DE19525605A1 - Röntgen-Detektoranordnung mit verringertem effektivem Abstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Computertomographie (CT)-Bildgebungsanlage und insbesondere den Aufbau von Detektorfeldern oder Detektor-Arrays für Mehrscheiben- und volumetrische CT-(VCT von volumetric computed tomography)-Anlagen.

Bei einer bekannten Computertomographie-Anlage erzeugt eine Röntgen­ quelle ein fächerförmiges Strahlbündel, das derart ausgerichtet ist, daß es innerhalb der X-Y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems liegt, die "Bildebene" genannt wird. Das Röntgenstrahlbündel durch­ dringt das abzubildende Objekt, beispielsweise einen Patienten, und trifft auf ein lineares Feld von Strahlungsdetektoren auf. Die Inten­ sität der durch das Objekt hindurchgehenden Strahlung hängt von der Schwächung des Röntgenstrahlbündels ab. Jeder Detektor erzeugt ein ge­ sondertes elektrisches Signal, das ein Maß für die Bündelschwächung ist. Die Schwächungsmessungen von allen Detektoren werden separat ge­ wonnen, um den Durchtrittsverlauf zu erzeugen.

Die Röntgenquelle und das Detektorfeld einer herkömmlichen CT-Anlage der dritten Generation rotieren auf einem Träger in der Bildebene und um das Objekt herum, so daß der Winkel, unter dem das Röntgenstrahl­ bündel das Objekt schneidet, sich konstant ändert. Eine Gruppe Röntgenstrahlen-Schwächungsmessungen von dem Detektorfeld unter einem bestimmten Winkel wird als "Ansicht" (View) bezeichnet, und ein "Abtasten" (Scan) des Objektes weist einen Satz von Ansichten auf, die unter verschiedenen Winkelorientierungen während einer Umdrehung der Röntgenquelle und des Detektors gemacht werden. Bei einer 2D-Abtastung werden Daten verarbeitet, um ein Bild zu konstruieren, das einer zweidimensionalen Scheibe entspricht, die durch das Objekt aufgenommen worden ist. Das vorherrschende Verfahren zum Rekonstruieren eines Bildes aus 2D-Daten wird auf diesem technischen Gebiet als gefilterte Rückprojektionstechnik bezeichnet. Dieser Prozeß setzt die Schwächungsmessungen aus einer Abtastung in ganze Zahlen um, die als "CT-Zahlen" oder "Hounsfields-Einheiten" bezeichnet werden, die zur Steuerung der Helligkeit eines entsprechenden Pixels auf einem Display mit einer Kathodenstrahlröhre benutzt werden.

Ein VCT-Abtaster (Scanner) gewinnt bei einer einzigen Trägerumdrehung 3D-Volumenbilder, die mehreren Schichtbildern entsprechen. Mehrere Abtastverfahren werden angewandt, die allesamt ein zweidimensionales Feld oder eine zweidimensionale Matrix von Detektorelementen benutzen, die Schwächungsmessungen in der X- oder in der "In-der-Schicht"- Richtung und in der Z- oder "Schicht" -Richtung sammeln. Um Abtast- Alias-Artefakte in rekonstruierten Scheibenbildern zu verringern, wird die Auflösung sowohl in der Schicht- als auch in der In-der-Schicht- Richtung durch Verringerung des Detektorabstandes reduziert. Dies wird hauptsächlich dadurch erreicht, daß man die Größe jedes Detektorelements verringert. Allerdings wurde eine Grenze erreicht, bei der eine verbesserte Auflösung nicht mehr erzielt werden kann, da die aktive Detektoroberfläche zu klein wird, um ein geeignetes Signal zu liefern. Mit anderen Worten heben Artefakte infolge eines erhöhten Signalrauschens die Verringerung von Bildartefakten infolge einer gesteigerten Detektorauflösung auf.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweidimensionales Feld von De­ tektorelementen, in dem einzelne Detektorelemente in benachbarten Zei­ len oder Spalten bzw. sowohl in Zeilen als auch in Spalten sich ab­ wechseln, um den effektiven Detektorabstand entlang einer oder beider Richtungen des Detektorfeldes zu verringern, ohne daß die Oberfläche des Detektors verringert wird. Der Abstand bzw. die Steigung wird entlang einer Richtung dadurch verringert, daß man benachbarte Zeilen oder Spalten von Detektorelementen um die Hälfte der Länge eines Detektorelements entlang dieser Richtung versetzt anordnet. Dies kann dadurch verwirklicht werden, daß man entweder quadratische oder rechteckförmige Detektorelemente benutzt. Allerdings sind auch andere Formen für Detektorelemente denkbar. Der Abstand entlang einer Richtung kann auch dadurch verringert werden, daß die Detektorelemente schräg angeordnet werden, damit die Mitten von benachbarten Zeilen oder Spalten um die Hälfte der Länge eines Detektorelements entlang dieser Richtung versetzt angeordnet sind.

Ein allgemeines Ziel der Erfindung liegt darin, den effektiven Detek­ torabstand entlang einer der Richtungen zu reduzieren, ohne die Ober­ fläche jedes Detektorelements zu verringern. Durch versetztes oder schräges Anordnen der Detektorelemente werden die Mitten der Detektor­ elemente in benachbarten Zeilen oder Spalten um die Hälfte einer De­ tektorlänge entlang dieser Richtung versetzt. Durch Kombinieren von Signalen von Detektorelementen während einer Bildrekonstruktion ist der effektive Abstand, der durch die versetzten Detektormitten gebildet wird, kleiner als der eines herkömmlichen Detektorfeldes. Ein weiteres fiel der Erfindung ist es, den effektiven Detektorabstand entlang beider Richtungen eines zweidimensionalen Detektorfeldes zu reduzieren, ohne die Oberfläche eines jeden Detektorelements zu ver­ ringern. Durch Drehen quadratischer Detektorelemente um ihre Mitten um 45° werden die Detektormitten von benachbarten Zeilen und Spalten ver­ setzt. Durch Kombinieren von Signalen von Detektorelementen während einer Bildrekonstruktion ist der effektive Abstand kleiner als der ei­ nes herkömmlichen Detektorfeldes mit den gleichen Detektorelementen. Ein besonderes Ziel der Erfindung ist es, den effektiven Detektorab­ stand entlang einer Richtung eines zweidimensionalen Detektorfeldes zu verringern, ohne den Herstellungsaufwand zu erhöhen. Statt benachbarte Zeilen oder Spalten des Detektorfeldes versetzt anzuordnen, um die Detektormitten zu versetzen, kann die Form der Detektorelemente abge­ schrägt werden, um das gleiche Ergebnis zu erhalten. Der Vorteil die­ ses Ansatzes ist der, daß die Ränder der Detektorelemente in einer ge­ raden Linie ausgerichtet bleiben, wodurch das Herausführen leitfähiger Pfade aus dem Detektorfeld und das Anordnen von Kollimatorplatten zur Positionierung über dem Detektorfeld, um Streuungen zu verringern, er­ leichtert wird.

Es zeigt

Fig. 1 eine Bildansicht einer CT-Bildgebungsanlage, in der die Erfin­ dung verwirklicht werden kann,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der CT-Bildgebungsanlage,

Fig. 3A-3D Draufsichten von vier bevorzugten Ausführungsformen des Detektorfeldes, das einen Teil der CT-Bildgebungsanlage nach Fig. und 2 bildet, und

Fig. 4 eine Draufsicht eines typischen Detektorfeldes nach dem Stand der Technik.

Wir betrachten zunächst die Fig. 1 und 2. Eine Computertomographie- (CT)-Bildgebungsanlage 10 enthält einen Träger 12, der einen CT-Abta­ ster der "dritten Generation" darstellt. Der Träger 12 weist eine Röntgenquelle 13 auf, die ein konusförmiges Röntgenstrahlbündel 14 zu einem Detektorfeld 16 auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers ab­ strahlt. Das Detektorfeld 16 ist durch eine Anzahl von Detektorelemen­ ten 18 gebildet, die zusammen die abgestrahlten Röntgenstrahlen abfüh­ len, die durch einen Patienten 15 hindurchgehen. Jedes Detektorelement 18 liefert ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auf­ fallenden Röntgenstrahlbündels und damit dessen Schwächung darstellt, das durch den Patienten hindurchgeht. Während einer Abtastung zur Ge­ winnung von Röntgenprojektionsdaten rotieren der Träger 12 und die daran befestigten Komponenten um den Rotationsmittelpunkt 19, der in dem Patienten 15 liegt.

Die Rotation des Trägers und der Betrieb der Röntgenquelle 13 werden von einem Steuermechanismus 20 der CT-Anlage gesteuert. Der Steuerme­ chanismus 20 enthält einen Röntgencontroller 22 bzw. eine Röntgen­ steuereinrichtung, die die Energie- und Taktsignale für die Röntgen­ quelle 13 liefert, sowie eine Trägermotor-Steuereinrichtung 23, die die Rotationsgeschwindigkeit und die Position des Trägers 12 steuert. Eine Datenerfassungseinrichtung (DAS von data acquisition system) 24 in dem Steuermechanismus 20 tastet analoge Daten von den Detektorele­ menten 18 ab und setzt die Daten in digitale Signale für eine nachfol­ gende Verarbeitung um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 25 nimmt die abgetasteten und digitalisierten Röntgendaten von der DAS 24 auf und führt eine Hochgeschwindigkeits-Bildrekonstruktion durch. Das re­ konstruierte Bild wird als Eingangssignal an einen Computer 26 ange­ legt, der das Bild in einem Massenspeicher 29 ablegt.

Der Computer 26 empfängt ferner Befehle und Abtastungsparameter von einer Bedienperson über eine Konsole 30, die eine Tastatur aufweist. Eine dazugehörige Anzeigeeinrichtung 32 mit einer Kathodenstrahlröhre ermöglicht der Bedienperson, das rekonstruierte Bild und weitere Daten von dem Computer 26 zu betrachten. Die von der Bedienperson eingegebe­ nen Befehle und Parameter werden vom Computer 26 benutzt, um Steuersi­ gnale und Informationen der DAS 24, der Röntgensteuereinrichtung 22 und der Trägermotor-Steuereinrichtung 23 zuzuführen. Außerdem betreibt der Computer 26 eine Tischmotor-Steuereinrichtung 34, die einen mit einem Motor ausgestatteten Tisch 36 steuert, um den Patienten 15 in dem Träger 12 zu positionieren.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, handelt es sich bei dem herkömmlichen zweidimensionalen Detektorfeld 16 um eine Matrix von quadratischen oder rechteckigen Detektorelementen 18, die in Spalten, die sich ent­ lang der In-der-Scheiben-Richtung (das ist bei der bevorzugten Ausfüh­ rungsform die x-Achse) erstrecken, und in Zeilen angeordnet sind, die sich entlang der Scheibenrichtung (das ist bei der bevorzugten Ausfüh­ rungsform die z-Achse) erstrecken. Die Mitten der Detektorelemente 18 liegen auf geradlinigen Zeilen und Spalten. Die Auflösung entlang der z-Achse oder der x-Achse wird durch den Abstand zwischen aufeinander­ folgenden Mitten der Detektorelemente gemessen.

Wir betrachten nunmehr insbesondere Fig. 3A. Bei einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung wird der Detektorabstand entlang der x-Achse effektiv dadurch reduziert, daß abwechselnde Spalten 18a und 18b von Detektorelementen 18 vertikal versetzt angeordnet sind. Die abwech­ selnden Spalten 18a und 18b sind um einen Abstand gegeneinander ver­ setzt, der gleich der Hälfte dem Abstandes zwischen den Mitten der De­ tektorelemente in derselben Spalte ist (das ist der x-Achsen-Detekto­ rabstand) Demzufolge sind die Detektormitten entlang der z-Achse zickzack-förmig versetzt angeordnet, wie dies durch die Linie 40 dargestellt ist. Die Wirkung einer derartigen Versetzung liegt darin, die Anzahl von Abtastpunkten entlang der x-Achse zu erhöhen und den Detektorabstand (-steigung) entlang dieser Achse effektiv zu verringern. Ein Nachteil liegt allerdings darin, daß dadurch der effektive Detektorabstand entlang der z-Achse vergrößert wird. Das gleiche Konzept kann angewendet werden, um den effektiven Detekto­ rabstand entlang der z-Achse zu verringern. Wir betrachten insbeson­ dere Fig. 3B. Bei dieser Ausführungsform sind abwechselnde Zeilen 18c und 18d mit Bezug zueinander um die Hälfte des z-Achsen-Detektorab­ standes verschoben angeordnet. Folglich schwanken die Detektormitten entlang der x-Achse zickzack-förmig, wie dies durch die Linie 41 dargestellt ist. Die Wirkung dieser zickzack-förmigen Versetzung liegt darin, die Anzahl von Abtastpunkten entlang der z-Achse zu erhöhen und den Detektorabstand entlang dieser Achse effektiv zu verringern. Ein Nachteil ist darin zu sehen, daß dadurch der effektive Detektorabstand entlang der x-Achse vergrößert wird.

Wir betrachten nunmehr insbesondere Fig. 3C. Bei einer weiteren Aus­ führungsform gemäß der Erfindung kann der Detektorabstand effektiv entlang der x- und z-Richtung des Detektorfeldes 16 reduziert werden. Dies erreicht man beispielsweise unter Verwendung von quadratischen Detektorelementen 18, die um 45 um ihre Mitten gedreht sind. Demzu­ folge schwanken die Mitten von Detektoren 18 in benachbarten Spalten zickzack-förmig, wie dies durch die Linie 42 dargestellt ist, und ebenso die Mitten von Detektoren 18 in benachbarten Zeilen, wie dies durch die Linie 43 dargestellt ist. Folglich wird der Abstand zwischen Mitten von Detektorelementen, der entlang der z- und x-Achse gemessen wird, auf 0,707 des Abstandes eines entsprechenden bekannten Detektor­ feldes verringert, indem gleich große Detektorelemente benutzt werden. Dies entspricht grob einer Verringerung um 30% des effektiven Detek­ torabstandes entlang der x- und -Richtung des zweidimensionalen De­ tektorfeldes 16.

Der Herstellungsaufwand für ein Detektorfeld 16, das beispielsweise in Fig. 3C dargestellt ist, ist etwa der gleiche, wie der für die be­ kannte Anordnung nach Fig. 4. Die Ränder benachbarter Detektorelemente 18 liegen allesamt auf geraden Linien. Solche kontinuierlichen Grenzen von Detektorelementen gestatten es, Signalleitungen von jedem Element 18 vom Rand des Feldes 16 entlang eines geraden Weges herauszuführen. Wenn außerdem ein Kollimator über dem Detektorfeld 16 anzuordnen ist, um Fehler zu verringern die durch eine Röntgenstreuung verursacht werden, ist es leicht, einen derartigen Kollimator zu konstruieren und entlang gerader Grenzen zwischen den Detektorelementen 18 auszurich­ ten.

Wenn diese Vorteile bei dem gleichen Herstellungsaufwand erreicht wer­ den sollen, aber eine deutlichere Verringerung des Detektorabstandes entlang lediglich einer Detektorrichtung erforderlich ist, wird die vierte Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, die in Fig. 3D darge­ stellt ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Mitten benachbarter Detektorelemente versetzt angeordnet, wie dies durch die Linie 44 dar­ gestellt ist. Dies wird allerdings dadurch erreicht, daß die sonst rechteckigen Detektorelemente 18 eine geneigte bzw. schräge Form auf­ weisen, anstatt daß abwechselnde Spalten verschoben werden. Das Ergeb­ nis führt zu einer verringerten effektiven Steigung entlang der x- Achse, wie dies in der Ausführungsform nach Fig. 3A gezeigt ist. Al­ lerdings liegen die Grenzen benachbarter Detektorelemente 18 bei die­ ser vierten Ausführungsform auf geraden Linien, wodurch die Herstel­ lung gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3A erleichtert wird. Für einen Durchschnittsfachmann sollte es offensichtlich sein, daß die De­ tektorelemente 18 auch derart schräg angeordnet werden können, daß be­ nachbarte Mitten entlang der Spaltenrichtung versetzt angeordnet sind, wenn ein reduzierter Abstand entlang der z-Achse anstelle der x-Achse verlangt wird.

Claims (10)

1. Detektoranordnung für eine medizinische Bildgebungsanlage, ge­ kennzeichnet durch:
einen ersten Satz rechteckiger Detektorelemente (18), die in ei­ ner ersten Spalte angeordnet sind und deren Mitten auf einer geraden Linie ausgerichtet sind, und
einen zweiten Satz viereckiger Detektorelemente (18), die in ei­ ner neben der ersten Spalte verlaufenden zweiten Spalte angeordnet sind und deren Mitten auf einer geraden Linie liegen, die parallel zu der geraden Linie verläuft, die durch die Mitten der Detektorelemente (18) der ersten Spalte festgelegt ist, wobei die Mitte der Detektore­ lemente der zweiten Spalte zu den Mitten benachbarter Detektorelemente in dem ersten Satz mittig versetzt dazu angeordnet sind.

2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (18) Röntgendetektoren sind und die medizinische Bildgebungsanlage ein Röntgenstrahl-Computertomographie-Abtaster ist.

3. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (18) rechteckförmig sind.

4. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (18) quadratisch sind.

5. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (18) die Form eines Parallelogramms besitzen.

6. Detektoranordnung für eine volumetrische Röntgen-CT-Anlage ge­ kennzeichnet durch:
mehrere viereckige Detektorelemente (18), deren Mitten entlang mehrerer benachbarter Geraden angeordnet sind, die eine entsprechende Anzahl von Spalten bilden, wobei die Detektorelemente (18) in abwech­ selnden Spalten derart angeordnet sind, daß ihre Mitten zu den Mitten von Detektorelementen (18) in benachbarten Spalten mittig versetzt dazu angeordnet sind.

7. Detektoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (18) rechteckförmig sind und die abwechselnden Spalten von Detektorelementen (18) verschoben sind zum Versetzen der Mitten der darin angeordneten Detektorelemente (18).

8. Detektoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (18) quadratisch sind und ihre Mitten entlang mehreren benachbarten geraden Linien angeordnet sind, um eine entspre­ chende Anzahl von Zeilen zu bilden, die senkrecht auf den Spalten stehen.

9. Detektoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (18) die Form eines Parallelogramm besitzen, de­ ren Mitten in abwechselnden Spalten versetzt angeordnet sind, indem die Detektorelemente (18) schräg angeordnet sind.

10. Detektoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Grenzen, die die Form jedes Detektorelements (18) in der Detekto­ ranordnung festlegen, entlang einer von mehreren geraden Linien ange­ ordnet sind, die sich zu einem Rand der Detektoranordnung hin erstrec­ ken.