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Beschreibung Strahlendiagllostisches Verfahren und Vorrichtung zur
Untersuchung von Körperstrukturen, insbesondere zur technischen #robstrukturuntersuchung
und zur medizinischen Strahlendiagnostik, unter Verwendung von Röntgen- und/oder
Gamma-Streustrahlung.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Vorrichtung zur strahlendiagnostischen
Untersuchung von Körperstrukturen. Als wichtiges Anwendungsgebiet kommt besonders
die technische Grobstrukturuntersuchung im Rahmen der zerstörungsfreien Materialprüfung
und vor allem die medizinische Strahlendiagnostik in Frage. Die Erfindung wird in
Kapitel I an dem konkreten Beispiel der medizinischen Strahlendiagnostik beschrieben.
Die Überlegungen im Rahmen der medizinischen Strahlendiagnostik sind ohne weiteres
übertjagbar auf die strahlendiagnostischen Untersuchungen beliebiger anderer Körper.
Im Kapitel II wird auf die Anwendung der Erfindung auf die technische Grobstrukturuntersuchung
eingegangen.
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Kapitel I Die zur Zeit gängige strahlendiagnostische Methode ist (a)
die Röntgendurchleuchtung ( bzw. Röntgenaufnahme ), die als Schattenprojektion der
durchstrahlten Körperteile des Patienten bezeichnet werden kann ( Siehe Fig 2 )O
Als näherungs#eise punktförmige Strahlenquelle wird der Brennfleok der Antikathode
verwendet, der das Projektionszentrum der bei der Röntgendurchleuchtung stattfindenden
Zentralprojektion darstellt.
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Der wesentliche Gesichtspunkt bei der herkömmlichen Röntgendurchleuchtung
ist der, daß die Intensität des auf den Körper des Patienten einfallenden Röntgenstrahls
beim geradlinigen Durchgang durch die Körperstrukturen durch Absorption und Streuung
geschwächt wird und die Intensitätsabnahme des Primärstrahles nach Austritt aus
dem Körper eine Schattenprojektion der durchstrahlten Körperstrukturen liefert,
wobei die auf einer geraden Linie zwischen Brennfleck und Röntgenbild liegenden
Strukturen in Superposition zu liegen kommen. Es wird also bei diesem strahlendiagnostischen
Verfahren die Intensitätsschwächung des Primärstrahles zur Abbildung der zu untersuchenden
Körperstrukturen verwendet0 ( Siehe dazu Handbuch der Medizinischen Radiologie,
Band III Allgemeine Röntgendiagnos tische Methodik, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Nes-York 1967, i. Das Röntgenbild 1. Geometrie des Röntgenbildes S. 1-8
3.
Röntgendiagnostische Darstellungsmethoden I. Röntgendurchleuchtung S. 60 - 81 II.
Röntgenaufnshmetechnik S. 83 - 102 ) Um die röntgenologische Darstellung einer bestimmten
Körpersohicht ohne störende Superposition durch über oder unter der abzubildenden
Schicht liegende Körperstrukturen durchzuführen, wurde im weiteren das (b) Schichtaufnahmeverfahren
entwickelt? Beidem Schichtaufnahmeverfahren werden t.B. durch eine gekoppelte Relativbewegung
der Röntgenstrahlenquelle und des Röntgenbilddetektors ( Röntgenfilm ) während der
Aufnahme nur die Punkte einer bestimmten Schicht des durchstrahlten Objekts standig
an ein und derselben Stelle des Bilddetektors abgebildet; somit wird nur diese Schicht
des durchstrahlten Objekts scharf dargestellt, während die vor oder hinter dieser
Schicht liegenden Strukturen verwischt werden und nicht zur Abbildung kommen, (
Siehe dazu Handbuch der Medizinischen Radiologie, Band III, Springer-Verlag 1967,
Nachtrag B VI Bevorzugte Darstellung einzelner Körperschichten S. 716 - 1022, insbesondere
S. 731-734 ) In jüngster Zeit wurde in England ein neues röntgendiagnostisches Verfahren
entwickelt.)( Siehe dazu British Journal of Radiology 1973, Band 46, 5. 1016 - 1022
t G.N. Hounsfield N Computerized transverse axial scanning ( tomography ) s Part
1. Description of system, S. 1023 - 1047 X J. Ambrose , Computerised transverse
axial scanning ( tomograpby ) s Part 2. Clinical application.
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British Journal of hospital medicine - equipment supplement, 1974,
Band 2, S. 5 - 13 X K.R. Hill , The EMI-scanner: technical aspects, S. 14 - 21 s
J. Ambrose , The EMl-scanner: clinical use. ) Das Prinzip des Verfahrens läßt sich
folgendermaßen beschreiben: 1) Es wird ein primäres Röntgenstrahlenbündel von geringem
Querschnitt, dessen Intensität vor Eintritt und nach Austritt aus dem Körper des
Patienten gemessen wird, schrittweise-parallel verschoben, bis die zu untersuchenden
Strukturen im Körper des Patienten mit Hilfe des so entstandenen Parallelstrahlensystems
überstrichen sind.
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2) Auf dieselbe Weise werden in derselben Ebene weitere Parallelstrahlensysteme
erzeugt und Intensitätsmessungen an ein- und ausfallenden Strahlen durchgeführt,
jedoch mit der Variation, daß die jeweilig erzeugten Parallelstrahlensysteme verschiedene
Winkel zueinander einnehmen.
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1) Siehe dazu Reichspatent (1) auf Seite fj 2) Siehe dazu Offenlegungsschrift
(2) auf Seite 17
Es kann dabei unter stufenweiser Bnderung des Winkels
zwischen dem ersten Parallelstrahlensystem und den folgenden Parallelstrahlensystemen
der gesamte Winkel von 180 Grad durchfahren werden.
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3) Das von den Parallelstrahlensystemen überstrichene Feld wird in
Volumenelemente eingeteilt, die jeweils eine bestimmte Schwächung des sie durchsetztenden
Strahls verursachen. Beim Durchgang der einzelnen Strahlenbündel durch den Körper
des Patienten wirken je nach tage und Richtung des jeweiligen Strahlenbündels die
jeweils durchlaufenen Volumenelemente schwächend auf das Strahlenbündel und addieren
sich in ihrer schwächenden Wirkung längs des durchlaufenen Wegstücks durch den Patienten.
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4) Dieser Sachverhalt läßt sich durch ein System von simultanen Gleichungen
darstellen in dem die Schwächungswerte der einzelnen Volumenelemente als Unbekannte
und die Schwächungswerte der einzelnen vom jeweiligen Strahlenbündel durchlaufenen
Wegstücke im Patienten als Summe der Schwächungswerte der jeweiligen durchlaufenen
Volumenelemente als Bekannte enthalten sind. Diese Bekannten können dadurch bestimmt
werden, daß die Intensität des jeweiligen Strahlenbündels vor Eintritt in den Körper
des Patienten und nach Austritt aus dem Patienten gemessen wird. Die Lösung dieses
Gleichungssystems erfolgt über einen Computer.
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Auf diese Weise können die Strukturen im Bereich des Strahlenrasters
im Rahmen der durch die Volumenelemente gegebenen Matrix dargestellt werden. Die
Darstellung der Strukturen erfolgt im Prinzip auch hier wieder auf der Basis der
Intensitätsschwächung eines die Strukturen durchsetzenden primären Röntgens trahlbündels,
Der Nachteil des Verfahrens (a) besteht darin, daß 1) die auf einer Geraden zwischen
dem Brennfleck der Röntgenröhre bzw.
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zwischen der punktförmigen Strahlenquelle und dem Bildpunkt liegenden
Strukturen durch die Zentralprojektion sämtlich in Superposition abgebildet werden.
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2) Der wesentliche Nachteil des Verfahrens (a) besteht vor allem jedoch
darin, daß der Kontrast, den ein bestimmter Bereich im Innern des Körpers gegenüber
dem umgebenden Gewebe bei seiner Durchstrahlung erzeugt, dadurch eingeschränkt wird,
daß die Schwächung der diesen Bereich durchsetzenden Strahlung überlagert wird durch
die längs des gesamten Wegs durch den Patienten erfolgende Jintensitätsschwächung
dieser Strahlung.
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Ein Beispiel für diese Überle### bietet F1CO2 D bn der eille luftgefüllte
Kaverne
6 im umgebenden Lungengewebe 7 des Patienten dargestellt isto ( 5 stellt den Bilddetektor,
z.B. einen Röntgenfilm dar.) Der Thorax 10 des Patienten ist im Querschnitt dargestellt
Die Intensität des Strahls 8 am Bilddetektor sei 1(8), die Intensität des Strahls
9 sei 1(9).
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Der Kontrast läßt sich angeben durch das Verhältnis ( 1(8) - 1(9)
l / ( 1(8) + 1(9) ) # woraus ersichtlich ist, daß der Kontrast bei kleinen Abmessungen
der Kaverne sehr schwach wird.
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( Zur Definition des Kontrasts siehe z.B. Handbuch der Medizinischen
Radiologie, Band I/1 Physikalische Grundlagen und Pr tipien, Springer-Verlag Berlin
Heidelberg New-York 1968, S. 145 und 146 ) Beim Verfahren (b) wird der Nachteil
des Superpositionseffektes, wie er in der Kritik des Verfahrens (a) unter 1) diskutiert
wird, dadurch vermieden, daß die Strukturen außerhalb einer bestimmten, scharf abzug
bildenden Schicht im Körper verwischt dargestellt und unterdrückt werden. Derjenige
wesentliche Nachteil des Verfahrens (a), der in der Kritik des Verfahrens (a) unter
2) beschrieben wird, bleibt auch für das Verfahren (b) gültig. Die Problematik einer
Kontrastarmut bestimmter zu diagnostizierender Strukturen gegenüber ihrer Umgebung
ist auch ein Nachteil des Schichtaufnahmeverfahrens.
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Beim jüngsten Verfahren (c) können die Probleme von Superposition
und Kontrastarmut überwunden werden; dies allerdings auf Kosten zweier Nachteile:
1) Der apparative Aufwand des Verfahrens ist groß und kostspielig und wird auf absehbare
Zeit schwerlich Bestandteil der Routinediagnostik kleinerer Krankenhäuser sein,
wodurch das Verfahren nur einem kleinen Patientenkreis zugute kommen kann. Besonders
bei immer kleiner gewählten Volumenelementen der zu untersuchenden Schicht im Körper
des Patienten, d.h. bei Erzielung eines immer größeren Auflösungsvermögens, ergibt
sich eine derart wachsende Zahl simultan zu lösender Gleichungen, daß ein immer
umfangreicheres Computersystem erforderlich wird.
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2) Der weitaus schwerwiegendere Nachteil des Verfahrens ist jedoch,
daß die Darstellung einer bestimmten zu untersuchenden Schicht im Körper des Patienten
durch das Scanning der vielen einzelnen Parallel# strahlensysteme eine derartige
Zeitspanne benötigt, daß nur ruhende Strukturen untersucht werden können. Momentaufnahmen
von ablaufenden Bewegungsvorgängen im Körper oder deren kontinuierliche Darstellung
wie z.B. die Aufnahme der Magen- oder Darmperistaltik, oder etwa
die
Momentaufnahme einer bestimmten Schlagphase des Herzens oder einer Arbeitsphase
der Speiseröhre beim Schluckakt bwr. die kontinuierliohe Darstellung des Herzschlages
oder Schluckakts sind keinesfalls mit diesem Verfahren zu machen.( Die Zeitspanne
für eine einzige Aufnahme einer Schicht im Schädel beträgt s0BO bei dem im British
Journal of Radiology,1973,Band 46,So 1016-1047 beschriebenen EMC-scanner bei einer
Abmessung der Volumenelemente von 3mm x 3mm x 13mm schon etwa 4 mine) Die Unmöglichkeit
einer Funktionsdiagnostik ist also ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens0 Ein
damit zusammenhängender weiterer Nachteil dieser zeitraubenden Untersuchungsmethode
besteht selbstverständlich darin, daß im Laufe des Tages nur relativ wenige Patienten
mit Hilfe des Gerätes untersucht werden können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues strahlendiagrwstisches
Verfahren zu liefern, bei dem die Nachteile der Verfahren (a), (b) und (c) vermieden
werden können.
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Der wesentliche Gesichtspunkt der Erfindung liegt darin, daß die von
einer Röntgen- bzw. Gammastrahlenquelle bzvs, von einer Korpuskularstrahlungsquelle
für geladene Korpuskeln außerhalb des Körpers des Patienten stammende Primarstrahlung
in der durchstrahlten bswo zu diagnostizierenden Schicht des Körpers des Patienten
eine Streustrahlung in Form von Röntgen- und/oler Gammastrahlung auslöst, die unter
Verwendung eines Kollimators sur Abbildung der streustrahlenden Strukturen dient.
Unter Streustrahlung wird hier und im Folgenden jede Röntgen-und Gammastrahlung
verstanden* die während des Durchgangs des Primär strahlenbündels durch den Patienten
von den vom Primärstrahlenbündel durchstrahlten Bezirken ausgeht und eine andere
Richtung als die Primärstrahlung aufweist.
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1. Verwendung von Röntgen- oder Gammastrahlung als Primärstrahlung
<Bezüglich der Wechselwirkung' der Röntgen- bzw. Gammastrahlung mit Materie siehe
Handbuch der Medizinischen Badiologie, Band I/i, Springer-Verlag 1968, V. Durchgang
von Röntgen- und Gammastrahlung durch Materie, S. 86 - 106~) Bei Verwendung von
Röntgen- und Gammastrahlung als Primärstrahlung kommt als Streustrahlung zunächst
die klassische oder kohärente Streustrahlung und die Compton-Streustrahlung in Frage,
wobei selbstverstündlich die Anteile der kohärenten bzw. Compton-Streustrahlung
gegenüber der gesamten Streustrahlung mit der Energie der Quanten der Primärstrahlung
variierte Ist der Primärstrahl ein Gammastrahl, so ist
nach der
Compton-Streuung der gestreute Strahl immer noch als Gammastrahl anzusprechen. Streustrahlung
ist definitionsgemäß aber auch jede andere Röntgen- oder Gammastrahlung, die beim
Durchgang des Primärstrahis durch den Patienten im vom Primärstrahienbündel durch#
setzten Gewebe erzeugt wird0 Hier sind z03. zu nennen die charakteristische Röntgenstrahlung
die zum Teil den vom Primärstrahl verursachten Photoeffekt begleitet, oder die #Röntgen-Bremsstrahlung
der Elektronen, die beim Compton-Streuakt eine bestimmte Energie übermittelt bekommen
und diese Energie zu einem gewissen Bruchteil in Röntgen-Bremsstrahlung umsetzen.
Als Auslösemechanismus für Streustrahlung ist auch zu nennen z0B. die Elektronenpaarbildung
ab einer bestimmten Mindestenergie des Quants der Prirnärstrahlung, wobei bei der
nachfolgenden Vernichtung des Positrons mit einem Elektron zwei Gammaquanten entstehen.
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2. Verwendung von Korpuskularstrahlung mit geladenen Korpuskeln, insbesondere
Elektronenstrahlung, als Primärstrahlung.
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( Bezüglich der Wechselwirkung der Korpuskularstrahlung mit geladenen
Korpuskeln mit Materie siehe Handbuch der Medizinischen Radiologie, Band I/i, Springer-Verlag
1968, IV. Durchgang von Corpuscularstrahlen durch Materie, 1. Die Bremsung schwerer
geladener Teilchen, S. 69-75, 3. Die Bremsung von Elektronenstrahlen, S. 78-86.)
Bei Verwendung von Korpuskularstrahlung mit geladenen Korpuskeln entsteht eine Röntgenstreustrahlung
vor allem in Form von Bremsstrahlung bei der Geschwindigkeitsänderung der geladenen
Korpuskeln im elektrischen Coulombfeld der Atonkerne der Atome der durchstrahlten
KörperstrukturenO Insbesondere die relativ leichten Elektronen können auf diese
Weise einen mit wachsender Energie wachsenden Anteil an Röntgenbremsstrahlung liefern.
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Darüber hinaus können selbstverständlich auch wieder sekundäre Entstehungsc
mechanismen von Röntgenstreustrahlung wirksam werden, z030 die charakteristische
Röntgenstrahlung, die zum Teil dem vom Primärstrahl verursachten Photoeffekt folgt,
und die vor allem dann bedeutsam werden kann, wenn Kontrastmittel mit Atomen hoher
Ordnungszahl dem Patienten appliziert wurden. Oder auch die Röntgenbremsstrahlung
von Elektronen aus der Elektronenhülle der Atome der durchstrahlten Strukturen9
die von den Korpuskeln der einfallenden Primärstrahlung gestoßen werden und ihre
kinetische Energie teilweise in Bremsstrahlung umsetzen,
Bei der
Erzeugung von Röntgenstreustrahlung mittels eines Primärstrahlenbündels von Korpuskularstrahlung
mit geladenen Korpuskeln, insbesondere mittels Elektronenstrahlung, kann bei entsprechender
Energie der Korpuskeln eine sehr harte und durchdringungsfähige Röntgenbremsstrahlung
induziert werden. Dies ist von Interesse insbesondere bei der technischen Grobstrukturuntersuchung
von stark röntgendichten Materialien wie z.B. Metallen, wo eine Streustrahlung erzeugt
werden muß, die den zu untersuchenden Körper verlassen kann. Dies sei im Vorgriff
auf Kapitel II erwähnt0 Es möge hier noch ein Beispiel fu~r die Erzeugung von Streustrahlung
im Gewebe des Patienten angeführt werden0 Das Primärstrahlenbündel bestehe dabei
entweder aus Gammastrahlung von der Quantenenergie 0,16 MeV , wie sie vom radioaktiven
Jod 123J geliefert wirdç oder aus gefilterter Röntgenstrahlung in etwa diesem Energiebereich,
Der Betrachtung sei das weiche Gewebe des Patienten zugrundegelegt, dessen Btrahlungsphysikalischen
Eigenschaften im Rahmen dieser Diskussion in guter Näherung denen des Wassers entsprechen,
Bei der Quantenenergie von 0,16 MeV besteht die Wechselwirkung der Quanten der Primärstrahlung
mit dem Gewebe des Patienten praktisch ausschließlich in Comptonßtre#g0 ( Siehe
dazu Handbuch der Medizinischen Radiologie, Band 1/1, Springer-Verlag 1968, Abt.45
auf S,94 .) Es sei hier die Abschätzung desjenigen Anteils der eingestrahlten Quantenenergie
vorgenommen, der bei der Compton-StreuSg durch das gestoßene Elektron auf das Gewebe
in Form von schädigender Ionisation übertragen wird, Dabei soll der Einfachheit
halber eine Abschätzung nach oben vorgenommen werden, d.h. es soll eine obere Grenze
bestimmt werden die dieser Energieanteil sicherlich nicht übersteigen wird0 Zunächst
soll im Sinne der Abschätzung nach oben angenommen werden, daß das gestoßene Elektron
seine gesamte übertragene Energie in biologisch schädliche Ionisationsenergie umwandelt;
ßoBo soll eine Bremsstrahlung in Form von Röntgenstrahlung oder eine charakteristische
Röntgenstrahlung nach Photoeffekt, die den Körper des
Patienten
verlassen können, ohne ihre Energie im Gewebe abzugeben, außer acht gelassen werden.
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Des weiteren hängt bei der Compton-Streuung die auf das gestoßene
Elektron übertragene Energie vom Streuwinkel ab. Es sei jedoch hier zum Zweck der
Abschätzung nach oben die maximal auf das Elektron übertragene Energie E angegeben.
( Siehe Handbuch der Medizimax nischen Radiologie, Band I/t, Springer-Verlag 1968,
5. 104 .) Emax hängt von der Energie EGamma des stoßenden Quants ab nach der Formel
:
wobei wobei a = EGamma/ m0 c t EGamma = hil mit h - Wirkungsquantum und y = Frequenz
der Primärstrahlung , c = Lichtgeschwindigkeit , 2 o Ruhemasse des Elektrons t m0
c P Ruheenergie des Elektrons = P 0t51 MeV .
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In unserem vorliegenden Falle ergibt sich bei EGamma = 0,16 MeV E
zu rund 0,06 MeV - 60 keV max Das bedeutet, daß mindestens 60% der Energie der mit
dem Gewebe wechselwirkenden Quanten der Primar3trahlung den Quanten der Compton-Streustrahlung
mitgeteilt wird Die Quanten der Compton-Streustrahlung selbst haben dabei eine #fin.destenergie
von EGamma - Emax E = 100 keV , max was einer harten Strahlung entspricht.
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Mit anderen Worten: 1) Jedes in den Patienten eingestrahlte Primärquant
geht entweder wechselwirkungsfrei durch das Gewebe oder wird comptongestreut. 2)
Der Großteil der Energie der mit dem Gewebe wechsel wirkenden Primärstrahlung geht
in die Compton-Streustrahlung ein.
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3) Diese Streustrahlung ist hart und durchdringungsfähig und verläßt
großenteils den Körper des Patienten und kann somit für die Abbildung der zu untersuchenden,
von der Primärstrahlung durchsetzten Körperbereiche dienen.
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Die Ausbeute an registrierbarer Streustrahlung im Verhältnis zu der
im Körper absorbierten Primärstrahlung ist also außerordentlich groß und bietet
eine gute Grundlage für die vorliegende Erfindung0 Das Prinzip der kontrastreichen
Abbildung von Körperstrukturen nach der vorliegenden Erfindung soll an dem folgenden
Beispiel erklärt werden, das dem Verfahren nach Anspruch 1 entspricht. Die zu diagnostizierende
bzw. abzubildende Struktur sei analog zum Beispiel auf Seite 4
unten
bzw Seite 5 oben, wo anhand von Fig. 2 die Probleme der Ab bildung nach Verfahren
(a) und (b) dargestellt wurden, wieder das Lungengewebe samt einer darin befindlichen
Kaverne. In Fig.1 sei der Thorax 10 des Patienten im Querschnitt mit dem Lungengewebe
7 mit der Kaverne 6 dargestellt. Der zwischen dem Körper des Patienten und dem Bilddetektor
5 befindliche Vielkanalkollimator 4 mit parallelen Kanälen sondert die von der Primärstrahlung
verursachte Streustrahlung nach einer bestimmten Richtung hin aus und projiziert
sie auf den Bilddetektor 5. Man kann diese Abbildungsmethode auch so charakterisieren,
daß die vom Primärstrahlenbündel 1 durchsetzten Strukturen 3 auf Grund ihrer Streustrahlung
als sekundäre Eigenstrahler wirken und mit Hilfe des Vielkanalkollimators 4 auf
den Bilddetektor 5 abgebildet werden.
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Die Intensität des Strahls 2 sei am Bilddetektor 1(2), die von der
Kaverne ausgehende Streustrahlungsintensität sei I(O) = 0 . Der Kontrast ist wieder
gegeben durch das Verhältnis ( 1(2) 1(0) ) / ( 1(2) + 1(0)), woraus ersichtlich
ist, daß der Kontrast bei immer kleiner werdender Abmessung der Kaverne durch entsprechende
Wahl eines schlanken Strahlenbündels, das nicht weiter ist als die Kaverne, konstant
und weitaus größer gehalten werden kann als es bei den Verfahren (a) und (b) der
Fall ist. Gegenüber dem Verfahren (c) besteht der prinzipielle Vorteil der vorliegenden
Erfindung vor allem darin, daß mit der vorliegenden Erfindung die Herstellung von
Momentaufnahmen schnell ablaufender Vorgänge im Körper des Patienten bzw. die kontinuierliche
Darstellung von solchen Bewegungsvorgängen im Körper möglich ist. Es wird hier folglich
eine kontrastreiche Darstellung mit einer schnellen Bildregistrierung verbunden;
diese Tatsache kann unter dem Begriff einer " kontrastreichen Funktionsdiagnostik
2' zusammengefaßt werden.
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Der Bilddetektor 5 ist im einfachsten Falle ein Röntgenfilm. Um andere
seits eine kontinuierliche Darstellung von Bewegungsabläufen im Körper zu ermöglichen,
kann beispielsweise als Bilddetektor eine Bildverstärkerröhre verwendet werden.
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Als Bls letztes Beispiel der Bildregistrierung sei hier die Möglichkeit
angegeben, hinter jeden Kanal des Vielkanalkollimators einen Szintillationskristall
anzuschließen, der über einen Lichtleiter mit einem Photomultiplier verbunden ist,
dergestalt daß die Impulsraten sämtlicher Detektoren entsprechend ihrer Matrixanordnung
hinter dem Kollimator auf der entsprechenden Matrix eines Bildes der zu
untersuchenden
Strukturen in bestimmte Bildqualitäten umgesetzt werden. Beispielsweise kann die
Höhe der Impulsraten der einzelnen Detektoren die Stärke der Grautöne der Flächenelemente
der Bildmatrix bestimmen, Darüber hinaus kann z.B. durch Nachschalten eines Impuls~
höhenanalysators hinter den Photomultipliern nur die relativ härtere ans den vom
Primärstrahlbündel durchstrahlten Bezirken stammende Streustrahlung selektiv registriert
werden, während die Registrierung der den Strahlungsuntergrund bildenden relativ
weicheren Sekundärstreuw strahlung aus den übrigen Körperbezirken unterdrückt werden
kann, Weitere derartige Details von Bilderseugungemethoden sind Stand der Technik
und brauchen hier nicht weiter diskutiert zu werden.
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Nachdem die prinsipiellen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung
dargestellt wurden, sollen im Folgenden die weiteren unter Modifisierw ung des Hauptanspruchs
1 angegebenen Unteransprüche diskutiert und ihre Charakteristika und speziellen
Verwendungsmöglichkeiten angel geben werden0 Zu Unteranspruch 2 s Der Zweck dieses
Verfahrens ist es, Superpositionseffekts zu vermeiden. Sie können dadurch entstehen,
daß ein Teil der von den vom Primärstrahl durchsetzten Strukturen herrührenden Streustrahlung
in den Körpergeweben zwischen Kollimator und streustrahlenden Strukturen geschwächt
wird, Ein Superpositionseffekt beim Verfahren nach dem Hauptanspruch 1 kann allerdings
schon dadurch großenteils vermieden werden, daß unter Verwendung einer entsprechend
harten Primärstrahlung eine sehr harte und durchdringungsfähige Streustrahlung erzeugt
wird.
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Beim Verfahren nach Unteranspruch 2 ( Siehe Fig*3 und 4 ) wird unter
Verschiebung der Bilddetektorebene parallel zu einer von einem schmalen Primärstrahlenbündel
1 durchsetzten Körperschicht 12 der Vielkanalkollimator 4 so mitgeschwenkt, daß
die von einem bestimmten Punkt 13 der primär durchstrahlten Körperstrukturen ( d.h.
der Körperschicht 12 ) ausgehende Streustrahlung ständig auf dieselbe Stelle 14
des Bilddetektors 5 fällt, mithin nur die Körperschicht 12 scharf abgebildet wird.
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Da bei diesem Verfahren nurmehr eine dünne Schicht innerhalb des Körpers
scharf dargestellt werden soll, ist auch das Primärstrahlenbündel entsprechend schmal
zu wählen; dies wurde unter Teil a) im Unteranspruch 2 besonders zum Ausdruck gebracht.
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Eine Beschränkung dieses Verfahrens auf die Abbildung ruhender Strukturen
oder
auf die Abbildung von Strukturen, deren Bewegung oder Veränderung langsam erfolgt
gegenüber der Abbildungedauer, muß dabei aller dings in Kauf genommen werden0 Immerhin
kann auch die Abbildung nach diesem Verfahren, deren Dauer in der Größenordnung
von einer Sekunde liegen kann immer noch unvergleichlich schneller als die Abbildung
nach Verfahren (c) erfolgen.
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Zu Unteranspruch 3 ( C Siehe Fig.5 und 6 ) Hier wird versucht, die
Strahlenbelastung des Patienten möglichst gering zu halten, allerdings auf Kosten
eines zeitmäßig trägeren Registrierverfahrens. Zu diesem Zweck wird unter Verwendung
eines einem Strahlendetektor 15 vorgeachal teten punktfokussierten Mehrkanalkollimators
14 mit groBem Öffnungewinkel jeweils eine Zeile im zu untersuchenden Feld 12 des
Patienten abgetastet, die durch ein Primarstrahlenbundel mit kleinem Querschnitt
erzeugt wird. Das ganze zu diagnostizierende Feld 12 kann durch Parallelverschiebung
dieses die Zeile bildenden Primärstrahlenbündels 1 über strichen und sozusagen ausgeleuchtet
werden. Auf diese Weise wird die Strahlenbelastung des Patienten beschränkt auf
jeweils diejenige Zeile, deren streustrahlenden Volumenelemente, die als Matrixelemente
einer zugehörigen Bildmatrix dienen im Scanning-Verfahren registriert werden.
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Außerdem kann der geringen Tiefenschärfe des Kollimators 14 durch
entsprechende Dimensionierung des Querschnitts des Primärstrahlenbündels die Tiefe
des streustrahlenden Feldes 12 angepaßt werden; damit wird die Strahlenbelastung
des Patienten auf ein Mindestmaß verringert.
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Zu Unteranspruch 4 : ( Siehe Fig.7 und 8 ) Hier wird versucht, den
registrierbaren Anteil der Streustrahlung ( d.h. in diesem Falle den räumlichen
Öffnungewinkel des registrierbaren Streustrahlungskegels ) , der von einem bestimmten
Volumenelement der vom Frimärstrahlenbündel durchsetzten Strukturen herrührt, gegenüber
dem Verfahren nach Anspruch 1 zu vergrößern. Zu diesem Zweck wird die vom Frimärstrahlenbündel
1 durchstrahlte Schicht 12 in eine Matrix aus Volumenelementen eingeteilt, derart
daß auf jedes dieser Matrixelemente ein eigener Vielkanalkollimotor 16 punktfokussiert
ist0 In den Fig.7 und 8 ist ein Kollimatorensystem im Sinne dieses Verfahrens dargestellt
und zwar für eine Matrix von 9 Bildpunkten, die der zeichnerischen Übersichtlichkeit
halber etwas voneinander abgesetzt sind. Der geringen Tiefenschärfe der Abbildung
auf Grund der Punktfokussierung der einzelnen Kollimatoren wird Rechnung getragen
durch eine geringe Tiefe der streustrahlenden
Schicht 12 t indem
ein entsprechend schmales Primärstrahlènbündel gewählt wird. Dem Vorteil einer durch
dieses Verfahren erzielbaren geringeren Strahlenbelastung des Patienten gegenüber
dem Verfahren nach Anspruch 1 steht ein größerer apparativer Aufwand gegenüber,
der in der Konstruktion und Justierung von punktfokussierten Vielkanalkollimatoren
auf eine Bildmatrix besteht. Der Vorteil dieses Verfahrens nach Anspruch 4 besteht
wie beim Verfahren nach dem Hauptanspruch 1 einerseits darin, daß es ein zeitmäßig
trägheitsloses Abbildungsver fahren darstellt, das zur Registrierung schnell ablaufender
Vorgänge geeignet ist, und andererseits darin, daß es einen relativ zum Verfahren
nach dem Hauptanspruch 1 erhöhten Streustrahlungsanteil der Registrierung zuführt,
was in einer geringeren Strahlenbelastung des Patienten resultiert.
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Zu Unteranspruch 5 X ( Siehe Fig.9 und 10 ) Hier wird wie im Verfahren
nach Unteranspruch 3 die zu untersuchende Schicht 12 im Körper des Patienten mittels
Parallelverschiebung eines Primärstrahlenbündeis 1 mit kleinem Querschnitt überstrichen;
es wird hier jedoch den streu strahlenden Strukturen ein Kollimator 17 mit planparallelen
Lamellen gegenübergestellt, derart, daß jede schmale Kammer zwischen zwei Lamellen
einen Teil der Streustrahlung eines.bestimmten Volumenelementes der vom Primärstrahlenbündel
durchsetzten Strukturen ausblendet. Es wird hier also vermittels des Kollimators
17 eine Einteilung der vom Primärstrahlenbündel gebildeten Zeile in Volumenelemente
bzw. näherungsweise in Zeilenpunkte vorgenommen, wobei jeweils die Streustrahlung
sämtlicher auf einer Zeile liegender Volumenelemente gleichzeitig registriert werden
kann durch Strc endetektoren 15, die jeweils hinter den einzelnen Kammern des Kollimators
stehen. Der Vorzug des Verfahrens besteht darin, daß der Raumwinkel, in den die
von einem bestimmten Volumenelement zur Registrierung kommende Streustrahlung einstrahlen
kann, gegenüber dem Verfahren nach Hauptanspruch 1 wesentlich vergrößert wird. Die
Abbildungsmethode erlaubt zudem Aufnahmen innerhalb kurzer Zeitspannen, da der zu
untersuchende Bereich 12 mit dem Primärstrahlenbündel 1 rasch überfahren werden
kann.
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Zu Unteranspruch 6 s ( Siehe Fig.11 und 12 ) Hier wird das Verfahren
nach Unteranspruch 5 insofern modifiziert, als die Streustrahlung jedes Volumenelementes
innerhalb einer Zeile über einen eigenen linienfokussierten Kollimator 18 selektiert
und durch einen nachgeschalteten Strahlendetektor 15 registriert wird. In den Fig.11
und 12 ist ein
Kollimatoren"'Detektoren-System im Sinne dieses
Verfahrens dargestellt.
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Durch die Wahl einzelner linienfokussierter Kollimatoren 18 zur Streustrahlungeregistrierung
stehen gegenüber dem Verfahren nach Unteranv spruch 5 größere Raumwinkel zur Verfügung,
in die die einzelnen streustrahlenden Volumenelemente einstrahlen können. Das Verfahren
ist folglich noch empfindlicher bzw. für den Patienten noch weniger strahlenbelastend
als das Verfahren nach Unteranspruch 5 Zu Unteranspruch 7 : ( Siehe Fig.13 und 14
) Das Verfahren zeichnet sich durch besondere konstruktive Ein achheit aus.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.13 dargestellt und
soll im Folgenden beschrieben werden: Die abzubildenden Strukturen im Körper des
Menschen seien einerseits die Verzweigung der Trachea mit rechtem und linkem Hauptbronchus
( Feld 19 ) und andererseits die Worten wurzel mit Aortenklappe ( Feld 20 ) . Bezüglich
der Darstellung von Aortenwurzel mit Aortenklappe ist zu sagen, daß man bei entsprechend
schmalem Primärstrahlenbündel die Darstellung der übrigen Klappen unterdrücken kann,
da dann die Klappen nicht sämtlich in der durch das Primärstrahlenbündel definierten
Schicht zu liegen kommen. Die Abbildung der Aortenklappe bei Unterdrückung der Abbildung
der übrigen Klappen wurde in Fig. 15 zum Ausdruck gebracht, Der Einfachheit halber
ist die Abbild ung beider Untersuchungsfelder 19 und 20 an ein und demselben Patienten
dargestellta Eine Röntgenröhre liefert einen Röntgenstrahlungskegel, aus dem durch
eine Blende ein schmales Primärstrahlenbündel 1 ausgeblendet wird. Die zur Abbildung
kommenden Felder 19 und 20 werden vom Primärbtrahlenbündel 1 durchstrahlt und werden
in Fig¢13 durch Vierecke aus dem Patientensitus herausgehoben. Die von den Strukturen
innerhalb der Felder 19 und 20 ausgehende Streustrahlung wird durch einen Vielkanalkollimator
4 mit parallelen Kanälen richtungsselektiert und ein Bild der Strukturen in den
Feldern 19 und 20 wird auf dem Röntgenleuchtschirm eines Röntgenbildverstärkers
21 entworfen. Das mittels des Röntgenbildverstärkers verstärkte Röntgenstrahleneingangsbild
wird über eine Tandemoptik 22 der Fernsehaufnahmeröhre 23 zugeführt. Nach der elektronische
schen Verstärkung durch den Verstärker 24 wird auf dem Bildschirm der Fernsehröhre
des Sichtgerätes 25 das Bild der zu diagnostizierenden Strukturen entworfen.
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Kapitel II Die bisher existierenden und auf die technische Grobstrukturunter-Untersuchung
anwendbaren strahlendiagnostischen Verfahren wurden schon in Kapitel I auf Seite
2 bis 6 unter den Verfahren (a), (b) und (c) beschrieben. Dort wurden auch ihre
Mängel diskutiert. Unter Berücksichtigung der Probleme der technischen Grobstrukturuntersuchung
ist als Mangel des Verfahrens (c) besonders dessen große Zeitdauer hervorzuheben,
die insbesondere bei Serienuntersuchungen stark ins Gewicht Fall¾ Demgegenüber kann
das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung genau so schnell wie das bisher übliche
Verfahren (a) arbeiten, allerdings bei einer wesentlich kontrastreicheren Abbildung.
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Das Prinzip der vorliegenden Erfindung im Sinne des Hauptanspruches
1 wurde schon in Kapitel I erläutert. Unteranspruch 2 der Erfindung ermöglicht analog
wie auf Seite« beschrieben die Unterdrückung etwaiger Superpositionseffekte, die
dadurch entstehen können, daß ein Teil der Streustrahlung, die von der primär durchstrahlten
und zu untersuchenden Schicht ausgeht, durch Strukturen im Prüfling vor der primär
durchstrahlten Schicht geschwächt wird. In den folgenden Unteransprüchen 3 bis 6
wird der von einem bestimmten Volumenelement bzw. Punkt der streustrahlenden Strukturen
ausgehende Streustrahlenkegel, dessen Strahlung registriert wird, auf verschiedene
Weise gegenüber dem Baiptanspruch 1 vergrößert.
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lies bedeutet eine Vergrößerung der Empfindlichkeit der Streustrahlungse
meßmethode bzw. des Abbildungsverfahrens. Unteranspruch 7 zeichnet sich wiederum
durch konstruktive Einfachheit aus.
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Im Folgenden soll ein Beispiel für die neuen Untersuchungstechniken
angegeben werden, die das vorliegende strahlendiagnostische Verfahren im Rahmen
der technischen Grobstrukturuntersuchung ezmóglicht. ( Siehe dazu Fig.16 ) Es soll
dabei nach einem Lunker 28 in der Metallwand 27 eines Behälters gefahndet werden.
Dabei kann eine Röntgen- oder Gammadurchstrahlung der Wand nach der herkömmlichen
Methode (a) oder auch nach dem Verfahren (c)
unter gewissen Umständen
unmöglich sein. Dies ist dann der Fall, wenn das Innere des Behälters nicht zugänglich
ist, entweder aus konstruktiven Gründen oder weil der Behälter ohne Stillegung seiner
Funktion, z.B. als Flüssigkeitsbehälter, geprüft werden muß, oder wenn die Rückseite
des Behälters aus konstruktiven oder anderen Gründen nicht zugänglich ist oder auf
Grund der Ausmaße des Behälters bzw. der Absorption der Prüft strahlung durch seinen
Inhalt eine Durchstrahlung des Behälters von der Rückseite aus nicht in Frage kommt.
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In diesem Fall liefert das vorliegende strahlendiagnostische Verfahren
ohne weiteres die Möglichkeit, die Wandung des Behälters allein von außen her strahlendiagnostisch
zu untersuchen: Zu diesem Zweck wird ein Primärstrahlenbündel4( z.B. bestehend aus
der 60 harten Gammastrahlung eines Co - Strahler d der in einem Bleibehälter 29
mit Strahlungekanal eingeschlossen ist ) von außen schräg in die zu untersuchende
Schicht der Metallwand eingestrahlt. Die in der durchstrahlten Schicht nach außen
abgestrahlte Streustrahlung in Form von Röntgenstrahlung und gestreuter Gammastrahlung
wird wieder über einen Kollimator 4 richtungsselektiert und auf einen Bilddetektor
5 ( z.B0 Röntgenfilm ) projiziert. Um die Abbildung der durchstrahlten Schicht der
Behälterwand maßgetreu zu machen, kann der Bilddetektor 5 parallel zum Primärstrahlenbündel
bzw. zu der durchstrahlten Schicht eingestellt werden. Dies wird in der Fig.16 dargestellt.