EP2375987A1

EP2375987A1 - Verfahren zur röntgenbildgebung unter ausnutzung von streustrahlung

Info

Publication number: EP2375987A1
Application number: EP09752156A
Authority: EP
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-10-19
Also published as: CN102271585A; RU2011133828A; JP2012515328A; WO2010078981A1; DE102009004334A1; US20120027176A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Röntgenbildgebung. Bei dem Verfahren wird ein Objekt (8) mit einem oder mehreren in zeitlichem Abstand aufeinander folgenden Röntgenpulsen durchleuchtet. An Volumenelementen des Objektes (8) in eine von der Durchleuchtungsrichtung abweichende Richtung gestreute Röntgenstrahlung wird mit einem Röntgendetektor (9) mit einer zweidimensionalen Anordnung von Detektorelementen zeit- und ortsaufgelöst aufgezeichnet. Über die bekannte Geometrie und Ausbreitung der Wellenfront der Röntgenpulse wird aus den orts- und zeitaufgelösten Messdaten ein Bilddatensatz einer dreidimensionalen Streuverteilung des Objekts (8) rekonstruiert. Das Verfahren ermöglicht die Erstellung eines Bilddatensatzes der dreidimensionalen Streustrahlenverteilung mit nur einem Röntgenpuls und lässt sich damit sehr einfach durchführen.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Röntgenbildgebung unter Ausnutzung von Streustrahlung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Röntgenbildgebung, bei denen ein Objekt mit einem von einer Röntgenquelle ausgehenden Röntgenstrahlbündel durchleuchtet wird.

Röntgenstrahlen lassen sich bekanntlich nur äußerst schwer fokussieren, so dass mit bekannten Röntgen-Bildgebungsmetho- den in der Regel Projektionen aufgezeichnet werden. Dabei geht mindestens eine Raumdimension verloren, die nur durch multiple Projektionen und anschließende Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes aus den Projektionsdaten wieder hergestellt werden kann, wie dies bspw. bei der Computertomographie der Fall ist. Dies erfordert jedoch eine Vielzahl von Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen und ist daher komplex und zeitaufwändig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein alternatives Verfahren zur Röntgenbildgebung anzugeben, das sich mit geringerem Aufwand durchführen lässt und eine drei- dimensionale Bildinformation des Objekts liefert.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Objekt mit einem von einer Röntgenquelle ausgehenden Röntgenstrahlbündel durchleuchtet. Die Durchleuchtung erfolgt hierbei mit einem oder mehreren in zeitlichem Abstand aufeinander folgenden Röntgenpulsen, wobei bereits ein einzelner Röntgenpuls für die Durchführung des Verfahrens ausreichend ist. An Volumen- elementen des Objektes gestreute Röntgenstrahlung wird in einer von der Durchleuchtungsrichtung abweichenden Richtung mit einem Röntgendetektor mit einer zweidimensionalen Anordnung von Detektorelementen nicht nur ortsaufgelöst sondern auch zeitaufgelöst aufgezeichnet. Über den bekannten Verlauf der Wellenfront des Röntgenpulses und die bekannte zeitliche Ausbreitung dieser Wellenfront wird dann aus den orts- und zeitaufgelösten Messdaten ein Bilddatensatz der dreidimensionalen Streuverteilung des Objekts rekonstruiert.

Bei dem Verfahren wird somit eine Röntgenquelle verwendet, die kurzzeitig, ggf. periodisch, Röntgenpulse abgibt. Die emittierten Wellenfronten durchdringen das abzubildende Objekt. Ein bspw. seitlich angebrachter Streustrahlendetektor empfängt damit zeitlich gestaffelt Streustrahlung aus verschiedenen Objektbereichen. Ist dieser Röntgendetektor, wie in diesem Fall, zweidimensional ortsauflösend, so genügt eine einzige Wellenfront, d.h. ein einzelner Röntgenpuls, um die vollständige Streuverteilung des dreidimensionalen Objekts rekonstruieren zu können.

Die Bildaufzeichnung erfordert dabei einen richtungsselektiven Röntgendetektor, der im Wesentlichen Röntgenstrahlung aus einer einzigen Richtung detektiert. Dies kann durch einen Röntgendetektor mit einem geeignet vorgeschalteten Kollimator erreicht werden. Durch die zweidimensional angeordneten Detektorelemente wird zunächst ein zweidimensionales Abbild der in dieser Richtung gestreuten Röntgenstrahlung aus dem Objekt erhalten. Über die zusätzliche zeitliche Information und die bekannte Laufzeit der Röntgenstrahlen des Röntgenpulses wird die dritte Dimension - in Richtung senkrecht zur Detektorfläche - ebenfalls aufgelöst. Auf diese Weise lässt sich der Bilddatensatz der dreidimensionalen Streuverteilung des Objektes rekonstruieren.

Die Wellenfronten der von üblichen Röntgenquellen ausgesendeten Röntgenpulse weisen in der Regel kugelförmige Wellenfronten auf. Werden die Röntgenpulse vorzugsweise mit Pulsdauern von ≤ 30 ps erzeugt, so entspricht dies sich ausbreitenden Kugelschalen der Röntgenstrahlung mit einer Dicke von etwa 9 mm. Bei kürzeren Röntgenpulsen wird diese Dicke geringer und erhöht damit auch die Bildauflösung.

Grundsätzlich genügt für die Aufzeichnung eines Bilddatensatzes ein einzelner Röntgenpuls. Dieser liefert bereits die vollständige dreidimensionale Streuverteilung des Objektes. Zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses oder - bei gleichem Signal/Rauschverhältnis - zur Erniedrigung der Rönt- genpulsenergie können auch mehrere Röntgenpulse in zeitlichem Abstand genutzt werden. In diesem Falle werden dann die sich zeitlich und räumlich entsprechenden Messdaten der einzelnen Röntgenpulse gemittelt, um den Bilddatensatz zu erhalten.

In einer anderen Ausgestaltung kann aus den Messdaten jedes einzelnen Röntgenpulses ein Bilddatensatz generiert werden, um bspw. zeitliche Veränderungen im Objekt erfassen zu können .

Bei bekannten Röntgenröhren wird ein Elektronenstrahl auf ein Röntgentarget gerichtet, um die Röntgenstrahlung zu erzeugen. Für die Erzeugung gepulster Röntgenstrahlung können die Elektronen bspw. in einem Hochfrequenz (HF) -Linearbeschleuni- ger in Richtung des Targets beschleunigt werden. Dadurch wird einmal pro HF-Periode des Linearbeschleunigers für eine sehr kurze Zeit Röntgenlicht erzeugt. Vom Elektronentarget wird damit eine Folge kugelschalenförmig expandierender Wellen emittiert, die den obigen Anforderungen entsprechen. Wird bspw. eine 1 GHz-Beschleunigerröhre eingesetzt, so sind die einzelnen auf das Target auftreffenden Elektronenpakete jeweils ca. 10 ps lang. Dies gilt dann auch für die emittierten Röntgenpulse. Diese Zeitdauer entspricht einer 3 mm dicken Röntgenstrahlen-Kugelschale, die durch das Objekt propagiert. Die Wiederholrate, in diesem Fall 1 GHz, führt zu einem räumlichen Abstand aufeinander folgender Röntgenpulse von ca. 30 cm. Die für die Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung umfasst damit eine Röntgenquelle, die zur Abgabe von Röntgenpulsen ausgebildet ist, sowie einen Röntgendetektor mit zweidimensional angeordneten Detektorelementen, der so angeordnet ist, dass er von Volumenelementen des Objektes in einer Richtung abweichend von der Durchleuchtungsrichtung gestreute Röntgenstrahlung zeitaufgelöst erfasst. Die Röntgenquelle weist vorzugsweise einen HF-Beschleuniger für die Elektronenstrahlen auf, um die Röntgenpulse zu erzeugen. Der Röntgendetektor ist vorzugsweise mit einem Kollimator versehen, um die Richtungsselektivität, d.h. die Aufzeichnung der Röntgenstreustrahlung aus einer Richtung zu ermöglichen. Diese Richtung kann senkrecht zur Durchleuchtungsrichtung liegen, so dass die Detektorfläche dann parallel zur Durch- leuchtungsrichtung angeordnet ist. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Orientierungen des Röntgendetektors relativ zu dieser Durchleuchtungsrichtung möglich. Die Durchleuchtungsrichtung entspricht dabei der auf der Symmetrieachse des Röntgenstrahlbündels liegenden Richtung von der Röntgenquelle zum Objekt. Der Röntgendetektor weist vorzugsweise genügend Detektorzeilen und Detektorspalten auf, um die in einer Richtung abgegebene Streustrahlung des Objektes vollständig zu erfassen. Prinzipiell kann jedoch auch eine Bewegung eines weniger Zeilen oder Spalten aufweisenden De- tektors quer zu dieser Richtung erfolgen, um die gesamte

Streustrahlung des Objekts zu erfassen. Dies erfordert dann jedoch mehrere aufeinander folgende Röntgenpulse.

Der Röntgendetektor wird mit einer Auswerteeinrichtung ver- bunden, in der aus dem zeitlichen Verlauf der Messdaten und dem bekannten Verlauf der Wellenfront des jeweiligen Röntgen- pulses und deren Ausbreitung durch das Objekt die dreidimensionale Streuverteilung des Objekts in der Beobachtungsrichtung rekonstruiert. Der dadurch erhaltene dreidimensionale Bilddatensatz kann dann in bekannter Weise an einem Bildanzeigegerät in gerenderter Visualisierung oder in unterschiedlichen Schnittbildansichten dargestellt werden. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen :

Fig. 1 eine schematische Darstellung des prinzipiellen

Aufbaus der Vorrichtung sowie der Funktionsweise des Verfahrens; und

Fig. 2 eine Bilddarstellung zur Veranschaulichung der in Figur 1 angedeuteten Schalen gleicher Laufzeit.

Figur 1 zeigt schematisiert ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Röntgenquelle 1 weist hierzu eine Elektronenquelle 2, einen Wehneltzylinder 3, einen HF-Beschleuniger 4 sowie das Röntgentarget 5 auf. Die von der Elektronenquelle 2 emittierten Elektronen werden durch die Hochfrequenz des HF-Beschleunigers 4 paketweise beschleunigt, so dass Elektronenstrahlpakete 6 auf das Röntgentarget 5 auftreffen und dort die Röntgenpulse erzeugen. Diese Pulse breiten sich aufgrund ihrer kurzen Dauer von bspw. 10 ps in Form der in der Figur angedeuteten Röntgenstrahlen-Kugelscha- len 7 aus, die das zu untersuchende Objekt 8 durchdringen. Die Röntgenstrahlen-Kugelschalen 7 haben in diesem Beispiel eine Dicke von etwa 3 mm und einen gegenseitigen Abstand von etwa 30 cm.

Seitlich des Objekts 8 ist ein Röntgendetektor 9 angeordnet, der eine zweidimensionale Anordnung von in dieser Figur nicht dargestellten Detektorelementen aufweist. Vor dem Röntgendetektor ist in bekannter Weise ein Kollimator 10 angeordnet, der nur für Röntgenstrahlung durchlässig ist, die senkrecht zur Detektorfläche in Richtung des Röntgendetektors 9 propagieren. Diese Richtung entspricht in diesem Beispiel auch der Richtung senkrecht zur Durchleuchtungsrichtung bzw. Hauptausbreitungsrichtung der Röntgenpulse. Beim Durchdringen des Objekts 8 wird die Röntgenstrahlung an einzelnen Volumenelementen des Objekts 8 gestreut. Diese Streustrahlung 11, auch als Sekundärquanten bezeichnet, wird in der Richtung senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung durch den Röntgendetektor 9 erfasst, wie dies in der Figur angedeutet ist. Aufgrund der Aufweitung des Röntgenstrahlbündels bzw. der kugelförmigen Wellenfronten sowie des unterschiedlichen Abstandes der Volumenelemente des Objekts 8 von den Detektorelementen erreicht die von den unterschiedlichen VoIu- menelementen ausgehende Streustrahlung die Detektorelemente zu unterschiedlichen Zeiten. In der Figur 1 sind hierzu rein beispielhaft vier unterschiedliche Wege der Röntgenstrahlung zwischen Röntgentarget 5, Volumenelement des Objekts 8 und Röntgendetektor 9 angedeutet, die den gleichen Weg zurückle- gen also theoretisch zur gleichen Zeit am Röntgendetektor 9 eintreffen. Dadurch ergeben sich die in der Figur 1 ebenfalls angedeuteten Schalen 12 gleicher Laufzeit. Die dargestellte Situation des gleichzeitigen Eintreffens dient hier lediglich zur Veranschaulichung, da diese Situation mit den dargestell- ten Volumenelementen aufgrund der kurzen Dauer der Röntgenpulse hier nicht eintritt. Es ist jedoch ersichtlich, dass bei bekannter Ausbreitung der Wellenfront eines Röntgenpulses für jedes Volumenelement des Objekts 8 berechnet werden kann, wann die von dort gestreute Röntgenstrahlung des Röntgenpul- ses am Röntgendetektor 9 eintrifft. Auf diese Weise kann für jedes Detektorelement, das jeweils nur die in der jeweiligen Beobachtungsrichtung liegenden Volumenelemente des Objekts 8 sieht, über den Zeitpunkt des Eintreffens des Röntgensignals bestimmt werden, von welchem dieser Volumenelemente das Mess- signal stammt. Dies ermöglicht die dreidimensionale Rekonstruktion der Streustrahlungsverteilung des Objekts.

Figur 2 zeigt schließlich hierzu noch, dass die Schalen 12 gleicher Laufzeit auf Rotationsparaboloiden liegen, bei denen der Targetfokus im Brennpunkt liegt. Der Röntgendetektor 9 und einzelne beispielhafte Strahlwege sind in dieser Figur dargestellt . Bezugs zeichenliste

1 Röntgenquelle

2 Elektronenquelle

3 Wehneltzylinder

4 HF-Beschleuniger

5 Röntgentarget

6 Elektronenstrahlpakete

7 Rontgenstrahlen-KugeIschale

8 Objekt

9 Röntgendetektor

10 Kollimator

11 SekundärStrahlung

12 Schalen gleicher Laufzeit

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Röntgenbildgebung, bei dem ein Objekt (8) mit einem von einer Röntgenquelle (1) ausgehenden Rönt- genstrahlbündel durchleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Durchleuchtung mit einem oder mehreren in zeitlichem Abstand aufeinanderfolgenden Röntgenpulsen erfolgt,

- an Volumenelementen des Objektes (8) gestreute Rönt- genstrahlung in einer von einer Durchleuchtungsrichtung abweichenden Richtung mit einem Röntgendetektor (9) mit einer zweidimensionalen Anordnung von Detektorelementen zeit- und ortsaufgelöst aufgezeichnet wird, und

- über einen bekannten Verlauf und eine bekannte zeitli- che Ausbreitung von Wellenfronten der Röntgenpulse aus orts- und zeitaufgelösten Messdaten des Röntgendetektors (9) ein Bilddatensatz einer dreidimensionalen Streuverteilung des Objekts (8) rekonstruiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenpulse eine Pulsdauer von ≤ 30ps aufweisen .

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Röntgenpulse eine Röntgenröhre mit einem HF-Linearbeschleuniger (4) für die Beschleunigung von Elektronen der Röntgenröhre eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in zeitlichem Abstand aufeinanderfolgende Röntgenpulse eingesetzt werden, über deren Messdaten je- weils gemittelt wird, um einen Bilddatensatz mit verringertem Signal/Rauschverhältnis zu erhalten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in zeitlichem Abstand aufeinander folgende Röntgenpulse eingesetzt werden, um mehrere Bilddaten- sätze zur Visualisierung zeitlicher Änderungen im Objekt (8) zu erhalten.

6. Vorrichtung zur Röntgenbildgebung mit

- einer Röntgenquelle (1), die für die Emission von Röntgenpulsen in einer Durchleuchtungsrichtung ausgebildet ist,

- einem in Durchleuchtungsrichtung von der Röntgenquelle (1) ausgebildeten Untersuchungsbereich zur Aufnahme eines zu durchleuchtenden Objekts (8) und - einem richtungsselektiven, orts- und zeitauflösenden Röntgendetektor (9) mit einer zweidimensionalen Anordnung von Detektorelementen, der seitlich am Untersuchungsbereich so angeordnet und ausgebildet ist, dass er an Volumenelementen des Objektes (8) gestreute Röntgen- Strahlung in einer von der Durchleuchtungsrichtung abweichenden Richtung zeit- und ortsaufgelöst erfassen kann .

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgendetektor (9) mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, die über einen bekannten Verlauf und eine bekannte zeitliche Ausbreitung von Wellenfronten der Röntgenpulse aus orts- und zeitaufgelösten Messdaten des Röntgendetektors (9) einen Bilddatensatz einer dreidimensionalen Streuverteilung des Objekts (8) rekonstruiert .

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle (1) einen HF-Linearbeschleuniger (4) für die Beschleunigung von Elektronen zur Erzeugung der Röntgenpulse umfasst.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgendetektor (9) zur Erzielung der Richtungsselektivität mit einem Kollimator (10) versehen ist .