DE102008037348B4

DE102008037348B4 - Verfahren und Röntgen-CT-System zur Erzeugung tomographischer Darstellungen aus Projektionsdaten bezüglich drei unterschiedlicher Energiebereiche

Info

Publication number: DE102008037348B4
Application number: DE102008037348.6A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Popescu Stefan
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2028-08-13
Also published as: DE102008037348A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Röntgen-CT-Systems (1) mit zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierenden Strahler/Detektor-Kombinationen (A, B), enthaltend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. Abtastung des Untersuchungsobjektes (7) mit den zwei Strahler/Detektor-Kombinationen (A, B) über eine gesamte Abtastzeit (Tges), wobei 1.1.1. die Abtastung mit mindestens zwei unterschiedlichen Energiespektren stattfindet, 1.1.2. Projektionsdaten (P1, P2, P3) bezüglich drei unterschiedlicher Energiebereiche (E1, E2, E3) ermittelt werden mit einem niedrigen Energiebereich (E1) und zwei höheren Energiebereichen (E2, E3), 1.1.3. und für den niedrigen Energiebereich (E1) Projektionsdaten (P1) aus der gesamten Abtastzeit gesammelt werden, während für die beiden höheren Energiebereiche (E2, E3) Projektionsdaten jeweils aus einem Teil der Abtastzeit gesammelt werden, anschließende 1.2. Rekonstruktion (–) einer räumlichen Verteilung von mittleren energiebereichsspezifischen Absorptionskoeffizienten (μ(r, E1), μ(r, E2), μ(r, E3)) je Energiebereich (E1, E2, E3), 1.3. Bestimmung einer räumlichen Verteilung von effektspezifischen Anteilskoeffizienten (APE(r), ACO(r), AK(r)), und 1.4. kombinierte Darstellung der räumlichen Verteilung der effektspezifischen Anteilskoeffizienten (APE(r), ACO(r), AK(r)).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Röntgen-CT-Systems mit zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierenden Strahler/Detektor-Kombinationen, durch Abtastung des Untersuchungsobjektes mit den zwei Strahler/Detektor-Kombinationen, wobei die Abtastung mit mindestens zwei unterschiedlichen Energiespektren stattfindet, Projektionsdaten bezüglich drei unterschiedlicher Energiebereiche ermittelt werden, anschließende Rekonstruktion einer räumlichen Verteilung von Absorptionskoeffizienten und Darstellung der räumlichen Verteilung der Absorptionskoeffizienten.
In der Druckschrift B. M. Ohnesorge et al., Springer-Verlag 2007, ISBN 3-540-25523-0, ist ein Verfahren zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Röntgen-CT-Systems mit zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierenden Strahler/Detektor-Kombinationen bekannt (Abschnitt 8.4.1). Bei diesem Verfahren erfolgt eine Abtastung des Untersuchungsobjektes mit den zwei Strahler/Detektor-Kombinationen über eine gesamte Abtastzeit, wobei die Abtastung mit mindestens zwei unterschiedlichen Energiespektren, welche aus unterschiedlichen Röhrenspannungen der Röntgenröhre resultieren, betrieben (S. 339, linke Spalte, erster Absatz).
Weiterhin ist es aus der Offenlegungsschrift US 2008/0137803 A1 und der Druckschrift von S. J. Riederer and C. A. Mistretta, Medical Physics, Vol. 4, No. 6, 474–481, 1977, bekannt, dass durch Abtastung eines Untersuchungsobjektes mit einem Röntgen-CT-System mit einem in drei unterschiedliche Energiebereiche aufgeteilten Energiespektrum Informationen über die räumliche Verteilung der auf unterschiedlichen physikalischen Effekten – wie Photoeffekt, Comptoneffekt und K-Kantenabsorptionseffekt – basierenden Anteile am Schwächungsverhalten der Röntgenstrahlung erhalten werden kennen. Dargestellt werden die Anteile der Schwächung durch Angabe der – entsprechend dem verwendeten computertomographischen Verfahren – räumlich aufgeteilten effektspezifischen Anteilkoeffizienten des jeweiligen physikalischen Schwächungseffekts. Es wurde gezeigt, dass hiermit selektiv Anteile von Gewebe, Knochen und Iod dargestellt werden können.
Bei solchen Röntgenuntersuchungen über ein relativ großes Energiespektrum, zum Beispiel 20 keV bis 140 keV, ergibt sich das Problem von drastisch unterschiedlicher Dosisleistung einer Röntgenröhre je nach verwendeter Beschleunigungsspannung, also je nach erzeugtem und bezüglich der Auswertung betrachtetem Energiebereich. Dies führt bei minimierter Gesamtdosisbelastung zu unterschiedlichen Bildergebnissen aufgrund des stark unterschiedlichen Photonenflusses und daraus resultierender Statistik. Der Photonenfluss, den die heutigen Röntgenröhren, die in der CT in Einsatz kommen, produzieren, ist bei niedriger Beschleunigungsspannung wesentlich schwächer als bei höherer Beschleunigungsspannung. Um genügend Photonenstatistik für die Bildrekonstruktion zu erschaffen, muss in der Regel die gesamte Bestrahlungszeit mit niedriger Beschleunigungsspannung verlängert werden. Insbesondere bei der Untersuchung von strahlungsempfindlichen Untersuchungsobjekten, wie Patienten, ist jedoch darauf zu achten, dass die verwendete Gesamtdosis möglichst gering bleibt, jedoch gleichzeitig gut verwertbare Bildergebnisse erzeugt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zu finden, welches eine CT-Untersuchung mit drei unterschiedlichen Energiebereichen erlaubt, wobei bei minimaler verwendeter Gesamtdosis die Bildqualität bezüglich der einzelnen Energiebereiche in ähnlichen Größenordnungen liegt. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird auch ein entsprechendes CT-System gesucht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass es möglich ist dieses zusätzliche Problem zu lösen, indem die Abtastzeiten der Energiebereiche entsprechend der vorliegenden Dosisleistungen aufgeteilt werden und damit die verwendete Dosis in den Energiebereichen angeglichen wird. Bezogen auf unterschiedliche Ausführungsvarianten der CT-Systeme, insbesondere deren Detektoren in Ausführungen als integrierende einlagige Detektoren, zweilagige und über zwei Energiebereiche integrierende Detektoren oder energieauflösende Detektoren, ergeben sich die weiter unten beschriebenen speziellen Betriebsweisen unterschiedlicher CT-Systeme.
Mit Hilfe der Darstellung solcher effektspezifischen Anteilkoeffizienten lässt sich insbesondere auch Material spezifisch darstellen, welches im betrachteten Energiebereich der CT-Untersuchung eine K-Absorptionskante aufweist.
Weiterhin soll auch der Registrierungszeitversatz möglichst kurz gehalten werden. Es heißt, es soll das abzutastende Volumen innerhalb eines möglichst kurzen Zeitfensters mit allen Energiespektren abgetastet werden.
Entsprechend dieser Erkenntnisse schlägt der Erfinder ein Verfahren zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Röntgen-CT-Systems mit zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierenden Strahler/Detektor-Kombinationen vor, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte enthält:

– Abtastung des Untersuchungsobjektes mit den zwei Strahler/Detektor-Kombinationen über eine gesamte Abtastzeit, wobei
– die Abtastung mit mindestens zwei unterschiedlichen Energiespektren stattfindet,
– Projektionsdaten bezüglich drei unterschiedlicher Energiebereiche ermittelt werden mit einem niedrigen Energiebereich und zwei höheren Energiebereichen,
– und für den niedrigen Energiebereich Projektionsdaten aus der gesamten Abtastzeit gesammelt werden, während für die beiden höheren Energiebereiche Projektionsdaten jeweils aus einem Teil der Abtastzeit gesammelt werden, anschließende
– Rekonstruktion einer räumlichen Verteilung von mittleren energiebereichsspezifischen Absorptionskoeffizienten je Energiebereich,
– Bestimmung einer räumlichen Verteilung von effektspezifischen Anteilskoeffizienten, und
– kombinierte Darstellung der räumlichen Verteilung der effektspezifischen Anteilskoeffizienten.

Durch dieses Verfahren wird eine weitgehend dosisgleiche beziehungsweise photonenflussgleiche Abtastung des Untersuchungsobjektes erreicht, so dass die rekonstruierten CT-Darstellungen mittlerer Schwächungswerte auf ähnlichen statistischen Grundlagen und damit ähnlichem Rausch-zu-Signal-Verhältnis basieren. Hierdurch ergeben sich optimale Grundlagen zur rechnerischen Bestimmung der effektspezifischen Anteilskoeffizienten der energiebereichsspezifischen Schwächungswerte.
Vorteilhaft kann dieses Verfahren mit einem einfachen CT-System mit zwei winkelversetzten Strahler/Detektor-Systemen mit über das gesamte verwendete Energiespektrum integrierenden Detektoren ausgeführt werden, indem das erste Strahler/Detektor-System über die gesamte Abtastzeit mit einem ersten niedrigen Energiebereich betrieben wird und das zweite Strahler/Detektor-System während der Abtastzeit mit zwei unterschiedlichen, allerdings im Mittel höherenergetischen Energiebereichen betrieben wird.
Die Detektorsysteme hierfür weisen aufgrund einfacher und kostengünstiger Produktionsverfahren bevorzugt integrierende einlagige Detektoren auf.
Gemäß einer Variante des Verfahrens kann zwischen den beiden höherenergetischen Energiespektren während der gesamten Abtastzeit einmal umgeschaltet werden. Dies bedeutet, dass ein Strahler/Detektor-System während der gesamten Abtastzeit im niedrigen Energiebereich abtastet, während das zweite Strahler/Detektor-System die Abtastzeit zwischen dem mittleren und hohen Energiebereich aufteilt.
Grundsätzlich kann bei diesem Verfahren als gesamte Abtastzeit die Dauer für mindestens einen vollständigen Umlauf des Strahler/Detektor-Systems um seine Systemachse angesehen werden. Allerdings kann es auch vorteilhaft sein die gesamte Abtastzeit auf einen vollständigen Körperscan mit sequentiellem Kreisscan oder Spiralscan zu beziehen. Hierbei kann zum Beispiel die Abtastung in eine Richtung mit dem niedrigen und dem mittleren Energiebereich und in die andere Richtung mit dem niedrigen und dem hohen Energiebereich erfolgen. Auch Aufteilungen der Abtastungen in kleinere Systemachsenabschnitte sind möglich, wesentlich ist, dass alle Bereiche des Untersuchungsobjektes insgesamt mit jedem Energiebereich mindestens einmal abgetastet werden, damit für jeden betrachteten Ort des Untersuchungsobjektes Ergebnisse aus jedem Energiebereich vorliegen.
In einer anderen Variante des Verfahrens kann zwischen den beiden höherenergetischen Energiespektren während der Abtastzeit mehrfach umgeschaltet werden. Insbesondere kann zwischen den beiden höherenergetischen Energiespektren derart umgeschaltet werden, dass während eines Umlaufs an jedem Projektionswinkel beide Energiespektren je einmal betrieben werden. Durch diese Variante löst sich das oben beschriebene Problem der Aufteilung der Abtastung in sich auf, da nun per se zu jedem Projektionswinkel Projektionswerte der drei Energiebereiche vorliegen.
Eine andere Variante des Verfahrens betrifft die Verwendung von zweilagigen Detektoren. Hierfür wird vorgeschlagen, dass die beiden Strahler der Strahler/Detektor-Systeme über die gesamte Abtastzeit mit je einem Energiespektrum unterschiedlicher mittlerer Energie betrieben werden, wobei die Detektoren zweilagig ausgebildet sind und in der ersten Lage bei beiden Detektoren das erste niedrige Energiespektrum detektiert wird und in der zweiten Lage der beiden Detektoren zwei unterschiedliche und höhere Energiespektren detektiert werden.
In einer weiteren Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt der Erfinder auch vor, dass die beiden Strahler der Strahler/Detektor-Systeme über die gesamte Abtastzeit mit je einem Energiespektrum unterschiedlicher mittlerer Energie betrieben werden, wobei die Detektoren energieselektierend bezüglich jeweils zweier Energiebereiche ausgebildet sind und jeweils ein erster niedriger und in beiden Detektoren gleicher Energiebereich und jeweils ein höherer Energiebereich, der bis zum oberen Ende der jeweils verwendeten Röntgenenergie reicht, detektiert wird.
Allgemein wird zu den oben beschriebenen Verfahren vorgeschlagen, dass die Energiebereiche und verwendeten Röntgenspektren derart gewählt werden, dass in jedem Energiebereich über die jeweilige Abtastzeit im Mittel eine solche Anzahl Photonen gemessen wird, dass sich die Anzahl der Photonen je Energiebereich und Detektorelement statistisch nicht signifikant voneinander unterscheidet.
Bezüglich der Berechnung der ortsabhängigen effektspezifischen Absorptionskoeffizienten aus den zuvor rekonstruierten energiespezifischen Schwächungswerten wird auf der Basis der Beziehung
eine örtliche Lösung des folgenden Gleichungssystems vorgeschlagen:
mit:

μ(r, E_j): energiebereichsspezifischer Absorptionskoeffizient des Energiebereichs E_j am Ort r,
A_PE(r): Anteilskoeffizient des Photoeffekts
A_CO(r): Anteilskoeffizient des Comptoneffekts
A_K(r): materialspezifischer Anteilskoeffizient der Kantenabsorption
E_j: Energiebereich
1/E³: exponentielle Funktion, beschreibt die spektrale Abhängigkeit des Photo-Absorptionseffekts
F_KN(^E/₅₁₁): integrierte Klein-Nishina Funktion, beschreibt die spektrale Abhängigkeit des Compton-Absorptionseffekts
F_K(E): Sprungfunktion, beschreibt die K-Absorptionskante im spektralen Verlauf des Massenabsorptionskoeffizienten des Materials im Energiebereich E_j

Das oben beschriebene Verfahren eignet sich auch besonders zur Darstellung von Kontrastmitteln. Hierfür wird dem Untersuchungsobjekt, hier einem Patienten, vor der Untersuchung ein Kontrastmittel appliziert, welches zumindest teilweise aus einem Material besteht, welches eine K-Absorptionskante im untersuchten Energiebereich für Röntgenstrahlung aufweist. Vorzugsweise kann dieses Kontrastmittel zu einem wesentlichen Teil aus Iod oder Gadolinium bestehen.
Zum Rahmen der Erfindung zählt auch ein Röntgen-CT-System zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes mit:

– zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierenden Strahler/Detektor-Kombinationen,
– wobei die erste Strahler/Detektor-Kombination ausschließlich zur Abtastung mit einem niedrigen Energiebereich über eine gesamte Abtastzeit eingestellt ist, und
– die zweite Strahler/Detektor-Kombination wechselnd zur Abtastung mit einem mittleren und einem hohen Energiebereich über jeweils einen Teil der gesamten Abtastzeit eingestellt ist,
– einer Steuer- und Recheneinheit, welche Computerprogramme in einem Speicher aufweist, die im Betrieb die Verfahrensschritte des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einlagige integrierende Detektoren durchführen.

Weiterhin wird auch ein Röntgen-CT-System zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes vorgeschlagen, bei dem:

– zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierende Strahler/Detektor-Kombinationen vorgesehen sind, die jeweils mit einem zweilagigen Detektor ausgestattet sind, in denen je Lage unterschiedliche Energiebereiche von Röntgenstrahlung detektiert werden,
– der Strahler der ersten Strahler/Detektor-Kombination zur Abstrahlung eines ersten und niedrigen Energiebereiches über eine gesamte Abtastzeit eingestellt ist, und
– der Strahler der zweiten Strahler/Detektor-Kombination zur Abstrahlung eines zweiten und hohen Energiebereiches über eine gesamte Abtastzeit eingestellt ist, und
– Mittel, insbesondere entsprechende Programme, zur Sammlung der gesamten Detektordaten aus den oberen Lagen der beiden Detektoren zur Bildung von Projektionsdaten eines ersten niedrigen Energiebereiches vorliegen,
– Mittel, insbesondere entsprechende Programme, zur getrennten Sammlung von Detektordaten aus den unteren Lagen der beiden Detektoren zur Bildung von Projektionsdaten eines zweiten mittleren Energiebereiches aus einem Detektor und eines dritten und hohen Energiebereiches aus dem anderen Detektor vorliegen, und
– eine Steuer- und Recheneinheit vorliegt, welche Computerprogramme in einem Speicher aufweist, die im Betrieb die Verfahrensschritte des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf zweilagige integrierende Detektoren durchführen.

Außerdem gehört zum Rahmen der Erfindung auch ein Röntgen-CT-System zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes, bei dem:

– zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierende Strahler/Detektor-Kombinationen vorgesehen sind, die jeweils mit einem auf zwei Energiebereiche energieauflösenden Detektor ausgestattet sind,
– der Strahler der ersten Strahler/Detektor-Kombination zur Abstrahlung eines ersten und niedrigen Energiebereiches über eine gesamte Abtastzeit eingestellt ist, und
– der Strahler der zweiten Strahler/Detektor-Kombination zur Abstrahlung eines zweiten und hohen Energiebereiches über eine gesamte Abtastzeit eingestellt ist, und
– Mittel zur Sammlung der gesamten Detektordaten aus den oberen Lagen der beiden Detektoren zur Bildung von Projektionsdaten eines ersten und niedrigen Energiebereiches vorliegt,
– Mittel zur getrennten Sammlung von Detektordaten aus den unteren Lagen der beiden Detektoren zur Bildung von Projektionsdaten eines zweiten mittleren Energiebereiches aus einem Detektor und eines dritten und hohen Energiebereiches aus dem anderen Detektor vorliegt, und
– eine Steuer- und Recheneinheit vorliegt, welche Computerprogramme in einem Speicher aufweist, die im Betrieb die Verfahrensschritte des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf energiebereichsselektive Detektoren durchführen.

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. Es werden folgende Bezugszeichen und Kurzbezeichnungen verwendet: 1: Röntgen-CT-System; 2: erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre; 5: zweiter Detektor; 6: Gantrygehäuse; 7: Patient; 8: verschiebbare Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Steuer- und Recheneinheit; 11: Kontrastmittelapplikator; 12: EKG-Leitung; 13: Steuerleitung für den Kontrastmittelapplikation; 14: Messöffnung im Gantrygehäuse; A; B: Strahler/Detektor-System; A_CO: effektspezifischer Anteilskoeffizient des Comptoneffekts; A_K: effektspezifischer Anteilskoeffizient der K-Kantenabsorption; A_PE: effektspezifischer Anteilskoeffizient des Photoeffekts; D_A: Detektor des Strahler/Detektor-Systems A; D_B: Detektor des Strahler/Detektor-Systems B; E_j, E₁ bis E₃: Energiebereiche; F: Strahlungsspektralfilter; I(A_CO): Bilddarstellung der effektspezifischen Anteilskoeffizienten des Comptoneffekts; I(A_K): Bilddarstellung der effektspezifischen Anteilskoeffizienten der K-Kantenabsorption; I(A_PE): Bilddarstellung der effektspezifischen Anteilskoeffizienten des Photoeffekts; I(A_PE, A_CO, A_K): kombinierte Bilddarstellung der berechneten effektspezifischen Anteilskoeffizienten; P₁ bis P₃: Projektionen der Energiebereiche E₁ bis E₃; Prg₁–Prg_n: Computerprogramme; S₁: Scan im niedrigen Energiebereich; S₂; Scan im mittleren Energiebereich; S₃: Scan im hohen Energiebereich; t: Zeitachse; t₀: Beginn der Abtastzeit; t₁: Ende der Abtastzeit des mittleren Energiebereiches, Beginn der Abtastzeit des hohen Energiebereiches; t₂: Ende der Abtastzeit des hohen Energiebereiches; T_A: Röntgenröhre des Strahler/Detektor-Systems A, T_B: Röntgenröhre des Strahler-Detektor/Systems B; T_ges: gesamte Abtastzeit des niedrigen Energiebereiches;
bis
: Rekonstruktion in den Energiebereichen E₁ bis E₃; μ(r, E): Absorptionskoeffizient am Ort r im Energiebereich E.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Röntgen-CT-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Scans mit einem doppelten Strahler/Detektor-System mit integrierenden Detektoren;
3: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Scans eines doppelten Strahler/Detektor-Systems mit zweilagigen Detektoren;
4: Flussschema eines erfindungsgemäßen Scans mit einem Strahler/Detektor-System gemäß 2;
5–7: Darstellung erfindungsgemäßer zeitlicher Scan-Schemata mit Strahler/Detektor-Systemen gemäß 2 und
8: Beispielhafte kombinierte Darstellung der räumlichen Verteilung vom effektspezifischen Anteilskoeffizienten des Photoeffektes, des Comptoneffektes und der K-Kantenabsorption.
Die 1 zeigt ein beispielhaftes CT-System 1 mit zwei Strahler/Detektor-Kombinationen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In dem hier gezeigten Beispiel besteht eine erste Strahler/Detektor-Kombination A aus einer ersten Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegenden ersten Detektor 3 und die zweite Strahler/Detektor-Kombination B aus der zweiten Röntgenröhre 4 mit dem zweiten gegenüberliegenden Detektor 5. Beide Röntgenröhren und Detektoren befinden sich auf einer hier nicht näher dargestellten Gantry in einem Gantrygehäuse 6 und rotieren um eine Systemachse 9. Ein Patient 7, der auf einer entlang der Systemachse 9 verschiebbaren Patientenliege 8 sich befindet, kann durch die Verschiebung der Patientenliege 8 durch das Messfeld 14 im Gantrygehäuse 6 kontinuierlich oder sequentiell verschoben werden. Bei einer kontinuierlichen Verschiebung des Patienten 7 wird der Patient 7 spiralförmig abgetastet, während bei einer sequentiellen Verschiebung eine sukzessive kreisförmige Abtastung des Patienten 7 stattfindet.
Zur besseren Darstellung von Gefäßen ist ein Kontrastmittelapplikator 11 vorgesehen, der dem Patienten 7 – entsprechend den über eine Steuerleitung 13 gegebenen Befehlen eines Steuer- und Rechensystems 10 – Kontrastmittel appliziert. Zusätzlich kann über eine optional vorgesehene EKG-Leitung 12 der durchgeführte Scan im Rahmen einer durch das Herz gegateten Cardio-Abtastung ausgeführt werden. Das Steuer- und Rechensystem 10 verfügt über Computerprogramme Prg₁ bis Prg_n, die im Betrieb des Steuer- und Rechensystems 10 neben den normalen Steuermechanismen und Rekonstruktionsmechanismen auch die erfindungsgemäßen Verfahren – wie sie weiter oben beschrieben sind – durchführen.
Erfindungsgemäß kann ein derartiges CT-System, wie es in der 1 dargestellt ist, beispielsweise betrieben werden, wie es in der 2 dargestellt ist. Die 2 zeigt das CT-System mit seinen beiden winkelversetzt zueinander angeordneten Strahler/Detektor-Systemen, die jeweils mit den Indizes A und B versehen sind, in zwei zeitlich hintereinander vorgesehenen Scan-Situationen SCAN (t₀–t₁) und SCAN (t₁–t₂).
Auf der linken Seite der 2 ist die Scan-Situation SCAN (t₀–t₁) dargestellt, wobei das erste Strahler/Detektor-System aus der Röntgenröhre T_A (80 kV) und dem gegenüberliegenden Detektor D_A besteht. Dieses Strahler/Detektor-System wird entsprechend dem in Klammern stehenden Ausdruck mit 80 kV Beschleunigungsspannung betrieben. Entsprechend wird das senkrecht dazu angeordnete zweite Strahler/Detektor-System mit dem Index B, bestehend aus der Röntgenröhre T_B (110 kV) und dem gegenüberliegenden Detektor D_B mit einer Beschleunigungsspannung von 110 kV betrieben. Im Strahlengang der Röntgenröhre T_B ist ein Filter F vorgesehen, der eine zusätzliche Aufhärtung der von der Röntgenröhre T_B ausgehenden Strahlung bewirkt. Beispielsweise könnte es sich hierbei um 0,5 mm Zinn handeln.
Im Anschluss an die Scan-Situation SCAN (t₀–t₁) folgt die Scan-Situation SCAN (t₁–t₂), in der die Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre T_A weiterhin bei 80 kV beibehalten wird, während die Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre T_B auf 140 kV erhöht wird.
Die Detektoren D_A und D_B sind als einfache über das gesamte verwendete Energiespektrum integrierende Detektoren ausgeführt. Entsprechend den hier gezeigten Scan-Situationen und dem oben beschriebenen Erfindungsgedanken werden nun während der gesamten Scanzeit, die sich vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₂ erstreckt, Projektionsdaten P₁ aus dem Detektor D_A über das Energiespektrum E₁ von 20 bis 80 keV gesammelt und zu einem gesamten Projektionsdatensatz über ein bestimmtes Volumen eines Untersuchungsobjektes aufaddiert, wobei während dieser gesamten Scanzeit das Strahler/Detektor-System A zumindest eine doppelt redundante Abtastung des Untersuchungsobjektes durchführen muss. Während dieser doppelt redundanten Abtastung des Strahler/Detektor-Systems A wird über einen ersten zeitlichen Teilbereich der gesamten Abtastzeit, nämlich von t₀ bis t₁, das zweite Strahler/Detektor-System mit der Röntgenröhre T_B mit 110 kV Beschleunigungsspannung betrieben, so dass entsprechend dem hier zur Verfügung stehenden Energiebereich E₂ von 60–110 keV zumindest eine einfache vollständige Abtastung des Untersuchungsobjektes vorgenommen wird und ein Projektionsdatensatz P₂ aus dem Energiebereich E₂ gesammelt werden kann. Anschließend an den Scan (t₀ bis t₁) erfolgt eine Umschaltung der Beschleunigungsspannung der zweiten Röntgenröhre T_B von 110 kV auf 140 kV, so dass die restliche Scanzeit Scan (t₁ bis t₂) das Untersuchungsobjekt mit einer Beschleunigungsspannung 140 kV, entsprechend einem Energiebereich E₃ von 60 bis 140 keV, abgetastet wird und daraus Projektionsdaten P₃, entsprechend diesem Energiebereich, gesammelt werden. Selbstverständlich müssen die Abtastzeiten so gewählt werden, dass in der Scanzeit t₁ bis t₂ ebenfalls eine vollständige Abtastung des Untersuchungsobjektes über den betrachteten Volumenbereich erreicht wird, so dass anschließend aus den gesammelten Projektionsdaten eine Rekonstruktion möglich ist. Aufgrund der unterschiedlich langen Scanzeiten für den niedrigen Energiebereich von 20 bis 80 keV und die wesentlich kürzeren Scanzeiten zwischen 60 und 110 keV beziehungsweise 60 und 140 keV wird erreicht, dass die gesamte Photonenzahl der Energiebereiche in etwa gleich ist, so dass die Bildqualität der Rekonstruktionen der einzelnen Energiebereiche in einem ähnlichen Qualitätsbereich, also mit einem ähnlichen Signal-zu-Rausch-Verhältnis, aufgenommen werden.
Eine andere erfindungsgemäße Alternative zur Erzeugung von Projektionsdaten mit vergleichbaren statistischen Grundlagen aus unterschiedlichen Energiebereichen ist in der 3 dargestellt. Die 3 zeigt ebenso wie die 2 eine schematische Schnittdarstellung eines CT-Systems mit zwei senkrecht zueinander winkelversetzt angeordneten Strahler/Detektor-Systemen A und B, wobei im Gegensatz zum CT-System aus 2 keine über den gesamten Energiebereich integrierenden Detektoren verwendet werden, sondern zweilagige Detektoren D_A und D_B, die entsprechend ihrer Lagen zwei unterschiedliche Energiebereiche detektieren.
In der jeweils der Röntgenröhre zugewandten oberen Lage wird jeweils die applizierte Dosisleistung aus Photonen niedriger Energie, beispielsweise 20 bis 60 keV gemessen, während die unteren Lagen vornehmlich die applizierte Dosis der Strahlung mit höherer Energie, also 60 keV und höher, detektieren. Entsprechend dieser Situation kann durch den Betrieb der beiden Röntgenröhren mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen, hier 110 kV und 140 kV, und entsprechende Auslegung der Detektoren D_A und D_B dafür gesorgt werden, dass in der oberen Lage von beiden Detektoren ein niedriger Energiebereich E₁, hier beispielsweise 20 bis 60 keV, detektiert wird, so dass dessen Messwerte über beide Detektoren gesammelt und zu einem Projektionsdatensatz P₁ aufaddiert werden können, während aus den unteren Lagen der beiden Detektoren D_A und D_B der mittlere und der höhere Energiebereich E₂ und E₃ mit 60 bis 110 keV beziehungsweise 60 bis 140 keV entnommen werden können. Entsprechend lassen sich Projektionsdatensätze P₂ und P₃ aus den unteren Lagen der Detektoren D_A und D_B ermitteln, die jeweils nur die Hälfte der durchgeführten Abtastungen aufweisen, während in den oberen Lagen der Detektoren eine volle Abtastung mit beiden Detektoren durchgeführt wurde. Auch hierbei wird also durch eine entsprechend gewählte Lage der Energiebereiche die auftretende Dosisleistung relativ gleich zwischen den gemessenen Energiebereichen verteilt, so dass die aus den gemessenen Projektionen rekonstruierbaren Bilder annähernd gleiche Qualitätsmerkmale aufweisen.
Anhand der Scan-Situation der 3 mit den beiden doppellagigen Detektoren D_A und D_B ist in der 4 nochmals das gesamte erfindungsgemäße Verfahrensschema dargestellt. Die 4 zeigt auf der linken Seite einen Scan S₁, in dem die beiden Strahler/Detektor-Kombinationen A und B mit den jeweils oberen Lagen einen Scan durchführen und dessen Daten verwendet werden, um einen ersten Projektionsdaten P₁ zu erzeugen. Parallel dazu wird ein zweiter Scan S₂ mit dem ersten Strahler/Detektor-System A durchgeführt, wobei hier ausschließlich die Daten der unteren Lage des Detektorsystems zur Erzeugung von Projektionsdaten P₂ verwendet werden. Parallel dazu wird im Scan S₃ mit dem Strahler/Detektor-System B ein Scan durchgeführt, bei dem entsprechend der dort vorliegenden höheren Beschleunigungsspannung Projektionsdaten aus diesem höheren Energiebereich ermittelt werden. Mit den Projektionsdaten P₁ bis P₃ erfolgt jeweils eine separate Rekonstruktion
bis
, woraus sich ortsabhängige Absorptionskoeffizienten μ(r, E₁) bis μ(r, E₃) aus den drei Energiebereichen E₁ bis E₃ berechnen.
Anschließend wird im nächsten Verfahrensschritt je Ort r das hier beschriebene Gleichungssystem gelöst und die effektspezifischen Anteilskoeffizienten A_PE(r), A_CO(r) und A_K(r) bezüglich des Photoeffektes, des Comptoneffektes und der K-Absorption berechnet. Entsprechend können Bilddarstellungen bezüglich dieser drei Effekte ausgegeben werden. Erfindungsgemäß wird außerdem eine Kombination der einzelnen Bilddarstellungen erzeugt und ausgegeben, wobei durch entsprechend farbliche Hervorhebung und gegebenenfalls Überlagerung der Bilddarstellung einzelner Hervorhebungen markanter dargestellt werden können.
In den 5 bis 7 sind unterschiedliche Timingverhalten von Detektorsystemen gemäß der Darstellung aus 2 gezeigt.
Die 5 zeigt beispielsweise über dem Zeitstrahl t den Scan eines ersten Strahler/Detektor-Systems mit niedriger Energie E₁ über eine gesamte Scanzeit T_ges, während darunter die Aufteilung dieser gesamten Zeit in zwei zeitliche Unterabschnitte von t₀ bis t₁ und t₁ bis t₂ für ein zweites Detektorsystem mit zwei unterschiedlichen Energiebereichen gezeigt ist, wobei zwischen diesen Energiebereichen eine einzige Umschaltung über die gesamte Scanzeit T_ges erfolgt.
Die 6 zeigt eine alternative Möglichkeit, in der eine häufige Umschaltung zwischen den Energiebereichen E₂ und E₃ – entsprechend den unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen – an den Röntgenröhren vorgenommen wird, wobei hierbei darauf zu achten ist, dass über jeden Energiebereich in der Summe zumindest ein vollständiger Scan durchgeführt wird.
Die 7 soll schließlich darstellen, wie eine Umschaltmöglichkeit zwischen mittlerer und hoher Beschleunigungsspannung – entsprechend dem mittleren beziehungsweise hohen Energiebereich – möglich ist, wobei hier die Umschaltung bezüglich jedes einzelnen Projektionswinkels stattfindet. Diese Art der Umschaltung eignet sich insbesondere für die Durchführung von Scans in Verbindung mit Spiralabtastungen, da hierbei jeder einzelne Projektionswinkel und gleichzeitig auch jedes einzelne Volumen durchgehend von allen Energiebereichen der Röntgenstrahlung abgetastet wird, so dass bei der anschließenden Rekonstruktionsberechnung nicht mehr speziell auf die vollständige Abdeckung aller Projektionswinkel gesondert geachtet werden muss.
Es wird darauf hingewiesen, dass anstelle der Zeitachse in den 5 bis 7 auch der Umlaufwinkel der rotierenden Strahlen/Detektor-Systeme gesetzt werden kann. T_ges entspricht damit einem ganzzahligen Vielfachen eines Vollumlaufs über den mit dem Energiebereich E₁ abgetastet wird. In den beiden hohen Energiebereichen E₂ und E₃ ist dabei, bezogen auf ein abgetastetes Volumenelement, jeweils in der Summe mindestens ein abgetasteter Halbumlauf notwendig.
Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der 8 dargestellt. Diese zeigt drei CT-Schnittdarstellung der effektspezifischen Anteilskoeffizienten für links den Photoeffekt, in der Mitte den Comptoneffekt und rechts die K-Kantenabsorption, entsprechend der darunter stehenden Gleichung in einer kombinierten Darstellung. Im Rahmen der Erfindung wird auch eine Überlagerung dieser Schnittbilddarstellung, insbesondere auch mit farblicher Unterlegung, ermöglicht. Im vorliegenden gezeigten Fall wird in der rechten Darstellung das Kontrastmittel Gadolinium hervorgehoben, dessen Absorptionskante im Bereich von 50 keV angeordnet ist, so dass durch diese Darstellung besonders günstig ein solches Kontrastmittel hervorhebbar ist. In der linken Darstellung, in der der Anteilskoeffizient des Photoeffektes dargestellt ist, wird insbesondere die Struktur von Weichteilgewebe gezeigt, während im mittleren Bild, welches den Anteilskoeffizienten für den Comptoneffekt zeigt, die lokale Elektronendichte dargestellt wird.
Insgesamt wird also eine CT-Mehrbereichsabsorptionsmessung über drei unterschiedliche Energiebereiche vorgeschlagen, bei der im niedrigen Energiebereich über die gesamte Abtastzeit gemessen wird, während sich die Messung in den höheren Energiebereichen die gesamte Abtastzeit teilt. Damit wird eine gleichmäßigere Verteilung der gemessenen Photonen auf die drei Energiebereiche erreicht.

Claims

Verfahren zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Röntgen-CT-Systems (1) mit zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierenden Strahler/Detektor-Kombinationen (A, B), enthaltend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. Abtastung des Untersuchungsobjektes (7) mit den zwei Strahler/Detektor-Kombinationen (A, B) über eine gesamte Abtastzeit (T_ges), wobei 1.1.1. die Abtastung mit mindestens zwei unterschiedlichen Energiespektren stattfindet, 1.1.2. Projektionsdaten (P₁, P₂, P₃) bezüglich drei unterschiedlicher Energiebereiche (E₁, E₂, E₃) ermittelt werden mit einem niedrigen Energiebereich (E₁) und zwei höheren Energiebereichen (E₂, E₃), 1.1.3. und für den niedrigen Energiebereich (E₁) Projektionsdaten (P₁) aus der gesamten Abtastzeit gesammelt werden, während für die beiden höheren Energiebereiche (E₂, E₃) Projektionsdaten jeweils aus einem Teil der Abtastzeit gesammelt werden, anschließende 1.2. Rekonstruktion (
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) einer räumlichen Verteilung von mittleren energiebereichsspezifischen Absorptionskoeffizienten (μ(r, E₁), μ(r, E₂), μ(r, E₃)) je Energiebereich (E₁, E₂, E₃), 1.3. Bestimmung einer räumlichen Verteilung von effektspezifischen Anteilskoeffizienten (A_PE(r), A_CO(r), A_K(r)), und 1.4. kombinierte Darstellung der räumlichen Verteilung der effektspezifischen Anteilskoeffizienten (A_PE(r), A_CO(r), A_K(r)).
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Strahler/Detektor-System (A) über die gesamte Abtastzeit (T_ges) mit einem ersten und niedrigen Energiespektrum betrieben wird und das zweite Strahler/Detektor-System (B) während der Abtastzeit mit zwei unterschiedlichen, allerdings im Mittel höherenergetischen Energiespektren, betrieben werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorsysteme (D_A, D_B) integrierende einlagige Detektoren aufweisen.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden höherenergetischen Energiespektren während der gesamten Abtastzeit (T_ges) einmal umgeschaltet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden höherenergetischen Energiespektren während der gesamten Abtastzeit (T_ges) mehrfach umgeschaltet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden höherenergetischen Energiespektren derart umgeschaltet wird, dass während eines Umlaufs an jedem Projektionswinkel beide Energiespektren je einmal betrieben werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahler der Strahler/Detektor-Systeme (A, B) über die gesamte Abtastzeit mit je einem Energiespektrum unterschiedlicher mittlerer Energie betrieben werden, wobei die Detektoren (D_A, D_B) zweilagig ausgebildet sind und in der ersten Lage bei beiden Detektoren (D_A, D_B) der erste und niedrige Energiebereich (E₁) detektiert und in der zweiten Lage der beiden Detektoren (D_A, D_B) zwei unterschiedliche und höhere Energiebereiche (E₂, E₃) detektiert werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahler der Strahler/Detektor-Systeme (A, B) über die gesamte Abtastzeit (T_ges) mit je einem Energiespektrum unterschiedlicher mittlerer Energie betrieben werden, wobei die Detektoren energieselektierend bezüglich jeweils zweier Energiebereiche (E₁, E₂; E₁, E₃) ausgebildet sind und jeweils ein erster und niedriger und in beiden Detektoren gleicher Energiebereich (E₁) und jeweils ein höherer Energiebereich (E₂, E₃), der bis zum oberen Ende der jeweils verwendeten Röntgenenergie reicht, detektiert wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiebereiche (E₁–E₃) und verwendeten Energiespektren derart gewählt werden, dass in jedem Energiebereich (E₁–E₃) über die jeweilige Abtastzeit im Mittel eine solche Anzahl Photonen gemessen wird, dass sich die Anzahl der Photonen je Energiebereich (E₁–E₃) und Detektorelement statistisch nicht signifikant voneinander unterscheidet.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsabhängigen effektspezifischen Absorptionskoeffizienten (A_PE(r), A_CO(r), A_K(r)) durch örtliche Lösung des folgenden Gleichungssystems berechnet werden:
mit: μ(r, E_j) energiebereichsspezifischer Absorptionskoeffizient des Energiebereichs E_j am Ort r, A_PE(r) Anteilskoeffizient des Photoeffekts A_CO(r) Anteilskoeffizient des Comptoneffekts A_K(r) materialspezifischer Anteilskoeffizient der K-Kantenabsorption E_j Energiebereich 1/E³ exponentielle Funktion, beschreibt die spektrale Abhängigkeit des Photo-Absorptionseffekts F_KN(^E/₅₁₁) integrierte Klein-Nishina Funktion, beschreibt die spektrale Abhängigkeit des Compton-Absorptionseffekts F_K(E) Sprungfunktion, beschreibt die K-Absorptionskante im spektralen Verlauf des Massenabsorptionskoeffizienten des Materials im Energiebereich E_j
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsobjekt (7) ein Patient ist, welcher ein Kontrastmittel empfangen hat.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Iod oder Gadolinium als Kontrastmittel verwendet wird.
Röntgen-CT-System (1) zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes (7) mit: 13.1. zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt (7) rotierenden Strahler/Detektor-Kombinationen (A, B), 13.2. wobei die erste Strahler/Detektor-Kombination (A) ausschließlich zur Abtastung mit einem niedrigen Energiebereich (E₁) über eine gesamte Abtastzeit (T_ges) eingestellt ist, und 13.3. die zweite Strahler/Detektor-Kombination (B) wechselnd zur Abtastung mit einem mittleren und einem hohen Energiebereich (E₂, E₃) über jeweils einen Teil der gesamten Abtastzeit (T_ges) eingestellt ist, 13.4. einer Steuer- und Recheneinheit (10), welche Computerprogramme (Prg₁–Prg_n) in einem Speicher aufweist, die im Betrieb die Verfahrensschritte der Ansprüche 1–6 oder 9–12 durchführen.
Röntgen-CT-System (1) zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes, wobei: 14.1. zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierende Strahler/Detektor-Kombinationen (A, B) vorliegen, die jeweils mit einem zweilagigen Detektor (D_A, D_B) ausgestattet sind, in denen je Lage unterschiedliche Energiebereiche (E₁–E₃) von Röntgenstrahlung detektiert werden, 14.2. der Strahler der ersten Strahler/Detektor-Kombination (A) zur Abstrahlung eines ersten und niedrigen Energiebereiches (E₁) über eine gesamte Abtastzeit (T_ges) eingestellt ist, und 14.3. der Strahler der zweiten Strahler/Detektor-Kombination (B) zur Abstrahlung eines zweiten und hohen Energiebereiches (E₂) über eine gesamte Abtastzeit (T_ges) eingestellt ist, und 14.4. Mittel zur Sammlung der gesamten Detektordaten aus den oberen Lagen der beiden Detektoren (D_A, D_B) zur Bildung von Projektionsdaten (P₁) eines ersten und niedrigen Energiebereiches (E₁) vorliegen, 14.5. Mittel zur getrennten Sammlung von Detektordaten aus den unteren Lagen der beiden Detektoren (D_A, D_B) zur Bildung von Projektionsdaten (P₂, P₃) eines zweiten mittleren Energiebereiches (E₂) aus einem Detektor (D_B) und eines dritten und hohen Energiebereiches (E₃) aus dem anderen Detektor vorliegen, und 14.6. eine Steuer- und Recheneinheit (10) vorgesehen ist, welche Computerprogramme (Prg₁–Prg_n) in einem Speicher aufweist, die im Betrieb die Verfahrensschritte der Ansprüche 1, 7, 9–12 durchführt.
Röntgen-CT-System zur Erzeugung tomographischer Darstellungen eines Untersuchungsobjektes (7), wobei: 15.1. zwei winkelversetzt um das Untersuchungsobjekt rotierende Strahler/Detektor-Kombinationen (A, B) vorliegen, die jeweils mit einem auf zwei Energiebereiche energieauflösenden Detektor ausgestattet sind, 15.2. der Strahler der ersten Strahler/Detektor-Kombination (A) zur Abstrahlung eines ersten und niedrigen Energiebereiches (E₁) über eine gesamte Abtastzeit (T_ges) eingestellt ist, und 15.3. der Strahler der zweiten Strahler/Detektor-Kombination (B) zur Abstrahlung eines zweiten und hohen Energiebereiches (E₂) über eine gesamte Abtastzeit (T_ges) eingestellt ist, und 15.4. Mittel zur Sammlung der gesamten Detektordaten aus den oberen Lagen der beiden Detektoren (D_A, D_B) zur Bildung von Projektionsdaten (P₁) eines ersten und niedrigen Energiebereiches (E₁) vorliegen, 15.5. Mittel zur getrennten Sammlung von Detektordaten aus den unteren Lagen der beiden Detektoren zur Bildung von Projektionsdaten (P₂, P₃) eines zweiten mittleren Energiebereiches (E₂) aus einem Detektor (D_A) und eines dritten und hohen Energiebereiches (E₃) aus dem anderen Detektor (D_B) vorliegen, und 15.6. eine Steuer- und Recheneinheit (10) vorgesehen ist, welche Computerprogramme (Prg₁–Prg_n) in einem Speicher aufweist, die im Betrieb die Verfahrensschritte der Ansprüche 1, 8, 9–12 durchführt.