WO2006063950A1 - Röntgeneinrichtung mit streustrahlunterdrückung - Google Patents

Röntgeneinrichtung mit streustrahlunterdrückung Download PDF

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Philipp Bernhardt
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    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
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Definitions

  • the invention relates to an X-ray device with a Rontgen radiation source and in the beam path behind the object, in particular a patient, arranged, preferably digital, detector, wherein by means of a scanning device through which the object and the detector are scanned only in sections, scattered radiation be suppressed.
  • X-radiation has long been used in medical imaging.
  • the X-rays are generated in a near-point source and, after the patient has been irradiated, the attenuated radiation is recorded in a detector.
  • scattered radiation is generated, which creates a background on the images and, due to the quantum nature of the X-ray photons, causes noise in the X-ray images.
  • Such scattered radiation can be suppressed by means of scanning methods by directly irradiating only a small area of the detector, which is rapidly displaced within one pulse over the entire detector.
  • the disadvantage of such a scanning method is generally a reduction in the performance of the X-ray tube, since a large part of the radiation generated must be hidden. Reduction of X-ray tube radiated power must be compensated by reducing pre-filtering, higher voltage, or longer exposure times, resulting in poorer monochromatization of the beam or motion blur. Moreover, the mechanical structure is relatively complicated and vulnerable, since two
  • the invention is therefore based on the object, an X-ray device of the type mentioned in such a way that with a simple reliable construction effective reduction of the scattered radiation can be achieved.
  • the X-ray image is composed of fields in the half-scan method, with one half of the image being blanked out in each case.
  • the half scanning method according to the invention in contrast to the punctiform scanning on the one hand involves a compromise between the suppression of scattered radiation and the reduction of the radiation power of the tube.
  • the unexposed areas in the digital detector are simply ignored, ie the scattering radiation that occurs need not be absorbed by a second aperture system, which considerably simplifies the mechanical structure.
  • the radiation source adjacent the beam path is provided a rotating plate whose axis of rotation extends perpendicularly through the center axis of the radiation cone and on one side of the axis of X-ray absorbing material or coated with it is so that in one revolution time-offset two time windows exist in which alternately one or the other Rickhalfte is hidden.
  • the X-ray absorbing material ends at a small distance from the axis of rotation in order to achieve an overlap of the partial images.
  • the plate is formed substantially rectangular symmetrical to the axis of rotation the second half consists of a balancing frame or a plate of radiopaque material. This balanced training is expedient in view of the very high speeds in the operation of such a platelet, which will be explained in detail in connection with the description of the figures.
  • the two time windows in which one half of the detector and then the other half of the detector is hidden, are separated by different time intervals, in which radiation was transmitted to both image halves, depending on the size of the plate and the rotational speed.
  • the X-radiation is interrupted in the time intervals between the field exposure time windows, which can be done either by the fact that the X-ray source is in pulsed operation is operated and then turned off in these time intervals or that in the time intervals between the field irradiation time windows, a diaphragm interrupts the beam path of the X-ray tube.
  • the scattered-beam component can be reduced by up to 50%.
  • This semi-scanning method is particularly suitable when large amounts of scattered radiation occur, that is to say for large-area X-ray detectors or for small distances between the focal point and the detector, as for example in the case of a C-arm apparatus.
  • the half-scan method due to the low scattered radiation components, the grid completely omitted which, in addition, increases the primary radiation at the detector input.
  • the half-scan method according to the invention is characterized by a simple mechanism, since a mechanical diaphragm system is not required on the patient side. By suppressing the scattered radiation, the image quality can be significantly improved. Moreover, if this image quality improvement is used in favor of a patient dose reduction, a significant increase in radiant power by a factor of two is not required.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an inventive X-ray device
  • FIG. 2 shows a plan view of a blanking device according to FIG.
  • 3 and 4 are views of the position of the plate at the beginning and end of the time window for irradiating the left half of the image or the beginning and end of a time interval without X-radiation between two time windows.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of an X-ray device according to the invention with an X-ray source 1, in whose radiation cone 2 - arranged as close as possible to the radiation source, so that it does not have to be too large - is a rectangular rotating plate 3, one half thereof 4 consists of rontgenstrahlabsorb Schl- the material, while the other half in the illustrated embodiment consists only of a frame 6, the the beam path of the radiation cone 2 is not affected.
  • the frame is only for balancing, so that a round rotation of the plate is guaranteed.
  • the axis of rotation 7 lies in a small distance to the X-ray absorbing material on the one half 4 of the plate 3. In the time in which the plate with the absorbing side covers half of the beam path, one half of the image can be recorded.
  • the X-ray absorbing side covers the other half of the picture and now the second half of the picture can be taken.
  • a small radiation overlap is present due to the small distance between the X-ray-absorbing material on the wafer half 4 and the axis 7 in order to ensure that the edge regions are illuminated.
  • a patient behind which a, preferably digital, detector 9 for the acquisition of the image in the inventive half-scan method is shown.
  • a heavy metal such as tungsten may be used, which is sufficient even at a thickness of 0.5 mm to reduce the radiation power to 1%.
  • the plate must be balanced by weights on the non-absorbent side for a round run.
  • the platelet then forms an angle ⁇ of 19 ° at the beginning of the pulse and at the end of the pulse with the plane perpendicular to the main ray direction. While the wafer is moving from the position 3 ⁇ in Fig. 3 to the position 3 ⁇ , ie during the circulation by 38 degrees, the exposure of the left takes place Half-light and later 26.3 seconds separated from this time window, the exposure of the right half of the image.
  • the angle alpha of 18-19 degrees corresponds to a displacement angle of the plate from the position 3 1 to 3 ⁇ of about 36-38 degrees, that is about one-tenth of 360 degrees and then the pulse length for a field of approx. 7 ms.
  • the two partial images can be joined together in a harmonious manner, for example by means of pixel shift correction, etc.
  • the disadvantage of such a method is the relatively long time of 26.3 ms between the acquisition of the both fields. To reduce this time, the following procedure can be used:
  • the plate 3 rotates at twice the rotational speed of 1800 rpm.
  • the exposure time for a field should again be 7 ms, which means that the angle ⁇ must be 38 degrees. This, of course, means that you need a bigger plate, as it has to be shielded for a longer time. In this constellation, the second field can be recorded after 9.67 seconds. In the subsequent full rotation of the plate is no
  • a time without irradiation lies between the recording of the two fields, which is preferably achieved by a corresponding pulsed operation of the x-ray tube 1, if appropriate also by providing a further diaphragm (not shown) between the plate 3 and the x-ray beam.
  • Source 1 could be achieved.

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Abstract

Röntgeneinrichtung mit Streustrahlunterdrückung Röntgeneinrichtung mit einer Röntgen-Strahlungsquelle und einem in deren Strahlengang hinter dem Objekt, insbesondere einem Patienten, angeordneten, vorzugsweise digitalen, Detektor, wobei mittels einer Scaneinrichtung, durch die das Ob- jekt und der Detektor nur abschnittsweise abgetastet werden, Streustrahlen unterdrückt werden, wobei im Halbscanverfahren das Röntgenbild aus Halbbildern zusammengesetzt wird, wobei jeweils die eine Bildhälfte ausgeblendet wird.

Description

Beschreibung
Röntgeneinrichtung mit Streustrahlunterdruckung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgeneinrichtung mit einer Rontgen-Strahlungsquelle und einem in deren Strahlengang hinter dem Objekt, insbesondere einem Patienten, angeordneten, vorzugsweise digitalen, Detektor, wobei mittels einer Scaneinrichtung, durch die das Objekt und der Detektor nur abschnittsweise abgetastet werden, Streustrahlen unterdruckt werden.
Röntgenstrahlung wird seit langem in der medizinischen Bild- gebung verwendet. Die Röntgenstrahlen werden in einer nahezu punktförmigen Quelle erzeugt und nach der Durchstrahlung des Patienten wird die geschwächte Strahlung in einem Detektor aufgenommen. Im Patienten entsteht dabei eine Streustrahlung, die einen Untergrund auf den Bildern erzeugt und aufgrund der Quantennatur der Rontgenphotonen die Röntgenbilder ver- rauscht.
Eine solche Streustrahlung kann mit Hilfe von Scanverfahren unterdruckt werden, indem jeweils nur ein kleines Gebiet des Detektors direkt bestrahlt wird, welches rasch innerhalb eines Pulses über den ganzen Detektor verschoben wird. Die
Summation der einzelnen Bildpunkte ergibt das Gesamtbild. Der Nachteil eines solchen Scanverfahrens ist im Allgemeinen eine Reduktion der Leistungsfähigkeit der Röntgenröhre, da ein großer Teil der erzeugten Strahlung ausgeblendet werden muss. Die Verminderung der Strahlungsleistung der Röntgenröhre muss durch eine Herabsetzung der Vorfilterung, eine höhere Spannung oder durch längere Belichtungszeiten kompensiert werden, was zu einer schlechteren Monochromatisierung des Strahls oder zu Bewegungsunscharfen fuhrt. Darüber hinaus ist der me- chanische Aufbau relativ kompliziert und anfallig, da zwei
Blendensysteme vor und hinter dem Patienten synchron verschoben werden müssen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Röntgeneinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass bei einfachem betriebssicherem Aufbau eine wirksame Ver- minderung der Streustrahlung erreicht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Halbscanverfahren das Röntgenbild aus Halbbildern zusammengesetzt wird, wobei jeweils die eine Bildhälfte ausge- blendet wird.
Das erfindungsgemäße Halbscanverfahren im Gegensatz zur punktförmigen Abtastung beinhaltet zum einen einen Kompromiss zwischen der Unterdrückung der Streustrahlung und der Herab- Setzung der Strahlungsleistung der Röhre. Darüber hinaus werden im Gegensatz zum klassischen Scanverfahren die nicht belichteten Stellen beim digitalen Detektor einfach ignoriert, das heißt die auftretende Streustrahlung muss nicht durch ein zweites Blendensystem absorbiert werden, was den mechanischen Aufbau erheblich vereinfacht.
Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Strahlungsquelle benachbart im Strahlengang ein rotierendes Plätt- chen vorgesehen ist, dessen Rotationsachse senkrecht durch die Mittelachse des Strahlungskegels verläuft und das auf einer Seite der Achse aus Röntgenstrahlen absorbierendem Material besteht oder damit beschichtet ist, sodass bei einer Umdrehung zeitversetzt zwei Zeitfenster bestehen, in denen abwechselnd die eine bzw. die andere Bildhalfte ausgeblendet ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich dabei als sehr zweckmäßig erwiesen, dass das röntgenabsorbierende Mate- rial in einem kleinen Abstand zur Rotationsachse endet, um eine Überlappung der Teilbilder zu erreichen. Obgleich es im Prinzip möglich wäre, das Plattchen praktisch nach Art einer Fahne auszubilden, die nur einseitig über die Rotationsachse übersteht, hat es sich in der Praxis als wesentlich einfacher erwiesen, wenn das Plattchen im Wesentli- chen rechteckig symmetrisch zur Rotationsachse ausgebildet ist, wobei die zweite Hälfte aus einem zur Auswuchtung dienenden Rahmen oder einer Platte aus rontgenstrahldurchlassi- gem Material besteht. Diese ausgewuchtete Ausbildung ist im Hinblick auf die doch sehr hohen Drehzahlen beim Betrieb eines solchen Plattchens zweckmäßig, was im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung noch im Einzelnen erläutert werden soll.
Die beiden Zeitfenster, in denen die eine Hälfte des Detek- tors und dann die andere Hälfte des Detektors ausgeblendet ist, sind durch, je nach Große des Plattchens und der Rotationsgeschwindigkeit, unterschiedlich große Zeitintervalle getrennt, in denen Strahlung auf beide Bildhalften gelangen wurde. Um dies im Hinblick auf die angesprochene Streustrah- lungsunterdruckung zu vermeiden, ist gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass in den Zeitintervallen zwischen den Halbbild-Bestrahlungszeitfen- stern die Röntgenstrahlung unterbrochen ist, was entweder dadurch geschehen kann, dass die Rontgenquelle im Pulsbetrieb betrieben wird und in diesen Zeitintervallen dann abgeschaltet ist oder aber dass in den Zeitintervallen zwischen den Halbbild-Bestrahlungszeitfenstern eine Blende den Strahlengang der Röntgenröhre unterbricht.
Mit dem erfindungsgemaßen Halbscanverfahren kann der Streustrahlanteil um bis zu 50% reduziert werden. Dieses Halbscanverfahren eignet sich vor allem dann, wenn große Streustrahlungsanteile auftreten, das heißt bei großflächigen Rontgen- detektoren oder bei kleinen Abstanden zwischen dem Brennpunkt und dem Detektor, wie zum Beispiel bei einem C-Bogengerat.
Unter Umstanden kann bei einem Halbscanverfahren aufgrund der niedrigen Streustrahlungsanteile das Raster ganz weggelassen werden, was zusatzlich die Primarstrahlung am Detektoreingang erhöht. Das erfindungsgemaße Halbscanverfahren zeichnet sich im Gegensatz zu herkömmlichen Scanverfahren durch eine einfache Mechanik aus, da ein mechanisches Blendensystem auf der Patientenseite nicht benotigt wird. Durch die Unterdrückung der Streustrahlung kann die Bildqualitat erheblich verbessert werden. Wenn diese Bildqualitat Verbesserungen zugunsten einer Patientendosisreduzierung verwendet wird, ist darüber hinaus eine erhebliche Erhöhung der Strahlungsleistung um eine Faktor 2 nicht erforderlich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuh- rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgema- ßen Röntgeneinrichtung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein in der Rontgeneinπch- tung nach Fig. 1 verwendete zur Ausblendung der
Röntgenstrahlung verwendetes rotierendes Plattchen und
Fig. 3 und 4 Ansichten der Stellung des Plattchens am Beginn und Ende des Zeitfensters zur Bestrahlung der linken Bildhalfte bzw. des Anfangs und Endes eines Zeitintervalls ohne Röntgenstrahlung zwischen zwei Zeitfenstern.
Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsge- maßen Röntgeneinrichtung mit einer Rontgenstrahlungsquelle 1, in deren Strahlungskegel 2 sich - möglichst nahe an der Strahlungsquelle angeordnet, sodass es nicht zu groß ausgebildet sein muss - ein rechteckiges rotierendes Plattchen 3 befindet, dessen eine Hälfte 4 aus rontgenstrahlabsorbieren- dem Material besteht, wahrend die anderen Hälfte im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel lediglich aus einem Rahmen 6 besteht, der den Strahlengang des Strahlungskegels 2 nicht beeinflusst. Der Rahmen dient lediglich zur Auswuchtung, sodass ein rundes Rotieren des Plättchens gewährleistet ist. Die Rotationsachse 7 liegt dabei in einem geringen Abstand zum rontgenabsorbie- renden Material auf der einen Hälfte 4 des Plättchens 3. In der Zeit, in der das Plattchen mit der absorbierenden Seite eine Hälfte des Strahlengangs abdeckt, kann die eine Hälfte des Bildes aufgenommen werden. Nach einer halben Umdrehung überdeckt die rόntgenstrahlabsorbierende Seite die andere Hälfte des Bildes und nun kann die zweite Hälfte des Bildes aufgenommen werden. An der Trennstelle zwischen beiden Bildern ist durch den geringen Abstand des röntgenstrahlabsor- bierenden Materials auf der Plättchenhälfte 4 zur Achse 7 ein kleiner Strahlungsüberlapp vorhanden, um sicher zu stellen, dass die Randbereiche ausgeleuchtet werden.
Bei 8 erkennt man schematisch einen Patienten, hinter dem ein, vorzugsweise digitaler, Detektor 9 zur Aufnahme des Bildes im erfindungsgemaßen Halbscanverfahren dargestellt ist.
Als absorbierendes Material für das Plättchen kann beispielsweise ein Schwermetall wie Wolfram verwendet werden, das bereits bei einer Dicke von 0,5 mm ausreicht, um die Strahlungsleistung auf 1% zu reduzieren. Das Plättchen muss dabei durch Gewichte auf der nicht absorbierenden Seite für einen runden Lauf ausgewuchtet sein.
Das Plättchen wird über einen Elektromotor mit einer Umlaufgeschwindigkeit von beispielsweise 900 rpm, das heißt für eine Bildfrequenz von 900 / 60 = 15 Hz betrieben. Die Pulslänge (=Belichtungszeit) für ein Halbbild wird mit 7 ms festgelegt, die Zeit ohne Bestrahlung zwischen zwei Halbbildern 26,3 ms. Dann bildet das Plättchen bei Pulsbeginn und Pulsende mit der Ebene senkrecht zur Hauptstrahlrichtung einen Win- kel α von 19° . Während das Plättchen den Weg von der Stellung 3Λ in Fig. 3 bis zur Stellung 3ΛΛ durchläuft, also während des Umlaufs um 38 Grad, erfolgt die Belichtung der linken Bildhalfte und spater 26,3 Sekunden von diesem Zeitfenster getrennt, die Belichtung der rechten Bildhalfte. Aus diesen Angaben errechnet sich die Pulslange wie folgt: die Dauer eines Umlaufs des Plattchens betragt 1/15 s = 66,7 ms. Der Win- kel alpha von 18-19 Grad entspricht einem Verschiebewinkel des Plattchens von der Stellung 31 nach 3ΛΛ von etwa 36-38 Grad, also etwa einem Zehntel von 360 Grad und daraus ergibt sich dann die Pulslange für ein Halbbild von ca. 7 ms.
Durch geeignete intelligente Bildnachverarbeitungsalgorith- men, die im Stand der Technik bekannt sind, können die beiden Teilbilder harmonisch aneinander gefugt werden, beispielsweise mit Hilfe einer Pixelshiftkorrektur usw. Der Nachteil eines solchen Verfahrens ist die relativ lange Zeit von 26,3 ms zwischen der Aufnahme der beiden Halbbilder. Um diese Zeit zu verringern, kann folgendes Verfahren verwendet werden:
Das Plattchen 3 rotiert mit der doppelten Umlaufgeschwindigkeit von 1800 rpm. Die Belichtungszeit für ein Halbbild soll wiederum 7 ms betragen, was hier zur Folge hat, dass der Winkel alpha 38 Grad sein muss. Dies bedeutet natürlich, dass man ein größeres Plattchen braucht, da langer abgeschirmt werden muss. Bei dieser Konstellation kann das zweite Halbbild bereits nach 9,67 Sekunden aufgenommen werden. Bei der anschließenden vollen Umdrehung des Plattchens wird keine
Aufnahme gemacht. Auf diese Art und Weise ergibt sich wiederum eine Bildfrequenz von 15 Hz. Maximal ist ein Winkel alpha von 60 Grad denkbar, bei dem die aufnehmbaren Halbbilder fast lückenlos aneinander anschließen können.
Selbstverständlich ist beim erfindungsgemaßen Verfahren sichergestellt, dass zwischen der Aufnahme der beiden Halbbilder eine Zeit ohne Bestrahlung liegt, was bevorzugt durch einen entsprechenden Pulsbetrieb der Röntgenröhre 1, gegebe- nenfalls aber auch durch Vorsehen einer nicht gezeigten weiteren Blende zwischen dem Plattchen 3 und der Rontgenstrah- lungsquelle 1 erreicht werden konnte.

Claims

Patentansprüche
1. Röntgeneinrichtung mit einer Rontgen-Strahlungsquelle und einem in deren Strahlengang hinter dem Objekt, insbesondere einem Patienten, angeordneten, vorzugsweise digitalen, Detektor, wobei mittels einer Scaneinrichtung, durch die das Objekt und der Detektor nur abschnittsweise abgetastet werden, Streustrahlen unterdruckt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Halbscanverfahren das Röntgenbild aus Halbbildern zusammengesetzt wird, wobei jeweils die eine Bildhalfte ausgeblendet wird.
2. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Strahlungsquelle (1) benachbart im Strahlengang (2) ein rotierendes Plattchen (3) vorgesehen ist, dessen Rotationsachse (7) senkrecht durch die Mittelachse des Strahlungskegels verlauft und das auf einer Seite (4) der Achse aus rontgenstrahlabsorbierendem Material besteht oder damit beschichtet ist, sodass bei einer Umdrehung zeitversetzt zwei Zeitfenster bestehen, in denen abwechselnd die eine bzw. die andere Bildhalfte ausgeblendet ist.
3. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das rontgenstrahlenab- sorbierende Material in einem kleinen Abstand zur Rotationsachse (7) endet, um eine Überlappung der Teilbilder zu erreichen.
4. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Plattchen (3) im Wesentlichen rechteckig symmetrisch zur Rotationsachse ausgebildet ist, wobei die zweite Hälfte aus einem zur Auswuchtung dienenden Rahmen (6) oder einer Platte aus rontgenstrahldurchlassigem Material besteht.
5. Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Zeitintervallen zwischen den Halbbild- Bestrahlungszeitfenstern die Röntgenstrahlung unterbrochen wird.
6. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rontgenquelle im Pulsbetrieb betrieben wird.
7. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Zeitintervallen zwischen den Halbbild-Bestrahlungszeitfenstern eine Blende den Strahlungsgang der Rontgenstrahlungsquelle unterbricht.
8. Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Plattchen gegenüber einem Normalbetrieb mit doppelter oder mehrfacher Geschwindigkeit rotiert und zur Vermeidung einer verdoppelten oder vermehrfachten Bildfrequenz nur bei jeder ersten Umdrehung zwei Halbbilder aufgenommen werden.
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