DE102005028415A1

DE102005028415A1 - Verfahren zur Bestimmung einer radiologischen Dicke eines Objekts

Info

Publication number: DE102005028415A1
Application number: DE200510028415
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr. Bernhardt; Jan Dr. Boese; Marcus Dr. Pfister; Norbert Rahn
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der radiologischen Dicke (RD1, RD2) eine Objekts (5). Zur Ermittlung möglichst exakter Betriebsparameter einer Röntgenquelle (2) wird vorgeschlagen, mittels eines optischen Vermessungsverfahrens ein dreidimensionales Vermessungsmodell (V), daraus ein dreidimensionales Absorptionsmodell (A1, A2) des Objekts (5) herzustellen und auf dessen Grundlage die Betriebsparameter der Röntgenquelle (2) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer radiologischen Dicke eines Objekts

Aus der US 2005/0013407 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Strahlendosis bei Röntgengeräten bekannt. Dabei wird mittels eines Laserentfernungsmessers ein Abstand zwischen einer Röntgenquelle und einer Oberfläche eines Patienten für einen vorgegebenen Einstrahlungswinkel gemessen. Aus dem gemessenen Abstand und einem bekannten weiteren Abstand zwischen einer Oberfläche einer Patientenliege kann für den Einstrahlungswinkel eine Dicke des Patienten und daraus wiederum eine geeignete Strahlendosis berechnet werden. Anschließend wird der Patient zur Herstellung eines Röntgenbilds unter dem Einstrahlungswinkel mit Röntgenstrahlung durchstrahlt. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich zur Herstellung einzelner Röntgenaufnahmen. Bei einer rotierenden Durchstrahlung eines Patienten unter sich kontinuierlich ändernden Einstrahlungswinkeln, wie beispielsweise bei der Röntgen-Computertomographie oder bei der Herstellung von Aufnahmen mittels eines C-Bogen-Röntgengeräts, würde das bekannte Verfahren zu einer erheblichen Verlangsamung bei der Herstellung von Röntgenaufnahmen führen. Man bedient sich hier rechnerischer Verfahren, mit denen auf der Grundlage einer mit dem oben beschriebenen Verfahren gemessenen Dicke des Patienten eine so genannte "radiologische Dicke" bestimmt. Es handelt sich dabei um das Absorptionsvermögen unter einem bestimmten Einstrahlungswinkel. Auf der Grundlage der radiologischen Dicke können dann geeignete Röntgendosen für weitere Einstrahlungswinkel berechnet werden.

Derartige rechnerische Verfahren sind allerdings nicht besonders genau. Infolgedessen wird insbesondere bei Röntgenver fahren mit rotierender Röntgenquelle der Patient häufig mit einer unnötig hohen Röntgendosis belastet.

Die WO 85/01793 beschreibt ein Verfahren zur mehrdimensionalen Vermessung eines Objekts. Dabei wird das Objekt mit einem Beleuchtungslichtbündel unter verschiedenen Beleuchtungsrichtungen bestrahlt. Die von den Beleuchtungslichtbündeln auf der Oberfläche in Beleuchtungsflecken reflektierten Abbildungslichtbündel werden von einer Erfassungseinrichtung unter verschiedenen Abbildungsrichtungen erfasst. Aus den mit der Empfangseinrichtung erfassten Signalen lassen sich die Koordinaten der Oberflächenpunkte des Objekts ermitteln und es lässt sich damit ein dreidimensionales Modell des Objekts herstellen. Das bekannte Verfahren wird insbesondere zur Erhaltung historischer Gebäude, zur Herstellung von Formen und zur Vermessung menschlicher Gesichter verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, mit dem möglichst exakt eine radiologische Dicke eines Objekts bestimmt werden kann. Nach einem weiteren Ziel soll damit in Abhängigkeit einer Durchstrahlungsrichtung eine eingestrahlte Röntgendosis genau steuerbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer radiologischen Dicke eines Objekts mit folgenden Schritten vorgesehen:

a) Mehrdimensionale Vermessung des Objekts mittels eines optischen Vermessungsverfahrens und Herstellung eines virtuellen dreidimensionalen Vermessungsmodells aus den gewonnenen Vermessungsdaten,
b) Ermittlung einer geometrischen Dicke des Objekts für eine vorgegebene Durchstrahlungsrichtung aus den Vermessungsdaten oder dem Vermessungsmodell und Bestimmung der radiolo gischen Dicke unter Verwendung zumindest eines ein Absorptionsvermögen des Objekts beschreibenden vorgegebenen Parameters,
c) Einstellung von Betriebsparametern einer Röntgenquelle in Abhängigkeit der radiologischen Dicke und
d) Durchstrahlen des Objekts in der Durchstrahlungsrichtung mit einer durch die Einstellung der Betriebsparameter vorgegebenen Röntgendosis.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann auf der Grundlage des Vermessungsmodells vor der Herstellung einer Röntgenaufnahme oder einer Sequenz von Röntgenaufnahmen in Abhängigkeit der jeweiligen Durchstrahlungsrichtung exakt die radiologische Dicke des Objekts ermittelt werden. Insbesondere bei der Herstellung einer Sequenz von Röntgenbildern unter sich ändernden Durchstrahlungsrichtungen kann damit von vornherein ein dafür notwendiger Bereich von Röntgendosen ermittelt und eine zu deren Herstellung optimale Auswahl eines Filters erfolgen. Eine ggf. nach dem Stand der Technik erforderliche Wiederholung der Aufnahme einer Sequenz von Röntgenbildern infolge der Wahl eines ungeeigneten Filters kann vermieden werden. Eine Strahlenbelastung für den Patienten kann damit vermindert werden. Abgesehen davon kann durch die Wahl eines für die jeweils gewünschten Durchstrahlungsrichtungen geeigneten Filters sichergestellt werden, dass ein Röntgendetektor stets mit einer in dessen Dynamikbereich liegenden Röntgenintensität bestrahlt wird. Die Qualität eines mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugbaren Röntgenbilds kann verbessert werden.

Unter dem Begriff "Durchstrahlungsrichtung" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Richtung verstanden, in der ein Objekt, insbesondere ein Patient, mit Röntgenstrahlung durchstrahlt wird. Die Durchstrahlungsrichtung lässt sich beispielsweise beschreiben durch Einstrahlungswinkel bezüglich fest vorgegebener Ebenen oder Achsen, welche eine Lage des Objekts bezüglich einer Röntgenquelle definieren. Im Falle eines Patienten kann es sich dabei beispielsweise um eine Körpermittelebene, insbesondere eine Körpersymmetrieebene, handeln.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden beim optischen Vermessungsverfahren eine Oberfläche des Objekts mittels eines Laserstrahls unter verschiedenen Winkeln bestrahlt und reflektierte Laserstrahlen zur Bestimmung eines Abstands jedes bestrahlten Punkts des Objekts mittels eines optischen Detektors erfasst. Dabei kann der Abstand nach der Triangulationsmethode bestimmt werden. Derartige optische Vermessungsverfahren sind allgemein bekannt. Es wird beispielhaft verwiesen auf die WO 85/01793, die EP 0 559 120 B1 oder die DE 44 29 578 A1 .

Nach einer weiteren Ausgestaltung wird beim Schritt lit. b) ein dreidimensionales Absorptionsmodell der radiologischen Dicke hergestellt. Zur Herstellung des Absorptionsmodells kann als Parameter eine mittlere Dichte des menschlichen Körpergewebes verwendet werden. Auf der Grundlage der mittleren Dichte und der aus dem Vermessungsmodell unter den jeweiligen Durchstrahlungsrichtungen sich ergebenden geometrischen Dicken kann auf der Grundlage bekannter Beziehungen das Absorptionsmodell ermittelt werden. Das Absorptionsmodell gibt für jede Durchstrahlungsrichtung die jeweilige radiologische Dichte des Objekts wieder.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Absorptionsmodell durch Überlagerung mit einem vorgegebenen dreidimensionalen Referenzmodell hergestellt, welches eine der menschlichen Anatomie entsprechende radiologische Dichteverteilung wiedergibt. In diesem Fall erfolgt also die Berechnung der radiologischen Dichte nicht allein auf der Grundlage einer mittleren Dichte des menschlichen Körpergewebes, sondern es wird hier zusätzlich eine durch die Anatomie des Menschen vorgegebene Dichteverteilung berücksichtigt. Die Dichteverteilung wird insbesondere durch die Anordnung von Knochen oder Hohlräumen, wie die Lunge, maßgeblich beeinflusst.

Zur weiteren Verfeinerung des Absorptionsmodells kann vorgesehen sein, dass das Referenzmodell durch Überlagerung einer röntgenografischen Übersichtsaufnahme mit einem eine radiologische Dickeverteilung wiedergebenden Standard-Absorptionsmodell hergestellt wird. In dem Standard-Absorptionsmodell ist eine durchschnittliche Dichteverteilung im Körper, beispielsweise nach Art eines Anatomieatlases, niedergelegt. Auf der Grundlage von durch eine röntgenografische Übersichtsaufnahme gewonnenen Daten kann eine im Standard-Absorptionsmodell niedergelegte Dichteverteilung korreliert werden. Es kann ein Referenzmodell erstellt werden, welches relativ exakt eine Dichteverteilung im Körper wiedergibt. Das ermöglicht eine besonders genaue Einstellung der Betriebsparameter der Röntgenquelle.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einer Rotation der Röntgenquelle um das Objekt die der jeweiligen Durchstrahlungsrichtung entsprechende radiologische Dicke aus dem Absorptionsmodell entnommen und auf deren Grundlage laufend die Einstellung der Betriebsparameter angepasst werden. Die vorteilhafte Ausgestaltung betrifft insbesondere die Aufnahme von Sequenzen von Röntgenbildern, wie sie beispielsweise mit einem C-Bogen-Röntgengerät oder einem Röntgen-Computertomographen möglich ist. Dabei kann auf der Grundlage des vorgeschlagenen Verfahrens zunächst ein während der Herstellung der Sequenz von Röntgenbildern unveränderbarer Betriebsparameter, wie z. B. ein Filter, eingestellt werden. Bei der Herstellung der Sequenz von Röntgenbildern unter sich ändernden Durchstrahlungsrichtungen kann zusätzlich auf der Grundlage der aus dem Absorptionsmodell entnommenen Informationen eine Röhrenspannung und/oder ein Röhrenstrom so angepasst werden, dass damit ein Röntgendetektor stets in einem vorgegebenen Dynamikbereich mit Röntgenstrahlung beaufschlagt und gleichzeitig der Patient mit einer möglichst geringen Röntgendosis belastet wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Röntgenvorrichtung mit Vermessungseinrichtung,

2 eine Draufsicht auf die Umrisse eines dreidimensionalen Vermessungsmodells,

3 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie A-A' nach 2,

4 die Umrisse eines aus 3 ermittelten Absorptionsmodells,

5 ein Referenzmodell,

6 ein durch Überlagerung des Referenzmodells mit dem Vermessungsmodell gewonnenes weiteres Absorptionsmodell und

7 einen typischen Verfahrensablauf.

In 1 ist ein Röntgendetektor 1, vorzugsweise ein Halbleiterdetektor, gegenüber einer Röntgenquelle 2 angeordnet. Der Röntgendetektor 1 und die Röntgenquelle 2 können um eine gemeinsame Achse (hier nicht gezeigt) rotierbar sein. Sie können dazu beispielsweise an einem C-Bogen oder am rotierenden Teil einer Gantry eines Röntgen-Computertomographen angebracht sein.

Neben einer Detektionsfläche des Röntgendetektors 1 sind in einander gegenüberliegender Anordnung eine Beleuchtungseinrichtung 3 und eine Empfangseinrichtung 4 angebracht. Bei der Beleuchtungseinrichtung 3 kann es sich um eine oder mehrere Laserquellen handeln. Die Empfangseinrichtung 4 kann eine oder mehrere Kameras, z. B. CCD-Kameras, umfassen. Mit dem Be zugszeichen 5 ist ein Körper bezeichnet, welcher auf einem Tisch 6 liegt.

Zur Vermessung des Körpers 5 wird dessen Oberfläche unter unterschiedlichen Einstrahlungswinkeln mittels der Beleuchtungseinrichtung 3 bestrahlt. Ein von der Oberfläche reflektiertes gebündeltes Licht wird unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln von der Empfangseinrichtung 4 erfasst. Aus den erfassten Signalen, insbesondere den Reflexionswinkeln, kann nach herkömmlichen Verfahren ein die dreidimensionale geometrische Form des Körpers 5 wiedergebendes Vermessungsmodell erstellt werden.

Die 2 und 3 zeigen schematisch eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Vermessungsmodells V. Aus dem Vermessungsmodell V kann eine geometrische Dicke D1, D2 des Körpers 5 in Abhängigkeit der jeweiligen Durchstrahlungsrichtung R1, R2 entnommen werden.

Unter Verwendung eines eine mittlere Dichte des menschlichen Körpergewebes beschreibenden Parameters kann aus dem Vermessungsmodell V auf einfache Weise ein Absorptionsmodell A1 errechnet werden, welches in Abhängigkeit der Durchstrahlungsrichtung R1, R2 eine röntgenologische Dicke RD1, RD2 wiedergibt.

Ein weiteres besonders exaktes Absorptionsmodell A2 kann durch eine Überlagerung des Vermessungsmodells V mit dem in 5 gezeigten Referenzmodell R hergestellt werden. Das Referenzmodell R gibt eine der Anatomie des menschlichen Körpers entsprechende Dichteverteilung wieder. Darin sind insbesondere stark streuende Strukturen, wie Knochen 7, enthalten. Bei der Überlagerung des Vermessungsmodells V mit dem Referenzmodell R wird das Referenzmodell R rechnerisch mit dem Vermessungsmodell V korreliert. Ein sich daraus ergebendes weiteres Absorptionsmodell A2 ist in 6 gezeigt. Aus 6 ist insbesondere ersichtlich, dass darin stark absorbierende Knochen eine höhere radiologische Dichte hervorrufen, als in dem auf der Grundlage relativ einfacher Annahmen ermittelten in 4 gezeigten Absorptionsmodell A1.

In 7 ist ein typischer Verfahrensablauf gezeigt. Zunächst erfolgt eine optische Vermessung des Körpers 5. Dazu können die Beleuchtungs- 3 und Empfangseinrichtung 4 um den Körper 5 rotiert werden. Aus den mit der Empfangseinrichtung 4 erfassten Signalen wird anschließend, insbesondere unter Zuhilfenahme eines Computers und geeigneter bekannter Algorithmen, ein dreidimensionales Vermessungsmodell Verstellt. Das Vermessungsmodell V kann anschließend mit einem im Computer gespeicherten vorgegebenen Referenzmodell R überlagert werden.

Wie aus 7 ersichtlich ist, kann das Referenzmodell R aber auch durch eine Überlagerung einer zuvor hergestellten röntgenografischen Übersichtsaufnahme mit einem Standard-Referenzmodell hergestellt werden. Das Standard-Referenzmodell ist ein allgemeines Modell, in dem eine Standard-Dichteverteilung, wie sie sich aus der menschlichen Anatomie ergibt, gespeichert ist. Bei der Überlagerung wird die in dem Standard-Referenzmodell enthaltene Dichteverteilung mit einer sich aus der röntgenografischen Übersichtsaufnahme ergebenden tatsächlichen Dichteverteilung, wie sie sich z. B. aus der Lage von Knochen 7 ergibt, korreliert. Die Überlagerung der röntgenografischen Übersichtsaufnahme mit dem Standard-Referenzmodell führt zu einem besonders genauen Referenzmodell R.

Das eine Dichteverteilung im Körper 5 wiedergebende Referenzmodell R wird anschließend, z.B. mittels eines Computers, in ein dreidimensionales Absorptionsmodell A1 umgerechnet, welches die röntgenologische Dicke RD1, RD2 des Körpers 5 in Abhängigkeit einer Durchstrahlungsrichtung R1, R2 wiedergibt.

Sobald der Umfang einer Röntgenaufnahme bzw. einer Sequenz von Röntgenaufnahmen festgelegt worden ist, können die dafür erforderlichen Durchstrahlungsrichtungen R1, R2 festgelegt und unter Zuhilfenahme des Absorptionsmodells A1 die minimalen und die maximalen radiologischen Dicken RD1, RD2 ermittelt werden. Anschließend können ein geeigneter Filter gewählt und die Durchstrahlung mittels Röntgenstrahlung gestartet werden. Während der Durchstrahlung kann die Röntgenquelle 2 in Abhängigkeit der im Absorptionsmodell A1, A2 vorgegebenen radiologischen Dicken RD1, RD2, z. B. mit einem Computer, ständig geeignet angesteuert werden, so dass die Röntgenquelle 2 stets mit optimalen Betriebsparametern betrieben wird. Eine Änderung der radiologischen Dicke RD1, RD2 kann z. B. durch eine Änderung der Röhrenspannung und/oder des Röhrenstroms berücksichtigt werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer radiologischen Dicke (RD1, RD2) eines Objekts (5) mit folgenden Schritten: a) mehrdimensionale Vermessung des Objekts (5) mittels eines optischen Vermessungsverfahrens und Herstellung eines virtuellen dreidimensionalen Vermessungsmodells (V) aus den gewonnenen Vermessungsdaten, b) Ermittlung einer geometrischen Dicke (D1, D2) des Objekts (5) für eine vorgegebene Durchstrahlungsrichtung (R1, R2) aus den Vermessungsdaten oder dem Vermessungsmodell (V) und Bestimmung der radiologischen Dicke (RD1, RD2) unter Verwendung zumindest eines ein Absorptionsvermögen des Objekts (5) beschreibenden vorgegebenen Parameters, c) Einstellung von Betriebsparametern einer Röntgenquelle (2) in Abhängigkeit der radiologischen Dicke (RD1, RD2) und d) Durchstrahlen des Objekts (5) in der Durchstrahlungsrichtung (R1, R2) mit einer durch die Einstellung der Betriebsparameter vorgegebenen Röntgendosis.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim optische Vermessungsverfahren eine Oberfläche des Objekts (5) mittels eines Laserstrahls unter verschiedenen Einstrahlungswinkeln bestahlt und reflektierte Laserstahlen zur Bestimmung eines Abstands jedes bestrahlten Punkts des Objekts (5) mittels eines optischen Detektors (4) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand nach der Triangulationsmethode bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Schritt lit. b) ein dreidimensionales Absorptionsmodell (A1, A2) der radiologischen Dicke (RD1, RD2) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Herstellung des Absorptionsmodells (A1, A2) als Parameter eine mittlere Dichte des menschlichen Körpergewebes verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Absorptionsmodell (A1, A2) durch Überlagerung mit einem vorgegeben dreidimensionalen Referenzmodell (R) hergestellt wird, welches eine der menschlichen Anatomie entsprechende radiologische Dickeverteilung wiedergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Referenzmodell (R) durch Überlagerung einer röntgenografischen Übersichtsaufnahme mit einem eine radiologische Dickeverteilung wiedergebenden Standard-Absorptionsmodell hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer Rotation der Röntgenquelle (2) um das Objekt (5) die der jeweiligen Durchstrahlungsrichtung (R1, R2) entsprechende radiologische Dicke (RD1, RD2) aus dem Absorptionsmodell (A1, A2) entnommen und auf deren Grundlage laufend die Einstellung der Betriebsparameter angepasst wird.