DE4123871A1 - Anordnung zur erzeugung von radiographien oder tomographischer schnittbilder - Google Patents
Anordnung zur erzeugung von radiographien oder tomographischer schnittbilderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Röntgenbildsystem nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Bei der Aufnahme von Radiographien oder tomographischen Röntgenschnittbildern,
lassen sich neben der Dichtebestimmung bei Verwendung
von mindestens zwei verschiedenen Röntgenspektren (1) oder
Röntgenenergiebändern (2), oder durch Erzeugung zweier Bilder zu
verschiedenen Energiespektren durch Separation im Detektor (3, 4)
mindestens zwei in der Ordnungszahl Z verschiedene Stoffe darstellen.
Bei Verwendung von mehr als zwei Energiespektren oder Energiebändern
in der Nähe von Absorptionskanten werden auch mehr als zwei
Stoffe dargestellt.
Das Verfahren nach (1) ist technisch sehr aufwendig, erlaubt keine
Aufnahmen schnell bewegter Objekte, ist nicht ohne weiteres auf die
Trennung von mehr als zwei Materialien ausdehnbar und erzeugt hohes
Bildrauschen. Methode (2) benötigt eine nur an wenigen Orten verfügbare
Synchrotronstrahlquelle und ist nur für niedere Energien geeignet
(<100 keV), was eine allgemeinen Nutzung ausschließt. Methode
(3) erlaubt keine hohe Ortsauflösung und Methode (4) erlaubt nur die
Verwendung zweier Energien und erzeugt hohes Rauschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer kontinuierlich
laufenden Strahlenquelle energieselektive Röntgenbilder mit gleichzeitig
guter Ortsauflösung zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß eine Röntgenröhre
mit kontinuierlichem Spektrum oder radioaktive Quellen mit
mehreren Röntgen- oder γ-Energien verwendet wird und die Energieselektion
im bilderzeugenden Detektor durchgeführt wird, der in
seiner Funktion in einen ortsauflösenden und einen energiemessenden
Teil separiert wird.
Als Detektoren kommen dabei ortempfindliche ein- oder zweidimensionale
Detektoren für Röntgen oder γ-Strahlung in Frage. Im folgenden
werden nur eindimensionale Detektoren ("Zeilendetektoren") diskutiert,
das sich daraus zweidimensionale Detektoren leicht ableiten
lassen, z. B. durch eine flächenhafte Anordnung von n Zeilendetektoren.
Wesentliches Merkmal dieser Detektoren ist die gleichzeitige Orts-
und Energiebestimmung. Die Ortsbestimmung wird durch Zuordnung der
Detektorzelle, in der die Strahlung Energie deponierte, zu einem
Ortsintervall in einem elektronischen Speicher (Sp) erreicht
(Abb. 1), wobei die "Zelle" physisch durch ein Einzeldetektorsegment
mit eigenem Auslesekanal (Verstärker, Impulsformer) oder durch
elektronische Verarbeitung (z. B. durch Schwerpunktbildung der
Signale einer oder mehrerer Zellen) dargestellt werden kann.
Als Einzelzähler werden die in der Nukleartechnik üblicherweise für
die Registrierung von Röntgen- oder γ-Strahlung geeigneten Szintillationszähler
mit Lichtauslese (Sekundärelektronenvervielfacher,
Photodiode), Halbleiterdetektoren (Si, Ge, GaAs, CdTe) oder Halbleiterstreifenzähler
aus den gleichen Materialien sowie mit Gasen
(CH₄, Ar, Kr, Xe) gefüllte Proportionalzähler oder Proportionalkammern
verwendet.
Für die Energiebestimmung werden zwei verschiedene Verfahren angewandt:
- In einem in Strahlrichtung (Koordinate x) ausgedehntem Detektor wird neben der zur Bilderzeugung benötigten Koordinate y des Ortes der Photonenabsorption auch die zweite Koordinate in z-Richtung mit den üblichen Verfahren zur zweidimensionalen Auslese bestimmt. Diese z-Koordinate hängt in statistischer Weise von der Photonenenergie ab, wobei der vordere Teil vornehmlich den niederenergetischen Teil des Spektrums absorbiert, so daß für den hinteren Teil hauptsächlich der hochenergetische Teil übrig bleibt. Die Bestimmung der näherungsweise kontinuierlichen Tiefenverteilung erlaubt die Bestimmung des einlaufenden Energiespektrums durch eine Integraltransformation und ist damit der Verwendung nur zweier hintereinander angeordneter Detektoren überlegen. Die Verbesserung ergibt geringeres Rauschen und erlaubt die Rekonstruktion von mehr als zwei Materialien.
- Die Intensität in einem Ortsintervall kann durch Einzelquantenzählen oder durch Integration der Signale erfolgen. Wegen der noch benötigten Integraltransformation und der sich daraus resultierenden Korrelation der Ortbilder, wird sich nach diesem Verfahren noch nicht das optimale Signal-zu-Rauschverhältnis ergeben.
- Die in Abb. 1b gezeigte Methode, bei der die Signalhöhe SH ein Maß für die deponierte Energie eines Einzelquants darstellt, erlaubt eine weitere Verbesserung in dieser Richtung. Der Detektor (D) liefert hier Signale, deren Pulshöhe energieabhängig ist. Die Separation mindestens zweier Bilder verschiedener Energiespektren findet in einer elektronischen Stufe statt (Dis), in der die Signalhöhen selektiert werden.
Bei beiden Verfahren kann aber nicht gleichzeitig eine gute Energieauflösung
und Ortsauflösung mit den üblichen Detektoranordnungen
erzielt werden. Der Grund liegt darin, daß in dem hier betrachteten
Energiebereich (10 keV bis 10 MeV) die Ionisation, hervorgerufen
durch das Energiequant, sich häufig aus einem zwei- oder mehrstufigen
Absorptionsprozeß ergibt, wobei die räumliche Ausdehnung des
Prozesses die Ortsgenauigkeit beschränkt. Für Detektormaterial mit
hoher Ordnungszahl erhält man sekundäre Fluoreszensphotonen mit großer
Reichweite, für Materialien mit geringer Ordnungszahl dominiert
der Comtoneffekt, dessen inelastisch gestreute Photonen ebenfalls
große Reichweiten erzielen. Die Reichweite der Sekundärstrahlung
ergibt üblicherweise den Wert für die erreichbare Ortsauflösung.
Insbesondere kann diese Ortsauflösung nicht unterschritten werden,
wenn die gesamte Energie zur Messung in einem Ortintervall gefordert
wird.
Die Beseitigung dieser Beschränkung wird zunächst am Beispiel der
Verwendung einer Proportionalkammer erläutert. Die sinngemäße Übertragung
auf andere Detektortypen wird anschließend diskutiert.
Eine hohe Absorption im Detektor läßt sich dadurch erreichen, daß
die Detektorebene parallel zur Strahlrichtung angeordnet wird
(Abb. 2). Ferner sind als Gasfüllungen schwere Edelgase (Xe, Kr)
unter hohem Druck geeignet. Die in dem ersten Schritt des Absorptionsprozesses
entstehende Ionisation geringer Reichweite bestimmt
die Ortskoordinate zur Bilderstellung. Um die Ortsauflösung nicht
durch die Entstehung von Sekundärstrahlung (Sk) aus Fluoreszens oder
Comptonstreuung zu beeinträchtigen, wird der Detektor (DA) sehr
flach gebaut (Abb. 3, d«l), so daß diese störende Strahlung nur mit
sehr kleiner Wahrscheinlichkeit in diesem Volumen DA wieder absorbiert
wird und somit die Ortsmessung nicht beeinflußt. In der Einzelphoton-Betriebsart
kann darüber hinaus ein absorbiertes Fluoreszensphoton
aufgrund seiner definierten Energie erkannt und von der
Ortsmessung ausgeschlossen werden. Als weitere Verbesserung wird der
Detektor DA mit einem Detektor DB (Abb. 4) umgeben werden, der zur
primären Strahlenquelle hin abgeschirmt ist und in dem die Streustrahlung
effektiv aufgefangen wird. Die Summe der in DA und DB gemessenen
Energien entspricht der Photonenenergie. Dabei wird der gemessene
Ort des Sekundärphotons nicht zur bildbestimmenden Ortsmessung
verwendet, sondern nur, um die räumliche Nähe zu der ersten
Wechselwirkung festzustellen und damit die Zusammengehörigkeit der
Teilionisationen.
Selbst wenn auf den Streustrahldetektor DB verzichtet wird, kann aus
der Amplitude von DA für nicht allzuhohe Röntgenenergien ein eindeutiges
Energiespektrum gewonnen werden, wie es für die Rekonstruktion
der materialspezifischen Röntgenbilder ausreicht.
Bei dem Verfahren durch Bestimmung der Absorptionstiefe zur Selektion
der Energiespektren, können die üblichen Ausleseverfahren
(Stromteilung, Verzögerungsleitung, Pad-Auslese) in Strahlrichtung
für eine Zelle oder eine Gruppe mit Koinzidenzforderung kontinuierlich
die Tiefeninformation liefern. Mit dieser Auslese können auch
bei nicht parallelem Strahl Parallaxefehler korrigiert werden.
Die Erweiterung dieses Verfahrens auf andere Detektortypen (Szintillatoren,
Halbleiter) ergibt sich in der Weise, daß sehr dünne Flächendetektoren
mit zweidimensionaler Auslese nicht wie üblich in
Richtung der Flächennormalen, sondern nach Drehung um 90 Grad in
Längsrichtung durchstrahlt werden, so daß auch hier für die Absorption
eine große Tiefe zur Verfügung steht, die Sekundärstrahlung
aber wegen der geringen Dicke des Detektors diesen verläßt.
Besondere Vorteile ergeben sich bei der Verwendung der Proportionalkammer
in Verbindung mit einer Mikrofokus-Röhre, da in diesem Falle
die verfügbare Strahlenleistung so gering ist, daß bei Durchstrahlung
dickerer Schichten bei den üblichen integrierenden Detektoren
erhebliche Rauschprobleme auftreten. Bei energieselektiver Auslese
von Einzelphotonen kann bei entsprechend verlängerter Meßdauer eine
beliebig kleine Intensität gemessen werden.
Die gewerbliche Anwendung des Röntgenbildsystems nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 umfaßt den Bereich der bildlichen Darstellung innerer
Strukturen in der Medizin und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
einschließlich der Produktionsprüfung und Überwachung.
Abb. 5 zeigt eine Anordnung zur Aufnahme von tomographischen Schnittbildern
in der sog. Fächerstrahlgeometrie, bestehend aus einer µ-Fokus-Röhre
(µR), einem Drehteller mit Probe (DP), dem Detektor (D)
sowie Ausleseelektronik (Aus) und Datenverarbeitungssystem (PC).
Abb. 6 zeigt den Detektor im Detail. Bei Abb. 6a sind die Abdeckbleche
entfernt, das Druckgehäuse (P) mit dem Strahlfenster (SF) und
die Vorverstärker VV werden sichtbar. Abb. 6b zeigt die Proportionalkammern
DA und DB mit den Anodendrahtebenen (AnA und AnB) und den
Kontaktpunkten (KP) der zur Auslese verwendeten Kathodenstreifen
(KS), die so angeordnet sind, daß sie in Richtung zur Strahlquelle
auf den Fokus der Röhre zeigen. Nur wenige Kathodenstreifen und
Kontaktleitungen sind gezeigt. Es ist bei den genannten Energien
wegen der Durchdringungsfähigkeit der Strahlung unerheblich, ob die
Strahlung durch die Kontaktleitungen geführt wird (von rechts kommend,
R) oder von der anderen Seite (L), was nach Anbringen eines
Eintrittfensters auf der Rückseite des Detektorgehäuses möglich ist.
Weiterhin sei daraufhingewiesen, daß die störende Sekundärstrahlung,
die das Detektorvolumen DB erreichen soll so hochenergetisch ist,
daß sie leicht eine dünne metallisierte Folie mit Elektrodenstrukturen
zur Auslese durchdringt. Wenn es sich in dem Detektorvolumen
DB um dasselbe Gas wie in DA handelt, können auch dünne gespannte
Drähte die elektrische Separierung bewirken und gleichzeitig als
Ausleseelektroden dienen.
In weiteren Aspekten, wie z. B. Druckgefäß, Strahlfenster, Durchführung
der Signale, Anordnung der Verstärker usw. kann der Detektor
ähnlich aufgebaut sein wie andere Proportionalkammern oder Vielelektrodenionisationskammern,
auch wie in der Entgegenhaltung (7), hier
als Literaturangabe (5) aufgeführt. Der wesentliche Unterschied wird
in den Ansprüchen 1 bis 13 formuliert.
Literatur
1. "Evaluation of a Protype Dual-Energy Computes Tomographic
Apparatus. I. Phantom Studies", W. A. Kalender, W. H. Perman, J. R.
Vetter and E. Klotz, Med. Phys, 13 (86) 334.
2. "Quantitative Microtomography", K. Engelke, M. Lohmann, W.-R. Dix and W. Graeff, Rev. Sci. Instr. 60 (89) 2486.
3. Martone et al., United States Patent 39 50 648.
4. Alvarez et al., Offenlegungsschrift DE 27 33 586 A1.
5. Besch et al., Offenlegungsschrift DE 39 01 837 A1.
2. "Quantitative Microtomography", K. Engelke, M. Lohmann, W.-R. Dix and W. Graeff, Rev. Sci. Instr. 60 (89) 2486.
3. Martone et al., United States Patent 39 50 648.
4. Alvarez et al., Offenlegungsschrift DE 27 33 586 A1.
5. Besch et al., Offenlegungsschrift DE 39 01 837 A1.
Claims (13)
1. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder mit Energieselektion bestehend aus Röntgenröhre oder
radioaktiver Quelle mit mehreren γ-Energien und orts- und energieselektivem
Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß das dem bilderzeugenden
Strahl ausgesetzte empfindliche Detektorvolumen DA aus einer
flachen Scheibe, ausgedehnt in Strahlrichtung und in Richtung der
bilderzeugenden Ortsmessung, aber von geringer Ausdehnung in der
dritten Dimension, besteht, umgeben von den beiden Flachseiten von
weiteren Detektoren DB, wobei die Ortsmessung mit Signalen des Detektorteils
DA und die Energiemessung mit Signalen aller Detektorteile
DA und DB erfolgt.
2. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor
DA oder DB eine Reihe von Szintillationskristallen mit je
einem angeschlossenen lichtempfindlichen Empfänger verwendet werden.
3. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor
DA oder DB eine Reihe von Halbleiterdetektoren oder Halbleiterstreifenzähler
verwendet werden.
4. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor
DA oder DB ortsempfindliche Vieldrahtproportionalkammern verwendet
werden.
5. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorebene
DA, definiert als die Ebene, in der die Anodendrähte
gespannt sind, exakt parallel zu den Strahlen angeordnet wird,
ebenso die zur Ortsbestimmung verwendeten Elektrodenstrukturen wie
Anodendrähte, Potentialdrähte oder Kathodenstreifen.
6. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Teilvolumen DB hinter einer Abschirmung angeordnet ist und dem direkten
Strahl nicht zugänglich ist.
7. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur
das Teilvolumen DA verwendet wird.
8. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als
Energieinformation die Impulshöhe, die Signalfläche oder davon abgeleitete
Größen verwendet werden.
9. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Energiesignal durch Summation der Pulshöhe, Flächen oder
abgeleiteter Größen des Signals aus DA und des zeitlich und/oder
örtlich dazu korrelierten Signals aus DB gewonnen wird.
10. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Signal in DA, das der Energie des Fluoreszensphotons des verwendeten
Zählgases entspricht, aus der Ortsmessung ausgeschlossen wird.
11. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
durch Messung einer zusätzlichen Ortskoordinate in Strahlrichtung
für Einzelpulse die Tiefe der Absorption (d. h. die in dem absorbierenden
Detektormedium zurückgelegte Wegstrecke der elektromagnetischen
Strahlung bis zur ersten ionisierenden Wechselwirkung) festgestellt
wird und für zwei und mehr Tiefenintervalle Aufnahmen erzeugt
werden, die zwei und mehr Energiespektren zugeordnet werden.
12. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in
Strahlrichtung gewonnene Häufigkeitsverteilung der Absorption nach
einer Intergraltransformation als Energiespektrum verwendet wird.
13. Anordnung zur Erzeugung von Radiographien oder tomographischer
Schnittbilder nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
bei divergentem Strahl und Elektroden oder stabförmigen Detektorsegmenten
der Ortsauslese, die so ausgerichtet sind, daß sie mit der
Längsachse in Richtung der Strahlquelle weisen und untereinander
parallel sind, der Parallaxefehler durch Verwendung der in (11)
beschriebenen Messung der Absorptionstiefe korrigiert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914123871 DE4123871A1 (de) | 1990-07-21 | 1991-07-18 | Anordnung zur erzeugung von radiographien oder tomographischer schnittbilder |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4023317 | 1990-07-21 | ||
DE19914123871 DE4123871A1 (de) | 1990-07-21 | 1991-07-18 | Anordnung zur erzeugung von radiographien oder tomographischer schnittbilder |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4123871A1 true DE4123871A1 (de) | 1992-01-23 |
Family
ID=25895275
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914123871 Withdrawn DE4123871A1 (de) | 1990-07-21 | 1991-07-18 | Anordnung zur erzeugung von radiographien oder tomographischer schnittbilder |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4123871A1 (de) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1991
- 1991-07-18 DE DE19914123871 patent/DE4123871A1/de not_active Withdrawn
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US5521956A (en) * | 1994-04-19 | 1996-05-28 | Charpak; Georges | Medical imaging device using low-dose X- or gamma ionizing radiation |
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FR2731279A1 (fr) * | 1995-03-03 | 1996-09-06 | Charpak Georges | Perfectionnements aux dispositifs d'imagerie medicale en rayonnement ionisant x ou gamma a faible dose |
US5604783A (en) * | 1995-03-03 | 1997-02-18 | Charpak; Georges | Medical imaging devices using low-dose X or gamma ionizing radiation |
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US6477224B1 (en) | 1999-05-12 | 2002-11-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Radiation detector, particularly of a computed tomography apparatus |
DE19949793A1 (de) * | 1999-10-15 | 2001-05-10 | Siemens Ag | Messeinheit eines Röntgendiagnostikgerätes, insbesondere eines Computertomographen |
DE19949793B4 (de) * | 1999-10-15 | 2016-03-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Messeinheit eines Röntgendiagnostikgerätes, insbesondere eines Computertomographen |
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