DE3433141A1

DE3433141A1 - Roentgendiagnostikeinrichtung mit einem roentgenkonverter mit lumineszenz-speicherleuchtschirm

Info

Publication number: DE3433141A1
Application number: DE19843433141
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Lange; Raimund Dr.rer.nat. 8000 München Oberschmid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-09-10
Filing date: 1984-09-10
Publication date: 1986-03-20
Also published as: DE3433141C2

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 84 P 3 3 64 DE

Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Röntgenkonverter mit Lumineszenz-Speicherleuchtschirm

Die Erfindung betrifft eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Röntgenkonverter mit Lumineszenz-Speicherleuchtschirm, der das jeweilige Röntgenstrahlenbild latent speichert, und mit einer Auslesevorrichtung, die zur Wiedergabe den Speicherleuchtschirm durch die ausgesandten Strahlen einer zusätzlichen Strahlenquelle zum Leuchten anregt.

Eine derartige Einrichtung ist in der DE-OS 29 40 454 beschrieben, bei der das auf einer Platte aus einem stimulierbaren Leuchtstoff auffallende Röntgenstrahlenbild gespeichert wird. Zu einem späteren Zeitpunkt wird der Leuchtstoff durch Lesestrahlen angeregt, so daß er Bildinformationen enthaltendes Licht abstrahlt. Das emittierte Licht mit der Bildinformation wird von einem Detektor gemessen, dessen Ausgangssignal eine Aufzeichnungsvorrichtung steuert, die eine Belichtung eines photographisehen Filmes bewirkt.

Eine derartige Röntgenaufnahmeeinrichtung mit einer Kassette und einer darin angeordneten Schicht mit dem Speicherleuchtstoff ist in der Figur 1 dargestellt. Von dem Röntgenstrahier 1 gehen gebündelte Röntgenstrahlen 2 aus, die einen Patienten 3 durchdringen und auf die in der Kassette 4 angeordnete Speicheranordnung 5 ein Röntgenstrahlenbild werfen. Eine derartige Speicheranordnung 5 besteht beispielsweise, wie aus der Figur 2 ersichtlich, aus einer Trägerfolie 6 und einem Speicherleuchtschirm

Gse 2 Ler / 31.08.1984

-tr- VPA MP 3 3 64 OE

Damit der Wirkungsgrad einer derartigen Speicheranordnung 5 möglichst groß ist, so daß möglichst viele Röntgenquanten von dem Speicherleuchtstoff absorbiert werden, muß die Dicke d der Schicht möglichst groß gewählt werden. Dies hat aber zur Folge, daß vermehrt Unscharfen auftreten, die zum einen von der Schrägeinstrahlung der Röntgenstrahlen 2 am Rande der Speicheranordnung 5 verursacht werden. Treffen die Röntgenstrahlen 2 senkrecht auf den Speicherleuchtschirm 7, so hängt die Größe des angeregten Punktes nur von dem Querschnitt eines einzelnen Röntgenstrahles R ab. Nimmt der Röntgenstrahl R dagegen einen Winkel y, gegenüber der Normalen η ein, so erfolgt eine Anregung des Leuchtstoffes des Speicherleuchtschirmes 7 durch den Röntgenstrahl R auch senkrecht zur Normalen n.

Dies führt bei einem punktförmigen Röntgenstrahl R zu ellipsenförmigen Verformungen, deren Größe von einer Strecke χ abhängt, die sich aus folgender Formel:

x = d * tan oO
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berechnet. Daraus ist ersichtlich, daß die Verzeichnung an dem Rande um so größer ist, je dicker der Speicherleuchtschirm 7 ist.

Aber auch bei der Auslesung durch einen sehr feinen Lesestrahl entsteht eine Unscharfe durch Verwischung der ausgelesenen Bereiche durch Streuung des Lesestrahles und des ansgeregten Lichtes in dem Speicherleuchtschirm 7, der in der Regel aus polykristallinem Material besteht.

Diese Streuung weist einen Durchmesser d_L' auf, der von dem Durchmesser des Lesestrahles d, erheblich abweicht. Er liegt in der Größenordnung der Dicke d des Speicherleuchtschirmes 7. Daraus folgt, daß die Dicke d des Speicherleuchtschirmes 7 nicht beliebig groß gewählt werden kann. Dadurch verringert sich aber der Wirkungsgrad der

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Speicheranordnung, so daß die Dosis erhöht werden muß, um beim Auslesen eine ausreichende Helligkeit zu erreichen. Dadurch wird aber die Strahlenbelastung des Patienten in unerwünschter Weise erhöht.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Röntgendiagnostikeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad bei nur geringen Auflösungsverschlechterungen auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Speicherleuchtschirm aus mehreren dünnen, eng aneinanderliegenden Schichten für die Aufnahme eines Röntgenstrahlenbildes besteht. Dadurch wird erreicht, daß die Dicke der einzelnen Schichten gering gehalten werden kann.

Durch die Verwendung mehrerer, hintereinander angeordneter Schichten ist aber die Quanteneffizienz, d.h. der Wirkungsgrad dieses Systems, sehr groß.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Auslesevorvorrichtung so ausgebildet ist, daß die Schichten getrennt auslesbar sind, und wenn eine Korrekturvorrichtung für die Ausgangssignale der Auslesevorrichtung zur Berücksichtigung der während der Aufnahme vorhandenen Schrägeinstrahlung vorhanden ist.

Eine Überlagerung der elektrischen Signale wird erreicht, wenn die Auslesevorrichtung einen Bildspeicher enthält, in dem die Ausgangssignale der nacheinander ausgelesenen Schichten bildpunktweise derart addiert werden, daß in einem Speicherplatz einander entsprechende Bildpunktinformationen überlagert werden. Eine Überlagerung bereits während der Abtastung wird erreicht, wenn die Auslesevorrichtung einen Strahlenteiler enthält, der die Strahlen der Strahlenquelle derart aufteilt, daß alle Schichten

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-A- VPA 84Ρ 3 3 64 DE

gleichzeitig abgetastet werden. Eine einfache Korrektur erhält man, wenn die Auswerteeinheit eine Verschiebevorrichtung für die Schichten, die die Korrektur zur Steuerung des y-Vorschubes der Schichten bewirkt, und für jede Schicht eine optische Vorrichtung aufweist, die eine Ablenkung der Strahlen in y-Richtung ermöglicht, so daß in y-Richtung eine optische Korrektur erfolgt.

Man erhält mehrere Bilder mit unterschiedlichen Auflösungen, wenn die Schichten unterschiedliche Dicken aufweisen, und die ausgesandten Strahlen der Strahlenquelle die Schichten mit entsprechenden unterschiedlichen Strahlenquerschnitten abtasten. Es lassen sich bestimmte gewünschte Bilddetails hervorheben, wenn die von den Schichten unterschiedlicher Dicke erhaltenen Ausgangssignale im Bildspeicher subtraktiv oder additiv übertragen werden. Die Bildschärfe läßt sich durch Verringerung von sekundären Röntgenstrahlungen weiterhin erhöhen, wenn die Trägerfolien Elemente enthalten, die für die sekundären Röntgenstrahlen des Speicherleuchtstoffes eine hohe und für die primären Röntgenstrahlen eine geringe Absorption aufweisen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Röntgenaufnahmevorrichtung zur Belichtung des Speicherleuchtstoffes,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die bekannte Speicheranordnung gemäß Figur 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Speicheranordnung,

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Fig. 4 eine Auslesevorrichtung, und

Fig. 5 Absorptionsverläufe unterschiedlicher

Elemente.
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In der Figur 3 ist ein Stapel aus drei dünnen, eng aneinanderliegenden Schichten 8 bis 10 für die Speicheranordnung 5 dargestellt. Die gesamte Dicke der Speicheranordnung 5 ist gleich geblieben. Durch die Aufteilung des Speicherleuchtschirmes 7 in drei Schichten 8 bis 10 ergibt sich für jede der Schichten eine Dicke d, bis d,, die gleich sein können. Somit ergibt sich für die Dicken d^ bis üj der Schichten 8 bis 10 der Wert d/3. Jeder der drei Schichten 8 bis 10 ist je eine Trägerfolie 11 zugeordnet, deren Dicke ebenfalls ein Drittel der Trägerfolie 6 der Figur 2 betragen kann.

Dringt nun ein Röntgenstrahl R unter dem Winkel 06 gegenüber der Flächennormale η in die Speicheranordnung 5, so erzeugt er in der ersten Schicht 8 eine punktförmige Anregung 12 mit einer Ausdehnung senkrecht zur Flächennormale η von einer Länge x,. Das gleiche erfolgt bei den Schichten 9 und 10, in denen Anregungen 13 und 14 mit einer Länge X₂ und x-j erfolgen. Sind die Dicken d^ bis d^ der Schichten 8 bis 10 gleich, so ergeben sich für die Längen x-, bis x-, ebenfalls gleiche Werte, die x/3 bebetragen.

Zur Wiedergabe der in den Schichten 8 bis 10 gespeicherten latenten Bilder werden diese beispielsweise einzeln einer in Figur 4 dargestellten Auslesevorrichtung zugeführt. Die Schicht 8 wird von einem Laserstrahl bildpunktweise abgetastet, der von einem Laser 15, beispielsweise einem Infrarotlaser, erzeugt und von einer Ablenkvorrichtung 16 über die Fläche der Schicht 8 abgelenkt wird. Die

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Ablenkvorrichtung 16 für den Laser 15 kann beispielsweise aus einem Ablenkspiegel für die vertikale und einem elektro-optischen Strahlenablenker für die horizontale Ablenkung bestehen. Es kann aber auch nur eine horizontale Ablenkung erfolgen, wenn eine nicht dargestellte Transportvorrichtung die Schicht 8 schrittweise im Zeilenabstand weiterschiebt.

Durch die Abtastung mit dem Laserstrahl werden alle in der Schicht 8 liegenden Bildpunkte nacheinander angeregt und zum Leuchten gebracht. Eine Optik 17 bildet die angeregten Bildpunkte der Schicht 8 auf einem Detektor 18 ab, der die Helligkeit der abgetasteten Bildpunkte erfaßt und über einer Additionsstufe 19 einem Bildspeicher 20 zuführt, in dem für jeden Bildpunkt ein bestimmter Speicherplatz enthalten ist. Das Ausgangssignal des Bildspeichers 20 wird einem Monitor 21 und dem zweiten Eingang der Additionsstufe 19 zugeführt. Eine Steuerschaltung 22 steuert die Synchronisation der Abtastung, Einspeicherung und Wiedergabe der Bilder. An ihr ist eine Korrekturvorrichtung 23 angeschlossen, die mit der Ablenkvorrichtung 16 verbunden ist.

Wurde nun die Schicht 8 vollständig ohne Korrektur des Laserstrahles durch die Korrekturvorrichtung 23 ausgelesen, so wird durch die Transportvorrichtung die nächste Schicht 9 vor dem Detektor 18 positioniert. Nun erfolgt wiederum die bildpunktweise Abtastung durch den Laserstrahl des Lasers 15. Da aber, wie aus der Figur 3 ersichtlich, bei schrägem Einfall der Röntgenstrahlen R die zueinandergehörenden Bildpunkte nicht den gleichen Abstand von der Bildmitte aufweisen, muß die Ablenkeinheit 16 von der Korrekturvorrichtung 23 derart gesteuert werden, daß im Randbereich zu der vorgegebenen Auslenkung die Auslenkung des Laserstrahles um eine Strecke

VPA ^P 3 3 6 ^ DE

y = d¹ * tan

erhöht wird, wobei d¹ die gesamte Dicke, also die Dicke d, der Schicht 8 und die Dicke der Trägerfolie 11, beinhaltet.

Das derart abgetastete Bild in der Schicht 9 wird von dem Detektor 18 erfaßt und in der Additionsstufe 19 mit dem im Bildspeicher 20 gespeicherten Bild bildpunktweise überlagert und erneut in dem Bildspeicher 20 abgespeichert. Dadurch wird erreicht, daß zueinandergehörende Bildpunkte in dem gleichen Speicherplatz abgespeichert werden. Die Schicht 10 wird in gleicher Weise abgetastet, wobei die Korrektur des Laserstrahles 2 * y beträgt.

Anstelle der Korrektur des Laserstrahles läßt sich auch eine Korrektur durch Veränderung des Abstandes der Schichten 9 und 10 gegenüber der Schicht 8 bei dem Auslesen erreichen. Weist beispielsweise die Auslesevorrichtung die gleichen optischen Abmessungen wie die Röntgenaufnahmevorrichtung auf, d.h. der Abstand von Ablenkvorrichtung 16 bis zur entsprechenden ausgelesenen Schicht bis 10 ist der gleiche wie der Abstand Fokus der Röntgenröhre 1 zu der entsprechenden Schicht 8 bis 10 der Speicheranordnung 5, und der Einfallswinkel QO der Röntgenstrahlen entspricht dem Einfallswinkel der Laserstrahlen, so kann das Auslesen der Schichten 8 bis 10 dadurch erfolgen, daß die Schicht 8 direkt mit ihrer Trägerfolie auf einem Halter aufliegt, der in Strahlenrichtung vor der Schicht 8 angeordnet ist. Für die Abtastung der Schicht 9 wird zwischen Halter und Trägerfolie 11 der Schicht 9 eine Zwischenfolie mit der Dicke d¹ gelegt. Zur Abtastung der Schicht 10 werden dann zwei Zwischenfolien eingeführt, so daß die Korrektur durch die Veränderung des Abstandes erfolgt.

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Anstelle der Korrektur des Laserstrahles durch die Korrekturvorrichtung 23 und die Ablenkvorrichtung 16 und der aufeinanderfolgenden Überlagerung der ausgelesenen Bilder in einem Bildspeicher kann eine gleichzeitige Auslesung der Schichten 8 bis 10 mit gleichzeitiger mechanischer und/oder optischer Korrektur erfolgen. Hierzu weist die Auslesevorrichtung im Strahlengang hinter der Ablenkvorrichtung 16 einen Strahlenteiler auf, der die Strahlen des Lasers 15 derart aufteilt, daß alle zueinander gehörenden Bildpunkte der Schichten 8 bis 10 gleichzeitig abgetastet werden. Eine Korrektur in x-Richtung kann hierbei dadurch erfolgen, daß die Transportvorrichtung für die Schichten 8 bis 10 mit der Korrekturvorrichtung 23 derart verbunden ist, daß die Transportvorrichtungen durch unterschiedliche Steuerung des y-Vorschubes der Schichten 8 bis 10 korrigiert werden. In der Richtung der gegenüber der y-Abmessung kleineren x-Abmessung der Speicheranordnung 5 kann die Korrektur durch eine optische Vorrichtung erfolgen, die eine stärkere Ablenkung des Laserstrahles zum Rande hin bewirkt.

Werden auch in diesem Fall bei der Auslesevorrichtung die gleichen geometrischen Bedingungen wie bei der Aufnahmevorrichtung hergestellt, so kann eine Korrektur der Ablenkung des Laserstrahles unterbleiben. Es muß nur dafür gesorgt werden, daß die Schichten 8 bis 10 den gleichen Abstand zur Ablenkeinheit 16 des Lasers 15 aufweisen müssen, den während der Röntgenaufnahme die Schichten 8 bis 10 zum Fokus der Röntgenröhre einnahmen.

Die derart parallel ausgelesenen Schichten 8 bis 10 weisen jeweils eine Optik 17 und einen Detektor 18 auf, deren Ausgangssignale in der Additionsstufe 19 überlagert und nach Zwischenspeicherung in dem Speicher 20 auf dem Monitor 21 wiedergegeben werden.

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In den Schichten 8 bis 10 und den Trägerfolien 11 werden weiterhin sekundäre Röntgenstrahlen erzeugt, die in derselben oder einer benachbarten Schicht wieder absorbiert werden, so daß dadurch die Schärfe der in den Schichten 8 bis 10 eingeschriebenen Bilder beeinträchtigt wird.

Je dichter der Speicherleuchtstoff und je höher die Ordnungszahl seiner Elemente ist, umso größer ist die Absorption der primären aber auch die der sekundären Röntgenstrahlen. Allerdings wächst die Quantenenergie der sekundären Röntgenstrahlen etwa quadratisch mit der Ordnungszahl der Elemente (Mosleysches Gesetz),

Um die Streuung der sekundären Röntgenstrahlung von einer Schicht 8 in die anderen Schichten 9, 10 zu verhindern, kann als Trägerfolie 11 ein Material verwendet werden, das Elemente enthält, deren Röntgenabsorption ein Maximum (z.B. K-Kante) im Energiebereich der charakteristischen sekundären Röntgenstrahlung des Speicherleuchtstoffes aufweist.

In Figur 5 ist ein typisches Absorptionsspektrum 25 eines Speicherleuchtstoffes und den Absorptionsverlauf 26 einer optimal angepaßten, als Röntgenfilter wirkenden Trägerfolie dargestellt. Die Energie der charakteristischen sekundären Röntgenstrahlung eines Speicherleuchtstoffes beträgt etwa 3/4 der Energie der K-Kante eines Elements. Diese Energie der sekundären Röntgenstrahlung ist als Linie 24 in der Figur 5 eingetragen.

Da die Energie 24 der charakteristischen sekundären Röntgenstrahlung etwa 3/4 der Energie der Absorptionskante K eines Elementes beträgt, und beide Energien quadratisch mit der Ordnungszahl zunehmen, ist es zweckmäßig, wenn die Trägerfolie Elemente mit Ordnungszahlen Z¹ enthält, die

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sich aus der Ordnungszahl Z des die sekundäre Röntgenstrahlung im wesentlichen bestimmenden Speicherleuchtstoffs durch folgende Formel bestimmen läßt:

Z¹ ÖT574¹* Z 2? 0,86 * Z

Ist zum Beispiel Barium mit einer Ordnungszahl Z = 56 das die Sekundärstrahlung bestimmende Element der Schichten 8 bis 10, so sollte die Trägerfolie 11 Elemente mit der Ordnungszahl Z¹ ^ 0,86 * 56 ^ 48,2 enthalten (beispielsweise Silber Z = 47). Dadurch wird erreicht, daß die Energie 24 in der Nähe des Maximums der K-Kante des in der Trägerfolie 10 enthaltenen Elements liegt, so daß die Streuung der Röntgenstrahlen verringert wird.

Im Übrigen besteht die Trägerfolie und der Binder der Schichten 8 bis 10 zweckmäßigerweise aus Elementen niedriger Ordnungszahl, z.B. aus organischem Material, damit die primäre Röntgenstrahlung möglichst wenig absorbiert und gestreut wird.

Anstelle von Schichten 8 bis 10 mit gleicher Dicke d, bis ύ-, lassen sich auch Schichten unterschiedlicher Dicke verwenden. Dadurch ist es möglich, in einem Aufnahmevorgang Bilder unterschiedlicher Auflösung zu erhalten. Diese können durch die Auslesevorrichtung 15 bis 23 additiv oder auch subtraktiv überlagert werden, so daß man entweder Bilder erhält, die Teile mit hoher Auflösung enthalten oder in denen bestimmte gewünschte Details besonders hervorgehoben werden. Hierzu kann bei der Abtastung durch die Ablenkvorrichtung 16 der Strahlenquerschnitt des von dem Laser 15 ausgesandten Laserstrahles verändert werden. Die Schicht mit einer geringen Dicke wird von einem Laserstrahl geringen Querschnittes und die Schicht mit der größeren Dicke, bei der die einzelnen Bildpunkte auf-

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grund der eingangs erläuterten geometrischen Abmessungen größer sind, durch einen Laserstrahl mit einem größeren Strahlenquerschnitt abgetastet.

Weiter soll noch angemerkt werden, daß die erfindungsgemäße Röntgen-Diagnostikeinrichtung keineswegs auf die Wiedergabe von Röntgenbildern der medizinischen Diagnostik beschränkt ist. Ganz allgemein können z. B. auch Strahlungsverteilungen in der Personendosimetrie oder in der Kernphysik-Meßtechnik mit hoher Ortsauflösung mit dieser Methode vermessen werden.

8 Patentansprüche
5 Figuren
15

Claims

VPA 84 P 3 3 6 4 OE Patentansprüche

1. Rontgendiagnostikeinrichtung mit einem Röntgenkonverter mit Lumineszenz-Speicherleuchtschirm (7), der das jeweilige Röntgenstrahlenbild latent speichert, und mit einer Auslesevorrichtung (15 bis 23), die zur Wiedergabe den Speicherleuchtschirm (7) durch die ausgesandten Strahlen einer zusätzlichen Strahlenquelle (15) zum Leuchten anregt, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherleuchtschirm (7) aus mehreren dünnen, eng aneinanderliegenden Schichten (8 bis 10) für die Aufnahme eines Röntgenstrahlenbildes besteht.

2. Rontgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet, daß die Auslesevorrichtung (15 bis 23) so ausgebildet ist, daß die Schichten (8 bis 10) getrennt auslesbar sind, und daß eine Korrekturvorrichtung (23) für die Ausgangssignale der Auslesevorrichtung (15 bis 23) zur Berücksichtigung der während der Aufnahme vorhandenen Schrägeinstrahlung vorhanden ist.

3. Rontgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus- lesevorrichtung (15 bis 23) einen Bildspeicher (20) enthält, in dem die Ausgangssignale der nacheinander ausgelesenen Schichten (8 bis 10) bildpunktweise derart addiert werden, daß in einem Speicherplatz einander entsprechende Bildpunktinformationen überlagert werden.

4. Rontgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslesevorrichtung (15 bis 23) einen Strahlenteiler enthält, der die Strahlen der Strahlenquelle (15) derart aufteilt, daß alle Schichten (8 bis 10) gleichzeitig abgetastet werden.

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5. Rontgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslesevorrichtung (15 bis 23) eine Verschiebevorrichtung für die Schichten (8 bis 10), die die Korrektur durch steuerung des y-Vorschubes der Schichten (8 bis 10) bewirkt, und für jede Schicht (8 bis 10) eine optische Vorrichtung aufweist, die eine Ablenkung der Strahlen in x-Richtung ermöglicht, so daß in x-Richtung eine optische Korrektur erfolgt.
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6. Rontgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (8 bis 10) unterschiedliche Dicken aufweisen, und daß die ausgesandten Strahlen der Strahlenquelle (15) die Schichten (8 bis 10) mit entsprechenden unterschiedlichen Strahlenquerschnitten abtasten.

7. Rontgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Schichten (8 bis 10) unterschiedlicher Dicke erhaltenen Ausgangssignale im Bildspeicher (20) subtraktiv oder additiv übertragen werden.

8. Rontgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolien (11) Elemente enthalten, die für die sekundären Röntgenstrahlen des Speicherleuchtstoffes eine hohe und für die primären Röntgenstrahlen (2) eine geringe Absorption aufweisen.