DE102009058266B4

DE102009058266B4 - Medizinisches Röntgenaufnahmesystem

Info

Publication number: DE102009058266B4
Application number: DE102009058266.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Boese Jan; Dr. Fürst Jens; Michael Maschke; Dr. Sprenger Frank
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH; Xlnray Systems Inc
Current assignee: SIEMENS HEALTHINEERS AG, DE
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: US20110170663A1; DE102009058266A1; CN102178541A; US8488737B2

Abstract

Medizinisches Röntgenaufnahmesystem, aufweisend eine flächenförmige Röntgenquelle mit einer Fläche (26) mit nebeneinander angeordneten Röntgenfokuspunkten (19) und einen von einem digitalen Flachbilddetektor gebildeten Röntgendetektor (20) mit einer Sensorfläche, wobei die Röntgenquelle eine Vielzahl von Feldemissionsstrahlern (10) mit zumindest einer Feldemissionskathode (15) aufweist und die Fläche (26) mit Fokuspunkten (19) der Röntgenquelle mindestens zweimal so groß ist wie die Sensorfläche des Röntgendetektors (20), wobei die Feldemissionsstrahler (10) in einem elliptischen oder kreisförmigen Array (21) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Röntgenaufnahmesystem gemäß dem Patentanspruch 1.
In der bekannten medizinischen Röntgentechnologie werden seit Jahrzehnten als Röntgenquellen Vakuumröhren verwendet, um ionisierende Röntgenstrahlung zu erzeugen. Hier wird in einer evakuierten Glasröhre aus einer über 1000°C erhitzten metallenen Glühkathode ein Elektronenstrahl emittiert und auf eine Metallanode zum Beispiel aus Wolfram beschleunigt, wodurch eine Röntgenstrahlung erzeugt wird. Eine solche Vakuumröhre mit einer Drehanode ist zum Beispiel aus der US 4,326,144 bekannt. Bekannte Vakuumröhren haben unter anderem die Nachteile eines hohen Gewichtes (sowohl durch das Eigengewicht als auch durch eine zusätzlich notwendige Wasserkühlung), großer Abmessungen, eines geringen Wirkungsgrades und insbesondere einer hohen Wärmeentwicklung.
Neue interventionelle Röntgenanwendungen stellen immer höhere Anforderungen an die Bildqualität; gleichzeitig soll die Röntgenexposition für Patienten und Personal möglichst gering gehalten werden. Nach dem Stand der Technik werden heute für interventionelle Röntgensysteme konventionelle Röntgenstrahler und Flachbild-(Flat-Panel)Röntgendetektoren eingesetzt. Limitierend auf die Bildqualität sind dabei u. a. die Streustrahlung und die begrenzte Effizienz des Detektors.
Aus der WO 2010/070554 A1 ist ein Röntgenuntersuchungsgerät zu entnehmen, bei dem eine Röntgenquelle und/oder ein beispielsweise als Flachbilddetektor ausgebildeter Detektor an einem C-Arm befestigt sein können. In diesem Dokument ist weiterhin die Ausbildung der Röntgenquelle mit einem Array von Elektronenemittern beschrieben.
US 2009/0067 569 A1 beschreibt einen Computertomographen, bei dem sowohl der Detektor als auch die Quelle als ein Array ausgebildet sind.
Auch aus der WO 2009/104 156 A1 ist eine Röntgenquelle mit verteilt angeordneten Emittern zu entnehmen.
Aus der DE 10 2008 004 473 A1 ist als Röntgenquelle ein Emitter mit einer Feldemissionskathode zu entnehmen.
Die DE 10 2005 012 700 A1 zeigt eine Röntgenvorrichtung, bei der an einem C-bogenartigen Träger ein Röntgendetektor sowie eine Röntgenquelle gegenüberliegend gehalten sind. Der Träger selbst ist an einem Roboter angebracht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein medizinisches Röntgenaufnahmesystem bereitzustellen, welches eine hohe Bildqualität der aufgenommenen Röntgenbilder gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein medizinisches Röntgenaufnahmesystem gemäß dem Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße medizinische Röntgenaufnahmesystem weist eine flächenförmige Röntgenquelle mit einer Fläche mit nebeneinander angeordneten Röntgenfokuspunkten und einen Röntgendetektor mit einer Sensorfläche auf, wobei die Röntgenquelle eine Vielzahl von Feldemissionsstrahlern mit zumindest einer Feldemissionskathode aufweist und die Fläche mit Fokuspunkten der Röntgenquelle größer ist als die Sensorfläche des Röntgendetektors. Das erfindungsgemäße Röntgenaufnahmesystem weist eine sogenannte inverse Geometrie auf, wodurch zum Beispiel die Streustrahlung signifikant reduziert wird und damit sowohl die Strahlenbelastung für Patient und Bedienperson sinkt als auch die Bildqualität erhöht wird. Die Feldemissionsstrahler können im Gegensatz zu bekannten Röntgenstrahlern in großer Anzahl und mit sehr kleinen Ausmaßen aufwandsarm hergestellt und verwendet werden. Anstelle eines großen Röntgendetektors wird ein relativ kleiner, dafür aber sehr leistungsfähiger, effizienter Röntgendetektor eingesetzt, wodurch ebenfalls die Bildqualität der aufgenommenen Röntgenbilder gesteigert werden kann. Unter der Fläche mit den Fokuspunkten der Röntgenquelle ist der flächige Bereich zu verstehen, über welchen die Feldemissionsstrahler verteilt sind, wobei die Feldemissionsstrahler bzw. deren Fokuspunkte möglichst dicht angeordnet sind.
Bei einer Feldemissionskathode werden Elektronen durch das Anlegen eines ausreichend hohen elektrischen Feldes emittiert. Feldemission wird z. B. erreicht durch einen einfachen Diodenmodus, bei dem eine Vorspannung zwischen Anode und Kathode angelegt wird. Elektronen werden von der Kathode emittiert, wenn das elektrische Feld die Schwelle für die Emission überschreitet. Es kann auch eine Triodenkonstruktion vorgesehen werden, bei der eine Gateelektrode nahe an der Kathode angeordnet wird. Elektronen werden hier emittiert, indem eine Vorspannung zwischen Gate und Kathode angelegt wird. Anschließend werden die emittierten Elektronen durch eine hohe Spannung zwischen Gate und Anode beschleunigt. Feldemissionskathoden erlauben einen sehr hohen, gut kontrollierbaren und leicht fokussierbaren Elektronenstrahlstrom. Der Elektronenstrahl kann außerdem auch magnetisch oder elektrostatisch abgelenkt werden.
Insgesamt hat die Erfindung durch die Feldemissionsstrahler die Vorteile einer geringen Wärmeentwicklung der Röntgenquelle und eines geringen Gewichts sowohl durch die Feldemissionsstrahler selbst als auch durch das Entfallen bzw. die Reduzierung eines Kühlsystems. Zudem weisen Feldemissionsstrahler im Vergleich zu konventionellen Röntgenstrahlern eine hohe Kompaktheit auf, wodurch eine qualitativ hochwertige, flächenförmige Röntgenquelle mit einer Fläche von vielen nebeneinander angeordneten Fokuspunkten erst möglich wird. Insbesondere wird dies durch ein Array mit einer Vielzahl von Feldemissionsstrahlern gewährleistet. Auch die Lebensdauer von Feldemissionsstrahlern ist deutlich höher als die von bekannten Röntgenstrahlern mit thermischen Kathoden. Zusätzlich kann im Vergleich zu einer thermischen Kathode eine Feldemissionskathode ohne Aufheizen schnell gestartet werden. Durch den gut fokussierbaren Elektronenstrom kann zudem für Röntgenabbildungen eine höhere Ortsauflösung erzielt werden. Insgesamt ist eine Röntgenquelle mit Feldemissionsstrahlern auch für neue Anwendungen, bei denen schnelle Bewegungen der Röntgenquelle oder des gesamten Aufnahmesystems aus Röntgenquelle und Röntgendetektor notwendig sind, besonders geeignet.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Feldemissonskathode jeweils ein nanostrukturiertes Material mit Kohlenstoff-Nanoröhren auf (sogenannte CNT-Kathode; carbon nano tube). Derartige Materialien weisen eine besonders gute Emissionscharakteristik auf, sind auch bei hohen Strömen stabil und sind zudem besonders klein herstellbar. Alternativ können die Feldemissionskathoden auch nanokristallines Graphit aufweisen.
Die Fläche der Röntgenquelle ist mindestens zweimal, insbesondere zwischen zweimal und achtmal, so groß wie die Sensorfläche des Röntgendetektors. Hierdurch sind die Vorteile der inversen Geometrie optimal ausnutzbar. Der Röntgendetektor wird von einem digitalen Flachbilddetektor gebildet.
Die Feldemissionsstrahler sind weiterhin auf einer Fläche in einem elliptischen oder kreisförmigen Array angeordnet.
In vorteilhafter Weise werden die Röntgenquelle und der Röntgendetektor gemeinsam von einem C-Bogen oder U-Bügel gehaltert. Ein solcher C-Bogen oder U-Bügel kann auch an einem mehrachsigen Roboterarm, insbesondere an einem Knickarmroboter mit sechs Drehachsen, angeordnet sein, um in beliebigen Bewegungsbahnen bewegt werden zu können.
Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung wird das Röntgenaufnahmesystem von einem Fluoroskopiesystem oder einem Angiographiesystem oder einem Projektionsröntgensystem gebildet.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:

1 eine Ansicht eines Feldemissionsstrahlers mit einer Feldemissionskathode,
2 eine Ansicht eines Feldemissionsstrahlers mit mehreren Feldemissionskathoden,
3 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Röntgenaufnahmesystems mit inverser Geometrie und
4 eine Seitenansicht eines Strahler-Arrays mit Kollimatoren.

In der 1 ist ein Feldemissionsstrahler 10 mit einer Kathode 15 mit einem (einzigen) elektronenemittierenden Element 18 und einer Anode 16 mit einem (einzigen) Fokuspunkt 19 gezeigt. Das Material, welches als Kathode besonders gut geeignet ist, um die hohen notwendigen Elektronenstromdichten zu erzeugen, ist dabei Kohlenstoff, insbesondere in der Form von Nanoröhren (CNT-Kathode). Durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Feldes wird das elektronenemittierende Element 18 ohne Erhitzung zur Emission von einem Elektronenstrahl 17 angeregt, welcher anschließend auf der Anode 16 bzw. dem Fokuspunkt 19 auftrifft und dort Röntgenstrahlung erzeugt.
In der 2 ist eine weitere Ausführung eines Feldemissionsstrahlers 10 gezeigt, welcher eine Kathode mit einer Vielzahl von elektronenemittierenden Elementen 18 aufweist, die alle einzeln aktiviert werden können. Die Elemente 18 können dabei in der Art von Pixeln angeordnet sein. Ebenso besteht die Anode 16 aus einer Vielzahl von Fokuspunkten 19, wobei jedem elektronenemittierenden Element 18 ein Fokuspunkt 19 zugeordnet ist. Die Anode kann zum Beispiel aus Kupfer, Wolfram, Molybdän oder einer Legierung derselben bestehen. Zwischen der Kathode und der Anode kann noch eine Gateelektrode (nicht gezeigt) angeordnet sein, um die Elektronenemission aus der Kathode besser zu steuern. Der Elektronenstrahl kann außerdem auch magnetisch oder elektrostatisch abgelenkt werden. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer reduzierten Anzahl an elektronenemittierenden Elementen eine Vielzahl an Fokuspunkten nacheinander anzuspringen; es kann also einem elektronenemittierenden Element mehr als ein Fokuspunkt zugeordnet sein.
In der 3 ist ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Röntgenaufnahmesystem inverser Geometrie mit einem C-Bogen 22 zur Halterung eines Arrays 21 aus Feldemissionsstrahlern und eines Röntgendetektors 20 gezeigt. Der C-Bogen 22 kann zum Beispiel mittels eines Knickarmroboters gehaltert und dreidimensional im Raum verstellt werden. Das Array 21 aus Feldemissionsstrahlern ist dabei insbesondere rechteckförmig aufgebaut, d. h. dass die Feldemissionsstrahler derart angeordnet sind, dass die Fokuspunkte insbesondere gleichmäßig über eine insbesondere rechteckige Fläche 26 verteilt sind. Dies kann einerseits derart aussehen, dass eine große Anzahl von kleinen Feldemissionsstrahlern mit je einem Fokuspunkt insbesondere gleichmäßig über die Fläche verteilt oder derart, dass mehrere Feldemissionsstrahler mit jeweils mehreren Fokuspunkten gleichmäßig über die Fläche 26 verteilt, angeordnet sind. Die Fokuspunkte können dabei zum Beispiel in der Art von Pixeln angeordnet sein. Der Röntgendetektor 20 ist derart ausgebildet, dass seine aktive Fläche signifikant kleiner, insbesondere zwischen der Hälfte und einem Achtel der Fläche der Feldemissionsstrahler, ist. Bei dem Röntgendetektor handelt es sich insbesondere um einen digitalen Flachbilddetektor auf der Basis von amorphem Silizium.
Einer der Vorteile der sogenannten inversen Geometrie des Röntgenaufnahmesystems, also einer sich im Verhältnis zum Röntgendetektor über eine größere Fläche erstreckende Röntgenquelle ist zum Beispiel eine Reduzierung der Strahlendosis für Patienten und Bedienpersonen.
In der 4 ist eine seitliche Ansicht des Röntgenaufnahmesystems mit dessen Strahlengeometrie gezeigt. Vor dem Array 21 aus Feldemissionsstrahlen ist eine Anordnung von Kollimatoren 24 positioniert, um die jeweilige Röntgenstrahlung zu formen. Insbesondere werden Teile der Röntgenstrahlung ausgeblendet, so dass nur diejenigen Röntgenstrahlen 25, die auf den Röntgendetektor 20 auftreffen, durchgelassen werden.
Das Array 21 kann zum Beispiel etwa 100 x 100 Feldemissionsstrahler und Kollimatoren aufweisen. Ein komplettes Röntgenbild wird erzeugt, indem jeder Feldemissionsstrahler für kurze Zeit aktiviert und das zugehörige Einzelbild ausgelesen wird. Alle Einzelbilder werden dann z. B. mittels einer Tomosynthese-Rekonstruktion zu einem 3D-Volumen rekonstruiert. Dazu sind sehr kurze Belichtungszeiten pro Einzelbild nötig. Wenn das Gesamtvolumen in 10 ms aufgenommen werden soll (dies ist z. B. eine typische Belichtungszeit in der Angiographie), haben die 10.000 Einzelbilder eine Belichtungszeit von nur einer Mikrosekunde. Solche kurzen Belichtungszeiten lassen sich mit Feldemissionsstrahlern besonders einfach realisieren. Außerdem ist ein Röntgenaufnahmesystem aus Feldemissionsstrahlern kompakt, mit geringem Gewicht und kostengünstig realisierbar. Insbesondere das geringere Gewicht der Feldemissionsstrahler in Verbindung mit einem digitalen Flachbilddetektor reduziert die bewegten Massen der Vorrichtung bei den verschiedenen Untersuchungsarten. Ein weiterer Vorteil ist die lange Lebensdauer und geringe Wärmeentwicklung solcher Feldemissionsstrahler.
Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine verbesserte Bildqualität bei Röntgenaufnahmen ist ein medizinisches Röntgenaufnahmesystem, aufweisend eine flächenförmige Röntgenquelle mit einer Fläche mit nebeneinander angeordneten Röntgenfokuspunkten und einem Röntgendetektor mit einer Sensorfläche vorgesehen, wobei die Röntgenquelle eine Vielzahl von Feldemissionsstrahlern mit zumindest einer Feldemissionskathode aufweist und die Fläche mit Fokuspunkten der Röntgenquelle größer ist als die Sensorfläche des Röntgendetektors.

Claims

Medizinisches Röntgenaufnahmesystem, aufweisend eine flächenförmige Röntgenquelle mit einer Fläche (26) mit nebeneinander angeordneten Röntgenfokuspunkten (19) und einen von einem digitalen Flachbilddetektor gebildeten Röntgendetektor (20) mit einer Sensorfläche, wobei die Röntgenquelle eine Vielzahl von Feldemissionsstrahlern (10) mit zumindest einer Feldemissionskathode (15) aufweist und die Fläche (26) mit Fokuspunkten (19) der Röntgenquelle mindestens zweimal so groß ist wie die Sensorfläche des Röntgendetektors (20), wobei die Feldemissionsstrahler (10) in einem elliptischen oder kreisförmigen Array (21) angeordnet sind.
Röntgenaufnahmesystem nach Anspruch 1, wobei die Feldemissionskathoden (15) jeweils ein nanostrukturiertes Material mit Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen.
Röntgenaufnahmesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Röntgenquelle und der Röntgendetektor (20) gemeinsam von einem C-Bogen (22) oder U-Bügel gehaltert werden.
Röntgenaufnahmesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Röntgenquelle und/oder der Röntgendetektor (20)oder ein die Röntgenquelle und den Röntgendetektor (20)) halternder C-Bogen oder U-Bügel an einem Knickarmroboter angeordnet sind.
Röntgenaufnahmesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Röntgenaufnahmesystem von einem Fluoroskopiesystem oder einem Angiographiesystem oder einem Projektionsröntgensystem gebildet wird.