DE69931096T2

DE69931096T2 - Vorrichtung und Verfahren für zwei-Energien Röntgenstrahlungs-Bilderzeugung

Info

Publication number: DE69931096T2
Application number: DE69931096T
Authority: DE
Inventors: Yong-Sheng Storrs Chao
Original assignee: Advanced Optical Technologies Inc
Current assignee: Advanced Optical Technologies Inc
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: JP2000023963A; DE69931096D1; US6052433A; JP3476381B2; EP0938250A3; EP0938250B1; EP0938250A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein die digitale Röntgenbildgebung und insbesondere Verfahren und Einrichtungen für die zweidimensionale Röntgenbildgebung mit zwei Energien.
Beschreibung des Stands der Technik
Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung haben zur Fähigkeit geführt, großformatige zweidimensionale integrierte Detektoranordnungen für die Röntgenstrahlerfassung zu fertigen. Diese Detektoranordnungen besitzen größenordnungsmäßig einige Millionen Detektorzellen und erlauben die augenblickliche Erfassung von zweidimensionalen Röntgenbildern mit außerordentlich hoher Qualität. Die Fähigkeit dieser Detektoranordnungen ist nicht auf das Bereitstellen von nur qualitativen sichtbaren Bildern beschränkt, sondern sie weisen ein hohes Potential für die quantitative Bildgebung auf.
Die Röntgenbildgebung mit zwei Energien ist eine exakte quantitative Technik, mit der man zwei Objektbilder, die mit zwei Energiepegeln erfasst wurden, in zwei Bilder zerlegen kann, die jeweils ein Materialzusammensetzungsbild des Objekts darstellen. Derzeit verfügbare Röntgenbildgebungstechniken mit zwei Energien sind darauf eingeschränkt, lineare Detektoranordnungen zu verwenden. Kann man die Röntgenbildgebung mit zwei Energien dahingehend verbessern, dass jüngst entwickelte großflächige Detektoranordnungen verwendet werden, so lassen sich die Fähigkeiten der klinischen Röntgenstrahlendiagnose beträchtlich verbessern. Man könnte beispielsweise die Röntgenbildgebung mit zwei Energien für eine verbesserte Diagnose des Brustkrebses bei der Mammographie verwenden, für die quantitative Vorhersage von altersbedingten Knochenbrüchen in der Knochenabbildung und für eine verbesserte Diagnose von Pulmonarerkrankungen bei der Brustkorbabbildung.
Es bestehen zwei wesentliche technologische Schranken für das Verbinden der Doppelenergieverfahren und der großflächigen Detektoranordnungen. Erstens sind die herkömmlichen Datendekompositionsverfahren für Doppelenergie-Röntgenstrahlen nicht für den Gebrauch mit großflächigen zweidimensionalen Detektoren geeignet. Der maßgebliche Grund dafür ist, dass die gängigen Verfahren entweder verlangen, dass der Benutzer während des Datendekompositionsvorgangs häufig Beurteilungen für einzelne Pixel vornehmen muss, oder dass er für jedes Pixel eine mechanische Vorrichtung zum interaktiven Datenaustausch mit dem Computer verwenden muss. Derartige Ansätze sind nicht für die Analyse von Datenmengen geeignet, die Millionen von Pixel je Bildfra me umfassen. Zweitens unterliegen großflächige Detektoranordnungen beträchtlichen Streuungsverzerrungen. Dagegen wird für die Röntgenbildgebung mit zwei Energien verlangt, dass Hauptbilddaten verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfasst Einrichtungen und Verfahren zum Ausführen der Röntgenbildgebung mit zwei Energien, wobei großflächige zweidimensionale Detektoren verwendet werden. Bei der Röntgenbildgebung mit zwei Energien verfolgt man zwei Hauptziele. Das erste Ziel besteht darin, Bildgebungsverfahren mit zwei Energien zum Entfernen der Streuung einzusetzen. Das zweite Ziel besteht darin, zwei Materialzusammensetzungsbilder des Bildobjekts zu ermitteln. Die Einrichtung enthält in räumlicher Folge von vorn nach hinten mehrere Hardwarekomponenten, nämlich: (1) eine Röntgenstrahlenquelle, die Röntgenstrahlen abgibt; (2) eine vordere zweidimensionale Detektoranordnung, die Hauptröntgenstrahlen und Streuröntgenstrahlen empfängt; (3) eine Strahlauswahlvorrichtung, die den Durchgang von Hauptröntgenstrahlen in einer Anzahl Ausbreitungsrichtungen verhindert, jedoch den Durchgang von Hauptröntgenstrahlen in anderen Richtungen erlaubt, wobei Streuröntgenstrahlen generell nicht beeinflusst werden; und (4) eine hintere zweidimensionale Detektorbaugruppe, die die Streuröntgenstrahlen und die Hauptröntgenstrahlen empfängt, die die Strahlauswahlvorrichtung durchlaufen haben. Aufgrund der Wirkung der Strahlauswahlvorrichtung empfängt die hintere Detektorbaugruppe an einer Anzahl ausgewählter Erfassungsstellen nur Streuröntgenstrahlen. Dagegen empfängt die hintere Detektorbaugruppe an anderen Erfassungsstellen sowohl Hauptröntgenstrahlen als auch Streuröntgenstrahlen.
Die wichtigste Komponente eines Verfahrens zum Ausführen der Röntgenbildgebung mit zwei Energien ist ein Datendekompositionsverfahren, das auf der direkten Lösung eines Doppelenergie-Röntgenbildgebungs-Gleichungssystems beruht, ohne dass dazu linearisierte Näherungen herangezogen werden. Dieses Verfahren stellt einen direkten gegenseitigen Zusammenhang zwischen den Doppelenergie-Hauptröntgenstrahl-Bildpaar und dem Materialzusammensetzungs-Bildpaar her. Mit Hilfe des Doppelenergie-Datendekompositionsverfahrens können bei einem gegebenen Paar Doppelenergie-Hauptbildern die beiden Materialzusammensetzungsbilder ohne Eingriff des Anwenders automatisch berechnet werden. Es gilt auch die gegenteilige Aussage. Eine weitere Komponente des Verfahrens sind die exakten Prozeduren zum Ausführen der Doppelenergie-Röntgenbildgebung, die auf dem Gebrauch des Hardwaresystems und des Datendekompositionsverfahrens beruhen.
Zuerst wird eine Zusammenfassung des Doppelenergie-Röntgenbild-Datendekompositionsverfahrens der Erfindung angegeben. Das Verfahren löst das nichtlineare Doppelenergie-Röntgenbildgebungs-Fundamentalgleichungssystem in seiner Originalform direkt, ohne dass irgendwelche linearen Näherungen oder Näherungen zweiter Ordnung verwendet werden. Das Verfahren umfasst die folgenden Vorgänge. (1) Das Aufstellen eines expliziten quantitativen Gleichungssystems D_H = F_DH(b, s) und D_L = F_DL(b, s) für jeden Detektor gemäß dem nichtlinearen Doppelenergie-Röntgenbildgebung-Fundamentalgleichungssystem in seiner Originalform und das Speichern der Gleichungen für die spätere Verwendung, wobei D_H das Niedrigenergie-Hauptröntgenstrahlsignal darstellt und D_L das Hochenergie-Hauptröntgenstrahlsignal. Die beiden Gleichungen und alle darin enthaltenen Größen gelten für eine gewöhnliche einzelne Detektorzelle. Nach der Normierung kann man die gesamte Detektoranordnung durch eine einzelne Detektorzelle darstellen. (2) Das Rekonstruieren eines dreidimensionalen Oberflächen-Gleichungssystems b = b(D_H, D_L) und s = s(D_H, D_L) durch das numerische Lösen des Gleichungssystems aus Schritt 1 und das Speichern der Gleichungen für die spätere Verwendung. (3) Das Bestimmen der gewünschten Werte für b und s an jedem einzelnen Detektorzellenort durch das Einsetzen des verfügbaren Datenpaars (D_H, D_L) in die numerischen Gleichungen aus Schritt 2, oder umgekehrt, falls ein Paar von Werten b und s gegeben ist, das Bestimmen der gewünschten Werte für D_H und D_L an jedem einzelnen Detektorzellenort durch das Einsetzen des verfügbaren Datenpaars (b, s) in die numerischen Gleichungen aus Schritt 1. (4) Das Halten der Genauigkeit in jedem Schritt auf dem höchsten Wert, der mit Gleitkommazahlen für analytische Lösungen erreichbar ist.
Die wichtigsten Prozeduren zum Ausführen der Doppelenergie-Röntgenbildgebung umfassen die folgenden Schritte. (1) Erfasse ein Paar Bilddaten für die hintere Detektorbaugruppe bei einem höheren Energieniveau H und einem geringeren Energieniveau L der Röntgenstrahlen. Aufgrund der Funktion der Strahlauswahlvorrichtung enthalten in den erfassten Bilddaten eine Anzahl Detektorzellen nur Streuröntgenstrahl-Signale. Dagegen enthalten die anderen Detektorzellen eine Kombination aus Hauptröntgenstrahl-Signalen und Streuröntgenstrahl-Signalen. (2) Leite aus den direkt empfangenen Daten des Schritts 1 ein Paar Doppelenergie-Hauptbilddaten für die hintere Detektorbaugruppe ab. Die Hauptröntgenstrahl-Bilddaten muss man gewinnen, weil man nur Hauptröntgenstrahl-Bilddaten für die Doppelenergie-Röntgenbildgebung verwenden kann. Wie die Ableitung erfolgt, wird im Weiteren erklärt. (3) Verwende das Doppelenergie-Datendekompositionsverfahren zum Berechnen eines niedrig auflösenden Hauptbilds für den vorderen Detektor aus dem Doppelenergie-Hauptbildpaar des hinteren De tektors. Dies stellt einen der wichtigsten Aspekte der Erfindung dar. (4) Erfasse ein hoch auflösendes Bild für den vorderen Detektor entweder auf dem höheren Energieniveau H oder auf dem niederen Energieniveau L entsprechend den Anforderungen der Praxis. Da das niedrig auflösende Hauptröntgenstrahlbild am vorderen Detektor mit Hilfe der erfassten hoch auflösenden Bilddaten zusammen mit den berechneten niedrig auflösenden Hauptbilddaten berechnet worden ist, kann man das Streubild und ebenso das Hauptbild mit hoher räumlicher Auflösung für den vorderen Detektor berechnen. Nach dem Abschluss von Schritt 4 hat man eines der Hauptziele zum Durchführen der Doppelenergie-Röntgenbildgebung erreicht, nämlich das Verbessern der Bildqualität des vorderen Detektors durch das Entfernen der unerwünschten Streuung aus den Signalen des vorderen Detektors. (5) Für den Fortgang kann man ein Paar Hauptröntgenstrahl-Bilder des vorderen Detektors auf zwei Energieniveaus L und H anstelle nur eines Bilds in Schritt 4 erfassen. Durch die weitere Anwendung des Doppelenergie-Datendekompositionsverfahrens kann man die beiden Materialzusammensetzungsbilder für das Bildobjekt mit hoher räumlicher Auflösung gewinnen. Damit erreicht man mit dem Schritt 5 das zweite Ziel der Doppelenergie-Röntgenbildgebung.
Die Erfindung unterscheidet sich von den verwandten Patenten US 5,771,269 (Anmeldenr. 08/725,375) und US 5,648,997 in der Struktur der Strahlauswahlvorrichtung. In diesen verwandten Patenten unterdrückt die Strahlauswahlvorrichtung Streuröntgenstrahlen an ausgewählten Stellen des hinteren Detektors. In dieser Erfindung unterdrückt die Strahlauswahlvorrichtung Hauptröntgenstrahlen an ausgewählten Stellen des hinteren Detektors. Da andere Signale den hinteren Detektor erreichen, wird ein anderes Verfahren zum Ableiten des niedrig auflösenden Hauptröntgenstrahl-Bilds eingesetzt. In den verwandten Patenten wird das niedrig auflösende Hauptröntgenstrahl-Bild direkt vom hinteren Detektor erfasst. In der Erfindung muss das niedrig auflösende Hauptröntgenstrahl-Bild aus einem niedrig auflösenden Streuröntgenstrahl-Bild und einem niedrig auflösenden Streu/Hauptröntgenstrahl-Verbundbild berechnet werden, das der hintere Detektor erfasst.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren für die Doppelenergie-Röntgenbildgebung bereitzustellen, wobei großflächige zweidimensionale Detektoren gemäß Anspruch 1 bzw. 7 und 11 verwendet werden. Die Ergebnisse der Doppelenergie-Röntgenbildgebung können zwei Materialzusammensetzungsbilder eines Objekts mit einer räumlichen Auflösung bereitstellen, die so hoch ist, wie sie die zweidimensionale Detektoranordnung liefern kann. Die Doppelenergie-Röntgenbildgebung kann die Qualität des vorderen Detektors durch das Entfernen unerwünschter Streustörungen be trächtlich verbessern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Doppelenergie-Datendekompositionsverfahren nach Anspruch 16 bereitzustellen, das auf dem direkten Lösen eines nichtlinearen Doppelenergie-Fundamentalgleichungssystems beruht, ohne dass gängige linearisierte Näherungen verwendet werden. Dadurch kann die Doppelenergie-Bilddatendekomposition ohne Eingriff des Benutzers automatisch von einem Computer ausgeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit man die Eigenschaften und Aufgaben der Erfindung besser versteht, wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen.
Es zeigt:
1a und 1b zweidimensionale bzw. dreidimensionale Diagramme, die die Definitionen und Bezeichnungen der Erfindung beschreiben;
2a und 2b Kurven, die gängige Energiespektren von Röntgenstrahlenquellen auf dem höheren Energieniveau H und dem geringeren Energieniveau L beschreiben, die in der Erfindung verwendet werden, wobei 2a ein Energiespektrum bei einer Hochspannung von HV = 70 kV und 2b ein Energiespektrum bei einer Hochspannung von HV = 150 kV darstellt;
3 eine Skizze einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 ein Flussdiagramm der grundlegenden Prozeduren, in denen das Doppelenergie-Datendekompositionsverfahren und die Hardware von 3 verwendet werden;
5 eine Skizze der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 ein Flussdiagramm des Verfahrens der zweiten Ausführungsform mit Hilfe der Hardware von 5; und
7a bis 7d graphische Darstellungen eines Verfahrens zum Invertieren des nichtlinearen Doppelenergie-Gleichungssystems.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Einführung
Die Erfindung umfasst Einrichtungen und Verfahren zum Durchführen der Doppelenergie-Röntgenbildgebung mit zweidimensionalen Detektoren. Es werden zwei bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Nach dem Erklären der mathematischen und physikalischen Grundlagen werden die Prozeduren für die Doppelenergie-Bildgebung skizziert.
Erste Ausführungsform
Das zu untersuchende Objekt 12, siehe 1, befindet sich zwischen der Röntgenstrahlenquelle 14 und dem vorderen Detektor 16. Die Röntgenstrahlenquelle 14 gibt zwei aufeinander folgende Impulse ab, nämlich einen Hochenergieimpuls mit einem mittleren Energieniveau H gefolgt von einem Niedrigenergieimpuls mit einem mittleren Energieniveau L. In einer anderen Anordnung wird der Niedrigenergieimpuls zuerst ausgegeben. Bevorzugt hat in beiden Anordnungen der Hochenergieimpuls eine mittlere Röntgenstrahlenenergie von ungefähr 25 keV bis ungefähr 250 keV, und der Niedrigenergieimpuls hat eine mittlere Röntgenstrahlenenergie von ungefähr 15 keV bis ungefähr 60 keV, wobei der Hochenergieimpuls stets eine höhere Energie aufweist als der Niedrigenergieimpuls.
Die Röntgenstrahlenquelle hat ein Energiespektrum, das einen breiten Energiebereich abdeckt. Zusätzlich zum kontinuierlichen Bremsstrahlenspektrum kann das Energiespektrum diskrete Linienstrukturen enthalten, falls die Hochspannung einen ausreichenden Wert hat, siehe 2b. Derzeit gibt es kein wirksames Verfahren, mit dem man monoenergetische Röntgenstrahlen für die medizinische Bildgebung bereitstellen kann. Daher müssen alle quantitativen Berechnungen mit einer Röntgenstrahlenenergie ausgeführt werden, die einen breiten Energiebereich abdeckt. Dies ist eine der wichtigsten Aufgaben in der quantitativen Röntgenbildgebung. Die Röntgenstrahlenquelle 14 ist im Wesentlichen eine Punktquelle. D. h., die Röntgenstrahlen scheinen von einem einzelnen Punkt auszugehen und nicht von einer größeren Fläche. Ein Teil der Röntgenstrahlen 32 durchläuft das Objekt 12 direkt zur vorderen Detektorbaugruppe 16 ohne dass ihre Ausbreitungsrichtung verändert wird. Diese Röntgenstrahlen 32 werden Hauptröntgenstrahlen genannt; sie übertragen die unverfälschte Information über das Objekt 12. Die restlichen Röntgenstrahlen 34 werden durch die Wechselwirkung mit dem Material des Objekts 12 zufällig gestreut. Diese Röntgenstrahlen 34 werden als Streuung bezeichnet und verursachen Störungen der tatsächlichen Information.
Der vordere Detektor 16 enthält eine große Anzahl einzelner Detektorzellen in einer zweidimensionalen Anordnung. Obgleich die Erfindung nicht auf eine bestimmte Art von Röntgenstrahl-Detektoranordnung eingeschränkt ist, kennt man zwei Grundtypen. In der ersten Bauart wird ein dünner Film aus amorphem Silicium als photoempfindliches Medium verwendet. Die amorphe Siliciumschicht hat normalerweise eine Dicke von einem Mikrometer (μm) und ist für sichtbares Licht empfindlich. Die elektrische Ladung, die durch sichtbare Photonen induziert wird, wird mit einer Elektrodenanordnung gesammelt. Ein Szintillationsschirm, der das für Röntgenstrahlen empfindliche Medium darstellt, wird in sehr engem Kontakt mit dem gesamten photoempfindlichen Bereich der Photodetektoranordnung untergebracht. Röntgenstrahlen bewirken, dass im Szintillationsschirm sichtbare Photonen erzeugt werden. Diese werden anschließend von der Photodetektoranordnung aus amorphem Silicium erfasst. Sie induzieren eine elektrische Ladung, die proportional zur im Schirm absorbierten Röntgenstrahlenenergie ist. Diese Bauart von Röntgenstrahl-Detektoranordnungen nennt man Röntgenstrahl-Detektor mit äußerer Umwandlung. Für ein einzelnes Detektormodul hat die Detektorfläche bevorzugt eine Abmessung von 20 Zentimeter (cm) mal 20 cm oder 40 cm mal 40 cm. Man kann mehrere derartige Detektormodule zusammensetzen, um einen größeren Detektor bereitzustellen. Die Zellengröße für diese Detektoranordnung liegt im Bereich von ungefähr 50 μm mal 50 μm bis ungefähr 1 mm mal 1 mm.
In einer zweiten Detektoranordnungsart wird ein Halbleitermaterial mit einer mittelgroßen Ordnungszahl Z verwendet, beispielsweise eine amorphe Selenschicht, eine Selenlegierungsschicht, eine CdZnTe-Schicht oder andere amorphe oder polykristalline Halbleiterschichten als röntgenempfindliches Medium. Die von Röntgenstrahlen direkt im Detektormedium induzierte Ladung wird mit einer Elektrodenanordnung gesammelt und ist proportional zur Energie der Röntgenstrahlen, die die Schicht treffen. Eine übliche Dicke der Selenschicht liegt im Bereich von ungefähr 100 μm bis ungefähr 800 μm. Diese Röntgendetektor-Bauart heißt Röntgendetektor mit innerer Umwandlung. Ein gängiges Detektoranordnungsmodul aus amorphem Selen oder aus Selenlegierung hat eine Abmessung von 20 cm mal 20 cm oder 40 cm mal 40 cm sowie eine Zellengröße von ungefähr 50 μm mal 50 μm bis ungefähr 1 mm mal 1 mm. Man kann mehrere derartige Detektormodule zusammensetzen, um eine größere Detektoranordnung zu erzeugen.
Weitere übliche zweidimensionale Detektoranordnungen umfassen Detektoren mit ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCD), CMOS-Detektoren, Dünnfilm-Detektoranordnungen auf Thalliumbromidbasis, Lawinen-Detektoranordnungen aus Silicium und stimulierbare Speicherplatten für berechnete Röntgenbilder.
Die Zellen der vorderen Detektorbaugruppe 16 unterscheiden sich in ihren Antwortcharakteristiken. Diese Unterschiede sind jedoch gering und können normiert werden. Damit darf man annehmen, dass nach der Normierung alle Detektorzellen im Detektor die gleiche Antwortcharakteristik haben.
Die Kombination der Signale von allen Zellen überträgt ein Bild der Röntgenintensität über der Fläche des vorderen Detektors 16. Da die Detektorzellen nicht zwi schen Hauptröntgenstrahlen 32 und Streuung 34 unterscheiden können, liefert der vordere Detektor 16 ein Bild, das eine Kombination der Hauptröntgenstrahlen 32 und der Streuung 34 darstellt. Es wird bezeichnet als Dfh(x, y) = Dfph(x, y) + Dfsh(x, y), (1)wobei D_f ein Bild im vorderen Detektor 16 bezeichnet und (x, y) zweidimensionale kartesische Koordinaten einer Zelle des vorderen Detektors 16. Hat beispielsweise der vordere Detektor 16 eine quadratische Matrix mit 1024 Zellen in einer Richtung, so nehmen x und y jeweils ganzzahlige Werte im Bereich von 1 bis 1024 einschließlich an. D_fph(x, y) bezeichnet den Beitrag der Hauptröntgenstrahlen 32 und D_fsh(x, y) bezeichnet den Beitrag der Streuung 34.
In der Erfindung wird eine Strahlauswahlvorrichtung dazu benutzt, die Hauptröntgenstrahlen physikalisch von den Streuröntgenstrahlen zu trennen. Die Strahlauswahlvorrichtung liegt zwischen der vorderen Detektorbaugruppe 16 und der hinteren Detektorbaugruppe 26. Sie verhindert im Wesentlichen den Durchgang aller Hauptröntgenstrahlen 32 vom Bildobjekt zu einer Anzahl Orte auf dem röntgenempfindlichen Medium der hinteren Detektorbaugruppe 26, und sie erlaubt den Durchgang der Streuröntgenstrahlen 34 an diese Orte. Eine bevorzugte Ausführungsform der Röntgenstrahl-Auswahlvorrichtung 18 ist eine Anordnung aus zylindrischen Formen 20, die aus Material aufgebaut sind, das Röntgenstrahlen absorbiert. Sie werden von einer dünnen Kunststofffolie 22 getragen, deren Röntgenstrahlenabsorption zu vernachlässigen ist. Die Zylinder 20 sind so hergestellt, dass ihre Achsen mit der Ausbreitungsrichtung der Hauptröntgenstrahlen 32 ausgerichtet sind. Dadurch unterdrücken die Zylinder 20 innerhalb ihrer Querschnittsfläche sämtliche Röntgenstrahlen, die direkt von der Röntgenstrahlenquelle 14 kommen. Damit erzeugt jeder Zylinder 20 einen "abgeschatteten" Bereich auf dem röntgenempfindlichen Medium der hinteren Detektorbaugruppe 26, in dem das Signal der Hauptröntgenstrahlen nahezu verschwindet, wogegen die Streusignale im Wesentlichen nicht beeinflusst werden. Da andererseits die Zylinder 20 eine endliche Größe haben, wird doch ein geringer Anteil der Streuung vom Bildobjekt 12 an den abgeschatteten Stellen und an anderen Orten des hinteren Detektors 26 unterdrückt. Solange die Größe der Zylinder 20 gering ist, kann man diesen Anteil der Streuung 34 vernachlässigbar klein machen, oder man sie durch Kalibrieren ungefähr ausgleichen. Die Querschnittsform der Zylinder 20 ist unwichtig; aus Gründen der einfachen Fertigung sind sie aber bevorzugt rund oder rechteckig. Die Abmessung eines einzelnen Zylinders in der Strahlauswahlvorrichtung 20 ist generell sehr viel größer als die Abmessung einer ein zelnen Detektorzelle. Bevorzugt ist der Querschnitt der Zylinder 20 so klein wie möglich. Für eine leichtere Ausrichtung und weil die Röntgenstrahlenquellen eine endliche Größe haben, wählt man die Zylinder 20 so, dass sie einen Durchmesser haben, der im Bereich von ungefähr 1 mm bis zu 10 mm liegt. Sind die Zylinder 20 zu groß, so wird ein zu großer Anteil der Streuung 34 daran gehindert, die hintere Detektorbaugruppe 26 zu erreichen. Bevorzugt befinden sich so viele Zylinder wie möglich in der Strahlauswahlvorrichtung 18. Je mehr Zylinder 20 sich in der Strahlauswahlvorrichtung 18 befinden, umso höher ist die Messgenauigkeit am hinteren Detektor 26. Ein Kompromiss anhand dieser Faktoren führt zu einer Teilung, die bevorzugt zwischen 2 mm und 50 mm liegt.
Die Zylinder 20 sind so hergestellt, dass ihre Achsen mit der Ausbreitungsrichtung der Hauptröntgenstrahlen 32 ausgerichtet sind. Dies bedeutet, dass die Zylinder 20 nicht exakt parallel zueinander sind, sondern dass sie radial zur Röntgenstrahlenquelle 14 stehen. Wenn die Röntgenstrahlenquelle 14 weiter entfernt von der Strahlauswahlvorrichtung 18 angeordnet ist, sind die Zylinder 20 nahezu parallel zueinander. Bevorzugt befindet sich die Röntgenstrahlenquelle 14 zwischen 20 cm und 150 cm von der hinteren Fläche 24 der Strahlauswahlvorrichtung 18 entfernt. Die Erfindung bleibt auch dann gültig, wenn die Röntgenstrahlenquelle eine endliche Größe hat.
Das Material der Strahlauswahlvorrichtung 18 muss sicherstellen, dass im Wesentlichen alle Hauptröntgenstrahlen 32 im Schattenbereich absorbiert werden, und dass das Zylindermaterial keinerlei sekundäre Röntgenemission erzeugt und keinerlei zusätzliche Streuung bewirkt. Zum Erfüllen dieser Anforderungen werden chemische Elemente mit einer mittleren Ordnungszahl Z bevorzugt, beispielsweise Materialien mit einer Zahl Z zwischen 20 und 34. Die Zylinder weisen auch einen Mehrschichtaufbau auf, wobei sich im Kern ein Material mit hohem Z und außen ein Material mit mittlerem Z befindet. Das Material mit hohem Z absorbiert Röntgenstrahlen am wirksamsten, und jegliche sekundären Röntgenemissionen aus dem Kernmaterial werden durch die Außenschicht wirksam absorbiert, ohne dass weitere Sekundäremissionen induziert werden.
Die Strahlauswahlvorrichtung 18 hat ungefähr die gleiche Fläche wie der vordere Detektor 16. Der Abstand zwischen dem vorderen Detektor und der hinteren Detektorbaugruppe liegt bevorzugt zwischen 1 cm und 10 cm. Die Dicke oder Höhe der Zylinder hängt von der Röntgenenergie ab, wobei eine höhere Energie dickere Zylinder erfordert. Bei der Bildgebung mit geringeren Röntgenenergien, beispielsweise in der Mammographie, können aus den Zylindern in der Tat dünne Scheiben werden.
Es können auch Streuröntgenstrahlen auftreten, die nicht vom Bildobjekt 12 stammen, sondern von anderen Quellen, beispielsweise von der Wand oder dem Fußboden des Gebäudematerials. Diese Streuröntgenstrahlen werden mit den herkömmlichen Verfahren ferngehalten.
Die hinteren Detektorzellen sind bevorzugt in einer rechteckigen Matrix angeordnet, die zwischen 8 und 1024 Zellen an jeder Seite aufweist, wobei jede Zelle durch die allgemeinen zweidimensionalen Koordinaten (I, J) bezeichnet wird. Das Bild, das die hintere Detektorbaugruppe 26 empfängt, enthält zwei Unterdatensätze, wobei der erste Datensatz die Streuröntgenstrahl-Signale an den abgeschatteten Orten sind. Diese Orte werden mit (i', j') bezeichnet. Der zweite Unterdatensatz enthält eine Kombination aus Haupt- und Streuröntgenstrahlen an den nicht abgeschatteten Orten. Diese Orte werden mit (i, j) bezeichnet.
In der Erfindung werden die beiden Unterdatensätze dazu verwendet, ein niedrig auflösendes Hauptröntgenstrahl-Bild am hinteren Detektor an ausgewählten Orten abzuleiten. Die Prozeduren für die Ableitung werden im Folgenden beschrieben. Der Begriff "ausgewählter Ort" ist als eine Anordnung von Orten auf dem hinteren Detektor 26 definiert, an dem aufgrund der Wirkung der Strahlauswahlvorrichtung 18 und der Anwendung der Prozeduren der Erfindung die Signale nur abgeleitete Hauptröntgenstrahlen enthalten. Diese Definition von "ausgewählter Ort" stellt die Konsistenz zwischen dieser Anmeldung und ihren Vorgängeranmeldungen sicher.
Die hinteren Detektorzellen an den ausgewählten Orten haben eine feste geometrische Beziehung zu einigen vorderen Detektorzellen. Diese Beziehung entsteht durch das Zeichnen einer ausgewählten Projektionslinie von der Röntgenstrahlenquelle 14 durch die Strahlauswahlvorrichtung 18 zu den ausgewählten Orten. Diese gewählte Projektionslinie, siehe 1a und 1b, schneidet die hintere Detektoroberfläche in einer hinteren Detektorzelle bei einer Koordinate (i, j), und sie schneidet die vordere Detektoroberfläche in einer vorderen Detektorzelle bei einer Koordinate (x(i), y(j)). Dabei bezeichnet (x(i), y(j)) die Koordinate (x, y) der vorderen Detektorzelle, die der ausgewählten Projektionslinie am nächsten liegt. Eine Bilddatei D_rl(i, j) an den ausgewählten Orten ist eine niedrig auflösende Bilddatei. Die Daten am Bildpixel (i, j) sind die Daten, die man entweder von einer einzigen Detektorzelle erhält oder durch eine Kombination einer kleinen Anzahl Detektorzellen in der Nähe der ausgewählten Projektionslinie. In ähnlicher Weise bezeichnet D_fl(x(i), y(j)) eine Bilddatei vom vorderen Detektor 16, die eine geringe räumliche Auflösung hat. Im Weiteren wird der Begriff "Auflösung" nur zum Darstellen der räumlichen Auflösung im Gegensatz zur Amplitudenauflösung verwendet. Die Daten am Bildort (x(i), y(j)) sind entweder die Daten einer einzigen Detektorzelle oder einer kleinen Anzahl Detektorzellen in der Nähe der ausgewählten Projektionslinie. Der Zusammenhang zwischen (i, j) und (x(i), y(j)) wird experimentell bestimmt und gespeichert. Die Bilddaten auf den ausgewählten Projektionslinien sind niedrig auflösende Bilder und werden durch den Kleinbuchstaben l als Index dargestellt. Die Bilddaten von allen vorderen Detektorzellen sind hoch auflösende Bilder und werden durch den Kleinbuchstaben h als Index dargestellt.
In Verbindung mit der Materialzusammensetzung des Bildobjekts werden vier Größen definiert. b(i, j) und s(i, j) sind als niedrig auflösende Bilder für die ausgewählten Projektionsmassendichten entlang der ausgewählten Projektionslinie (i, j) definiert. b(x, y) und s(x, y) sind als Projektionsmassendichten entlang der Projektionslinie (x, y) definiert. Die "Projektionsmassendichte" ist als integrierte Gesamtmasse des Bildobjekts entlang der Projektionslinie je Flächeneinheit definiert. Da die Projektionsmassendichte nicht von der Größe der Detektorzellen abhängt, gilt b(x(i), y(j)) = b(i, j) und s(x(i), y(j)) = s(i, j).
Die mathematischen und physikalischen Grundlagen der Doppelenergie-Bildgebungsprozeduren der Erfindung werden für die bevorzugte Ausführungsform im Weiteren ausführlich beschrieben.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform, siehe 3, werden nach einem Hochenergie-Röntgenstrahlenimpuls mit einem mittleren Energieniveau H und einem Niedrigenergieimpuls mit einem mittleren Energieniveau L zwei Bilder des hinteren Detektors erfasst. Die Koordinaten in jedem dieser zwei Bilder haben eine allgemeine Bezeichnung (I, J) mit I = 1, 2, 3 ..., N und J = 1, 2, 3, ..., M, wobei M und N natürliche Zahlen sind. (I, J) weist zwei Untermengen (i, j) und (i', j') auf. Die Datenuntermenge bei (i', j') sind nur die gestreuten Röntgensignale, die mit D_rHsl(i', j') und D_rLsl(i', j') bezeichnet sind. Die Datenuntermenge bei (i, j) ist aus Hauptröntgenstrahl-Signalen und Streuröntgenstrahl-Signalen zusammengesetzt, die mit D_rHl(i, j) bzw. D_rLl(i, j) bezeichnet sind. Die Orte (i, j) sind so gewählt, dass sie gleichförmig die gesamte Bildebene des hinteren Detektors abdecken und nahe an den Orten (i', j') liegen. Da D_rHsl(i', j') und D_rLsl(i', j') beide nur Streuröntgenstrahl-Signale sind, können sie durch Interpolation auf die gesamte Bildebene des hinteren Detektors erweitert werden. Aufgrund der physikalischen Natur der Streuröntgenstrahlen verursacht die Interpolation keine Fehler, die nicht vernachlässigbar sind. Die Streuung 34 wird hauptsächlich durch Comptonstreuung verursacht, die im bevorzugten Röntgenenergiebereich eine im Wesentlichen winkelunabhängige Verteilung aufweist. Sowohl empirische Daten als auch theoretische Berechnungen zeigen, dass Streuungen stets eine im Wesentlichen glatte Verteilung auf einer zweidimensionalen Bildebene aufweisen. Die bedeutet, dass die Veränderung der Streuintensität zwischen benachbarten Zellen klein ist und weiche Übergänge hat. Solange eine ausreichende Anzahl von Datenpunkten vorhanden ist, ist der durch die Interpolation erzeugte Fehler verglichen mit anderen Fehlerquellen, beispielsweise den statistischen Schwankungen der Anzahl an Röntgenphotonen, also vernachlässigbar. Damit gewinnt man die reinen Streuungssignale an dem ausgewählten Ort (i, j) durch Interpolation und bezeichnet sie mit D_rHsl(i, j) und D_rLsl(i, j). Damit kann man ein Paar Hauptbildsignale D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) wie folgt berechnen: DrHpl(i, j) = DrHl(i, j) – DrHsl(i, j), (2a) DrLpl(i, j) = DrLl(i, j) – DrLsl(i, j), (2b)wobei D_rHl(i, j) und D_rLpl(i, j) die direkt erfassten Daten sind und D_rHsl(i, j) und D_rLsl(i, j) die interpolierten Daten.
Der folgende Schritt besteht darin, die Hauptbilder am vorderen Detektor aus dem Hauptbildpaar D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) zu berechnen. Das hoch auflösende Bild D_FHh(x, y), siehe 3, erfasst der vordere Detektor 16 nach dem Hochenergie-Röntgenimpuls mit einem mittleren Energieniveau H. Das hoch auflösende Bild D_FLh(x, y) erfasst der vordere Detektor 16 nach dem Niedrigenergie-Röntgenimpuls mit einem mittleren Energieniveau L. Das hoch auflösende Bildpaar des vorderen Detektors 16 kann man schreiben als DfHh(x, y) = ∫[Φ0H(E) × exp(–(μb(E) × b(x, y) + μs(E) × s(x, y)))] × Sf(E)dE + ∫ΦfS(E, x, y) × Sf(E)dE (3a)und DfLh(x, y) = ∫[Φ0L(E) × exp(–(μb(E) × b(x, y) + μs(E) × s(x, y)))] × Sf(E)dE + ∫ΦfS(E, x, y) × Sf(E)dE. (3b)
Weiterhin kann man die niedrig auflösenden Hauptbilder des hinteren Detektors 26, die aus dem Gleichungspaar 2a, 2b abgeleitet werden, schreiben als DrHpl(i, j) = ∫[Φ0H(E) × exp(–(μb(E) × b(i, j) + μs(E) × s(i, j)))] × Sr(E)dE (4a) und DrLpl(i, j) = ∫[Φ0L(E) × exp(–(μb(E) × b(i, j) + μs(E) × s(i, j)))] × Sr(E)dE, (4b)wobei die Φ_0H(E) und die Φ_0L(E) die Energiespektren der Röntgenstrahlenquelle 14 auf dem höheren Energieniveau H und dem niedrigeren Energieniveau L sind. Die Projektionsmassendichten b(i, j) und s(i, j) des Objekts 12 haben die Einheit Gramm/Zentimeter² (g/cm²). μ_b(E) ist der Massendämpfungskoeffizient von Knochengewebe, und μ_s(E) ist der Massendämpfungskoeffizient von Weichgewebe. Die Einheit für μ_b(E) und μ_s(E) ist Zentimeter²/Gramm (cm²/g). Beide Werte sind bekannt; sie wurden vor vielen Jahren experimentell bestimmt und tabelliert. Der Ausdruck [Φ₀(E) × exp(–(μ_b(E) × b(x, y) +μ_s(E) × s(x, y)))] ist das Energiespektrum der Hauptröntgenstrahlen, die auf den vorderen Detektor 16 treffen, nachdem sie das Objekt 12 durchlaufen haben, wobei exp() den Wert e erhoben in die Potenz angibt, die in den Klammern angegeben ist. S_f(E) ist die spektrale Röntgenstrahlenempfindlichkeit (die elektrische Signalamplitude des Detektors als Funktion der Anzahl der Röntgenstrahlen mit der Energie E nachdem die Röntgenstrahlen das Bildobjekt durchlaufen haben) des Detektors 16. Man beachte, dass S_f(E) nicht nur die spektrale Röntgenstrahlenempfindlichkeit des Detektors selbst enthält, sondern auch den Röntgenstrahl-Transmissionsfaktor, der die Absorption der Röntgenstrahlen zwischen dem Objekt 12 und dem vorderen Detektor 16 beschreibt. Diese Absorption erfolgt beispielsweise im schützenden Gehäusematerial des vorderen Detektors. Der Term ∫Φ_S(E) × S_f(E)dE stellt das Signal dar, das durch Streuung verursacht wird. Den exakten Ausdruck für die Streuung kennt man nicht, da der Streuvorgang so kompliziert ist, dass man ihn nicht exakt modellieren kann. Die Koordinate (x, y) gehört zu einer Zelle des vorderen Detektors.
Im Gleichungspaar 4a, 4b besteht das niedrig auflösende Doppelenergie-Bildpaar aus Hauptsignalen und weist keine Streuverzerrungen auf. Verwendet man die Doppelenergie-Datendekompositionsverfahren, die oben skizziert wurden und im Folgenden beschrieben werden, so wird das gekoppelte Gleichungspaar 4a, 4b gelöst, damit man die Lösungen für Bildpaar mit der Materialzusammensetzung b(i, j) und s(i, j) findet. Aufgrund des Datendekompositionsverfahrens, erfolgt das Lösen des hoch entwickelten Gleichungssystems 4a und 4b mit einem Computerprogramm, das ein Wertepaar b(i, j) und s(i, j) als Ausgabe für ein gegebenes Datenpaar D_rHpl(i, j), D_rLpl(i, j) als Eingabe erzeugt.
Da wie beschrieben die hintere Detektorzelle (i, j) und die vordere Detektorzelle (x(i), y(j)) auf der gleichen ausgewählten Projektionslinie liegen, kann man das niedrig auflösende Hauptbildpaar D_fHpl(x(i), y(j)), D_fLpl(x(i), y(j)) am vorderen Detektor zudem aus dem Hauptbildpaar D_fHpl(i, j), D_fLpl(i, j) am hinteren Detektor ermitteln, indem man das Datendekompositionsverfahren erneut anwendet. Zudem findet man das Streubildpaar D_fHsl(x(i), y(j)), D_fLsl(x(i), y(j)) am vorderen Detektor durch die Gleichungen DfHsl(x(i), y(j)) = DfHl(x(i), y(j)) – DfHpl(x(i), y(j)) (5a)und DfLsl(x(i), y(j)) = DfLl(x(i), y(j)) – DfLpl(x(i), y(j)). (5a)
Der folgende Schritt besteht aus dem Interpolieren der Werte für das niedrig auflösende Streubild D_fHsl(x(i), y(j)) und D_fLsl(x(i), y(j)), damit diejenigen Detektorzellen eingeschlossen werden, die nicht auf ausgewählten Projektionslinien liegen. Man erhält zwei hoch auflösende Streubilder D_fHsh(x, y) und D_fLsh(x, y). Die Interpolation führt aufgrund der Art des physikalischen Streuvorgangs nicht zu einem Genauigkeitsverlust, siehe oben. Man beachte jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen dem Streubild und dem Hauptbild. Das Streubild kann man aufgrund der Natur der Streuung interpolieren. Das Hauptbild kann man nicht interpolieren, da sich das Hauptbild mit dem Objekt 12 von Detektorzelle zu Detektorzelle ändert.
Im Fortgang werden die hoch auflösenden Hauptbilder auf dem vorderen Detektor mit D_fHph(x, y) und D_fLph(x, y) bezeichnet. Es gilt DfHph(x, y) = DfHh(x, y) – DfHsh(x, y) (6a)und DfLph(x, y) = DfLh(x, y) – DfLsh(x, y). (6b)
Das Bildpaar D_fHph(x, y), D_fLph(x, y) stellt zwei Doppelenergie-Röntgenbilder ohne Streuung dar. Dieses Bildpaar hängt seinerseits mit der Materialzusammensetzung des Objekts über die folgenden Gleichungen zusammen DfHph(x, y) = ∫[Φ0H(E) × exp(–(μb(E) × b(x, y) + μs(E) × s(x, y)))] × Sf(E)dE (7a)und DfLph(x, y) = ∫[Φ0L(E) × exp(–(μb(E) × b(x, y) + μs(E) × s(x, y)))] × Sf(E)dE. (7b)
Anders als das gekoppelte Gleichungssystem 3a, 3b enthält das gekoppelte Gleichungssystem 7a, 7b nur Hauptröntgenstrahl-Signale und ist frei von Streuungsstörungen. Dieses Gleichungspaar stellt das fundamentale Doppelenergie-Röntgenbildgebungs-Gleichungssystem mit dem noch nie dagewesenen Merkmal dar, dass die Streustrahlung im Wesentlichen aus dem zweidimensionalen Detektor entfernt worden ist. Im Gleichungspaar 7a, 7b kennt man die Werte von D_fHph(x, y), D_fLph(x, y) aus den beschriebenen Berechnungen, die mit dem Bildpaar D_fHh(x, y), D_fLh(x, y) vorgenommen werden, das direkt am vorderen Detektor 16 gemessen wird, und an den Bildern D_rHsl(i', j'), D_rLsl(i', j'), D_rHl(i, j) und D_rLl(i, j), die direkt am hinteren Detektor 26 gemessen werden. Die unbekannten Werte sind die beiden Materialzusammensetzungsbilder b(x, y) und s(x, y).
Das Doppelenergie-Röntgenstrahl-Datendekompositionsverfahren kann man weiter auf das Gleichungspaar 7a, 7b anwenden. Man erhält unter Verwendung der quantitativen Zusammenhänge b = b(D_H, D_L) und s = s(D_H, D_L), die das Datendekompositionsverfahren liefert, ein Paar hoch auflösender Bilder b(x, y) und s(x, y) leicht punktweise für alle vordere Detektorzellen (x, y). Die Lösung der zweikomponentigen Materialzusammensetzungsbilder b(x, y) und s(x, y) hat eine räumliche Auflösung, die so hoch ist, wie sie der vordere Detektor 16 bieten kann.
In einer Alternative zur ersten Ausführungsform setzt man eine Röntgenstrahlenquelle ein, die eine umschaltende Hochspannungsversorgung hat. Die umschaltende Hochspannungs-Röntgenstrahlenquelle erzeugt kontinuierlich Röntgenstrahlen und wechselt dabei zwischen Niedrigenergie-Röntgenstrahlen und Hochenergie-Röntgen strahlen. Die umschaltende Hochspannungs-Röntgenstrahlenquelle kann man als wiederholende Doppelimpuls-Röntgenstrahlenquelle behandeln.
Lo et al. und weitere Zeitschriftenartikel wurden hinsichtlich der Verwendung eines Strahlstopverfahrens publiziert, mit dem Streuungseffekte verringert werden sollen. Lo et al. verwenden eine Strahlstopanordnung, die zwischen zwei stimulierbaren Speicherplatten liegt, damit man auf dem hinteren Schirm ein reines Streubild erhält. Es tritt eine gewisse Ähnlichkeit zur Detektorgeometrie der Erfindung auf, die Ähnlichkeit ist jedoch nur oberflächlich. Der wesentliche Unterschied zwischen der Erfindung und Lo et al. wird im Folgenden erklärt.
(1) Lo et al. verwenden ein Einzelenergieverfahren, in der Erfindung wird dagegen ein Doppelenergieverfahren eingesetzt. Das reine Streubild, das mit einem einzigen Röntgenstrahlen-Energiespektrum am hinteren Detektor erfasst wird, wird mit einer Konstanten multipliziert, von der vorausgesetzt wird, dass sie für alle Pixel des Bilds gemeinsam gilt. Das Produktbild wird als Streubild für den vorderen Detektor verwendet. Damit unterscheidet sich das Verfahren von Lo. et al wesentlich von der Erfindung. Gemäß der beschriebenen mathematischen und physikalischen Theorie der Erfindung besteht kein funktionaler Zusammenhang zwischen einem Einzelbild des vorderen Detektors und einem Einzelbild des hinteren Detektors ohne Kenntnis des unbekannten Bildobjekts, weil die Röntgenstrahlen-Energiespektren eine breite Energieverteilung aufweisen. Wird das unbekannte Bildobjekt in die Berechnungen einbezogen, so ist die Nutzbarkeit der Zusammenhänge sehr begrenzt. Damit kennt man im Stand der Technik einschließlich der Artikel von Lo et al. kein Verfahren, das einen derartigen funktionalen Zusammenhang ohne Abhängigkeit vom unbekannten Bildobjekt herstellen kann. Die Erfindung stellt über zwei Doppelenergie-Hauptröntgenstrahl-Signale einen definierten funktionalen Zusammenhang zwischen den Bildern des vorderen Detektors und den Bildern des hinteren Detektors her. Dies kann man durch die folgenden Gleichungen 8a – 8f ausdrücken. Es gilt Dfp(x(i), y(j)) ≠ Konstante × Drp(i, j). (8a)
Dies bedeutet, dass jeder Versuch, das Hauptbild des vorderen Detektors durch das Multiplizieren des hinteren Detektorbilds mit einer Kalibrierkonstante zu gewinnen nicht zu einem echten Hauptröntgenstrahlen-Bild des vorderen Detektors führt. Das Gleiche gilt für das Streuröntgenstrahlen-Bild, d. h. Dfs(x(i), y(j)) ≠ Konstante × Drs(i, j). (8b)
Ferner gilt Dfp(x(i), y(j)) ≠ F(Drp(i, j)), (8c)wobei F irgendeinen definierten funktionalen Zusammenhang darstellt. Dies bedeutet auch, dass jeder Versuch, das Hauptbild des vorderen Detektors durch das Anwenden irgendeiner mathematischen Operation auf das Bild des hinteren Detektors zu gewinnen, nicht zu einem echten Hauptröntgenstrahlen-Bild des vorderen Detektors führt. Das Gleiche gilt für das Streuröntgenstrahlen-Bild, d. h. Dfs(x(i), y(j)) ≠ F(Drs(i, j)). (8d)
Der einzige Zusammenhang, den das grundlegende physikalische Gesetz im Hardwaresystem der ersten Ausführungsform herzustellen erlaubt, hat die folgende Form: DfHp(x(i), y(j)) = DfHp(DrH(i, j), DrL(i, j)), (8e) DfLp(x(i), y(j)) = DfLp(DrH(i, j), DrL(i, j)). (8f)
Mit Worten ausgedrückt heißt dies, dass beim Ausführen einer Doppelenergie-Röntgenbildgebung das Niedrigenergie-Hauptröntgenstrahlen-Bild des vorderen Detektors einen exakten, strengen und eindeutigen Zusammenhang (8e) mit dem Hauptbildpaar des hinteren Detektors aufweist. Das Gleiche gilt für den Zusammenhang (8f) des Hochenergie-Hauptbilds des vorderen Detektors. Diese Zusammenhänge sind unabhängig vom Bildobjekt, und man kann sie daher durch Kalibrierungen ohne Bildobjekt ermitteln. Diese Zusammenhänge gelten generell über das gesamte Bild für jedes Pixel. Das Datendekompositionsverfahren der Erfindung ist das Verfahren, mit dem man diese Zusammenhänge quantitativ gewinnt. Dies stellt eine der wichtigsten Schlussfolgerungen der Erfindung dar.
(2) Wegen der Unterschiede in der Theorie und im Verfahren zwischen Lo et al. und der Erfindung unterscheidet sich auch die Hardware ganz wesentlich. Der wichtigste besondere Unterschied in der Hardware besteht darin, dass gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung die Röntgenstrahlenquelle eine Doppelenergie-Röntgenstrahlenquelle sein muss, wogegen bei Lo et al. nur eine Röntgenstrahlenquelle mit einer En ergie verwendet wird.
Zweite Ausführungsform
In der zweiten Ausführungsform der Einrichtung, siehe 5, unterscheiden sich der vordere Detektor 16 und die Strahlauswahlvorrichtung 18 nicht von der ersten Ausführungsform. Ein Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Röntgenstrahlenquelle 14 beim Bestrahlen des Objekts ein monoenergetisches Spektrum aussendet. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die hintere Detektorbaugruppe 26 als Doppelenergie-Röntgenbildgebungs-Detektorbaugruppe oder als einzelner zweidimensionaler Detektor aufgebaut ist. Ist die hintere Detektorbaugruppe 26 als Doppelenergie-Röntgenbildgebungs-Detektorbaugruppe gestaltet, so umfasst sie einen zweidimensionalen Niedrigenergiedetektor 40, ein Spektralfilter 42 für Röntgenstrahlenergie und einen zweidimensionalen Detektor 44 für hohe Energie. Das Filter 42 arbeitet in herkömmlicher Weise. Es weist eine Durchlassfunktion exp(–μ(E) × d) auf, wobei E die Energie der Röntgenstrahlen, μ(E) der Massendämpfungskoeffizient des Filtermaterials und d die Dicke des Filters 42 ist. Da die Absorption der Röntgenstrahlen von der Energie der Röntgenstrahlen abhängt (der Massendämpfungskoeffizient ist eine Funktion von E), absorbiert das Filter 42 mehr Röntgenstrahlen 46 mit geringer Energie als hochenergetische Röntgenstrahlen 48. Damit ist das Verhältnis der hochenergetischen Röntgenstrahlen 48 zu den Röntgenstrahlen 46 mit geringer Energie nach dem Filter 42 größer als vor dem Filter 42, und die mittlere normierte Röntgenstrahlenenergie nach dem Filter 42 ist größer als vor dem Filter 42. Bevorzugt haben die niederenergetischen Röntgenstrahlen eine mittlere Energie von 10 keV bis 100 keV und die hochenergetischen Röntgenstrahlen eine mittlere Energie von 30 keV bis 500 keV, wobei die hochenergetischen Röntgenstrahlen eine höhere Energie aufweisen als die niederenergetischen Röntgenstrahlen.
Nach der Bestrahlung mit den Röntgenstrahlen werden zwei Bilder des hinteren Detektors 26 erfasst. Die Koordinaten in jedem dieser beiden Bilder weisen die allgemeine Bezeichnung (I, J) mit I = 1, 2, 3 ..., N und J = 1, 2, 3, ..., M auf, wobei M und N natürliche Zahlen sind. (I, J) weist zwei Untermengen (i, j) und (i', j') auf. Die Datenuntermenge an den Orten (i', j') sind nur die gestreuten Röntgensignale, die mit D_rHsl(i', j') und D_rLsl(i', j') bezeichnet sind. Die Datenuntermenge an den Orten (i, j) ist aus Hauptröntgenstrahl-Signalen und Streuröntgenstrahl-Signalen zusammengesetzt, die mit D_rHl(i, j) bzw. D_rLl(i, j) bezeichnet sind. Die Orte (i, j) sind so gewählt, dass sie gleichförmig die gesamte Bildebene des hinteren Detektors abdecken und räumlich nahe an den Orten (i', j') liegen. Da die Bilder D_rHsl(i', j') und D_rLsl(i', j') beide nur Streuröntgenstrahl-Signale sind, können sie durch Interpolation auf die gesamte Bildebene des hinteren Detektors 26 erweitert werden. Die Interpolation verursacht wie beschrieben keine Fehler, die nicht vernachlässigbar sind. Damit gewinnt man die reinen Streuungssignale an dem ausgewählten Ort (i, j) durch Interpolation und bezeichnet sie mit D_rHsl(i, j) und D_rLsl(i, j). Somit kann man ein Paar Hauptbildsignale D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) wie folgt berechnen: DrHpl(i, j) = DrHl(i, j) – DrHsl(i, j), (9a) DrLpl(i, j) = DrLl(i, j) – DrLsl(i, j), (9b)wobei D_rHl(i, j) und D_rLl(i, j) die direkt erfassten Daten bei (i, j) sind und D_rHsl(i, j) und D_rLsl(i, j) die Streudaten, die aus der Untermenge (i', j') interpoliert werden.
Der folgende Schritt besteht darin, die Hauptbilder am vorderen Detektor aus dem Hauptbildpaar D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) zu berechnen. Das hoch auflösende Bild des vorderen Detektors kann man schreiben Dfh(x, y) = ∫[Φ0(E) × exp(–(μb(E) × b(x, y) + μs(E) × s(x, y)))] × Sf(E)dE + ∫ΦS(E, x, y) × Sf(E)dE. (10)
Dabei stellt Φ_S(E) × S_f(E)dE das durch die Streuung verursachte Signal dar.
Die hintere Detektorbaugruppe 26 weist zwei Detektoren 40 und 44 auf, so dass man wie in (9a) und (9b) abgeleitet zwei niedrig auflösende Hauptbilder D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) erhält, für die gilt: DrHpl(i, j) = ∫[Φ0(E) × exp(–(μb(E) × b(i, j) + μs(E) × s(i, j)))] × SrH(E)dE (11a)und DrLpl(i, j) = ∫[Φ0(E) × exp(–(μb(E) × b(i, j) + μs(E) × s(i, j)))] × SrL(E)dE. (11b)
Man beachte, dass wie oben S_rH(E) und S_rL(E) die Röntgenstrahl-Transmissionsfaktoren enthalten, die für die Absorption der Röntgenstrahlen zwischen dem Objekt 12 und den jeweiligen hinteren Detektoren 40, 44 verantwortlich sind. Die Absorption für S_rH(E) beruht beispielsweise auf der vorderen Detektorbaugruppe 16, dem Spektralfilter 42, dem Schutzgehäuse des hinteren Detektors und dem hinteren Detektor für niedrige Energie.
Die Gleichungen 11a und 11b bilden ein gekoppeltes Gleichungssystem, bei dem die Werte für das Signalpaar D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) bekannte Größen sind. Die energieabhängigen Funktionen Φ₀(E) × S_rH(E) und Φ₀(E) × S_rL(E) sind nicht unmittelbar bekannt; man kann sie jedoch in einem Kalibriervorgang bestimmen. Das im Weiteren beschriebene Datendekompositionsverfahren bietet einen Weg, diese Größen vor den Abbildungsvorgängen zu bestimmen. b(i, j) und s(i, j) sind die unbekannten Größen, für die das Gleichungspaar 11a, 11b gelöst werden muss, siehe die folgende Beschreibung.
Mit dem Datendekompositionsverfahren der Erfindung werden, wie im Folgenden beschrieben wird, exakte b(i, j) und s(i, j) berechnet. Nachdem man die Werte für b(i, j) und s(i, j) kennt, kann man das niedrig auflösende streuungsfreie vordere Bild D_fpl(x, y) für diejenigen vorderen Detektorzellen (x(i), y(j)) ermitteln, die auf den ausgewählten Projektionslinien liegen, und zwar mit Hilfe von Dfpl(x(i), y(j)) = ∫[Φ0(E) × exp(–(μb(E) × b(i, j) + μs(E) × s(i, j)))] × Sf(E)dE, (12)wobei die energieabhängige Funktion Φ₀(E) × S_f(E)dE durch Kalibrieren gegeben ist. Dies wird im Datendekompositionsabschnitt unten beschrieben.
Nun wird das niedrig auflösende vordere Streubild D_fsl(x(i), y(j)) durch das Anwenden von Gleichung (1) ermittelt Dfsl(x(i), y(j)) = Dfl(x(i), y(j)) – Dfpl(x(i), y(j)).
Aufgrund der physikalischen Natur der Streuung kann man wie beschrieben das niedrig auflösende Streubild D_fsl(x(i), y(j)) durch Interpolation ohne Genauigkeitsverlust auf die gesamte (x, y)-Ebene erweitern. Man erhält das hoch auflösende Streubild D_fsH(x, y), das daraufhin vom experimentell gemessenen Bild D_fh(x, y) subtrahiert wird. Man erhält das hoch auflösende Hauptbild D_fph(x, y). In der zweiten Ausführungsform erfolgt die Doppelenergie-Bildgebung zum Verbessern der Bildqualität des vorderen Detektors und zum Entfernen der Streuung aus dem Bild des vorderen Detektors.
Die hintere Detektorbaugruppe kann auch als einzelner zweidimensionaler Detektor aufgebaut sein, der ein einzelnes niedrig auflösendes Hauptröntgenstrahlen-Bild D_rl(i, j) ermittelt, und man kann daraus das Hauptröntgenstrahl-Bild des vorderen Detektors berechnen. Man beachte dass man wie beschrieben gemäß der Erfindung generell keinen einfachen funktionalen Zusammenhang zwischen einem einzigen Hauptröntgenstrahl-Bild des hinteren Detektors und dem Hauptbild des vorderen Detektors herstellen kann. Der wichtigste Grund für diese allgemeine Regel ist darin zu suchen, dass das Bildobjekt zwei Materialzusammensetzungen enthält, die jeweils einen unterschiedlichen energieabhängigen Röntgenstrahlen-Dämpfungskoeffizienten aufweisen. Da die Röntgenstrahlen von der Röntgenstrahlenquelle generell ein breites Energieverteilungsspektrum aufweisen, sind zwei mit einem hochenergetischen Röntgenstrahlenspektrum und einem niederenergetischen Röntgenstrahlenspektrum erfasste Hauptbilder erforderlich, um einen objektiven und exakten Zusammenhang zwischen dem Hauptbild des vorderen Detektors und dem Hauptbild des hinteren Detektors herzustellen. Dieses Prinzip ist jedoch unvollständig, solange man nicht zwei Sonderfälle betrachtet. Der erste Fall liegt vor, falls man die Materialzusammensetzung des Bildobjekts näherungsweise durch nur ein Material beschreiben kann. Trifft dies zu, so werden die beiden Gleichungen (11a) und (11b) voneinander abhängig, d. h. sie fallen zu einer Gleichung zusammen.
Der zweite Sonderfall liegt vor, wenn der Bereich der spektralen Verteilung der Röntgenstrahlenenergie hinreichend schmal ist, so dass man die Röntgenstrahlen näherungsweise so betrachten kann, als hätten sie nur eine einzige Energie oder eine exakt definierte mittlere Energie E₀. Die Signale am vorderen Detektor werden zu DfPl(x(i), y(j)) = Φ0(E0) × exp(–(μb(E0) × b(x(i), y(j)) + μs(E0) × s(i, j))) × Sf(E0), (13a)und die Signale am hinteren Detektor werden zu Drl(i, j) = Φ0(E0) × exp(–(μb(E0) × b(i, j) + μs(E0) × s(i, j))) × Sr(E0). (13b)
Man erhält
Die Konstante C₀(i, j) ist unabhängig vom Objekt und kann vorab bestimmt werden, bevor man das System für Bildgebungsvorgänge verwendet. Mit Hilfe der Konstanten C₀(i, j) wird das niedrig auflösende Hauptbild des vorderen Detektors D_fPl(x(i), y(j)) direkt aus dem niedrig auflösenden Hauptbild des hinteren Detektors D_rPl(i, j) berechnet.
Das Verfahren zum Gewinnen eines einzigen Hauptröntgenstrahl-Bilds für den hinteren Detektor gleicht im Wesentlichen der beschriebenen Vorgehensweise. Die folgenden Prozeduren werden abgearbeitet.
Nach dem Bestrahlen mit Röntgenstrahlen werden zwei Bilder des hinteren Detektors 26 erfasst. Die Koordinaten in jedem dieser beiden Bilder weisen die allgemeine Bezeichnung (I, J) mit I = 1, 2, 3 ..., N und J = 1, 2, 3, ..., M auf, wobei M und N natürliche Zahlen sind. (I, J) weist zwei Untermengen an Orten (i, j) und (i', j') auf. Die Datenmenge an den Orten (i', j') sind nur die gestreuten Röntgensignale, die mit D_rsl(i', j') bezeichnet sind. Die Datenmenge an den Orten (i, j) ist aus Hauptröntgenstrahl-Signalen und Streuröntgenstrahl-Signalen zusammengesetzt und wird mit D_rl(i, j) bezeichnet. Die Orte (i, j) sind so gewählt, dass sie gleichförmig die gesamte Bildebene des hinteren Detektors abdecken und räumlich nahe an den Orten (i', j') liegen. Da das Bild D_rsl(i', j') nur Streuröntgenstrahl-Signale enthält, können sie durch Interpolation auf die gesamte Bildebene des hinteren Detektors 26 erweitert werden. Damit gewinnt man die reinen Streuungssignale an dem ausgewählten Ort (i, j) durch Interpolation und bezeichnet sie mit D_rsl(i, j). Somit kann man die Hauptbildsignale D_rpl(i, j) wie folgt berechnen: Drpl(i, j) = Drl(i, j) – Drsl(i, j). (15)
Das Hauptbild am vorderen Detektor kann man aus dem Hauptbild D_rpl(i, j) durch den Gebrauch von Gleichung (14) berechnen.
Die wesentlichen Unterschiede zwischen dem Verfahren und der Hardware von Lo et al. und dem Verfahren und der Hardware der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden im Folgenden erklärt.
Erstens liegt der Schlüsselteil des Verfahrens von Lo et al. darin, zu versuchen, einen Zusammenhang zwischen den Streubildern am vorderen Detektor und dem Streu bild am hinteren Detektor herzustellen. Ein Schlüsselaspekt des Verfahrens der Erfindung besteht darin, den Zusammenhang zwischen den Hauptbildern des vorderen Detektors und dem Hauptbild des hinteren Detektors herzustellen. Eine zweifelsfreie theoretische Begründung für die Verfahren von Lo et al. muss erst noch geliefert werden. Man beachte, dass gemäß der allgemein akzeptierten Theorie die Photonen von Streuröntgenstrahlen ziemlich komplizierte und ziemlich breite unbekannte räumliche Verteilungen aufweisen, und dass sie zugleich ziemlich komplizierte und ziemlich breite unbekannte Energieverteilungen aufweisen. Die Faktoren, die die Streusignale beeinflussen sind also derart verwickelt, dass man sie nicht einbeziehen kann. Insoweit gibt es keinen Beweis, dass man dieses allgemein akzeptierte Konzept verlassen sollte.
Zweitens weist aufgrund der Unterschiede in der Theorie und im Verfahren zwischen Lo et al. und der Erfindung die Hardware ebenfalls beträchtliche Unterschiede auf. Die wichtigste spezifische Differenz in der Hardware besteht darin, dass es für das Verfahren von Lo et al. erforderlich ist, dass die Detektorzellen hinter dem Strahlstop ein reines Streusignal erfassen können. Es liegen keine weiteren Anforderungen vor. Insbesondere wird für diejenigen Detektorzellen nichts gefordert, die nicht von dem Strahlstop abgedeckt sind. Ob diese nicht abgedeckten Detektorzellen ein Nullsignal erfassen können oder ob sie einfach nicht arbeiten und nicht in der Lage sind, irgendein Signal zu erfassen, ist für Lo et al. unwichtig. Kurz gesagt verlangt das Verfahren von Lo et al. nur das Erfassen eines Bilds, nämlich eines Streubilds. Dagegen verlangt das Verfahren der Erfindung, dass die niedrig auflösende hintere Detektoranordnung zwei voneinander unabhängige Bilder aufzeichnet, nämlich das Streubild von den Detektorzellen hinter den absorbierenden Zylinderblöcken und das kombinierte Hauptröntgenstrahl/Streubild von den Detektorzellen, die von den Absorptionsblöcken nicht abgedeckt werden. Die Erfindung verlangt, dass die nicht abgedeckten Detektorzellen ein kombiniertes Signal aufzeichnen, das exakte Daten sowohl für die Hauptröntgenstrahlen als auch exakte Daten für die Streuung enthält, und dass die Position der nicht abgedeckten Detektorzellen ausreichend nahe an den abgedeckten Detektorzellen liegen muss. Das Hauptröntgenstrahl-Bild an den ausgewählten Erfassungsorten (i, j) darf nicht gestört werden. Die Störung ist als regelwidrige Behinderung der Hauptröntgenstrahlen-Transmission auf ihren Projektionslinien (i, j) definiert. Ist im Weg der Röntgenstrahlen kein Röntgenstrahlen absorbierendes Material vorhanden, so erfolgt keine Störung. Ist im Weg der Röntgenstrahlen Material vorhanden, so muss man die Röntgenstrahltransmission genau kennen. Andernfalls kann man den Zusammenhang zwischen dem Hauptsignal des vorderen Detektors und dem Hauptsignal des hinteren Detektors am Ort (i, j) nicht herstellen. Im Gegensatz dazu schließen Lo et al. irgendwelche Forderungen hinsichtlich der Hauptröntgenstrahlen überhaupt aus. Folglich sind diese gewichtigen Anforderungen für die Erfindung für Lo et al. unwichtig.
Schließlich ist der Detektor von Lo et al. eine stimulierbare Speicherplatte, die nur eine halbquantitative Vorrichtung darstellt, die sich nicht für eine hochgenaue quantitative Bildgebung eignet. Die für die Erfindung erforderlichen digitalen Detektoren sind hochgradig genaue quantitative großformatige integrierte Halbleiterdetektoranordnungen.
Das Datendekompositionsverfahren
Es folgt eine Beschreibung des oben zusammenfassend erklärten Datendekompositionsverfahrens in Einzelschritten.
Der erste Schritt besteht darin, im dreidimensionalen Raum die beiden gekoppelten numerischen Oberflächengleichungen D_H = F_DH(b, s) und D_L = F_DL(b, s) aufzustellen. Ein bevorzugtes Verfahren zu diesem Zweck ist das Bestimmen der energieabhängigen Funktionen des Erfassungssystems und das Anwenden dieser Funktionen zum Berechnen der numerischen Felder für D_H und D_L.
Man beachte, dass zwischen dem Gleichungspaar 11a, 11b und dem Gleichungspaar 4a, 4b ein Unterschied besteht. Verwendet man eine vereinheitlichte Bezeichnungsweise, so haben die beiden Paare die gleiche Form. Die energieabhängige Systemfunktion eines Detektors wird mit sps(E) bezeichnet und ist definiert als sps(E) = Φ0(E) × S(E), (16)wobei Φ₀(E) das Röntgenstrahlen-Energiespektrum ist, das die Röntgenstrahlenquelle 14 abgibt, und S(E) die Energieantwortfunktion des Detektors. In der ersten Ausführungsform wird das Gleichungspaar 4a, 4b zu spsH(E) = Φ0H(E) × Sf(E) (17a)und spsL(E) = Φ0L(E) × Sf(E). (17b)
In der zweiten Ausführungsform wird das Gleichungspaar 11a, 11b zu spsH(E) = Φ0(E) × SfH(E) (18a)und spsL(E) = Φ0(E) × SfL(E). (18b)
Die Funktion sps(E) enthält die vollständigen energieabhängigen Merkmale des Doppelenergie-Bildgebungssystems. Der Vorteil durch das Bestimmen von sps(E) liegt darin, dass alle nachfolgenden Datenverarbeitungsverfahren vom Objekt 12 unabhängig gemacht werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Ermitteln der energieabhängigen Funktion sps(E) des Bildgebungssystems besteht darin, das etablierte Absorptionsverfahren zu verwenden. Man misst eine Absorptionskurve mit Hilfe eines kollimierten schmalen Hauptröntgenstrahls. Eine Absorptionsplatte, die aus einem bekannten Material besteht, beispielsweise Aluminium, Lucite® oder Kupfer, wird zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem Detektor angeordnet. Das elektrische Signal einer einzelnen Detektorzelle D(t) als Funktion der Absorptionsplattendicke t wird experimentell ermittelt und mit der Gleichung D(t) = ∫sps(E) × exp(–μ(E) × t)dE (19)mit sps(E) verknüpft. Da der Massendämpfungskoeffizient μ(E) des Absorptionsplattenmaterials bekannt ist, kann man die Funktion sps(E) mit der Genauigkeit bestimmen, die die Doppelenergie-Röntgenbildgebung erfordert. Das Verfahren ist insbesondere bequem für zweidimensionale Röntgenstrahl-Detektoren mit interner Umwandlung. Bei diesen Detektoren kann man die Detektionswirksamkeit und die Detektorenergie-Antwortfunktion durch einen einfachen analytischen Ausdruck beschreiben, der einige unbekannte Parameter enthält, die bestimmt werden müssen. Die Energieantwortfunktion für Detektoren mit interner Umwandlung lässt sich schreiben als S(E) = S0(E) × S1(E) (20a)oder S(E)= {[1 – exp(–μ0(E) × d)] × αE} × exp(–μ1(E) × d1 – μ2(E) × d2), (20b) wobei S₀(E) = [1 – exp(–μ₀(E) × d)] × αE die elektrische Signalamplitude ist, die von Röntgenphotonen mit der Energie E induziert wird, μ₀(E) der Massendämpfungskoeffizient der Detektor-Umwandlungsschicht, d die Dicke der Umwandlungsschicht der Detektorzelle, und S₁(E) = exp(–μ₁(E) × d₁ – μ₂(E) × d₂) die Röntgenstrahlen-Transmission nach dem Verlassen des Bildobjekts auf die Detektoroberfläche, und μ₁(E) und μ₂(E) die Dämpfungskoeffizienten von zwei gegebenen Materialien sind und d₁ und d₂ die Dickenwerte dieser Materialien sind.
Misst man das Röntgenstrahlen-Energiespektrum Φ₀(E) getrennt, so werden die unbekannten Parameter α, d, d₁ und d₂ anhand von Gleichung (19) durch übliche Parameteranpassverfahren mit Hilfe der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt. Damit erhält man die energieabhängige Funktion sps(E) für eine einzige Zelle mit einem hohen Genauigkeitsgrad. Nach der Normierung stellt die energieabhängige Funktion sps(E) einer Zelle die Funktion für alle Zellen des gleichen Detektors dar.
Ist der Wert für sps(E) mit der gewünschten Genauigkeit ermittelt, so berechnet man die Doppelenergiesignale als Funktion der Materialzusammensetzung des Objekts durch die Gleichungen DH = ∫spsH(E) × exp(–(μb(E) × b + μs(E) × s))dE (21a)und DL = ∫spsL(E) × exp(–(μb(E) × b + μs(E) × s))dE, (21b)wobei μ_b(E) und μ_s(E) die bekannten Massendämpfungskoeffizienten für Knochengewebe bzw. Weichgewebe sind. Den Massenoberflächendichten b und s werden Werte zugewiesen, die den realen Bereich des Objekts 12 ausreichend abdecken.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Aufstellen der quantitativen expliziten Funktionen D_H = F_DH(b, s) und D_L = F_DL(b, s) besteht darin, direkte Messungen der Signale D_H und D_L bei einer Anzahl ausgewählter Werte von b und s vorzunehmen. Die Anzahl der Datenpunkte für b und s liegt im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 30. Die Genauigkeit der Ergebnisse wird umso besser je mehr Datenpunkte man verwendet. Die Anzahl an Datenpunkten ist jedoch durch den noch hinnehmbaren Arbeitsumfang beschränkt. Die gesamten Funktionen D_H = F_DH(b, s) und D_L = F_DL(b, s) erhält man aus den direkt gemessenen Datenpunkten durch zweidimensionale Standard-Interpolationsalgorithmen. Nach der Interpolation sind zwischen ungefähr 50 und ungefähr 50000 Datenpunkte für b und s vorhanden. Die Interpolation ist in diesem Fall gültig, da die Funktionen D_H = F_DH(b, s) und D_L = F_DL(b, s) stetig, glatt und monoton sind.
Der zweite Schritt besteht im Bestimmen der Materialzusammensetzungsbilder b und s als Funktionen des Bildpaars D_H, D_L. Die Prozeduren zum Gewinnen eines gekoppelten Gleichungssystems für b(D_H, D_L) und s(D_H, D_L) sind graphisch in 7a bis 7d dargestellt. Um dies zu erreichen muss das gekoppelte Gleichungspaar D_H = F_DH(b, s) und D_L = F_DL(b, s) invertiert werden. Ein bevorzugtes Inversionsverfahren verläuft wie folgt. (1) Weise wie in 7a und 7b b und s ein Paar Werte im gewünschten Bereich zu, die einem der Koordinatenpunkte in der (b, s)-Ebene entsprechen, so dass gilt b = b_n und s = s_m mit n = 0, 1, 2, ..., N und m = 0, 1, 2, ..., M. Gängige Werte für N und M liegen im Bereich ungefähr 50 und ungefähr 5000. Die Genauigkeit der Ergebnisse wird umso besser je größer N und M sind. Die größten Werte für N und M sind durch die verfügbare Kapazität des Computerspeichers und die Rechengeschwindigkeit begrenzt. Bestimme aus den beiden numerischen Gleichungen, die die dreidimensionalen Oberflächen F_DL(b, s) und F_DH(b, s) darstellen, ein Paar Werte D_H, D_L so dass gilt D_H[n, m] = D_H(b = b_n, s = s_m) und D_L[n, m] = D_L(b = b_n, s = s_m), wobei D_H[n, m] und D_L[n, m] zwei bestimmte Gleitkommazahlen sind. (2) Zeichne wie in 7c und 7d die vier Zahlen D_H[n, m], D_L[n, m], b_n und s_m erneut, damit ein Datenpunktpaar auf den dreidimensionalen Oberflächen b(D_H, D_L) und s(D_H, D_L) geliefert wird. Der Datenpunkt auf der dreidimensionalen Oberfläche b(D_H, D_L) ist D_H = D_H[n, m], D_L = D_L[n, m] und b = b_n, und der Datenpunkt auf der dreidimensionalen Oberfläche s(D_H, D_L) ist D_H = D_H[n, m], D_L = D_L[n, m] und s = s_m. Nach dem Durchlaufen aller Werfe (b₀, b₁, b₂, ..., b_N) von b = b_n und aller Werte (s₀, s₁, s₂, ..., s_M) von s = s_m, ist der wesentliche Teil der Inversionsaufgabe erfüllt. Zum Speichern der invertierten Felder b = b(D_H, D_L) und s = s(DH, D_L) müssen jedoch noch die Schrittweiten D_H = D_H[n, m] und D_L = D_L[n, m] angepasst werden. Im invertierten Raum sind D_H und D_L Basiskoordinaten. Aus den N × M Datenpunkten wählt man nur J Datenpunkte für D_H und nur K Datenpunkte für D_L, wobei J und K ungefähr im gleichen Bereich liegen wie N und M. In der endgültigen Form nach dem zweiten Schritt werden zwei zweidimensionale Felder erhalten und gespeichert, nämlich b = b(D_H, D_L) und s = s(D_H, D_L), wobei gilt D_H = D_H[j], D_L = D_L[k] mit j = 0, 1, 2, ..., J, D_H[j] > D_H[j + 1] und k = 0, 1, 2, ..., K, D_L[k] > D_L[k+1]. Zwei zusätzliche eindimensionale Felder D_H[j] und D_L[k] werden ebenfalls gespeichert. Die Felder D_H[j] und D_L[k] werden gesichert, so dass eine Genauigkeit beibehalten wird, die so hoch ist, wie sie mit Gleitkommazahlen erreichbar ist.
Man beachte die wichtige theoretische Begründung für den numerischen Inversionsvorgang. Man kann mit Hilfe mathematischer und physikalischer Argumente allgemein zeigen, dass unter vernünftigen Bedingungen für die Doppelenergie-Bildgebung immer eine eindeutige Lösung existiert, die der tatsächlichen physikalischen Realität entspricht. Das wichtigste für den mathematischen Beweis verwendete Merkmal besteht in der Tatsache, dass jede Gleichung im Doppelenergie-Fundamentalgleichungssystem in ihrer ursprünglichen Form stetig ist, und dass sie für ihre Ableitungen bis zu jeder beliebigen Ordnung stetig ist, und dass sie in beiden Variablen b und s gleichförmig monoton ist. Wegen der Eindeutigkeit der Lösung ist der obige Inversionsvorgang sinnvoll und liefert stets eine korrekte Lösung.
Der dritte Schritt besteht im Finden der gewünschten Ergebnisse aus den Eingabedaten gemäß den aufgestellten Gleichungen. Die gewünschten Werte für b und s an jedem Zellort bestimmt man durch Einsetzen des verfügbaren Datenpaars (D_H, D_L) in die numerischen Gleichungen im Schritt 2. Umgekehrt bestimmt man die gewünschten Werte für D_H, D_L oder nur einen Wert davon, wenn nur einer benötigt wird, an jedem diskreten Zellort durch das Einsetzen des verfügbaren Datenpaars (b, s) in die numerischen Gleichungen im Schritt 1.
Der letzte Schritt besteht im Beibehalten der Genauigkeit für die Werte von b und s, damit eine stetige Bereichsfunktion beibehalten wird. Dies bedeutet, dass man die Genauigkeit der Berechnungen auf einer Höhe hält, die so hoch ist, wie sie eine analytische Rechnung mit Gleitkommazahlen ergeben würde. Da Computer digital arbeiten, müssen die in Computern gespeicherten Datenfelder stets endliche Schrittweiten aufweisen, für die hier angenommen wird, dass sie ganzzahlige Werte als Indizes der Gleitkommafelder haben. Die folgenden Prozeduren sichern die Beseitigung der Fehler in Verbindung mit diesen endlichen Schrittweiten in der Datenverarbeitung.
Im Schritt 1 werden im Aufstellvorgang des Gleichungspaars für D_H[n, m] = D_H(b = b_n, s = s_m) und D_L[n, m] = D_L(b = b_n, s = s_m) für jedes Wertepaar b_n und s_m die D_H[n, m] und die D_L[n, m] mit der Genauigkeit von Gleitkommazahlen gemessen oder berechnet. D_H[n, m] und D_L[n, m] werden im Computer als Gleitkommazahlenfelder abgelegt.
Im Schritt 2, dem Inversionsvorgang, der das Neuzeichnen im D_H-Raum und im D_L-Raum enthält, werden keine Fehler aufgrund der Datenverarbeitung eingeführt. Man kann die Schrittweiten ohne den geringsten Genauigkeitsverlust ändern, solange man Werte für D_H = D_H[j] wählt, die exakt gleich einem der D_H[n, m]-Werte sind, die die Be dingung D_H[j – 1] > D_H[j] > D_H[j + 1] erfüllen, und Werte für D_L = D_L[k] wählt, die exakt gleich einem der D_L[n, m]-Werte sind, die die Bedingung D_L[k – 1] > D_L[k] > D_L[k + 1] erfüllen.
Im Schritt 3, finde für jedes gemessene Doppelenergie-Signaldatenpaar (D_HEX, D_LEX) die nächstliegenden Werte von j und k gemäß den Kriterien D_H[j] ≥ D_HEX ≥ D_H[j + 1] und D_L[k] ≥ D_LEX ≥ D_L[k + 1]. Ermittle zunächst aus den Indexwerten j und k die nächstgelegenen b und s als b₀ = b₀(D_H[j], D_L[k]) und s₀ = s₀(D_H[j], D_L[k]). Die folgenden Gleichungen liefern Werte für b und s mit der höchsten Genauigkeit, die mit Gleitkommazahlen erreichbar ist.
wobei man Werte für die Terme höherer Ordnung in mathematischen Standardwerken findet.
Ist im Schritt 3 das Bildpaar D_L und D_H aus einem gegebenen Materialzusammensetzungs-Datenpaar (b_ex, s_ex) zu bestimmen, so erhält man D_L und D_H mit der Genauigkeit von Gleitkommazahlen mit Hilfe ähnlicher Standard-Taylorausdrücke.
Damit liefern die beschriebenen Prozeduren Verfahren zum direkten Lösen des nichtlinearen Doppelenergie-Röntgenbildgebungs-Fundamentalgleichungssystems in seiner ursprünglichen Form mit vernünftig gewählten Röntgenstrahlen-Energiespektren bei einer Genauigkeit, die so hoch ist, wie sie analytische Berechnungen mit Gleitkommazahlen liefern können.
Im Folgenden werden in Betracht gezogene Abwandlungen in den Ausführungs formen aufgelistet.

(1) Gemäß der gängigen Theorie hinsichtlich der Wechselwirkung mit Röntgenstrahlen kann man einen breiten Bereich an Bildobjekten mit einer Materialzusammensetzung bei kleinen bis mittleren Ordnungszahlen in einen breiten Bereich von zwei Materialien mit unterschiedlichen Massendämpfungskoeffizienten zerlegen. Beispielsweise kann man mit Hilfe der Doppelenergie-Röntgenbildgebungsverfahren das Weichgewebe des menschlichen Körpers in Fleischgewebe und Fettgewebe zerlegen.
(2) Den gesamten Vorgang des Aufstellens des (D_H, D_L)-Paars als Funktion von (b, s) kann man mit einem Funktionsmaßstab oder einer Gitterweite ausführen, der bzw. die nichtlinear ist, beispielsweise mit einem logarithmischen Maßstab.
(3) Man kann bewährte Berechnungswerkzeuge, beispielsweise Sortieralgorithmen oder Datenbankprozeduren, zum Ausführen des beschriebenen Inversionsvorgangs verwenden.
(4) In den beschriebenen Prozeduren kann man in einigen Fällen herkömmliche Doppelenergie-Röntgenstrahlen-Datendekompositionsverfahren zum Gewinnen des niedrig auflösenden vorderen Detektorbilds D_fpl oder des Bildpaars D_fHpl und D_fLpl einsetzen. Diese Verfahren kann man als die Lösung des nichtlinearen fundamentalen Doppelenergie-Röntgenstrahlen-Gleichungssystems durch ein Linearisierungs- und Näherungsverfahren kennzeichnen, wobei Korrekturen für die Aufhärtungseffekte erfolgen. Die Korrekturen enthalten Näherungen zweiter Ordnung. Geht man so vor, so sind die Ergebnisse jedoch durch die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit beschränkt, die diesen in der Verarbeitung verwendeten Näherungsverfahren innewohnt.
(5) Alle beschriebenen Schritte einschließlich des Datendekompositionsverfahrens und des Verfahrens zum Beseitigen der Streuung kann man in unterschiedlichem Umfang miteinander kombinieren, und zwar vom Kombinieren zweier beliebiger Schritte bis zum Kombinieren aller Schritte in einer Prozedur. Beispielsweise kann man in der ersten Ausführungsform zum Berechnen von (D_fHp, D_fLp) aus (D_rH, D_rL) ein System mit vier Gleichungen aufstellen ohne (b, s) explizit zu berechnen. Ein Weg hierzu ist das Aufstellen eines Paars quantitativer Zusammenhänge D_fHp = (D_rH, D_rL) und D_fLp = (D_rH, D_rL) in einer Datenbank und die Speicherung. Aus dem gemessenen Datenpaar (D_rH, D_rL) der hintere Detektorbaugruppe kann man direkt ein neues Datenpaar (D_fHp, D_fLp) der vorderen Detektorbaugruppe gewinnen.

Die obigen Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dienen der Darstellung und Erläuterung. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie erschöpfend sind oder die Erfindung exakt auf die offenbarte Form einschränken. Hinsichtlich der angegebenen Lehren sind zahlreiche Veränderungen und Abwandlungen möglich. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht durch diese ausführliche Beschreibung begrenzt ist, sondern durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Abbilden eines Subjekts mit Röntgenstrahlen, die zwei Energien haben, und zwar mit Hilfe eines Bildgebersystems, das zweidimensionale Röntgenstrahl-Detektoren aufweist, wobei das Subjekt im Wesentlichen aus zwei Materialien M_A und M_B aufgebaut ist, die mit den Röntgenstrahlen unterschiedlich wechselwirken, und das Material M_A eine zweidimensionale Projektionsmassendichte A hat und das Material M_B eine zweidimensionale Projektionsmassendichte B, und das Bildgebersystem in räumlicher Folge von vorn nach hinten enthält: eine Röntgenstrahlenquelle mit zwei Energien, einen vorderen zweidimensionalen Röntgenstrahl-Detektor, der zahlreiche vordere Erfassungsstellen hat, die mit (x, y) bezeichnet werden, eine Strahlauswahlvorrichtung, und einen hinteren zweidimensionalen Röntgenstrahl-Detektor, der zahlreiche ausgewählte hintere Erfassungsstellen hat, die mit (i, j) bezeichnet werden, und zahlreiche abgeschattete hintere Erfassungsstellen, die mit (i', j') bezeichnet werden, wobei die ausgewählten hinteren Erfassungsstellen und die abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen gegenseitig voneinander verschieden sind, und sich das Subjekt zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem vorderen Detektor befindet, und die Röntgenstrahlenquelle so beschaffen ist, dass sie Röntgenstrahlen mit zwei verschiedenen mittleren Energieniveaus H und L aussendet, die das Subjekt durchdringen, und die Röntgenstrahlen Hauptröntgenstrahlen enthalten, deren Bewegungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Subjekt nicht verändert wird, und die Röntgenstrahlen Streuröntgenstrahlen enthalten, deren Bewegungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Subjekt verändert wird, und der vordere Detektor ausgewählte Erfassungsstellen hat, die mit (x(i), y(j)) bezeichnet werden, und die von Röntgenstrahl-Projektionslinien geschnitten werden, die von der Röntgenstrahlenquelle zu den ausgewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) verlaufen, und die Strahlauswahlvorrichtung den Durchgang der Hauptröntgenstrahlen und der Streuröntgenstrahlen zu den ausgewählten hinteren Erfassungsstellen erlaubt und den Durchgang der Hauptröntgenstrahlen zu den abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen verhindert, und den Durchgang der Streuröntgenstrahlen zu den abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen erlaubt, und das Verfahren die Schritte umfasst: a) das Bestrahlen des Subjekts mit Röntgenstrahlen des mittleren Energieniveaus H; b) das Erfassen eines hoch auflösenden Bilds I_fHh von den vorderen Erfassungsstellen (x, y) und das Verarbeiten des Bilds I_fHh, um es zu normieren und dunkle Signale zu subtrahieren, damit man ein Bild D_fHh(x, y) erhält, das aus den Hauptröntgenstrahlen und den Streuröntgenstrahlen zusammengesetzt ist; c) das Erzeugen, und zwar aus dem Bild D_fHh(x, y), eines niedrig auflösenden Bilds D_fHl(x(i), y(j)), das die ausgewählten vorderen Erfassungsstellen (x(i), y(j)) repräsentiert; d) das Gewinnen eines niedrig auflösenden Bilds I_rHl von den gewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) und das Verarbeiten des Bilds I_rHl, damit es normiert wird und die dunklen Signale entfernt werden, so dass man ein Bild D_rHl(i, j) erhält; e) das Gewinnen eines niedrig auflösenden Streubilds I_rHsl von den abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen (i', j') und das Verarbeiten des Bilds I_rHsl, damit es normiert wird und die dunklen Signale entfernt werden, so dass man ein Bild D_rHsl(i', j') erhält; f) das Bestrahlen des Subjekts mit Röntgenstrahlen des mittleren Energieniveaus L; g) das Erfassen eines hoch auflösenden Bilds I_fLh von den vorderen Erfassungsstellen (x, y) und das Verarbeiten des Bilds I_fLh, um es zu normieren und dunkle Signale zu subtrahieren, damit man ein Bild D_fLh(x, y) erhält, das aus den Hauptröntgenstrahlen und den Streuröntgenstrahlen zusammengesetzt ist; h) das Erzeugen, und zwar aus dem Bild D_fLh(x, y), eines niedrig auflösenden Bilds D_fLl(x(i), y(j)) das die ausgewählten vorderen Erfassungsstellen (x(i), y(j)) repräsentiert; i) das Gewinnen eines niedrig auflösenden Bilds I_rLl von den gewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) und das Verarbeiten des Bilds I_rLl, damit es normiert wird und die dunklen Signale entfernt werden, so dass man ein Bild D_rLl(i, j) erhält; j) das Gewinnen eines niedrig auflösenden Streubilds I_rLsl von den abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen (i', j') und das Verarbeiten des Bilds I_rLsl, damit es normiert wird und die dunklen Signale entfernt werden, so dass man ein Bild D_rLsl(i', j') erhält; k) das Berechnen eines niedrig auflösenden Streubilds D_rHsl(i, j) durch das Erweitern des niedrig auflösenden Streubilds D_rHsl(i', j') auf die ausgewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) mittels Interpolation, und das Berechnen eines niedrig auflösenden Streubilds D_rLsl(i, j) durch das Erweitern des niedrig auflösenden Streubilds D_rLsl(i', j') auf die ausgewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) mittels Interpolation; l) das Berechnen eines niedrig auflösenden Hauptröntgenstrahlen- Bildpaars D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) durch das Subtrahieren des Bilds D_rHsl(i, j) vom Bild D_rHl(i, j), damit man D_rHpl(i, j) gewinnt, und durch das Subtrahieren des Bilds D_rLsl(i, j) vom Bild D_rLl(i, j), damit man D_rLpl(i, j) gewinnt; m) das Berechnen eines niedrig auflösenden Hauptröntgenstrahlen-Bildpaars D_fHpl(x(i), y(j)) und D_fLpl(x(i), y(j)) aus dem niedrig auflösenden Hauptröntgenstrahlen-Bildpaar D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) mit zwei Energien; n) das Berechnen eines niedrig auflösenden Streuröntgenstrahl-Bilds D_fHsl(x(i), y(j)) durch das Subtrahieren des Bilds D_fHpl(x(i), y(j)) vom Bild D_fHl(x(i), y(j)) und das Berechnen eines niedrig auflösenden Streuröntgenstrahl-Bilds D_fLsl(x(i), y(j)) durch das Subtrahieren des Bilds D_fLpl(x(i), y(j) vom Bild D_fLl(x(i), y(j)); o) das Berechnen eines hoch auflösenden Streubilds D_fHsh(x, y) durch das Erweitern des niedrig auflösenden Streubilds D_fHsl(x(i), y(j)) auf die gesamte Bildfläche des vorderen Detektors durch Interpolation und das Berechnen eines hoch auflösenden Streubilds D_fLsh(x, y) durch das Erweitern des niedrig auflösenden Streubilds D_fLsl(x(i), y(j)) auf die gesamte Bildfläche des vorderen Detektors durch Interpolation; p) das Berechnen eines hoch auflösenden Hauptröntgenstrahl-Bilds D_fHph(x, y) am vorderen Detektor durch das Subtrahieren des Bilds D_fHsh(x, y) vom Bild D_fHh(x, y) und das Berechnen eines hoch auflösenden Hauptröntgenstrahl-Bilds D_fLph(x, y) am vorderen Detektor durch das Subtrahieren des Bilds D_fLsh(x, y) vom Bild D_fLh(x, y); q) wobei die Bilder D_fHph(x, y) und D_fLph(x, y) ein hoch auflösendes zweidimensionales Hauptröntgenstrahl-Bildpaar mit zwei Energien des Subjekts am vorderen Detektor bilden, nachdem die Streuröntgenstrahlen im Wesentlichen beseitigt sind, und das Bildpaar eine räumliche Auflösung hat, die gleich der höchsten räumlichen Auflösung ist, die man vom vorderen Detektor erhalten kann.
Verfahren zum Ausführen der Röntgenbildgebung mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 1, wobei die zweidimensionalen Projektionsmassendichten A und B entlang der Projektionslinien aus dem Bildpaar D_fHph(x, y) und D_fLph(x, y) berechnet werden.
Verfahren zum Ausführen der Röntgenbildgebung mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 2, wobei die Projektionsmassendichten A und B durch das Lösen eines nichtlinearen Zweienergie-Gleichungssystems für die Projektionsmassendichten A und B mit Hilfe des Zweienergie-Datendekompositionsverfahrens berechnet wird, und das Gleichungssystem lautet: DfHph(x, y) = ∫[ΦOH(E) × exp(–(μA(E) × A(x, y) + μB(E) × B(x, y)))] × Sf(E)dEund DfLph(x, y) = ∫[ΦOL(E) × exp(–(μA(E) × A(x, y) + μB(E) × B(x, y)))] × Sf(E)dE.
Verfahren zum Ausführen der Röntgenbildgebung mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 1, wobei das Bildpaar D_fHpl(x(i), y(j)) und D_fLpl(x(i), y(j)) berechnet wird durch die Schritte: a) Lösen eines nichtlinearen Zweienergie-Gleichungssystems für die Projektionsmassendichten A und B mit Hilfe eines numerischen Inversionsverfahrens, wobei das Gleichungssystem DrHpl(i, j) = ∫[ΦOH(E) × exp(–(μA(E) × A(i, j) + μB(E) × B(i, j)))] × Sr(E)dEund DrLpl(i, j) = ∫[ΦOL(E) × exp(–(μA(E) × A(i, j) + μB(E) × B(i, j)))] × Sr(E)dEverwendet wird; und b) Einsetzen der Lösungen A und B in Gleichungen für das Bild DfHpl(x(i), y(j)) = ∫[ΦOH(E) × Sf(E)] × exp(–(μA(E) × A(i, j) + μB(E) × B(i, j)))dEund DfLpl(x(i), y(j)) = ∫[ΦOL(E) × Sf(E)] × exp(–(μA(E) × A(i, j) + μB(E) × B(i, j)))dE.
Verfahren zum Ausführen der Röntgenbildgebung mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 1, wobei das Bildpaar D_fHpl(x(i), y(j)) und D_fLpl(x(i), y(j)) aus dem Bildpaar D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) berechnet wird, und zwar mit Hilfe der direkten quantitativen Zusammenhänge DfHpl(x(i), y(j)) = DfHpl(DrHpl(i, j), DrLpl(i, j))und DfLpl(x(i), y(j)) = DfLpl(DrHpl(i, j), DrLpl(i, j)).
Verfahren zum Ausführen der Röntgenbildgebung mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 1, wobei das Bildpaar D_fHpl(x(i), y(j)) und D_fLpl(x(i), y(j)) aus dem Bildpaar D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) durch das Lösen eines Zweienergie-Hauptröntgenstrahlbild-Gleichungssystems berechnet wird, und zwar durch ein Linearisierungs-Näherungsverfahren mit Korrekturen für die Aufhärtung und Effekte höherer Ordnung.
Verfahren zum Durchführen der Röntgen-Bildgebung eines Subjekts mit zwei Strahlenergien, wobei ein Bildgebungssystem verwendet wird, das zweidimensionale Röntgenstrahl-Detektoren aufweist, und das Subjekt im Wesentlichen aus zwei Materialien M_A und M_B aufgebaut ist, die mit den Röntgenstrahlen unterschiedlich wechselwirken, und das Material M_A eine zweidimensionale Projektionsmassendichte A hat und das Material M_B eine zweidimensionale Projektionsmassendichte B, und das Bildgebersystem in räumlicher Folge von vorn nach hinten enthält: eine Röntgenstrahlenquelle, einen vorderen zweidimensionalen Röntgenstrahl-Detektor, der zahlreiche vordere Erfassungsstellen hat, die mit (x, y) bezeichnet werden, eine Strahlauswahlvorrichtung und einen hinteren zweidimensionalen Röntgenstrahl-Detektor, der zahlreiche ausgewählte hintere Erfassungsstellen hat, die mit (i, j) bezeichnet werden, und zahlreiche abgeschattete hintere Erfassungsstellen, die mit (i', j') bezeichnet werden, wobei die ausgewählten hinteren Erfassungsstellen und die abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen gegenseitig voneinander verschieden sind, und sich das Subjekt zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem vorderen Detektor befindet, und die Röntgenstrahlenquelle so beschaffen ist, dass sie Röntgenstrahlen aussendet, die das Subjekt durchdringen, und die Röntgenstrahlen Hauptröntgenstrahlen enthalten, deren Bewegungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Subjekt nicht verändert wird, und die Röntgenstrahlen Streuröntgenstrahlen enthalten, deren Bewegungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Subjekt verändert wird, und der vordere Detektor ausgewählte Erfassungsstellen hat, die mit (x(i), y(j)) bezeichnet werden, und die von Röntgenstrahl-Projektionslinien geschnitten werden, die von der Röntgenstrahlenquelle zu den ausgewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) verlaufen, und die Strahlauswahlvorrichtung den Durchgang der Hauptröntgenstrahlen und der Streuröntgenstrahlen zu den ausgewählten hinteren Erfassungsstellen erlaubt und den Durchgang der Hauptröntgenstrahlen zu den abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen verhindert, und den Durchgang der Streuröntgenstrahlen zu den abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen erlaubt, und die hintere Detektorbaugruppe in räumlicher Folge von vorn nach hinten enthält: einen Detektor für geringe Energie, ein Spektralfilter für Röntgenstrahlenergie, und einen Detektor für hohe Energie, und das Verfahren die Schritte umfasst: a) das Bestrahlen des Subjekts mit Röntgenstrahlen; b) das Erfassen eines hoch auflösenden Bilds I_fh von den vorderen Erfassungsstellen (x, y) und das Verarbeiten des Bilds I_fh, um es zu normieren und dunkle Signale zu subtrahieren, damit man ein Bild D_fh(x, y) erhält, das aus den Hauptröntgenstrahlen und den Streuröntgenstrahlen zusammengesetzt ist; c) das Erzeugen, und zwar aus dem Bild D_fh(x, y), eines niedrig auflösenden Bilds D_fl(x(i), y(j)), das die ausgewählten vorderen Erfassungsstellen (x(i), y(j)) repräsentiert; d) das Gewinnen eines niedrig auflösenden Bilds I_rHl von den gewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) des Hochenergie-Detektors und das Verarbeiten des Bilds I_rHl, damit es normiert wird und die dunklen Signale entfernt werden, so dass man ein Bild D_rHl(i, j) erhält; e) das Gewinnen eines niedrig auflösenden Streubilds I_rLl von den ausgewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) des Niedrigenergie-Detektors und das Verarbeiten des Bilds I_rLl, damit es normiert wird und die dunklen Signale entfernt werden, so dass man ein Bild D_rLl(i, j) erhält; f) das Gewinnen eines niedrig auflösenden Streubilds I_rHsl von den abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen (i', j') des Hochenergie-Detektors und das Verarbeiten des Bilds I_rHsl, damit es normiert wird und die dunklen Signale entfernt werden, so dass man ein Bild D_rHsl(i', j') erhält; g) das Gewinnen eines niedrig auflösenden Streubilds I_rLsl von den abgeschatteten hinteren Erfassungsstellen (i', j') des Niedrigenergie-Detektors und das Verarbeiten des Bilds I_rLsl, damit es normiert wird und die dunklen Signale entfernt werden, so dass man ein Bild D_rLsl(i', j') erhält; h) das Berechnen eines niedrig auflösenden Streubilds D_rHsl(i, j) durch das Erweitern des niedrig auflösenden Streubilds D_rHsl(i', j') auf die ausgewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) mittels Interpolation, und das Berechnen eines niedrig auflösenden Streubilds D_rLsl(i, j) durch das Erweitern des niedrig auflösenden Streubilds D_rLsl(i', j') auf die ausgewählten hinteren Erfassungsstellen (i, j) mittels Interpolation; i) das Berechnen eines niedrig auflösenden Hauptröntgenstrahlen-Bildpaars D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) durch das Subtrahieren des Bilds D_rHsl(i, j) vom Bild D_rHl(i, j), damit man D_rHpl(i, j) gewinnt, und durch das Subtrahieren des Bilds D_rLsl(i, j) vom Bild D_rLl(i, j), damit man D_rLpl(i, j) gewinnt; j) das Berechnen eines niedrig auflösenden Hauptröntgenstrahlen-Bilds D_fpl(x(i), y(j)) aus dem niedrig auflösenden Hauptröntgenstrahlen-Bildpaar D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) mit zwei Energien; k) das Berechnen eines niedrig auflösenden Streuröntgenstrahl-Bilds D_fsl(x(i), y(j)) durch das Subtrahieren des Bilds D_fpl(x(i), y(j)) vom Bild D_fl(x(i), y(j)); l) das Berechnen eines hoch auflösenden Streubilds D_fsh(x, y) durch das Erweitern des niedrig auflösenden Streubilds D_fsl(x(i), y(j)) auf die gesamte Bildfläche des vorderen Detektors durch Interpolation; j) das Berechnen eines hoch auflösenden Hauptröntgenstrahl-Bilds D_fph(x, y) am vorderen Detektor durch das Subtrahieren des Bilds D_fsh(x, y) vom Bild D_fh(x, y); k) wobei das Bild D_fph(x, y) ein hoch auflösendes zweidimensionales Hauptröntgenstrahl-Bild des Subjekts am vorderen Detektor ist, nachdem die Streuröntgenstrahlen im Wesentlichen beseitigt sind, und das Bild eine räumliche Auflösung hat, die gleich der höchsten räumlichen Auflösung ist, die man vom vorderen Detektor erhalten kann.
Verfahren zum Durchführen der Röntgen-Bildgebung mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 7, wobei das Bild D_fpl(x(i), y(j)) berechnet wird durch die Schritte: a) Lösen eines nichtlinearen Zweienergie-Gleichungssystems für die Projektionsmassendichten A und B mit Hilfe eines Zweienergie-Datendekompositionsverfahrens, wobei man ein Gleichungssystem verwendet: DrHpl(i, j) = ∫[ΦOH(E) × exp(–(μA(E) × A(i, j) + μB(E) × B(i, j)))] × Sr(E)dEund DrLpl(i, j) = ∫[ΦOL(E) × exp(–(μA(E) × A(i, j) + μB(E) × B(i, j)))] × Sr(E)dE,und; b) Einsetzen der Lösungen A und B in Gleichungen für das Bild Dfpl(x(i), y(j)) = ∫[ΦO(E) × Sf(E)] × exp(–(μA(E) × A(i, j) + μB(E) × B(i, j)))dE.
Verfahren zum Durchführen der Röntgen-Bildgebung mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 7, wobei das Bildpaar D_fHpl(x(i), y(j)) und D_fLpl(x(i), y(j)) aus dem Bildpaar (D_rLpl(i, j) und D_rHpl(i, j)) berechnet wird, und zwar mit Hilfe der direkten quantitativen Zusammenhänge Dfpl(x(i), y(j)) = DfLpl[DrLpl(i, j), DrHpl(i, j)].
Verfahren zum Durchführen der Röntgen-Bildgebung mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 7, wobei das Bild D_fpl(x(i), y(j)) aus dem Bildpaar D_rHpl(i, j) und D_rLpl(i, j) berechnet wird, und zwar durch das Lösen eines Zweienergie-Hauptröntgenstrahlbild-Gleichungssystems mit Hilfe eines Linearisierungs-Näherungsverfahrens mit Korrekturen für die Aufhärtung und Effekte höherer Ordnung.
Röntgen-Bildgebersystem mit zwei Strahlenergien zum Erfassen zweidimensionaler Bilder eines Subjekts, umfassend: a) in räumlicher Folge von vorn nach hinten: eine Röntgenstrahlenquelle, einen vorderen zweidimensionalen Röntgenstrahl-Detektor, eine Strahl auswahlvorrichtung, und eine hintere zweidimensionale Röntgenstrahl-Detektorbaugruppe, wobei sich das Subjekt zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem vorderen Detektor befindet; b) dass die Röntgenstrahlenquelle dafür eingerichtet ist, dass sie Röntgenstrahlen aussendet, die das Subjekt durchdringen, und die Röntgenstrahlen Hauptröntgenstrahlen enthalten, deren Bewegungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Subjekt nicht verändert wird, und die Röntgenstrahlen Streuröntgenstrahlen enthalten, deren Bewegungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Subjekt verändert wird; c) dass der vordere Detektor die Hauptröntgenstrahlen und die Streuröntgenstrahlen empfängt; d) dass die hintere Detektorbaugruppe diejenigen Röntgenstrahlen empfängt, die durch die Strahlauswahlvorrichtung geleitet werden, und dass sie zahlreiche ausgewählte Stellen und zahlreiche abgeschattete Stellen aufweist; und e) dass die Strahlauswahlvorrichtung den Durchgang der Hauptröntgenstrahlen zu den abgeschatteten Stellen verhindert, und den Durchgang der Streuröntgenstrahlen zu den abgeschatteten Stellen erlaubt, und den Durchgang der Hauptröntgenstrahlen und der Streuröntgenstrahlen zu den ausgewählten Stellen erlaubt.
Röntgen-Bildgebersystem mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 11, worin die Strahlauswahlvorrichtung im Wesentlichen aus einer Anordnung von Zylindern besteht, die Achsen aufweisen, und die Zylinder aus einem Material aufgebaut sind, das Röntgenstrahlen absorbiert, und von einem Material gehalten werden, das Röntgenstrahlen nur in einem vernachlässigbaren Ausmaß absorbiert, und die Achsen parallel zur Bewegungsrichtung der Hauptröntgenstrahlen verlaufen.
Röntgen-Bildgebersystem mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 12, wobei die Dicke der Strahlauswahlvorrichtung zwischen ungefähr 0,5 mm und 5 cm liegt, und die Zylinder einen Durchmesser zwischen ungefähr 0,5 mm und ungefähr 10 mm haben und einen Abstand zwischen ungefähr 2 mm und ungefähr 50 mm.
Röntgen-Bildgebersystem mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 11, worin die hintere Detektorbaugruppe einen hinteren Detektor umfasst und die Röntgenstrahlenquelle so ausgelegt ist, dass sie abwechselnd Röntgenstrahlenimpulse mit zwei unterschiedlichen Energiespektren aussendet.
Röntgen-Bildgebersystem mit zwei Strahlenergien nach Anspruch 11, worin die hintere Detektorbaugruppe in räumlicher Folge von vorn nach hinten enthält: einen Niedrigenergie-Detektor, ein Spektralfilter für Röntgenstrahlenenergie und einen Hochenergie-Detektor, wobei die Röntgenstrahlenquelle so ausgelegt ist, dass sie Röntgenstrahlen mit einem einzigen Energiespektrum aussendet.
Verfahren zum Ausführen der Datendekomposition bei der Röntgen-Bildgebung eines Subjekts mit zwei Strahlenergien, wobei ein zweidimensionales Bildgebungssystem verwendet wird, und das Bildgebungssystem umfasst: eine Röntgenstrahlenquelle, einen zweidimensionalen Röntgenstrahl-Detektor, der eine Matrix aus diskreten Detektorzellen aufweist, die mit (x, y) bezeichnet sind, und eine Erfassungsvorrichtung, die ein normiertes, zweidimensionales Hauptröntgenstrahlen-Bildpaar des Subjekts mit zwei Energien an den Detektorzellen erfasst, wobei das Subjekt aus zwei Materialien M_A und M_B besteht, die unterschiedlich mit Röntgenstrahlen wechselwirken, und das Material M_A eine zweidimensionale Projektionsmassendichte A(x, y) an der charakteristischen Zelle hat, und das Material M_B eine zweidimensionale Projektionsmassendichte B(x, y) hat, und A(x, y) und B(x, y) entlang einer Projektionslinie definiert sind, die die Röntgenstrahlenquelle und die Detektorzelle (x, y) verbindet, und man jede Detektorzelle (x, y) durch eine charakteristische Zelle (x₀, y₀) mit Hilfe von Röntgenstrahlsignalen als Funktion der Projektionsmassendichten darstellen kann, und das Datendekompositionsverfahren umfasst: a) das Anwenden der Erfassungsvorrichtung zum Ermitteln eines zweidimensionalen Hauptröntgenstrahl-Bildsignals D_H(x, y) an den Detektorzellen bei einem mittleren Energieniveau H, und eines zweidimensionalen Hauptröntgenstrahl-Bildsignals D_L(x, y) an den Detektorzellen bei einem mittleren Energieniveau L, das sich vom Energieniveau H unterscheidet; b) das Konstruieren eines ersten expliziten quantitativen Funktionspaars DH(x0, y0) = FDH(A(x0, y0), B(x0, y0)), DL(x0, y0) = FDL(A(x0, y0), B(x0, y0))für die charakteristische Detektorzelle (x₀, y₀) im kontinuierlichen Bereich der Projektionsmassendichten A und B, so dass man entsprechende Werte der D_H und D_L für jedes beliebige Paar Gleitkomma-Zahlenwerte von A und B innerhalb eines vorbestimmten Bereichs erhalten kann, wobei das erste Funktionspaar mit der Kurzbezeichnung D_H = F_DH(A, B), D_L = F_DL(A, B) bezeichnet wird; c) das numerische Invertieren des ersten Funktionspaars, damit man ein zweites explizites quantitatives Funktionspaar im kontinuierlichen Bereich gewinnt A(x0, y0) = FA(DH(x0, y0), DL(x0, y0)), B(x0, y0) = FB(DH(x0, y0), DL(x0, y0))so dass man entsprechende Werte von A und B für jedes beliebige Paar Gleitkomma-Zahlenwerte von D_H und D_L innerhalb eines vorbestimmten Bereichs erhalten kann, wobei das zweite Funktionspaar mit der Kurzbezeichnung A = F_A(D_H, D_L), B = F_B(D_H, D_L) bezeichnet wird; und d) das Berechnen der Materialzusammensetzungen A(x, y) und B(x, y) für das Subjekt durch das Einsetzen des Hauptröntgenstrahl-Bildsignalpaars D_H(x, y), D_L(x, y) anstelle der Werte D_H(x₀, y₀) D_L(x₀, y₀) im zweiten Funktionspaar für alle Detektorzellen (x, y); e) wobei die Materialzusammensetzungen A(x, y) und B(x, y) des Subjekts ein Paar zweidimensionaler Projektionsmassendichten-Bilder entlang der Projektionslinien an der Detektorzelle (x, y) darstellen.
Verfahren zum Ausführen der Datendekomposition nach Anspruch 16, worin: a) das erste Funktionspaar D_H = F_DH(A, B), D_L = F_DL(A, B) konstruiert wird durch das Bereitstellen von energieabhängigen Funktionen des Bildgebersystems sps_H(E) und sps_L(E) in explizit quantitativen Formen zu den fundamentalen Zweienergie-Röntgenstrahlgleichungen als DH(x0, y0) = ∫spsH(E) × exp(–(μA(E) × A(x0, y0) + μB(E) × B(x0, y0)))dEund DL(x0, y0) = ∫spsL(E) × exp(–(μA(E) × A(x0, y0) + μB(E) × B(x0, y0)))dE;b) die Funktion sps_H(E) mit Hilfe des Absorptionsverfahrens getrennt ermittelt wird, und zwar durch den Gebrauch eines Referenzmaterials M der Dicke t zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem Röntgenstrahl-Detektor, durch das Messen eines Schmalstrahl-Hauptröntgenstrahl-Signalwerts P_H(t) beim Energieniveau H, und durch den Gebrauch eines Verfahrens der kleinsten Quadrate zum Parameteranpassen, damit man sps_H(E) aus der Gleichung PH(t) = ∫spsH(E) × exp(–(μM(E) × t))dEerhält; und c) die Funktion sps_L(E) mit Hilfe des Absorptionsverfahrens getrennt ermittelt wird, und zwar durch den Gebrauch des Referenzmaterials M der Dicke t zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem Röntgenstrahl-Detektor, durch das Messen eines Schmalstrahl-Hauptröntgenstrahl-Signalwerts P_L(t) beim Energieniveau L, und durch den Gebrauch eines Verfahrens der kleinsten Quadrate zum Parameteranpassen, damit man sps_L(E) aus der Gleichung PL(t) = ∫spsL(E) × exp(–(μM(E) × t))dEerhält.
Verfahren zum Ausführen der Datendekomposition nach Anspruch 16, worin das erste Funktionspaar D_H = F_DH(A, B), D_L = F_DL(A, B) durch direktes Messen der Werte D_H und D_L für die charakteristische Zelle (x₀, y₀) an einer Anzahl Punkte mit bekannten Werten von A und B in einem gewünschten Intervall von (A, B) gewonnen wird, und die Werte D_H und D_L analytisch auf den kontinuierlichen Bereich ausgedehnt werden.
Verfahren zum Ausführen der Datendekomposition nach Anspruch 16, worin die numerische Inversion des ersten Funktionspaars D_H = F_DH(A, B), D_L = F_DL(A, B) zum zweiten Funktionspaar A = F_A(D_H, D_L), B = F_B(D_H, D_L) erfolgt durch: a) das Berechnen eines Feldpaars von Werten der simultanen Gleichungen D_H = F_DH(A_n, B_m), D_L = F_DL(A_n, B_m) auf einem ganzzahligen Gitter (A_n, B_m), wobei A_n = A₀, A₁, A₂, ..., A_N und B_m = B₀, B₁, B₂, ..., B_M ganzzahlige Indizes des ersten Feldpaars sind; b) das numerische Invertieren der simultanen Gleichungen D_H = F_DH(A_n, B_m), D_L = F_DL(A_n, B_m), damit man simultane Gleichungen A⁰ = F_A ⁰(D_H[j], D_L[k]) und B⁰ = F_B ⁰(D_H[j], D_L[k]) gewinnt; c) das Berechnen eines zweiten Feldpaars von Werten der simultanen Gleichungen A⁰ = F_A ⁰(D_H[j], D_L[k]) und B⁰ = F_B ⁰(D_H[j], D_L[k]), wobei D_H[j] = D_H[0), D_H[1], D_H[2], ..., D_H[J] und D_L[k] = D_L[0], D_L[1], D_L[2], ..., D_L[K] ganze Zahlen oder Gleitkommazahlen sind und D_H[j] < D_H[j + 1] und D_L[k] < D_L[k + 1] gilt und j, k, J und K ganzzahlige Indizes der Koordinatenfelder für das zweite Feldpaar sind; d) für jedes gemessene Signaldatenpaar D_H(x, y), D_L(x, y) mit zwei Energien, das Feststellen der nächstliegenden Werte der Indizes j und k gemäß den Kriterien D_H[j] ≤ D_H(x, y) ≤ D_H[j + 1] und D_L[k] ≤ D_L(x, y) ≤ D_L[k + 1], und anschließend, aus den nächstliegenden Indizes j und k, das Ermitteln von A(x, y) und B(x, y) aus den simultanen Gleichungen A⁰ = F_A ⁰(D_H[j], D_L[k]) und B₀ = F_B ⁰(D_H[j], D_L[k]); und e) das Verfeinern von A(x, y) und B(x, y) auf die höchste Genauig keit, die mit Gleitkommazahlen erreichbar ist, anhand der Gleichungen: