DE102006014624A1

DE102006014624A1 - Verfahren zur Aufnahme von Projektionsbildern

Info

Publication number: DE102006014624A1
Application number: DE102006014624A
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr. Bernhardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: US20070242795A1; DE102006014624B4; US7489762B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Durchführung von Aufnahmen für die duale Absorptiometrie wird ein hochenergetischer Strahlungspuls (12) vor einem niederenergetischen Strahlungspuls (13) durchgeführt. Der hochenergetische Strahlungspuls (12) wird weiterhin am Ende eines zugeordneten Strahlungsfensters des Detektors angeordnet. Durch die zeitliche Abfolge von hochenergetischem Strahlungspuls (12) und niederenergetischem Strahlungspuls (13) kann die Gesamtzeit für die Durchführung der Aufnahmen für die duale Absorptiometrie minimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von Projektionsbildern eines zu untersuchenden Objekts, bei dem von einer Strahlungsquelle während Strahlungsfenstern eines Strahlungsdetektors Strahlungspulse in einem Hochenergiebereich und einem Niederenergiebereich ausgesandt und vom Strahlungsdetektor erfasst werden.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 101 95 715 T5 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden von der Röntgenstrahlungsquelle zunächst ein Röntgenpuls im Niederenergiebereich und dann ein weiterer Röntgenpuls im Hochenergiebereich ausgesandt. Die der Röntgenstrahlungsquelle ausgesandte Strahlung im Hochenergiebereich und im Niederenergiebereich durchdringt ein zu untersuchendes Objekt und wird von einem Röntgendetektor erfasst, der jeweils Projektionsbilder vom zu untersuchenden Objekt erzeugt. Aus den im Hochenergiebereich und im Niederenergiebereich aufgenommenen Projektionsbildern kann dann von einer dem Röntgendetektor nachgeschalteten Auswerteeinheit ein Kombinationsbild erstellt werden.
Da die durchleuchtete Materie des zu untersuchenden Objekts in Abhängigkeit von der Energie der durchleuchtenden Röntgenstrahlung ein unterschiedliches Absorptionsverhalten aufweist, können durch Kombination der Projektionsbilder Kombinationsbilder erstellt werden, die die Strukturverteilung eines bestimmten Materials im zu untersuchenden Objekt wiedergeben. Bei der Aufnahme von zwei Projektionsbildern in unterschiedlichen Energiebereichen können beispielsweise Strukturverteilungen von zwei verschiedenen Stoffen mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften aufgelöst werden.
Ein grundlegendes Problem derartiger Verfahren ist, dass der zeitliche Abstand zwischen dem Strahlungspuls im Niederenergiebereich und dem Strahlungspuls im Hochenergiebereich nicht zu groß werden darf, da es ansonsten zu Bewegungsartefakten im Kombinationsbild kommt.
Ein weiteres Problem betrifft Halbleiter-Röntgendetektoren, die immer in einem bestimmten Modus betrieben werden. Der Modus wird durch die Zahl der ausgelesenen Detektorelemente, die Auslesefrequenz und die Dauer des Röntgenfensters definiert. Unter Röntgenfenster ist dabei diejenige Zeit zu verstehen, während der der Halbleiter-Röntgendetektor Röntgenstrahlung erfassen kann. Ein Wechsel des Modus, in dem der Halbleiter-Röntgendetektor betrieben wird, führt häufig kurzfristig zu Umschaltartefakten, die auch als Modeswitch-Artefakten bezeichnet werden. Außerdem sind für jeden Modus des Röntgendetektors aktuelle Offsetbilder erforderlich, um an den aufgenommenen Projektionsbildern Offsetkorrekturen ausführen zu können. Mit der Anzahl der Moden, in denen der Detektor betrieben wird, steigt auch die Anzahl der zur Offsetkorrektur notwendigen Offsetbilder. Der Aufwand für die Offsetkorrektur wird daher größer.
Da bei medizinischen Verfahren ferner mit Bewegungsartefakten zu rechnen ist, werden die Offsetbilder bei dem bekannten Verfahren im zeitlichen Abstand zu den Projektionsbildern aufgenommen. Ferner wird auf ein Umschalten des Modus zwischen der Aufnahme im Hochenergiebereich und der Aufnahme im Niederenergiebereich verzichtet. Die Dauer der Röntgenfenster für die Aufnahme im Hochenergiebereich und die Aufnahme im Niederenergiebereich ist daher gleich lang.
Allerdings wird die Dauer des Strahlungspulses im Hochenergiebereich kleiner als die Dauer des Strahlungspulses im Niederenergiebereich gewählt. Denn der Wirkungsquerschnitt der Röntgenquanten mit Materie fällt mit zunehmender Energie der Röntgenquanten ab. Bei gleicher Belichtungszeit erhält der Röntgendetektor durch den Strahlungspuls im Hochenergiebereich eine größere Detektordosis als durch den Strahlungspuls im Niederenergiebereich. Aus diesem Grund wird bei dem bekannten Verfahren die Belichtungszeit für den Strahlungspuls im Hochenergiebereich kleiner der Belichtungszeit für den Strahlungspuls im Niederenergiebereich gewählt.
Um während des Strahlungspulses im Niederenergiebereich eine ausreichende Detektordosis zu erhalten, muss der Röhrenstrom hoch gewählt werden, da die Belichtungszeit nicht so lang werden darf, dass die Gefahr von Bewegungsartefakten unnötig erhöht wird.
Zur Verringerung des Röhrenstromes beim Übergang von den Einstellungen der Röntgenstrahlungsquelle für den Strahlungspuls im Hochenergiebereich zu den Einstellungen für den Strahlungspuls im Niederenergiebereich muss die Glühwendel der Kathode der Röntgenstrahlungsquelle abgekühlt werden. Da dafür Zeit nötig ist, kann der Strahlungspuls im Hochenergiebereich nicht unmittelbar auf den Strahlungspuls im Niederenergiebereich folgen. Außerdem wird auch Zeit für das Auslesen der Daten aus dem Röntgendetektor benötigt. Das Auslesen der Röntgendetektoren erfolgt nach dem Schließen des Röntgenfensters, sodass auch aus diesem Grund der Strahlungspuls im Hochenergiebereich nicht unmittelbar auf den Strahlungspuls im Niederenergiebereich folgen kann.
Aufgrund dieser Verzögerung können weiterhin Bewegungsartefakte entstehen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufnahme von Projektionsbildern in unterschiedlichen Energiebereichen anzugeben, mit dem Bewegungsartefakte nach Möglichkeit vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Bei dem Verfahren erfolgt die Aufnahme im Hochenergiebereich vor der Aufnahme im Niederenergiebereich, was zur Folge hat, dass die Zeit zwischen den beiden Aufnahmen verkürzt werden kann. Denn in der Regel kann die Photonenstromdichte innerhalb kürzerer Zeit erhöht als abgesenkt werden. Unter Photonenstromdichte soll dabei die Anzahl der pro Zeiteinheit auf eine Flächeneinheit des Strahlungsdetektors treffenden Photonen verstanden werden. Um den Zeitabstand zwischen dem Strahlungspuls im Hochenergiebereich und dem Strahlungspuls im Niederenergiebereich so gering wie möglich zu halten, wird der Strahlungspuls im Hochenergiebereich am Ende des zugeordneten Strahlungsfensters durchgeführt. Durch die zeitliche Abfolge des Strahlungspulses im Hochenergiebereich und des Strahlungspulses im Niederenergiebereich kann der zeitliche Abstand zwischen dem Strahlungspuls im Hochenergiebereich und dem Strahlungspuls im Niederenergiebereich minimiert werden. Dadurch werden Bewegungsartefakte nach Möglichkeit unterdrückt.
Vorzugsweise weisen die Strahlungsfenster, die jeweils dem Strahlungspuls im Hochenergiebereich und im Niederenergiebereich zugeordnet sind, die gleiche Dauer auf. Dadurch werden Artefakte, die auf das Umschalten eines Modus zurückgehen, vermieden.
Weiterhin ist die Dauer des Strahlungspulses im Hochenergiebereich bevorzugt kürzer als die Dauer des Strahlungspulses im Niederenergiebereich, um die Strahlungsbelastung des Patienten gering zu halten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird als Strahlungsquelle eine Röntgenstrahlungsquelle und als Detektor ein Röntgendetektor verwendet, der eine Röntgenröhre mit geheizter Kathode umfasst. Insbesondere bei einer Röntgenröhre mit geheizter Kathode kann die Photonenstromdichte durch Heizen schneller erhöht als durch Abkühlen erniedrigt werden.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung einer Röntgenanlage, mit der sich Röntgenaufnahmen für die duale Röntgenabsorptiometrie durchführen lassen; und
2 ein Zeitdiagramm, in dem die zeitliche Abfolge eines hochenergetischen und eines niederenergetischen Röntgenpulses und der zugehörigen Röntgenfenster dargestellt ist.
1 zeigt eine Röntgenanlage 1, mit der Röntgenaufnahmen für die duale Röntgenabsorptiometrie durchgeführt werden können. Die Röntgenanlage 1 umfasst eine Röntgenröhre 2, die eine von einem Glühfaden gebildete Kathode 3 aufweist. Der Glühfaden 3 kann mit Hilfe eines Heizstromes I_H beheizt werden. Dabei werden von der Kathode 3 Elektronen emittiert, die mit Hilfe einer Röhrenspannung U_R in Richtung einer Anode 4 beschleunigt werden. Dadurch entsteht ein Elektronenstrahl 5, der in einem Brennfleck auf die Anode 4 trifft. Die in der Anode 4 abgebremsten Elektronen erzeugen Röntgenstrahlung 6, die zur Unterdrückung des niederenergetischen Teils zunächst einen Vorfilter 7 durchläuft. Bei den Vorfiltern 7 handelt es sich in der Regel um Kupferplatten, die in unterschiedlicher Dicke in den Strahlengang der Röntgenstrahlung 6 eingebracht werden können. Anschließend durchdringt die Röntgenstrahlung 6 einen zu untersuchenden Patienten 8.
Die durch den Patienten 8 hindurchgetretene Röntgenstrahlung 6 wird von einem Röntgendetektor 9 erfasst, der ein Absorptionsbild des Patienten 8 aufzeichnet. Dabei wird die Struktur des die Röntgenstrahlung 6 absorbierenden Materials im Patienten 8 auf den Röntgendetektor 9 projiziert. Die Absorptionsbilder enthaltenden Röntgenaufnahmen werden daher auch als Projektionsbilder bezeichnet.
Bei dem Röntgendetektor 9 handelt es sich vorzugsweise um einen Flachbilddetektor oder Flächendetektor auf Halbleiterbasis, der eine Vielzahl von Detektorelementen aufweist, mit denen sich ein digitales Röntgenbild erzeugen lässt.
Dem Röntgendetektor 9 ist eine Auswerteeinheit 10 nachgeschaltet, die eine Linearkombination der durch Variation der Röhrenspannung U_R in unterschiedlichen Energiebereichen der Röntgenstrahlung 6 aufgenommenen Absorptionsbilder bildet. Das durch die Linearkombination der in unterschiedlichen Energiebereichen aufgenommenen Absorptionsbilder erzeugte Kombinationsbild wird auf einer Anzeigeeinheit 11 dargestellt.
Bei der Linearkombination der Absorptionsbilder kann es sich beispielsweise um die Bildung einer Differenz handeln, durch die die Knochenstruktur des Patienten 8 aus dem Kombinationsbild eliminiert wird. Das auf diese Weise erzeugte Kombinationsbild enthält die Absorptionsstruktur des Weichteilgewebes, was insbesondere bei Untersuchungen der Lunge von Vorteil ist.
Für die Durchführung von Absorptionsbildern in unterschiedlichen Energiebereichen werden insbesondere die Röhrenspannung U_R und die Vorfilter 7 variiert. Für das Absorptionsbild im Niederenergiebereich kann zum Beispiel eine niedrigere Röhrenspannung U_R verwendet werden. Außerdem können die Vorfilter 7 eine geringe Materialstärke aufweisen, so dass der niederenergetische Teil des von der Röntgenröhre 2 erzeugten Spektrums nur geringfügig unterdrückt wird. Für die Absorptionsbilder im Hochenergiebereich kann dagegen eine hohe Röhrenspannung U_R verwendet werden. Außerdem können Vorfilter 7 mit großer Materialstärke verwendet werden, die lediglich den hochenergetischen Teil des von der Röntgenröhre 2 erzeugten Röntgenspektrums passieren lassen.
Der Wirkungsgrad der Röntgenröhre 2 steigt in der Regel linear mit der angelegten Röhrenspannung U_R an. Außerdem fällt der Wirkungsquerschnitt der Röntgenquanten mit Materie mit zunehmender Quantenenergie ab. Demzufolge durchdringen im Hochenergiebereich mehr Röntgenquanten den Patienten 8 als im Niederenergiebereich. Bei gleichen Belichtungszeiten und Röhrenströmen erhält der Röntgendetektor 9 daher bei einer Röntgenaufnahme im Hochenergiebereich eine höhere Detektordosis als bei einer Röntgenaufnahme im Niederenergiebereich. Der Röhrenstrom I_R muss daher für Niederenergieaufnahmen erhöht werden. Dabei ist zu beachten, dass der Röhrenstrom I_R durch Heizen leichter erhöht als erniedrigt werden kann, da ein Heizvorgang aufgrund des in der Röntgenröhre herrschenden Vakuums weniger Zeit als ein Abkühlvorgang benötigt.
Aus diesem Grund wird zunächst ein hochenergetischer Strahlungspuls 12 und dann ein niederenergetischer Strahlungspuls 13 erzeugt. Durch diese zeitliche Reihenfolge kann der zeitliche Abstand zwischen dem hochenergetischen Strahlungspuls 12 und dem niederenergetischen Strahlungspuls 13 minimiert werden, da der Röhrenstrom I_R für den niederenergetischen Strahlungspuls 13 rasch erhöht werden kann.
Ferner wird der hochenergetische Strahlungspuls 12 an das Ende eines zugeordneten Röntgenfensters 14 gelegt. Auf diese Weise folgt der niederenergetische Strahlungspuls 13, dem ein Röntgenfenster 15 zugeordnet ist, unmittelbar auf den hochenergetischen Strahlungspuls 12.
Um Artefakte beim Umschalten des Modus, in dem der Röntgendetektor 9 betrieben wird, zu vermeiden, wird der Röntgendetektor 9 für den hochenergetischen Strahlungspuls 12 und den niederenergetischen Strahlungspuls 13 im jeweils gleichen Modus betrieben. Folglich weisen die Röntgenfenster 14 und 15 die gleiche Dauer auf. Somit ist für die Offsetkorrektur der im Hochenergiebereich aufgenommenen Röntgenaufnahme und für die Offsetkorrektur der im Niederenergiebereich aufgenommenen Röntgenaufnahme jeweils nur ein Offsetbild notwendig. Dieses Offsetbild kann vor oder nach den beiden Röntgenaufnahmen im Hochenergiebereich und Niederenergiebereich aufgenommen werden.
Der Vorteil der in 2 dargestellten zeitlichen Anordnung des hochenergetischen Strahlungspulses 12 sei an folgendem Zahlenbeispiel näher erläutert: Wenn die Dauer der Röntgenfenster 14 und 15 jeweils 80 Millisekunden beträgt und sich die Auslesezeit zwischen den beiden Röntgenfenstern 14 und 15 auf ebenfalls 80 Millisekunden beläuft, so werden insgesamt 240 Millisekunden benötigt, um die Röntgenaufnahme im Hochenergiebereich und im Niederenergiebereich durchzuführen, wenn der hochenergetische Strahlungspuls 12 zu Beginn des zugeordneten Röntgenfensters durchgeführt wird. Wenn dagegen der hochenergetische Strahlungspuls 12, der beispielsweise eine Dauer von 20 Millisekunden aufweist, an das Ende des zugeordneten Röntgenfensters 14 gelegt wird, wird für die Durchführung der beiden Röntgenaufnahmen eine Gesamtzeit von 180 Millisekunden benötigt. Die Gesamtzeit kann somit um 25 Prozent gesenkt werden.

Claims

Verfahren zur Aufnahme von Projektionsbildern eines zu untersuchenden Objekts (8), bei dem von einer Strahlungsquelle (2) während Strahlungsfenstern (14, 15) eines Strahlungsdetektors (9) Strahlungspulse (12, 13) in einem Hochenergiebereich und einem Niederenergiebereich ausgesandt und vom Strahlungsdetektor (9) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungspuls (12) im Hochenergiebereich vor dem Strahlungspuls (13) im Niederenergiebereich am Ende des dem Strahlungspuls (12) im Hochenergiebereich zugeordneten Strahlungsfensters (14) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungspulse (12, 13) im Hochenergiebereich und im Niederenergiebereich in Strahlungsfenstern (14, 15) gleicher Dauer durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungspuls (12) im Hochenergiebereich mit einer kürzeren Dauer als der Strahlungspuls (13) im Niederenergiebereich durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Strahlungspuls (13) im Niederenergiebereich die Photonenstromdichte der von der Strahlungsquelle (2) emittierten Strahlung erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle eine Röntgenröhre (2) und als Strahlungsdetektor ein Röntgendetektor (9) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Röntgendetektor (9) ein digitaler Flachbilddetektor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode (3) der Röntgenröhre (2) vor dem Strahlungspuls (13) im Niederenergiebereich zur Erhöhung der Photonenstromdichte aufgeheizt wird.
Vorrichtung zur Aufnahme von Projektionsbildern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.