DE10325335A1

DE10325335A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme von Bildern mit Hilfe von hochenergetischen Photonen

Info

Publication number: DE10325335A1
Application number: DE10325335A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dr. Groh; Volker Dr. Heer; Mathias HÖRNIG; Bernhard Dr. Sandkamp
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-30
Also published as: US20050012046A1

Abstract

Zur Untersuchung von weichen Gewebeteilen wird vorgeschlagen, gleichzeitig zwei Röntgenaufnahmen in unterschiedlichen Energiebereichen durchzuführen. Im Strahlengang der Röntgenphotonen sind daher wenigstens zwei Szintillatoren angeordnet, die optische Photonen zu zugeordneten Detektoren senden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern mit hochenergetischen Photonen mit einem Bilder aufnehmenden Detektorbereich und einem im Strahlengang vor dem Detektorbereich angeordneten Strahlungsenergiewandler, der Photonen aus einem Hochenergiebereich in Photonen aus einem Niedrigenergiebereich wandelt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Aufnahme von Bildern mit Hilfe hochenergetischer Photonen.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der US 6 343 111 B1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung und dem bekannten Verfahren wird der zu untersuchende Körperteil eines Patienten mit Röntgenlicht in unterschiedlichen Energiebereichen durchleuchtet. Insbesondere wird zunächst eine erste Aufnahme mit Röntgenlicht auf einem ersten Energieniveau und dann eine zweite Aufnahme mit Röntgenlicht auf einem zweiten Energieniveau durchgeführt. Das zweite Energieniveau liegt dabei unterhalb des ersten Energieniveaus. Die beiden Aufnahmen werden in digitaler Form aufgezeichnet und die Daten der beiden Aufnahmen in einem aufwändigen Bildverarbeitungsverfahren voneinander subtrahiert.
Die bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren dienen dazu, Röntgenbilder von Weichteilen eines Patienten aufzuzeichnen. Beispielsweise kann es von Interesse sein, die Lunge eines Patienten auf Lungenkrebs hin zu untersuchen. Die klassische Röntgentechnik ist hierzu kein geeignetes Mittel, da die Abbildung der Knochenstruktur des Brustkorbs das Röntgenbild dominiert. Durch die Aufnahme zweier Bilder in unterschiedlichen Energiebereichen des Röntgenlichts und eine nachfolgende Subtraktion der Helligkeitswerte ist es grundsätzlich möglich, die Knochenstrukturen aus dem Bild zu eliminieren, so dass sich im Ergebnis ein detail- und kontrastreiches Bild des weichen Gewebes des Patienten ergibt.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung ist jedoch, dass eine Bewegung des Patienten zwischen den beiden Aufnahmen allein schon wegen der Atmung und des Herzschlages nicht unterbunden werden kann. Die Bewegungseffekte müssen daher durch ein mathematisch aufwändiges Bildverarbeitungsverfahren eliminiert werden. Zum Teil fließen in die Bildverarbeitung auch Schätzungen ein, die zu Artefakten im fertigen Bild führen können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich auf einfache Weise Weichteile eines Patienten aufzeichnen lassen.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Bei der Vorrichtung sind im Strahlengang wenigstens zwei auf Photonen in verschiedenen Hochenergiebereichen ansprechende Strahlungsenergiewandler angeordnet, die die Photonen aus den Hochenergiebereichen jeweils in Photonen in einem zugeordneten Niederenergiebereich wandeln und diese zu einem zugeordneten Detektorbereich senden.
Mit der Vorrichtung lassen sich somit gleichzeitig zwei Aufnahmen in unterschiedlichen Energiebereichen machen. Da die beiden Aufnahmen gleichzeitig durchgeführt werden, spielt die Bewegung des Patienten bei der nachfolgenden Subtraktion der beiden Bilder keine Rolle. Bei der Vorrichtung und dem Verfahren kann daher auf aufwändige Bildverarbeitungsverfahren zur Kompensation der Bewegung des Patienten verzichtet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung bilden die Detektoren mit einem zugeordneten Strahlungsenergiewandler eine aus einem Detektor und einem Strahlungsenergiewandler bestehende Detektorgruppe, wobei die einzelnen Detektorgruppen im Strahlengang durch jeweils einen für hochenergetische Photonen selektiven Filter getrennt hintereinander im Strahlengang der hochenergetischen Photonen angeordnet sind.
Bei dieser Vorrichtung werden die hochenergetischen Photonen von den jeweiligen Strahlungsenergiewandlern im Strahlengang zu niederenergetischen Photonen gewandelt, die von den zugeordneten Detektorbereichen aufgezeichnet werden. Die jeweils in einer Detektorgruppe gewandelten Photonen können nicht in die benachbarte Detektorgruppe gelangen, da die Detektorgruppen jeweils durch Filter getrennt sind, die für die Photonen im Hoch- und Niederenergiebereich selektiv sind.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass für jedes Bild im niederenergetischen Energiebereich die volle Auflösung des zugeordneten Detektors zur Verfügung steht.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind wenigstens zwei Strahlungsenergiewandler vor einem Detektor angeordnet, dessen Detektorfläche energieselektiv ausgebildet ist. Die vor dem Detektor angeordneten Strahlungsenergiewandler wandeln die Photonen in unterschiedlichen Hochenergiebereichen in Photonen in unterschiedlichen Niederenergiebereichen um und senden diese zum Detektor, wo sie von jeweils zugeordneten energieselektiven Bereichen erfasst werden.
Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass lediglich ein einzelner Detektor zur Aufzeichnung von Bildern in unterschiedlichen Energiebereichen benötigt wird. Dementspre chend ist jedoch die Auflösung des aufgezeichneten Bildes im jeweiligen Energiebereich im Vergleich zu einer Vorrichtung mit mehreren Detektoren geringer.
Wenn der von der Vorrichtung benötigte Platz nur eine untergeordnete Rolle spielt, kann auch daran gedacht werden, im Strahlengang der niederenergetischen Photonen energieselektive Spiegel vorzusehen, bei dem je nach Energie der einfallenden Photonen, diese reflektiert oder transmittiert werden.
Eine derartige Vorrichtung ist von Vorteil, wenn die Detektorbereiche durch hochenergetische Photonen in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.
Weitere Eigenschaften und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern in unterschiedlichen Hochenergiebereichen;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern in unterschiedlichen Hochenergiebereichen;
3 eine Aufsicht von vorne auf einen Detektor für die Vorrichtung aus 2;
4 eine weitere Aufsicht von vorne auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektors für die Vorrichtung aus 2; und
5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern in unterschiedlichen Hochenergiebereichen.
In 1 ist ein Röntgengerät 1 dargestellt, dessen Röntgenstrahlungsquelle 2 in einem Röntgenpuls 3 Röntgenstrahlung in unterschiedlichen Energiebereichen aussendet. Der Einfachheit halber sind in 1 lediglich hochenergetische Röntgenphotonen 4 und niederenergetische Röntgenphotonen 5 durch Pfeile unterschiedlicher Länge veranschaulicht. Die Begriffe "hochenergetisch" und "niederenergetisch" sollen die relativen Energieverhältnisse der jeweiligen Röntgenphotonen untereinander kennzeichnen. Die Energien von "hochenergetischen" Röntgenphotonen sollen dabei in einem Energiebereich oberhalb der Energie von "niederenergetischen" Photonen liegen.
Der Röntgenpuls 3 trifft ein auf zu untersuchendes Objekt 6, bei dem es sich beispielsweise um ein Körperteil eines Patienten handelt. Je nach der Struktur des Objektes 6 werden die hochenergetischen Röntgenphotonen 4 und die niederenergetischen Röntgenphotonen 5 im Röntgenpuls 3 absorbiert und ein durch das Objekt 6 hindurchgetretener Röntgenpuls 7 enthält ein Schattenbild der Absorptionsstruktur des Objekts 6.
Der Röntgenpuls 7 trifft anschließend auf einen Röntgendetektor 8, der eingangsseitig einen Szintillator 9 aufweist. Im Szintillator 9 werden die niederenergetischen Röntgenphotonen 5 größtenteils absorbiert. Auf die Absorption eines Röntgenphotons hin emittiert der Szintillator 9 optische Photonen 10 in einem optischen Wellenlängenbereich, die von einem Photodiodendetektor 11 erfasst werden können. Bei dem Photodiodendetektor 11 handelt es sich beispielsweise um einen Detektor, bei dem eine Vielzahl von Photodioden aus amorphem Silizium nebeneinander auf einer Bildfläche angeordnet sind.
Während die niederenergetischen Röntgenphotonen 5 in dem Szintillator 9 absorbiert werden, tritt ein Großteil der höherenergetischen Röntgenphotonen durch den Szintillator 9 und den Photodiodendetektor 11 hindurch. Die höherenergetischen Röntgenphotonen 4 werden ferner auch durch ein Röntgenfilter 12 transmittiert. Anschließend werden die höherenergetischen Röntgenphotonen, die den harten Teil der Röntgenstrahlung bilden, in einem Szintillator 13 absorbiert und in optische Photonen 14 umgewandelt, die von einem Photodiodendetektor 15 erfasst werden. Bei dem Photodiodendetektor 15 handelt es sich ebenso wie bei dem Photodiodendetektor 11 um einen Detektor, bei dem eine Vielzahl von Photodioden aus amorphem Silizium nebeneinander angeordnet sind.
Der Röntgenfilter 12 kann aus einer Folie oder einer dünnen Platte aus Kupfer oder Aluminium hergestellt werden.
Für die Szintillatoren 9 und 13 können handelsübliche Materialien verwendet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Dabei können sowohl unterschiedliche Materialien als auch jeweils gleiche Materialien verwendet werden. Im letzteren Fall werden die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der Szintillatoren 9 und 13 von unterschiedlichen Dicken des jeweiligen Szintillators bewirkt.
Mit dem in 1 dargestellten Röntgengerät 1 lassen sich duale simultane Röntgenaufnahmen in mehr als einem Energiebereich durchführen. Da der von der Röntgenquelle 2 emittierte Röntgenpuls 3 zur gleichzeitigen Belichtung der Photodiodendetektoren 11 und 15 führt, werden gleichzeitig zwei Bilder von der Struktur des Objekts 6 aufgenommen, die jeweils unterschiedlichen Röntgenenergiebereichen zugeordnet sind. Der von den niederenergetischen Röntgenphotonen gebildete weiche Strahlungsanteil wird vom Photodiodendetektor 11 und der von den höherenergetischen Röntgenphotonen gebildete harte Strahlungsanteil des Strahlungspulses 3 wird vom Photodiodendetektor 15 erfasst. Da die beiden Bilder gleichzeitig aufgenommen werden, spielt die Bewegung des Objekts 6 keine Rolle. Die beiden Aufnahmen können daher voneinander subtrahiert werden, um ein kontrastreiches Bild von weichen Gewebeteilen des Patienten zu erstellen.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines energieselektiven Röntgendetektors dargestellt. 2 zeigt einen Röntgendetektor 16, der zwei vor einem Photodiodendetektor 17 angeordnete Szintillatoren 18 und 19 aufweist. Die Szintillatoren 18 und 19 sind so beschaffen, dass die niederenergetischen Röntgenphotonen größtenteils im Szintillator 18 und die hochenergetischen Röntgenphotonen zum größten Teil im nachgeordneten Szintillator 19 absorbiert werden. Dem von den emittierten optischen Photonen 20 gebildeten Licht kann ein für den jeweiligen Szintillator 18 oder 19 charakteristische Farbe zugeordnet werden. Der Photodiodendetektor 17 ist nun so beschaffen, dass verschiedene Detektorbereiche auf verschiedene Wellenlängen des erfassten Lichts unterschiedlich reagieren.
3 zeigt eine Aufsicht von vorne auf den Photodiodendetektor 17. Der Photodiodendetektor 17 weist eine Reihe von Photodiodenzeilen 21 auf, die abwechselnd auf Licht aus dem ersten Szintillator 18 und dem zweiten Szintillator 19 reagieren. Um eine derartige Wellenlängenabhängigkeit über die Bildfläche des Photodiodendetektors 17 hinweg zu erzeugen, wird vor jeder Photodiodenzeile 21 des Photodiodendetektors 17 ein geeigneter optischer Filter angeordnet.
Die Filter können auch, wie in 4 dargestellt, schachbrettartig angeordnet werden, so dass sich die spektrale Empfindlichkeit benachbarter Bildpunkte 22 unterscheidet.
Das anhand der 2 bis 4 dargestellte Ausführungsbeispiel des Röntgendetektors 16 bietet den Vorteil, dass für die gleichzeitige Aufnahme zweier Bilder in unterschiedlichen Energiebereichen lediglich ein Photodiodendetektor 17 erforderlich ist.
In 5 ist ein weiterer Photodiodendetektor 23 dargestellt, der dann zur Anwendung kommen kann, wenn ausreichend Platz vorhanden ist. Der Röntgendetektor 23 umfasst einen eingangsseitigen Szintillator 24, dem im Strahlengang ein für Licht im optischen Wellenlängenbereich reflektierenden Spiegel 25 nachgeordnet ist. Durch den Spiegel 25 werden die vom Szintillator 24 erzeugten optischen Photonen 10 in seitliche Richtung zu dem Photodiodendetektor 26 gelenkt. Die höherenergetischen Röntgenphotonen 4 dagegen werden durch den Spiegel 25 transmittiert und treffen auf einen Szintillator 27. Die vom Szintillator 27 emittierten optischen Photonen 14 gelangen schließlich zu einem Photodiodendetektor 28 und werden dort erfasst.
Die anhand der 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Röntgendetektors eignen sich ebenso wie der anhand 1 beschriebene Röntgendetektor 8 zur simultanen Aufnahme von Bildern bei verschiedenen Energien. Wenn die Aufnahmen voneinander subtrahiert werden, ist nicht wie beim Stand der Technik das Auftreten von Artefakten zu befürchten, da die beiden Aufnahmen gleichzeitig und nicht etwa zeitversetzt erfolgen. Auf eine aufwändige Bildverarbeitung zur Kompensation der unvermeidlichen Bewegung des Patienten kann daher verzichtet werden.
Die anhand der 1 bis 5 beschriebenen Vorrichtungen eignen sich insbesondere zur Untersuchung weicher Gewebeteile mit Hilfe von Röntgenstrahlung. Denn die Knochenstrukturen im Körper eines Patienten absorbieren Röntgenstrahlen nahezu unabhängig von ihrer Energie, so dass die Knochenstruktur in beiden Bildern in etwa mit den gleichen Helligkeitswerten erscheint. Zur weiteren Verarbeitung werden daher die gewonnenen Bildinformationen digitalisiert und die Bilddaten werden einer Bildverarbeitung unterzogen, bei der im einfachsten Fall die Helligkeitswerte des einen Bildes von den Helligkeitswerten des anderen Bildes pixelweise voneinander subtrahiert werden. Das auf diese Weise gewonnene Bild gibt im Wesentlichen die Struktur der weichen Gewebeteile wieder – auch von derjenigen Gewebeteilen, die an sich von der Knochenstruktur verdeckt sind.

Claims

Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern mit Hilfe von hochenergetischen Photonen (4, 5) mit einem Bilder aufnehmenden Detektorbereich (11, 15, 17, 26, 28) und einem im Strahlengang vor dem Detektorbereich (11, 15, 17, 26, 28) angeordneten Strahlungsenergiewandler (9, 13, 18, 19, 24, 27), der Photonen (4, 5) aus einem Hochenergiebereich in Photonen (10, 14, 20) aus einem Niedrigenergiebereich wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Photonen (4, 5) aus dem Hochenergiebereich wenigstens zwei auf Photonen (4, 5) in verschiedenen Hochenergiebereichen ansprechende Strahlungsenergiewandler (9, 13, 18, 19, 24, 27) angeordnet sind, die Photonen (10, 14, 20) im Niedrigenergiebereich zu einem dem jeweiligen Strahlungsenergiewandler (9, 13, 18, 19, 24, 27) zugeordneten Detektorbereich (11, 15, 17, 26, 28) senden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Strahlungsenergiewandler (9, 13) und ein Detektorbereich (11, 15) paarweise durch ein für hochenergetische Photonen selektives Filter (12) getrennt hintereinander im Strahlengang der Photonen (4, 5) aus dem Hochenergiebereich angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorbereiche (11, 15) hinsichtlich der Photonen (10, 14) aus dem Niedrigenergiebereich die gleiche spektrale Empfindlichkeit aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Strahlungsenergiewandler (18, 19) mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen der emittierten Photonen (20) im Niedrigenergiebereich im Strahlengang vor einem De tektor (17) angeordnet sind, der Detektorbereiche (21, 22) aufweist, die jeweils eine auf die spektrale Verteilung der emittierten Photonen (20) im Niedrigenergiebereich abgestimmte Empfindlichkeit aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorbereiche (21) auf einer Bildebene des Detektors (17) streifenförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorbereiche (22) schachbrettartig angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem Strahlungsenergiewandler (24) erzeugten Photonen (10) im Niedrigenergiebereich durch einen Ablenkspiegel (25) aus dem Strahlengang der Photonen (4, 5) aus dem Hochenergiebereich ausgelenkt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Photonen (4, 5) aus dem Hochenergiebereich Röntgenphotonen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Photonen (10, 14, 20) aus dem Niedrigenergiebereich Photonen im optischen Wellenlängenbereich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsenergiewandler Szintillatoren (9, 13, 18, 19, 24, 27) sind.
Verfahren zur Aufnahme von Bildern mit Hilfe hochenergetischer Photonen (4, 5), bei dem Bilder von in einem Strahlengang hinter einem Strahlungsenergiewandler (9, 13, 18, 19, 24, 27) angeordneten Detektorbereich (11, 15, 17, 26, 28) aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass Photonen (4, 5) aus einem Strahlungspuls (3, 7) im Hochenergiebereich durch wenigstens zwei im Strahlengang angeordnete Strahlungsenergiewandler (9, 13, 18, 19, 24, 27) in Photonen (10, 14, 20) im Niedrigenergiebereich gewandelt und jeweils zu einem dem jeweiligen Strahlungsenergiewandler (9, 13, 18, 19, 24, 27) zugeordneten Detektorbereich (11, 15, 17, 26, 28) gesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach der gemeinsamen Aufnahme von Bildern des zu untersuchenden Objekts (6) die Bildinformation digitalisiert und die digitalen Bilddaten voneinander subtrahiert werden.