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Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahlenkollimator für eine insbesondere medizinische Bildgebungsanlage mit piezoelektrischen Aktuatoren zur Einstellung des Strahlfeldes.
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Bei der medizinischen Röntgenbildgebung, typischerweise der klassischen Radiographie, wird eine Röntgenstrahlung von einer Röntgenstrahlenquelle erzeugt. Die Röntgenstrahlung durchdringt einen zu untersuchenden Körperbereich eines Untersuchungsobjektes, eines menschlichen oder tierischen Patienten und wird dabei von verschiedenen Gewebearten unterschiedlich stark absorbiert bzw. gestreut. Die abgeschwächte Röntgenstrahlung wird von einem Röntgenstrahlendetektor, der gegenüber der Röntgenstrahlenquelle angeordnet ist, ortsaufgelöst erfasst. Aus den Detektordaten wird eine heutzutage typischerweise digitale Röntgenbildaufnahme erzeugt.
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Um die Röntgendosis bei einer Röntgenuntersuchung für den Patienten so gering wie möglich zu halten, wird der erzeugte Röntgenstrahl auf den zu untersuchenden Körperbereich kollimiert. D.h. der Röntgenstrahl wird nach Austritt aus der Röntgenstrahlenquelle mittels einer Blendenvorrichtung geformt bzw. begrenzt. Typisch sind hier quadratische oder rechteckige Strahlfelder. Andere Feldformen sind aber auch möglich. Die Blenden bestehen aus einem Material, welches Röntgenstrahlung absorbiert, bspw. Blei oder Wolfram.
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Über Jahrzehnte wurden Röntgenstrahlen unter Verwendung von großen Bleilamellen kollimiert. Heutzutage wird die Kollimation oft mittels Bleilamellen realisiert, die in einem vorgegebenen Abstand zum Röntgenstrahlenfokus motorisch verstellt werden, um das Strahlfeld zu formen. Fokusnahe Ausbildungen weisen einen Abstand von 2 cm zwischen Röntgenfokus und Blendenlamellen auf.
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Die Röntgenstrahlenquelle, bspw. eine Drehanoden-Röntgenröhre entspricht angenähert einer punktförmigen Röntgenstrahlenquelle. Der Röntgenstrahl weitet sich mit wachsendem Abstand von der Röntgenstrahlenquelle immer mehr auf.
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Aufgrund dieses Vergrößerungsfaktors auf dem Röntgenstrahlendetektor müssen die Blendenlamellen sehr positionsgenau arbeiten, um heutigen Qualitätsstandards der medizinischen Bildgebung zu entsprechen. Insofern gilt es, zwischen der Größe des Kollimators, genauer gesagt, dem Blenden-Fokus-Abstand bzw. der eingesetzten Materialmenge und der mechanischen Verstellgenauigkeit einen Kompromiss zu finden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Röntgenstrahlenkollimator bereit zu stellen, der bei gleichbleibend hoher Positionsgenauigkeit Platz- und Materialersparnis bietet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Röntgenstrahlenkollimator, eine entsprechende Röntgenstrahlenquelle sowie eine Röntgenbildgebungsanlage gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte und/oder alternative, vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt einen Röntgenstrahlenkollimator einer bzw. für eine Röntgenbildgebungsanlage. Bevorzugt handelt es sich um eine medizinische Röntgenbildgebungsanlage. Insofern wird im Folgenden von einem menschlichen Patienten als Untersuchungsobjekt ausgegangen. Grundsätzlich kann der Patient auch ein Tier sein. Das Untersuchungsobjekt kann alternativ eine Pflanze oder ein nicht-lebender Gegenstand, z.B. ein historisches Artefakt oder dergleichen sein.
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Der erfindungsgemäße Röntgenstrahlenkollimator umfasst
- - eine Befestigungseinheit zur Montage des Kollimators an einer Röntgenstrahlenquelle,
- - eine Blendeneinheit umfassend wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle zur Begrenzung eines Strahlfeldes eines von der Röntgenstrahlenquelle ausgesandten Röntgenstrahls und
- - eine Verstelleinheit zum Verstellen der wenigstens einen beweglichen Blendenlamelle.
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Die Befestigungseinheit des Röntgenstrahlenkollimators dient der Anordnung und/oder Befestigung des Röntgenstrahlenkollimators an der Röntgenstrahlenquelle. Typischerweise weist die Röntgenstrahlenquelle einen Strahlerflansch auf, welcher ein Röntgenaustrittsfenster einschließt, durch welches die erzeugte Röntgenstrahlung austritt. Die Befestigungseinheit ist erfindungsgemäß als formschlüssiges Pass- bzw. Gegenstück zu dem Strahlerflansch ausgebildet und wird nach Montage ebenfalls von der Röntgenstrahlung durchsetzt. Eine formschlüssige Ausgestaltung von Strahlerflansch und Befestigungseinheit sorgt für eine definierte, reproduzierbare Positionierung der Kollimatorkomponenten relativ zu dem Röntgenaustrittsfenster bzw. der Röntgenaustrittsposition. Als Verbindungselemente zur Fixierung können ein oder mehrere Gewindeschrauben, Rast- oder Einsteck- oder Einschubelemente vorgesehen sein. Die Verbindungselemente sind vorteilhaft lösbar ausgebildet, um Servicearbeiten bzw. einen Austausch des Kollimators zu erleichtern. Die Befestigungseinheit ist vorzugsweise integral an ein Außengehäuse des Röntgenstrahlenkollimators angeformt.
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Die Blendeneinheit kann erfindungsgemäß eine, aber auch mehrere bewegliche Blendenlamellen umfassen. Die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle ist in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung, also im Wesentlichen senkrecht zum Zentralstrahl des von der Röntgenstrahlenquelle ausgesandten Röntgenstrahls in das Strahlfeld hinein bzw. aus dem Strahlfeld heraus verstellbar. In Ausführungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle in einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel relativ zum Zentralstrahl angeordnet ist, bspw. in einem Winkelbereich von 80° bis 100°.
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In bevorzugten Ausführungen des Röntgenstrahlenkollimators besteht die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle aus einem röntgenundurchlässigen Material, um die auftreffende Röntgenstrahlung effektiv abzuschirmen.
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Besonders bevorzugt kommt in Ausführungen ein mit Wolfram-Partikeln angereicherter Kunststoff als Material für die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle zum Einsatz. Andere Zusammensetzungen und andere Materialien sind ebenfalls denkbar.
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Die Verstelleinheit umfasst wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator, der auf die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle wirkt. Sind mehrere Blendenlamellen vorhanden, umfasst die Verstelleinheit eine entsprechende Mehrzahl von piezoelektrischen Aktuatoren, wobei ein piezoelektrischer Aktuator jeweils auf eine Blendenlamelle wirkt, um jeweils eine Verstellbewegung derselben zu bewirken.
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Piezoelektrische Aktuatoren sind durch Piezoelemente, also ein piezoelektrisches Material, bspw. eine piezoelektrische Keramik, gekennzeichnet, welches bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung, bspw. eine Längung bzw. Dehnung des piezoelektrischen Materials bewirkt. Die zu erreichenden Verstellwege liegen im Submillimeterbereich, bspw. im Bereich von wenigen hundert Mikrometer. Die Verstellwege können aber über mechanische Hebelsysteme auch verlängert werden.
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Jede bewegliche Blendenlamelle der Blendeneinheit ist erfindungsgemäß mit dem Piezoelement eines Aktuators derart gekoppelt, dass die Blendenlamelle bei Spannungsbeaufschlagung des Aktuators eine Verstellbewegung in den Strahlengang hinein oder aus diesem heraus vollzieht. Derart kann das Strahlfeld der Röntgenstrahlung eingeschränkt bzw. allgemeiner eingestellt werden. Der Verstellweg ist dabei proportional zu der angelegten Spannung, unterliegt jedoch einer Hysterese. Bei Einsatz einer Vielzahl von Blendenlamellen-Piezo-Paaren kann das Strahlfeld beliebig geformt werden.
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Piezoelektrische Aktuatoren zeichnen sich bei geringem Bauraum aus. Unter Einsatz von Regelungstechnik zur Kompensation von unerwünschtem Hysterese- bzw. Kriechverhalten erreichen sie eine Positionsgenauigkeit im Sub-Nanometerbereich. Sie sind daher sehr gut für die exakte Einstellung eines Strahlfeldes für die Röntgenbildgebung geeignet.
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Durch den Ersatz motorischer, insbesondere elektromotorischer Antriebseinheiten zum Verstellen der Blendenlamellen durch piezoelektrische Aktuatoren kann eine erhebliche Bauraumreduktion und Verkleinerung des Röntgenstrahlenkollimators erzielt werden.
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Die Verstelleinheit umfasst in Ausführungen der Erfindung auch eine Steuereinheit, die zur Ansteuerung bzw. Regelung des wenigstens einen elektrischen Piezoaktuators ausgebildet ist. Die Steuereinheit kann als Untereinheit der Steuer- bzw. Rekonstruktionseinheit einer Röntgenbildgebungsanlage ausgebildet sein, die den erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenkollimator umfasst oder mit dieser, dann als eigenständige Recheneinheit ausgebildet, in Datenaustausch stehen. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, Steuersignale für den wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator zu erzeugen und an diesen zu übertragen. Dazu kann die Steuereinheit auf Parameter bezüglich des ausgewählten Bildgebungsprotokolls, patientenspezifische Angaben wie den zu untersuchenden Körperbereich oder anatomische Parameter zurückgreifen, die sie von der Röntgenbildgebungsanlage empfängt bzw. abruft.
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In Anpassung an die vergleichsweise geringen piezoelektrischen Verstellkräfte und die geringen Abmessungen der piezoelektrischen Aktuatoren wird erfindungsgemäß auch die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle vorteilhaft kleiner und leichter ausgebildet.
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Durch die Verkleinerung der beweglichen Blendenlamelle sowie der Antriebseinheit verringert sich auch der mittels piezoelektrischem Aktuator erreichbare maximale Verstellweg. Dadurch wird es möglich, dass der Röntgenstrahlenkollimator in bevorzugten Ausführungen der Erfindung wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle aufweist, die in einem Abstand zu einem Fokuspunkt der Röntgenstrahlenquelle angeordnet ist, der im Bereich zwischen 2 mm bis 10 mm liegt, wenn der Röntgenstrahlenkollimator mittels Befestigungseinheit an der Röntgenstrahlenquelle montiert ist.
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Bevorzugt liegt der Abstand zwischen Fokuspunkt und Blendenlamelle zwischen 2 mm bis 6 mm. Besonders bevorzugt liegt der Abstand bei 2, 3, 4 oder 5 mm.
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Der Fokuspunkt, alternativ der Röntgenfokus bzw. Brennfleck der Röntgenstrahlenquelle ist der Punkt bzw. der annähernd punktförmige Bereich der Röntgenröhrenanode, in dem Röntgenstrahlung entsteht und von dem diese ausgesandt wird. Die Verkleinerung von Antriebseinheit und beweglicher Blendenlamelle erlaubt nun eine fokusnahe Anordnung der Blendeneinheit, bei der der Abstand im Vergleich zu bestehenden Lösungen mindestens halbiert bzw. darüber hinaus verringert wird.
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In Ausführungen der Erfindung ist es nun möglich, die Blendeneinheit sowie zumindest Teile der Verstelleinheit innerhalb der durch die Befestigungseinheit gebildeten Durchlassöffnung des Röntgenstrahlenkollimators anzuordnen, um den geringen Abstand zum Fokuspunkt der Röntgenstrahlenquelle zu erreichen. In anderen Ausführungen kann die Blendeneinheit sowie Teile der Verstelleinheit derart angeordnet sein, dass sie aus der Durchlassöffnung der Befestigungseinheit hin zu der Röntgenstrahlenquelle herausragt, um den geringen Abstand zum Fokuspunkt der Röntgenstrahlenquelle zu erreichen. Die Erfindung ermöglicht so insgesamt, den Bauraum für einen Röntgenstrahlenkollimator vorteilhaft zu minimieren.
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Bei typischen Werten von ca. 90 cm bis 110 cm, bevorzugt 100 cm, zwischen Fokuspunkt der Röntgenstrahlenquelle sowie dem Röntgenstrahlendetektor, auch bekannt als Film-Fokus-Abstand, durchschnittlichen Abmessungen des röntgensensitiven Detektionsfeldes des Röntgenstrahlendetektors im Bereich von ca. 40 cm bis 45 cm und einer erfindungsgemäßen Anordnung der Blendeneinheit im Bereich von 2 mm bis 10 mm nahe am Fokuspunkt, bildet die Blendeneinheit in Ausführungen des erfindungsgemä-ßen Röntgenstrahlenkollimators eine Durchlassöffnung für die Röntgenstrahlung aus, welche in wenigstens einer Raumrichtung auf Höhe der wenigstens einen beweglichen Blendenlamelle eine Ausdehnung in einem Bereich von max. 0,8 mm bis 3,3 mm aufweist. Mit anderen Worten bildet die Blendeneinheit auf Höhe der wenigstens einen beweglichen Blendenlamelle eine feste Öffnung entsprechend einem maximalen Strahlfeld der Röntgenstrahlung aus. Die Durchlassöffnung begrenzt so den Röntgenstrahl derart, dass eine maximale Ausleuchtung des Detektionsfeldes des Röntgenstrahlendetektors möglich ist. Die maximale Ausleuchtung des Röntgenstrahlendetektors umfasst eine vollständige Bestrahlung des röntgensensitiven Bereichs des Röntgenstrahlendetektors und bevorzugt darüber hinaus. Bei Bestrahlung entsprechend dem maximalen Strahlfeld nimmt die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle eine Ruheposition ein, in der sie selber nicht zur Begrenzung des Strahlfeldes beiträgt. Das Strahlfeld wird in diesen Ausführungen also derart ausgebildet, dass ohne Aktivierung der Blendeneinheit eine vollständige Ausleuchtung des Röntgenstrahlendetektors erreicht wird. Durch Aktivierung der Blendeneinheit bzw. der Verstelleinheit wird die wenigstens eine Blendenlamelle in eine Aktivposition gebracht, in der sie das Strahlfeld ggü. dem maximalen Strahlfeld verkleinert bzw. begrenzt.
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Das durch die Blendeneinheit gebildete maximale Strahlfeld kann dabei beliebige Grundformen annehmen, bspw. im Wesentlichen quadratisch, rechteckig, rund oder elliptisch.
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In bevorzugten Ausführungen des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenkollimators ist der wenigstens eine piezoelektrische Aktuator ausgebildet, die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle über einen Verstellweg im Bereich von 100 µm bis 900 µm zu verstellen. Derart ist es in bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass das durch die Blendeneinheit gebildete Strahlfeld durch Verstellen der wenigstens einen Blendenlamelle von der Ruheposition in die Aktivposition teilweise, aber auch vollständig geschlossen werden kann.
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Die Blendeneinheit bildet in Ausführungen das Strahlfeld mittels wenigstens einer feststehenden Blendenlamelle aus. Die feststehende Blendenlamelle kann dazu bspw. innerhalb der Befestigungseinheit und im Wesentlichen parallel zu der wenigstens einen beweglichen Blendenlamelle angeordnet sein und in ihrem Zentrum die das maximale Strahlfeld bildende Durchlassöffnung für die Röntgenstrahlung aufweisen. In diesen Ausführungen ist der wenigstens eine piezoelektrische Aktuator ausgebildet, die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle relativ zu der wenigstens einen feststehenden Blendenlamelle zu verstellen. Genauer gesagt ist der Aktuator ausgebildet, die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle in die durch die feststehende Blendenlamelle gebildete Öffnung hinein (Aktivposition) oder heraus (Ruheposition) zu verstellen, um das maximale Strahlfeld zu begrenzen bzw. zu formen.
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Die wenigstens eine feststehende Blendenlamelle ist ebenfalls bevorzugt aus einem röntgenundurchlässigen Material ausgebildet, bspw. einem mit Wolfram-Partikeln angereicherten Kunststoff. Die feststehende Blendenlamelle ist in Ausführungen bevorzugt direkt an der Befestigungseinheit des Röntgenröhrenkollimators, angeordnet, konkret an der Innenfläche der durch die Befestigungseinheit gebildeten Durchlassöffnung.
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In bevorzugten Ausführungen, die mit Bezug zu den Figuren noch genauer erläutert werden, ist der wenigstens eine piezoelektrische Aktuator derart mit der wenigstens einen beweglichen Blendenlamelle gekoppelt, dass er eine lineare Verstellbewegung der Blendenlamelle bewirkt. Die lineare Verstellbewegung ist dabei von einem Rand des Strahlfeldes auf den Mittel- bzw. Zentrumspunkt des Strahlfelds bzw. der Durchlassöffnung der Blendeneinheit gerichtet.
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In dieser Ausführung der Erfindung umfasst die Blendeneinheit bevorzugt zwei oder vier bewegliche Blendenlamellen, die jeweils paarweise gegenüberliegend um das Strahlfeld angeordnet sind und gemeinsam ein rechteckiges bzw. quadratisches Strahlfeld ausbilden.
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In alternativen Ausführungen umfasst die Blendeneinheit sechs oder acht Blendenlamellen, die ebenfalls jeweils linear entlang einer den Zentrumspunkt der Durchlassöffnung schneidenden Verstellrichtung mittels jeweiligem Aktuator verstellbar sind und gemeinsam ein hexagonales oder oktagonales Strahlfeld ausbilden.
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Ein in Bezug auf den Zentrumspunkt des Strahlfeldes symmetrisches, mittels beweglicher Blendenlamellen begrenztes Strahlfeld setzt eine im Wesentlichen gleichartige bzw. miteinander in Bezug stehende Ansteuerung der piezoelektrischen Aktuatoren voraus. Mit anderen Worten werden bspw. bei vier Blendenlamellen alle vier Piezos mit demselben Steuersignal beaufschlagt, um ein um den Zentrumspunkt quadratisch angeordnetes begrenztes Strahlfeld zu erzeugen.
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In anderen Ausführungen der Erfindung kann ein begrenztes Strahlfeld aber auch relativ zum Zentrumspunkt versetzt eingestellt werden, indem die Piezo-Aktuatoren verschiedener beweglicher Blendenlamellen mit verschiedenen Steuersignalen entsprechend verschiedener Verstellwege angesteuert werden.
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Die obigen Ausführungsvarianten der beweglichen Blendenlamellen setzen eine geradlinige zum Zentrumspunkt des Strahlfelds gerichtete Seitenkante voraus. In anderen Ausführungen der Erfindung, weist die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle jedoch eine Seitenkante auf, die mit Bezug zum Zentrumspunkt der Durchlassöffnung der Blendeneinheit konvex ausgebildet ist. Bei Vorsehen einer Mehrzahl von derart ausgebildeten beweglichen Blendenlamellen, bspw. sechs oder sieben Blendenlamellen, kann ein annähernd rundes bzw. rundliches, begrenztes Strahlfeld ausgebildet werden. Die einzelnen Blendenlamellen können in Ausführungen insbesondere in Umfangsrichtung der Durchlassöffnung der feststehenden Blendenlamelle überlappend zueinander angeordnet sein. Auch hier kann durch eine entsprechende Anpassung der Steuersignale für einzelne der Piezo-Aktuatoren von einer zum Zentrumspunkt symmetrischen, begrenzten Strahlfeldform abgewichen werden.
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In weiterer Ausführung ist die wenigstens eine bewegliche Blendenlamelle rotatorisch an einem Trägerelement des Röntgenstrahlenkollimators angebunden und der wenigstens eine piezoelektrische Aktuator derart mit der beweglichen Blendenlamelle gekoppelt, dass er eine rotatorische Verstellbewegung der Blendenlamelle bewirkt. Das Trägerelement wird dabei bevorzugt durch die feststehende Blendenlamelle ausgebildet. Bspw. kann die bewegliche Blendenlamelle über eine Welle drehbar in einem Ankerpunkt an der feststehenden Blendenlamelle angeordnet sein. Bei Aktivierung des zugeordneten PiezoAktuators vollzieht die bewegliche Blendenlamelle zwischen Ruhe- und Aktivposition eine rotatorische Bewegung um den Ankerpunkt. Das maximale Strahlfeld wird so durch konzertierte Verstellbewegung mehrerer beweglicher Blendenlamellen Irisartig geschlossen.
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Während mit Bezug zu den bislang beschriebenen Ausführungen davon ausgegangen wurde, dass bei einer Mehrzahl von beweglichen Blendenlamellen diese jeweils identisch ausgebildet sind, können in anderen Ausführungen der Erfindung auch verschieden ausgeformte bewegliche Blendenlamellen vorgesehen sein. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn Strahlfelder beliebiger Freiformen ausgebildet werden müssen.
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Ein weiterer Aspekt ist auf eine Röntgenstrahlenquelle zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung gerichtet, wobei die Röntgenstrahlenquelle einen erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenkollimator umfasst. Bevorzugt handelt es sich bei der Röntgenstrahlenquelle um eine medizinische Röntgenstrahlenquelle zur Erzeugung von medizinischer Röntgenstrahlung, die bei einer medizinischen Röntgenbildgebung zum Einsatz kommt.
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Röntgenstrahlenquellen als solche sind bekannt. Erfindungsgemäß kann es sich bei der Röntgenstrahlenquelle um eine mit einer Steh- oder Drehanode ausgebildete Röntgenröhre handeln. Die Röntgenstrahlenquelle weist bevorzugt einen Strahlerflansch auf, der passgenau bzw. formschlüssig zur Anbringung des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenkollimators mit dessen Befestigungseinheit zusammenwirkt.
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Ein weiterer Aspekt ist auf eine Röntgenbildgebungsanlage gerichtet. Diese ist bevorzugt als medizinische Röntgenbildgebungsanlage zum Erzeugen von medizinischen Röntgenbilddaten einer zu untersuchenden Körperregion eines Patienten ausgebildet, wobei diese einen erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenkollimator umfasst. Die medizinische Röntgenbildgebungsanlage ist bevorzugt als Transmissions-Röntgenanlage ausgebildet. Diese sind insbesondere zur Erzeugung von zweidimensionalen Röntgenbildaufnahmen ausgebildet. In bevorzugter Ausführung ist die medizinische Röntgenbildgebungsanlage daher als Radiographie- oder Mammographie-Anlage ausgebildet.
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Wie eingangs bereits beschrieben, kann in Ausführungen der Erfindung die Steuereinheit der Verstelleinheit in die Recheneinheit (Steuerung der Anlage und/oder zur Rekonstruktion von Röntgenbilddaten) integriert bzw. als Komponente derselben ausgebildet sein oder zumindest mit dieser in Datenaustausch stehen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Durch diese Beschreibung erfolgt keine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele. In verschiedenen Figuren sind gleiche Komponenten mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht eines Röntgenstrahlenkollimators für Röntgenstrahlung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine Seitenansicht des Röntgenstrahlenkollimators in der Ausführung gemäß 1,
- 3 eine Draufsicht eines Röntgenstrahlenkollimators für Röntgenstrahlung in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 4 eine Seitenansicht des Röntgenstrahlenkollimators in der Ausführung gemäß 3, und
- 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsanlage umfassend eine Erfindungsgemäße Röntgenstrahlenquelle jeweils in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Draufsicht eines Röntgenstrahlenkollimators 10 für Röntgenstrahlung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine Seitenansicht des Röntgenstrahlenkollimators 10 in der Ausführung gemäß 1.
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Der Röntgenstrahlenkollimator 10 umfasst eine Befestigungseinheit 30 zur Montage an einer Röntgenstrahlenquelle R. Die Befestigungseinheit 30 wird durch einen Gehäuseteil des Röntgenstrahlenkollimators 10 gebildet. Die Befestigungseinheit 30 dient dazu, den Röntgenstrahlenkollimator 10 an einer Röntgenstrahlenquelle R zu befestigen. Hier ist die Befestigungseinheit kreisrund und als Passstück zum ebenfalls kreisrunden Strahlerflansch 20 ausgebildet. Die Befestigungseinheit 30 ist in den Strahlerflansch 20 eingeschoben und dort fixiert. Oberhalb des Strahlerflansches 20 ist eine Strahleranode, hier in Form eine Drehanode 22 angeordnet, die ausgehend von einem Fokuspunkt einen konischen Röntgenstrahl RS in Richtung Röntgenstrahlenkollimator 10 aussendet. Dieser umfasst hier eine Blendeneinheit. Die Blendeneinheit bildet eine Durchlassöffnung für die Röntgenstrahlung entsprechend einem maximalen Strahlfeld SF. Das maximale Strahlfeld SF weist eine quadratische Grundform mit einem Seitenmaß von 1,5 mm auf. Die Durchlassöffnung wird konkret durch eine feststehende Blendenlamelle 15 gebildet, welche eine kreisrunde Außenkontur aufweist und in der Durchlassöffnung der Befestigungseinheit 30 angeordnet und fixiert ist.
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Die Blendeneinheit umfasst auch vier bewegliche Blendenlamellen 16, 17, 18, 19 zur Begrenzung des maximalen Strahlfeldes SF des von der Röntgenstrahlenquelle R ausgesandten Röntgenstrahls RS auf ein begrenztes Strahlfeld BSF. Das begrenzte Strahlfeld BSF ist kleiner als das maximale Strahlfeld, aber hier auch quadratisch und um den Zentrumspunkt der Durchlassöffnung symmetrisch angeordnet. Mit anderen Worten wird weniger Röntgenstrahlung hindurch gelassen, wenn die Blendeneinheit auf das begrenzte Strahlfeld BSF eingestellt ist. Die beweglichen Blendenlamellen 16, 17, 18, 19 sind in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung des Röntgenstrahls RS in den Röntgenstrahl RS hinein verstellbar. Sie sind hier oberhalb der feststehenden Blendenlamelle 15, also auf die Röntgenstrahlenquelle R ausgerichtet, angeordnet.
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Das begrenzte Strahlfeld BSF kann alternativ auch mit den gezeigten vier beweglichen Blendenlamellen 16, 17, 18, 19 eine rechteckige Form einnehmen und relativ zum Zentrumspunkt der Durchlassöffnung verschoben gebildet werden.
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Der Röntgenstrahlenkollimator 10 umfasst auch eine Verstelleinheit zum Verstellen der vier beweglichen Blendenlamellen 16, 17, 18, 19, wobei die Verstelleinheit jeweils einen piezoelektrischen Aktuator 11, 12, 13, 14 pro beweglicher Blendenlamelle 16, 17, 18, 19, also insgesamt vier Aktuatoren, umfasst, die auf die beweglichen Blendenlamelle 16, 17, 18, 19 wirken. Die piezoelektrischen Aktuatoren 11, 12, 13, 14 sind konkret ausgebildet, die beweglichen Blendenlamellen 16, 17, 18, 19 relativ zu der feststehenden Blendenlamelle 15 zu verstellen, um das maximale Strahlfeld SF auf das begrenzte Strahlfeld BSF zu beschränken.
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Die Aktuatoren 11, 12, 13, 14 sind ausgebildet, die zugeordnete Blendenlamelle 16, 17, 18, 19 linear auf den Zentrumspunkt der Durchlassöffnung zu oder davon weg zu bewegen. Dabei ist jeder Aktuator 11, 12, 13, 14 ausgebildet, einen Verstellweg von 750 µm zu überbrücken. Mit anderen Worten liegen die Ruheposition und die Aktivposition der beweglichen Blendenlamellen 16, 17, 18, 19 in diesem Beispiel maximal 750 µm auseinander. Derart kann der Röntgenstrahlenkollimator 10 das durch die Durchlassöffnung der Blendeneinheit gebildete maximale Strahlfeld SF teilweise, aber auch vollständig verschie-ßen.
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Die piezoelektrischen Aktuatoren 11, 12, 13, 14 sind direkt an bzw. auf den beweglichen Lamellen 16, 17, 18, 19 angeordnet und werden bei der Verstellbewegung der beweglichen Blendenlamellen 16, 17, 18, 19 mitbewegt.
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Aus 2 ist erkennbar, dass die Blendeneinheit vollständig innerhalb der Durchlassöffnung der Befestigungseinheit 30 angeordnet ist. Konkret weisen die Blendenlamellen 15, 16, 17, 18, 19, im montierten Zustand einen Abstand von ca. 3,3 mm bis 3,5 mm zu Fokuspunkt der Röntgenstrahlenquelle R auf.
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Durch die Miniaturisierung der Lamellenantriebseinheiten mittels piezoelektrischer Aktuatoren können auch die Blendenlamellen verteilhaft klein und leicht ausgebildet werden. Dies und die allgemein bekannte Positionsgenauigkeit von Piezo-Aktuatoren erlaubt es, die Blendeneinheit sehr dicht an den Röntgenröhrenfokus zu bringen. Die Erfindung erlaubt so eine besonders günstige, da materialsparende und kleine Bauweise für Röntgenstrahlenkollimatoren.
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Die beweglichen und die feststehende Blendenlamelle 15, 16, 17, 18, 19 der Blendeneinheit bestehen hier aus einem mit Wolfram angereichten Kunststoff, was sie im Vergleich zu klassischen Bleilamellen besonders leicht macht. Derart sind sie leicht genug, um durch die Piezo-Aktuatoren bewegt zu werden. Insgesamt kann erfindungsgemäß auf die Verwendung von Blei verzichtet werden.
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3 zeigt eine Draufsicht eines Röntgenstrahlenkollimators 10 für Röntgenstrahlung in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt eine Seitenansicht des Röntgenstrahlenkollimators 10 in der Ausführung gemäß 3.
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Die Beschreibung dieser Ausführung beschränkt sich auf die Darstellung der Unterschiede zum vorherigen Ausführungsbeispiel. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen
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Die Blendeneinheit bildet auch hier eine Durchlassöffnung für die Röntgenstrahlung entsprechend einem maximalen Strahlfeld SF. Das maximale Strahlfeld SF weist jedoch eine runde Grundform mit einem Durchmesser von 0,9 mm auf. Die Durchlassöffnung wird durch eine feststehende Blendenlamelle 15' mit kreisrunder Außenkontur gebildet, die ebenfalls in der Durchlassöffnung der Befestigungseinheit 30 angeordnet und fixiert ist.
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Die Blendeneinheit umfasst sechs bewegliche Blendenlamellen 16', 17` zur Begrenzung des maximalen Strahlfeldes SF des von der Röntgenstrahlenquelle R ausgesandten Röntgenstrahls RS auf ein begrenztes Strahlfeld BSF. Die beweglichen Blendenlamellen 16', 17` sind in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung des Röntgenstrahls RS in den Röntgenstrahl RS hinein verstellbar. Sie sind hier oberhalb der feststehenden Blendenlamelle 15', also auf die Röntgenstrahlenquelle R ausgerichtet, angeordnet.
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Das begrenzte Strahlfeld BSF weist hier eine rundliche, an eine Kreisform angenäherte Form auf. Dies wird erreicht, indem die sechs beweglichen Blendenlamellen 16', 17' jeweils eine Seitenkante aufweisen, die mit Bezug zum Zentrumspunkt der Durchlassöffnung der Blendeneinheit konvex ausgebildet ist. Auch in dieser Ausführung müssen die einzelnen beweglichen Blendenlamellen 16', 17` nicht gleichartig verstellt werden. Stattdessen kann auch hier eine unsymmetrische, bspw. eher elliptische oder zum Zentrumspunkt der Durchlassöffnung gänzlich verschobene Anordnung der beweglichen Blendenlamellen 16', 17` erreicht werden, indem sie jeweils unterschiedlich weite Verstellwege bei der Begrenzung des maximalen Strahlfelds SF überwinden.
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Di Verstelleinheit umfasst hier sechs piezoelektrische Aktuatoren, 11', jeweils einen piezoelektrischen Aktuator 11` pro beweglicher Blendenlamelle 16', 17', die auf die beweglichen Blendenlamellen 16', 17` wirken. Auch hier bewirken sie eine lineare, auf den Zentrumspunkt der Durchlassöffnung zu oder davon weg gerichtete Verstellbewegung. Dabei ist jeder Aktuator 11' ausgebildet, einen Verstellweg von 450 µm zu überbrücken, sodass auch in diesem Beispiel der Röntgenstrahlenkollimator 10 das durch die Durchlassöffnung der Blendeneinheit gebildete maximale Strahlfeld SF teilweise, aber auch vollständig verschießen kann.
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Aus 4 ist erkennbar, dass die Blendeneinheit vollständig innerhalb der Durchlassöffnung der Befestigungseinheit 30 angeordnet ist. Konkret weisen die Blendenlamellen 16', 17` im montierten Zustand einen Abstand von ca. 2 mm zu Fokuspunkt der Röntgenstrahlenquelle R auf und sind damit besonders dicht am Röntgenfokus angeordnet.
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In einer anderen, nicht näher dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die beweglichen Blendenlamellen sowie die Piezo-Aktuatoren derart angeordnet, dass die Piezo-Aktuatoren durch ihre Längenänderung eine rotatorische Bewegung der beweglichen Blendenlamellen bewirken. Dies bewirkt in Ausführungen ebenfalls einen Iris-artigen Verschluß der Durchlassöffnung. Dazu können bspw. die beweglichen Blendenlamellen rotatorisch an einem als feststehende Blendenlamelle ausgebildeten Trägerelement des Röntgenstrahlenkollimators angebunden sein, bspw. mittels eines Stegs oder einer Welle. Die jeweiligen piezoelektrische Aktuatoren mit der zugehörigen beweglichen Blendenlamelle so gekoppelt, dass sie eine rotatorische Verstellbewegung der Blendenlamelle um den Steg bzw. die Welle bewirken.
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In beiden gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Blendenlamellen entlang der Röntgenstrahlausbreitungsrichtung versetzt zueinander angeordnet, da sich die Grundfläche benachbarten bzw. angrenzender Blendenlamellen zumindest teilweise überlappen. Dieser Versatz ermöglicht, dass alle Blendenlamellen senkrecht in Bezug auf die Strahlausbreitungsrichtung angeordnet und ggf. bewegt werden können. Alternativ dazu, aber nicht dargestellt, können die beweglichen Blendenlamellen Aber auch in einem Winkel angeordnet sein, der vom 90° in Bezug auf die Strahlausbreitungsrichtung abweicht. Auch so kann eine überlappende Anordnung der Blendenlamellen erreicht werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsanlage umfassend eine erfindungsgemäße Röntgenstrahlenquelle R, jeweils in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Röntgenstrahlenquelle R ist hier als Drehanoden-Röntgenstrahler ausgebildet und umfasst ein Strahlergehäuse 23. Darin befindlich ist ein Vakuumbereich VAC, in welchem sowohl eine Kathodenanordnung 26, umfassend eine Glühkathode 27 zur Erzeugung von freien Elektronen e- und eine Drehanode 22 angeordnet ist. Die Elektronen werden in den Vakuumbereich VAC auf die Drehanode hin beschleunigt. Durch Wechselwirkung der Elektronen mit dem Anodenmaterial entsteht Röntgenstrahlung, welche ausgehend vom Brenn- bzw. Fokuspunkt auf der Anode 22 in einem Röntgenstrahl SR ausgesandt wird. Die Drehanode 22 ist über eine Welle 24 mit einer Antriebseinheit 25 gekoppelt, die bei Betrieb die Drehanode 22 in Rotation versetzt, um den Brennpunkt im Anodenmaterial kontinuierlich zu verschieben.
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Der Röntgenstrahl RS verläßt das Strahlergehäuse 23 durch den eine Röntgenaustrittsöffnung bildenden Strahlerflansch 20. Der Röntgenstrahl RS ist auf einen gegenüberliegend angeordneten Röntgenstrahlendetektor ausgerichtet, welcher unterhalb eines Patienten, typischerweise in einem Patiententisch, angeordnet ist. Auf dem Weg zum Patienten passiert der Röntgenstrahl RS Röntgenstrahlenkollimator 10, welcher mit seiner Befestigungseinheit 20 formschlüssig am Strahlerflansch 20 des Röntgenstrahlers R montiert ist. Innerhalb der Befestigungseinheit 20 sind die Blendeneinheit und die Piezo-Aktuatoren, bspw. gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 angeordnet und dienen einer Begrenzung des Strahlfeldes bzw. einer Kollimation des Röntgenstrahls RS. Durch die Integration der Blenden- und teilweise der Verstelleinheit 11, 13, 16, 18 (nur exemplarisch dargestellt) in die durch die Befestigungseinheit 30 gebildete Durchlassöffnung kann der erfindungsgemäße Röntgenstrahlenkollimator 10 besonders platzsparend ausgebildet werden oder das Kollimatorgehäuse bietet derart Bauraum für weitere Kollimatorkomponenten. Bspw. kann nun ein oder mehrere Spektralfilter F zentral im Kollimatorgehäuse vorgesehen sein. Daneben kann im Kollimatorgehäuse eine Steuereinheit 31 angeordnet werden, die über kabelgebundene oder drahtlose Datenleitungen mit den Piezo-Aktuatoren in Kommunikation steht und zur Erzeugung von Steuersignalen entsprechend gewünschter Aktiv- oder Ruhepositionen der einzelnen Blendenlamellen ausgebildet ist.
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Röntgenstrahlenquelle R, Röntgenstrahlenkollimator 10 und Röntgenstrahlendetektor bilden gemeinsam eine medizinische Röntgenbildgebungsanlage zum Erzeugen von medizinischen Bilddaten einer zu untersuchenden Körperregion des Patienten. Die abgebildete Körperregion ist hier das Abdomen des Patienten. Die Röntgenbildgebungsanlage ist entsprechend als Radiographie-Anlage ausgebildet.
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Wo noch nicht explizit geschehen, jedoch sinnvoll und im Sinne der Erfindung, können einzelne Ausführungsbeispiele, einzelne ihrer Teilaspekte oder Merkmale miteinander kombiniert bzw. ausgetauscht werden, ohne den Rahmen der hiesigen Erfindung zu verlassen. Mit Bezug zu einem Ausführungsbeispiel beschriebene Vorteile der Erfindung treffen ohne explizite Nennung, wo übertragbar, auch auf andere Ausführungsbeispiele zu.
