Anforderungen an die Präzision der Fertigung.
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Aus der
DE 199 20 301 C2 ist ein weiteres Streustrahlenraster bekannt, bei dem die Absorptionselemente in beabstandeten Reihen bezüglich eines Zentrums im Wesentlichen radial verlaufen. Der Verlauf und die Anordnung der Absorptionselemente werden bei diesem Streustrahlenraster nach einer bestimmten Vorschrift vorgegeben. Als Trägermaterial wird hierbei Silizium eingesetzt, in das entsprechend dem gewünschten Verlauf der Reihen von Absorptionselementen Löcher geätzt sind. In diese Löcher sind stiftförmige Absorptionselemente aus Blei eingesetzt. Auch dieses Streustrahlenraster erfordert die Einhaltung einer sehr hohen Präzision bei der Fertigung, die insbesondere durch die vorgeschlagene Fertigungstechnik mit Silizium als Trägermaterial erreicht wird.
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Die
US 5 263 075 A beschreibt ein Streustrahlenraster, das eine zweidimensionale Kollimierung der einfallenden Röntgenstrahlung erlaubt. Das Streustrahlenraster wird aus einem Glasfaserbündel hergestellt, aus dem einzelne scheibenförmige Abschnitte herausgesägt werden. Die Kerne der einzelnen Glasfasern werden herausgeätzt, so dass kapillarförmige Durchgangskanäle für die Röntgenstrahlung entstehen. Das Glasmaterial wird anschließend noch mit bis zu 60% Blei in Form von Bleioxid dotiert, so dass eine erhöhte Röntgenabsorption außerhalb der Durchgangskanäle erreicht wird. Durch die hierbei erforderlichen Ätz- und Dotierungsschritte ist jedoch auch die Fertigung dieses Streustrahlenrasters relativ aufwendig.
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Die
WO 99/31674 A1 beschreibt ein Streustrahlenraster, das aus einem Träger mit Absorptionselementen besteht, bei dem die Absorptionselemente als beabstandete Stifte in beabstandeten Reihen ausgebildet sind und bei dem die Stiftreihen überwiegend derart ausgerichtet sind, dass sie auf den Schnittpunkt des Zentralstrahls mit dem Streustrahlenraster zu verlaufen. Die Stiftreihen sind längs des Radius in Abschnitte aufgeteilt, die gegenüber dem durchgehenden radialen Strahl etwas nach links oder rechts versetzt sind, um Artefakte in der Abbildung zu vermeiden. Der Träger des Streustrahlenrasters besteht aus einem Siliziumsubstrat, in das mit Hilfe richtungsselektiver Ätzverfahren Löcher eingebracht werden, die dann mit dem in flüssiger oder zähflüssiger Form vorliegenden Absorptionsmaterial aufgefüllt werden.
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Die
US 6 408 054 B1 beschreibt ein Streustrahlenraster gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Auch bei diesem Streustrahlenraster werden Löcher in das Trägersubstrat geätzt und mit dem Röntgenstrahlung absorbierenden Material zumindest teilweise gefüllt, um die Absorptionselemente zu erzeugen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Streustrahlenraster sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, die eine kostengünstige Fertigung ermöglichen.
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Die Aufgabe wird mit dem Streustrahlenraster gemäß Patentanspruch 1, sowie dem Verfahren gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Streustrahlenrasters sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Das vorliegende Streustrahlenraster setzt sich in bekannter Weise aus zahlreichen durch ein Füll- und Trägermaterial voneinander getrennten Absorptionselementen für Röntgenstrahlen zusammen, die entweder annähernd parallel zueinander oder auf einen gemeinsamen Fokuspunkt hin ausgerichtet sind. Die Absorptionselemente sind beim vorliegenden Streustrahlenraster einzelne Fasern aus einem Röntgenstrahlung stark absorbierenden Material, die zufällig verteilt angeordnet sind. Das Füll- und Trägermaterial ist durch einzelne Fasern aus einem für Röntgenstrahlung weitgehend transparentem Material gebildet.
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Dies ermöglicht eine wesentlich kostengünstigere Herstellung eines derartigen Streustrahlenrasters, da bei der Fertigung keinerlei hochpräzise Ausrichtung der Absorptionselemente oder Einhaltung enger Toleranzen erforderlich ist. Durch die statistische Verteilung der Absorptionselemente wirkt sich der Einsatz eines derartigen Streustrahlenrasters auch nicht negativ auf die Bildqualität des damit erzeugten Röntgenbildes aus, da keine durch periodische Strukturen hervorgerufenen Bildartefakte auftreten können. Bei Einsatz – oder bereits bei der Herstellung – eines derartigen Streustrahlenrasters sollte allerdings berücksichtigt werden, dass die Breite der Absorptionselemente kleiner als die Breite der Detektionsfläche eines einzelnen Detektorelementes ist, damit keine vollflächige Abdeckung eines Detektorelementes auftreten kann. Dies gilt allerdings auch für die bereits bekannten Streustrahlenraster.
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Unter einer statistischen Verteilung sind im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung zufällig variierende Abstände der Absorptionselemente zu verstehen, die sich bei einer zwanglosen Verteilung der Absorptionselemente über die Breite des Streustrahlenrasters bei der Herstellung von selbst ergeben. Die einzelnen Absorptionselemente müssen dabei selbstverständlich aus einem Röntgenstrahlung stark absorbierenden Material, beispielsweise aus einem Schwermetall wie Blei, Wolfram, Tantal oder Molybdän, bestehen. Auch andere Röntgenstrahlung stark absorbierende Materialien, wie beispielsweise mit Bleipulver gefüllte Kunststoffe, können als Materialien für die Absorptionselemente eingesetzt werden. Auf der anderen Seite sollte das Füll- und Trägermaterial die Röntgenstrahlung möglichst wenig absorbieren. Beispiele für derartige Materialien sind Kunststoffe wie Polyethylen, Polystyrol oder Polypropylen.
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Vorzugsweise werden die Absorptionselemente mit dem Füll- und Trägermaterial verklebt, da dies eine sehr einfache und kostengünstige Technik zur Herstellung eines Streustrahlenrasters ist. Für die Funktion eines derart aufgebauten Streustrahlenrasters hat sich ein Füllgrad der Absorptionselemente, d. h. der Volumenanteil der Absorptionselemente am gesamten Volumen des Streustrahlenrasters, von 5 bis 30% als vorteilhaft erwiesen, da mit diesem Wert eine ausreichende Kollimierung erreicht wird, ohne eine signifikante Schwächung der Bildinformation tragenden Röntgenstrahlung in Kauf nehmen zu müssen.
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Das Streustrahlenraster selbst kann hierbei plattenförmig ausgebildet sein, wobei dann die Absorptionselemente im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Ein derartiges, in Form einer ebenen Platte hergestelltes Streustrahlenraster lässt sich jedoch auch mechanisch derart verformen, dass es eine annähernd kugelkalottenförmig gebogene Platte bildet, bei der die Absorptionselemente dann zumindest annähernd auf das Kugelzentrum hin ausgerichtet sind, das bei Einsatz des Streustrahlenrasters mit dem Fokus der Röntgenröhre übereinstimmen sollte. Eine derartige Verformung lässt sich gerade bei Einsatz von Kunststoffen als Füll- und Trägermaterial ohne weiteres realisieren.
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Das vorliegende Streustrahlenraster lässt sich für alle Anwendungen nutzen, bei denen eine Kollimierung der Röntgenstrahlung erforderlich ist. Das bevorzugte Anwendungsgebiet besteht jedoch im Einsatz bei medizinischen Röntgeneinrichtungen, insbesondere in der Computer-Tomographie. Durch Verwendung von faserförmigen, Absorptionselementen, die senkrecht zur Oberfläche des Streustrahlenrasters ausgerichtet sind, anstelle von lamellen- oder folienartigen Absorptionselementen – lässt sich auch eine zweidimensionale statistische Verteilung und somit eine zweidimensionale Kollimierung erreichen. Dadurch ist das vorliegende Streustrahlenraster neben einzeiligen Detektor-Arrays auch für zweidimensionale Detektor-Arrays geeignet. Insbesondere lässt sich das vorliegende Streustrahlenraster auch für großflächige Röntgendetektoren einsetzen.
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Bei dem vorliegenden Streustrahlenraster sind die Absorptionselemente durch einzelne Fasern aus einem Röntgenstrahlung stark absorbierenden Material gebildet. In gleicher Weise werden Fasern aus einem Röntgenstrahlung weitgehend transparenten Material als Füll- und Trägermaterial eingesetzt. Durch einfache Mischung und Verklebung der beiden Faserarten wird dann ein Faserbündel erhalten, das senkrecht zur Faserachse in einzelne Scheiben zerschnitten oder zersägt werden kann, die das Streustrahlenraster bilden. Die die Absorptionselemente repräsentierenden Fasern weisen dabei vorzugsweise einen Faserdurchmesser von ≤ 0,2 mm auf, vorzugsweise im Bereich zwischen 10 μm und 200 μm, so dass sie in jedem Falle dünner als die Breite von gängigen Detektorelementen sind.
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Das Verfahren für die Herstellung des erfindungsgemäßen Streustrahlenrasters zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die Absorptionselemente derart mit dem Füll- und Trägermaterial zu einem Streustrahlenraster verbunden werden, dass sich eine statistische Verteilung der Absorptionselemente über die Breite des Streustrahlenrasters ergibt.
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Das vorliegende Streustrahlenraster wird im Einsatz nur auf das Detektor-Array aufgesetzt oder über diesem befestigt, ohne eine Zuordnung zu den einzelnen Detektorelementen bzw. Pixels des Detektor-Arrays berücksichtigen zu müssen. Damit entfällt auch hier der Positionierungsaufwand.
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Das vorliegende Streustrahlenraster sowie das zugehörige Verfahren zur Herstellung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein Beispiel für den Aufbau des vorliegenden Streustrahlenrasters aus einzelnen Fasern,
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2 ein Beispiel für einzelne Herstellungsschritte zur Herstellung des vorliegenden Streustrahlenrasters und
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3 ein Beispiel für ein Streustrahlenraster, das in Form einer kugelkalottenförmig gebogenen Platte ausgebildet ist.
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1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau des vorliegenden Streustrahlenrasters 1, der einem Ausschnitt über einem einzelnen ca. 1 mm2 großen Pixel, d. h. der Detektionsfläche 6 eines beispielhaften Detektorelementes, entspricht. Die einzelnen Absorptionselemente sind hierbei aus parallel zueinander ausgerichteten Metallfasern 2 aus einem Schwermetall gebildet, die zwischen Kunststofffasern 3 als Füll- und Trägermaterial eingebettet sind. Aus der Figur ist die statistische Verteilung der Metallfasern 2 innerhalb der dargestellten Fläche des Streustrahlenrasters 1 zu erkennen. Die Kunststofffasern 3 sind für die eintreffende Röntgenstrahlung im Wesentlichen transparent ausgebildet, während die Metallfasern 2 diese Röntgenstrahlung stark absorbieren. Ein senkrecht zur Oberfläche des Streustrahlenrasters 1 auftreffendes Röntgenquant 4, das die gewünschte Bildinformation trägt, dringt fast ungeschwächt durch die Kunststofffasern 3 und trifft auf das darunter liegende Detektor- oder Leuchtstoffpixel auf, so dass es vom Detektorelement erfasst wird. Demgegenüber wird ein schräg einfallendes Streustrahlungsquant 5 auf dem Weg zum Detektor auf mehrere hochabsorbierende Metallfasern 2 treffen, so dass es absorbiert wird.
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Aufgrund der unstrukturierten Anordnung der absorbierenden Metallfasern 2 als Absorptionselemente innerhalb des Streustrahlenrasters 1 ist eine exakte Positionierung des Streustrahlenrasters 1 über den einzelnen Pixels eines Detektor-Arrays nicht erforderlich. Die unstrukturierte Anordnung der Fasern 2 ermöglicht eine sehr kostengünstige Herstellung eines derartigen Streustrahlenrasters, wie sie in der folgenden 2 beispielhaft erläutert wird.
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Für die Fertigung eines Streustrahlenrasters wie das der 1, werden Fasern 3 aus einem Material mit niedrigerer Röntgenabsorption, beispielsweise Polymerfasern aus Polyethylen, Polystyrol oder Polypropylen, sowie Metallfasern 2 oder Fasern aus anderen Werkstoffen mit hoher Röntgenabsorption bereitgestellt. Die Fasern 2, 3 werden in einem vorgebbaren Mischungsverhältnis, insbesondere mit einem Füllgrad der hochabsorbierenden Fasern 2 von vorzugsweise zwischen 5 und 30% miteinander vermischt und als Faserstapel 7 bereitgestellt, wie er in der 2a zu erkennen ist. Der Faserstapel 7 wird mit Klebstoff 11 getränkt, um die Fasern zu einem Faserverbund 8 zu verbinden. Durch das Mischen der Fasern 2, 3 ergibt sich eine statistische Verteilung der stark absorbierenden Fasern 2 innerhalb des Faserstapels 7.
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Nach der Herstellung des Faserverbundes 8 wird dieser senkrecht zur Faserrichtung in einzelne Scheiben verteilt, die das Streustrahlenraster 1 bilden. 2b zeigt hierbei die Sägeschnitte 9, 2c das durch eine der gesägten Scheiben entstandene Streustrahlenraster 1 als Faserverbund. Auf diese Weise ist ein Streustrahlenraster für zweidimensionale Kollimierung entstanden, das eine statistische Verteilung der Absorptionselemente 2 über die Breite des Streustrahlenrasters aufweist, wie es in der 1 im Ausschnitt erkennbar ist.
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Neben dem auf diese Weise in Form einer ebenen Platte gebildeten Streustrahlenraster lassen sich auch Streustrahlenraster in Form einer annähernd kugelkalottenförmig gebildeten Platte herstellen, wie dies in der 3 schematisch dargestellt ist. Ein derartiges Streustrahlenraster 1 wird durch eine Verformung des Streustrahlenrasters der 2 mit Hilfe mechanischer Mittel erreicht. Durch geeignete Verformung lässt sich damit die Kollimierung, d. h. die Ausrichtung der Absorptionselemente, auf den Röntgenfokus 10 der jeweiligen Röntgenanlage erreichen.
