DE102004043859A1

DE102004043859A1 - Verfahren zur Steuerung der Modulation des Röntgenröhrenstroms unter Verwendung eines einzigen Topogramms

Info

Publication number: DE102004043859A1
Application number: DE102004043859A
Authority: DE
Inventors: Stefan Prof. Popescu; Christoph Dr. Süss; Heiko Wolf
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2005-04-14
Also published as: US20050058249A1; US6956929B2; JP2005087734A; CN1593345A

Abstract

Bei einem Verfahren zur Steuerung der Modulation des Röhrenstroms einer Röntgenröhre bei der Erstellung von Bildern in der Computertomographie wird ein einziges Topogramm des Untersuchungsobjekts gewonnen und ein orthogonaler Schwächungswert daraus berechnet, wobei außerdem geometrische Informationen verwendet werden, die der Position des Tisches zugeordnet sind, auf dem das Untersuchungsobjekt angeordnet ist. Bei einem nachfolgend durchgeführten Computertomographie-Scan wird der Röhrenstrom unter Verwendung der orthogonalen Patientenschwächung gesteuert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung von Steuerparametern zur Modulation des Röhrenstroms (mA-Modulation) einer Röntgenröhre in einem Computertomographiesystem.
Bei der Gewinnung von Bildern eines Untersuchungsobjekts in der Computertomographie kann man bekanntlich durch automatische Anpassung des Röhrenstroms an die Patientenschwächung eine gute Bildqualität sicherstellen, während gleichzeitig die Röntgendosierung optimiert wird. Um den korrekten Röhrenstrom zu berechnen, muss die Patientenschwächung bekannt sein.

Die Stromanpassung wurde konventionell entweder auf der Basis der Erfahrung des CT-Bedieners vorgenommen, oder durch Auswerten zweier orthogonaler Übersichtsbelichtungen (Topogramme). Beispiele für solche konventionelle Steuerprozeduren werden in den US-Patenten 5 400 378, 5 379 33 und 5 696 507 beschrieben. Die Notwendigkeit, zwei Topogramme zu produzieren, führt dazu, dass der Patient einer zusätzlichen Strahlungsdosis ausgesetzt wird. Es wäre deshalb wünschenswert, in der Lage zu sein, eine ausreichend präzise Modulation des Röhrenstroms unter Verwendung nur eines einzigen Topogramms zu erzielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Steuerung der Modulation des Röhrenstroms einer Röntgenröhre in einem Computertomographiesystem, wobei die Steuerung der Röhrenstrommodulation auf der Basis nur eines einzigen Topogramms des Untersuchungsobjekts erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren gelöst, bei dem nur ein einziges Topogramm des Untersuchungsobjekts zur Steuerung der Modulation des Röhrenstroms verwendet wird, wenn ein CT-Bild des Untersuchungsobjekts gewonnen wird, indem zusätzlich das geometrische Ausmaß des Untersuchungsobjekts bestimmt wird. Bei dem Untersuchungsobjekt handelt es sich im Übrigen vorzugsweise um einen Patienten. Aus diesen geometrischen Informationen kann die Patientenschwächung unter Verwendung organspezifischer linearer Koeffizienten der Schwächung in guter Näherung bestimmt werden. Mit diesen Informationen wird automatisch der Röhrenstrom eingestellt, um so die Modulation des Stroms während der Rotation der Gantry und des Vorschubs des Patiententisches zu steuern. Wenn ein automatisches Online-Röhrenstromsystem verfügbar ist, kann man mit dem Verfahren Vorinformationen für die Parametrisierung des Röhrenlastrechners erhalten.

Gemäß der Erfindung wird unmittelbar nach der Messung in dem Hostcomputer des CT-Systems das Topogramm ausgewertet. Die maximale Schwächung in der Projektionsrichtung wird als Funktion der Tischposition bestimmt und als ein Datenvektor gespeichert. Das orthogonale Ausmaß des Patienten wird aus dem Topogramm unter Verwendung eines Schwellenwerts berechnet. Die orthogonale Patientenschwächung wird als Produkt des orthogonalen Ausmaßes und des tabellierten organspezifischen linearen Schwächungskoeffizienten berechnet.

Auf diese Weise erhält man für jede Tischposition die Schwächung in der lateralen und a.p.-Richtung. Vor dem Anfang des Scannens ist es somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den optimalen Röhrenstrom für eine bestimmte Bildqualität und die Projektionsmodulationsamplitude für jede Tischposition zu berechnen.

Dies erlaubt eine gesteuerte automatische Dosierungsprozedur und im Fall einer automatischen Online-Dosierungsprozedur wird mit dieser Berechnung der Röhrenlastrechner initialisiert und die Modulationssoftware voreingestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt.
1 ist ein Flussdiagramm zur Beschreibung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 ist ein ausführliches Flussdiagramm des mathematischen Algorithmus zur Analyse des Topogramms gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
3 und 4 zeigen jeweils Steuerkurven zur Steuerung des Röhrenstroms, die durch Auswerten eines einzigen Topogramms ohne die zusätzlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten werden.
5 zeigt Beispiele für gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Steuerkurven.
Die prinzipiellen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in 1 schematisch dargestellt. Rechts in 1 sind die Schritte gezeigt, die allein die Patientenuntersuchung betreffen, und links in 1 die Schritte, die die Auswertung eines einzigen Topogramms betreffen. Die Patientenuntersuchung beginnt mit der Erzeugung eines einzigen Topogramms und das einzige Topogramm wird dann als unverarbeitete Daten (Rohdaten) ausgelesen und ausgewertet. Aus den unverarbeiteten Topogrammdaten wird die maximale Schwächung bestimmt, und das Patientenausmaß orthogonal zu der Projektionsrichtung wird durch Auswerten von Schwellen werten bestimmt. Der Röhrenstrom (mA) und die Modulation pro Umdrehung werden aus der maximalen Schwächung und dem Patientenausmaß, plus gegebenenfalls zusätzlichen Informationen bezüglich der Patientenuntersuchung, bestimmt. Dann werden mindestens als Ergebnis der Topogrammauswertung Scan-Parameter bestimmt, aber möglicherweise auch durch manuelles Eingeben anderer Scan-Parameter. Das Scannen wird dann durchgeführt.

Aus einem einzigen Topogramm können die folgenden Größen direkt bestimmt werden:

– für ein a.p.-Topogramm	maximale Schwächung in der a.p.-Richtung (Sa.p.) und geometrisches Ausmaß in der lateralen Richtung (dlat)
– für ein laterales To-pogramm	maximale Schwächung in der lateralen Richtung (Slat.) und geometri sches Ausmaß in der a.p.-Richtung (da.p.)

Die maximale Schwächung wurde zuvor aus dem absoluten Maximum der Schwächung der Projektion bestimmt. Die Prozedur verursacht bei Objekten mit stark schwächenden Einzelheiten (Metallen) unbenutzbare Ergebnisse.
Um solche starken lokalen Schwächung, die z.B. auf Metallimplantate, Nägel, Schrauben und Klammern zurückzuführen sind, austasten zu können, wird vor der Bestimmung der maximalen Schwächung in jeder Projektion eine gleitende Mittelwertbildung über eine Anzahl von Kanälen hinweg implementiert. Die Verwendung von 64 Kanälen (=2⁶) ist geeignet. Dies entspricht einem geometrischen Ausmaß von ungefähr 42 mm in der Rotationsmitte.
Das Ausmaß des Patienten senkrecht zu der Transirradiationsrichtung wird aus dem entsprechenden Schwächungsprofil geschätzt. Eine einfache Bestimmung der Außenkontur führt zu Ergebnissen, die teilweise täuschen, wie z.B. a.p.-Topogramme im Schenkelbereich. Alle Kanäle, deren Schwächungswert über einer definierten Schwelle liegt, werden deshalb bestimmt. Luft- und Bettenbereiche sowie Bereiche mit sehr geringer Schwächung werden mittels dieser Schwelle ausgetastet.
Der fehlende zweite Schwächungswert S_a.p. (bei einem gegebenen a.p.-Topogramm) bzw. S_lat. (bei einem gegebenen lateralen Topogramm) wird mit der folgenden Gleichung über das auf diese Weise identifizierte Objektausmaß und einen angenommenen mittleren Schwächungskoeffizienten μ berechnet:
Das Minimum des gesteuerten Röhrenstroms in % wird mit der „Wurzelgleichung" berechnet:
Wenn das Schwächungsmaximum in der a.p.-Richtung größer als in der lateralen Richtung ist, dann gilt 1_min > 100%. Das heißt, daß das Scannen mit maximalem Röhrenstrom bei 90° und 270° ausgeführt wird.
Ausgeprägte Unstetigkeiten in dem Boost zwischen zwei Tabellenpositionen werden durch gewichtete Mittel- wertbildung über drei bzw. fünf Werte hinweg adäquat reduziert oder beseitigt.
Das in 2 gezeigte Flussdiagramm liefert eine Übersicht über die Berechnung der Steuerkurve mit den Daten aus einem a.p.-Topogramm.
Zehn Topogramme von Patienten (Kopf, Schulter, Lunge, Abdomen, Pelvis) wurden mit dem in 2 gezeigten Verfahren ausgewertet. Soweit möglich wurden die Ergebnisse der Auswertung mit den tatsächlichen Schwächungswerten aus Spiral- oder Sequenz-Scans der entsprechenden Tischpositionen verglichen.
Der mittlere Schwächungskoeffizient μ zur Berechnung der Schwächung S aus dem geometrischen Ausmaß ist stark von dem untersuchten Organ abhängig. Er fluktuiert zwischen ungefähr 0,15 cm^–1 für eine Lunge und 0,23 cm^–1 für Scheiben mit einem relativ hohen Knochenanteil (Schulter, Kopf).
Trotz eines organspezifisch angepaßten mittleren Schwächungskoeffizienten weicht der aus dem Topogramm berechnete minimale Röhrenstrom im Mittel um ± 10–30% von den optimalen Parametern ab, die aus den Spiral- und Sequenzdaten bestimmt wurden (siehe 3).
Es könnte teilweise beobachtet werden, dass das Maximum des Röhrenstroms um 90° verschoben wurde, was zu einer Verschlechterung der Bildqualität führen würde (siehe 3).
3 zeigt zuerst die aus dem a.p.-Topogramm berechnete Steuerkurve und zweitens die Steuerkurve, die aus den Spiraldaten bestimmt wurde. Wenn die beiden Kurven verglichen werden, wird deutlich, daß der Wechsel zwi schen den einzelnen Körperteilen (Lunge → Abdomen) bei einer gegebenen nahezu konstanten Breite des Patienten nicht erkannt wird. Eine Abweichung des Boost von >20% sowie eine falsche Position des maximalen Röhrenstroms sind die Konsequenzen.
Zur Berechnung dieser Steuerkurve bzw. dieser Steuerkurven war ein a.p.- und ein laterales Topogramm verfügbar. Bei der Bestimmung der Steuerkurve wurden die beiden Topogramme separat mit dem in Punkt 2 beschriebenen Algorithmus analysiert. Die Steuerkurve, die mit den Schwächungsmaxima berechnet wurde, die aus beiden Topogrammen bestimmt wurden, diente als Vergleich bzw. Referenzkurve.
Wenn die Tendenzen der einzelnen Kurven in Figur 4 betrachtet werden, weist die aus dem a.p.-Topogramm berechnete Kurve einen der Referenzkurve ähnlichen Verlauf auf, aber mit einer mittleren Abweichung von ungefähr 10–15%. Die aus dem lateralen Topogramm berechnete Steuerkurve weist dagegen einen völlig verschiedenen Verlauf auf. Teilweise ist das Dosierungsleistungsmaximum für diese Kurve auch um 90° verschoben (Röhrenstrom >100%) .
Die aus dem Topogramm erfassten Informationen dienen nur als Vorgabe für den Röhrenlastrechner und den ersten Scan in einer Sequenz bzw. die erste Umdrehung in der Spirale. Für alle weiteren Scans bzw. Umdrehungen werden die a.p.- und lat.- Schwächungswerte der letzten 180°- oder 360°-Drehung zur Berechnung des minimalen Röhrenstroms für die nächste Umdrehung verwendet, und somit wird die sinusförmige Steuerkurve von neuem parameterisiert.
Man erhält die folgenden Vorteile:
Durch Vorschreiben des minimalen Röhrenstroms nur für den ersten Scan (z.B. als Parameter in der Modustabelle TFO), kann auch der Transfer der Werte für alle anderen Tischpositionen entfallen. Ein Zusatz einer weiteren Tabelle für die Schwächungsbedingungen für jede Tischposition kann somit in der Hostsoftware bzw. der Firmware entfallen.
Für die weitere Bestimmung ist kein Schwächungskoeffizient mehr erforderlich.
Das Scannen nach „zusätzlichen Scans", die außerhalb des von dem Topogramm abgedeckten Bereichs liegen, kann hier auch mit Dosisregulierung erfolgen.
Gantryneigung und die Verabreichung eines Kontrastmittels werden erkannt. Eine ungewöhnliche Patientengeometrie bzw. Patientenpositionierung können jedoch nur durch eine echte Regulierung kompensiert werden.
5 zeigt Beispiele für Steuerkurven, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden. Wie aus einem Vergleich mit den in 3 und 4 gezeigten Steuerkurven hervorgeht, wird die Präzision der Steuerung signifikant verbessert.
Obwohl Fachleute Modifikationen und Änderungen vorschlagen können, beabsichtigen die Erfinder in der vorliegenden Offenbarung alle Änderungen und Modifikationen abzudecken, die vernünftigerweise und ordnungsgemäß in den Schutzumfang ihres Beitrags zur Technik fallen.

Claims

Verfahren zur Steuerung des Röhrenstroms in einer Röntgenröhre zur Erzeugung eines Bildes in der Computertomographie, mit den folgenden Schritten: Aufnehmen eines einzigen Topogramms eines auf einem Untersuchungstisch angeordneten Untersuchungsobjekts; Auswerten des Topogramms und Bestimmen einer maximalen Schwächung in der Projektionsrichtung eines CT-Bildes des Untersuchungsobjekts, die nachfolgend erhalten werden soll, als Funktion einer Position des Tisches daraus; Speichern der maximalen Schwächung als einen Datenvektor; Bestimmen eines orthogonalen Ausmaßes des Untersuchungsobjekts aus dem Topogramm unter Verwendung eines Schwellenwerts; Bestimmen einer orthogonalen Schwächung des Untersuchungsobjekts als Produkt des orthogonalen Ausmaßes und eines gespeicherten organspezifischen linearen Schwächungskoeffizienten; und nachfolgendes Erhalten des Tomogramms durch Bestrahlen des Untersuchungsobjekts mit Röntgenstrahlen aus einer Röntgenröhre, der ein Röhrenstrom zugeführt wird, und Modulieren des Röhrenstroms abhängig von der orthogonalen Objektschwächung.