DE102006003829A1

DE102006003829A1 - Röntgen-Computertomograf und Verfahren zum Betreiben eines Röntgen-Computertomografen

Info

Publication number: DE102006003829A1
Application number: DE102006003829A
Authority: DE
Inventors: Stefan Prof. Popescu
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-16
Also published as: CN101006929A; JP2007195978A; US7486763B2; US20070189438A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines ersten Schattenbilds mit einem Röntgen-Computertomografen unter einer vorgegebenen ersten Winkelposition phi1. Zur Verminderung der applizierten Dosis wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Röntgenquelle 1 lediglich beim Durchfahren eines vorgegebenen, die erste Winkelposition phi1 enthaltenen Sektors Deltaphi betrieben wird, indem bei Erreichen der vorgegebenen ersten Winkelposition phi1 ein erster Röntgenpuls P, P1 erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgen-Computertomografen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Röntgen-Computertomografen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 14.

Ein solches Verfahren ist aus der US 5,400,378 bekannt. Zur Verminderung der applizierten Röntgendosis bei einer Volumendurchstrahlung zur Aufnahme von Schichtbildern werden zunächst von jeder Schicht eines zu untersuchenden Bereichs unter einem Winkel von 0° und 90° Schattenbilder bzw. Topogramme aufgenommen. Daraus werden dann eine optimale Röntgendosis und der dazu korrespondierende Röhrenstrom für die jeweilige Schicht berechnet. Anschließend wird zur Herstellung von Schichtbildern jede Schicht mit der zuvor ermittelten optimalen Röntgendosis durchstrahlt. Der Röhrenstrom wird dazu über die Schichten hinweg entsprechend moduliert. – Das vorgeschlagene Verfahren erfordert ein zweimaliges Abtasten des Patienten und damit einen hohen Zeitaufwand. Abgesehen davon wird der Patient schon bei der Aufnahme der Topogramme mit einer relativ hohen Röntgendosis belastet.

Aus der DE 10 2004 043 859 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Modulation des Röhrenstroms unter Verwendung eines einzigen Topogramms bekannt. Dabei wird das einzige Topogramm unter Verwendung zuvor hinterlegter Informationen über die Schwächung der Röntgenstrahlung in dazu orthogonaler Richtung ausgewertet. Auf der Grundlage der dabei erzielten Ergebnisse wird für jede Schicht der Röhrenstrom zur Erzielung einer optimalen Röntgendosis moduliert. – Das vorgeschlagene Verfahren ist zwar wegen der Herstellung lediglich eines einzigen Topogramms weniger zeitaufwändig. Wegen der zur Berechnung des Röhrenstroms erforderlichen Näherungsverfahren können sich allerdings Ungenauigkeiten ergeben, welche zur Applizierung einer nicht immer optimalen Röntgendosis führen können.

Die US 6,393,090 B1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Röntgen-Computertomografen, bei dem die Schichten des zu untersuchenden Bereichs des Patienten unter zwei verschiedenen Winkeln durchstrahlt werden. Auf der Grundlage der dabei gemessenen Werte wird ein Topogramm mit einer Tiefeninformation bzw. ein 3D-Topogramm berechnet. Zur Durchführung des Verfahrens wird die Röntgenquelle unter dem ersten Winkel festgehalten und der Patient wird dann entlang der z-Achse bewegt und wiederholt durchstrahlt. Anschließend wird die Röntgenquelle rotiert und unter dem zweiten Winkel festgehalten. Der Patient wird wiederum entlang der z-Achse bewegt und wiederholt durchstrahlt. – Das bekannte Verfahren ist ebenfalls zeitaufwändig. Abgesehen davon können durch Bewegungen der Organe bei der zeitversetzten Aufnahme der Schichten unter verschiedenen Winkeln Artefakte bei der Berechnung des Topogramms hervorgerufen werden.

Aus James T. Dobbins III and Devon J. Godfrey "Digital x-ray tomosynthesis: current state of the art and clinical potential", Phys. Med. Biol. 48 (2003) R65-R106 sowie aus James T. Dobbins III "Chest Radiography, Pt. 3: Chest Tomosynthesis", http://www.imagingeconomics.com/library/tools/printengine.asp ?printArticleID=200505-05 sind so genannte digitale Röntgentomosynthese-Verfahren bekannt. Dabei wird ein zu untersuchender Bereich eines Körpers unter verschiedenen Winkeln durchstrahlt, wobei als Detektor ein Flachdetektor verwendet wird. Unter Verwendung geeigneter Algorithmen kann damit ein Tomosynthesebild mit einer hohen Auflösung in einer vorgegebenen Schichttiefe des Körpers erzeugt werden. Das Verfahren der Röntgentomosynthese kann unter Verwendung herkömmlicher Röntgen-Computertomografen durchgeführt werden. Dazu ist es lediglich erforderlich, die unter verschiedenen vorgegebenen Winkeln erzeugten Aufnahmen unter Verwendung des geeigneten Algorithmus zum Tomosynthesebild zu verarbeiten.

Die DE 199 25 395 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Röntgen-Computertomografen. Dabei werden bei einer Volumendurchstrahlung gewonnene Daten zur Erzeugung eines Topogramms extrahiert. Zur Verbesserung der Qualität des Topogramms werden die zu einer gewünschten Projektionsrichtung gehörenden Daten aus mehreren Zeilen des Detektorsystems ausgelesen und zur Rekonstruktion des Topogramms verwendet. – Über eine Einstellung und/oder Ermittlung einer optimalen Röntgendosis der verwendeten Strahlungen in Abhängigkeit der jeweils durchstrahlten Schichten ist in diesem Dokument nichts ausgesagt.

Die EP 0 531 993 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schichtbildern sowie Topogrammen mittels eines Röntgen-Computertomografen. Dabei wird der Patient spiralförmig durchstrahlt. Die bei der spiralförmigen Durchstrahlung gewonnenen Messwerte werden zur Herstellung von Schnittbildern weiterverarbeitet. Gleichzeitig werden unter einem vorgegebenen Winkel aufgenommene Messwerte zu einem Topogramm weiterverarbeitet. Sowohl das Schnittbild als auch das Topogramm werden zeitgleich dargestellt. Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE 41 03 588 C1 bekannt. Dabei wird zusätzlich vorgeschlagen, dass die Aufnahme bei Erreichen eines radiologisch erkennbaren Endpunkts abgebrochen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere ein Verfahren und ein Röntgen-Computertomograf angegeben werden, welche die Herstellung von Schattenbildern mit einem geringen Zeitaufwand und bei Applizierung einer möglichst geringen Röntgendosis ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 14 und 16 bis 28.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass die Röntgenquelle lediglich beim Durchfahren eines vorgegebenen, die erste Winkelposition enthaltenden Sektors Δφ betrieben wird, indem bei Erreichen der vorgegebenen ersten Winkelposition ein erster Röntgenpuls erzeugt wird. – Nach dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Erzeugung von Schattenbildern während der kontinuierlichen spiralförmigen Abtastbewegung der Röntgenquelle relativ zu dem zu untersuchenden Körper. Es ist also nicht mehr erforderlich, die Röntgenquelle in die vorgegebene erste Winkelposition zu verfahren, dort festzuhalten und nachfolgend das erste Schattenbild zu erzeugen. Nach dem Gegenstand des vorgeschlagenen Verfahrens wird lediglich bei Erreichen der ersten Winkelposition ein erster Röntgenpuls erzeugt. Die erste Winkelposition liegt innerhalb eines Sektors Δφ, welcher von der Röntgenquelle bei jeder Umdrehung durchfahren wird. Indem lediglich innerhalb des Sektors zur Erzeugung von Schattenbildern jeweils lediglich ein Röntgenpuls erzeugt wird, wird die applizierte Röntgendosis erheblich vermindert.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sektor einen Winkel von höchstens 100°. Innerhalb eines derart begrenzten Sektors lassen sich Schattenbilder für unterschiedliche steuerungstechnische oder diagnostische Zwecke herstellen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Herstellung eines zweigen Schattenbilds unter einer vorgegebenen, von der ersten Winkelposition verschiedenen, im Sektor Δφ enthaltenen zweiten Winkelposition bei Erreichen der vorgegebenen zweiten Winkelposition ein zweiter Röntgenpuls erzeugt. Dabei sind die erste und die zweite Winkelposition zweckmäßigerweise um 10° bis 100°, vorzugsweise 90°, voneinander verschieden. In diesem Fall. kann auf der Grundlage des ersten und des zweiten Schattenbilds vorteilhafterweise eine für den jeweils zu durchstrahlenden Bereich des Körpers optimale Röntgendosis zur Herstellung eines Schnittbilds berechnet werden. Das er möglicht insbesondere während einer auf die Herstellung der Schattenbilder folgenden Volumendurchstrahlung eine Modulation eines zur Erzeugung der Röntgenstrahlung verwendeten Röntgenstroms entsprechend der ermittelten optimalen Röntgendosis. Damit können die Qualität der bei der Volumendurchstrahlung hergestellten Schnittbilder verbessert und gleichzeitig die applizierte Röntgendosis verringert werden.

Indem erfindungsgemäß das/die Schattenbild/er während der kontinuierlichen Spiralbewegung der Röntgenquelle relativ zum zu durchstrahlenden Körper aufgenommen werden, kann die Temperatur in einem die Röntgenquelle und den Matrixdetektor aufnehmenden Rotor einer Gantry in einem relativ engen Temperaturbereich gehalten werden. Es können Temperaturschwankungen vermieden werden, welche eine unerwünschte Drift in einer im Rotor angebrachten Elektronik verursachen.

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhafterweise insbesondere auch möglich, auf der Grundlage des ersten und des zweiten Schattenbilds ein Tiefeninformation umfassendes 3D-Schattenbild herzustellen. In diesem Fall sind die erste und die zweite Winkelposition zweckmäßigerweise 10° bis 30°, vorzugsweise 15°, voreinander verschieden. Das ermöglicht auf der Grundlage herkömmlicher stereoskopischer Verfahren die Herstellung eines 3D-Schattenbilds mit Tiefeninformation.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass der erste und der zweite Röntgenpuls sowie unter einer vorgegebenen, von der ersten und zweiten Winkelposition verschiedenen, im Sektor enthaltenen dritten Winkelposition ein dritter Röntgenpuls zur Herstellung eines dritten Schattenbilds erzeugt werden. Unter Verwendung des ersten, zweiten und dritten Schattenbilds kann vorteilhafterweise nach einem Tomosynthese-Verfahren ein Tiefenschichtbild hergestellt werden. Indem beim kontinuierlichen Betrieb lediglich innerhalb des Sektors die zur Herstellung des ersten, zweiten und drit ten Schattenbilds erforderlichen Röntgenpulse erzeugt werden, kann die applizierte Röntgendosis besonders gering gehalten werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, innerhalb des Sektors Δφ mehr als drei Schattenbilder zur Herstellung eines Tiefenschichtbilds nach dem Tomosynthese-Verfahren aufzunehmen. Zweckmäßigerweise werden gemäß der vorliegenden Erfindung 15 bis 80 Schichtbilder innerhalb des Sektors Δφ aufgenommen und nachfolgend nach dem Tomosynthese-Verfahren zu einem Tiefenschichtbild weiterverarbeitet. Die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens im kontinuierlichen Betrieb ermöglicht eine besonders schnelle Herstellung von Tiefenschichtbildern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei Erreichen der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Winkelposition jeweils ein aus einem Hochenergiepuls und einem Niedrigenergiepuls gebildeter Doppelpuls erzeugt. Alternativ dazu kann beim Durchfahren des Sektors Δφ als erster und/oder zweiter und/oder dritter Röntgenpuls ein Hochenergiepuls und beim nächst folgenden Durchfahren des Sektors Δφ als weiterer erster, weiterer zweiter und/oder weiterer dritter Röntgenpuls ein Niedrigenergiepuls erzeugt werden. Aus dem unter Verwendung des zumindest eines Hochenergiepulses gewonnenen Hochenergie-Datensatzes kann ein Hochenergiebild und aus dem unter Verwendung des zumindest einen Niedrigenergiepulses gewonnenen Niedrigenergie-Datensatzes ein Niedrigenergiebild erzeugt werden. Damit ist es möglich, selektiv Gewebe einer vorgegebenen bestimmten Dichte darzustellen. So können beispielsweise Knochenbilder und, zweckmäßigerweise unter Verwendung geeigneter Subtraktionsverfahren, Gewebebilder hergestellt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine erste Spannung und eine erste Belichtungszeit zur Erzeugung des zumindest einen Hochenergiepulses – einerseits – und eine zweite Spannung und eine zweite Belichtungszeit zur Erzeugung des zumindest einen Niedrigenergiepulses – an dererseits – so gewählt, dass der Hochenergie- und der Niedrigenergiepuls etwa die gleiche Röntgendosis verursachen. Damit können die Hochenergiebilder und die Niedrigenergiebilder mit einer im Wesentlichen gleichen Bildqualität bei gleichzeitig geringerer Strahlenbelastung eines Patienten aufgenommen werden. Das wechselseitige Verstellen zweier Stellgrößen, nämlich Spannung und Belichtungszeit, ist mit geringem Aufwand durchführbar.

Nach einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird zumindest während der Erzeugung des Röntgenpulses eine der Röntgenquelle im Strahlengang nachgeordnete Blende vollständig geöffnet. Damit ist es möglich, auf den Matrixdetektor ein Schattenbild zu projizieren, welches sich über dessen gesamte Zeilentiefe in z-Richtung erstreckt. Es können damit vom zu untersuchenden Bereich des Körpers überlappende Schattenbilder aufgenommen werden. Durch geeignete Interpolationsverfahren ist es möglich, daraus besonders exakte Schattenbilder herzustellen.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung sind bei einem Röntgen-Computertomograf eine Pulserzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines ersten Röntgenpulses bei Erreichen der vorgegebenen ersten Winkelposition und eine Steuereinrichtung zum Betreiben einer Pulserzeugungseinrichtung lediglich beim Durchfahren der Röntgenquelle eines vorgegebenen, die erste Winkelposition enthaltenden Sektors Δφ vorgesehen. – Mit dem vorgeschlagenen Röntgen-Computertomograf ist es möglich, innerhalb lediglich eines Sektors Δφ unter zumindest einer vorgegebenen Winkelposition unter Verwendung eines ersten Röntgenpulses ein erstes Schattenbild herzustellen. Indem zur Erzeugung des ersten Schattenbilds die Röntgenquelle außerhalb des Sektors Δφ ausgeschaltet bleibt und innerhalb des Sektors Δφ lediglich bei Erreichen vorgegebener Winkelpositionen gepulst betrieben wird, kann die applizierte Röntgendosis erheblich vermindert werden. Gleichzeitig ist ein kontinuierlicher Betrieb des Röntgen-Computertomografen möglich, bei dem die Röntgenquelle relativ zu dem zu untersuchenden Körper spiralförmig mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Zur Herstellung eines Schattenbilds ist es insbesondere nicht erforderlich, die Röntgenquelle unter der vorgegebenen ersten Winkelposition anzuhalten und nachfolgend wieder in Bewegung zu setzen. Der vorgeschlagene kontinuierliche Betrieb und die Erzeugung von Röntgenpulsen an vorgegebenen Winkelpositionen innerhalb des Sektors Δφ ermöglicht einen Betrieb des Röntgen-Computertomografen bei einer gleich bleibenden Temperatur. Eine durch Temperaturfluktuationen bedingte Drift elektronischer Komponenten wird vorteilhafterweise vermieden.

Bei der erfindungsgemäßen Pulserzeugungseinrichtung kann es sich um eine herkömmliche Einrichtung zur Erzeugung von Röntgenpulsen handeln. Dabei wird eine Pulsbreite entsprechend etwa einer Integrationszeit des Matrixdetektors eingestellt. Typische Pulsbreiten liegen im Bereich von 300 bis 600 μs, vorzugsweise 400 bis 450 μs.

Bei der Steuereinrichtung zum Betreiben bzw. Ansteuern der Pulserzeugungseinrichtung handelt es sich üblicherweise um einen Computer mit einem geeigneten Steuerprogramm. Damit können innerhalb des Sektors Δφ die erste Winkelposition und ggf. weitere Winkelpositionen eingestellt werden, unter denen ein oder mehrere Schattenbilder hergestellt werden sollen.

Der Sektor Δφ umfasst einen Winkel von höchstens 100°. In einem solchen Sektor Δφ lassen sich zur Ermittlung von Steuerungsparametern sowie für diagnostische Zwecke erforderliche Schattenbilder erzeugen. Indem die Röntgenquelle zur Herstellung von Schattenbildern zumindest außerhalb des Sektors Δφ nicht betrieben wird, kann die applizierte Röntgendosis erheblich vermindert werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mit der Steuereinrichtung unter einer vorgegebenen, von der ersten Winkelposition verschiedenen, im Sektor Δφ enthaltenen zweiten Winkel position bei Erreichen der vorgegebenen zweiten Winkelposition ein zweiter Röntgenpuls zur Herstellung eines zweiten Schattenbilds erzeugbar. Dabei können die erste und die zweite Winkelposition um 10° bis 100°, vorzugsweise 90°, voneinander verschieden sein.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Recheneinrichtung zur Berechnung einer optimalen Röntgendosis für den jeweils durchstrahlten Bereich des Körpers auf der Grundlage des ersten und des zweiten Schattenbilds vorgesehen. Wenn insbesondere das erste und das zweite Schattenbild unter um 90° verschiedenen Winkelpositionen aufgenommen werden, lässt sich besonders effektiv eine optimale zur Herstellung eines Schnittbilds erforderliche Röntgendosis für den jeweils zu durchstrahlenden Bereich ermitteln. Bei der Recheneinrichtung kann es sich wiederum einen Computer mit einem geeigneten Programm handeln.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist eine Modulationseinrichtung zur Modulation eines zur Erzeugung der Röntgenstrahlung verwendeten Röhrenstroms entsprechend der ermittelten optimalen Röntgendosis während einer auf die Herstellung des zumindest einen Schattenbilds folgenden Volumendurchstrahlung vorgesehen. Mit der vorgeschlagenen Modulationseinrichtung können die applizierte Röntgendosis minimal gehalten und gleichzeitig eine optimale Bildherstellung gewährleistet werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist eine zweite Bilderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Tiefeninformation umfassenden 3D-Schattenbilds auf der Grundlage des ersten und des zweiten Schattenbilds vorgesehen. Dazu können das erste und das zweite Schattenbild unter Winkelpositionen aufgenommen werden, welche 12° bis 20°, vorzugsweise 15°, voneinander verschieden sind. Eine solche Aufnahme ermöglicht eine stereoskopische Projektion und damit die Herstellung eines 3D-Schattenbilds.

Nach einer weiteren Ausgestaltung sind mit der Steuereinrichtung der erste und der zweite Röntgenpuls sowie unter einer vorgegebenen, von der ersten und zweiten Winkelposition verschiedenen, im Sektor Δφ enthaltenen dritten Winkelposition ein dritter Röntgenpuls zur Herstellung eines dritten Schattenbilds erzeugbar. In diesem Fall kann eine dritte Bilderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Tiefenschichtbilds unter Verwendung des ersten, zweiten und dritten Schattenbilds nach einem Tomosynthese-Verfahren vorgesehen sein.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines aus einem Hochenergiepuls und einem Niedrigenergiepuls gebildeten Doppelpulses vorgesehen sein, so dass jeweils bei Erreichen der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Winkelposition ein Doppelpuls gebildet wird. Alternativ dazu kann auch eine Einrichtung zum abwechselnden Erzeugen zumindest eines Hochenergiepulses und zumindest eines Niedrigenergiepulses vorgesehen sein, so dass beim Durchfahren des Sektors Δφ als erster und/oder zweiter und/oder dritter Röntgenpuls ein Hochenergiepuls und beim nächstfolgenden Durchfahren des Sektors Δφ ein weiterer erster, weiterer zweiter und/oder weiterer dritter Röntgenpuls ein Niedrigenergiepuls erzeugt werden. Ferner kann eine dritte Bilderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Hochenergiebilds aus dem mit dem zumindest einen Hochenergiepuls gewonnenen Hochenergie-Datensatz und eines Niedrigenergiebilds aus dem mit dem zumindest einen Niedrigenergiepuls gewonnen Niedrigenergie-Datensatz vorgesehen sein. Mit dem Hochenergie-Datensatz lassen sich besonders exakt Körperabschnitte mit einer hohen Dichte, beispielsweise Knochen oder dgl., darstellen. Mit dem Niedrigenergie-Datensatz lassen sich insbesondere Körperabschnitte mit einer niedrigen Dichte, beispielsweise Weichteile, Organe und dgl., darstellen. Durch entsprechende Subtraktionsverfahren kann die Auflösung der jeweils unter Verwendung unterschiedlicher Energien hergestellten Röntgenbilder weiter verbessert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Einstelleinrichtung zum Einstellen einer ersten Spannung und einer ersten Belichtungszeit zur Erzeugung des zumindest einen Hochenergiepuls – einerseits – und einer zweiten Spannung und einer zweiten Belichtungszeit zur Erzeugung des zumindest einen Niedrigenergiepulses – andererseits – vorgesehen, derart, dass der Hochenergie- und der Niedrigenergiepuls etwa die gleiche Röntgendosis verursachen. Das Umschalten der Röntgenquelle vom Hochenergie- auf den Niedrigenergiebetrieb kann insbesondere außerhalb des Sektors Δφ erfolgen. Das ermöglicht auch die Verwendung von Röntgenquellen mit einem relativ trägen Umschaltverhalten.

Nach einer besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mit der Steuereinrichtung eine der Röntgenquelle im Strahlengang nachgeordnete Blende derart ansteuerbar, dass die Blende während der Erzeugung des Röntgenpulses automatisch vollständig geöffnet ist. Damit öffnet sich ein von der Röntgenquelle abgestrahlter Röntgenfächer in z-Richtung so weit, dass der Matrixdetektor über seine gesamte in z-Richtung sich erstreckende Zeilentiefe bestrahlt wird. Es können damit Schattenbilder mit maximaler Erstreckung in z-Richtung erzeugt werden.

Bei den Bilderzeugungseinrichtungen sowie bei der Steuereinrichtung kann es sich zweckmäßigerweise wiederum um einen Computer handeln, der mit geeigneten Programmen zur Bilderzeugung sowie zur Steuerung der Blende versehen ist. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Röntgen-Computertomografen,
2 eine schematische Ansicht der Messanordnung bei der Aufnahme eines Schattenbilds,
3 eine schematische Ansicht der Messanordnung bei der Aufnahme zweier Schattenbilder zur Ermittlung einer optimalen Röntgendosis,
4 eine schematische Ansicht der Messanordnung bei der Aufnahme zweier Schnittbilder zur Herstellung eines stereoskopischen 3D-Schnittbilds und
5 eine schematische Ansicht der Messanordnung bei der Aufnahme dreier Schnittbilder zur Herstellung eines Tiefenschichtbilds.
In 1 sind eine Röntgenquelle 1 und ein Matrixdetektor 2 an einem um eine z-Achse Z rotierbaren Rotor R einer Gantry (hier nicht gezeigt) in gegenüberliegender Anordnung angebracht. Der Matrixdetektor 2 umfasst mehrere in Rotationsrichtung φ sich erstreckende Zeilen 3, wobei jede der Zeilen 3 aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Detektorelemente 4 besteht. Eine durch die in z-Richtung nebeneinander liegenden Zeilen 3 gebildete Tiefe des Matrixdetektors 2 wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch als Zeilentiefe bezeichnet.
Innerhalb des Rotors R ist parallel zur z-Achse Z ein kontinuierlich bewegbarer Patiententisch 5 angeordnet, auf dem ein zu untersuchender Körper 6, beispielsweise der Körper eines Patienten, aufgenommen ist. Eine dem Matrixdetektor 2 nachgeordnete Auswerteelektronik 7 ist mit einem Computer 8 verbunden. Am Computer 8 sind ferner ein Bildschirm 9 sowie eine hier nicht näher dargestellte Eingabeeinrichtung, beispielsweise eine Tastatur und/oder eine Maus, angeschlossen. Außerdem umfasst der Computer 8 eine Steuereinrichtung 10, welche mit einem Sensor 11 zur Erfassung der jeweiligen Winkelposi tion der Röntgenquelle 1 und mit einer Pulserzeugungseinrichtung 12 zur Erzeugung von Hochspannungspulsen verbunden ist.
Die Funktion des in 1 gezeigten Röntgen-Computertomografen wird nunmehr unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 2 bis 5 näher erläutert.
Zur Herstellung eines einzelnen Schattenbilds bzw. Topogramms wird zunächst die gewünschte Winkelposition φ1 an ein auf dem Computer 8 vorgesehenes Steuerprogramm übergeben. Mit dem Steuerprogramm werden die Rotation des Rotors R, die Ansteuerung der Pulserzeugungseinrichtung 12 zur Erzeugung von Hochspannungspulsen und die Auswerteelektronik 7, insbesondere unter Verwendung der vom Sensor 11 gelieferten Signale, so angesteuert, dass bei Erreichen der vorgegebenen ersten Winkelposition φ1 der Röntgenquelle 1 automatisch mittels der Pulserzeugungseinrichtung 12 ein Hochspannungspuls und damit ein Röntgenpuls P1 mit der Röntgenquelle 1 erzeugt werden. Ein mit dem Matrixdetetkor 2 erfasstes Schattenbild wird mittels der Auswerteeinrichtung 7 digitalisiert. Der dabei erzeugte Datensatz wird an ein erstes Bildauswertungsprogramm übergeben, welches ebenfalls auf den Computer 8 vorgesehen ist. Mit dem ersten Bildauswertungsprogramm werden die nacheinander aufgenommenen, in z-Richtung teilweise überlappenden Schattenbilder unter Verwendung herkömmlicher Algorithmen zu einem Gesamtschattenbild verarbeitet.
3 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei werden innerhalb eines Sektors Δφ von hier 90° unter einer vorgegebenen ersten Winkelposition φ1 durch Erzeugen eines ersten Röntgenpulses P1 ein erstes Schattenbild und unter einer um 90° davon verschiedenen zweiten Winkelposition φ2 durch Erzeugen eines zweiten Röntgenpulses P2 ein zweites Schattenbild aufgenommen. Aus den beiden Schattenbildern wird nach herkömmlichen Verfahren eine optimale Röntgendosis für die Durchstrahlung des jeweiligen Bereichs des Körpers 6 zur Herstellung von Schnittbildern berechnet. Bei einer anschlie ßenden Volumendurchstrahlung zur Herstellung von Schnittbildern wird dann gemäß dem berechneten optimalen Röntgendosen ein dazu korrespondierender Röhrenstrom in Abhängigkeit einer Position der Röntgenquelle 1 in z-Richtung entsprechend moduliert. Damit kann eine besonders gute Qualität der hergestellten Schichtbilder erreicht und gleichzeitig die applizierte Röntgendosis minimal gehalten werden.
4 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei werden innerhalb eines Sektors Δφ von 10° bis 20°, vorzugsweise 15°, wiederum unter einer ersten Winkelposition φ1 ein erstes Schattenbild und unter einer zweiten Winkelposition φ2 ein zweites Schattenbild aufgenommen. Der Sektor Δφ, in welchem die beiden Winkelpositionen φ1, φ2 liegen, beträgt hier höchstens 20°. Unter derartigen Winkelpositionen φ1, φ2 aufgenommene Schattenbilder eignen sich nach dem Prinzip der Stereoskopie zur Herstellung von 3D-Schattenbildern nach herkömmlichen Verfahren. 3D-Schattenbilder umfassen vorteilhafterweise Tiefeninformationen. – Indem auch hier entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des ersten und zweiten Schattenbilds jeweils lediglich ein erster P1 und ein zweiter Röntgenpuls P2 innerhalb des Sektors Δφ erzeugt wird, kann die applizierte Röntgendosis besonders gering gehalten werden. Die Erzeugung der Röntgenpulse P1, P2 erfolgt während der kontinuierlichen Rotation des Rotors R und der kontinuierlichen Bewegung des Körpers 6 in z-Richtung. Das Verfahren ist besonders zeitsparend.
4 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei werden innerhalb eines Sektors Δφ von etwa 50° unter einer ersten Winkelposition φ1 ein erstes Schattenbild, unter einer zweiten Winkelposition φ2 ein zweites Schattenbild und unter einer dritten Winkelposition φ3 ein drittes Schattenbild aufgenommen. Die erste φ1, die zweite φ2 und die dritte Winkelposition φ3 sind etwa um jeweils 25° voneinander verschieden. Mittels derart unter verschiedenen Winkelpositionen aufgenommener erster, zweiter und dritter Schattenbilder kann nach einem herkömmlichen Tomosynthese-Verfahren ein Tiefenschichtbild hergestellt werden. Auch in diesem Fall wird lediglich innerhalb eines relativ kleinen Sektors Δφ von weniger als 80°, vorzugsweise weniger als 60°, zur Herstellung jedes der Schichtbilder jeweils ein kurzer Röntgenpuls P1, P2, P3 mit einer Pulsbreite von beispielsweise 430 μs erzeugt. Die Erzeugung der Schichtbilder erfolgt wiederum während der relativ zum Körper 6 spiralförmigen Bewegung der Röntgenquelle 1. – Selbstverständlich ist es auch möglich, zur Herstellung besonders genauer Tiefenschichtbilder nach dem Tomosynthese-Verfahren nicht nur drei Schichtbilder, sondern beispielsweise 15 bis 80 Schichtbilder innerhalb des Sektors Δφ, von z. B. 10°–30°, vorzugsweise 20°, jeweils unter Verwendung von Röntgenpulsen aufzunehmen und nachfolgend entsprechend weiter zu verarbeiten. In dem auch zur Aufnahme einer größeren Anzahl von Schichtbildern lediglich Röntgenpulse verwendet werden, kann dennoch die applizierte Dosis gering gehalten werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zweckmäßigerweise bei jeder Umdrehung jeweils bei Erreichen der jeweiligen Winkelposition/en φ1, φ2, φ3 ein Röntgenpuls P1, P2, P3 und infolgedessen ein Schattenbild erzeugt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, dass jeweils nach dem Durchfahren des Sektors Δφ mittels einer der Pulserzeugungseinrichtung 12 vorgeschalteten Stelleinrichtung (hier nicht gezeigt) eine Spannung der Röhre sowie eine Belichtungszeit so geändert werden, dass bei im Wesentlichen gleich bleibender Röntgendosis sich die Energie der Röntgenpulse P1, P2, P3 abwechselnd geändert wird. Es können z. B. bei einer Umdrehung zunächst Hochenergieröntgenpulse und bei der nächstfolgenden Umdrehung Niedrigenergiepulse usw. erzeugt werden. Vorteilhafterweise kann das Umschalten zwischen Hoch- und Niedrigenergiepulsen schon dann erfolgen, wenn die Röhrenröhre 1 den Sektor Δφ verlassen hat. Das ermöglicht auch die Verwendung herkömmlicher relativ träger Röntgenquellen 1 oder Einstelleinrichtungen. Mit der vorgeschlagenen abwechselnden Herstellung von Schattenbildern mittels Hoch- und Niedrigenergiepulsen lassen sich zusätzliche Informationen, insbesondere über die Struktur eines durchstrahlten Gewebes, Knochens oder dgl. gewinnen. Zur Herstellung entsprechend differenzierter Bilder können herkömmliche Bilderzeugungsverfahren verwendet werden.
Zur Herstellung eines einzelnen Schattenbilds, eines 3D-Schattenbilds oder eines Tiefenschichtbilds nach dem Tomosynthese-Verfahren können im Computer 8 Bilderzeugungseinrichtungen bzw. -programme vorgesehen sein, mit welchen die erzeugten Schattenbilder nach herkömmlichen Verfahren entsprechend verarbeitet werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine der Röntgenquelle 1 nachgeordnete Blende (hier nicht gezeigt) mittels des im Computer 8 vorgesehenen Steuerprogramms bei Anwählen einer Funktion zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. zur Erzeugung von Schattenbildern, automatisch maximal geöffnet, so dass mit den erzeugten Röntgenpuls P die vollständige Zeilentiefe des Matrixdetektors 2 mit Röntgenstrahlung beaufschlagt wird. Das ermöglicht die Herstellung überlappender Schichtbilder in jeder der Winkelpositionen φ1, φ2 oder φ3. Die überlappenden Schichtbilder können mittels geeigneter Verfahren, beispielsweise Interpolationen, korrigiert und es können damit besonders exakte Gesamtschattenbilder hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich auch bei Röntgen-Computertomografen angewendet werden, an dessen Rotor R in gegenüberliegender Anordnung nicht nur eine Röntgenquelle 1 und ein Matrixdetektor 2, sondern beispielsweise in senkrechter Anordnung dazu eine weitere Röntgenquelle und in gegenüberliegender Anordnung ein weiterer Matrixdetektor angebracht sind.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines ersten Schattenbilds mit einem Röntgen-Computertomograf unter einer vorgegebenen ersten Winkelposition (φ1), wobei eine um eine z-Achse (Z) rotierbare Röntgenquelle (1) zusammen mit einem in gegenüberliegender Anordnung dazu angebrachten Matrixdetektor (2) um einen in eine Richtung parallel zur z-Achse (Z) kontinuierlich bewegten Körper (6) zur Erzeugung einer relativ zum Körper (6) spiralförmigen Bewegung kontinuierlich rotiert werden, wobei der Körper (6) unter einer vorgegebenen ersten Winkelposition (φ1) der Röntgenquelle (1) mit Röntgenstrahlung durchstrahlt und infolge dessen vom Matrixdetektor (2) erfasste Signale in einen dazu korrespondierenden Datensatz umgewandelt werden, und wobei unter Verwendung zumindest eines solchen Datensatzes das erste Schattenbild erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle (1) lediglich beim Durchfahren eines vorgegebenen, die erste Winkelposition (φ1) enthaltenden Sektors Δφ betrieben wird, indem bei Erreichen der vorgegebenen ersten Winkelposition (φ1) ein erster Röntgenpuls (P, P1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sektor Δφ einen Winkel von höchstens 100° umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Herstellung eines zweiten Schattenbilds unter einer vorgegebenen, von der ersten Winkelposition (φ1) verschiedenen, im Sektor Δφ enthaltenen zweiten Winkelposition (φ2) bei Er reichen der vorgegebenen zweiten Winkelposition (φ2) ein zweiter Röntgenpuls (P2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste (φ1) und die zweite Winkelposition (φ2) um 10° bis 100°, vorzugsweise 90°, voneinander verschieden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Grundlage des ersten und des zweiten Schattenbilds eine für den jeweils durchstrahlten Bereich des Körpers (6) optimale Röntgendosis zur Herstellung eines Schnittbilds berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während einer auf die Herstellung der Schattenbilder folgenden Volumendurchstrahlung ein zur Erzeugung der Röntgenstahlen verwendeter Röhrenstrom entsprechend der ermittelten optimalen Röntgendosis moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Grundlage des ersten und des zweiten Schattenbilds ein Tiefeninformation umfassendes 3D-Schattenbild hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste (P1) und der zweite Röntgenpuls (P2) sowie unter einer vorgegebenen, von der ersten (φ1) und zweiten Winkelposition (φ2) verschiedenen, im Sektor Δφ enthaltenen dritten Winkelposition (φ3) ein dritter Röntgenpuls (P3) zur Herstellung eines dritten Schattenbilds erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unter Verwendung des ersten, zweiten und dritten Schattenbilds nach einem Tomosynthese-Verfahren ein Tiefenschichtbild hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Erreichen der ersten (φ1), und/oder der zweiten (φ2) und/oder der dritten Winkelposition (φ3) jeweils ein aus einem Hochenergiepuls und einem Niedrigenergiepuls gebildeter Doppelpuls erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Durchfahren des Sektors Δφ als erster (P1) und/oder zweiter (P2) und/oder dritter Röntgenpuls (P3) der Hochenergiepuls erzeugt und beim nächst folgenden Durchfahren des Sektors Δφ als weiterer erster, weiterer zweiter und/oder weiterer dritter Röntgenpuls der Niedrigenergiepuls erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus dem unter Verwendung des zumindest einen Hochenergiepulses gewonnenen Hochenergie-Datensatzes ein Hochenergiebild und aus dem unter Verwendung des zumindest einen Niedrigenergiepulses gewonnenen Niedrigenergie-Datensatzes ein Niedrigenergiebild erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Spannung und eine erste Belichtungszeit zur Erzeugung des zumindest einen Hochenergiepulses – einerseits – und eine zweite Spannung und eine zweite Belichtungszeit des zumindest einen Niedrigenergiepulses – andererseits – so gewählt sind, dass der Hochenergie- und der Niedrigenergiepuls etwa die gleiche Röntgendosis verursachen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest während der Erzeugung des Röntgenpulses (P) eine der Röntgenquelle (1) im Strahlengang nachgeordnete Blende vollständig geöffnet wird.
Röntgen-Computertomograf mit einer Gantry, an deren um eine z-Achse (Z) rotierbaren Rotor (R) eine Röntgenquelle (1) und in gegenüberliegender Anordnung dazu ein Matrixdetektor (2) angebracht sind, einer Bewegungseinrichtung (5) zum kontinuierlichen Bewegung eines zu untersuchenden Körpers (6) innerhalb der Gantry in eine Richtung parallel zur z-Achse (Z), so dass mit der Röntgenquelle (1) relativ zum Körper (6) eine spiralförmigen Bewegung ausführbar und der Körper (6) unter einer vorgegebenen ersten Winkelposition (φ1) der Röntgenquelle (1) mit Röntgenstrahlung durchstrahlbar ist, einer Umwandlungseinrichtung (7) zur Umwandlung der vom Matrixdetektor (2) unter der ersten Winkelposition (φ1) erfassten Signale in einen dazu korrespondierenden Datensatz, und einer ersten Bilderzeugungseinrichtung (8) zur Erzeugung eines ersten Schattenbilds unter Verwendung zumindest eines solchen Datensatzes, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulserzeugungseinrichtung (12) zum Erzeugen eines ersten Röntgenpulses (P, P1) bei Erreichen der vorgegebenen ersten Winkelposition (φ1) und eine Steuereinrichtung (10) zum Betreiben der Pulserzeugungseinrichtung (12) lediglich beim Durchfahren der Röntgenquelle (1) eines vorgegebenen, die erste Winkelposition (φ1) enthaltenden Sektors Δφ vorgesehen sind.
Röntgen-Computertomograf nach Anspruch 15, wobei der Sektor Δφ einen Winkel von höchstens 100° umfasst.
Röntgen-Computertomograf nach Anspruch 15 oder 16, wobei mit der Steuereinrichtung (10) unter einer vorgegebenen, von der ersten Winkelposition (φ1) verschiedenen, im Sektor Δφ enthaltenen zweiten Winkelposition (φ2) bei Erreichen der vorgegebenen zweiten Winkelposition (φ2) ein zweiter Röntgenpuls (P2) zur Herstellung eines zweiten Schattenbilds erzeugbar ist.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die erste (φ1) und die zweite Winkelposition (φ2) um 10° bis 100°, vorzugsweise 90°, voneinander verschieden sind.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei eine Recheneinrichtung (8) zur Berechnung einer zur Herstellung eines Schnittbilds optimalen Röntgendosis für den jeweils durchstrahlten Bereich des Körpers (6) auf der Grundlage des ersten und des zweiten Schattenbilds vorgesehen ist.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei eine Modulationseinrichtung (8) zur Modulation eines zur Erzeugung der Röntgenstahlen verwendeter Röhrenstroms entsprechend der ermittelten optimalen Röntgendosis während einer auf die Herstellung des zumindest einen Schattenbilds folgenden Volumendurchstrahlung vorgesehen ist.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei eine zweite Bilderzeugungseinrichtung (8) zur Erzeugung eines Tiefeninformation umfassenden 3D-Schattenbilds auf der Grundlage des ersten und des zweiten Schattenbilds vorgesehen ist.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei mit der Steuereinrichtung (10) der erste (P1) und zweite Röntgenpuls (P2) sowie unter einer vorgegeben von der ersten (φ1) und zweiten Winkelposition (φ2) verschiedenen, im Sektor Δφ enthaltenen dritten Winkelposition (φ3) ein dritter Röntgenpuls (P3) zur Herstellung eines dritten Schattenbilds erzeugbar sind.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei eine dritte Bilderzeugungseinrichtung (8) zur Erzeugung eines Tiefenschichtbilds unter Verwendung des ersten, zweiten und dritten Schattenbilds nach einem Tomosynthese-Verfahren vorgesehen ist.
Röntgen-Computertomografen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 23, wobei eine Einrichtung zur Erzeugung eines aus einem Hochenergiepuls und einem Niedrigenergiepuls gebildeten Doppelpulses vorgesehen ist, so dass jeweils bei Erreichen der ersten (φ1) und/oder zweiten (φ2) und/oder dritten Winkelposition (φ3) ein Doppelpuls erzeugt wird.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei eine Einrichtung zum abwechselnden Erzeugen zumindest eines Hochenergiepulses und zumindest eines Niedrigenergiepulses vorgesehen ist, so dass beim Durchfahren des Sektors Δφ als erster (P1) und/oder zweiter (P2) und/oder dritter Röntgenpuls (P3) ein Hochenergiepuls und beim nächst folgenden Durchfahren des Sektors Δφ als weiterer erster, weiterer zweiter und/oder weiterer dritter Röntgenpuls ein Niedrigenergiepuls erzeugt werden.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei eine vierte Bilderzeugungseinrichtung (8) zur Erzeugung eines Hochenergiebilds aus dem mit dem zumindest einen Hochenergiepuls gewonnenen Hochenergie-Datensatz und eines Niedrigenergiebilds aus dem mit dem zumindest einen Niedrigenergiepulses gewonnenen Niedrigenergie-Datensatz vorgesehen ist.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 26, wobei eine Einstelleinrichtung zum Einstellen einer ersten Spannung und einen ersten Belichtungszeit zur Erzeugung des zumindest einen Hochenergiepulses – einerseits – und einer zweiten Spannung und einer zweiten Belichtungszeit zur Erzeugung des zumindest einen Niedrigenergiepulses – anderer seits – vorgesehen ist, derart, dass der Hochenergie- und der Niedrigenergiepuls etwa die gleiche Röntgendosis verursachen.
Röntgen-Computertomograf nach einem der Ansprüche 15 bis 27, wobei mit der Steuereinrichtung (10) eine der Röntgenquelle im Strahlengang nachgeordnete Blende derart ansteuerbar ist, die Blende während der Erzeugung des Röntgenpulses automatisch vollständig geöffnet ist.