DE10016372A1 - Schichtbildverfahren und Schichtbildgerät - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schichtbildverfahren, vorzugsweise zur tomosynthetischen Darstellung eines Objekts (1), wobei das Objekt von mindestens einem Strahler (2) aus verschiedenen Richtungen durchstrahlt wird und mindestens ein Sensor (3) die projizierten Objektabbildungen aufnimmt. Mit dem Schichtbildverfahren ist eine tomosynthetische Darstellung mit einer diagnostisch hinreichenden Auflösung von Objekten möglich, wobei die Fläche der abzubildenden Objektschicht größer sein kann als die des Sensors. Das erfindungsgemäße Schichtbildverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Rekonstruktion von Schichten des Objekts die realen Projektionsbilder des Objekts um virtuelle Bereiche vergrößert werden und daß Sensoren verwendet werden, die zwischen einander Lücken haben dürfen, ohne daß im Schichtbild Lücken auftreten. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Schichtbildgerät zur Anwendung des erfindungsgemäßen Schichtbildverfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schichtbildverfahren, vorzugsweise zur tomo­ synthetischen Darstellung eines Objekts, wobei das Objekt von mindestens einem Strahler aus verschiedenen Richtungen durchstrahlt wird und mindestens ein Sensor die projizierten Objektabbildungen (im folgenden "Projektionen" genannt) aufnimmt. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Schichtbildgerät zur Anwendung des Schichtbildverfahrens.

Tomosynthetische Verfahren dienen zur Darstellung von Schichten von Objekten, insbesondere von menschlichen Körperteilen, nachdem mehrere elektronische 2D- Aufnahmen des Objekts aus verschiedenen Richtungen aufgenommen wurden. Eine daran anschließende aus mehreren Verfahrensschritten bestehende rechnerische Rekonstruktion ermöglicht die Darstellung von Schichten und somit letztendlich eine dreidimensionale (3D) Repräsentation des Objekts. Tomosynthetische Darstellungs­ verfahren sind seit geraumer Zeit bekannt, lediglich beispielhaft wird auf die US 5 214 681, US 5 598 454 und die US 5 666 392 verwiesen, aus denen Röntgendia­ gnostikeinrichtungen bekannt sind, die Aufnahme und 3D-Darstellung, z. B. vom Mundbereich eines Patienten ermöglichen.

Die tomosynthethische Methode sei an Fig. 0 schematisch erklärt. Ein Strahler mit dem Strahlfocus durchstrahlt ein Objekt 1 aus verschiedenen Richtungen. Dazu wird er auf einer vorgegebenen Bahn 27 bewegt, in die Strahlposition gebracht, dort an­ gehalten und es wird Strahlung ausgelöst. Es entsteht ein Projektionsbild 26 des Objektes auf einem Sensor 3. Der Strahler wird bevorzugt um ein Drehzentrum 4 geschwenkt. Die Verfahrkurve 27 des Strahlers kann im Prinzip eine beliebige Kurve im Raum sein. Sie ist bevorzugt ein Kreis, der parallel zur Sensorebene liegt oder ein Kreisbogen, der senkrecht zur Sensorebene liegt, auf dem der Strahler hin und her pendelt oder es ist eine Spirale oder es sind 2 parallele Geraden oder 2 parallele Kreisbögen usw. Der Strahlkegel hat wie Fig. 0 einen kreisförmigen Querschnitt oder einen beliebig eckigen, bevorzugt rechteckigen. Der Sensor ist raumfest oder bewegt sich mit dem Projektionsbilde mit. Es können einer oder mehrere Sensoren verwendet werden. Die Rekonstruktion des Objektes erfolgt in Schichten, die in einer Ebene liegen, die parallel zur Sensorebene liegen. Die Ebene, in der das Drehzen­ trum der Strahlerschwenkung liegt, wird Fokusebene genannt. Sie ist die Ebene der Schichtbilder höchster Tiefenauflösung und lateraler Ausdehnung.

Die Berechnung der Objektschichten erfolgt durch die Anwendung von Projektions­ bildfilterungs-, Rückprojektions- und Bildrekonstruktions-verfahren. Die Rekonstruk­ tion der Objektschicht erfolgt bisher nur aus den Informationen, die in den Projekti­ onsbildern enthalten ist. Wir wollen diese im folgenden die "realen Objektprojektio­ nen" nennen. Dies hat erstens zur Folge, daß der bisher tomosynthetisch darstell­ bare Bereich des Objektes sich auf den Bereich beschränkt, wo alle Projektionen reale Bilder liefern, d. h. er wird lateral und in der Tiefe relativ klein. Der darstellbare Bereich ist um den Schwenkpunkt des Strahlers am größten und fällt Richtung Sen­ sor und Richtung Strahler. Seine Fläche ist stets kleiner/gleich der Fläche des Sen­ sors. Es hat zweitens zur Folge, daß an den Projektionsgrenzen Bildsprünge entste­ hen, die bei der Rekonstruktion zu störenden Artefakten führen. Da die Qualität der Schichtbilder, insbesondere auch die Häufigkeit von Artefakten, von der Anzahl der aufgenommenen Projektionen abhängt und die Objektschicht, die ohne Verwischung mit guter Tiefenauflösung dargestellt wird, vom Schwenkwinkel des Strahlers und der Zahl der Projektionen abhängt, ist zur Darstellung eines möglichst großen Volumens eines Objekts mit angemessen guter Tiefenauflösung eine hohe Anzahl von Projekti­ onsaufnahmen bei einem ausreichend großen Schwenkwinkel nötig. Vor allem ist zur Darstellung großer Objektbereiche ein möglichst großer Strahlöffnungswinkel des Strahlers erforderlich, was die Verwendung großflächiger Sensoren erfordert. Wenn der Sensor in seinen Dimensionen begrenzt sein muß, beispielsweise aus anatomi­ schen Gründen wie bei intraoraler Platzierung, ist die darstellbare Objektgröße nach oben eng begrenzt. Wenn die Sensorgröße anatomisch gesehen keiner Limitierung unterliegt und großräumige Objekte dargestellt werden sollen, wachsen die Kosten mit der Größe der Sensoren ganz erheblich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schichtbildverfah­ ren der gattungsbildenden Art derart auszubilden und weiterzuentwickeln, daß eine Objektdarstellung mit einer diagnostisch ausreichenden Auflösung möglich ist, wobei die räumliche Fläche der abzubildenden Objektschicht größer als die des Sensors werden kann und mit Lücken zusammengesetzte Sensoren verwendet werden kön­ nen. Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schichtbildgerät zur Lösung dieser Aufgabe anzugeben.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist ein Schichtbildverfahren dadurch gekennzeichnet, daß zur Rekonstruktion die einzelnen Objektprojektionen mit Ersatzwerten virtuell vergrößert werden. Aus den virtuell vergrößerten Bildern werden Schichten rekonstruiert, deren Fläche grö­ ßer wird als die Fläche aus nur realen Projektionen, insbesondere größer als die des Sensors.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, daß zur Rekonstruktion eines Ob­ jekts nicht nur der Bereich eines Objekts rekonstruierbar ist, der von dem Strahler bei allen Projektionen durchstrahlt und aufgenommen wurde, sondern daß in vorteilhaf­ ter Weise sämtliche Objektbereiche rekonstruierbar bzw. darstellbar sind, die aus den verschiedenen Positionen von dem Strahler mindestens einmal durchstrahlt und aufgenommen werden. Somit werden bei dem erfindungsgemäßen Schichtbildver­ fahren nicht nur die Schnittmenge, sondern maximal die Vereinigungsmenge aller projizierten durchstrahlten Objektbereiche berücksichtigt.

Dies geschieht dadurch, daß bei allen Projektionsbildern die realen Bereiche um vir­ tuelle Bereiche vergrößert werden und zwar auf eine Größe, die maximal der größ­ ten Fläche einer mindestens aus einer Position durchstrahlten Objektschicht ent­ spricht.

Ebenso groß in der Fläche können dann auch die entsprechenden Schichten rekon­ struiert werden, also i. d. R. deutlich größer sein als es die Sensorfläche ist. Da, wie oben ausgeführt, die Tiefenauflösung und Artefakthäufigkeit vom für das jeweilige Bild real wirksamen Schwenkwinkel und der Anzahl der beitragenden realen Projek­ tionen abhängt, wird die Bildqualität schlechter, wo mehr und mehr virtuelle Bildbe­ reiche zum Rekonstruieren der Schicht beitragen. Insbesondere wird die dargestellte Schicht nach außen immer dicker, bis sie am Rande des überhaupt rekonstruierba­ ren Bereichs die gesamte Dicke des Objektes ausmacht. Dies ist allerdings meist tolerabel, da im zentralen, also interessanten Bildbereich maximale Tiefenauflösung herrscht.

Die virtuellen Bereiche werden mit Bilddaten gefüllt, die sich bei der Rekonstruktion neutral verhalten, die also keine Bildinformation beitragen oder Artefakte erzeugen.

Das geschieht durch Ersatzwerte, die charakteristisch für den realen Bereich sind, etwa deren gemittelte Grauwerte. Da zwischen den realen und den virtuellen Berei­ chen somit ein Signalsprung entstehen kann, wird dieser durch eine Übergangsfunk­ tion ausgeglichen. Diese ist eine möglichst auch in den Ableiltungen glatte Funktion, z. B. ein Spline. Prinzipiell können solche virtuellen Bereiche nicht nur am Rande sondern auch im Innern eines realen Bereichs gebildet werden, falls dort keine nütz­ liche Bildinformation vorliegt.

Es ist zweckmäßig, die Bereiche der Schicht, für deren Rekonstruktion Ersatz­ werte(gleich virtuelle Werte) verwendet wurden, zu markieren, z. B. farblich. Es ist ebenfalls denkbar, die jeweilige Schichtdicke im Bild anzuzeigen. Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des weiteren ein Schichtbildgerät zur Anwendung des Schichtbildverfahrens angegeben.

Werden mehrere Sensoren verwendet, so könnten diese in einer Ebene angeordnet sein oder auch in versetzten Ebenen. Die Sensoren können erfindungsgemäß auch einen Zwischenraum aufweisen. Um das zu untersuchenden Objekt nicht mit nutzlo­ ser Strahlung zu belasten, erfolgt die Strahlungsemission vorzugsweise nur in einem von dem Sensor nachweisbaren Raumwinkelbereich. Hierzu wird die emittierte Strahlung so ausgeblendet und ausgerichtet, daß sie möglichst vollständig vom Sen­ sor in allen Strahlpositionen erfaßt wird.

Wenn beim herkömmlichen Projektionsverfahren und der üblichen Tomosynthese Sensoren verwendet würden, die Lücken haben, würden auch in den Bildern bzw. rekonstruierten Schichten Lücken oder Bildrandartefakte entstehen. Das erfindungs­ gemäße Verfahren überwindet dieses Problem. Damit können Sensoren preiswert gestückelt werden, ohne sie in entsprechend großer Fläche fehlerfrei und kosten­ trächtig produzieren zu müssen.

Das Drehzentrum kann im Objekt, oder auf dem Sensor, oder dazwischen liegen, vorteilhaft auf einer Verbindungslinie zwischen einer Mittelposition des Strahlers und des Sensors.

In einer konkreten Ausführungsform ist der Strahler und/oder der Sensor einer Trä­ gervorrichtung zugeordnet. Diese Trägervorrichtung weist ein vertikales Element auf, das beispielsweise auf dem Boden oder an der Wand eines Untersuchungsraums befestigt sein könnte. Ebenso wäre denkbar, daß das vertikale Element der Träger­ vorrichtung auf einer Rollenvorrichtung oder in einer Schienenanordnung im Unter­ suchungsraum positionierbar ist. Die Trägervorrichtung weist ein horizontales Ele­ ment auf, das mit dem vertikalen Element der Trägervorrichtung verbunden ist und relativ zum vertikalen Element bewegbar ist. Hierzu kann das vertikale Element bei­ spielsweise eine Schienenführung oder Führungselemente aufweisen, in denen das horizontale Element verfahrbar ist.

Der Strahler und/oder der Sensor ist am horizontalen Element angebracht und relativ dazu bewegbar. Auch der Strahler könnte beispielsweise über ein Schienensystem relativ zum horizontalen Element bewegbar sein.

Der Strahler ist relativ zur Trägervorrichtung um mindestens eine Achse drehbar an­ geordnet. Somit kann der Strahler über die Trägervorrichtung zur Datenaufnahme in jede mit der Trägervorrichtung einnehmbare Position gebracht werden, wobei der Strahler und damit die von ihm emittierte Strahlung beliebig im Raum ausgerichtet werden kann bzw. während einer Objektaufnahme auf das Tomosynthese-Zentrum ausrichtbar ist.

Während der Objektaufnahme ist das Objekt unabhängig von einer Objekthalteein­ richtung relativ zum Strahler/Sensor plazierbar. Hierzu könnte es sich im einfachsten Fall um einen ruhig stehenden Patienten handeln.

Alternativ hierzu ist vorgesehen, daß das Objekt von einer Objekthalteeinrichtung aufgenommen ist. Im konkreten ist die Objekthalteeinrichtung als Liege ausgeführt, die Rollen aufweist und relativ zu der Trägervorrichtung des Strahlers positionierbar ist. Um sicherzustellen, daß sich das aufzunehmende Objekt während der Aufnahme nicht bewegt, ist das Objekt an der Objekthalteeinrichtung fixierbar. Zur Fixierung des Objekts könnten beispielsweise Bänder oder Klemmen verwendet werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Sensor an verschiedenen Positionen der Objekthalteeinrichtung positionierbar. Hierzu könnte die Objekthalteeinrichtung vorbereitete Positionen aufweisen, wobei der Sensor in Abhängigkeit des aufzuneh­ menden Objektteilbereichs in eine der Positionen plaziert wird.

Ganz allgemein ist die Trägervorrichtung relativ zum Objekt bewegbar, so daß wäh­ rend der Objektaufnahmeserie beispielsweise die Trägervorrichtung bewegt wird. Alternativ hierzu könnte auch das Objekt bewegt werden, eine gleichzeitige Bewe­ gung von Trägervorrichtung und Objekt ist ebenfalls denkbar. Letztendlich kann hier­ durch die oben beschriebene Relativbewegung des Strahlers und/oder des Sensors erzielt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich während der Objektaufnahme das Objekt auf einer Objekthalteeinrichtung. Der Sensor ist oberhalb des Objekts und der Strahler unterhalb der Objekthalteeinrichtung angeordnet. Der Strahler und der Sensor wird jeweils von einem horizontalen Element der Trägervorrichtung getragen. Die beiden horizontalen Elemente sind fest miteinander verbunden, so daß deren Abstand während einer Bewegung in vertikaler Richtung relativ zur Trägervorrichtung gleich bleibt.

Zur Vorbereitung der Objektaufnahme kann der Strahler auf den Sensor ausgerichtet werden. Idealerweise erfolgt die Ausrichtung, bevor das Objekt von der Objekthalte­ einrichtung aufgenommen wird.

Die Vorbereitung der Datenaufnahme ist abgeschlossen, wenn das Objekt sich auf der Objekthalteeinrichtung befindet, die beiden horizontalen Elemente nach unten bewegt werden, bis der Sensor, der oberhalb des Objekts angeordnet ist, direkt in Kontakt mit dem Objekt ist. Hierdurch ist einerseits das Objekt durch den Sensor weitgehend fixiert und andererseits ist die Position des Sensors und des Strahlers in vertikaler Richtung festgelegt und wird während der Datenaufnahme nicht mehr ver­ ändert. Und drittens ist die Schicht der höchsten Tiefenauflösung, die Focusebene, möglichst dicht am Objekt. Zur eigentlichen Datenaufnahme durchläuft der Strahler relativ zu dem ihm zugeordneten horizontalen Element eine Bewegungskurve. Ab­ hängig von der Ausgestaltung des horizontalen Elements führt der Strahler in seiner festgelegten horizontalen Ebene eine Bewegungskurve entlang einer Kreisbahn oder eines Rechtecks durch. Hierbei ist der Strahler stets derart orientiert, daß der Zen­ tralstrahl des Strahlers auf den Mittelpunkt des Sensors ausgerichtet ist.

Bei der von dem Strahler emittierten Strahlung handelt es sich um elektromagneti­ sche Strahlung. Im Speziellen handelt es sich um Röntgenstrahlung, je nach Anwen­ dung mit unterschiedlicher Energie. Weiterhin ist denkbar, daß der Strahler Teilchen­ strahlung emittiert. Hierbei könnte es sich z. B. um α-, β- oder Ionenstrahlen handeln.

Im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst hohen Auflösung eines bestimmten Objektbereichs ist es von Vorteil, wenn der Sensor oder der Strahler möglichst dicht am Objekt positionierbar ist. Beispielsweise könnte ein von einer Trägereinrichtung getragener Sensor direkt an dem aufzunehmenden Objekt positioniert sein.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfol­ gende Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Aus­ gestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 0 in einer schematischen Darstellung das Prinzip der tomosynthetischen Methode,

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Schichtbildauf­ nahme eines Objekts, die einen Strahler und einen Sensor aufweist. Strahler und Sensor sind relativ zueinander fest gekoppelt und bewe­ gen sich um ein im Objekt liegendes Bewegungszentrum um eine Achse, die senkrecht auf der Bildebene steht und durch den Punkt 4 geht.

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine alternative Vorrichtung zur Schichtbildaufnahme von Objekten, bei der Strahler und Sensor - synchron auf einer Geraden in der Bildebene um den Punkt 4 oder ei­ ner Kreisbahn senkrecht zur Bildebene bewegt werden. Hierbei ist der Strahler jeweils so ausgerichtet, daß er während der Bewegungsserie in Richtung des im Objekt liegenden Bewegungszentrums Strahlung emit­ tiert,

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Schichtbildauf­ nahme, bei der nur der Strahler wie in Fig. 2 bewegt wird. Der Strahler ist während der Bewegung derart ausgerichtet, daß er Strahlung in Richtung des in der Sensorebene liegende Bewegungszentrums emit­ tiert; der Sensor ist raumfest,

Fig. 4 in einer schematischen Darstellung eine alternative Vorrichtung zur Schichtbildaufnahme von Objekten, wobei nur der Strahler bewegt wird, ein großer Sensor statisch im Raum angeordnet ist und jeweils nur teilweise belichtet wird. Während der Bewegung ist der Strahler auf das im Objekt liegende Bewegungszentrum ausgerichtet,

Fig. 5 in einer schematischen Darstellung ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Schichtbildaufnahme eines Objekts, bei der ein Strahler wie in Fig. 2 bewegt wird. Mehrere Senso­ ren sind in einer Ebene angeordnet, der Strahler ist während der Bewe­ gung auf ein in dem Objekt liegendes Bewegungszentrum ausgerichtet,

Fig. 6 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schichtbildgeräts, bei dem zwei Sensoren in einer Ebene angeordnet sind, ein Strahler bewegt wird, der Strahler seine Strahlung entsprechend der Sensor-Anordnung geteilt emittiert, wobei die Emissionsrichtung des Strahlers während der Bewegung auf das Bewegungszentrum ausgerichtet ist, das zwischen den beiden Sensoren liegt,

Fig. 7 in einer schematischen Darstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schichtbildgeräts, bei dem ein Strahler entlang einer kreisförmigen Bewegungskurve um eine senkrechte Achse durch Punkt 4 bewegt wird. Der Strahler ist derart ausgerichtet, daß er während der Bewegung stets in Richtung des im Sensor liegenden Be­ wegungszentrums Strahlung emittiert,

Fig. 8 in einer schematischen Darstellung die praktische Realisierung eines erfindungsgemäßen Schichtbildgeräts, das einen Strahler und einen Sensor aufweist,

Fig. 9 eine Seitenansicht der Fig. 8,

Fig. 10 in einer schematischen Darstellung die vorgesehenen Aufnahmeposi­ tionen für Sensoren, die in einer Liege eines erfindungsgemäßen Schichtbildgeräts plaziert werden können,

Fig. 11 in einer schematischen Darstellung eine Liege eines erfindungsgemä­ ßen Schichtbildgeräts,

Fig. 12 in einer schematischen Darstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schichtbildgeräts, bei dem der Strahler un­ terhalb eines Patienten, der Sensor oberhalb des Patienten angeordnet ist,

Fig. 13 in einer schematischen Darstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel der Fig. 12 und

Fig. 14 in einer schematischen Darstellung die Rekonstruktion der tomosynthe­ tischen Bilder.

Die Fig. 1, 2, 3 und 4 zeigen jeweils ein Schnittbildgerät in Form eines digitalen Röntgengeräts zur tomosynthetischen Darstellung eines Objekts 1 mit einem Strahler 2 und einem Sensor 3. In den Fig. 1 und 2 sind jeweils drei unterschiedliche Stellungen des Strahlers 2 und des Sensors 3 gezeigt. In den Fig. 3 und 4 ist der Sensor 3 statisch angeordnet. In den Fig. 1 bis 4 ist zur vereinfachten Darstellung das Objekt 1 identisch mit dem rekonstruierbaren Objektbereich 7 schraffiert einge­ zeichnet.

Der Objektbereich ist jeweils nur als Schnitt in der Bildebene dargestellt. Die Ausbil­ dung in der dritten Dimension hängt von der Ausbildung des Sensors in dieser Rich­ tung und damit des Strahlenkonus ab, vor allem aber auch von der Bewegung des Röntgenfocus. D. h. insbesondere ob er sich in der Bildebene bewegt oder senkrecht dazu. Diese verschiedenen Varianten sind aus der Literatur bekannt und werden hier nicht detailliert dargestellt.

Der Fig. 1 ist entnehmbar, daß die Aufnahme des Objekts 1 dadurch erfolgt, daß der Strahler und der Sensor relativ zueinander fest gekoppelt und aufeinander ausge­ richtet sind. Während der Datenaufnahme bewegen sich der Strahler 2 und der Sen­ sor 3 um das Objekt 1. Der Drehpunkt 4 befindet sich in der Fig. 1 im Zentrum des Objekts 1. Der Strahler und der Sensor ist jeweils in der Mittelstellung 5 und in den beiden Extremstellungen 6 gezeigt. Der Strahler und der Sensor werden während der Aufnahme von der einen Extremstellung 6 über die Mittelstellung 5 zu der ande­ ren Extremstellung 6 um den Schwenkwinkel β gedreht. Die Bewegung von Strahler und Sensor kann auf je einem Kreisbogen, der in der Ebene der Zeichnung liegt, er­ folgen (Fig. 1) oder aber auf einer Geraden in der Ebene der Zeichnung (Fig. 2) oder auf einer Kurve z. B. einem Kreis, der senkrecht zur Ebene der Zeichnung steht und parallel zum Sensor liegt. Dann stellt die gestrichelte Kurve in Fig. 2 die Projektion der Bewegungskurven auf die Zeichnungsebene dar.

Der Fig. 3 und 4 ist zu entnehmen, daß sich nur der Strahler 2 analog zur Bewegung in Fig. 2 bewegt. Der Sensor ist bei dieser Aufnahmeart ortsfest angeordnet. Der Sensor ist in Fig. 4 groß genug dimensioniert, daß er die durch das Objekt hindurch­ tretende Strahlung des Strahlers 2 in sämtlichen möglichen Stellungen des Strahlers 2 aufzunehmen vermag. Der Strahler 2 ist in den Fig. 2 bis 4 während seiner Bewe­ gung stets so ausgerichtet, daß der Zentralstrahl der vom Strahler 2 emittierten Strahlung in Richtung des Punkts 4 zeigt. Der Strahlöffnungswinkel der von dem Strahler 2 emittierten Strahlung ist mit α gekennzeichnet.

Zu der aus dem Stand der Technik bekannten tomosynthetischen Bildrekonstruktion werden nur Bildinformationen von Teilen eines Objekts verwendet, die auf allen Pro­ jektionsaufnahmen vorhanden sind. Dieser Teilbereich des Objekts ist in den Fig. 1 bis 4 eng schraffiert dargestellt. Nach dem Strahlennetz ergibt sich, und ist in den Bildern 1 bis 4 dargestellt, daß das darstellbare Volumen des Objektbereichs 7, das mit den aus dem Stand der Technik bekannten Tomosynthese-Rekonstruktionsver­ fahren darstellbar ist, mit dem Abstand des Strahlers 2 vom Objekt 1 bzw. von dem Punkt 4 abnimmt. Weiterhin kann den Fig. 1 bis 4 entnommen werden, daß die late­ rale Dimension des Querschnitts des darstellbaren Objektbereichs 7 stets kleiner gleich ist als die Fläche des Sensors 3, die ebenfalls mit dem Abstand zum Objekt 1 bzw. zum Ausrichtungspunkt 4 abnimmt. Das darstellbare Volumen ist ein Rhombo­ eder.

In der Fig. 5 ist ein Schichtbildgerät zur Anwendung des erfindungsgemäßen Schichtbildverfahrens zur tomosynthetischen Darstellung eines Objekts 1 mit einem Strahler 2 und einem Sensor 3 gezeigt. Hierbei wird das Objekt 1 aus verschiedenen Richtungen durchstrahlt, während der Sensor 3 die projizierten Objektabbildungen aufnimmt. Die Anordnung ist dieselbe wie in Fig. 2.

Erfindungsgemäß werden zur Rekonstruktion des Objekts 1 Bilddaten der Objektbe­ reiche verwendet, die von dem Strahler 2 mindestens einmal durchstrahlt wurden und nicht nur die, die aus allen Focuspositionen erfaßt wurden. Der von dem Strahler 2 durchleuchtete Bereich ist in Fig. 5 schraffiert gezeigt. Objektteile, die sich ir­ gendwo im schraffierten Bereich befinden, können erfindungsgemäß tomosynthe­ tisch dargestellt werden. Die Schnittmenge des schraffierten Bereichs mit dem Objekt 1 ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet und stellt den Teil des konkreten Objekts dar, der mit dem erfindungsgemäßen Schichtbildgerät rekonstruiert und dargestellt werden kann. Der Fig. 5 ist entnehmbar, daß der mit dem erfindungsgemäßen Schichtbildgerät rekonstruierbare Bereich des Objekts 1 deutlich größer ist als der rekonstruierbare Objektbereich 7 gemäß den Fig. 1 bis 4. Durch das erfindungsge­ mäße Verfahren ist es in besonders vorteilhafter Weise nunmehr möglich, neben dem Objektbereich 7 einen zusätzlichen Objektbereich 8 des Objekts 1 zu rekon­ struieren bzw. darzustellen.

Bei Fig. 6 werden 2 Sensoren mit einem Zwischenraum 9 verwendet. Wenn der Zwi­ schenraum ausreichend klein ist, dürfte das Strahlenfeld den Zwischenraum auch treffen, die Strahlung ginge allerdings nutzlos für die Bildgewinnung verloren. In Bild 2 ist das Strahlenfeld vorteilhafterweise auf 2 Kegel aufgeteilt, die auf die jeweiligen Sensoren ausgerichtet sind. Die Bewegung des Focus erfolgt um den Punkt 4, wie­ derum wie zu den Bildern 2 bis 4 beschrieben.

Statt der 2 Sensoren können beliebig viele nebeneinander in einer Ebene oder auch hintereinander versetzt angeordnet werden. Der Vorteil ist, daß bei dieser Konfigura­ tion die Sensoren nicht unbedingt dicht beieinander liegen müssen. Fig. 7 zeigt eine Bewegungsvariante mit feststehendem Sensor und dem Focus, der sich um eine senkrecht auf 4 stehende Achse bewegt.

Zur praktischen Umsetzung des voran beschriebenen Schichtbildverfahrens ist der Ausführungsform gemäß Fig. 8 entnehmbar, daß der Strahler 2 von einer Trägervor­ richtung 11 getragen ist. Die Trägervorrichtung 11 weist ein vertikales Element 12 auf, das fest mit dem Boden verbunden ist. Das vertikale Element 12 der Trägervor­ richtung 11 ist mit einem horizontalen Element 13 verbunden, das relativ zum verti­ kalen Element 12 bewegbar ist. Er kann sich in der Bildebene von rechts nach links, oder auf einem Ring im Halter 13 senkrecht zur Bildebene auf einer Kreisbahn oder Kombination davon bewegen. Entsprechend sind die Gelenke und Antriebe des Strahlers so ausgebildet, daß der Strahler stets auf den Sensor gerichtet bleibt. Ge­ mäß den Ausführungsformen aus Fig. 8 und 9 ist das Objekt 1 von einer Objekthal­ teeinrichtung 14 aufgenommen. Die Objekthalteeinrichtung 14 ist als Liege ausge­ führt. Bei dem Objekt 1 handelt es sich in diesem Fall um einen Patienten. Der Pati­ ent 1 ist an der Liege 14 mit Hilfe von Bändern fixiert, so daß der Patient 1 relativ zur Liege 14 während der Objektaufnahme keine Bewegungen durchführen kann.

Der Sensor 3 kann an verschiedenen Positionen 15 der Liege 14 angebracht wer­ den. Hierfür sind für den Sensor 3 vorbereitete Positionen 15 in der Liege 14 vorge­ sehen, was der Fig. 10 entnehmbar ist. Der Sensor 3 ist hierbei möglichst dicht an der Oberfläche der Liege 14, also am Patient 1, anordenbar. Abhängig von dem zu durchleuchtenden Organ, beispielsweise der Halswirbelsäule, der Lendenwirbel­ säule, dem Knie, usw., wird der Sensor 3 vor der Datenaufnahme in der entsprechenden dafür vorgesehenen Position 15 angebracht. In Fig. 11 ist gezeigt, daß die Liege 14 eine Abdeckplatte 16 aufweist, die geschlossen werden kann, nachdem ein Sensor 3 in einer Position 15 angebracht wurde, so daß die nicht genutzten Positio­ nen 15 durch die Abdeckplatte 16 geschlossen sind. Zur Datenübertragung ist der Sensor über die Verbindung 18 mit einer Auswerteeinrichtung verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 12 wird der Sensor 3 von dem horizontalen Element 19 der Trägervorrichtung 11 getragen und ist oberhalb des Pa­ tienten 1 angeordnet. Der Strahler 2 wird unterhalb des Patienten 1 und der Liege 14 seinerseits von einem horizontalen Element 13 getragen. Der Strahler bewegt sich wie bei Fig. 8 und 9 beschrieben. Beide horizontalen Elemente 13 und 19 können fest miteinander verbunden sein, so daß während einer Bewegung relativ zum verti­ kalen Element 12 der Trägervorrichtung 11 ihr Abstand gleich bleibt. In diesem Falle kann bei kreisförmiger Bewegung des Strahlers senkrecht zur Bildebene der Strahler fest auf dem Ring ausgerichtet bleiben.

Zur Vorbereitung bzw. Kalibrierung einer Aufnahme wird in den anderen Fällen in Abwesenheit der Liege 14 der Strahler 2 auf den Sensor 3 ausgerichtet. Der Patient 1 auf der Liege 14 wird sodann in die in der Fig. 12 dargestellte Position gefahren und so ausgerichtet, daß der Patient dicht unter dem Sensor 3 positioniert ist. Die horizontalen Elemente 13, 19 werden nun so lange nach unten bewegt, bis der Sen­ sor 3 in Kontakt mit dem Patient 1 ist. Hierdurch wird der Patient 1 auf der Liege 14 in vorteilhafter Weise fixiert.

In der Fig. 13 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, die hinsichtlich der An­ ordnung des Patienten 1 und der Trägervorrichtung 11 zu der Ausführungsform ge­ mäß der Fig. 12 um 90 Grad gedreht ist. Der Patient 1 ist stehend an der vertikal an­ geordneten Referenzwand 20 angelehnt. Der Strahler 2 ist von einem vertikal ange­ ordneten Element 21 getragen und relativ dazu beweglich angeordnet. Der Sensor ist von einem vertikal angeordneten Element 22 getragen. In Abhängigkeit des auf­ zunehmenden Körperteils des Patienten 1 kann der Sensor 3 relativ zum vertikalen Element 22 positioniert bzw. fixiert werden. Die beiden vertikalen Elemente 21, 22 sind fest miteinander verbunden, ihr Abstand ist konstant und sie können gemeinsam in Richtung des in Fig. 13 gezeigten Doppelpfeils verfahren werden. Die vertikalen Elemente 21, 22 werden von einem horizontalen Element 23 getragen. Das horizon­ talen Element 23 bildet mit den zwei vertikalen Stützstangen 24 eine Einheit. Vor der Datenaufnahme stellt sich der Patient vor die Referenzwand 20. Die vertikalen Ele­ mente 21, 22 werden so fange nach links bewegt, bis der Sensor 3 direkten Kontakt mit dem Patient 1 hat. Hierdurch ist der Patient ebenfalls in seiner Position fixiert. Zur Datenaufnahme wird der Strahler 2 hinter der Referenzwand 20 auf einer Kreisbahn relativ zum vertikalen Element 21 in einer vertikalen Ebene bewegt. In vorteilhafter Weise merkt der Patient 1 ebenso bei Fig. 12 von Bewegung des Strahlers 2 nichts. Bei dem Strahler handelt es sich um eine Röntgenlichtquelle.

In Fig. 14 wird demonstriert, wie die Rekonstruktion der tomosynthetischen Bilder erfolgt, an einer Anordnung wie bereits in Fig. 3 beschrieben. Der Strahler bewegt sich in diesem Falle auf einer Geraden in der Bildebene. Bei Bild 8 hieße das, daß der Strahler sich längs des Trägers 13 bewegt. Er bewegt sich jeweils von Position P₁ bis Pn, verharrt jeweils dort und durchstrahlt in diesen Positionen das Objekt. Während seiner Bewegung strahlt er nicht. Die tomosynthetische Methode ergibt wie eingangs ausgeführt, daß die Dicke der rechnerisch rekonstruierten Schicht des Ob­ jektes abhängt von der Zahl der Projektionen des betreffenden Objektbereiches und dem dafür zutreffenden Schwenkwinkel. In Fig. 14 sei E eine darzustellende Objek­ tebene.

Wird beispielsweise das Objekt aus der Position P₂ durchstrahlt, trifft der Strahlenke­ gel in der Ebene E die Fläche A1. Die von mindestens einem Strahl aller Positionen durchstrahlte Fläche in E ist A2. Die aus allen Positionen durchstrahlte Fläche ist A3 (Vergleiche auch Fig. 3). Für die Rekonstruktion dieser Schicht E wird zum realen Bild A1 nun jeweils der Rest bis zur vollen Größe A2 ergänzt. Da andere Ebenen sich zu anderen maximalen A2 ergänzen lassen, ist es sinnvoll alle Projektionen auf die maximale Größe aller Ebenen, in Bild 14 ist es A4, zu vergrößern oder sogar auf die überhaupt mit dem Gerät maximal aufnehmbare laterale Gegenstandsgröße. In den Darstellungen am Bildschirm kann der Nutzer die interessanten Bereiche dann zoomen.

In Füllbereichen werden die Bilder mit Daten gefüllt, die typisch sind für die realen Bildbereiche, also z. B. den mittleren Grauwerten. Um Artefakte bei der Rekonstruktion zu vermeiden, werden die Übergänge zwischen realem zum Füllbereich geglät­ tet, z. B. per Spline-Funktionen. Es ist leicht zu erkennen, daß das Objekt im Randbe­ reich der Schicht E von weniger Projektionen bei kleinerem Schwenkwinkel durch­ leuchtet wird als im Inneren. D. h. die Tiefenauflösung wird zum Rande schlechter. Dort wo im Extremfalle nur eine Projektion trifft, ist die Schichttiefe maximal, nämlich so groß wie das ganze Objekt, in der Mitte ist sie minimal, also die beste Tiefenlö­ sung. Auf diese Weise wird erreicht, daß die darstellbare Fläche des Objektes deut­ lich größer als die Sensorfläche wird. Allerdings nimmt mit dem Abstand vom Sensor die Tiefenauflösung ab.

Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, daß die zuvor rein willkürlich ge­ wählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims (50)

1. Schichtbildverfahren, vorzugsweise zur tomosynthetischen Darstellung eines Objekts (1), wobei das Objekt von mindestens einem Strahler (2) aus verschiedenen Richtungen durchstrahlt wird und mindestens ein Sensor (3) die projizierten Objektabbildungen aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rekonstruktion des Objekts Bilddaten der Objektbereiche (7, 8) verwendbar sind, die von dem Strahler (2) mindestens einmal durchstrahlt werden und dass die einzelnen realen Objektprojektionen um Ersatzwerte ergänzt werden.

2. Schichtbildverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den den um den virtuellen Bereich vergrößerten Projektionen nach bekanntem tomosynthetischen Verfahren Objektschichten rekonstruiert werden.

3. Schichtbildverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schichten erzeugt werden, deren Fläche größer ist als die von Schichten aus rein realen Projektionen, insbesondere auch größer sein kann, als die Summe der Fläche der Sensoren.

4. Schichtbildverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ersatzwerte charakteristische Werte eingesetzt werden, die aus den realen Projektionen abgeleitet werden können.

5. Schichtbildverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatzwerte den Mittelwerten der Bilddaten der angrenzend aufgenommenen Bildbereiche entsprechen.

6. Schichtbildverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Übergängen von den virtuellen Bereichen, zu den realen Bildbereichen eine stetige Übergangsfunktion eingesetzt wird.

7. Schichtbildverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch zumindest die erste und zweite Ableitung der Übergangsfunktion stetig ist.

8. Schichtbildverfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsfunktion eine Spline-Funktion ist.

9. Schichtbildverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche in der Schicht, wo zur Rekonstruktion Ersatzwerte verwendet wurden, markiert werden.

10. Schichtbildverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung farblich hervorgehoben wird.

11. Schichtbildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor oder die Sensoren (3) ortsfest angeordnet sind.

12. Schichtbildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) in einer Ebene angeordnet sind.

13. Schichtbildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) auf einem Zylindermantel angeordnet sind.

14. Schichtbildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) einen Zwischenraum (9) aufweisen.

15. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahler (2) Strahlung nur in einem von den Sensoren (3) erfassbaren Raumwinkelbereich emittiert.

16. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Objektaufnahme der Strahler (2) und/oder der Sensor (3) entlang einer oder mehrerer Geraden positioniert wird.

17. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Objektaufnahme der Strahler (2) und/oder der Sensor (3) auf Kurven positioniert wird.

18. Schichtbildgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungskurve des Strahlers (2) und/oder des Sensors (3) in einer Ebene verläuft, die parallel zu der Tomosynthese-Fokusebene (10) ist.

19. Schichtbildgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungskurve des Strahlers (2) und/oder des Sensors (3) auf einer Kreisbahn verläuft, die in einer zur Tomosynthese-Fokusebene (10) parallelen Ebene liegt.

20. Schichtbildgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungskurve des Strahlers (2) und/oder des Sensors (3) in einer Ebene verläuft, die senkrecht zu der Tomosynthese-Fokusebene (10) ist.

21. Schichtbildgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungskurve des Strahlers (2) und/oder des Sensors (3) eine beliebige Raumkurve ist.

22. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strahler so bewegt, daß der Zentralstrahl sich um einen Punkt (4) im Objekt (1) dreht.

23. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strahler so bewegt, daß der Zentralstrahl sich um einen Punkt (4) im Sensor (3) dreht.

24. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bewegung der Zentralstrahl des Strahlers (2) auf einen Punkt (4) ausgerichtet ist, der auf einer Verbindungslinie zwischen dem Strahler (2) und dem Sensor (3) liegt.

25. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensor (3) und der Strahler (2) während der Objektaufnahme gegensinnig synchron bewegt werden.

26. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Strahlers (2) und/oder des Sensors (3) um einen bestimmten Objekt-Teilbereich (4) erfolgt, der dann mit der maximal verfügbaren Tiefenauflösung rekonstruierbar ist.

27. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahler (2) und/oder der Sensor (3) einer Trägervorrichtung (11) zugeordnet ist.

28. Schichtbildgerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Trä­ gervorrichtung (11) ein vertikales Element (12) aufweist.

29. Schichtbildgerät nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägervorrichtung (11) ein horizontales Element (13) aufweist, das relativ zum vertikalen Element (12) bewegbar ist.

30. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahler (2) und/oder der Sensor (3) am horizontalen Element (13) angebracht ist und relativ dazu bewegbar ist.

31. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahler (2) relativ zur Trägervorrichtung (11) um mindestens eine Achse drehbar angeordnet ist.

32. Schichtbildgerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler auf einem kreisförmigen Ring parallel zum Sensor bewegt wird.

33. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeich­ net, daß während der Objektaufnahme das Objekt (1) unabhängig von einer Ob­ jekthalteeinrichtung (14) relativ zum Strahler/Sensor platzierbar ist.

34. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeich­ net, daß das Objekt (1) von einer Objekthalteeinrichtung (14) aufgenommen ist.

35. Schichtbildgerät nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Ob­ jekthalteeinrichtung (14) als Liege ausgeführt ist.

36. Schichtbildgerät nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (1) an der Objekthalteeinrichtung (14) fixierbar ist.

37. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensor (3) an verschiedenen Positionen (15) der Objekthalteeinrichtung (14) positionierbar ist.

38. Schichtbildgerät nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß für den Sensor (3) vorbereitete Positionen an der Objekthalteeinrichtung (14) vorgesehen sind.

39. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 27 bis 38, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägervorrichtung (11) relativ zum Objekt (1) bewegbar ist.

40. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 27 bis 39, dadurch gekennzeich­ net, daß während der Objektaufnahme die Trägervorrichtung (11) und/oder das Objekt (1) bewegt werden.

41. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 27 bis 40, dadurch gekennzeich­ net, daß das aufzunehmende Objekt (1) sich auf einer Objekthalteeinrichtung (14) befindet, der Sensor (3) oberhalb und der Strahler (2) unterhalb des Objekts (1) angeordnet ist.

42. Schichtbildgerät nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (2) und der Sensor (3) jeweils von einem horizontalen Element (13, 19) der Trägervorrichtung (11) getragen wird.

43. Schichtbildgerät nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Bewegung der beiden horizontalen Elemente (13, 19) in vertikaler Richtung deren Abstand gleich bleibt.

44. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 40 bis 42, dadurch gekennzeich­ net, daß vor einer Datenaufnahme der Strahler (2) auf den Sensor (3) ausgerichtet wird.

45. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor dicht an das Objekt herangeführt werden kann.

46. Schichtbildgerät nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor selbst zur Fixierung des Objektes beiträgt.

47. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 45 bis 48, dadurch gekennzeich­ net, daß vor einer Datenaufnahme die beiden horizontalen Elemente (13, 19) nach unten bewegt werden, bis der Sensor (3) direkt in Kontakt mit dem Objekt ist.

48. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 44 bis 47, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Datenaufnahme der Strahler (2) relativ zum horizontalen Element (13) eine Bewegungskurve durchläuft.

49. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 41 bis 48, dadurch gekennzeich­ net, daß das Objekt (1) stehend an einer Referenzwand (20) angelehnt ist und die Trägervorrichtung samt Strahler (2) und Sensor (3) entsprechend um 90 Grad gedreht angeordnet sind.

50. Schichtbildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 49, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (2) elektromagnetische Strahlung emittiert.