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Der
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Zweienergien-Röntgenverfahren
sowie eine Kalibriervorrichtung für dieses Verfahren.
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Das
Zweienergien-Röntgenverfahren
besteht darin, ein Objekt oder einen Patienten einer Strahlung mit
zwei unterschiedlichen Energien auszusetzen, welche die Dämpfungseigenschaften
der Stoffe, aus denen das Objekt oder der Patient besteht, nicht
auf dieselbe Weise verändern.
Mit Hilfe eines Modells ihrer Dämpfungsfunktionen
erhält
man dann Informationen über
die Dichte und die Art der durchquerten Materialien. Insbesondere
im Falle der Knochendichtemessung kann die durchquerte Knochenmasse
berechnet werden, indem man sie von dem Beitrag der Weichgewebe
zur Strahlungsdämpfung
differenziert.
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In
der Folge wird die theoretische Begründung der Methode kurz erläutert. Ausgehend
von einem anfänglichen
Strahlungsfluss ϕ
0 beträgt der Fluss ϕ nach
der Durchquerung einer Länge
l eines Materials mit einem linearen Dämpfungskoeffizienten μ: ϕ = ϕ
0e
-μl. Mit m bezeichnet man
die Dämpfungsmessung,
gleich In
wo l
0 und
l die durch einen selben Detektor unter den Flüssen ϕ
0 und ϕ gemessenen
Signale sind. Im Falle eines komplexen Objekts, zusammengesetzt
aus einer Vielzahl von Materialien (des Index i) trägt jedes
zur Dämpfung
gemäß seiner
von den Strahlen durchquerten Länge
L
i bei.
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Nun
kann jedes Material bezüglich
der Dämpfungseigenschaft
wie eine lineare Kombination von zwei Basismaterialien entsprechend
folgender Formel ausgedrückt
werden:
μ =
k1μ1 + k2μ2,wo
k
1 und k
2 konstante
Koeffizienten und μ
1 und μ
2 die Dämpfungen
dieser Basismaterialien sind, und man die Äquivalenzlängen A
1 und
A
2 der von der Strahlung durchquerten Basismaterialien
folgendermaßen
ausdrücken
kann:
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Mittels
dieser Äquivalenzlängen können die
Basismaterialien ein Objekt auch dann darstellen, wenn seine Zusammensetzung
in Wirklichkeit sehr viel komplexer ist. Auch wenn die das Objekt
bildenden Materialien sich von den Basismaterialien unterscheiden,
hat die Zerlegung einen Sinn. Im Falle der Untersuchung eines Lebewesens
sind die klassischen Basismaterialien das Plexiglas (Polymethylmethacrylat),
um die Weichgewebe zu simulieren, und das Hydroxyapatit, um die
Knochengewebe zu simulieren.
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Das
Gleichungssystem, das die Messungen mit den Dämpfungen μ
j und
den Aquivalenzlängen
A
j der Basismaterialien verknüpft, ist
linear und folglich leicht zu lösen,
wenn die Strahlung monochromatisch ist; aber sie ist es in realen
Situationen nicht und die Äquivalenzlängen werden
dann durch kompliziertere mathematische Modelle wie etwa das folgende
geliefert:
das generell
eine ausreichende Genauigkeit gewährleistet und in dem mBE und
mHE die Dämpfungsmessungen
mit hoher und niedriger Energie bezeichnen, und "a" und "b" Koeffizienten sind, die man im Voraus
durch eine Kalibrierung berechnen muss.
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Diese
Kalibrierung erfolgt mittels einer Vorrichtung, oft "Phantom" genannt, die aus
den oben erwähnten
Materialien zusammengesetzt ist und die so gewählt werden, dass sie das zu
messende Objekt bestmöglich
simulieren. Diese Materialien sind in dem Phantom unterschiedlich
verteilt und repräsentieren
von der Strahlung durchquerte Bereiche oder Längen.
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Ein
klassisches Phantom ist für
jedes der Messmaterialien in Form einer Treppe aufgebaut, und die Treppen
sind so übereinander
angeordnet, dass ihre Stufen senkrecht sind. Indem man die Treppen
von senkrechten Strahlen durchqueren lässt, erhält man alle wünschenswerten
Kombinationen zwischen den verschiedenen Dicken der beiden Materialien.
Das Dokument
US-A-5
095 499 beschreibt ein in der Mammographie benutztes Phantom.
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Ein
anderes Phantom wird in dem
US-Patent
5 493 601 vorgeschlagen. Es umfasst eine Serie in Richtung
Strahlungsquelle konvergierender Röhren mit ungleich verteilten
Höhen der
beiden Materialien. Es hat den Zweck, genauere Messungen als das
Vorhergehende zu liefern, insbesondere dank der Konvergenz der Röhren in
Richtung Quelle, so dass die von den Strahlen in den Rohren durchlaufenen
Längen
perfekt mit der Gesamthöhe
von diesen übereinstimmen,
und auch den, die Streustrahlung durch den Inhalt der Röhren zu reduzieren.
Die Messungen drücken
also die Dämpfung
der das Phantom durchquerenden Strahlung direkt aus und ermöglichen,
problemlos die gesuchten Koeffizienten zu berechnen.
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Dies
trifft jedoch nicht auf die durch das zu röntgende Objekt hindurch realisierten
Messungen zu, bei denen die oben dargestellten günstigen Bedingungen nicht vereinigt
werden können
und die Streustrahlung nicht vernachlässigt werden darf; sie ist
sogar besonders groß bei
Quellen mit konischem Strahlungsbündel, oft größer als
die Primärstrahlung,
die einen geraden Weg von der Quelle zum Detektor durchläuft, und
nur sie ist für
die Messung nützlich.
Die Schätzung
und dann Korrektur dieser Streustrahlung erfordert spezifische Verarbeitungen.
So ist es zum Beispiel unter anderem möglich, sie separat zu messen
und sie dann von der durch den Detektor empfangenen Gesamtstrahlung
zu subtrahieren. Dazu benutzt man ein Gitter aus rasterförmig angeordneten
absorbierenden Elementen wie etwa Bleikugeln. Die Kugeln werden
gleichmäßig verteilt
auf Plexiglas geklebt entsprechend regelmäßigen Zeilen und Spalten, um
die Interpolation zwischen den Kugeln, zwischen dem Radiographieobjekt
und dem Pixelraster des Detektors zu ermöglichen. Die Strahlen, die
diese Kugeln durchquerend müssten,
werden total abgefangen, so dass nur die Streustrahlung die Pixel
des Detektors erreicht. Anschließend ermöglichen numerische bzw. digitale
Interpolationen, mit einer ausreichenden Genauigkeit die Verteilung
der Streustrahlung über
die Gesamtheit der Pixel des Detektors zu schätzen. Dieses einfache Verfahren
hat leider den Nachteil, dass man das Objekt einer zweiten Bestrahlung
aussetzen muss, was für
Lebewesen nachteilig ist.
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Man
kann die Streustrahlung auch daran hindern, die Detektoren zu erreichen,
indem man sie mit einer strikten Kollimation versieht, die sie abfängt. Die
Verfahren, die auf diese Technik zurückgreifen, erfordern eine Abtastung
der Quelle, was eine lange Erfassungszeit und das Risiko impliziert,
dass das Objekt sich im Verlauf der Messung bewegt.
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Es
sind auch numerische bzw. digitale Methoden unterschiedlicher Art
vorgeschlagen worden, um den Einfluss der Streustrahlung zu korrigieren,
aber sie eignen sich generell nur für spezielle Objekte. Dies legt
den Schluss nahe, dass das weiter oben zitierte Patent keinen wesentlichen
Fortschritt vorzuschlagen scheint, da die Streustrahlung nur für den Kalibrierschritt
von den Messungen ferngehalten wird.
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Der
Gegenstand der Erfindung besteht darin, den Einfluss der Streustrahlung
auf andere Weise zu korrigieren, indem man sie auch bei der Kalibrierung
zulässt,
aber auf analoge Weise wie bei der Röntgenuntersuchung des Objekts,
was ermöglicht,
sie durch ein selbes numerisches bzw. digitales Verfahren zu korrigieren,
ohne bei der Qualität
dieses Verfahrens Diskordanzen befürchten zu müssen.
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Resümierend
ist festzustellen, dass die Erfindung vor allem betrifft:
eine
Kalibriervorrichtung eines Zweienergien-Röntgensystems, das einen Satz
Blöcke
unterschiedlicher Dicke aus einem ersten Material umfasst und dadurch
gekennzeichnet ist, dass die Blöcke
mit Aussparungen versehen sind, und dass die Vorrichtung außerdem Inserts
umfasst, welche die Aussparungen füllen, wobei die genannten Inserts
unterschiedliche Höhenverteilungen
zwischen einem ersten Material und einem zweiten Material aufweisen
und dabei die Höhen
der Inserts und die Dicken der Blöcke zwischen dem ersten Material
und einem zweiten Material in einer Richtung identisch sind;
sowie
ein Röntgenverfahren
mittels konischem Zweienergien-Röntgenstrahl,
eine Schätzung
der Materialdicke eines Röntgenobjekts
durch eine numerische Kombination von Dämpfungsmessungen der Energien
umfassend, die eine Kalibrierung von Koeffizienten der Kombination
mit einschließt
und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kalibrierung gemessen wird
durch eine Röntgenaufnahme
einer Kalibriervorrichtung nach einem der Patentansprüche, und
dass eine die Röntgenaufnahme
der Kalibriervorrichtung beeinflussende Streustrahlung geschätzt wird
und dabei ein Schätzkriterium
liefert, das anschließend
benutzt wird, um eine die Röntgenaufnahme
des Objekts beeinflussende Streustrahlung zu schätzen.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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– Die 1 stellt
ein Flussdiagramm der Erfindung dar; und
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– die 2 und 3 sind
eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Kalibrier-Phantoms, das dazu dient,
die weiter oben erläuterten
Anforderungen zu erfüllen.
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Nun
wird Bezug genommen auf die 1. In Schritt
E1 erfolgt eine Kalibrierung mittels einer das weiter oben beschriebene
Phantom durchquerenden Radiographie, was Rohmessungen mit hoher
und niedriger Energie liefert. In Schritt E2 wird eine Vorausverarbeitung
zur Schätzung
und Substraktion der Streustrahlung dieser Messungen durchgeführt, um
die korrigierten Messungen mHe und mBe der vorhergehenden Formeln zu
berechnen. Anschließend
besteht der Schritt E3 darin, die Parameter des Modells, insbesondere
die Koeffizienten der Polgnome a und b, aufgrund der Messungen und
der bekannten Dicken, welche die Strahlung in dem Phantom durchquert,
zu schätzen.
Außerdem
erfolgt in Schritt E4 eine Erfassung durch das Messobjekt hindurch,
und dann in Schritt E5 eine Vorausverarbeitung, die derjenigen des
Schritts 2 ähnlich
ist und ebenfalls dazu dient, die Streustrahlung, die die Messungen
beeinflusst, zu schätzen
und dann zu subtrahieren. Der Endschritt E6 besteht darin, die durch
das Objekt hindurch gemachten korrigierten Messungen auszuwerten und
das Modell anzuwenden, insbesondere die in Schritt E3 berechneten
Koeffizienten a und b, um die Äquivalenzlängen der
Basismaterialien a1 und a2 in dem Objekt abzuleiten.
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Ein
benutztes Phantom-Beispiel ist in den 2 und 3 dargestellt.
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Es
umfasst einige Blöcke
mit unterschiedlichen Dicken aus einem der Basismaterialien, insbesondere Plexiglas.
Man könnte
einen Satz getrennter Blöcke
verwenden, durch die hindurch sukzessive die Messungen gemacht würden. Aber
man kann die Blöcke
auch vereinigen, indem man einen Festkörper mit Treppenprofil 1 bildet,
der verschiedene Schichten umfasst, hier vier an der Zahl und von
unten nach oben mit 2 bis 5 nummeriert, wobei
die Schichten generell mit Flächen 6 enden,
die schräg
sind, um die Hochfrequenzkomponenten der Streustrahlung zu reduzieren.
Zudem sind unter den verschiedenen Blöcken Reihen von Inserts vorgesehen,
die hier in der unteren Schicht 2 vorgesehene Aussparungen
ausfüllen.
Noch genauer sind es vier Reihen 8 bis 11 mit
jeweils zwei Inserts jeweils unter der Oberseite der unteren Schicht 2,
unter der zweiten Schicht 3, unter den Schichten 3 und 4 und
unter den drei oberen Schichten 3 bis 5. Die Inserts 7 umfassen
generell einen Teil aus Hydroxyapatit 12 und einen Teil
aus Plexiglas 13. Die Teile 12 und 13 haben
eine selbe Gesamthöhe aber
jeweils unterschiedliche Höhen
in jeder der Reihen 8 bis 11, so dass die jedes
der Inserts 7 durchquerenden, von der Quelle 14 stammenden
Strahlen unterschiedliche Dickenkombinationen der beiden Materialien durchqueren.
Zudem wird eine Streustrahlung erzeugt, die analog ist zu der, die
in einem lebenden Organismus erzeugt wird. Diese Ähnlichkeit
ist dem Aufbau des Phantoms 1 geschuldet, da die Materialien,
die es bilden, außer
der Tatsache, dass sie die Weichgewebe und die Knochen gut simulieren,
analoge Proportionen und Verteilungen haben. Insbesondere sind die
Inserts 7 genügend
weit auseinander, so dass sie keine von benachbarten Inserts stammende
Streustrahlung erhalten, sondern nur von dem Basismaterial der Schichten 2 bis 5.
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Abschließend wird
nun ein Streustrahlungs-Schätzverfahren
beschrieben, das für
die Schritte E2 und E5 benutzt werden kann. Dieses Verfahren ist
jedoch Teil einer anderen Erfindung und dient hier nur der Vervollständigung
der Beschreibung und dem Beweis der Vorteilhaftigkeit des Phantoms 1.
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In
Schritt E2 wird eine Strahlung ähnlich
der für
das Objekt bestimmten und des Flusses ϕ0 auf
das Phantom 1 projiziert, und von den Detektoren, die sich
hinter dem Phantom 1 befinden und folglich die Dämpfung der
es durchquerenden Anfangsstrahlung ϕ0 messen,
wird eine Gesamtstrahlung ϕt, Summe
aus einer Primärstrahlung ϕ und
einer Streustrahlung ϕd, aufgefangen.
Insbesondere erhält
man Messungen von einer Strahlung, die jedes der Inserts 7 durchquert
hat, sowohl für
die hohe als auch für
die niedrige Energie.
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Dieselben
Messungen werden wiederholt, nachdem zwischen der Quelle und dem
Phantom Absorptionselemente, zum Beispiel Bleikugeln angebracht
worden sind, um die Primärstrahlung
abzufangen, so dass die Detektoren hinter den Bleikugeln nur die
Streustrahlung messen. Daraus leitet man durch Interpolation für jede der
Energien den Wert der Streustrahlung ϕd in
Abhängigkeit
von den durchquerten Höhen
der beiden Basismaterialien ab.
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Die
Erfassung der Messungen durch das Objekt hindurch liefert auch zwei
Sätze von
Werten der Gesamtstrahlung ϕt mit
hoher und niedriger Energie. Man kann die das Objekt durchquerende
Strahlung ϕd gemäß den Messungen
hinter den Bleikugeln – nach
Durchquerung des Phantoms 1 – und die Relation zwischen ϕt, ϕd und ϕ – durch
dieses erhalten für
die beiden Energien – schätzen, indem
man annimmt, dass dieselbe Relation durch das Objekt hindurch angewendet
wird.
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Obgleich
die Erfindung sich auf konische Strahlenbündel bezieht, ist ihre Anwendung
nicht auf diese beschränkt;
es ist denkbar, die Schätz-
und Korrekturschritte der Streustrahlung in Situationen wegzulassen, wo
sie weniger stark ist, da sie sich auf die Messungen durch das Phantom 1 und
durch das Objekt hindurch dank ihrer strukturellen Ähnlichkeit
gleich bzw. ähnlich
auswirkt, so dass ihr Einfluss auf die Berechnung der Äquivalenzlängen A1 und A2 schwindet.
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IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE
REFERENZEN
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Diese
Liste von durch den Anmelder genannten Referenzen dient nur dazu,
dem Leser zu helfen und ist nicht Teil der europäischen Patentschrift. Obwohl
sie mit einem Höchstmaß an Sorgfalt
erstellt worden ist, können
Fehler oder Weglassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA
lehnt in dieser Hinsicht jede Verantwortung ab.
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In der Beschreibung genannte
Patentschriften
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