DE19826062A1 - Verfahren und Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlen - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlen, die nach Durchdringung eines Gegenstandes in einzelne Energiebereiche aufgetrennt werden, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Es ist bekannt, zur Detektion von Röntgenstrahlen (FX) Detektionseinrichtungen (3) zu verwenden, die aus mehreren, baugleichen Detektorpaaren bestehen. Die Detektorpaare setzen sich dabei aus einem Low-Energiedetektor (4) und einem High-Energiedetektor (7) zusammen. Dadurch erfolgt eine Auftrennung des abgeschwächten Röntgenstrahls (FX') in einzelne Energiebereiche nach der Durchleuchtung eines Gegenstandes (2). Diese Auftrennung ist notwendig, um die Materialarten des durchleuchteten Gegenstandes (2) zu bestimmen. DOLLAR A Nachteilig bei den bekannten Detektionseinrichtungen (3) ist, daß ein Übersprechen der einzelnen Energiebereiche im Low-Energiedetektor (4) erfolgt, wodurch die Materialart nicht eindeutig detektiert werden kann. DOLLAR A Dagegen sieht die vorliegende Anmeldung vor, mit Hilfe eines zusätzlichen Signals, die im Low-Energiedetektor (4) absorbierten High-Energieanteile herauszurechnen. Dazu wird ein weiterer Low-Energiedetektor (5) zwischen dem ersten Low-Energiedetektor (4) und dem High-Energiedetektor (7) angeordnet. Ein im zweiten Low-Energiedetektor (5) absorbiertes Energiespektrum (FX¶2¶) wird zur Gewinnung des zu subtrahierenden Signals herangezogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, zur Detektion und Bestimmung von Materialien mittels Röntgenstrahlen eine Detektionseinrichtung zu verwenden, die aus mehreren Detektorpaaren aufgebaut ist. Ein einzelnes Detektorpaar besteht dabei aus einem 0,1-0,5 mm dünnen und einem 0,5-20 mm dicken Strahlungsdetektor, die hintereinander angeordnet sind und somit von den Röntgenstrahlen bzw. Röntgenquanten einer Strahlungsquelle nacheinander durchdrungen werden. Dadurch erfolgt eine Auftrennung des Röntgenstrahls in einzelne Energiebereiche, was notwendig ist, um die Materialarten eines durchleuchteten Prüfgutes zu bestimmen.
Bei der Auftrennung der Strahlung in unterschiedliche Energiebereiche wird die Tatsache ausgenutzt, daß Photonen höherer Energie im dünnen Detektor, im folgenden Low-Detektor genannt, eine geringe Wechselwirkung zeigen und somit im zweiten, dicken Detektor, im folgenden High-Detektor genannt, absorbiert werden. Dem hingegen werden Photonen niedriger Energie im Low-Detektor fast völlig absorbiert. Durch das zwischen der Strahlungsquelle und der Detektionseinrichtung befindliches Prüfgut verändert sich die auf die Detektorpaare fallende Strahlung. Aus der Änderung der Signale eines jeden Detektorpaares können dann Rückschlüsse auf die in den Strahlengang eingebrachten Materialien gezogen werden.
Da im Low-Detektor eine gewisse Wechselwirkung der hochenergetischen Photonen nicht verhindert werden kann, werden auch High-Energieanteile der einfallenden Strahlung absorbiert. Dies hat zur Folge, daß eine Überdeckung der Energiebereiche stattfindet. Somit sind diese herkömmlichen Anordnungen zur genauen Materialbestimmung ungeeignet.
In der GB-1154973 wird eine Detektoranordnung zur Durchleuchtung eines menschlichen Körpers offenbart. Dabei sind zwischen drei Röntgenfilmen jeweils ein Filter angeordnet. Auf dem 1. Röntgenfilm werden die Knochen, Muskeln und Fette abgebildet. Der nachfolgende 1. Filter ist so dimensioniert, daß er die Energieanteile der Knochen ausfiltert, so daß auf dem 2. Röntgenfilm nur noch die Energieanteile der Muskeln und des Fettes abgebildet werden. Danach erfolgt im 2. Filter die Filterung der Energieanteile des Fettes, so daß auf dem 3. Röntgenfilm nur noch die Energieanteile der Muskeln aufgefangen werden. Das Röntgenbild setzt sich dann aus einer Abbildung auf dem 1. Röntgenfilm abzüglich der Röntgenabbildungen des 2. und des 3. Röntgenfilmes zusammen. Dazu sind der 1. Röntgenfilm ein Filmpositiv und die anderen beiden jeweils ein Filmnegativ. Das resultierende Röntgenbild stellt die Knocheninformation dar.
Die US-4,626,688 offenbart eine aufgetrennte Energiestrahlendetektion mit unterschiedlichen Energiehöhen, die zeitlich versetzt erzeugt und übertragen werden. So wird als erstes eine Strahlung niedriger Frequenz erzeugt und durch den Körper eines Patienten gesendet. Ein erster Detektor nimmt diese auf und leitet die aus den Energiespektren resultierenden Signale an eine digitale Prozessorschaltung weiter. Danach wird eine höhere Frequenz erzeugt und als Strahlung höherer Energie durch den Patienten gesendet und über einen zweiten Detektor an den Prozessor gegeben. Im Prozessor erfolgt eine Subtraktion der niedrigen Frequenz aus der höheren, so daß die niedrigen Energieanteile nicht mehr Bestandteil der höheren Frequenz sind. Die höhere Frequenz stellt bekanntlich die Knocheninformation dar, so daß die niedrigen (Low) Energieanteile des weichen Körpergewebes durch diese Maßnahme aus den höheren (High) Energieanteilen herausgerechnet werden. Das Abbild auf einem Leuchtbildschirm stellt gleichfalls nur noch die Information über die geröntgten Knochen dar.
Nachteilig bei den vorgenannten Anordnungen und Verfahren ist, daß die Energiebereiche auf einen Energiebereich, der dem gesuchten Material entspricht, reduziert wird, so daß die Anordnungen und Verfahren nur bei vorheriger Kenntnis der zu detektierenden Materialien und ihrer Energiespektren genutzt werden können.
Die US-4,029,963 offenbart eine Anordnung und ein Verfahren zur Erkennung und Bestimmung verschiedener Materialien. Hierbei werden Röntgenstrahlen von vornherein in Low- und in High- Energiebereichen getrennt übertragen, welche dadurch frei von Spektralverschiebungen sind. Durch mathematische Zusammenhänge werden aus den getrennt übertragenen Strahlungen eine kernladungszahlabhängige Strahlung sowie eine dichteabhängige Strahlung ermittelt. Die kernladungszahlabhängige Strahlung ist proportional zur photoelektrischen Komponente, die dichteabhängige Strahlung ist proportional zur Elektrodendichte. Dieser Zusammenhang wird zur Bestimmung der Materialien ausgenutzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit dessen Hilfe eine Auftrennung von Low- und High-Energieanteilen eines einzigen Röntgenstrahls klarer durchgeführt werden kann, wodurch mit nur einem Röntgenstrahl die durchstrahlten Materialien besser bestimmt werden können.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 5. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, möglichst große Signalunterschiede nach Durchdringung eines Gegenstandes zu erzeugen, so daß eine möglichst gute, d. h. eine kontrastreiche Auftrennung eines Röntgenstrahles in Low- und in High-Energiebereiche geschaffen wird. Neben der Bestimmung des Materials wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Materialart bestimmt. Dies erfolgt mit Hilfe der aufgetrennten Low- und High-Energiebereiche dieses einen Röntgenstrahls.
Der polychromatische Röntgenstrahl und damit sämtliche Quanten bis zur Grenzenergie werden zeitgleich abgestrahlt und in den Detektoren zeitgleich und räumlich nacheinander aufgefangen. Zur verbesserten Auftrennung wird ein Signal erzeugt, das einem im ersten Detektor absorbierten High- Energieanteil entspricht. Mit diesem Signal werden die ungewollten High-Energieanteile aus dem Energiespektrum des ersten Detektors herausgerechnet.
Dazu weisen mehrere gleiche Detektorpaare, welche jeweils aus einem Detektor für die Low- Energieanteile und einem Detektor für die High-Energieanteilen besteht, einen weiteren, gleichfalls die Low-Energieanteile absorbierenden Detektor zwischen dem Low-Detektor und dem High- Detektor auf, so daß diese nacheinander von einem durch den Gegenstand abgeschwächten Röntgenstrahl durchdrungen werden. Zur Erzeugung des die ungewollten High-Enrgieanteile aufweisenden Signals wird der zweite Low- Detektor genutzt. Der zweite Low-Detektor weist dazu in etwa dieselbe Absorptionscharakteristik wie der erste Low-Detektor aut dies insbesondere im High-Energiebereich.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die im ersten Detektor absorbierten High-Energieanteile können zur Schaffung größerer Signalunterschiede zwischen Low-Energieanteilen und High-Energieanteilen auf die High- Energieanteile des High-Detektors aufgerechnet werden, wodurch auch die Statistik des High- Energieanteils verbessert wird.
Die Auftrennung des abgeschwächten Röntgenstrahls erfolgt vorzugsweise je Bildpixel.
Zwischen dem zweiten Low-Detektor und dem High-Detektor ist in vorteilhafter Art und Weise ein High-Filter zwischengeschaltet.
Der erste Low-Detektor, der zweite Low-Detektor sowie der High-Detektor sind mit je einem Eingang einer Berechnungseinheit verbunden, so daß am Ausgang der Berechnungseinheit ein von High-Energieanteilen gesäubertes Low-Signal anliegt. Zusätzlich wird an einem weiteren Ausgang ein verbessertes High-Signal ausgegeben. Beide Ausgänge sind mit einer nachfolgenden Bildauswerteeinheit verschaltet.
Der Aufbau des zweiten Detektors und des ersten Detektor können jeweils unterschiedlich sein, wobei es optimal ist, wenn beide Materialien der Detektoren gleich sind und beide eine gleiche Dicke aufweiseren.
Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Eine Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlen mit 3 Detektoren,
Fig. 2a Eine Absorptionskurve des ersten Detektors;
Fig. 2b Eine Absorptionskurve des zweiten Detektors;
Fig. 2c Eine Absorptionskurve des dritten Detektors;
Fig. 3 Eine Auswerteeinrichtung in Blockbilddarstellung.
In Fig. 1 ist in vereinfachter Form eine Röntgenanordnung mit einem Röntgenstrahlgenerator 1 einem zu durchleuchtenden Gegenstand 2, sowie einer Detektionseinrichtung 3 dargestellt. Die gesamte Detektionseinrichtung ist im allgemeinen zeilenförmig oder flächig und setzt sich aus vielen baugleichen Detektorgruppen 3 (hier nur einmal dargestellt) zusammen. Jede Detektorgruppe 3 setzt sich aus einem ersten Detektor 4, einem zweiten Detektor 5, sowie einem dritten Detektor 7 zusammen, die in Reihenfolge nacheinander angeordnet sind. Zwischen dem zweiten Detektor 5 und dem dritten Detektor 7 ist vorzugsweise ein Filter 6 angeordnet, das die Aufgabe hat, im Spektrum verbliebene niederenergetische Anteile wegzufiltern. Der erste Detektor 4 und der zweite Detektor 5 sind jeweils Low-Energiedetektoren, der dritte Detektor 7 ist ein High-Energiedetektor. Der Detektor 4 und der Detektor 5 weisen vorzugsweise dasselbe Absorptionsverhalten auf wobei beide Detektoren 4, 5 vorzugsweise dieselben Abmaße besitzen und aus demselben Material bestehen. Die Low-Detektoren 4, 5 sind dabei 0,1-0,5 mm dünn, die Dicke des High-Detektors 7 beträgt 0,5-20 mm.
In Fig. 3 ist blockbildartig eine Auswerteeinrichtung 10 dargestellt, die im Wesentlichen aus einer Berechnungseinheit 11 und einer nachfolgenden Bildauswerteeinheit 12 besteht. Der Bildauswerteinheit 12 nachgeschaltet ist eine nicht näher dargestellte Bilddarstellungseinheit, beispielsweise ein Monitorbildschirm.
Das Detektionsverfahren läuft wie folgt ab:
Der Röntgenstrahlgenerator 1 erzeugt einen Röntgenstrahl FX mit einem Energiebereich von 10 bis 500 keV, für dieses Beispiel vorzugsweise bis 140 keV. Dieser Röntgenstrahl FX durchdringt den Gegenstand 2 mit darin befindlichen Materialien (nicht dargestellt). Durch die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der Materialien im Gegenstand 2 sowie dem Gegenstand 2 selbst gelangt ein in seiner spektralen Zusammenstellung veränderter und in seiner Intensität abgeschwächter Röntgenstrahl FX' auf die Detektorgruppe 3, d. h. auf den ersten Detektor 4. Dieser Detektor 4 fängt für jedes Bildpixel ein in Fig. 2a dargestelltes, vom Gegenstand 2 verändertes Energiespektrum FX1' auf das neben den Low-Energieanteilen zwischen 20 keV und 70 KeV auch High-Energieanteile zwischen 70 keV bis 140 keV enthält. Dies liegt darin begründet, daß die bereits erwähnte Wechselwirkung der hochenergetischen Photonen im ersten Detektor 4 nicht verhindert werden kann. Die Größe bzw. Stärke der absorbierten High-Energieanteile sind dabei gleichfalls vom durchleuchteten Gegenstand 2 abhängig. Das absorbierte Energiespektrum FX1' gelangt als Signal FX1 auf den Eingang E1 der Berechnungseinheit 11. Der dem ersten Detektor 4 nachgeordnete zweite Detektor 5 fängt die Energieanteile des nicht absorbierten Energiespektrums auf. Im High-Energiebereich zwischen 30 keV und 70 keV besitzt dieser Low-Detektor 5, wie in Fig. 2b erkennbar, ein ähnliches Absorptionsverhalten wie der Detektor 4, d. h. die hochenergetischen Strahlungsanteile werden im gleichen Verhältnis absorbiert. Ein so aus dem Detektor 5 gewonnenes Signal FX2 des Energiespektrums FX2' wird zur Bestimmung des hochenergetischen Anteils vom Detektor 4 auf einen weiteren Eingang E2 der Berechnungseinheit 11 geschaltet. Die High-Energieanteile des Röntgenstrahles FX', die weder vom Detektor 4 noch vom Detektor 5 aufgefangen bzw. abgeschwächt wurden, gelangen auf den High-Detektor 7, wobei noch verbliebenen Low-Energieanteile durch das Filter 6 aus dem Energiespektrum ausgefiltert werden. Am Detektor 7 liegt somit ein in Fig. 2c dargestelltes Energiespektrum FX3' an. Auch dieses wird als Signal FX3 an einen Eingang E3 der Berechnungseinheit 11 geschaltet. In der Berechnungseinheit 11 erfolgt dann die Auftrennung der Low und High-Energieanteile. Damit die High-Energieanteile des Röntgenstrahles FX' aus dem Low-Signal FX1 herausgerechnet werden können, muß die Röntgenanordnung zunächst kalibriert werden. Die so ermittelten Korrekturwerte, die beispielsweise das Offset-Verhalten der Detektoren 4 bis 6 berücksichtigen, werden in der Berechnungseinheit 11 abgespeichert.
Nach Subtraktion des Low-Signals FX2 vom Low-Signal FX1 und damit des High-Energieanteils aus dem Low-Signal FX1 liegt ein neues von High-Energieanteilen befreites Low-Signal FXL am Ausgang A1 der Berechnungseinheit 11 an.
Die Ermittlung des High-Energieanteils des Röntgenstrahis FX' erfolgt gleichfalls in der Berechnungseinheit 11, wobei durch das Zwischenschalten des Filters 6 zwischen dem Low- Detektor 5 und dem High-Detektor 7 die verbliebenen Low-Energieanteile zusätzlich aus dem Energiespektrum FX2' ausgefiltert werden.
Zur Verbesserung einer Statistik und damit zur Reduktion eines Rauschens können die im Detektor 4 absorbierten High-Energieanteile, die durch den Low-Detektor 5 erfaßt wurden, auf das High- Signal FX3 aufgerechnet werden, wozu das Low-Signal FX2 auf das High-Signal FX3 aufsummiert wird. Am Ausgang A2 der Berechnungseinheit 11 liegt dann ein neues, dem ursprünglichen High- Energiebereich entsprechendes High-Signal FXH an.
Die beiden aufgetrennten Signale FXL und FXH werden an die Bildauswerteeinheit 12 gegeben, wo mit Hilfe der unterschiedlichen abgelegten Kennlinien die Materialien im Gegenstand 2 in bekannter Art und Weise bewertet und ermittelt werden.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird das einfallende Röntgenspektrtun bzw. Energiespektrum des Röntgenstrahles FX' mit Hilfe von zwei Low-Detektoren 4, 5 sowie dem High-Filter 6 von den niederenergetischen (Low-)Anteilen im Spektrum befreit. Durch das Aufrechnen des durch den Detektor 5 ermittelten Signales auf den High-Energietanteil wird auch diese Information verbessert. Zwischen dem Low-Signal FXL und dem High-Signal FXH entsteht ein größerer und sauber getrennter Signalunterschied, wodurch eine eindeutigere Bestimmung der Materialien im Gegenstand 2 erfolgt.
Das Material der Low-Detektoren 4, 5 ist beispielsweise Cäsiumjodid, das des High-Detektors 7 Gadoliniumoxysulfid.
Es versteht sich von selbst, daß im Rahmen der erfinderischen Idee Änderungen möglich sind.
So kann zur weiteren Verbesserung der Trenneigenschaften in der Detektorgruppe 3 ein Vorfilter (nicht dargestellt) am Röntgenstrahlgenerator 1 angebracht werden. Dieser Vorfilter hat die Eigenschaft, das Energiespektrum der vom Röntgenstrahl emittierten Strahlungsverteilung FX so zu verändern, daß der Übergangsbereich zwischen dem niederenergetischen und dem hochenergetischen Bereich abgeschwächt wird.
Zudem kann die Detektorgruppe 3 mehr als zwei Low-Detektoren 4, 5 oder weitere Zwischenfilter (nicht dargestellt) aufweisen.
Die erfindungsgemäße Subtraktion der Signale FX1 aus dem Low-Detektor 4 und FX2 aus dem Low-Detektor 5 kann durch einen verfeinerten mathematischen Algorithmus ersetzt werden.
Bezugszeichenliste
1
Röntgenstrahigenerator
2
Gegenstand
3
Detektorgruppe
4
Low-Detektor
5
Low-Detektor
6
Filter
7
High-Detektor
10
Auswerteeinheit
11
Berechnungseinheit
12
Bildauswerteeinheit

Claims (10)

1. Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlen, dessen einzelne Energiebereiche zeitgleich auf einen zu durchleuchtenden Gegenstand abgestrahlt und dabei abgeschwächt werden und als abgeschwächte Röntgenstrahlen in einen Low-Energiebereich und einen High- Energiebereich aufgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Low-Energiebereich absorbierte High-Energieanteile aus dem Low-Energiesignal (FX1) wieder herausgerechnet werden, wozu ein zusätzliches Signal aus einem weiteren, gleichfalls den Low-Energiebereich des abgeschwächten Röntgenstrahls (FX') repräsentierenden Low-Energiesignal (FX2) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung einer Trennschärfe zwischen dem Low-Energiebereich und dem High-Energiebereich des abgeschwächten Röntgenstrahls (FX') das erzeugte Signal, das den hochenergetischen Anteil im niederenergetischen Signal (FX2) repräsentiert, zu einem den High-Energiebereich repräsentierenden High Signal (FX3) dazugerechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftrennung des abgeschwächten Röntgenstrahls (FX') in ein von High-Energieanteilen befreites Low-Signal (FXL) und ein verbessertes High-Signal (FXH) je Bildpixel erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Low-Signals (FXL) und des High-Signals (FXH) die Materialart durch Vergleich mit hinterlegten, Materialdaten repräsentierenden Signalen, ermittelt wird.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Röntgenstrahlgenerator, einem zu durchleuchtenden Gegenstand sowie einer Detektionseinrichtung, die aus mehreren Detektorpaaren besteht, welche jeweils einen Low- und einen High-Detektor aufweisen, und mit einer nachfolgenden Berechnungseinheit sowie einer Bildauswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß je Detektorpaar räumlich ein weiterer Low-Detektor (5) zwischen dem ersten Low- Detektor (4) und dem High-Detektor (7) integriert ist, so daß diese eine Detektorgruppe (3) bilden.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Low- Detektor (5) und dem High-Detektor (7) ein Filter (6) zwischengeschaltet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Low- Detektor (4) mit einem Eingang (E1) der Berechnungseinheit (11), der zweite Low- Detektor (5) mit einem weiteren Eingang (E2) sowie der High-Detektor (7) mit einem weiteren Eingang (E3) der Berechnungseinheit (11) verbunden sind.
8. Anordnung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang (A1) der Berechnungseinheit (11), an dem ein von High-Energieanteilen befreites Low-Signal (FXL) anliegt, sowie ein weiterer Ausgang (A2) der Berechnungseinheit (11), an dem ein verbessertes High-Signal (FXH) anliegt, mit der nachfolgenden Bildauswerteeinheit (12) verschaltet sind.
9. Anordnung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Low-Detektor (4) und der zweite Low-Detektor (5) das gleiche Absorptionsverhalten aufweisen.
10. Anordnung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Low-Detektor (4) und der zweite Low-Detektor (5) aus dem gleichen Material bestehen und die gleichen Abmaße besitzen.
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