DE68916287T2 - Röntgenuntersuchungsapparat mit drei Rotationsachsen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Röntgenuntersuchungsapparat mit einer Röntgenquelle und einem Röntgendetektor, die zueinander diametral in einem vorgegebenen Abstand angeordnet und um drei Achsen in bezug auf einen Tisch kollektiv drehbar sind, der zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor verlagert werden kann, wobei die Achsen senkrecht aufeinander stehen, sich im wesentlichen in einem gemeinsamen Punkt schneiden und ein erstes Koordinatensystem definieren, und wobei im Apparat Mittel zum Bestimmen der Position in bezug auf das erste Koordinatensystem eines Strahlungsvektors auf einem zentralen Röntgenstrahl aufgenommen sind, der die Röntgenquelle und den Röntgendetektor verbindet. Ein derartiger Röntgenuntersuchungsapparat ist in US 3 281 598 beschrieben. In einem in dieser Patentschrift beschriebenen Apparat werden die Rotationsachsen durch Aufhängen der Röntgenröhre und des Röntgendetektors in einem C-Arm verwirklicht, der in der Ebene des C-Arms um eine erste Achse drehbar ist. Der C-Arm ist weiter mit einem Träger verbunden, damit er um eine zweite Achse drehbar ist, und der Träger ist an der Decke angebracht, um ihn um eine vertikale Achse zu drehen. Der Apparat ist isozentrisch, was bedeutet, daß die drei Achsen einen gemeinsamen Schnittpunkt, das Isozentrum haben. Das Isozentrum liegt üblicherweise in einem zu untersuchenden Objekt. Die große Bewegungsfreiheit der Röntgenquellen/Röntgendetektoranordnung, nachstehend kurz mit Bildformungsanordnung bezeichnet, hat viele Vorteile. Faktisch kann jetzt ein Patient aus vielen Richtungen angestrahlt werden. Dies hat große Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise beim Katheterisieren. Die deutsche Patentschrift DE 21 08 657 gibt eine Beschreibung eines Röntgenuntersuchungsapparats, in dem ein C-Arm eine Röntgenquelle und einen Röntgendetektor trägt. Wandler zum Bestimmen der Position des Strahlungsvektors werden mit dem Röntgenuntersuchungsapparat verbunden. Durch Anstrahlen eines Objekts ins zwei verschiedenen senkrechten Richtungen werden zwei Projektionsbilder erhalten, die an einem Fernsehmonitor wiedergegeben werden, wobei die von den Wandlern erzeugten Signalwerte, die auch proportional den Drehungswinkeln des C- Arms sind, in einer Recheneinheit gespeichert werden. Eine Bildzeile kann in den zwei Monitorbildern elektronisch gewählt werden. Eine Projektion der gewählten Zeile kann für alle Positionen des Strahlungsvektors berechnet werden, die von den Wandlern gemessen und im Röntgenbild wiedergegeben werden. Beispielsweise Chirurgie auf der gewählten Zeile erfolgen.
• Im Gebrauch weist der bekannte Apparat einen störenden Nachteil auf, bei dem die Orientierung eines beispielsweise an einem Monitor dargestellten Strahlungsbildes sich dreht. Der Radiologe verliert viel Zeit zum anatomischen Deuten des wiedergegebenen Bildes, und die Möglichkeit einer falschen Diagnose wird dadurch größer. Weiter wird die Bewegungsfreiheit des Bedienungspersonals nahe bei einem zu untersuchenden Patienten stark beschränkt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen, und zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Röntgenuntersuchungsapparat der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß ebenfalls Rechenmittel zum Bestimmen der Position des Strahlungsvektors in bezug auf ein zweites Koordinatensystem aufgenommen sind, das durch eine Achsengruppe entsprechend den drei Achsen definiert und in bezug auf das erste Koordinatensystem verschoben ist.
• Da in einem erfindungsgemäßen Apparat Mittel zum Bestimmen des Strahlungsvektors in bezug auf ein frei zu wählendes Koordinatensystem aufgenommen ist, können die Bewegungen der Röntgenquelle und des Röntgendetektors gesteuert werden, so daß eine der Achsen des zweiten Koordinatensystems beispielsweise mit der Längsachse eines Patienten zusammenfällt. Auch ist es beispielsweise möglich, eine der Achsen zu orientieren, so daß sie immer mit einer erkennbaren Achse durch ein Objekt zusammenfällt, beispielsweise mit der Wirbelsäule, aber auch mit der Richtung eines wiederzugebenden Blutgefäßes. Bilddrehung am Monitor des wiederzugebenden Objekts wird hierdurch verhindert.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugen die Rechenmittel gekoppelte Bewegungen zum Verwirklichen einer zuvor eingestellten Reihe von Orientationsradiogrammen. Die Steuerung erfolgt beispielsweise derart, daß von einer vorangehenden nach einer folgenden Strahlungsrichtung mit einem Minimum an Winkeldrehungen fortgeschritten wird. In einem teilweise handbetriebenen Apparat kann die Verwendung eines Lichtbildes auch zu diesem Zweck in Erwägung gezogen werden.
• Durch die Projektion eines Spaltbildes aus einem Lichtbild auf ein zu untersuchendes Objekt und durch die Kombination einer vorgegebenen Orientierung eines Spaltbildes mit einer vorgegebenen Winkelorientierung für Radiographie kann ein gewünschtes Bild am Monitor verwirklicht werden.
• In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Röntgenquelle und ein Röntgenbildverstärker auf einem C-Arm derart angeordnet, daß eine Drehung um eine Achse quer zur Ebene des C-Arms sich über wenigstens zweimal 90º erstrecken kann. Auf diese Weise kann der C-Arm bis vorbei der Röntgenröhre oder der Röntgenbildverstarkerröhre oder beide über eine C-Bogenbasis gleiten. Zu diesem Zweck ist insbesondere der C-Arm so breit ausgeführt, daß die Röntgenröhre und die Röntgenverstärkerröhre darin ohne seitlich ausragende Teile angeordnet werden kann. Ein derartiger C-Arm kann sich auch zur Bildung eines kompletten Rings erstrecken und beispielsweise für Zwei-Ebenenuntersuchungen mit 2 Röntgenquellen und 2 Bildverstarkerröhren versehen werden.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden eine Röntgenquelle und eine Röntgenbildverstärkerröhre in einem gemeinsamen Träger derart angeordnet, daß diese Einheit in bezug auf einen gemeinsamen Schwerpunkt, der vorzugsweise in oder nahe beim Isozentrum liegt, ganz im Gleichgewicht ist, und dazu werden die Röntgenquelle oder der Detektor mit Gegengewichten ergänzt. Gegengewichte sind insbesondere erforderlich, beispielsweise wenn der Detektor in der Richtung des Strahlungsvektors verschoben werden kann, der ein Hauptstrahl eines von der Röntgenquelle ausgesandten und vom Detektor eingefangenen Röntgenbündels ist. Für jede Neuorientierung wird der Detektor beispielsweise zunächst in einer Gleichgewichtsposition angeordnet. Für die Neuorientierung selbst brauchen keine Schwerkräfte überwunden zu werden. Ohne radiale Beweglichkeit des Detektors im C-Arm ist die Bildformungsanordnung immer im Gleichgewicht.
• Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Apparat im Aufbau als Deckenapparat mit einem C-Armaufbau,
• Fig. 2a, b und c verschiedene Wege der Röntgendetektion.
• Ein Röntgenuntersuchungsapparat nach Fig. 1 enthält eine Röntgenquelle 2 mit einem Strahlungsobjektfokus 3 und einem Röntgenbildverstarker 4 mit einem Eingangsschirm 5. Der Brennpunkt 3 und der Schirm 5 werden in gegenseitigem Abstand L in einem C-Arm 6 angeordnet. Der C-Arm wird in einem C-Armfuß 8 angebracht, um bewegbar zu sein. Durch Verschieben des C-Arms 6 durch den Fuß 8 führt die Röntgenquellen/Röntgendetektor-Anordnung und damit ein Strahlungsvektor 10, wie bereits erwähnt, eine Drehung um eine Achse 12 aus, die in diesem Fall quer zur Ebene der Zeichnung verläuft und mit einem Hauptstrahl eines von der Röntgenquelle auszusendenden und vom Röntgendetektor einzufangenden Röntgenbündels zusammenfällt. (Der Deutlichkeit halber ist die Achse anders dargestellt, d. h. nicht durch einen einfachen Punkt, sondern diesmal mittels einer strichpunktierten Linie). Der C-Armfuß 8 ist mit einem Trägerarm 16 verbunden, damit er um eine Achse 14 drehbar ist. Der Trägerarm 16 ist mit einem Trägerbalken 18 verbunden, der in diesem Fall mit einer Trägerplatte 22 verbunden ist, damit er um eine Achse 20 drehbar ist. Die Trägerplatte 22 ist beispielsweise über ein X-Y-translationssystem nur mit einem X-System oder ganz starr mit einer Decke 24 verbunden. Der Aufbau ist isozentrisch, wenn die Achsen 12, 14 und 20 gemäß der Darstellung einen gemeinsamen Schnittpunkt 30 haben. Dazu kann eine angepaßte Trägerplatte 22 mit einer X-Y- Translationseinrichtung für die Achse 20 verwendet werden. Der Schnittpunkt 30 wird üblicherweise mit Isozentrum bezeichnet und liegt vorzugsweise in einem zu untersuchenden Objekt. Hinsichtlich der Röntgenbildverstarkerröhre ist in Erwägung zu ziehen, daß für Bildwiedergabe an einem Monitor sie oft eine Fernsehkameraröhre an ihrer Ausgangsseite enthält.
• Zum Einfangen von Signalen, die ein Maß der Winkeldrehungen um verschiedene Achsen sind, ist der C-Arm mit einer Meßregel 40 ausgerüstet und eine Meßeinrichtung 42 ist im Fuß angeordnet, die Bewegungen des C-Arms beispielsweise in bezug auf eine Nullposition, beispielsweise die dargestellte vertikale Position, aufzeichnet und diese Aufzeichnung als elektrisches Signal an eine Steuereinrichtung 44 weiterleitet.
• Für Meßpositionen der Drehung der zwei anderen Achsen 14 und 20 können Winkelmeßeinrichtungen 46 und 48 beispielsweise in Form von Codern aufgenommen werden. Zur Ausführung verschiedener Projektionen eines Objekts muß der Röntgendetektor auf einer imaginären Hemisphäre über das zu untersuchende Objekt verschiebbar sein. Der Röntgendetektor wird durch Verschieben des C-Arms 6 durch den Fuß 8 und durch Drehung des Fußes 8 um die Achse 14 verschoben. Der Winkel R, durch den der C-Arm 6 in bezug auf den Fuß 8 gedreht wird, und der Winkel β, durch den der Fuß um die Achse 14 gedreht wird, definieren die Position des Strahlungsvektors 10 in bezug auf das von den Achsen 12, 14 und 20 gebildete Koordinatensystem. Wenn ein Objekt mit seiner Achse auf der Achse 14 liegt, ändert sich die Orientierung des Objekts in dem zu radiographierenden Bild nicht. Durch Einstellung der Winkel R und R bestreicht der Röntgendetektor einen Weg über die Hemiphäre, die über dem Objekt angenommen wird, von dem eine flache Projektion in Fig. 2a dargestellt ist. Wenn ein Objekt nicht auf der Achse 14 liegt, ist es notwendig für eine konstante Orientierung des Objekts in einem Radiogramm, den Strahlungsvektor in bezug auf ein neues Koordinatensystem zu verschieben, von dem eine Achse auf der Achse des Objekts liegt. Dieses neue Koordinatensystem mit den Achsen 12', 14' und 20' wird in bezug auf das erste Koordinatensystem gedreht. Um den Strahlungsvektor einen Weg überstreifen zu lassen, in bezug auf den das neue Koordinatensystem der Projektion nach Fig. 2a entspricht, müssen die Winkel R und β sich kollektiv ändern. In Fig. 2b sind die Winkel R und β für Verschiebungen des Strahlungsvektors in bezug auf ein Koordinatensystem dargestellt, das durch Drehung der Achsen 14 und 20 über 90º um die Achse 12 gebildet wird. Für die Drehung des Strahlungsvektors um die Achse 14' verschiebt sich der Röntgendetektor in der Projektionsebene der Hemisphäre auf den kreisförmigen Wegen a in Fig. 2b, während für die Drehung des Strahlungsvektors um die Achse 12' der Röntgendetektor sich auf den Wegen b verschiebt. In Fig. 2c sind die Winkel R und β für Verschiebungen des Strahlungsvektors in bezug auf ein Koordinatensystem dargestellt, das durch Drehung über 180º um die Achse 12 gebildet wird. Gemessene Signale aus den Meßanordnungen können auch an die Steuereinrichtung 44 gelegt werden. Die Steuereinheit 44 steuert den Röntgendetektor auf Wegen, beispielsweise a oder b nach Fig. 2b und 2c, für eine Drehung des Strahlungsvektors über Winkel R und β in bezug auf ein frei zu wählendes Koordinatensystem. So wird in der Steuereinheit der Strahlungsvektor in bezug auf eine frei zu wählende Basis bestimmt. Für die Aufzeichnung von Winkelorientierungen ist es nicht relevant, ob die Rotationen von Hand oder mittels Motoren ausgeführt werden. Andererseits kann die Orientation im Falle eines Motorantriebaufbaus beispielsweise durch das Zählen der Schritten eines Schrittmotors oder durch die Ergänzung eines Linearinotors mit einem Coder ausgeführt werden. In diesem Fall kann es auch wünschenswert sein für eine Bildorientierung, daß Orientierungssignale an die Steuereinrichtung 44 weitergeleitet werden. Für weitere Automatisierung kann der Steuereinrichtung eine Lesespeichereinrichtung 50 zugefügt werden. Hierdurch kann die Steuereinrichtung von einem Informationsträger oder mittels nur einer Funktionstasten- Steuerung zur Ausführung eines gewünschten Meßprogramms aktiviert werden. Für ein vorgegebenes Radiographieprogramm kann die Anzahl von Winkeldrehungen des C- Arms und des Fußes 8 durch geeignete Wahl des Koordinatensystems minimisiert werden. Für eine Beschreibung derartiger Steuereinrichtungen mit weiteren Einzelheiten sei beispielsweise auf US 4 481 656 verwiesen. In einem anderen Aufbau ist ein Lichtprojektor vorzugsweise mit dem Detektor verbunden. Der Projektor bildet zum Beispiel ein Zeilenbild auf einem zu untersuchenden Objekt oder auf einem Patientenuntersuchungstisch 32 dafür. Eine vorgegebene Orientierung entspricht einer vorgegebenen Radiographieorientierung und damit einer Bildorientierung auf einer Wiedergabeanordnung. Insbesondere arbeitet in einem handbetriebenen Apparat dieser Aufbau vorteilhaft, da der Untersucher durch Drehung um die betreffende Achse nur die Projektionszeile in eine gesuchte Orientierung zu bringen braucht. Insbesondere bei Handbetrieb ist es vorteilhaft, den C-Arm für Neuorientierung ins Gleichgewicht zu bringen. Dies bezieht sich insbesondere auf Drehung um die Achsen 12 und 14, da bei Unwucht, wenn der C-Arm für Bewegung entkoppelt ist, Unstabilitäten auftreten können. Um dies zu vermeiden, kann der C-Arm mit der Röntgenquelle und der Röntgenbildverstärkerröhre nur in einer Nullposition entkoppelt werden, wobei der Schwerpunkt im wesentlichen mit dem Isozentrum so mit dem Schnittpunkt der Drehungsachsen 12 und 14 zusammenfällt und damit auf beiden Achsen liegt. Drehung um die zwei Achsen kann dabei unter Berücksichtigung nur der Reibungskräfte aufgeführt werden. In vielen Fällen wird es für eine optimale Bildformung wünschenswert sein, den Röntgendetektor, in diesem Fall die Röntgenbildverstärkerröhre, möglichst nahe beim Objekt während der Bildformung zu positionieren. Zu diesem Zweck wird die Röntgenbildverstärkerröhre derart angeordnet, daß sie in der Richtung des Strahlungsvektors verschiebbar ist. Für Neuorientierung kann sie beispielsweise zunächst in die Null-Lage verschoben werden, was bedeutet in die Gleichgewichtsposition, und anschließend kann die Neuorientierung ausgeführt werden. Für Handbetrieb kann Eindrücken einer Entkopplungstaste beispielsweise nur in der Nullstellung zulässig sein. Zum Ausgleichen in einer Nullstellung kann es notwendig sein, beispielsweise der Röntgenuntersuchungsapparatröhre eine Belastung 52, beispielsweise ein Bleiblock, hinzugefügt.
• Obgleich die Erfindung hauptsächlich anhand der Deckenausführung des C-Armes beschrieben wurde, beschränkt sich die Erfindung jedoch nicht darauf. Es wird klar sein, daß der Trägebalken 18 auch auf dem Boden oder auf der auf dem Boden angeorachten Trägerbalken befestigt sein kann, so daß ein auf dem Boden starr befestigter Apparat oder ein beweglicher Apparat verwirklicht wird. Die drei Drehungsachsen können auch mit einem Aufbau von Stäben verwirklicht werden, beispielsweise mit geänderten Aufbauausführungsbeispielen, wie in US 3 892 967 dargestellt. Ein derartiger Apparat kann derart aufgebaut sein, daß drei unabhängige Drehungsachsen, nach Bedarf isozentrisch, orientiert werden. Meß- und Aufzeichnungsanordnungen für gegenseitige Winkelorientierungen oder Monitorbildorientierung können ganz dementsprechend angeordnet werden.

Claims (9)

1. Röntgenuntersuchungsapparat mit einer Röntgenquelle (2) und einem Röntgendetektor (4, 5), die zueinander diametral in einem vorgegebenen Abstand angeordnet und um drei Achsen (12, 14, 20) in bezug auf einen Tisch (32) kollektiv drehbar sind, der zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor verlagert werden kann, wobei die Achsen senkrecht aufeinander stehen, sich im wesentlichen in einem gemeinsamen Punkt schneiden und ein erstes Koordinatensystem definieren, und wobei im Apparat Mittel (40, 42, 46, 48) zum Bestimmen der Position in bezug auf das erste Koordinatensystem eines Strahlungsvektors (10) auf einem zentralen Röntgenstrahl aufgenommen sind, der die Röntgenquelle und den Röntgendetektor verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß ebenfalls Rechenmittel (44) zum Steuern der Drehung der Röntgenquelle (2) und des Röntgendetektors (4, 5) derart aufgenommen sind, daß die Drehungswinkel (R, β) in bezug auf zwei der Achsen (12, 14) kollektiv derart geändert werden, daß die Position des Strahlungsvektors (10) in bezug auf ein frei zu wählendes zweites Koordinatensystem bestimmt wird, das durch eine Gruppe von Achsen (12', 14', 20') die den drei Achsen (12, 14, 20) entsprechen und in bezug auf das erste Koordinatensystem verschoben sind, definiert ist.

2. Röntgenuntersuchungsapparat nach Anspruch 1, mit Abbildungsmitteln zum Erzeugen einer Bildwiedergabe eines mit Röntgenstrahlen aus der Quelle (2) anzustrahlenden Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenmittel (44) zum Erzeugen einer festen Orientierung der Bildwiedergabe in bezug auf eine Bezugsachse im Objekt angeordnet sind.

3. Röntgenuntersuchungsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptachse des Apparats immer zum Zusammenfallen mit einer Hauptachse eines zu untersuchenden Objekts einstellbar ist.

4. Röntgenuntersuchungsapparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenmittel (44) zum Erzeugen eines zuvor eingestellten Radiographieprogramms mit einer Mindestzahl von Drehungen angeordnet sind.

5. Röntgenuntersuchungsapparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehungsachsen (12, 14, 20) Winkelmeßeinrichtungen (42, 46, 48) enthalten, und Signale aus den Meßeinrichtungen einer zentralen Steueranordnung (44) zugeleitet werden können.

6. Röntgenuntersuchungsapparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtbilder zur Formung eines Bildes entsprechend einer vorgegebenen Strahlungsvektororientierung in eine Detektoreinrichtung zugegeben werden.

7. Röntgenuntersuchungsapparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkelcoder (46, 48) einer Drehungsachse (14, 20) zum Messen und Wiedergeben von durch die Achse eingenommenen Winkelpositionen zugefügt ist.

8. Röntgenuntersuchungsapparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen C-Arm (6) enthält, in dem die Röntgenquelle (2) und der Röntgendetektor (4, 5) angeordnet sind, so daß der C-Arm wenigstens über zweimal 90º durch einen C-Armfuß (8) drehbar ist.

9. Röntgenuntersuchungsapparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Röntgenbildverstärkerröhre (4) unter Beibehaltung eines Gleichgewichts des C-Arms (6) in Richtung des Strahlungsvektors verschiebbar ist.