DE102016219158A1

DE102016219158A1 - Vorrichtung zum Verschieben eines Röntgengitters, Röntgenphasenkontrastbildgebungseinrichtung mit einer derartigen Vorrichtung sowie Verfahren zum Verschieben eines Röntgengitters

Info

Publication number: DE102016219158A1
Application number: DE102016219158.6A
Authority: DE
Inventors: Clemens Engelke
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung zum Verschieben eines Röntgengitters (1) bei einer Röntgenbildgebung an. Die Vorrichtung weist auf: – eine Verstelleinheit (29, die ausgebildet ist, das Röntgengitter (1) zu verschieben, – ein mit der Verstelleinheit (2) in Wirkverbindung stehendes erstes Federelement (3), das ausgebildet ist, die von der Verstelleinheit (2) ausgeübte Kraft in Richtung des Verschiebens (6) momentfrei auf das Röntgengitter (1) zu übertragen, um eine Linearbewegung des Röntgengitters (1) in Richtung des Verschiebens (6) auszuführen, und – ein in Richtung des Verschiebens (6), dem ersten Federelement (3) gegenüberliegendes, an das Röntgengitter (1) angestelltes zweites Federelement (4), das ausgebildet ist, das Röntgengitter (1) in Richtung des Verschiebens (6) abzustützen. Durch diesen Aufbau ermöglicht die Erfindung hochpräzise und teure Linearantriebe durch kostengünstigere Komponenten (wie Hydraulikzylinder, Pneumatiksysteme und Blattfeder) zu ersetzen. Die Erfindung gibt auch eine Phasenkontrastbildgebungseinrichtung und ein Verfahren zum Verschieben eines Röntgengitters (1) mit einer derartigen Vorrichtung an.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschieben eines Röntgengitters bei einer Röntgenbildgebung mit einer Verstelleinheit zum Verschieben des Röntgengitters. Die Erfindung betrifft auch eine Röntgenphasenkontrastbildgebungseinrichtung mit einem Röntgenstrahler und einem Röntgendetektor mit mindestens einer zwischen dem Röntgenstrahler und dem Röntgendetektor angeordneten derartigen Vorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Verschieben eines Röntgengitters bei einer interferometrischen Röntgenbildgebung mit einer derartigen Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Verschiebbare Röntgengitter kommen insbesondere bei der Röntgenphasenkontrastbildgebung zum Einsatz. Die Röntgenphasenkontrastbildgebung ist ein Röntgenbildgebungsverfahren, bei dem die Absorption von Röntgenstrahlung durch ein Objekt mit der Verschiebung der Phase der Röntgenstrahlung beim Durchtritt durch das Objekt kombiniert wird. Der Informationsgehalt einer derartigen Bildgebung ist wesentlich höher als bei einer reinen Absorptionsbildgebung, da einerseits die Absorption genaue Bilder von den stark absorbierenden Knochen und andererseits der Phasenkontrast scharfe Bilder von den Strukturen des Weichteilgewebes liefert. Damit könne krankhafte Veränderungen wie die Entstehung von Tumoren, Gefäßverengungen oder krankhafte Veränderungen der Knorpel früher erkannt werden.
Der Durchgang von Röntgenstrahlung durch Materie wird mittels eines komplexen Brechungsindex beschrieben. Der Imaginärteil des Brechungsindex gibt die Stärke der Absorption an, der Realteil des Brechungsindex gibt hingegen die Phasenverschiebung der durch ein Material hindurch laufenden Röntgenwelle an. In der Phasenkontrastbildgebung werden die Phaseninformationen der lokalen Phase oder der lokale Gradient der Phase der ein Objekt durchlaufenden Wellenfront bestimmt. Analog zur Röntgentomographie können auch tomographische Darstellungen der Phasenverschiebung aufgrund einer Vielzahl von Bildern rekonstruiert werden.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, um eine Röntgenphasenkontrastbildgebung zu realisieren. Bei den bekannten Lösungen geht es im Wesentlichen darum, durch spezielle Anordnungen und Verfahren die Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung beim Durchstrahlen eines Objekts als Intensitätsschwankung sichtbar zu machen. Eine verbreitete Methode ist die Gitter-Phasenkontrastbildgebung, auch als Talbot-Lau Interferometrie bezeichnet, wie sie vielfach in der Literatur beschrieben ist, u.a. auch in der europäischen Offenlegungsschrift EP 1 879 020 A1 . Kern des Talbot-Lau-Interferometers sind drei Röntgengitter (sogenannte Interferenzgitter), die zwischen einem Röntgenstrahler und einem Röntgendetektor angeordnet sind.
Derartige Interferometer können neben dem klassischen Absorptionsbild zwei zusätzliche Messungen in Form weiterer Bilder darstellen: das Phasenkontrastbild und das Dunkelfeldbild. Die Phase der Röntgenwelle wird dabei durch Interferenz mit einer Referenzwelle durch die Verwendung der interferometrischen Gitteranordnung bestimmt.
Die EP 1 879 020 A1 offenbart eine Anordnung mit einem Röntgenstrahler und einem pixelierten Röntgendetektor, zwischen denen ein zu durchstrahlendes Objekt angeordnet ist. Ein Quellengitter, auch als Kohärenzgitter bezeichnet, ist zwischen dem Brennfleck der Röntgenröhre und dem Objekt angeordnet. Es dient zur Simulation mehrerer Linienquellen mit räumlicher Teilkohärenz der Röntgenstrahlung, was eine wesentliche Voraussetzung für eine interferometrische Bildgebung ist.
Ein Beugungsgitter, auch als Phasengitter oder Talbotgitter bezeichnet, ist zwischen dem Objekt und dem Röntgendetektor angeordnet. Das Beugungsgitter prägt der Phase der Wellenfront eine Phasenverschiebung um typischerweise Pi auf.
Ein Absorptionsgitter zwischen dem Beugungsgitter und dem Röntgendetektor dient zur Messung der durch das Objekt erzeugten Phasenverschiebung. Die Wellenfront vor dem Objekt wird durch das Objekt „verkrümmt“. Die drei Röntgengitter müssen zueinander parallel und zueinander in exakten Abständen angeordnet sein.
Der Röntgendetektor dient zum ortsabhängigen Nachweis von Röntgenquanten. Da die Pixelierung des Röntgendetektors im Allgemeinen nicht ausreichend ist, um die Interferenzstreifen des Talbot-Musters aufzulösen, wird das Intensitätsmuster durch Verschiebung eines der Gitter abgetastet (= „phasestepping“). Die Abtastung erfolgt schrittweise oder kontinuierlich senkrecht zur Richtung des Röntgenstrahls und senkrecht zur Schlitzrichtung des Absorptionsgitters. Es können dadurch die drei verschiedene Arten von Röntgenbildern aufgenommen bzw. rekonstruiert werden: das Absorptionsbild, das Phasenkontrastbild und das Dunkelfeldbild.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Verschieben eines Röntgengitters, eine Phasenkontrastbildgebungseinrichtung mit einem verschiebbaren Röntgengitter sowie ein Verfahren zum Verschieben eines Röntgengitters anzugeben, die eine einfache und sichere Bewegung eines Röntgengitters ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vorrichtung, der Phasenkontrastbildgebungseinrichtung und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß übt eine Verstelleinheit eine Kraft auf ein erstes Federelement aus. Das erste Federelement überträgt dadurch momentfrei eine Linearbewegung auf ein Röntgengitter in einer in der Gitterebene liegenden Verschieberichtung. Das Röntgengitter ist mit einem zweiten Federelement, das dem ersten Federelement in Verschieberichtung gegenüberliegt, angestellt. Das Röntgengitter ist mit Führungsmitteln gegen ein Verschieben (einen Versatz) in einer senkrecht zur Verschieberichtung ausgebildeten und in der Gittereben liegenden Richtung gesichert. Durch Aufbringen oder Reduzieren der Kraft wird somit das Röntgengitter an eine gewünschte Position in der Verschieberichtung verfahren. Durch kurze Kraftpulse kann das Röntgengitter in eine oszillierende Bewegung versetzt werden (Resonanz).
Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zum Verschieben eines Röntgengitters bei einer Röntgenbildgebung, aufweisend:

– eine Verstelleinheit, die ausgebildet ist, das Röntgengitter zu verschieben,
– ein mit der Verstelleinheit in Wirkverbindung stehendes erstes Federelement, das ausgebildet ist, die von der Verstelleinheit ausgeübte Kraft in Richtung des Verschiebens momentfrei auf das Röntgengitter zu übertragen, um eine Linearbewegung des Röntgengitters in Richtung des Verschiebens auszuführen, und
– ein in Richtung des Verschiebens, dem ersten Federelement gegenüberliegendes, an das Röntgengitter angestelltes zweites Federelement, das ausgebildet ist, das Röntgengitter in Richtung des Verschiebens abzustützen.

Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht hochpräzise und teure Linearantriebe durch kostengünstigere Komponenten (wie Hydraulikzylinder, Pneumatiksysteme und Blattfeder) zu ersetzen.
In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung Führungsmittel auf, die das Röntgengitter beim Verschieben senkrecht zur Richtung des Verschiebens gegen ein Bewegen (Versatz) sichern.
In einer weiteren Ausführungsform können die Richtung des Verschiebens und die Richtung senkrecht zu der Richtung des Verschiebens in der Ebene des Röntgengitters liegen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das erste Federelement eine Blattfeder sein und die Verstelleinheit kann senkrecht zur Richtung des Verschiebens des Röntgengitters die Kraft in das erste Federelement einleiten.
In einer weiteren Ausprägung der Erfindung kann das zweite Federelement eine Blattfeder sein.
Des Weiteren können das erste und das zweite Federelement Ellipsenfedern sein. Ellipsenfedern sind schwach gebogene Blattfedern.
In einer Weiterbildung kann das erste Federelement eine Spiralfeder sein und die Verstelleinheit kann in Richtung des Verschiebens des Röntgengitters die Kraft in das erste Federelement einleiten.
Vorzugsweise kann das zweite Federelement eine Spiralfeder sein.
In einer weiteren Ausgestaltung können die Führungsmittel als Rollen ausgebildet sein, die eine Bewegung des Röntgengitters senkrecht zur Richtung des Verschiebens des Röntgengitters verhindern.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Röntgengitter ein Interferenzgitter für die Phasenkontrastbildgebung sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Verstelleinheit einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb aufweisen.
Die Erfindung beansprucht auch eine Röntgenphasenkontrastbildgebungseinrichtung mit einem Röntgenstrahler, einem Röntgendetektor und mit mindestens einer zwischen dem Röntgenstrahler und dem Röntgendetektor angeordneten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Erfindung beansprucht außerdem ein Verfahren zum Verschieben eines Röntgengitters bei einer interferometrischen Röntgenbildgebung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei durch eine Bewegung der Verstelleinheit das Röntgengitter verschoben wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann durch kurze Bewegungspulse der Verstelleinheit das Röntgengitter in eine oszillierende Bewegung versetzt werden.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: eine Vorrichtung zum Verschieben eines rechteckeigen Röntgengitters mit Blattfedern,
2: eine Vorrichtung zum Verschieben eines runden Röntgengitters mit Spiralfedern und
3: eine Röntgenphasenkontrastbildgebungseinrichtung.
Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Verschieben eines Röntgengitters 1, beispielsweise eines Interferenzgitters bei einer Phasenkontrastbildgebung. Das Röntgengitter 1 ist rechteckig und durch Führungsmittel 5 in Richtung 6 verschiebbar gelagert. Die Führungsmittel 5, beispielsweise Rollen oder Gleitstücke, sorgen dafür, dass das Röntgengitter 1 senkrecht zur Richtung 6 des Verschiebens, also in Richtung 7, nicht ausweichen kann.
An den beiden gegenüberliegenden Längsseiten des Röntgengitters 1 in Richtung 6 sind das erste Federelement 3 und das zweite Federelement 4 angestellt. D.h. das Röntgengitter 1 wird mittels Federkraft in seiner Position gehalten. Die Federelemente 3 und 4 sind als Ellipsenfedern ausgeführt. Ellipsenfedern sind schwach gebogene Blattfedern (mit einer ellipsenähnlichen Biegung). Der Bauch der Ellipsenfeder drückt auf die Längsseite des Röntgengitters 1.
Mittels einer Verstelleinheit 2 kann das erste Federelement 3 senkrecht zur Richtung 6 verformt werden, wodurch eine Kraft in Richtung 6 auf das Röntgengitter 1 ausgeübt wird. Entsprechend der durch das zweite Federelement 4 wirkenden Gegenkraft kommt es zu einer Verschiebung (Auslenkung) des Röntgengitters 1 in Richtung 6. Der Zusammenhang zwischen der in das erste Federelement eingebrachten Kraft und der Verschiebestrecke ist nichtlinear. Die Verstelleinheit 2 ist beispielsweise ein hydraulisch oder pneumatisch bewegter Stößel.
2 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Verschieben eines runden Röntgengitters 1 äquivalent zu der Vorrichtung gemäß 1. Das Röntgengitter 1 wird ebenfalls mit Führungsmittel 5 in Richtung 7 gegen Versatz in Richtung 6 bewegbar gehalten. Das erste Federelement 3 und das zweite Federelement 4 sind als Spiralfedern ausgebildet, die das Röntgengitter 1 in Richtung 6 des Verschiebens durch ihre Federkraft halten.
Auf das erste Federelement 3 wird in Richtung 6 mittels der Verstelleinheit 2 eine Kraft aufgebracht, die das erste Federelement 3 verformt aber auch in Richtung 6 bewegt, wodurch das Röntgengitter 1 verschoben wird. Durch das angestellte zweite Federelement 4 wird die Bewegungsänderung begrenz. Der Zusammenhang zwischen eingebrachter Kraft und Verschiebestrecke ist im Rahmen der Reversibilität der Federstauchung nahezu linear oder folgt der entsprechenden Federkennlinie der verwendeten Federelemente 3, 4.
Wird die Kraft durch die Verstelleinheit 2 in den Vorrichtungen gemäß 1 oder 2 pulsartig periodisch aufgebracht, wird das Röntgengitter 1 in eine Schwingung mit der Resonanzfrequenz des angeregten Systems versetzt.
3 zeigt eine Röntgenphasenkontrastbildgebungseinrichtung mit ihren wesentlichen Komponenten. Zwischen einem Röntgenstrahler 8 und einem Röntgendetektor 9 befindet sich ein zu durchstrahlendes Objekt 10. Vor dem Objekt 10 befindet sich ein Interferenzgitter 11 als Quellengitter und nach dem Objekt 10 sind zwei Interferenzgitter 11 als Phasengitter und Absorptionsgitter angeordnet. Die Interferenzgitter 11 sind durch Vorrichtungen gemäß den Ausführungen zu 1 oder 2 verschiebbar.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Röntgengitter
2: Verstelleinheit
3: erstes Federelement
4: zweites Federelement
5: Führungsmittel
6: Richtung des Verschiebens
7: Richtung senkrecht zur Verschiebung
8: Röntgenstrahler
9: Röntgendetektor
10: Objekt
11: Interferenzgitter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1879020 A1 [0004, 0006]

Claims

Vorrichtung zum Verschieben eines Röntgengitters (1) bei einer Röntgenbildgebung, aufweisend: – eine Verstelleinheit (29, die ausgebildet ist, das Röntgengitter (1) zu verschieben, gekennzeichnet durch: – ein mit der Verstelleinheit (2) in Wirkverbindung stehendes erstes Federelement (3), das ausgebildet ist, die von der Verstelleinheit (2) ausgeübte Kraft in Richtung des Verschiebens (6) momentfrei auf das Röntgengitter (1) zu übertragen, um eine Linearbewegung des Röntgengitters (1) in Richtung des Verschiebens (6) auszuführen, und – ein in Richtung des Verschiebens (6), dem ersten Federelement (3) gegenüberliegendes, an das Röntgengitter (1) angestelltes zweites Federelement (4), das ausgebildet ist, das Röntgengitter (1) in Richtung des Verschiebens (6) abzustützen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: – Führungsmittel (5), die ausgebildet und angeordnet sind, das Röntgengitter (1) beim Verschieben senkrecht zur Richtung des Verschiebens (7) gegen ein Verschieben zu sichern.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Verschiebens (6) und die Richtung senkrecht zu der des Verschiebens (7) in der Ebene des Röntgengitters (1) liegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (3) eine Blattfeder ist und die Verstelleinheit (2) senkrecht zur Richtung des Verschiebens (7) des Röntgengitters (1) die Kraft in das erste Federelement (3) einleitet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Federelement (4) eine Blattfeder ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Federelement (3, 4) Ellipsenfedern sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (3) eine Spiralfeder ist und die Versstelleinheit (2) in Richtung des Verschiebens (6) des Röntgengitters (1) die Kraft in das erste Federelement (3) einleitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Federelement (4) eine Spiralfeder ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel (5) als Rollen ausgebildet sind, die eine Bewegung des Röntgengitters (1) senkrecht zur Richtung des Verschiebens (7) des Röntgengitters (1) verhindern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgengitter (1) ein Interferenzgitter (11) für die Phasenkontrastbildgebung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verstelleinheit (5) einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb aufweist.
Röntgenphasenkontrastbildgebungseinrichtung mit einem Röntgenstrahler (8) und einem Röntgendetektor (9) mit mindestens einer zwischen dem Röntgenstrahler (8) und dem Röntgendetektor (9) angeordneten Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Verschieben eines Röntgengitters (1) bei einer interferometrischen Röntgenbildgebung mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Bewegung der Verstelleinheit (5) das Röntgengitter (1) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch kurze Bewegungspulse der Verstelleinheit (5) das Röntgengitter (1) in eine oszillierende Bewegung versetzt wird.