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Dokumentenidentifikation DE10320862B4 06.09.2007
Titel Verfahren zur automatischen Einstellung einer Blende, sowie Röntgensystem
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Spahn, Martin, Dr., 91054 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 09.05.2003
DE-Aktenzeichen 10320862
Offenlegungstag 02.12.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse G21K 1/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61B 6/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H04N 5/32(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Einstellung einer aus mehreren verstellbaren Blendenelementen bestehenden Blende für eine nachfolgende Röntgenaufnahme eines Untersuchungsobjekts, bei dem die einzelnen Blendenelemente jeweils so positioniert werden, dass sie – in einer in einer Detektorebene liegenden Projektion betrachtet – die Konturen des Aufnahmeobjekts berühren oder in einem kleinen Abstand dazu angeordnet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Röntgensystem mit einer Röntgenquelle, einem Röntgendetektor, einer in einem Röntgenstrahlengang zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor angeordneten Blende mit einer Mehrzahl von automatisch verstellbaren Blendenelementen und einer Blendensteuereinrichtung, um die einzelnen Blendenelemente in der genannten Weise zu positionieren.

Eine solche Blende – oft auch „Tiefenblende" oder „Primärstrahlenblende" genannt – befindet sich in der Regel im Strahlengang zwischen der Röntgenquelle und dem Aufnahmeobjekt. Sie hat in erster Linie die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass nur das Aufnahmeobjekt selbst bestrahlt wird und nicht die umliegenden Bereiche. Dadurch wird beispielsweise bei Aufnahmen von bestimmten Körperteilen oder Organen einer Person dafür gesorgt, dass nur derjenige Gewebebereich bestrahlt wird, der für die zustellende Diagnose oder die geplante Intervention notwendig ist, so dass die Dosisbelastung für die betreffende Person reduziert wird. Darüber hinaus wird bei Aufnahmen, bei denen z. B. das Aufnahmeobjekt ein Körperteils der Person ist, verhindert, dass Röntgenstrahlung unabgeschwächt direkt von der Röntgenquelle an dem Objekt vorbei auf den Detektor gelangt. Solche „Direktstrahlung" kann je nach Bauartprinzip des Detektors zu Bildartefakten führen. So kann es z. B. aufgrund von Streuung bzw. aufgrund von Querleitung des Lichts im Detektorglas zu einer seitlichen räumlichen Verbreiterung des Signals im Objektbereich kommen. Dieses Phänomen kann im Bildverstärker zum sogenannten „low frequency drop" führen. Darüber hinaus kann solche Direktstrahlung dazu führen, dass die einzelnen Bauelemente eines aus mehreren Detektorteilen aufgebauten Flachbilddetektors an den Stoßstellen jeweils sichtbar werden und im Bild stören. Durch die Tiefenblende, welche die nicht relevanten Bereiche abdeckt, wird folglich zum einen die Strahlenhygiene erhöht und zum anderen die Bildqualität verbessert.

Eine solche Blende kann entweder die Röntgenstrahlung vollkommen ausblenden oder auch halbtransparent aufgebaut sein und die Strahlung lediglich entsprechend abschwächen. Die erste Art von Blenden hat den Vorteil, dass keinerlei Röntgenstrahlung in den nicht relevanten Bereich gelangt. Die zweite Art von Blenden hat dagegen den Vorteil, dass die neben dem eigentlichen Aufnahmeobjekt befindlichen Bereiche nur soweit abgeschwächt werden, dass sich die Sichtbarkeit zwar im interessierenden Bereich erhöht, andererseits aber kontraststarke Gegenstände wie beispielsweise Operationsbestecke, die seitlich an das Untersuchungsobjekt herangeführt werden, noch sichtbar sind. Wesentlich für eine gute Funktion solcher Blenden ist bei beiden Ausführungen eine möglichst gute Anpassung der Blende an das jeweilige Untersuchungsobjekt, so dass einerseits das Untersuchungsobjekt selbst durch die Blenden nicht abgedeckt wird und andererseits die umliegenden, nicht interessierenden Bereiche so weit wie möglich abgedeckt werden.

Bei den meisten herkömmlichen Röntgenuntersuchungseinrichtungen ist es derzeit nur möglich, die Einstellung der Blende entweder händisch vorzunehmen, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Lichtvisiers. Darüber hinaus gibt es Röntgensysteme, bei denen es möglich ist, eine automatische Voreinstellung mit Hilfe eines in einer Systemsteuerung hinterlegten Organprogramms durchzuführen, welches vorab eine ungefähre Position des zu untersuchenden Aufnahmeobjekts annimmt. Ein Nachteil hierbei besteht darin, dass die tatsächliche Position des Aufnahmeobjekts aufgrund der Lagerung, beispielsweise eines Patienten, als auch durch eine Variation in der Größe eines Patienten bzw. des jeweiligen Untersuchungsobjekts stark variieren kann. Eine ideale Einstellung ist daher mit dieser Methode nicht möglich. Ein exaktes Einstellen der Tiefenblende durch eine händische Feinjustage benötigt dagegen relativ viel Zeit, was einem optimalen Arbeitsablauf mit kurzen Wartezeiten für die Patienten entgegensteht.

Des Weiteren wird in der DE 35 00 812 A1 eine Röntgendurchleuchtungseinrichtung mit einer Blende der eingangs genannten Art beschrieben, welche aus mehreren Blendenelementen in Form von Lamellen besteht, die so positioniert werden, dass sie die Konturen des Aufnahmeobjekts – in einer in der Detektorebene liegenden Projektion betrachtet – zumindest an einer Stelle berühren, d. h. dass die von der Röntgenquelle aus auf die Detektorebene projizierten Blendenelemente die Konturen des ebenfalls von der Röntgenquelle aus auf die Detektorebene projizierten Untersuchungsobjekts berühren. Hierzu weist die Vorrichtung eine Stellvorrichtung für die einzelnen Lamellen auf. Der Detektor besteht aus einem Röntgenbildverstärker und einer daran angekoppelten Fernsehkamera zur Erzeugung von Videosignalen. An die Fernsehkamera ist eine spezielle Auswerteschaltung angeschlossen, welche so konstruiert ist, dass bestimmten Lamellen jeweils bestimmte Bildbereiche im Videosignal zugeordnet sind. Zu Beginn einer Durchleuchtung eines Untersuchungsobjekts ist die Blende ganz geöffnet. Es werden dann mit den aus dem Videosignal gewonnenen Steuersignalen die einzelnen Lamellen durch die Auswerteschaltung so angesteuert, dass sie sich aufeinander zubewegen und somit die Blende sich langsam schließt. Dabei wird jede einzelne Lamelle in der Schließbewegung gestoppt, wenn ein bestimmter vorgewählter Helligkeitspegel in dem der entsprechenden Lamelle zugeordneten Anteil des Videosignals unterschritten wird. Dieses Verfahren benötigt folglich zum einen eine gewisse Durchleuchtungszeit während der Einstellung der Blende. Zum anderen ist die Anwendung des Verfahrens auf Röntgendetektoren mit einer Videokamera und mit einer speziellen Auswerteschaltung für die Videosignale beschränkt.

In der DE 199 62 281 A1 wird dagegen ein Röntgenuntersuchungsgerät beschrieben, bei dem in Abhängigkeit benutzerspezifischer Parameter und/oder gerätespezifischer Parameter und/oder strukturspezifischer Parameter und/oder den Gegenstand der Aufnahme klassifizierender Parameter der Absorptionsgrad optimiert wird, um eine automatische Einstellung von Absorptionsmitteln, u. a. einer Blende, vorzunehmen. Hierzu werden in einem relativ aufwendigen Verfahren zunächst die betreffenden Parameter ermittelt und basierend auf den Parametern eine Gütefunktion berechnet. Über die Minimierung dieser Gütefunktion wird dann eine optimale Blendenposition bestimmt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur automatischen Einstellung einer Blende und ein entsprechendes Röntgensystem mit einer solchen Blende anzugeben, welche eine möglichst einfache, schnelle und gute Justage der Blende vor einer Röntgenaufnahme ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Röntgensystem gemäß Patentanspruch 9 gelöst.

Erfindungsgemäß wird hierbei zur Positionierung der einzelnen Blendenelemente zunächst eine Objektlokalisierungsaufnahme mit niedriger Dosis bei geöffneter Blende erzeugt. Diese Objektlokalisierungsaufnahme wird zur Ermittlung von Konturen des Aufnahmeobjekts analysiert, und unter Nutzung der ermittelten Konturen werden dann die Positionen der Blendenelemente berechnet und die Blendenelemente in die berechneten Positionen verfahren. Die Objektlokalisierungsaufnahme wird dabei in einem möglichst kurzen Zeitraum vor der eigentlichen Aufnahme durchgeführt, welcher vorzugsweise nicht länger als die für eine vollständige Berechnung und Einstellung der Positionen der Blendenelemente benötigte Zeit ist. Die Dosis kann hierbei ganz erheblich geringer sein als bei der eigentlichen Aufnahme, d. h. beispielsweise nur ein Zehntel oder ein Hundertstel der „normalen" Dosis betragen.

Ein erfindungsgemäßes Röntgensystem benötigt zur Durchführung dieses Verfahrens neben den eingangs genannten Komponenten eine geeignete Röntgensystemsteuerung, welche so ausgebildet ist, dass vor einer Röntgenaufnahme zunächst die Objektlokalisierungsaufnahme mit niedriger Dosis bei geöffneter Blende erzeugt wird, eine Bildanalyseeinrichtung, welche die Objektlokalisierungsaufnahme zur Ermittlung der Konturen des Aufnahmeobjekts analysiert, und eine Positionsberechnungseinheit, welche unter Nutzung der ermittelten Konturen die Positionen der Blendenelemente berechnet und an die Blendensteuereinrichtung zur Positionierung der Blendenelemente übermittelt.

Die Erfindung hat zum einen den Vorteil, dass zur Bestimmung der Blendenposition eine einzelne kurze Röntgenaufnahme (im Folgenden auch „Preshot" genannt) mit einer sehr geringen Dosis ausreicht. Dies bedeutet, dass die für die Einstellung der Blendenpositionen erforderliche zusätzliche Dosisbelastung für den Patienten entsprechend gering ist. Zum anderen kann dieses Verfahren im Prinzip bei jeder Art von Röntgeneinrichtung eingesetzt werden, welche eine Blendensteuereinrichtung zur automatischen Positionierung der einzelnen Blendenelemente aufweist. Dabei kann insbesondere eine bereits vorhandene Röntgensystemsteuerung ohne weiteres durch Umprogrammierung, beispielsweise durch Implementierung eines entsprechenden Softwaremoduls, in der passenden Weise ausgebildet werden. Ebenso können die Bildanalyseeinrichtung und die Positionsberechnungseinheiten in Form von geeigneten Softwaremodulen in einem zentralen Prozessor der Röntgeneinrichtung, beispielsweise der Röntgensystemsteuerung selbst oder einer bereits vorhandenen Bildbearbeitungseinrichtung, implementiert werden. Somit kann jederzeit auch eine bereits existierende Röntgeneinrichtungen erfindungsgemäß nachgerüstet werden.

Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei ist es insbesondere möglich, auch eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung gemäß den Merkmalen der Verfahrensansprüche weiterzubilden und umgekehrt das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche der Röntgeneinrichtung weiterzubilden.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden bei der Erzeugung der Objektlokalisierungsaufnahme jeweils gruppenweise mehrere benachbarte Bildpixel unter Bildung eines gemeinsamen Bildpunkts zusammengefasst. Durch das Zusammenfassen, beispielsweise durch gemeinsames Auslesen, einzelner Pixel zu Gruppen von z. B. 2×2, 3×3 oder 10×10 Pixel wird die Auflösung reduziert und somit die Größe der Bildmatrix verringert. Dadurch wird sowohl die Rechenzeit verkürzt als auch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in der nur mit niedriger Dosis aufgenommenen Objektlokalisierungsaufnahme verbessert.

Weiterhin kann die Objektlokalisierungsaufnahme pixelweise auf eine nachfolgende Röntgenaufnahme addiert werden. Das heißt, der Preshot und die eigentliche Aufnahme werden rechentechnisch addiert, so dass die für den Preshot verwendete Dosis auch bildwirksam vollständig ausgenutzt wird. Durch die sehr kurze Zeitspanne zwischen Preshot und eigentlicher Aufnahme werden eventuelle Bewegungsartefakte weitgehend reduziert und sind daher vernachlässigbar.

Bei der Analyse der Objektlokalisierungsaufnahme empfiehlt es sich, auf in der Bildverarbeitung von Röntgenbildern bekannte Techniken zurückzugreifen. Eine solche Methode ist die Direktstrahlungserkennung, die heute in vielen Fällen bereits zur automatischen Fensterung im Rahmen der Bildverarbeitung verwendet wird. Dabei kann die Objektlokalisierungsaufnahme mittels des Direktstrahlungserkennungsverfahrens in eine Darstellung umgesetzt werden, indem der Direktstrahlungsbereich, in welchem die Röntgenstrahlung unmittelbar unabgeschwächt auf den Detektor trifft, mit einem bestimmten Wert, beispielsweise mit 0, dargestellt wird und der Objektbereich selbst mit einem anderen Wert, beispielsweise mit 1, codiert wird. Das Ergebnis ist dann ein binäres Bild, welches sehr einfach weiterverarbeitet werden kann.

Zur genauen Berechnung der optimalen Positionen der Blendenelemente anhand der Objektlokalisierungsaufnahme gibt es mehrere Möglichkeiten.

Bei einer bevorzugten Variante werden die Positionen der Blendenelemente jeweils unter Verwendung folgender Positionsdaten berechnet:

  • – die Koordinaten von wenigstens einem Punkt auf der Kontur des Aufnahmeobjekts in der Objektlokalisierungsaufnahme (welche der Kontur des von der Röntgenquelle aus auf die Detektorebene projizierten Untersuchungsobjekts entspricht);
  • – die Position der Detektorebene, in der das Bild aufgenommen wird, bezüglich einer Haupt-Röntgenstrahlrichtung (d. h. die Position entlang der direkten Verbindungslinie zwischen Röntgenquelle und Röntgendetektor);
  • – die Position der Blendenebene, in welcher die Blendenelemente verstellbar angeordnet sind, bezüglich der Hauptröntgenstrahlrichtung.

In den meisten Fällen stehen die Blendenebene und die Detektorebene rechtwinklig zur Haupt-Röntgenstrahlrichtung. Dann reicht die Angabe einer Koordinate, beispielsweise der Abstand der Blendenebene und Detektorebene zu einer Röntgenquelle bzw. zu einem Brennpunkt der Röntgenquelle aus, um die Positionen der Detektorebene und der Blendenebene vollständig anzugeben. Wenn die Detektorebene und/oder die Blendenebene jedoch schräg zur Haupt-Röntgenstrahlrichtung stehen, muss die Position jeweils durch Angabe weiterer Koordinaten, z. B. durch die Koordinaten von drei Punkten auf der Ebene oder durch bestimmte Winkelangaben, spezifiziert werden. Sofern die Abstände der Blende und des Detektors von der Röntgenquelle gleich bleiben, sind die Koordinaten dieser Positionen ohnehin feststehend und brauchen nicht mehr aktuell für die jeweilige Aufnahme ermittelt bzw. berechnet zu werden.

Zur Berechnung der gewünschten Position eines Blendenelements werden dabei jeweils vorzugsweise die Koordinaten eines solchen Punkts auf der Kontur des Aufnahmeobjekts in der Objektlokalisierungsaufnahme genutzt, welcher – in einer in der Detektorebene liegenden Projektion betrachtet – einen äußersten Punkt der Kontur in Richtung des betreffenden Blendenelements bildet. Das heißt, es werden genau die Punkte auf der Kontur betrachtet, die bei einem Zusammenfahren der Blendenelemente in eine Schließrichtung – in der Projektion auf die Detektorebene betrachtet – als erstes die Blendenelemente berühren bzw. von diesen Blendenelementen abgedeckt würden.

Durch geeignete Wahl eines Koordinationssystems, in welchem die Positionsdaten ermittelt und die Berechnungen durchgeführt werden, lassen sich die benötigten Zeiten für die Ermittlung der Positionen der Blendenelemente optimieren.

Wenn der Detektor eine Detektorfläche mit matrixförmig angeordneten Detektorelementen aufweist, d. h. wenn es sich z. B. um einen Festkörperdetektor mit aktiver Auslesematrix handelt, und die Detektorfläche senkrecht zur Haupt-Röntgenstrahlrichtung angeordnet ist, bietet sich ein Koordinatensystem an, dessen Ursprung in einem Brennpunkt der Röntgenquelle liegt und dessen Koordinatenachsen zum einen in der Haupt-Röntgenstrahlrichtung liegen (im Folgenden z-Achse) und zum anderen parallel zu den Zeilen und Spalten der Detektorfläche verlaufen (x- und y-Achsen). Die Koordinaten eines Punkts auf der Kontur des Aufnahmeobjekts entsprechen in diesem Koordinatensystem den Zeilen- und Spaltennummern des jeweiligen Bildpixels, d. h. des betreffenden Matrixelements.

In einem solchen Koordinationssystem können die Koordinaten der in Schließrichtung liegenden Grenzposition eines Blendenelements innerhalb der Blendenebene jeweils auf sehr einfache Weise mittels einer Strahlensatzberechnung ermittelt werden. Dabei können z. B. die Koordinaten des Punktes auf der Kontur des Aufnahmeobjekts, an welchem das betreffende Blendenelement – in der in der Detektorebene liegenden Projektion betrachtet – die Kontur des Aufnahmeobjekts bei einer Verstellung in Schließrichtung zuerst berühren würde, direkt aus der Objektlokalisierungsaufnahme entnommen werden. Diese Koordinaten müssen dann jeweils nur noch mit dem Quotienten aus der z-Koordinate der Position der Blendenebene und der z-Koordinate der Position der Detektorebene multipliziert werden, um die Koordinaten des gesuchten Punktes in der Blendenebene zu erhalten, über den das betreffende Blendenelement nicht in Schließrichtung verfahren werden darf, ohne das Aufnahmeobjekt abzudecken.

Ein erfindungsgemäßes Röntgensystem kann im Prinzip beliebig aufgebaute Blenden mit verschieden angeordneten, einzelnen Blendenelementen aufweisen. Es empfiehlt sich, die Blende so aufzubauen, dass auch eine asymmetrische Einstellung bezüglich eines Blendenmittelpunkts möglich ist. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Blende aber so aufgebaut, dass die Blendenelemente unter verschiedenen Winkeln, d. h. aus verschiedenen Richtungen, radial in Richtung des Blendenmittelpunkts hin- und zurückverfahrbar sind. Dabei weisen die Blendenelemente vorzugsweise jeweils zum Blendenmittelpunkt hin senkrecht zur Verfahrrichtung verlaufende Innenkanten auf. Eine solche Blende kann aus 4, 6, 8 oder noch mehr Einzelelementen bestehen. Je nach Anzahl der Elemente ist die Blende dann dementsprechend bezüglich ihrer inneren Konturen viereckig, sechseckig, achteckig etc. aufgebaut. Darüber hinaus können die Blendenelemente prinzipiell auch jede andere beliebige Form aufweisen.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Röntgensystems mit einer erfindungsgemäßen Blende,

2 eine schematische Darstellung des von der Röntgenquelle aus auf die Detektorebene projizierten Aufnahmeobjekts, ohne Blende (linke Seite) und mit geschlossener Blende mit an die Kontur des Aufnahmeobjekts angrenzenden Blendenelementen zur Abdeckung des Direktstrahlungsbereichs (rechte Seite),

3 eine Darstellung der geometrischen Anordnung der Röntgenquelle, der erfindungsgemäßen Blende, des Aufnahmeobjekts und des Detektors in Haupt-Röntgenstrahlrichtung,

4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Blende mit acht einzelnen Blendenelementen.

Das Röntgensystem 1 gemäß 1 weist eine höhenverstellbar an einem Strahlerstativ 6 befestigte Röntgenquelle 2 mit einer unmittelbar davor montierten Tiefenblende 3 auf, welche gemäß der Erfindung ausgeführt ist. Auf der Bildaufnehmerseite ist an einem Aufnahmestativ 7 höhenverstellbar ein digitaler Röntgendetektor 4 mit einem davor angeordneten Streustrahlenraster 5 befestigt. Zur Erzeugung einer Röntgenaufnahme eines Aufnahmeobjekts O wird das Aufnahmeobjekt O im Strahlengang zwischen der Tiefenblende 3 und dem Streustrahlenraster 5 positioniert.

Über Steuerleitungen, Datenleitungen und/oder Versorgungsleitungen sind der Röntgenstrahler 2, die Tiefenblende 3 und der digitale Detektor 4 jeweils mit einem Steuergerät 8 verbunden, welches einen Röntgenspannungsgenerator und eine Systemsteuerung 13 beinhaltet, über welche die einzelnen Komponenten 2, 3, 4 angesteuert werden. Bestandteile der Systemsteuerung 13 sind eine Positionsberechnungseinheit 14, um die Positionen der einzelnen Blendenelemente 3a, 3b der Tiefenblende 3 zu berechnen, und eine Blendensteuerung 15, welche die einzelnen Blendenelemente 3a, 3b bzw. den Blendenelementen 3a, 3b zugeordnete Aktuatoren, wie beispielsweise Schrittmotoren, zur Verstellung der Blendenelemente 3a, 3b ansteuert.

An die Systemsteuerung 13 ist außerdem ein Bildrechner 9 angeschlossen, in welchem u. a. eine Bildanalyse-Einrichtung 16 implementiert ist. Der Bildrechner 9 ist über eine Datenleitung mit dem digitalen Detektor 4 verbunden, um die dort erzeugten Daten auszulesen und die gewünschten Röntgenbilder zu erzeugen. Diese Röntgenbilder können dann beispielsweise auf einem angeschlossenen Kontrollmonitor 10 angezeigt werden. Eine Bedienung des Bildrechners 9 und des Steuergeräts 8, insbesondere der Systemsteuerung 13, ist mit Hilfe des Kontrollmonitors 10 sowie geeigneter Benutzerschnittstellen, hier eine Maus 11 und eine Tastatur 12, möglich.

Neben den dargestellten Komponenten kann das Röntgensystem 1 auch noch weitere üblicherweise in oder an solchen Röntgensystemen vorhandene Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Schnittstelle zum Anschluss an ein Computernetzwerk, insbesondere ein radiologisches Informationssystem (RIS) und/oder ein Bildarchivierungs- und -kommunikationssystem (PACS). Derartige weitere Komponenten sind aber der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Ein Verfahren, wie bei einem Röntgensystem 1 gemäß 1 die Blende 3 erfindungsgemäß richtig eingestellt werden kann, wird im Folgenden anhand der 2 und 3 erläutert.

Zunächst wird unmittelbar vor der eigentlichen Röntgenaufnahme von der Systemsteuerung 13 veranlasst, dass mittels des Detektors 4 bei weit geöffneter Tiefenblende 3 mit einer sehr geringen Dosis, beispielsweise einem Hunderstel der für die eigentlichen Röntgenaufnahme vorgesehenen Dosis, vorab eine Objektlokalisierungsaufnahme OA aufgenommen wird. Die Aufnahme dieses „Preshot" erfolgt ca. eine Sekunde oder kürzer vor der eigentlichen Röntgenaufnahme. Der digitale Detektor 4 wird in dieser Zeit ausgelesen und die Daten an den Bildrechner 9 übersendet, wo die Daten in einer Bildanalyse-Einrichtung 16 bearbeitet werden. Dabei wird zunächst eine Direktstrahlungserkennung durchgeführt, welche die Orte der Direktstrahlung, auf denen die Röntgenstrahlung unabgeschwächt auf den Detektor 4 fällt, von den Punkten des Objektbereichs trennt. Resultat der Berechnung ist eine binäre Darstellung der Objektlokalisierungsaufnahme, in der die Bildpunkte des Objektbereichs mit 1 und die Bildpunkte des Direktstrahlungsbereichs mit 0 codiert sind. Eine solche binäre Objektlokalisierungsaufnahme OA ist in der linken Hälfte von 2 schematisch dargestellt. Der Direktstrahlungsbereich DB und der Objektbereich OB sind in einer solchen binären Darstellung deutlich voneinander getrennt, so dass insbesondere die Konturen K des Untersuchungsobjekts O gut erkennbar sind. Wie aus 3 zu ersehen ist, handelt es sich bei der Objektlokalisierungsaufnahme OA um eine von der Röntgenquelle 2 aus auf die Detektorebene DE abgebildete Projektion P des Untersuchungsobjekts O.

Für die weiteren Berechnungen werden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Einfachheit halber folgende Annahmen gemacht:

  • a) Sämtliche Berechnungen finden in einem Koordinationssystem statt, dessen Ursprung S im Brennpunkt der Röntgenquelle 2 liegt.
  • b) Die Blendenebene BE, in welcher die einzelnen Blendenelemente 3a, 3b zum Schließen der Blende 3 aufeinander zu verfahrbar sind, sowie die Detektorebene DE liegen exakt rechtwinklig zur Haupt-Röntgenstrahlrichtung R, d. h. zu der direkten Verbindungslinie zwischen der Röntgenquelle 2 und dem Detektor 4. Diese Richtung wird im Folgenden als z-Achse des Koordinatensystems angesehen.
  • c) Die anderen beiden Koordinatenachsen x und y liegen demgemäß senkrecht zu dieser z-Achse und sind so orientiert, dass sie entsprechend der Zeilen und Spalten der aktiven Matrix des digitalen Detektors 4 aufgebaut sind.
  • d) Die Blende 3 besteht aus vier einzelnen Blendenelementen (3a, 3b, 3c, 3d), welche von rechts, von links, von unten und von oben aufeinander zu bewegt werden können, wobei diese Verschieberichtungen entlang der Koordinatenachsen x und y verlaufen. (siehe 2)

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Annahmen die Berechnungen erheblich vereinfachen, aber nicht zwingend notwendig sind. Sofern andere Formen von Blenden oder andere geometrische Anordnungen wie z. B. eine schräge Einstrahlung der Röntgenstrahlung bzw. eine Verdrehung der Röntgenquelle und/oder der Detektorebene und/oder der Blendenebene vorgesehen sind, müssen entsprechend mehr Positionsdaten berücksichtigt und in die Berechnung einbezogen werden. Ggf. kann in solchen Fällen auch die Wahl eines anderen Koordinationssystems sinnvoll sein.

Mit Hilfe der Objektlokalisierungsaufnahme OA werden zunächst die Objektbegrenzungen bestimmt, um festzulegen, wie weit die einzelnen Blendenelemente 3a, 3b, 3c, 3d jeweils in Richtung des Aufnahmeobjekts O verfahren, d. h. zusammengefahren werden können, ohne dass das Aufnahmeobjekt O in der Projektion P überdeckt wird. Dies hängt unter anderem von der geometrischen Anordnung und Form der einzelnen Blendenelemente 3a, 3b, 3c, 3d ab.

In der Regel ist es sinnvoll, zunächst die Punkte Pa, Pb, Pc, Pd auf der Kontur K des Aufnahmeobjekts O festzulegen, welche in der Objektlokalisierungsaufnahme OA einen äußersten Punkt der Kontur K in Richtung des jeweiligen Blendenelements 3a, 3b, 3c, 3d bilden. D. h. im vorliegenden Fall werden der am weitesten rechts liegende Punkt Pa, der am weitesten links liegende Punkt Pb, der oberste Punkt Pc und der unterste Punkt Pd der Kontur K gesucht. Sofern die einzelnen Blendenelemente 3a, 3b, 3c, 3d soweit zusammengefahren werden, dass sie jeweils – in der Projektion P betrachtet – diese Punkte Pa, Pb, Pc, Pd berühren, ist der Direktstrahlungsbereich DB soweit wie möglich ausgeblendet, ohne dass durch die Blende 3 das Objekt O selber abgedeckt wird (siehe 2, rechte Seite). Bei der gewählten geometrischen Anordnung sind die Koordinaten dieser Punkte Pa, Pb, Pc, Pd relativ einfach zu ermitteln, insbesondere wenn die Objektlokalisierungsaufnahme OA bereits in die binäre Darstellung umgewandelt wurde, in der der Objektbereich mit 1 und der Direktstrahlungsbereich mit 0 codiert ist. Hierzu sind lediglich die mit 1 codierten Bildpixel zu suchen, deren „Koordinaten" in der Bildmatrix den größten und den kleinsten x-Wert bzw. den größten und den kleinsten y-Wert aufweisen. Dies ist rechentechnisch außerordentlich schnell und einfach durchführbar.

Es ist dann nur noch erforderlich, diese in der Projektion P in der Detektorebene DE gefundenen „Grenzkoordinaten", bis zu denen ohne Überdeckung des Objekts O eine Verstellung der Blendenelemente 3a, 3b, 3c, 3d nach innen möglich ist, auf die Blendenebene BE zurückzurechnen. Dies ist in 3 anhand der Blendenelemente 3a, 3b demonstriert. Da die beiden Blendenelemente 3a, 3b bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich in Richtung der x-Koordinate nach innen bzw. außen verfahrbar angeordnet sind, ist dementsprechend innerhalb der Detektorebene DE bzw. der Blendenebene BE lediglich die x-Koordinate wesentlich. Weitere wesentliche Koordinaten sind außerdem der ohnehin vorab feststehende Abstand zD der der Detektorebene DE sowie der Abstand zB der Blende 3 vom Ursprung S des Koordinatensystems, d. h. vom Brennpunkt der Röntgenquelle 2.

Mit Hilfe einer einfachen Strahlensatzberechnung lässt sich dann die Koordinate x3a der „Grenzposition", bis an die die Innenkante des Blendenelements 3a – ohne das Objekt O abzudecken – nach innen verfahren werden kann, aus der x-Koordinate xPa des gefundenen Grenzpunktes Pa auf der Kontur K des auf die Detektorebene DE projizierten Aufnahmeobjekts O gemäß der Formel

berechnen. In gleicher Weise erhält man die Koordinate x3b der „Grenzposition" für das gegenüberliegende Blendenelement 3b aus der Koordinate xPb des Punktes Pb in der Objektlokalisierungsaufnahme OA. Ebenso kann eine Berechnung für das obere und untere Blendenelement 3c, 3d erfolgen, wobei hierbei jeweils die y-Koordinaten verwendet werden.

Nachdem die Koordinaten x3a, x3b (bzw. y3c, y3a) der Grenzpositionen berechnet worden sind, werden diese an die Blendensteuerung 15 übermittelt, welche die motorischen Antriebe (nicht dargestellt) der einzelnen Blendenelemente 3a, 3b, 3c, 3d so ansteuert, dass die Blendenelemente 3a, 3b, 3c, 3d soweit aufeinander zu verfahren werden, bis die Innenkanten der Blendenelemente 3a, 3b, 3c, 3d direkt an die berechneten Grenzkoordinaten x3a, x3b, y3c, y3d gelangen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Einstellung so erfolgt, dass die Innenkanten in einem vorgegebenen kleinen Abstand außerhalb der berechneten Grenzkoordinaten liegen.

Sofern die Detektorebene DE und/oder die Blendenebene BE schräg zur Hauptröntgenstrahlrichtung R, d. h. schräg zur z-Achse, angeordnet sind, sind die Berechnungen etwas komplizierter. Es müssen dann jeweils auch die z-Koordinaten z3a, z3b, zPa, zPb berücksichtigt werden. Dabei ergeben sich z. B. die Koordinaten xB1, yB1 eines beliebigen Punktes in der Blendenebene BE aus den Koordinaten xD1, yD1 des entsprechenden Punktes in der Detektorebene DE, d. h. in der Objektlokalisierungsaufnahme OA, gemäß den Formeln:

wobei zB1 und zD1 die z-Koordinaten der betreffenden Punkte sind.

4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Tiefenblende 3', welche aus insgesamt 8 verschiedenen Blendenelementen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h besteht. Vier dieser Blendenelemente 3a, 3b, 3c, 3d sind wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 von rechts, links, oben und unten auf das Objekt zu verfahrbar. Darüber hinaus weist die Tiefenblende 3' noch vier weitere um 45° versetzte Blendenelemente 3e, 3f, 3g, 3h auf, welche entsprechend unter 45°-Winkeln auf den Blendenmittelpunkt zu verfahrbar sind. Wie aus 4 deutlich zu ersehen ist, ist mit einer solchen, aus mehreren Blendenelementen bestehenden Blende 3' eine erheblich bessere Anpassung an die Kontur K des Aufnahmeobjekts O möglich.

Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, ist mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf sehr einfache Weise eine sehr schnelle und relativ genaue Anpassung der Blende 3, 3' an das Untersuchungsobjekt O möglich, so dass eine anschließende Röntgenaufnahme unter optimalen Bedingungen erzeugt wird. Mögliche Bildartefakte aufgrund von Tiefenstrahlung werden reduziert bzw. weitgehend vermieden. Eine händische Einstellung der optimalen Blendenposition ist überflüssig. Es ist hierfür außerdem keine aufwändige spezielle Konstruktion des Detektors oder einer zusätzlichen Detektorauswerteschaltung notwendig.

Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den in den Figuren dargestellten Konstruktionen und geometrischen Anordnungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt. So sind in einem weiten Umfang beliebige Variationen dieser Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Obwohl die Erfindung überwiegend am Beispiel von Röntgensystemen im medizinischen Bereich beschrieben wurde, sind die Einsatzmöglichkeiten der Erfindung nicht auf diesen Bereich beschränkt, sondern die Erfindung kann ebenso auch in wissenschaftlichen und/oder industriell genutzten Röntgensystemen verwendet werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur automatischen Einstellung einer aus mehreren verstellbaren Blendenelementen (3a, 3b, ..., 3h) bestehenden Blende (3, 3') für eine nachfolgende Röntgenaufnahme eines Untersuchungsobjekts (O),

bei dem die einzelnen Blendenelemente (3a, 3b, ..., 3h) jeweils so positioniert werden, dass sie – in einer in einer Detektorebene liegenden Projektion (P) betrachtet – die Konturen (K) des Aufnahmeobjekts (O) berühren oder in einem kleinen Abstand dazu angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

dass zunächst eine Objektlokalisierungsaufnahme (OA) mit niedriger Dosis bei geöffneter Blende (3, 3') erzeugt wird, diese Objektlokalisierungsaufnahme (OA) zur Ermittlung von Konturen (K) des Aufnahmeobjekts (O) analysiert wird, unter Nutzung der ermittelten Konturen (K) die Positionen (x3a, x3b) der Blendenelemente (3a, 3b, ..., 3h) berechnet werden

und dann die Blendenelemente (3a, 3b, ..., 3h) in die berechneten Positionen (x3a, x3b) verfahren werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Objektlokalisierungsaufnahme (OA) jeweils gruppenweise mehrere benachbarte Bildpixel unter Bildung eines gemeinsamen Bildpunkts zusammengefasst werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektlokalisierungsaufnahme (OA) pixelweise auf die nachfolgende Röntgenaufnahme addiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektlokalisierungsaufnahme (OA) bei der Analyse zunächst mittels eines Direktstrahlungserkennungsverfahrens in eine Darstellung umgesetzt wird, indem ein Direktstrahlungsbereich (DB) mit einem bestimmten Wert und ein Objektbereich (OB) mit einem anderen Wert dargestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Blendenelemente (3a, 3b) jeweils unter Verwendung folgender Positionsdaten berechnet werden:

– Koordinaten (xPa, xPb) von wenigstens einem Punkt (Pa, Pb) auf der Kontur (K) des Aufnahmeobjekts (O) in der Objektlokalisierungsaufnahme (OA)

– eine Position (zD) einer Detektorebene (DE) bezüglich einer Haupt-Röntgenstrahlrichtung (R)

– eine Position (zB) einer Blendenebene (BE) bezüglich einer Haupt-Röntgenstrahlrichtung(R).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Position eines Blendenelements (3a, 3b) jeweils die Koordinaten (xPa, xPb) eines solchen Punkts (Pa, Pb) auf der Kontur (K) des Aufnahmeobjekts (O) genutzt werden, welche in der in der Detektorebene (DE) liegenden Projektion (P) betrachtet einen äußersten Punkt (Pa, Pb) der Kontur (K) in Richtung des Blendenelements (3a, 3b) bilden. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (4) eine Detektorfläche mit matrixförmig angeordneten Detektorelementen aufweist und die Detektorfläche senkrecht zur Haupt-Röntgenstrahlrichtung (R) angeordnet ist, und dass die Koordinaten (xPa, xPb) eines Punkts (Pa, Pb) der Kontur (K) des Aufnahmeobjekts (O) und die Positionen der Detektorebene (DE) und der Blendenebene (BE) bezüglich der Haupt-Röntgenstrahlrichtung (R) bezüglich eines Koordinatensystems ermittelt werden, dessen Ursprung (S) in einem Brennpunkt der Röntgenquelle (2) liegt, und dessen Koordinatenachsen zum einen in der Haupt-Röntgenstrahlrichtung (R) und zum anderen parallel zu den Zeilen und Spalten der matrixförmig aufgebauten Detektorfläche verlaufen. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Koordinaten (xPa, xPb) einer in einer Schließrichtung liegenden Grenzpositionen eines Blendenelements (3a, 3b), welche innerhalb einer senkrecht zur Haupt-Röntgenstrahlrichtung (R) liegenden Blendenebene (BE) angeordnet sind,

jeweils die Koordinaten (xPa, xPb) eines Punkts der Kontur (K) des Aufnahmeobjekts ermittelt werden, an welchem das betreffende Blendenelement (3a, 3b) – in der in der Detektorebene (DE) liegenden Projektion (P) betrachtet – die Kontur (K) des Aufnahmeobjekts (O) bei einem Verstellen in Schließrichtung zuerst berühren würde,

und diese Koordinaten (xPa, xPb) jeweils mit dem Quotienten aus der Koordinate (zB) der Position der Blendenebene (BE) und der Koordinate (zD) der Position der Detektorebene (DE) multipliziert werden.
Röntgensystem (1) mit

– einer Röntgenquelle (2),

– einem Röntgendetektor (4),

– einer in einem Röntgenstrahlengang zwischen der Röntgenquelle (2) und dem Röntgendetektor (4) angeordneten Blende (3) mit einer Mehrzahl von automatisch verstellbaren Blendenelementen (3a, 3b, ..., 3h)

– und einer Blenden-Steuereinrichtung (15) um die einzelnen Blendenelemente (3a, 3b, ..., 3h) jeweils so zu positionieren, dass sie in einer in einer Detektorebene (DE) liegenden Projektion (P) betrachtet die Konturen (K) des Aufnahmeobjekts (O) berühren oder in einem kleinen Abstand dazu angeordnet sind,

gekennzeichnet durch

– eine Röntgensystemsteuerung (13), welche so ausgebildet ist, dass vor einer Röntgenaufnahme zunächst eine Objektlokalisierungsaufnahme (OA) mit niedriger Dosis bei geöffneter Blende (3) erzeugt wird,

– eine Bild-Analyseeinrichtung (16), welche die Objektlokalisierungsaufnahme (OA) zur Ermittlung von Konturen (K) des Aufnahmeobjekts (O) analysiert,

– und eine Positionsberechnungseinheit (14), welche unter Nutzung der ermittelten Konturen (K) die Positionen der Blendenelemente (3a, 3b, ..., 3h) berechnet und an die Blenden-Steuereinrichtung (15) zur Positionierung der Blendenelemente (3a, 3b, ..., 3h) übermittelt.
Röntgensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenelemente (3a, 3b, ..., 3h) unter verschiedenen Winkeln radial in Richtung eines Blendemittelpunkts hin und zurück verfahrbar sind. Röntgensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenelemente (3a, 3b, ..., 3h) jeweils senkrecht zur Verfahrrichtung verlaufende, zum Blendenmittelpunkt weisende Innenkanten aufweisen.






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