DE4123871A1 - Anordnung zur erzeugung von radiographien oder tomographischer schnittbilder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgenbildsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Aufnahme von Radiographien oder tomographischen Röntgenschnittbildern, lassen sich neben der Dichtebestimmung bei Verwendung von mindestens zwei verschiedenen Röntgenspektren (1) oder Röntgenenergiebändern (2), oder durch Erzeugung zweier Bilder zu verschiedenen Energiespektren durch Separation im Detektor (3, 4) mindestens zwei in der Ordnungszahl Z verschiedene Stoffe darstellen. Bei Verwendung von mehr als zwei Energiespektren oder Energiebändern in der Nähe von Absorptionskanten werden auch mehr als zwei Stoffe dargestellt.

Das Verfahren nach (1) ist technisch sehr aufwendig, erlaubt keine Aufnahmen schnell bewegter Objekte, ist nicht ohne weiteres auf die Trennung von mehr als zwei Materialien ausdehnbar und erzeugt hohes Bildrauschen. Methode (2) benötigt eine nur an wenigen Orten verfügbare Synchrotronstrahlquelle und ist nur für niedere Energien geeignet (<100 keV), was eine allgemeinen Nutzung ausschließt. Methode (3) erlaubt keine hohe Ortsauflösung und Methode (4) erlaubt nur die Verwendung zweier Energien und erzeugt hohes Rauschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer kontinuierlich laufenden Strahlenquelle energieselektive Röntgenbilder mit gleichzeitig guter Ortsauflösung zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß eine Röntgenröhre mit kontinuierlichem Spektrum oder radioaktive Quellen mit mehreren Röntgen- oder γ-Energien verwendet wird und die Energieselektion im bilderzeugenden Detektor durchgeführt wird, der in seiner Funktion in einen ortsauflösenden und einen energiemessenden Teil separiert wird.

Als Detektoren kommen dabei ortempfindliche ein- oder zweidimensionale Detektoren für Röntgen oder γ-Strahlung in Frage. Im folgenden werden nur eindimensionale Detektoren ("Zeilendetektoren") diskutiert, das sich daraus zweidimensionale Detektoren leicht ableiten lassen, z. B. durch eine flächenhafte Anordnung von n Zeilendetektoren.

Wesentliches Merkmal dieser Detektoren ist die gleichzeitige Orts- und Energiebestimmung. Die Ortsbestimmung wird durch Zuordnung der Detektorzelle, in der die Strahlung Energie deponierte, zu einem Ortsintervall in einem elektronischen Speicher (Sp) erreicht (Abb. 1), wobei die "Zelle" physisch durch ein Einzeldetektorsegment mit eigenem Auslesekanal (Verstärker, Impulsformer) oder durch elektronische Verarbeitung (z. B. durch Schwerpunktbildung der Signale einer oder mehrerer Zellen) dargestellt werden kann.

Als Einzelzähler werden die in der Nukleartechnik üblicherweise für die Registrierung von Röntgen- oder γ-Strahlung geeigneten Szintillationszähler mit Lichtauslese (Sekundärelektronenvervielfacher, Photodiode), Halbleiterdetektoren (Si, Ge, GaAs, CdTe) oder Halbleiterstreifenzähler aus den gleichen Materialien sowie mit Gasen (CH₄, Ar, Kr, Xe) gefüllte Proportionalzähler oder Proportionalkammern verwendet.

Für die Energiebestimmung werden zwei verschiedene Verfahren angewandt:

• In einem in Strahlrichtung (Koordinate x) ausgedehntem Detektor wird neben der zur Bilderzeugung benötigten Koordinate y des Ortes der Photonenabsorption auch die zweite Koordinate in z-Richtung mit den üblichen Verfahren zur zweidimensionalen Auslese bestimmt. Diese z-Koordinate hängt in statistischer Weise von der Photonenenergie ab, wobei der vordere Teil vornehmlich den niederenergetischen Teil des Spektrums absorbiert, so daß für den hinteren Teil hauptsächlich der hochenergetische Teil übrig bleibt. Die Bestimmung der näherungsweise kontinuierlichen Tiefenverteilung erlaubt die Bestimmung des einlaufenden Energiespektrums durch eine Integraltransformation und ist damit der Verwendung nur zweier hintereinander angeordneter Detektoren überlegen. Die Verbesserung ergibt geringeres Rauschen und erlaubt die Rekonstruktion von mehr als zwei Materialien.
• Die Intensität in einem Ortsintervall kann durch Einzelquantenzählen oder durch Integration der Signale erfolgen. Wegen der noch benötigten Integraltransformation und der sich daraus resultierenden Korrelation der Ortbilder, wird sich nach diesem Verfahren noch nicht das optimale Signal-zu-Rauschverhältnis ergeben.
• Die in Abb. 1b gezeigte Methode, bei der die Signalhöhe SH ein Maß für die deponierte Energie eines Einzelquants darstellt, erlaubt eine weitere Verbesserung in dieser Richtung. Der Detektor (D) liefert hier Signale, deren Pulshöhe energieabhängig ist. Die Separation mindestens zweier Bilder verschiedener Energiespektren findet in einer elektronischen Stufe statt (Dis), in der die Signalhöhen selektiert werden.

Bei beiden Verfahren kann aber nicht gleichzeitig eine gute Energieauflösung und Ortsauflösung mit den üblichen Detektoranordnungen erzielt werden. Der Grund liegt darin, daß in dem hier betrachteten Energiebereich (10 keV bis 10 MeV) die Ionisation, hervorgerufen durch das Energiequant, sich häufig aus einem zwei- oder mehrstufigen Absorptionsprozeß ergibt, wobei die räumliche Ausdehnung des Prozesses die Ortsgenauigkeit beschränkt. Für Detektormaterial mit hoher Ordnungszahl erhält man sekundäre Fluoreszensphotonen mit großer Reichweite, für Materialien mit geringer Ordnungszahl dominiert der Comtoneffekt, dessen inelastisch gestreute Photonen ebenfalls große Reichweiten erzielen. Die Reichweite der Sekundärstrahlung ergibt üblicherweise den Wert für die erreichbare Ortsauflösung. Insbesondere kann diese Ortsauflösung nicht unterschritten werden, wenn die gesamte Energie zur Messung in einem Ortintervall gefordert wird.

Die Beseitigung dieser Beschränkung wird zunächst am Beispiel der Verwendung einer Proportionalkammer erläutert. Die sinngemäße Übertragung auf andere Detektortypen wird anschließend diskutiert.

Eine hohe Absorption im Detektor läßt sich dadurch erreichen, daß die Detektorebene parallel zur Strahlrichtung angeordnet wird (Abb. 2). Ferner sind als Gasfüllungen schwere Edelgase (Xe, Kr) unter hohem Druck geeignet. Die in dem ersten Schritt des Absorptionsprozesses entstehende Ionisation geringer Reichweite bestimmt die Ortskoordinate zur Bilderstellung. Um die Ortsauflösung nicht durch die Entstehung von Sekundärstrahlung (Sk) aus Fluoreszens oder Comptonstreuung zu beeinträchtigen, wird der Detektor (DA) sehr flach gebaut (Abb. 3, d«l), so daß diese störende Strahlung nur mit sehr kleiner Wahrscheinlichkeit in diesem Volumen DA wieder absorbiert wird und somit die Ortsmessung nicht beeinflußt. In der Einzelphoton-Betriebsart kann darüber hinaus ein absorbiertes Fluoreszensphoton aufgrund seiner definierten Energie erkannt und von der Ortsmessung ausgeschlossen werden. Als weitere Verbesserung wird der Detektor DA mit einem Detektor DB (Abb. 4) umgeben werden, der zur primären Strahlenquelle hin abgeschirmt ist und in dem die Streustrahlung effektiv aufgefangen wird. Die Summe der in DA und DB gemessenen Energien entspricht der Photonenenergie. Dabei wird der gemessene Ort des Sekundärphotons nicht zur bildbestimmenden Ortsmessung verwendet, sondern nur, um die räumliche Nähe zu der ersten Wechselwirkung festzustellen und damit die Zusammengehörigkeit der Teilionisationen.

Selbst wenn auf den Streustrahldetektor DB verzichtet wird, kann aus der Amplitude von DA für nicht allzuhohe Röntgenenergien ein eindeutiges Energiespektrum gewonnen werden, wie es für die Rekonstruktion der materialspezifischen Röntgenbilder ausreicht.

Bei dem Verfahren durch Bestimmung der Absorptionstiefe zur Selektion der Energiespektren, können die üblichen Ausleseverfahren (Stromteilung, Verzögerungsleitung, Pad-Auslese) in Strahlrichtung für eine Zelle oder eine Gruppe mit Koinzidenzforderung kontinuierlich die Tiefeninformation liefern. Mit dieser Auslese können auch bei nicht parallelem Strahl Parallaxefehler korrigiert werden.

Die Erweiterung dieses Verfahrens auf andere Detektortypen (Szintillatoren, Halbleiter) ergibt sich in der Weise, daß sehr dünne Flächendetektoren mit zweidimensionaler Auslese nicht wie üblich in Richtung der Flächennormalen, sondern nach Drehung um 90 Grad in Längsrichtung durchstrahlt werden, so daß auch hier für die Absorption eine große Tiefe zur Verfügung steht, die Sekundärstrahlung aber wegen der geringen Dicke des Detektors diesen verläßt.

Besondere Vorteile ergeben sich bei der Verwendung der Proportionalkammer in Verbindung mit einer Mikrofokus-Röhre, da in diesem Falle die verfügbare Strahlenleistung so gering ist, daß bei Durchstrahlung dickerer Schichten bei den üblichen integrierenden Detektoren erhebliche Rauschprobleme auftreten. Bei energieselektiver Auslese von Einzelphotonen kann bei entsprechend verlängerter Meßdauer eine beliebig kleine Intensität gemessen werden.

Die gewerbliche Anwendung des Röntgenbildsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 umfaßt den Bereich der bildlichen Darstellung innerer Strukturen in der Medizin und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung einschließlich der Produktionsprüfung und Überwachung.

Ausführungsbeispiel

Abb. 5 zeigt eine Anordnung zur Aufnahme von tomographischen Schnittbildern in der sog. Fächerstrahlgeometrie, bestehend aus einer µ-Fokus-Röhre (µR), einem Drehteller mit Probe (DP), dem Detektor (D) sowie Ausleseelektronik (Aus) und Datenverarbeitungssystem (PC).

Abb. 6 zeigt den Detektor im Detail. Bei Abb. 6a sind die Abdeckbleche entfernt, das Druckgehäuse (P) mit dem Strahlfenster (SF) und die Vorverstärker VV werden sichtbar. Abb. 6b zeigt die Proportionalkammern DA und DB mit den Anodendrahtebenen (AnA und AnB) und den Kontaktpunkten (KP) der zur Auslese verwendeten Kathodenstreifen (KS), die so angeordnet sind, daß sie in Richtung zur Strahlquelle auf den Fokus der Röhre zeigen. Nur wenige Kathodenstreifen und Kontaktleitungen sind gezeigt. Es ist bei den genannten Energien wegen der Durchdringungsfähigkeit der Strahlung unerheblich, ob die Strahlung durch die Kontaktleitungen geführt wird (von rechts kommend, R) oder von der anderen Seite (L), was nach Anbringen eines Eintrittfensters auf der Rückseite des Detektorgehäuses möglich ist.

Weiterhin sei daraufhingewiesen, daß die störende Sekundärstrahlung, die das Detektorvolumen DB erreichen soll so hochenergetisch ist, daß sie leicht eine dünne metallisierte Folie mit Elektrodenstrukturen zur Auslese durchdringt. Wenn es sich in dem Detektorvolumen DB um dasselbe Gas wie in DA handelt, können auch dünne gespannte Drähte die elektrische Separierung bewirken und gleichzeitig als Ausleseelektroden dienen.

In weiteren Aspekten, wie z. B. Druckgefäß, Strahlfenster, Durchführung der Signale, Anordnung der Verstärker usw. kann der Detektor ähnlich aufgebaut sein wie andere Proportionalkammern oder Vielelektrodenionisationskammern, auch wie in der Entgegenhaltung (7), hier als Literaturangabe (5) aufgeführt. Der wesentliche Unterschied wird in den Ansprüchen 1 bis 13 formuliert.

Literatur

1. "Evaluation of a Protype Dual-Energy Computes Tomographic Apparatus. I. Phantom Studies", W. A. Kalender, W. H. Perman, J. R. Vetter and E. Klotz, Med. Phys, 13 (86) 334.
2. "Quantitative Microtomography", K. Engelke, M. Lohmann, W.-R. Dix and W. Graeff, Rev. Sci. Instr. 60 (89) 2486.
3. Martone et al., United States Patent 39 50 648.
4. Alvarez et al., Offenlegungsschrift DE 27 33 586 A1.
5. Besch et al., Offenlegungsschrift DE 39 01 837 A1.

Claims (13)

1. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder mit Energieselektion bestehend aus Röntgenröhre oder radioaktiver Quelle mit mehreren γ-Energien und orts- und energieselektivem Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß das dem bilderzeugenden Strahl ausgesetzte empfindliche Detektorvolumen DA aus einer flachen Scheibe, ausgedehnt in Strahlrichtung und in Richtung der bilderzeugenden Ortsmessung, aber von geringer Ausdehnung in der dritten Dimension, besteht, umgeben von den beiden Flachseiten von weiteren Detektoren DB, wobei die Ortsmessung mit Signalen des Detektorteils DA und die Energiemessung mit Signalen aller Detektorteile DA und DB erfolgt.

2. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor DA oder DB eine Reihe von Szintillationskristallen mit je einem angeschlossenen lichtempfindlichen Empfänger verwendet werden.

3. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor DA oder DB eine Reihe von Halbleiterdetektoren oder Halbleiterstreifenzähler verwendet werden.

4. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor DA oder DB ortsempfindliche Vieldrahtproportionalkammern verwendet werden.

5. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorebene DA, definiert als die Ebene, in der die Anodendrähte gespannt sind, exakt parallel zu den Strahlen angeordnet wird, ebenso die zur Ortsbestimmung verwendeten Elektrodenstrukturen wie Anodendrähte, Potentialdrähte oder Kathodenstreifen.

6. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilvolumen DB hinter einer Abschirmung angeordnet ist und dem direkten Strahl nicht zugänglich ist.

7. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur das Teilvolumen DA verwendet wird.

8. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Energieinformation die Impulshöhe, die Signalfläche oder davon abgeleitete Größen verwendet werden.

9. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesignal durch Summation der Pulshöhe, Flächen oder abgeleiteter Größen des Signals aus DA und des zeitlich und/oder örtlich dazu korrelierten Signals aus DB gewonnen wird.

10. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal in DA, das der Energie des Fluoreszensphotons des verwendeten Zählgases entspricht, aus der Ortsmessung ausgeschlossen wird.

11. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch Messung einer zusätzlichen Ortskoordinate in Strahlrichtung für Einzelpulse die Tiefe der Absorption (d. h. die in dem absorbierenden Detektormedium zurückgelegte Wegstrecke der elektromagnetischen Strahlung bis zur ersten ionisierenden Wechselwirkung) festgestellt wird und für zwei und mehr Tiefenintervalle Aufnahmen erzeugt werden, die zwei und mehr Energiespektren zugeordnet werden.

12. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strahlrichtung gewonnene Häufigkeitsverteilung der Absorption nach einer Intergraltransformation als Energiespektrum verwendet wird.

13. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei divergentem Strahl und Elektroden oder stabförmigen Detektorsegmenten der Ortsauslese, die so ausgerichtet sind, daß sie mit der Längsachse in Richtung der Strahlquelle weisen und untereinander parallel sind, der Parallaxefehler durch Verwendung der in (11) beschriebenen Messung der Absorptionstiefe korrigiert wird.