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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Streustrahlungskorrektur eines
CT-Systems mit mindestens zwei winkelversetzt zueinander auf einer
rotierbaren Gantry angeordneten und gleichzeitig betriebenen Fokus-Detektor-Systemen,
wobei zum Scan eines Objektes die winkelversetzt zueinander angeordneten
Fokus-Detektor-Systeme das Objekt abtasten, indem sie um eine Systemachse
des CT-Systems rotieren und für
eine Vielzahl einzelner Strahlen Absorptionswerte aus dem gemessenen
Verhältnis der
gemessenen Strahlungsintensität
zur ungeschwächten
Strahlungsintensität
bestimmt werden, die gemessenen Werte einer Streustrahlkorrektur
unterzogen werden, und mit Hilfe der ermittelten Absorptionsdaten
CT-Aufnahmen oder CT-Volumendaten des Objektes rekonstruiert werden.
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Grundsätzlich ist
es bekannt, dass beim CT-Verfahren Streustrahlungseffekte entstehen,
die zu Ungenauigkeiten bei der Messung der Absorption von Röntgenstrahlung
führen.
Hierbei wird, betrachtet man zunächst
diesen Effekt bei Ein-Fokus-Detektor-Systemen,
das Problem der Streustrahlung um so größer, je breiter der verwendete
Strahlenfächer
aufgeweitet ist, da die Orte, an denen Streustrahlung entsteht,
entsprechend zunehmen. Gegen diesen bekannten Effekt werden bei
solchen CT-Systemen vor dem Detektor sogenannte Streustrahlkollimatoren
angebracht, die vor jedem Detektorelement nur die direkte Strahlrichtung
zwischen Detektorelement und Fokus freigeben und alle anderen Richtungen weitgehend
abschatten. Auch bei den Zwei- oder Mehr-Fokus-Detektor-Systemen
werden solche Streustrahlkollimatoren eingesetzt. Allerdings können diese
Streustrahlkollimatoren nicht die Streustrahlung mindern, die durch
Strahlen eines winkelversetzt angeordneten anderen Fokus entstehen
und die gleiche räumliche
Orientierung aufweisen, die der eigentliche direkte Strahl besitzt, der
von einem dem Detektor gegenüberliegenden
Fokus stammt und dessen Intensität
gemessen werden soll.
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Es
besteht also grundsätzlich
das Problem, den Anteil dieser Streustrahlung an der gesamten gemessenen
Intensität
der Strahlung zu bestimmen und die gemessene Strahlungsintensität um diesen Anteil
zu korrigieren.
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Ein ähnliches
Verfahren zur Streustrahlkorrektur in einem Zwei-Fokus-Detektor-System
ist zum Beispiel aus der Patentschrift
DE 102 32 429 B3 bekannt.
Bei dieser Patentschrift werden zwei winkelversetzt zueinander angeordnete
Fokus-Detektor-Systeme
zumindest zeitweise abwechselnd betrieben, so dass in dem jeweils
nicht angeschalteten Fokus-Detektor-System die tatsächlich auftretende Streustrahlung,
die aus dem im Betrieb befindlichen Fokus-Detektor-System stammt,
direkt gemessen werden kann. Um diese Methode durchzuführen, ist es
notwendig die Röntgenquellen
zumindest teilweise alternierend zu betreiben, wodurch zumindest
in dem Detektor der Röntgenröhre, die
nicht betrieben wird, zu diesen Zeiten Bildinformationen aus dem CT-Scan
fehlen, so dass Lücken
bei der Datenakquisition entstehen.
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Bei
dieser Variante des Betriebs ergibt sich das Problem, dass die Abtastung
während
des alternierenden Ein/Ausschaltens der Röhre beziehungsweise der Strahlung
nicht vollständig
ist und Lücken aufweist.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur
Streustrahlungskorrektur eines CT-Systems mit mindestens zwei winkelversetzt zueinander
angeordneten Fokus-Detektor-Systemen zu finden, welches einerseits
zu einer vollständigen lückenlosen
Abtastung führt,
andererseits jedoch die tatsächlich
auftretende Streustrahlung des aktuell gescannten Objektes misst.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass es bei mindestens zwei winkelversetzt
angeordneten Fokus-Detektor-Systemen möglich ist durch eine individuelle
und bekannte Modulation der Strahlungsintensität je Fokus-Detektor-System
die Streustrahlungsanteile wechselseitig sowohl zu erkennen als
auch quantitativ zu detektieren, wobei die Modulation der Strahlungsintensität sich in
einem Intensitätsbereich
bewegt, bei dem auch mit den Minimalwerten eine messbare Abtastung
erreicht wird. Hierdurch ergeben sich keine zeitlichen Lücken in
der Abtastung der mindestens zwei Fokus-Detektor-Systeme, da auch bei
der minimal verwendeten Strahlungsintensität ausreichender Photonenfluss
für eine
Messung vorliegt.
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Entsprechend
dem Erfindungsgedanken wird also jedem einzelnen Fokus-Detektor-System eine
Strahlungsintensitätsänderung
mit einer bestimmten Frequenz beziehungsweise einer bestimmten Phase
auf moduliert, deren Eigenart ausreicht, im jeweils anderen Fokus-Detektor-System
oder dem jeweils anderen Fokus-Detektor-Systemen,
die zur Streustrahlung eines Fokus-Detektor-Systems beitragen, diesen
Anteil der Streustrahlung aufgrund dieser individuellen Modulation
der Strahlungsintensität
detektieren zu können.
Dies kann einerseits dadurch geschehen, dass die Modulation der
Strahlung im betrachteten Fokus-Detektor-System derart vorgenommen
wird, dass sie dort unbeobachtet bleibt, während die Modulation des/der
anderen Fokus-Detektor-Systems/e erkennbar wird. Beispielsweise kann
hier eine bestimmte Synchronisation mit der Abtastrate, mit der
die einzelnen Detektorelemente des Detektors abgetastet werden,
in Betracht kommen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Modulation der
Strahlungsintensitäten
mit unterschiedlichen Frequenzen oder Phasenverschiebungen auszustatten,
die sie individuell detektierbar werden lässt. Ist nun andererseits der
Grad der Modulation der Strahlungsintensität eines bestimmten Fokus-Detektor-Systems
bekannt, so kann aufgrund dieses bekannten Modulationsgrades direkt
darauf geschlossen werden, wie hoch der Anteil der Streustrahlung, der
durch die so modulierte Strahlung hervorgerufen wird, an der Gesamtstrahlung
ist.
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Wird
beispielsweise in einem System A die Strahlung um ± 10% moduliert,
in einem anderen Fokus-Detektor-System wiederum eine Veränderung der
Strahlungsintensität
um ± 1%
gemessen, so muss der Streustrahlungsanteil überschlägig gesehen 10% betragen. Selbstverständlich ist
im praktischen Fall diese Berechnung mathematisch genau durchzuführen.
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Entsprechend
diesem Grundgedanken schlägt
der Erfinder ein Verfahren zur Streustrahlungskorrektur eines CT-Systems
vor, welches mit mindestens zwei winkelversetzt zueinander auf einer rotierbaren
Gantry angeordneten und gleichzeitig betriebenen Fokus-Detektor-Systemen
ausgestattet ist, die jeweils einen Fokus und einen die direkte
Strahlung dieses Fokus empfangenden zugeordneten Detektor aufweisen,
wobei
- – in
jedem der mindestens zwei Fokus-Detektor-Systeme in einer Röntgenröhre durch
einen Röhrenstrom
mit einer Röhrenspannung
Röntgenstrahlung
erzeugt wird,
- – zum
Scan eines Objektes die winkelversetzt zueinander angeordneten Fokus-Detektor-Systeme das
Objekt mit der erzeugten Röntgenstrahlung abtasten,
indem sie um eine Systemachse des CT-Systems rotieren und für eine Vielzahl
einzelner Strahlen im Raum Absorptionswerte aus dem gemessenen Verhältnis der
gemessenen Strahlungsintensität
zur ungeschwächten
Strahlungsintensität
der einzelnen Strahlen bestimmt werden, wobei
- – die
gemessenen Werte einer Streustrahlkorrektur unterzogen werden, und
- – mit
Hilfe der ermittelten Absorptionsdaten CT-Aufnahmen oder CT-Volumendaten
des Objektes rekonstruiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Verbesserung
dieses Verfahren besteht darin, dass die Strahlungsintensität der ausgesendeten
Strahlung jedes Fokus-Detektor-Systems um einen Mittelwert größer 50%
der maximalen Strahlungsintensität
individuell zeitabhängig variiert
wird, und im jeweils zugeordneten Detektor der Streustrahlungsanteil
von anderen nicht zugeordneten Fokus-Detektor-Systemen dadurch bestimmt wird,
dass entweder deren individuelle zeitliche Variation der Strahlungsintensität mit dem
zugeordneten Fokus-Detektor-System nicht übereinstimmt oder deren individuelle
zeitliche Variation der Strahlungsintensität mit einem nicht zugeordneten
Fokus-Detektor-System, also einem potentiellen streustrahlungserzeugenden
System, übereinstimmt.
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Bezüglich dieses
grundlegenden oben geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens liegen nun unterschiedliche
Varianten im Rahmen der Erfindung, die dieses Grundprinzip nutzen.
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Einerseits
kann das erfindungsgemäße Verfahren
dahingehend ausgestattet werden, dass genau zwei Fokus-Detektor-Systeme
mit gleicher Abtastfrequenz verwendet werden, die Strahlungsintensitäten beider
Fokus-Detektor-Systeme mit gleicher Funktion und Periode variiert
werden, wobei diese Perioden identisch zur Periode der Abtastfrequenz der
Detektoren der Fokus-Detektor-Systeme sind, und die Perioden der
Variation der Strahlungsintensitäten
und Abtastfrequenzen der Fokus-Detektor-Systeme um ein ganzzahliges
Vielfaches von π/2
gegeneinander versetzt und innerhalb eines Fokus-Detektor-Systems
synchron ausgeführt
sind.
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Bei
einer derartigen Variante wird also zusätzlich die Eigenschaft der
Fokus-Detektor-Systeme genutzt, wonach die einzelnen dort befindlichen
Detektoren beziehungsweise deren Detektorelemente mit einer bestimmten
Abtastfrequenz regelmäßig abgetastet
werden, wobei nun das Abtastverhalten und die Strahlungsvariation
der einzelnen Detektorsysteme so aufeinander abgestimmt werden,
dass jeweils die vorgenommene Variation der Strahlungsintensitäten in dem
Fokus-Detektor-System, in dem die Strahlung zur direkten Abtastung
verwendet wird, über
die Abtastzeit egalisiert wird, während die Strahlungsintensitäten, die
vom anderen streustrahlungsproduzierenden Fokus-Detektor-System
erzeugt werden, eine direkte Modulation der gemessenen Strahlung
erzeugen. Wird dieser Anteil bestimmt, ist die Höhe der Variation der Strahlungsintensität aus dem
streustrahlungserzeugenden Fokus-Detektor-System bekannt, so kann
direkt auf den tatsächlich
gemessenen Anteil an Streustrahlung rückgeschlossen werden.
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Besonders
günstig
ist es hierbei, wenn die Strahlungsintensität der ausgesendeten Strahlung der
Fokus-Detektor-Systeme um einen Mittelwert größer 80%, vorzugsweise größer 90%,
der maximalen Strahlungsintensität
zeitlich variiert wird. Durch diese Maßnahme behält die Strahlungsintensität über die
gesamte Dauer des Scans eine Größenordnung
bei, bei der keine Lücken
in der Abtastung entstehen, so dass keine Artefakte oder Fehlstellen
auftreten.
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Bezüglich der
zeitlichen Variation der Strahlungsintensität wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass diese trapezartig um einen Mittelwert verlaufen kann. Es besteht
jedoch auch die Möglichkeit, diese
Strahlungsintensität
sinusförmig
variieren zu lassen oder ähnliche
Formen der Variation zu wählen.
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In
einer konkreten Ausführung
des vorstehend beschriebenen Verfahren schlägt der Erfinder auch vor, dass
bei einer Variation der Strahlungsintensität des nicht zugeordneten Fokus-Detektor-Systems
um ± x%
und einem gemessenen Unterschied ± y% der Strahlungsintensität zwischen
benachbarten Detektorelementen der Streustrahlungsanteil z% mit
berechnet wird.
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In
einer anderen Variation können
bezogen auf das selbe Detektorelement bei einer Variation der Strahlungsintensität des nicht
zugeordneten Fokus-Detektor-Systems um ± x% und einer gemessenen
Strahlungsintensität
SA i / n einer n-ten Abtastperiode die Streustrahlanteile OS
i B→A berechnet
werden mit:
für Abtastperioden beziehungsweise
Integrationsperioden mit positiver Variation der Strahlungsintensität, und
für Abtastperioden beziehungsweise
Integrationsperioden mit negativer Variation der Strahlungsintensität, wobei
i eine Laufnummer für
die betrachteten Detektorelemente und n die Nummer der zeitlich
aufeinander folgenden Abtastperioden darstellt.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Detektorsysteme A und B bezüglich der
jeweiligen Berechnung der Streustrahlintensität austauschbar sind.
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In
einer anderen Variante, die gegenüber der zuvor beschriebenen
zeitorientierten Variationsbetrachtung nun ortsorientiert ist, schlägt der Erfinder vor,
dass bezogen auf die selbe Abtastperiode bei einer Variation der
Strahlungsintensität
des nicht zugeordneten Fokus-Detektor-Systems um ± x% und
einer gemessenen Strahlungsintensität SA i / n des n-ten Detektorelements
E
n und einer gemessenen Strahlungsintensität SA i / nn eines
benachbarten Detektorelementes E
nn mit unterschiedlich
gerichteter Variation der Strahlungsintensität die Streustrahlanteile OS
i X→Y vom ersten Fokus-Detektor-System
X zum zweiten Fokus-Detektor-System Y berechnet werden mit:
für Abtastperioden beziehungsweise
Integrationsperioden mit positiver Variation der Strahlungsintensität, und
für Abtastperioden beziehungsweise
Integrationsperioden mit negativer Variation der Strahlungsintensität, wobei
i eine Laufnummer für
die betrachteten Detektorelemente darstellt.
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Bei
den oben beschriebenen Varianten wird eine Variation der Strahlungsintensitäten mit
der Abtastfrequenz durchgeführt,
wobei die Fokus-Detektor-Systeme bezüglich ihrer Phase relativ zum
direkt bestrahlten Detektor um π/2
versetzt und bezüglich des
jeweils anderen Detektor mit gleicher Phase beziehungsweise um n
versetzt betrieben werden.
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Eine
grundsätzlich
andere Ausführungsart des
erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die Variation der Strahlungsintensität über mehrere
von Integrationsperioden der Detektoren hinweg laufen, wobei mit
Hilfe entsprechender Filter oder digitaler Signalverarbeitung die
Zugehörigkeit
des Anteils und Größe des Anteile
der erzeugten Streustrahlung bestimmt wird.
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Gemäß diesem
Gedanken schlägt
der Erfinder vor, dass das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend ausgestaltet
wird, dass bei mindestens zwei Fokus-Detektor-Systemen die Strahlungsintensitäten der
Fokus-Detektor-Systeme mit gleichen Frequenzen jedoch unterschiedlicher
Phase variiert werden, in mindestens einem Detektorelement im jeweils
nicht direkt bestrahlten Detektorsystem mindestens eines Fokus-Detektor-Systems
die Variation der Strahlungsintensität mit einer zu einem anderen Fokus-Detektor-System
gehörenden
anderen Phase detektiert wird und aufgrund der detektierten Strahlung
mit der anderen Phase und des bekannten Anteils der Variation der
erzeugten Strahlungsintensität mit
dieser Phase der Streustrahlungsanteil in diesem Fokus-Detektor-System
bestimmt wird. Das heißt
also, in dieser Variante wird einerseits die Größe der Variation der Strahlung
durch den Streustrahlungsanteil bestimmt und mit dem bekannten Prozentsatz
der Variation der Streustrahlung aus dem jeweils anderen Fokus-Detektor-System
verglichen, wobei die Detektion durch die gegenseitige Phasenverschiebung
der Strahlungsvariation der beiden Fokus-Detektor-Systeme bestimmt
wird.
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Hierbei
kann die Frequenz der Variation der Strahlungsintensität niedriger
sein, vorzugsweise um mindestens den Faktor 3 niedriger sein, als
die Abtastfrequenzen der Detektorsysteme.
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Eine
weitere Variante sieht vor, dass genau zwei Fokus-Detektor-Systeme
verwendet werden und die Phasenverschiebung zwischen den Frequenzen
der Variation der Strahlungsintensität ein ganzzahliges Vielfaches
von π/2
beträgt.
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Neben
dieser phasenbezogenen Detektion des Streustrahlungsanteils besteht
auch die Möglichkeit,
die Streustrahlung frequenzbezogen zu detektieren. Hierzu wird vorgeschlagen,
dass bei mindestens zwei Fokus-Detektor-Systemen die Strahlungsintensitäten der
Fokus-Detektor-Systeme mit inkommensurablen Frequenzen variiert
werden, in mindestens einem Detektorelement im jeweils nicht direkt bestrahlten
Detektorsystem mindestens eines Fokus-Detektor-Systems die Variation
der Strahlungsintensität
mit einer zu einem anderen Fokus-Detektor-Systems gehörenden anderen Frequenz zu
detektieren und aufgrund des Anteils der detektierten Strahlung
mit der anderen Phase und des anderen bekannten Anteils der Variation
der erzeugten Strahlungsintensität
mit dieser Phase den Streustrahlungsanteil in diesem Fokus-Detektor-System
zu bestimmen.
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Auch
hierbei schlägt
der Erfinder vor, die Frequenz der Variation der Strahlungsintensität niedriger auszulegen,
vorzugs weise um mindestens einen Faktor 3 niedriger auszulegen,
als die Abtastfrequenzen der Detektorsysteme.
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Ebenso
wird vorgeschlagen, genau zwei Fokus-Detektor-Systeme zu verwenden.
In einer besonders günstigen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem mit langsameren Frequenzen gearbeitet wird und die Detektion
der Streustrahlung phasen- beziehungsweise frequenzbezogen stattfindet,
wird vorgeschlagen, dass für
jedes Fokus-Detektor-System ein Monitoring der direkten Strahlung,
vorzugsweise direkt an der Röntgenröhre, und
eine Normierung der Messungen auf diese direkte Strahlung stattfindet.
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Außerdem wird
vorgeschlagen, die Strahlungsintensität der ausgesendeten Strahlung
der Fokus-Detektor-Systeme um einen Mittelwert größer 80%,
vorzugsweise größer 90%,
der maximalen Strahlungsintensität
zeitlich zu variieren.
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Die
zeitliche Variation der Strahlungsintensität der Fokus-Detektor-Systeme kann beispielsweise trapezartig
oder sinusförmig
oder in einer anderen gleichmäßig wiederkehrenden
Art um den Mittelwert verlaufen.
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Zur
Vermeidung zu großer örtlicher
Schwankungen schlägt
der Erfinder auch vor, dass die ermittelten Korrekturwerte des oben
beschriebenen Verfahrens und/oder die Messwerte, welche zur Ermittlung
der Korrekturwerte führen über mehrere
Abtastperioden gemittelt werden. Zusätzlich oder alternativ können diese
Werte auch über
einen gewissen Detektorbereich, also über mehrere benachbarte Detektorelemente
gemittelt werden. Diese Mittelwertbildung kann zeilenweise oder
flächenmäßig, z.B.
ohne Einschränkung
der Allgemeinheit über
2×2, 3×3 oder 4×4 Pixel,
geschehen.
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Es
wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass das oben beschriebene Verfahren nicht auf
zwei Fokus-Detektor-Systeme beschränkt ist, sondern dass es auch
im Rahmen der Erfindung liegt, dieses Verfahren entsprechend auch
auf drei oder mehr Fokus-Detektor-Systeme zu übertragen.
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Weiterhin
schlägt
der Erfinder vor, dass die zeitliche Variation der Strahlungsintensität der Fokus-Detektor-Systeme
durch eine Variation des Röhrenstroms
oder durch eine Variation der Beschleunigungsspannung an der Röntgenröhre vorgenommen wird,
wobei die Variation der Beschleunigungsspannung, insbesondere bei
der Verwendung hoher Frequenzen, günstiger ist, da der Röhrenstrom
bauartbedingt wesentlich träger
reagiert als die Beschleunigungsspannung zu variieren ist.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele
mit Hilfe der Figuren näher
beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen
Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden Bezugszeichen verwenden: 1:
CT-System; 2: erste Röntgenröhre (System
A); 3: erster Detektor (System A); 4: zweite Röntgenröhre (System
B); 5: zweiter Detektor (System B); 6: Gantrygehäuse; 7:
Patient; 8: verfahrbare Patientenliege; 9: Systemachse; 10:
Steuer-/Recheneinheit; 11: Speicher; 12: erstes
Strahlenbündel (System
A); 13: Streustrahlung zum zweiten Detektor aus dem ersten
Strahlenbündel; 14:
zweites Strahlenbündel
(System B); 15: Streustrahlung zum ersten Detektor aus
dem zweiten Strahlenbündel; 16:
Dosisleistungsprofil der ersten Röntgenröhre (System A); 17:
Dosisleistungsprofil der zweiten Röntgenröhre (System B); 18:
Integrationsperioden des ersten Detektors (System A); 19:
Integrationsperioden des zweiten Detektors (System B); 20:
Normierungsschritt; 21: Bandpassfilter; 22: Normierte
Detektorsignale; 23: Phasensynchrone Detektion; 24:
Harmonischer Oszillator; 25: Streustrahlungskorrektur; 26: Dosisleistungsmodulation; 27:
Monitoring der Dosisleistung an der ersten Röntgenröhre (System A); 28: Monitoring
der Dosisleistung an der zweiten Röntgenröhre (System B); 29:
Nominalwert/Mittelwert der Dosisleistung; 30: Verfahrensschema
zur Streustrahlkorrektur; DA: Detektor des
Systems A; DB: Detektor des Systems B; Ḋ(t):
zeitlich variierende Strahlungsintensität; En:
Detektorelemente; FA: Fokus des Systems
A; FB: Fokus des Systems B; fA:
Abtastfrequenz des Systems A; fB: Abtastfrequenz
des Systems B; FDSA: Fokus-Detektor-System
des Systems A; FDSB: Fokus-Detektor-System
des Systems B; IA: Röhrenstrom des Systems A; IB: Röhrenstrom
des Systems B; OSi B→A:
Streustrahlanteil der Röntgenröhre des
Systems B in den Detektor des Systems A der Abtastperiode n im Detektorkanal
i; pA: Periode des Systems A; pB:
Periode des Systems B; Prgx: Computerprogramm;
SAn: gesamte Strahlungsintensität im Detektor
des Systems A in der Abtastperiode n; SA i / n: Strahlungsintensität im Detektor
des Systems A in der Abtastperiode n im Detektorkanal i; UA: Röhrenspannung
des Systems A; UB: Röhrenspannung des Systems B; φA: Phase des Systems A; φB:
Phase des Systems B; νA: Frequenz des Systems A; νB:
Frequenz des Systems B.
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Es
zeigen im Einzelnen:
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1 Schematische
Darstellung der direkten und gestreuten Strahlung zweier winkelversetzter Fokus-Detektor-Systeme;
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2 Dosisleistungsprofile
und Integrationsperioden der beiden Fokus-Detektor-Systeme aus 1;
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3 Auswirkung
der phasenversetzten Dosisleistungsprofile auf die detektierte Dosis
im Detektorsystem A;
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4 Auswirkung
der phasenversetzten Dosisleistungsprofile auf die detektierte Dosis
im Detektorsystem B;
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5 Schematische
Darstellung einer phasenverschobenen Dosisleistungsvariation zweier
Fokus-Detektor-Systeme
mit geringerer Frequenz gegenüber
den Integrationsperioden der Detektorsysteme;
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6 Verfahrensschema
zur Streustrahlungskorrrektur des Fokus-Detektor-Systems A;
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7 Verfahrensschema
zur Streustrahlungskorrrektur des Fokus-Detektor-Systems B; und
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8 CT-System
mit zwei winkelversetzt angeordneten Fokus-Detektor-Systemen.
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Die 1 zeigt
eine Prinzipdarstellung eines Computertomographen mit einem Schnitt
durch ein Gantrygehäuse
mit zwei um 90° winkelversetzt
angeordnete Fokus-Detektor-Systeme, wobei das erste Fokus-Detektor-System
eine Röntgenröhre 2 und
einen gegenüberliegenden
Detektor 3 aufweist und das zweite Fokus-Detektor-System
eine ebenfalls auf der Gantry angeordnete Röntgenröhre 4 mit einem gegenüberliegenden
Detektor 5 aufweist. Das Fokus-Detektor-System mit der
Röntgenröhre 2 und dem
Detektor 3 soll im Folgenden als „A"-System und das winkelversetzte Fokus-Detektor-System
mit der Röntgenröhre 4 und
dem Detektor 3 als „B"-System bezeichnet
werden. Von der Röntgenröhre 2 ausgehend
ist das Strahlenbündel 12 dargestellt,
welches zum gegenüberliegenden
Detektor 3 führt,
während von
der Röntgenröhre 4 ein
Strahlenbündel 14 zu dem
dieser Röhre
gegenüberliegenden
Detektor 5 führt.
Im Abtastbereich der beiden Fokus-Detektor-Systeme A und B befindet
sich ein Patient 7, an dem das jeweilige Strahlenbündel wechselwirkt
und eine Streustrahlung erzeugt, die von dem nicht direkt bestrahlten
Detektor gemessen wird.
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So
erzeugt das Strahlenbündel 14 eine Streustrahlung 13,
die am Detektor 3 gemessen wird, während das Strahlenbündel 12 eine
Streustrahlung 15 erzeugt, die am Detektor 5 gemessen
wird. Auf diese Weise kommt es zu einer Verfälschung der Absorptionsdaten,
die bekanntlich aus dem Verhältnis zwischen
der Strahlenintensität
mit und ohne Patient 7 bestimmt wird, so dass die zusätzlich detektierte Streustrahlung
des jeweils anderen Fokus-Detektor-Systems eine verminderte Absorption
vortäuscht.
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Das
Ziel der Erfindung ist es also, ein System zu finden, bei dem der
Anteil der Streustrahlung aus dem jeweils winkelversetzt angeordneten
Fokus-Detektor-System detektiert werden kann, so dass die Größe der tatsächlich stattfindenden
Absorption ohne Verfälschungseffekte
durch auftreffende Streustrahlung aus dem jeweils anderen Fokus-Detektor-System
detektiert wird.
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Ein
wesentliches Problem besteht dabei darin, dass nicht immer das gleiche
Objekt, sondern unterschiedliche Objekte, also unterschiedliche
Patienten, gescannt werden, so dass aufgrund der sich ständig verändernden
geometrischen Bedingungen auch unterschiedliche Streustrahlungsanteile
von Objekt zu Objekt entstehen. Die im Stand der Technik bekannten
Methoden, nach denen zum Beispiel die Streustrahlung durch Messungen
an Phantomen bestimmt werden, sind dadurch nur bedingt geeignet die
tatsächlichen
Streustrahlanteile zu definieren.
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Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, jedem Fokus-Detektor-System eine eindeutige Eigenschaft
mitzugeben, die auch die Streustrahlung beeinflusst, so dass mit
Hilfe von aktuellen Messungen festgestellt werden kann, welcher
Anteil der Strahlung, die am jeweiligen Detektor gemessen wird,
von der gegenüberliegenden
Röhre stammt, beziehungsweise
von einer winkelversetzt dazu angeordneten Röntgenröhre stammt und damit als Streustrahlung
zu werten ist. Als individuelle Eigenschaft kann den jeweiligen
Strahlungen der unterschiedlichen Fokus-Detektor-Systeme eine bestimmte
Frequenz beziehungsweise Phasenverschiebung in der Dosisvariation
mitgegeben werden, wobei die Größe der Dosisvariation
im jeweiligen Fokus-Detektor-System
bekannt ist. Aufgrund dieser bekannten Eigenschaften lässt sich
somit der Anteil direkter Strahlung beziehungsweise der Anteil der
gemessenen Streustrahlung unmittelbar bestimmen.
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Hierzu
schlägt
der Erfinder in einem bevorzugten Beispiel, wie es in der 2 dargestellt
ist, vor, das Dosisleistungsprofil der beiden Röntgenröhre gemäß der 1 um ± 10% zu
variieren, wobei ein Phasenversatz zwischen den beiden Fokus-Detektor-System
von π/2
vorliegt. Die Frequenz der Dosisleistungsvariation wird dabei derart
abgestimmt, dass sie identisch mit der Abtastrate der Detektorsysteme ist,
wobei zwischen der Frequenz der Dosis eines Fokus-Detektor-Systems
und der Abtastrate ebenfalls ein Phasenversatz von π/2 vorliegt,
so dass die Dosisleistungsvariation im direkt bestrah len Detektor
jeweils in einer Integrationsperiode des Detektors beziehungsweise
der Detektorelemente des Detektors ausgemittelt wird, während der
als Streustrahlung zum winkelversetzt angeordneten Detektor ankommende
Strahlungsanteil synchron mit der Integrationsperiode des winkelversetzt
angeordneten Detektors verläuft,
so dass die Dosisänderung
im vollem Maße
gemessen wird.
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Die 2 zeigt
ein erstes Dosisleistungsprofil 16, des Fokus-Detektor-Systems
A, welches eine 10%-ige Variation um den Nominalwert, dargestellt durch
die Linie 29, aufweist. Darunter ist das Dosisleistungsprofil 17 des
um 90° winkelversetzt
angeordneten Fokus-Detektor-Systems B gezeigt, welches mit einem
Phasenversatz von π/2
zum Dosisleistungsprofil 16 verläuft. Darunter wiederum sind die
Integrationsperioden des Detektors A beziehungsweise darunter des
Detektors B gezeigt, wobei von links nach rechts die Zeitachse t
verläuft.
Betrachtet man nun das Dosisleistungsprofil 16 mit den Integrationsperioden 18 des
Fokus-Detektor-Systems A so ist aufgrund des trapezförmigen Verlaufs und
der Phasenverschiebung zwischen dem Dosisleistungsprofil 16 und
der Integrationsperioden 18 zu erkennen, dass die Variation
in der Dosisleistung über
die gesamte Integrationsdauer des direkt bestrahlten Detektors ausgemittelt
ist, so dass für
den jeweils direkt bestrahlten Detektor eine gleichmäßige Dosisleistung über die
Integrationsperioden gemittelt erscheint. Die gleiche Situation
gilt für
das Dosisleistungsprofil 17 und die Integrationsperioden 19 des Fokus-Detektor-Systems
B. Betrachtet man jedoch die Auswirkung durch das Dosisleistungsprofil 16 auf die
Integrationsperioden 19, also die Intensitätsänderung,
die durch die Streustrahlung vom Fokus A auf das Detektorsystem
B übertragen
wird, so ist zu erkennen, dass durch die phasengleich verlaufenden Variationen
zu den Integrationsperioden des winkelversetzt angeordneten Detektorsystems
die Änderung
des Dosisleistungsprofils 16 im Detektorsystem B zu 100
% durchschlägt.
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In
den 3 und 4 ist diese Situation nochmals
für jedes
Fokus-Detektor-System A beziehungsweise B getrennt dargestellt.
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In
der 3 ist oben das Dosisleistungsprofil 16 mit
einer 10%-igen Schwankung um einen Nominalwert 29 dargestellt,
während
darunter das Dosisleistungsprofil 17 des streustrahlerzeugenden
Fokus-Detektor-Systems B aufgetragen ist. Darunter sind die Integrationsperioden
des Detektors aus dem Fokus-Detektor-System
A dargestellt, wobei unten in dem von links unten nach rechts oben
schraffierten Anteil der ausintegrierte Dosisanteil aus dem direkt einstrahlenden
Fokus, während
oben der Streustrahlungsanteil mit einer Schraffur von links oben
nach rechts unten gezeigt ist. Aufgrund des zuvor beschriebenen
Phasenversatzes zwischen den Integrationsperioden und der Dosisvariation
des direkt einstrahlenden Fokus A ergibt sich für den direkten Strahlungsanteil über die
Integrationsperiode eine Veränderung.
Voraussetzung ist hierbei selbstverständlich, dass auch keine bis
minimale Änderungen in
der Absorption über
die Integrationsperioden vorliegt. Bei dem im oberen Teil dargestellten
Streustrahlungsanteil tritt jedoch eine Veränderung von ± 20 %
des gesamten Streustrahlungsanteils auf.
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Die
gleiche Situation ist für
das Fokus-Detektor-System B in der 4 dargestellt.
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Vergleicht
man nun zwei benachbarte Integrationsperioden eines Detektorelementes,
so lässt sich – ausgehend
davon, dass zwischen den Integrationsperioden keine großen Änderungen
in der gemessenen Absorption vorliegen – der Anteil der Streustrahlung
an der gesamten gemessenen Strahlung aufgrund der bekannten Variationsverhältnisse bestimmen.
Wird außerdem über mehrere
Integrationsperioden oder über
ein kleines Detektorfeld, z.B. 2×2, 3×3 oder 4×4 Pixel, gemittelt, so egalisieren
sich mögliche
Schwankungen.
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Eine
andere Möglichkeit
den Streustrahlungsanteil aus den direkten Messungen mehrerer winkelversetzt
angeordneter Fokus-Detektor-Systeme
zu bestimmen ist in der 5 dargestellt. Hierbei werden
die beiden Dosisleistungsprofile 16 und 17 mit
einer wesentlich geringeren Frequenz gegenüber den Integrationsperioden 18, 19 der
Detektoren der Fokus-Detektor-Systeme A und B gezeigt, wobei die Integrationsperioden
in dieser Variation über
beide Fokus-Detektor-Systeme phasengleich angeordnet sind. Der Grundgedanke
besteht dabei darin, dass in beiden Fokus-Detektor-Systemen die
Variation der Strahlungsintensität
durch Monitormessungen, bei denen eine Streustrahlung ausgeschlossen
werden kann, ausgeglichen werden, so dass lediglich die Variation
der Streustrahlung als Dosisveränderung
gemessen wird.
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Die
beiden Ablaufschemata der beiden Messpfade für die Fokus-Detektor-Systeme A und B sind in den 6 und 7 dargestellt,
wobei diese „mit
umgekehrten Vorzeichen" im
Grunde identisch ablaufen.
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Die 6 zeigt
den Verfahrensablauf für
das Fokus-Detektor-System A. Hier wird von der Röntgenröhre 2 ausgehend, der
Detektor 3 direkt bestrahlt, wobei über einen Referenzdetektor 27 die
Variation der Dosisleistung im System A gemessen wird und eine entsprechende
Normalisierung im Verfahrensschritt 20 stattfindet. Im
Anschluss an den Verfahrensschritt 20 wird das normalisierte
Signal über einen
Bandpassfilter 21 mit schmaler Bandbreite geleitet, so
dass nur die Signalkomponenten mit der entsprechenden Frequenz zu
einer phasensynchronen Detektion 23 weitergegeben werden,
wo lediglich die mit der Phase des streustrahlungserzeugenden Fokus-Detektor-Systems B übereinstimmende Signale
bestimmt werden. Hierzu wird die von einem harmonischen Oszillator 24 erzeugte
Frequenz an die phasensynchrone Detektion 23 weitergeleitet,
die auch für
die Dosismodulation 26 in der streustrahlungserzeugenden
Röntgenröhre 4 verwendet
wird. Aus den beiden Informationen des normalisierten Signals 22 der
direkten Strahlung und des Anteils der Streustrahlung wird im Schritt 25 der Streustrahlungsanteil
bestimmt und eine entsprechende Korrektur durchgeführt.
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Die 7 zeigt
die entsprechende Situation wie 6, jedoch
für das
jeweils winkelversetzte Fokus-Detektor-System.
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Eine
beispielhafte Ausführung
eines Computertomographie-Systems,
welches das erfindungsgemäße Verfahren
der Streustrahlungskorrektur gemäß den 6 und 7 anwendet,
ist in der 8 dargestellt.
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Diese
zeigt in einer schematischen 3D-Darstellung ein CT-System 1,
welches zwei um 90° winkelversetzte
Fokus-Detektor-Systeme
aufweist, wobei das erste Fokus-Detektor-System eine Röntgenröhre 2 und
einen Detektor 3 und das zweite Fokus-Detektor-System eine Röntgenröhre 4 und
einen gegenüberliegenden
angeordneten Detektor 5 enthält. Die beiden Fokus-Detektor-Systeme
sind auf einer hier nicht näher
dargestellten Gantry in einem Gantrygehäuse 6 angeordnet.
Das gesamte CT-System wird durch eine Rechen- und Steuereinheit 10 gesteuert,
wo auch mit Hilfe der im Speicher 11 enthaltenen Programme
Prg1 bis Prgn neben
der Steuerung die entsprechende Auswertung, insbesondere auch die
Streustrahlungskorrektur, stattfindet.
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Für den Scan
wird ein Patient 7 durch eine Öffnung im Gantrygehäuse entlang
der Systemachse 9 mit Hilfe einer verfahrbaren Patientenliege
geschoben, während
die beiden Fokus-Detektor-Systeme diesen Patienten 7 rotierend
abtasten. Die bei dieser Abtastung entstehende Streustrahlung im
jeweils winkelversetzt angeordneten Fokus-Detektor-System wird von
entsprechenden Computerprogrammen, wie zuvor beschrieben, detektiert
und eine entsprechende Streustrahlungskorrektur, wie es in dem Kasten 30 schematisch
dargestellt ist, durchgeführt.
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Hierbei
wird die Dosisleistung der Fokus-Detektor-Systeme so beeinflusst,
dass ein individueller Abdruck entsteht, der sich auch auf die – proportional zur
direkten Einstrahlung entstehenden – Streustrahlung auswirkt.
Aufgrund der bekannten Größe der Variation
lässt sich
anschließend
eine Aussage über den
prozentualen Anteil der Streustrahlung an der gesamten gemessenen
Strahlung im jeweiligen Detektorsystem machen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
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Insgesamt
wird also mit der Erfindung ein Verfahren zur Streustrahlungsdetektion
beziehungsweise zur Streustrahlungskorrektur vorgestellt, bei dem
jede erzeugte Strahlung mit einer individuellen zeitlichen Markierung/Variation
bekannter Größe versehen
wird, die Änderung
der gemessenen Strahlung auf diese typischen zeitlichen Variationen
untersucht wird und aus der gefundenen zeitlichen Variation auf den
Anteil der Streustrahlung zurückgeschlossen und
gegebenenfalls eine entsprechende Korrektur durchgeführt wird.