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Die Erfindung betrifft einen Röntgenuntersuchungsapparat mit einer
Röntgenquelle zum Ausstrahlen eines Röntgenbündels, der der Röntgenquelle zugewandt
angeordnet ist und zum Erzeugen eines Röntgenbildes eines zwischen der Röntgenquelle
und dem Röntgendetektor angeordneten Objekts dient, mit einem
Leistungsversorgungssystem, das zur Strom- und Spannungslieferung an die
Röntgenquelle mit der Röntgenquelle verbunden ist, mit Absorptionsmitteln, die
zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor zum Abschwächen des
Röntgenbündels angeordnet ist, und mit einer Bildbearbeitungseinheit, die mit dem
Röntgendetektor zum Speichern des Röntgenbildes in Form von Absorptionswertern in
einer Matrixanordnung verbunden ist, wobei die Bildbearbeitungseinheit Detektormittel
zum Detektieren eines Unterbereichs im Röntgenbild enthält, in dem die
Absorptionswerte unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegen, und mit
Rechenmittel zum Berechnen einer Position der Absorptionsmittel, an der sie die
Absorptionswerte im Unterbereich des Röntgenbildes auf einen vorgegebenen wert
erhöhen, wobei die Bildbearbeitungseinheit mit einer Antriebseinheit zum Verschieben
der Absorptionsmittel in die von der Bildbearbeitungseinheit berechneten Position
verbunden ist.
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Ein Röntgenuntersuchungsapparat dieser Art ist aus der deutschen
Offenlegungsschrift DE 36 21 868 bekannt.
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Die Absorptionsmittel des bekannten Apparats sind Lamellen, die von der
Außenseite des Röntgenbildes in das Röntgenbundel zum Einfangen eines Teils der
Röntgenstrahlen verschiebbar ist. Zum Positionieren der Lamellen werden sie zunächst
außerhalb des Röntgenbündelweges angeordnet und während der Erzeugung einer Folge
von Röntgenbildern werden die Lamellen in das Röntgenbündel eingeführt. Wenn die
Lamellen eingeführt werden, werden die Bildelementwerte entsprechender Bildelemente
in aufeinanderfolgenden Röntgenbildern verglichen und aus dem Unterschied zwischen
derartigen Bildelementwerten wird bestimmt, ob eine Röntgenabsorption an
aufeinanderfolgenden Positionen höher wird. Wenn kein weiterer Anstieg in der
Absorption von einer der Lamellen detektiert wird, wird die Bewegung dieser Lamellen
gestoppt. Daher wird der zu untersuchende Patient zum geeigneten Positionieren der
Lamellen einer Röntgenüberdosis ausgesetzt, obgleich kein Bild ausreichender
diagnostischer Qualität erzeugt wird. Reduktion der Überbelichtung wird nur in den
Röntgenbildern erreicht, die erzeugt werden, nachdem alle Lamellen ihre erforderliche
Position erreicht haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Röntgenuntersuchungsapparat zu schaffen, in dem die Absorptionsmittel schnell und
genau positioniert und überbelichtete Bereiche im Röntgenbild reduziert werden. Der
Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, einen Röntgenuntersuchungsapparat zu
schaffen, in dem ein Kontrast in einem Röntgenbild auf vorgegebene Grenzen genau
begrenzt wird. Zur Erfüllung dieser Aufgabe ist ein erfindungsgemäßer
Röntgenuntersuchungsapparat dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel zum
Ableiten des Unterbereichs durch das Bestimmen des Gradienten in jedem Bildelement
des Röntgenbildes oder aus einer Bildsegmentierung auf Basis eines vorgegebenen
Schwellenwertes, insbesondere des Schwellenwertes als Bruchteil des maximalen
Absorptionswertes angeordnet wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß wenn ein Teil des
Röntgenbündels den Röntgendetektor erreicht, ohne daß es ein zwischen der
Röntgenquelle und dem Detektor angeordnetes Objekt durchquert hat, das Röntgenbild
eine deutliche Kontur aufweist, in der ein Projektionsbild des angestrahlten Objekts
sichtbar ist, und vorbei der Kontur das Röntgenbild überbelichtet ist. Automatische
Detektierung dieser Kontur wird beispielsweise durch Bestimmung des Gradienten an
jedem Punkt des Röntgenbildes oder durch Bildsegmentierung auf Basis einer
Schwellenspannung verwirklicht, wobei die Schwellenspannung beispielsweise einen
Bruchteil des maximalen Absorptionswertes ist. Über die Detektion der Kontur kann die
Position der Absorptionsmittel im Röntgenbündel berechnet werden, an der die
überbelichteten Bereiche im Röntgenbild maskiert werden, wonach diese Position
automatch einstellbar ist. Die Sichtbarkeit der relevanten Einzelheiten wird also
verbessert, da die überbelichteten Bereiche nicht länger einen Zuschauer ablenken
können, und da im Mittel die gestreute Strahlung infolge der Reduktion des
Röntgenbündels gering ist. wenn ein Röntgenbildverstärker als Röntgendetektor
verwendet wird, nimmt der Schimmer im Bildverstärker und im optischen System ab,
wenn die Absorptionsmittel gut positioniert sind. Der Schimmer wird durch gestreute
Röntgenstrahlen und gestreute Elektronen und Photonen im Röntgenbildverstärker
verursacht und erscheint wie ein Schleier auf dem Röntgenbild. Neben der
Positionierung der Absorptionsmittel außerhalb der Kontur im Röntgenbild ist es
üblicherweise vorteilhaft, den Kontrast von Unterteilchen innerhalb der Kontur des
Röntgenbildes durch Reduktion des dynamischen Bereichs der Unterbereiche in bezug
aufeinander zu vergrößern. Zu diesem Zweck können Unterbereiche, die zu hell sind,
wiederum automatisch bestimmt und die Position eines Absorptionselements mit einer
örtlich sich ändernden Absorption, beispielsweise eines strahlungsabsorbierenden Teils
automatisch eingestellt werden. Diese Einstellung kann durch Berechnung der
Gesamtabsorption des Objekts und der Absorptionsmittel genau ausgeführt werden.
Durch automatisches Positionieren der Absorptionsmittel, die Röntgenstrahlen ganz
absorbieren oder zum Teil übertragen können, kann die Positionierung zunächst auf der
Basis von Konturenbestimmung und im zweiten Fall von Absorptionsberechnung
optimale Einstellung für diese Mittel schnell erreicht werden. Dies erleichtert den
Betrieb des Röntgenuntersuchungsapparats und die Qualität der Röntgenbilder.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Röntgenuntersuchungsapparats ist dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsmittel im
wesentlichen für Röntgenstrahlen nicht transparent sind, wobei die Detektormittel eine
Konturenberechnungseinheit zum Berechnen einer Kontur eines Unterbereichs im
Röntgenbild enthalten, und die Rechenmittel sich zum Berechnen einer kleinsten
Projektion der Absorptionsmittel im Röntgenbild eignen, in dem die Kontur sich
befindet.
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Die Position, in der die Absorptionsmittel das kleinste Röntgenbündel
einschließen, kann durch Berechnung der Projektion der Absorptionsmittel im
Röntgenbild, in dem die Projektion sich ganz außerhalb der Kontur befindet, unter
Verwendung des Rechenmittels und für verschiedene Positionen der Absorptionsmittel. Dies
ist die optimale Position der Absorptionsmittel, die über die Antriebseinheit eingestellt
wird.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Röntgenuntersuchungsapparats ist dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsmittel
ein erstes Paar von Vorflügeln mit parallelen geraden Seiten enthalten und sich in einer
ersten Ebene befinden, die sich quer zum Röntgenbündel erstreckt, wobei die Vorflügel
in der ersten Ebene in einer Richtung quer zu den Seiten translierbar und zusammen in
der ersten Ebene um eine Drehachse drehbar sind, und ebenfalls ein zweites Paar von
Vorflügeln mit parallelen geraden Seiten enthalten und sich in einer zweiten Ebene
befinden, die sich parallel zur ersten Ebene erstreckt, wobei das zweite Vorflügelpaar in
der zweiten Ebene in einer Richtung quer zu den Seiten translierbar und um die
Drehachse in der zweiten Ebene drehbar ist.
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Eine optimale Position der Absorptionsmittel wird beispielsweise durch
die Bestimmung von Schnittpunkten der Kontur im Röntgenbild und einer ersten Linie
durch die Mitte des Röntgenbildes gefunden, wobei die Schnittpunkte durch Koordinaten
in der Matrix der in der Bildbearbeitungseinheit gespeicherten Absorptionswerte
gegeben sind. Für eine sich durch einen gefundenen Schnittpunkt erstreckende zweite
Linie und senkrecht zur Linie durch die Mitte und durch den betreffenden Schnittpunkt
wird bestimmt, ob sie die Kontur in einem weiteren Punkt schneidet und damit tangiert.
Wenn die Kontur von der zweiten Linie geschnitten wird, wiederholt sich das gleiche
Verfahren für eine weitere Linie, die sich parallel zur zweiten Linie erstreckt, aber sich
näher zum Rand des Bildes befindet. Dies geht so weiter, bis die Linie gefunden wird,
die sich senkrecht zur ersten Linie erstreckt und der der Kontur ohne ? schneiden der
Kontur tangiert. Also werden für verschiedene Winkelpositionen der ersten Linie durch
die Mittenpaare paralleler Tangente berechnet, die sich senkrecht zur ersten Linie
erstrecken und mit der Kontur tangieren. Durch die Bestimmung der zwei tangenten
Paare, die den kleinsten Bereich einschließen, wird die Position des Absorptionsmittels,
in dem die Projektion der Seiten der Vorflügel mit den gefundenen Tangenten
zusammenfällt, als die optimale Position des Absorptionsmittels gefunden. Die
Antriebseinheit dreht das Absorptionsmittel über den Winkel, der gleich den Winkel der
normalen zu den gefundenen tangenten Paaren im Koordinatensystem ist, das von der
Bildmatrix definiert ist, wobei die Translation der Vorflügel von der Antriebseinheit
proportional einem Abstand zwischen den Linienpaaren und der Mitte des Röntgenbildes
ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Röntgenuntersuchungsapparats ist dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmittel
eine kreisförmige Blende enthält.
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In diesem Fall wird eine optimale Position des Absorptionsmittels
bestimmt, beispielsweise durch Umschreiben der Kontur im Röntgenbild durch den
kleinsten Kreis und durch die Annahme der Mitte des Röntgenbildes als ihre Mitte.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Röntgenuntersuchungsapparats, in dem das Absorptionsmittel ein Absorptionselement
enthält, das eine örtlich sich ändernde Absorption aufweist, ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Leistungsversorgungssystem mit einer Steuereinheit zum Einstellen der
Spannung und des Stromes verbunden ist, die das Leistungsversorgungssystem in einer
Belichtungszeit erzeugt, wobei die Bildbearbeitungseinheit mit der Steuereinheit
verbunden wird, um den eingestellten Belichtungszeitwert, den Spannungswert und den
Stromwert zu empfangen und diese Werte an die Rechenmittel zu legen, um die Position
des Absorptionsmittels zu bestimmen.
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Auf der Basis des Stroms und der Spannung in der Röntgenquelle und der
Belichtungszeit kann die Energiefluenz der aus der Röntgenquelle stammenden
Röntgenstrahlen in der Steuereinheit berechnet werden. Durch Anstrahlung des Objekts
wird das Röntgenbündel durch Wechselwirkung mit den Atomen im Objekt geschwächt,
und diese Wechselwirkung kann einen photoelektrischen Effekt oder eine
Compton- oder Rayleigh-Streuung sein. Ein vom Röntgendetektor nach der Streuung
nichtdetektierter Röntgenstrahl trägt zum Kontrast im Röntgenbild bei, während ein
nach der Streuung detektierter Röntgenstrahl den Kontrast nachteilig beeinflußt. Die
Streuung von Röntgenstrahlen ist von der Dicke des angestrahlten Objekts abhängig.
Durch die Streuung gilt für die vom Detektor detektierte Energiefluenz, daß
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φd : φok(x)e-µx (1)
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worin x die Dicke des angestrahlten Objekts, φo die Energiefluenz aus der Quelle und µ
der lineare Schwächungskoeffizient für Röntgenstrahlen sind. Der Faktor k(x) stellt den
Beitrag der gestreuten Röntgenstrahlen zur detektierten Energie dar. Der Faktor k(x) ist
von der Objektdicke x, von der Geometrie des Röntgenuntersuchungsapparats und vom
möglichen Vorhandensein eines Streugitters vor dem Röntgendetektor abhängig. Unter
Verwendung der Formel (1) kann die Dicke des angestrahlten Objekts aus der
gemessenen Energiefluenz φd und aus φo berechnet werden, und dieser Wert wird aus
der Belichtungszeit und aus der Spannung und dem Strom an die Röntgenquelle
berechnet. Anschließend kann die Gesamtdicke des Objekts und des Absorptionsmittels
berechnet werden, für das eine gewünschte Abschwächung im Röntgenbild erscheint.
Da die Streuung der Röntgenstrahlen im Absorptionsmittel ebenfalls durch diese
Berechnung bestimmt wird, ist der Effekt der Position des Absorptionsmittels auf den
Kontrast im Röntgenbild verhältnismäßig genau bekannt.
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Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
Röntgenuntersuchungsapparats wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen
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Fig. 1 einen Röntgenuntersuchungsapparat für medizinische diagnostische
Anwendungen, beispielsweise für Durchleuchtung oder für Angiographie,
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Fig. 2 schematisch das Absorptionsmittel, eine Irisblende und Bleiflügel
bei der Montage in einem Gehäuse,
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Fig. 3 ein Röntgenbild einer Hand, wobei die Bereiche außerhalb der
Kontur überbelichtet sind, da die Röntgenstrahlen den Röntgenbildverstärker 5 ohne
Schwächung erreichen,
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Fig. 4 schematisch die Berechnung einer optimalen Position der Bleiflügel
mit Hilfe der Rechenmittel,
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Fig. 5 das Absorptionsmittel, wobei die Bleiflügel durch
Absorptionselemente mit einer sich ändernden Absorption ersetzt sind,
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Fig. 6 einige Merkmale der Geometrie des Röntgenuntersuchungsapparats
nach Fig. 1.
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Aus einem Fokus erzeugt eine Röntgenquelle 2 ein Bündel von
Röntgenstrahlen 3, das einen Röntgendetektor 5 erreicht. Durch
Absorptionsunterschiede in einem Objekt 7 wird die örtliche Stärke des Röntgenbündels
moduliert, so daß ein Projektionsbild des Objekts 7 an einem Eintrittsschirm 4 des
Röntgendetektors 4 erscheint. Der Röntgendetektor 5 ist in diesem Fall ein
Röntgenbildverstärker, in dem Röntgenstrahlen Licht in einem Eintrittsschirm erzeugen,
das aus CsI besteht, so daß das Röntgenbild in ein optisches Bild umgesetzt wird. In
einer Photokathode löst das optische Bild Elektronen aus, die beispielsweise auf 20 keV
mittels eines Elektronensystems beschleunigt und an einem Austrittsschirm 7 des
Röntgenbildverstärkers 5 fokussiert werden, auf dem eine Leuchtstoffschicht angebracht
ist. Ein reduziertes und helligkeitverstärktes Bild des Eintrittsschirms 4 des
Röntgenbildverstärkers 5 erscheint am Austrittsschirm 7. Über eine Fernsehkameraröhre
6, die mit dem Austrittsschirm 7 des Röntgenbildverstärkers 5 zusammenarbeitet, wird
das optische Bild in ein elektrisches Signnl umgesetzt, das an eine
Bildbearbeitungseinheit 13 gelangt. In der Bildbearbeitungseinheit 13 werden die Signale aus der
Fernsehkameraröhre 6 digitalisiert und in Form einer Matrix von Grauwerten
gespeichert. Im Röntgenbild bestimmen Detektormittel 14 eine Kontur, außerhalb der
die Grauwerte einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten. Das Rechenmittel 16
berechnet eine Position des Absorptionsmittels 11, in dem der Bereich außerhalb der
Kontur im Röntgenbild so gut wie möglich vom Absorptionsmittel 11 maskiert wird.
Das Rechenmittel 16 steuert anschließend das Antriebsmittel 17 zum Bewegen des
Absorptionsmittels 11, in diesem Fall bei gleichzeitiger Absorption aller
Röntgenstrahen in die gewünschte Position. Neben der Begrenzung des Röntgenbündels
3 durch das Absorptionsmittel 11 kann es wünschenswert sein, Absorptionsmittel 11 in
das Bündel einzuführen, um das Bündel an vorgegebenen Stellen zu schwächen. Zu
diesem Zweck wird das Rechenmittel 16 mit einer Steuereinheit 15 verbunden, die ein
Leistungsversorgungssystem 9 steuert und eine Belichtungszeit, Spannung und Strom der
Röntgenquelle 2 einstellt. Das Rechenmittel 16 kann beispielsweise über ein Tastenfeld
17 Information bezüglich des Abstands zwischen dem Fokus der Röntgenquelle 2 und
dem Eintrittsschirm 4, des Bildreduktionsfaktors des Röntgenbildverstärkers 5 und der
Apertur einer Blende (in der Figur nicht dargestellt) zwischen dem Austrittsschirm 7
und der Fernsehkameraröhre 6 empfängen. Auf der Basis u.a. der Belichtungszeit, der
Spannung und des Stroms in der Röntgenquelle 2 berechnet das Rechenmittel 16 eine
gewünschte Position des Absorptionsmittels 11, das in diesem Fall beispielsweise einen
Perspex-Keil enthält.
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In Fig. 2 sind schematisch das Absorptionsmittel 11, eine Irisblende 22
und Bleiflügel 24, 25, 26 und 27 in einem Gehäuse 20 dagestellt. Die Antriebseinheit
17 besteht aus vier Schrittmotoren 17a, 17b, 17c, 17d. Über einen Schrittmotor 17a
können die Bleiflügel 24 und 25 zusammen in der Richtung der Achse 29 verschoben
werden, wobei in diesem Fall die Position der Bleiflügel 24 und 25 in bezug auf die
Achse 29 symmetrisch ist. Über einen Schrittmotor 17b zum Antreiben eines
Drehelements 31 über ein Zahnrad 30 können die Bleiflügel 24 und 25 um die Achse 29
gedreht werden. Dasselbe gilt für die Bleiflügel 26 und 27.
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In Fig. 3 ist ein Röntgenbild einer Hand dargestellt, wobei die Bereiche
außerhalb der Kontur 32 überbelichtet sind, da die Röntgenstrahlen ohne Schwächung
den Röntgenbildverstärker 5 erreichen. Wenn die Bleiflügel 24, 25, 26 und 27 in den
dargestellten Positionen angeordnet sind, in denen im vorliegenden Beispiel ein Abstand
von einer Bildmitte 34 gleich ist für die Maskierungs-Bleiflügel 24, 25, 26 und 27, wird
Überbelichtung im wesentlichen verhindert. Wenn die Bleiflügel 24, 25, 26 und 27 in
bezug auf die Bildmitte 34 unabhängig voneinander verschiebbar sind, ist eine Position
des Bleiflügels 26 entlang einer Linie 36 optimal. In diesem Fall ist ein Schrittmotor 17
zum Verschieben jedes Bleiflügels vorgesehen.
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In Fig. 4 ist schematisch die Berechnung einer optimalen Position der
Bleiflügel 24, 25, 26 und 27 mit Hilfe des Rechenmittels 16 dargestellt. Nach der
Bestimmung der Kontur 32 in der Digitalbildmatrix 40 durch die
Konturberechnungseinheit wird die Schnittstelle mit der Kontur 32 auf einer Linie 1 bestimmt, die sich
durch die Bildmitte 34 erstreckt und einen Winkel α in bezug auf die x-Achse
einschließt. Aus den Schnittpunkten 35 und 36 wird entlang einer Linie, die sich
senkrecht zur 1 erstreckt, bestimmt, obmehr als ein Konturpunkt sich auf dieser Linie
befindet. Wenn ja wird dieser Vorgang für eine weitere Linie wiederholt, die sich
senkrecht zu 1 erstreckt, aber sich näher bei einem Rand des Bildes befindet. Auf diese
Weise werden also die Positionen der Bleiflügel 24 und 25 gefunden. Dasselbe
Verfahren läßt sich für eine Linie m durchführen, die einen Winkel β in bezug auf die
x-Achse einschließt, was die Positionen der Bleiflügel 26 und 27 ergibt. Das von den
Bleiflügeln in dieser Position eingeschlossene Gebiet wird mit q.p. sin (β - α) gegeben.
Darin sind q und p die Länge der Seiten der rhombischen Projektion der Bleiflügel 24,
25, 26 und 27. Durch Berechnung des Oberflächenbereichs unter einem vorgegebenen
Winkel β für eine Anzahl von (beispielsweise 90) Winkeln α kann eine Einstellung für
die Bleiflügel 24, 25, 26 und 27 gefunden werden, bei der der Oberflächenbereich
minimal ist. Nachdem der kleinste Oberflächenbereich gefunden worden ist, werden die
Bleiflügel über die gewünschten Winkel α und β um die Achse 29 gedreht, wonach sie
in bezug auf die Mitte des Röntgenbildes verschoben werden.
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In Fig. 5 ist das Absorptionsmittel 11 dargestellt, wobei die Bleiflügel von
den Absorptionselementen 43, 44, 45 und 46 mit einer sich ändernden Absorption
ersetzt sind, beispielsweise durch Perspex-Keile. Die Drehung der Keile 43, 44, 45 und
46 um die Achse 29 kann gekoppelt werden, so daß einer der Schrittmotoren 17b und
17d zum Antreiben der Drehung weggelassen werden kann. Dieses Absorptionsmittel
ermöglicht Beseitigung von Unterschieden in der Größe der Unterbereiche innerhalb der
Kontur 32 nach Fig. 3 und 4. Zu diesem Zweck berechnet das Rechenmittel 16 der
Bildbearbeitungseinheit 13 die Energiefluenz φ&sub0; aus den Voreinstellwerten der
Belichtungszeit, der Spannung und des Stromes der Röntgenquelle wie:
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φ&sub0;(df) = 36 J . tirr . (T/100)2.1 / df² (2)
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Darin ist
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- df der Abstand zwischen dem Punkt, an dem die Energiefluenz wahrgenommen wird
und dem Fokus der Röntgenquelle 2 in m,
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- tirr die Belichtungszeit in s,
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- J der Strom von der Kathode zur Anode in der Röntgenquelle in mA,
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- T die Höchstspannung, bei der die Elektronen in der Elektronenquelle in kVp
beschleunigt werden,
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φ&sub0; ist dabei in nJmm&supmin;² gegeben.
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Ohne Berücksichtigung gestreuter Strahlung beträgt nach Anstrahlung eines Objekts mit
einer Dicke xp und einem Absorptionskoeffizienten µ(m&supmin;¹) die Energiefluenz φd am
Detektor
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φd(df) = φ&sub0;(df)eµxp (3)
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Unter Verwendung dieser Gleichung kann die Dicke xp des angestrahlten Objekts durch
Substitution des mit der Formel (2) gefundenen Werts für φ&sub0;(df). Wenn die
Absorptionswerte in einem Unterbereich des Röntgenbildes zu niedrig sind und die
Energiefluenz am Detektor auf φd'(df) mittels eines Filters mit einer Dicke xf reduziert
werden muß, kann die Filterdicke einfach aus der nachstehenden Beziehung gefunden
werden
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φd'(df) = φ&sub0;(df) e-µpxp-µfxf
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Der dynamische Bereich des Röntgendetektors kann wirksamer durch Translation eines
Absorptionskeils im Röntgenbündel in die Position verwendet werden, an der die
Projektion des Teils des Keils mit einer Dicke xf mit dem außergewöhnlich hellen
Unterbereich im Röntgenbild zusammenfällt.
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Unter Verwendung eines einfachen Modells für Röntgenabschwächung
durch ein Objekt nach der obigen Beschreibung kann das Verhältnis zwischen der vom
Detektor detektierten Energiefluenz und der Dicke des angestrahlten Objekts
normalerweise nicht ausreichend genau bestimmt werden. Die Abhängigkeit des
Abschwächungskoeffizienten µ von der Beschleunigungsspannung der Röntgenquelle,
der gestreuten Strahlungseffekte und des möglichen Vorhandenseins eines Streugitters
zwischen dem angestrahlten Objekt und dem Röntgendetektor üben einen Einfluß auf die
vom Detektor gemessene Energiefluenz aus. Der Abschwächungskoeffizient µ kann wie
folgt geschrieben werden.
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µ = t + s (5)
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Darin ist t der Beitrag vom photoelektrischen Effekt auf die Abschwächung und ist s der
Beitrag der Streuung zur Abschwächung. s ist konstant, während t wie folgt geschrieben
werden kann
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t = tref . (T/Eref)-2.75 (6)
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Darin ist tref ein Kalibrierwert der Abschwächung durch den photoelektrischen Effekt
für die Energie Eref, wobei die Werte beispielsweise tref = 0,0008 m&supmin;¹ bei Eref = 100
kV betragen. Außerdem erfolgt zwischen der Quelle und dem anzustrahlenden Objekt
Vorfilterung mittels Al- oder Cu-Filter zum Filtern der niederenergetischen
Röntgenstrahlen, die nicht zum Abbilden außerhalb des Röntgenbündels beitragen.
Wenn ein Objekt angestrahlt ist, ist die Absorption der niederenergetischen
Röntgenstrahlen im Objekt größer als die Absorption der hochenergetischen
Röntgenstrahlen, so daß die mittlere Energie des Röntgenbündels ansteigt, wenn das
Objekt weiter von den Röntgenstrahlen (Bündelhärtung) durchdrungen wird. Eine
Formel, die verhältnismäßig genau die Energiefluenz φp hinter einer Anzahl von i
angestrahlten Objekten (Filtern, zu untersuchendem Objekt, usw.) beschreibt, sieht wie
folgt aus
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φp(df) = φ&sub0;(df) exp[-3.2(Σtixi)0.63 - Σsixi - 0.3] (7)
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darin ist xi die Dicke eines Werkstoffs i in der Strahlungsrichtung und df ist der
Abstand zwischen dem Punkt, an dem die Energiefluenz φp festgestellt wird und dem
Fokus der Röntgenquelle. Die Nachsilbe p gibt an, daß die Primärstrahlung betroffen
ist, d.h. die nichtgestreute Strahlung. Zusätzlich zur Primärstrahlung trägt gestreute
Strahlung ebenfalls zur Energiefluenz am Röntgendetektor bei. Ein Beitrag von der
Rayleigh-Streuung, wobei die Röntgenquanten ohne Energieverlust durch spitze Winkel
gestreut werden, wird durch folgende Gleichung gegeben
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φr(di) = φp(di) xp r (sin φm)Er (8)
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darin ist
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- φr die Energiefluenz der gestreuten Rayleigh-Röntgenquanten in nJ mm&supmin;²,
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- di der Abstand zwischen dem Fokus der Röntgenquelle 2 und dem Eintrittsschirm der
Röntgenbildverstärkerröhre 5,
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- xp die Dicke des angestrahlten Objekts in m,
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- r der lineare Wechselwirkungskoeffizient für Rayleigh-Streuung, beispielsweise
0,002 m&supmin;¹,
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- φm der Winkel zwischen dem Objektrand und der Mitte des Röntgendetektors, und
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- Er ein empirisch bestimmter Konstantwert, beispielsweise Er = 0,2.
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Das Modell, auf dem die Gleichung (8) basiert ist eine flache homogene Scheibe mit
einer Absorption gleich der Absorption von Wasser.
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Nachstehende Gleichung gilt für gestreute Compton-Röntgenstrahlen,
wobei ein Energieverlust der Röntgenstrahlen auftritt
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φc(dp) = φp(dp) 1/2 s² xp G/(s + at) (9)
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Darin ist dp der Abstand zwischen dem Fokus der Röntgenquelle 2 und dem Punkt, an
dem die Compton-Strahlung aus dem angestrahlten Objekt 7 heraustritt. Der Faktor 1/2
erscheint für dünne Objekte, da Compton-Streuung nach zwei Seiten emittiert wird. G
ist ein empirisch bestimmter Faktor, der vom Verhältnis der Dicke zur Querabmessung
des angestrahlten Objekts abhängig ist und hat einen Wert zwischen 0,5 und 2,0, wobei
a ein empirisch bestimmter konstanter Term ist, bei dem gilt a = 0,6. Für die
Compton-Strahlung φc (di) wird bei Ankunft im Röntgendetektor folgende Gleichung
gefunden
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φc(di) = φc(dp) sin²(φm) (10)
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Der Faktor sin²(φm) wird eingeführt, da die gestreuten Compton Röntgenstrahlen das
angestrahlte Objekt von der dem Röntgendetektor zugewandten Oberfläche mit einer
Winkelverteilung verlassen, die mit cos(φ) angegeben wird. Darin ist φ der vom Strahl
1 in Fig. 6 eingeschlossene Winkel, der sich zwischen der die Compton-Strahlung
emittierenden Oberfläche und der Mitte des Röntgendetektors 5 in bezug auf die Achse
durch die Mitte des Röntgendetektors erstreckt. Integration über die scheibenförmige
vorgeschlagene Oberfläche erzeugt den Term sin²(φm).
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Aus den Gleichungen (7), (8) und (9) geht für die Energiefluenz φs(di) der
gestreuten Röntgenstrahlen am Detektor folgendes hervor
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φs (di) = φc (di) + φr (di) = φc (dp) sin² (φm) +
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φp (di) . xp (sin φm)Er
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φs (di) = φp (dp) 1/2 s² xp G sin² (φm)/(s + at) +
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φp (di) . xp (sin φm)Er (11)
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worin φp (dp)/φp (di) = di²/dp², durch die umgekehrte Quadratabschwächung mit (11)
anwendbar ist:
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φs (di)/φp
(di) = 1/2 s² xp G sin² (φm) (di²/dp²)/(s + at) +
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xp (sin φm)Er (12)
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Die im Röntgendetektor detektierte Strahlung kann wie folgt geschrieben werden
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φd (di) = φp (di) + φs (di) = φp (di) (1 + φs (di)/φp (di))
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φd (di) = k(xp) φp (di) (13)
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Lösung der Gleichung (13) beispielsweise durch iterative Anpassung der Objektdicke xp
erzeugt die Dicke des Objekts xp, wonach die erforderliche Dicke des
Absorptionsmittels zum Erhalten der gewünschten Abschwächung berechenbar ist.
wenn die gewünschte Dicke des Absorptionsmittels für die außergewöhnlich hellen
Unterbereiche im Röntgenbild bekannt ist, wird das Absorptionsmittel transliert und
vom Verschiebungsmittel 17 gedreht, so daß die Projektion des Teiles des
Absorptionsmittels, der die gewünschte Dicke aufweist, mit dem betreffenden Unterbereich
zusammenfällt. Es wird klar sein, daß das Absorptionsmittel nach Fig. 2 und nach Fig.
5 auch gleichzeitig verwendbar sind, wobei das Absorptionsmittel 24-27 und 43-46
vorzugsweise sich im selben Gehäuse 20 befindet.