DE4137724A1 - Digitales radiographiesystem mit einer roentgenstrahl-bildverstaerkerroehre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgenstrahl-Bildsystem für Diagnosezwecke, insbesondere ein Röntgenstrahl-Radiographie­ system mit einer Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre und einer Videokamera, um das Ausgangsbild der Bildverstärkerröhre aufzunehmen.

Die Kombination einer Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre mit einer Videokamera wird in verschiedenen Diagnosesystemen eingesetzt, z. B. bei Röntgenstrahl-Fernsehsystemen und -Radiographiesystemen. In einem System, das als digitales Radiographie(DR)-System bezeichnet wird, werden Videosigna­ le, die mit Hilfe einer Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre und einer Videokamera erhalten werden, in digitale Daten um­ gewandelt, und diese werden einem Bildprozessor zugeführt. Bei der digitalen Fluoreszenzangiographie(DFA)-Technik, wie sie in US-A 42 04 225 angegeben ist, werden Bilder von im Kontrast verstärkter Gefäße dadurch erzeugt, daß Bilddaten, wie sie nach einer Injektion erhalten werden, von solchen abgezogen werden, wie sie vor der Injektion erhalten werden.

Viele käufliche digitale Radiographiesysteme verwenden Rönt­ genstrahl-Bildverstärkerröhren mit Bildeingangsflächen von etwa 225 bis 400 mm (9 bis 16 Zoll). Die Ausgangsbildgröße derartiger Röhren ist 20 bis 35 mm. Das Verhältnis der Bild­ eingangsfläche zur Bildausgangsfläche (inverser Wert des Bildverkleinerungsverhältnisses) überschreitet den Wert 9.

Andererseits sind Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhren für direkte Fluoreszenzbeobachtung bekannt. Die Ausgangsbild­ größe einer der Röhren von diesem Typ ist 100 mm und das Verhältnis der Eingangsbildgröße zur Ausgangsbildgröße ist 5,7. Eine andere Röhre weist eine Ausgangsbildgröße von 205 mm auf, was genau der Eingangsbildgröße der Röhre ent­ spricht.

Aus Untersuchungen wird deutlich, daß die Ausgangsbildgröße der Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre der bekannten digita­ len Radiographiesysteme die räumliche Auflösung des Systems begrenzt. In digitalen Radiographiesystemen können die her­ kömmlichen Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhren für direkte Beobachtung nicht verwendet werden. Ein Bilderfassungsteil eines digitalen Radiographiesystems ist an einem Tisch ange­ bracht, auf dem ein Patient gelagert wird. Der Tisch weist einen Neige- und Drehmechanismus auf, um vom Patienten Rönt­ genbilder in verschiedenen Stellungen aufnehmen zu können. Darüber hinaus ist die Höhe des Tisches, wenn er auf einen gewissen Level gestellt ist, auf einen Wert begrenzt, der einfachen Zugang ermöglicht. Daher bestehen praktische Be­ grenzungen für die Abmessungen des Bilderfassungsteils eines digitalen Radiographiesystems. Die herkömmlichen Röntgen­ strahl-Bildverstärkerröhren für direkte Beobachtung weisen große Abmessungen, insbesondere große Tiefen auf. Darüber hinaus ist die Ausgangsbildgröße derselben zu groß, weswegen die Abmessungen eines optischen Linsensystems zum Fokussie­ ren des Ausgangsbildes auf eine Videokamera zu groß werden.

Wenn eine derartige Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre in einem digitalen Radiographiesystem verwendet wird, über­ schreiten die Abmessungen des Bilderfassungsteils, das eine Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre, ein optisches Linsensy­ stem und eine Videokamera aufweist, für die Praxis vernünf­ tige Grenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein digitales Fluoreszenzabbildungssystem mit verbesserter räumlicher Auf­ lösung und Abmessungen des Bilderfassungsteils innerhalb praktisch vernünftiger Größen anzugeben.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein di­ gitales Radiographiesystem hoher Empfindlichkeit anzugeben.

Der Bilderfassungsteil des erfindungsgemäßen digitalen Ra­ diographiesystems weist eine Röntgenstrahl-Bildverstärker­ röhre mit einer Eingangsbildgröße von 250 bis 450 mm (10 bis 18 Zoll) im Durchmesser, einer Ausgangsbildgröße von 50 bis 90 mm im Durchmesser und einem Verhältnis der Eingangsbild­ größe zur Ausgangsbildgröße im Bereich von 5 bis 9 auf. Dar­ über hinaus gehören zum Bilderfassungsteil noch eine Video­ kamera, die das Ausgangsbild der Röntgenstrahl-Bildverstär­ kerröhre aufnimmt, sowie ein optisches Linsensystem, das das Ausgangsbild der Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre auf die Videokamera fokussiert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Spiegel zum Ändern des optischen Pfades des Bildes zwi­ schen die Linsen des optischen Linsensystems eingefügt, und die Tiefe des Bilderfassungsteils beträgt zwischen 700 und 800 mm.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.

Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt durch einen Bilderfassungs­ teil des Ausführungsbeispiels.

Fig. 3A und 3B sind Seitenansichten des Bilderfassungsteils bzw. eines anderen Bilderfassungsteils, wie er beim Ausfüh­ rungsbeispiel verwendet werden kann.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das Bereiche der Abmessungen der Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre bei der Erfindung im Ver­ gleich zu den Abmessungen bei einer herkömmlichen derartigen Röhre zeigt.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die räumliche Auflösung einer Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre, wie sie bei der Erfindung verwendet wird, im Vergleich zu einer bekannten Röntgen­ strahl-Bildverstärkerröhre zeigt.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines digitalen Echtzeit-Radiographiesystems. Röntgenstrah­ len, die von einer Röntgenröhre 2 erzeugt werden, bestrahlen ein Objekt 3. Die Röntgendosis wird von einer Röntgendosis­ steuerung 1 eingestellt. Eine Röntgenstrahl-Bildverstärker­ röhre 4 wandelt das Röntgenbild des Objekts 3 in ein opti­ sches Bild. Ein Bildverteiler 5 überträgt das optische Bild an eine Videokamera 6. Der Bildverteiler 5 weist ein Tan­ demlinsensystem auf, das aus einem das Ausgangsbild der Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre 4 empfangenden Primärlin­ sensystem und einem Sekundärlinsensystem besteht, das das optische Bild auf eine Bildempfangsfläche der Videokamera 6 fokussiert. Der Bildverteiler 5 verfügt auch über eine Iris 19, die die Lichtmenge für das optische Bild auf der Bild­ empfangsfläche steuert, und einen Lichtdetektor 20, der die Lichtmenge mißt.

Die Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre 4, der Bildverteiler 5 und die Videokamera 6 bilden einen Bilderfassungsteil des digitalen Radiographiesystems. Der Bilderfassungsteil ist an einem Tisch 31 angebracht, auf dem das Objekt 3 gelagert wird. Die Position des Bilderfassungsteils und die Röntgen­ röhre 2 können relativ zum Tisch 31 mit Hilfe eines in Fig. 1 nicht dargestellten Verschiebemechanismus verändert wer­ den. Darüber hinaus kann der Winkel der Gesamtanordnung des Tisches 31, der Röntgenröhre 2 und des Bilderfassungsteils mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten Neige- und Drehme­ chanismus geändert werden.

Die Videokamera 6 weist vier verschiedene Abtastarten auf. In einer ersten Abtastart findet Zwischenzeilenabtastung mit einer Vollbild-Wiederholrate von 30 Vollbildern pro Sekunde und 1081 Abtastzeilen statt. Die erste Abtastart wird ver­ wendet, wenn sich das System in einer Betriebsart für Fluo­ reszenzüberwachung befindet, in der Röntgenstrahlen niede­ rer Dosis das Objekt dauernd bestrahlen und ein Echtzeit- Röntgenbild des Objektes beobachtet werden kann. Ein Wahl­ schalter 21 wird so verdreht, daß er auf einen Kontakt F schaltet, damit das Videosignal von der Videokamera 6 einem A/D-Wandler 15 zugeführt wird. Das digitalisierte Videosig­ nal wird einem rekursiven Filter 16 zugeführt, um dem Bild eine bevorzugte Zeitverzögerung zu verleihen. Das gefilterte Signal wird über einen D/A-Wandler 17 einer Anzeige 18 zuge­ führt.

Die zweite, dritte und vierte Abtastart werden für radio­ graphische Bilderfassung angewählt, bei der Röntgenbilder mit gepulsten Röntgenstrahlen hoher Röntgendosis erhalten werden und für Diagnosezwecke aufgezeichnet werden. In die­ sen Radiographie-Bilderfassungsbetriebsarten ist der Schal­ ter 21 auf einen Kontakt R gestellt, so daß das Videosignal von der Videokamera 6 einem anderen A/D-Wandler 7 zugeführt wird. Das digitalisierte Videosignal wird über eine Lineari­ tätssteuerung 8 einem Bildprozessor 9 zugeführt. Die Linea­ ritätssteuerung 8 übt Gammasteuerung und Umwandlung von li­ nearen Daten in logarithmische Daten aus. Der Bildprozessor 9 führt verschiedene Bildverarbeitungsabläufe abhängig von Befehlen aus, wie sie von einer Hauptsteuerung 13 übertragen werden. Die resultierenden Bilder werden in einem Speicher 11 abgelegt oder mit einer Anzeige 10 dargestellt.

Auf einer Bedienkonsole 14 sind viele Steuerschalter ange­ bracht, z. B. für Betriebsartauswahl, zum Einstellen von Größen und/oder Bedingungen für die Linearitätssteuerung, zum Einstellen der Röntgendosis und zum Angeben von Abläufen zum Speichern der Daten. Die Hauptsteuerung 13 erzeugt Steuersignale oder Befehle abhängig von der Betätigung der Steuerschalter.

In der zweiten, dritten und vierten Abtastart wird von der Videokamera 6 nicht mit Zwischenzeilenverfahren abgetastet. Die Anzahlen der Abtastzeilen sind 525, 1050 bzw. 2100. Die Vollbild-Wiederholraten sind 60 Rahmen pro Sekunde, 15 Rah­ men pro Sekunde bzw. 3,75 Rahmen pro Sekunde. Demgemäß ist die vierte Abtastart eine solche mit hoher räumlicher Auflö­ sung, mit 2048·2048 Pixeln pro Vollbild. Die Strahlab­ tastfläche auf der Bildaufnahmefläche der Videokamera 6 än­ dert sich für alle vier Abtastarten nicht. Wenn z. B. ein ringförmiges SATICON (Warenzeichen) von 25,4 mm (1 Zoll) verwendet wird, ist die Bildabtastfläche 15·15 mm bis 16·16 mm. Wenn ein SATICON mit Stiftzuführung vom 25,4 mm (1 Zoll)-Typ verwendet wird, ist die Strahlabtastfläche 12,5·12,5 mm bis 13·13 mm. Da die Röntgenstrahl-Bildver­ stärkerröhre 4 ein kreisförmiges Ausgangsbild aufweist, ist die tatsächliche Bildeingangsfläche auf der Bildempfangs­ oberfläche ein Kreis, der in die Strahlabtastfläche einge­ schrieben ist. Wenn eine 50,8 mm (2 Zoll)-Bildaufnahme ver­ wendet wird, ist eine Bildaufnahmefläche von 30·30 mm bis 32·32 mm erzielbar. In diesem Fall erfolgt die Strahlab­ tastung über 4200 Abtastzeilen, um die räumliche Auflösung zu verbessern.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Bilderfassungsteils gemäß Aus­ führungsbeispielen. Er verfügt über die Röntgenstrahl-Bild­ verstärkerröhre 4, den Bildverteiler 5 und die Videokamera 6. Die Bildeingangsfläche der Röntgenstrahl-Bildverstärker­ röhre 4 weist einen Durchmesser von 12 Zoll, genauer 310 mm auf. Das empfangene Röntgenbild wird an einer Photokathode in eine Elektrodenverteilung umgewandelt, und das elektroni­ sche Bild wird an einer Ausgangsoberfläche in ein verstärk­ tes optisches Bild umgewandelt. Die Röhre 4 des Ausführungs­ beispiels weist eine effektive Ausgangsbildgröße von 60±2 mm Durchmesser auf. Der Bildverteiler 5 verfügt über ein Primärlinsensystem mit einer Brennweite von 200 mm und einer F-Zahl von 1,5. Er weist weiterhin ein Sekundärlinsensystem mit einer Brennweite von 50 mm und einer F-Zahl von 0,65 auf. Der Lichtpfad im Linsensystem wird durch einen Spiegel 221 um 90° abgelenkt, der zwischen Linsen im Primärlinsen­ system angeordnet ist. Durch das optische System wird das Ausgangsbild der Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre 4 auf eine Bildempfangsoberfläche der Bildaufnahmeröhre der Video­ kamera 6 fokussiert.

Fig. 3A zeigt Abmessungen des Bilderfassungsteils des Aus­ führungsbeispiels. Die Tiefe des Bilderfassungsteils ist 705 mm. wenn die Ausgangsbildgröße der Röntgenstrahl-Bild­ verstärkerröhre etwa 60 mm ist, kann die Tiefe des Bilder­ fassungsteils auf etwa 700 mm dadurch verringert werden, daß Ablenkung im Lichtpfad verwendet wird. Darüber hinaus kann ein Bilderfassungsteil verwendet werden, der sowohl die Videokamera 6 wie auch eine Fleckkamera 61 aufweist, wie dies in Fig. 3B dargestellt ist. Bei dieser Anordnung wird der Winkel des Spiegels im Bildverteiler 5 verändert, um entweder die Videokamera oder die Fleckkamera 61 auszuwäh­ len. Wenn die Fleckkamera 61 eine Bildgröße von 90 mm im Durchmesser aufweist, hat das Sekundärlinsensystem für die Fleckkamera vorzugsweise eine Brennweise von 300 mm und eine F-Zahl von 4,5. Statt der Fleckkamera 61 oder der Videokame­ ra 6 kann auch eine Filmkamera verwendet werden. Wenn eine Filmkamera mit einer Bildgröße von 25,5 mm im Durchmesser verwendet wird, ist es von Vorteil, wenn das Sekundärlinsen­ system eine Brennweite von 85 mm und eine F-Zahl von 2 auf­ weist.

Fig. 4 zeigt einen bevorzugten Bereich, wie er für die Er­ findung vorgeschlagen wird, von Abmessungen einer Röntgen­ strahl-Bildverstärkerröhre, wie sie in einem digitalen Ra­ diographiesystem verwendet wird, und zwar im Vergleich zu Abmessungen von herkömmlichen Röntgenstrahl-Bildverstärker­ röhren. Auf der Abszisse ist der Durchmesser der Bildein­ gangsfläche (Eingangsbildgröße) der Röhren aufgetragen. Die Skala ist in Zoll unterteilt. Entlang der Ordinate ist das Verhältnis der Eingangsbildgröße zur Ausgangsbildgröße ein­ gezeichnet, also der inverse Wert des Bildverkleinerungsver­ hältnisses der Röhren. Der mit einem doppelten Kreis umran­ dete Punkt E bezeichnet den beim oben angegebenen Ausfüh­ rungsbeispiel verwendeten Röntgenstrahl-Bildverstärker. Der schraffierte Bereich D kennzeichnet den bevorzugten Abmes­ sungsbereich für einen Röntgenstrahl-Bildverstärker für ein digitales Radiographiesystem. Der Bereich erstreckt sich von 10 bis 18 Zoll (254 bis 450 mm) für die Eingangsbildgröße, 50 bis 90 mm für die Ausgangsbildgröße und 4 bis 8 für das Verhältnis der Eingangsbildgröße zur Ausgangsbildgröße. Der Bereich für die Eingangsbildgröße rührt von der Größe des zu untersuchenden menschlichen Körpers her. Wenn eine Röntgen­ strahl-Bildverstärkerröhre mit einer Ausgangsbildgröße über 90 mm verwendet wird, werden die Abmessungen des optischen Systems zum Fokussieren des Ausgangsbildes zu groß, und in­ folgedessen überschreitet die Tiefe des Bilderfassungsteils die praktisch sinnvolle Grenze von etwa 800 mm. Röntgen­ strahl-Bildverstärkerröhren mit einer Ausgangsbildgröße un­ ter 50 mm begrenzen die räumliche Auflösung des sich erge­ benden Bildes auf einen nicht zufriedenstellenden Wert, ins­ besondere bei der Betriebsart mit 2100 oder 4200 Abtastzei­ len. Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhren mit einem Verhältnis zwischen Eingangsbildgröße und Ausgangsbildgröße über 8 ver­ ringern ebenfalls die räumliche Auflösung des sich ergeben­ den Bildes. Röhren mit einem Verhältnis unter 4 weisen ein geringes Bildverstärkungsverhältnis auf, da der Elektronbün­ delungseffekt schlecht wird. Dementsprechend wird die Em­ pfindlichkeit des Radiographiesystems gering. Im schraffier­ ten Bereich um den Punkt E in Fig. 4 ergibt sich eine Rönt­ genstrahl-Bildverstärkerröhre mit hoher räumlicher Auflö­ sung, die auch 2100 oder 4200 Abtastzeilen der Videokamera rechtfertigt. Gleichzeitig wird ein Radiographiesystem mit praktisch vernünftiger Größe und ausreichender Empfindlich­ keit erhalten, wenn eine Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre im Bereich E verwendet wird.

Die Punkte F in Fig. 4 kennzeichnen Röntgenstrahl-Bildver­ stärker, wie sie in herkömmlichen Radiographiesystemen ver­ wendet wurden. Sie weisen Abmessungen auf, mit denen hohe Auflösung, die auch eine Abtastung mit 2100 oder 4200 Zeilen lohnt, nicht erhalten werden kann. Ein Punkt C bezeichnet eine Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre, wie sie in "ASTM Special Technical Publication 216, American Society for Testing and Materials" zur Verwendung in einem Radiographie­ system vorgeschlagen wurde. Das Verhältnis der Eingangsbild­ größe zur Ausgangsbildgröße ist 3, weswegen der Bildverstär­ kungseffekt unzureichend ist. Punkte A und B bezeichnen her­ kömmliche Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhren für direkte Bildbeobachtung. Die einem Punkt A zugeordnete Röhre verwen­ det eine Elektronenvervielfacherstruktur zum Kompensieren eines niederen Bildverstärkungseffekts. Die Struktur verur­ sacht geringe räumliche Auflösung. Beide Röhren A und B sind zu groß, um einen Bilderfassungsteil praktisch sinnvoller Größe für ein digitales Radiographiesystem zu erhalten.

Fig. 5 zeigt die Kennlinie für die räumliche Auflösung der Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre gemäß dem obigen Ausfüh­ rungsbeispiel. Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF = Modulated Transfer Function)-Kurve (a) des Ausführungsbei­ spiels verläuft über der MTF-Kurve (b) für eine bekannte Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre mit derselben Eingangs­ bildgröße, aber einer kleineren Ausgangsbildgröße. Die räum­ liche Auflösung bei 5% MTF des Ausführungsbeispiels ist 4,5 lp/mm, was das 1,3fache des Wertes für die herkömmliche Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre ist.

Claims (5)

1. Radiographiesystem mit:

• - einer Röntgenquelle (2) zum Bestrahlen eines Gegenstandes (3), der mit Röntgenstrahlen zu untersuchen ist; und
• - einem Bilderfassungsteil (4, 5, 6), der hinter dem Gegen­ stand (3) angeordnet ist, um vom Gegenstand ein Röntgenbild aufzunehmen, und der über eine Röntgenstrahl-Bildverstärker­ röhre (4) zum Verstärken des Röntgenbildes und zum Umwandeln desselben in ein optisches Ausgangsbild, eine Videokamera (6) zum Umwandeln des optischen Bildes in ein Videosignal und ein optisches System (5) verfügt, zum Fokussieren des optischen Bildes auf die Videokamera (6),

dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Eingangsbil­ des der Röntgenstrahl-Bildverstärkerröhre (4) zwischen etwa 250 und etwa 450 mm (10 bis 18 Zoll) liegt, der Durchmesser des Ausgangsbildes der Röhre zwischen etwa 50 und etwa 90 mm liegt und das Verhältnis der Durchmesser von Ausgangsbild und Eingangsbild zwischen etwa 4 und etwa 8 liegt.

2. Radiographiesystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Tisch (1), an dem der Bilderfassungsteil (4, 5, 6) angebracht ist und auf dem der zu untersuchende Gegen­ stand (3) zu lagern ist.

3. Radiographiesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (5) ein Pri­ märlinsensystem zum Empfangen des Ausgangsbildes der Rönt­ genstrahl-Bildverstärkerröhre (4), ein Sekundärlinsensystem zum Fokussieren des Ausgangsbildes auf die Videokamera (6) und einen Spiegel (22) aufweist, der zwischen Linsen im Pri­ märlinsensystem angeordnet ist und das Licht im Primärlin­ sensystem um etwa 90° ablenkt.

4. Radiographiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß seine Tiefe in Strahlungsrich­ tung der Röntgenstrahlung kleiner als 800 mm ist.