DE10063442A1 - Verfahren und Röntgeneinrichtung zur Ermittlung eines Satzes von Projektionsabbildungen eines Untersuchungsobjektes - Google Patents
Verfahren und Röntgeneinrichtung zur Ermittlung eines Satzes von Projektionsabbildungen eines UntersuchungsobjektesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Satzes von Projektionsabbildungen für die Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes eines in einem Untersuchungsbereich angeordneten Untersuchungsobjektes mittels einer eine Röntgenquelle und einen Röntgendetektor aufweisenden Röntgeneinrichtung, wobei die Röntgenquelle zur Erfassung der Projektionsabbildungen entlang einer im Wesentlichen auf einer Kugeloberfläche liegenden Trajektorie um den Untersuchungsbereich geführt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Trajektorie derart ausgestaltet ist, dass die Röntgenquelle zur Ermittlung des Satzes von Projektionsabbildungen die Trajektorie kontinuierlich durchlaufen kann und dass nicht alle Punkte der Trajektorie in einer gemeinsamen Ebene liegen. Dadurch wird es möglich, auf schnelle Weise einen Projektionsdatensatz zu gewinnen, der eine genaue Rekonstruktion des Untersuchungsgegenstandes ermöglicht. Die Erfindung betrifft außerdem eine entsprechende Röntgeneinrichtung.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Satzes von Projektionsabbil
dungen für die Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes eines in einem
Untersuchungsbereich angeordneten Untersuchungsobjektes mittels einer eine Rönt
genquelle und einen Röntgendetektor aufweisenden Röntgeneinrichtung, wobei die
Röntgenquelle zur Erfassung der Projektionsabbildungen entlang einer im Wesentlichen
auf einer Kugeloberfläche liegenden Trajektorie um den Untersuchungsbereich geführt
wird. Außerdem betrifft die Erfindung auch eine entsprechende Röntgeneinrichtung.
Bei der so genannten Kegelstrahlcomputertomographie wird versucht, ein dreidimensio
nales Bild eines Untersuchungsobjektes aus einem Satz von Kegelstrahlprojektionen dieses
Objektes zu rekonstruieren. Zur Messung der Kegelstrahlprojektionen wird eine Unter
suchungseinrichtung benutzt, die mit einer punktförmigen Röntgenquelle und einem
flächigen Röntgendetektor versehen ist. Das Objekt befindet sich zwischen Quelle und
Detektor. Während das Objekt stationär bleibt, werden Quelle und Detektor um das
Objekt herumgeführt, wobei in kurzen räumlichen bzw. zeitlichen Abständen Kegelstrahl
projektionen gemessen werden. In der Regel werden Quelle und Detektor starr mit
einander gekoppelt, und die Verbindungslinie zwischen der Quelle und dem Mittelpunkt
des Detektors geht stets durch einen ausgezeichneten Punkt, das Isozentrum. In diesem
Fall bestimmt die Trajektorie der Quelle auch die Trajektorie des Detektors. Außerdem
liegt die Trajektorie der Quelle, von kleinen mechanischen Ungenauigkeiten abgesehen,
auf der Oberfläche einer Kugel, deren Mittelpunkt das Isozentrum ist. Die Trajektorie der
Quelle kann durch eine Abbildung a: [s-,s+] → R3 beschrieben werden, wobei s ein reeller
Parameter ist und a(s) den Ortsvektor der Trajektorie bezüglich eines kartesischen Koordi
natensystems bezeichnet, dessen Mittelpunkt im Isozentrum liegt. Das rekonstruierte Bild
des Objektes gibt die räumliche Verteilung des Röntgenschwächungskoeffizienten im
Untersuchungsbereich wieder. Das Bild wird mit Hilfe eines Computers und eines
Rekonstruktionsalgorithmus aus dem gemessenen Satz von Kegelstrahlprojektionen
berechnet.
Damit eine genaue Rekonstruktion des Röntgenschwächungskoeffizienten möglich wird,
müssen zahlreiche Voraussetzungen erfüllt sein. Eine dieser Voraussetzungen wird z. B.
von P. Grangeat in "Mathematical framework of cone beam 3D reconstruction via the
first derivative of the Radon transform", in G. T. Herman, A. K. Louis und F. Natterer,
Mathematical Methods in Tomography, Band 1497 der Lecture Notes in Mathematics,
Springer Verlag, 1991, auf den Seiten 66-97 angegeben und begründet. Diese als
Vollständigkeitsbedingung bekannte Voraussetzung besagt, dass jede Ebene, die den
Untersuchungsbereich schneidet, auch die Trajektorie der Röntgenquelle schneiden muss.
Im Folgenden wird eine Trajektorie, die die Vollständigkeitsbedingung bezüglich eines
Untersuchungsbereiches erfüllt, als vollständig bezüglich dieses Untersuchungsbereiches
bezeichnet.
Bei einer isozentrischen Untersuchungseinrichtung ist der Untersuchungsbereich vorzugs
weise eine isozentrische Kugel B(rmax) mit dem Radius rmax. Für ein kugelförmigen
Untersuchungsbereich lässt sich die Vollständigkeitsbedingung auch anders formulieren.
Zur Herleitung dieser alternativen Formulierung betrachtet man zunächst die Menge aller
derjenigen Ebenen, die einen beliebigen aber festen Punkt a(s) der Trajektorie sowie die
Kugel B(rmax) schneiden. Jede dieser Ebenen ist eindeutig durch ihren Normalenvektor in
Bezug auf den Mittelpunkt der Kugel B(rmax), also das Isozentrum, charakterisiert.
Einfache geometrische Überlegungen, die anhand von Fig. 1 nachvollzogen werden
können, zeigen nun, dass diese Normalenvektoren eine Kugelkappe U(a(s),rmax) bilden,
wobei die zugehörige Kugel den Mittelpunkt a(s)/2 und den Radius |a(s)/2| hat. Variiert
man den Parameter s und damit den Punkt a(s), so variiert auch die Kugelkappe
U(a(s),rmax). Wenn der Parameter s das Intervall [s-,s+] durchläuft, so erhält man eine
entsprechende Menge von Kugelkappen. Diese Menge von Kugelkappen enthält
konstruktionsgemäß genau diejenigen Normalenvektoren, die zu denjenigen Ebenen
gehören, die sowohl die Trajektorie als auch den kugelförmigen Untersuchungsbereich
B(rmax) schneiden. Die Erfüllung der Vollständigkeitsbedingung verlangt also, dass die
Menge dieser Kugelkappen die Kugel B(rmax) vollständig ausfüllt. Wäre nämlich eine
Lücke vorhanden, so würden die Ebenen, die zu den Normalenvektoren in dieser Lücke
gehören, zwar den Untersuchungsbereich schneiden, nicht aber die Trajektorie.
Bei gegebener Trajektorie und gegebener Kugel B(rmax) kann man mit Hilfe eines
Computers und eines geeigneten Computerprogrammes eine dichte Teilmenge der Menge
aller Kugelkappen berechnen und graphisch darstellen und dann visuell überprüfen, ob
diese Kugelkappen die Kugel B(rmax) lückenlos ausfüllen oder nicht. Im Gegensatz zur
ersten Formulierung der Vollständigkeitsbedingung erlaubt die zweite Formulierung also
einen anschaulichen Test, ob eine gegebene Trajektorie bezüglich einer gegebenen Kugel
B(rmax) vollständig ist.
Zu beachten ist, dass eine planare Trajektorie, also eine Trajektorie, die ganz in einer
Ebene liegt, nicht vollständig sein kann. Alle Ebenen, die zur Ebene der Trajektorie
parallel und von ihr verschieden sind, schneiden die Trajektorie nämlich nicht.
Insbesondere kann also eine kreisförmige Trajektorie oder ein Teilstück davon nicht
vollständig sein. Es gibt aber aus planaren Teilstücken zusammengesetzte Trajektorien, die
vollständig sind. Dazu zählen z. B. zwei Kreise, die denselben Durchmesser und
Mittelpunkt haben und deren Achsen einen hinreichend großen Winkel miteinander
bilden.
Wenn die Trajektorie der Röntgenquelle nicht vollständig ist, kann trotzdem versucht
werden, ein Bild des Untersuchungsobjektes zu rekonstruieren. Im allgemeinen müssen
dann aber Abstriche bei der Bildqualität hingenommen werden.
Die Trajektorie der Röntgenquelle muss aber auch durch die Untersuchungseinrichtung
realisierbar sein. In medizinischen Anwendungen ist das Untersuchungsobjekt ein Teil
eines Patienten, der auf einem Untersuchungstisch liegt, und es ist dafür zu sorgen, dass
Röntgenquelle und Röntgendetektor nicht gegen das Untersuchungsobjekt oder seine
Unterlage stoßen.
Eine Untersuchungseinrichtung nach dem Stand der Technik ist das Philips INTEGRIS
V5000. Diese Untersuchungseinrichtung besitzt einen C-Arm, an dessen einem Ende eine
Röntgenquelle und an dessen anderem Ende ein Röntgendetektor befestigt ist. Zwischen
der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor wird das Untersuchungsobjekt angeordnet.
Der C-Arm wird von einer kreisförmig gebogenen Schiene gehalten, so dass er um eine
Achse gedreht werden kann. Diese so genannte C-Arm Achse steht senkrecht auf der
Ebene, die den C-Bogen enthält. Die Halterung für den C-Arm ist über ein Drehgelenk
mit einem so genannten L-Arm verbunden, welcher seinerseits über ein Drehgelenk mit
einer an der Decke befindlichen Aufhängevorrichtung verbunden ist. Diese Aufhängevor
richtung kann geradlinig und waagerecht verschoben werden. Die drei erwähnten Achsen
schneiden sich stets in einem Punkt, dem Isozentrum. Ein Elektromotor sorgt für die
steuerbare Rotation der Röntgenquelle und des Röntgendetektors um die C-Arm Achse.
Drehungen um die beiden anderen Achsen werden zwar von Servomotoren unterstützt,
sind aber nicht steuerbar. Die Aufnahme eines Satzes von Kegelstrahlprojektionen des
Untersuchungsobjekts geschieht während einer Drehung des C-Arms um die C-Arm
Achse. Drehungen um die beiden anderen Achsen sind wegen der fehlenden Steuer
möglichkeit beim INTEGRIS V5000 während der Aufnahme von Kegelstrahlprojektionen
nicht möglich. Die Rotation des C-Arms um seine C-Arm Achse führt zu einer halb
kreisförmigen Trajektorie der Röntgenquelle. Wie bereits erwähnt, ist eine solche
Trajektorie nicht vollständig.
Grundsätzlich könnte eine vollständige Trajektorie aus mehreren Halbkreisen zusammen
gesetzt werden. Der C-Arm würde dann zwischen den Teiluntersuchungen neu positio
niert werden. Dies ist aber mit großem zeitlichen Aufwand verbunden. Bei Anwendungen,
welche zur Darstellung von Blutgefäßen die Verabreichung von Röntgenkontrastmitteln
erfordern, würde auch die Menge des zu verabreichenden Kontrastmittels erhöht werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geeigneteres Verfahren zur Gewinnung
eines vollständigen Satzes von Kegelstrahlprojektionen eines in einem Untersuchungs
bereich angeordneten Untersuchungsobjekts bereitzustellen. Es ist ferner Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Röntgeneinrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch
eine Röntgeneinrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst. Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, dass die Trajektorie derart ausgestaltet ist, dass die Röntgenquelle zur
Ermittlung des Satzes von Projektionsabbildungen die Trajektorie kontinuierlich durch
laufen kann und dass nicht alle Punkte der Trajektorie in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Gemäß der ersten Vollständigkeitsbedingung muss jede Ebene, die das Untersuchungs
objekt schneidet, einen Punkt der Trajektorie aufweisen. Befindet sich die Trajektorie
vollständig in einer Ebene, die das darzustellende Objekt schneidet, so erfüllt diese
Trajektorie die Vollständigkeitsbedingung nicht. Denn jede Ebene, die parallel zur
Trajektorienebene ausgerichtet ist und das Untersuchungsobjekt schneidet, enthält keinen
Punkt der Trajektorie. Deshalb muss jede Trajektorie, die die Vollständigkeitsbedingung
erfüllt, eine dreidimensionale Kurve sein, d. h. sie darf nicht in einer Ebene liegen.
Zwar liegt die bekannte Trajektorie aus zwei orthogonalen Kreisen nicht in einer Ebene
und erfüllt zugleich die Vollständigkeitsbedingung. Sie ist jedoch derart ausgestaltet, dass
die Röntgenquelle zunächst um eine ersten Rotationsachse um 360° rotiert wird und
danach um eine zweite Rotationsachse senkrecht zur ersten Rotationsachse um 360° rotiert
wird. Deshalb muss die Röntgenquelle nach einer Rotation um die erste Rotationsachse
angehalten werden und hierauf um die zweite Rotationsachse rotiert werden. Die
Trajokterie kann also nicht kontinuierlich durchlaufen werden. Gemäß der Erfindung
kann die Röntgenquelle dagegen entlang einer dreidimensionalen Trajektorie geführt
werden, ohne angehalten zu werden. Deshalb ermöglicht die erfindungsgemäße Trajektorie
die Ermittlung eines vollständigen Satzes von Projektionsabbildungen für einen 3D-
Bilddatensatz auf zuverlässige und schnelle Weise in einem Durchlauf. Dies trägt dazu bei,
dass die Rekonstruktion von 3D-Bildern im Wesentlichen frei von Artefakten und
Ungenauigkeiten ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Trajektorie
derart ausgestaltet, dass jede den Untersuchungsbereich schneidende Ebene mindestens
einen Punkt der Trajektorie aufweist. Damit ist die Vollständigkeitsbedingung für den
Untersuchungsbereich erfüllt, und eine genaue Abbildung eines in dem Untersuchungs
bereich angeordneten Untersuchungsobjektes wird ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die
Trajektorie eine geschlossene Kurve dar. Eine geschlossene Kurve ist dadurch gekenn
zeichnet, dass die Röntgenquelle nach einem endlichen Zeitintervall zu ihrem Ausgangs
punkt zurückkehrt, wenn sie entlang der Trajektorie bewegt wird. Es ist somit möglich, die
Röntgenquelle mehrfach entlang der Trajektorie um das Untersuchungsobjekt zu bewegen,
während Projektionsabbildungen aufgenommen werden. Eine solche Möglichkeit ist von
Vorteil zur Abbildung von sich periodisch bewegenden Organen, etwa des schlagenden
Herzens.
Vorzugsweise stellt die erfindungsgemäße Trajektorie eine zweimal differenzierbare Kurve
dar. Wählt man als Kurvenparameter die Zeit t, zu der die Röntgenquelle am Ort a(t) der
Trajektorie ist, so ist die Geschwindigkeit der Röntgenquelle zu jedem beliebigen
Zeitpunkt durch die erste Ableitung der Kurve nach der Zeit gegeben. Da die Kurve
zweimal differenzierbar ist, existiert die erste Ableitung. Ferner ist die erste Ableitung
stetig, da die Kurve zweimal differenzierbar ist. Der Ort der Röntgenquelle auf der
Trajektorie verändert sich demnach stetig mit der Zeit. Deshalb kann eine solche Kurve
von einer Röntgenquelle kontinuierlich durchfahren werden. Bei einer sprunghaften, also
nicht stetigen Änderung des Orts der Röntgenquelle, müsste hingegen die Röntgenquelle
an einer solchen Sprungstelle angehalten werden, um die Trajektorie zu durchfahren.
Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße Trajektorie sogar als zweimal stetig differen
zierbare Kurve, insbesondere mit großen Krümmungsradien gewählt. Auf diese Weise
werden die bei der Realisierung der Trajektorie auftretenden Beschleunigungen klein
gehalten.
Bevorzugt werden erfindungsgemäß Kegelstrahlprojektionen als Projektionsabbildungen
erfasst.
Die erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung ist derart ausgestaltet, dass die Röntgenquelle
zur Ermittlung des Satzes von Projektionsabbildungen die Trajektorie kontinuierlich
durchlaufen kann und dass nicht alle Punkte der Trajektorie in einer gemeinsamen Ebene
liegen.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung ein C-Arm-System mit einem
C-Arm, an dessen einem Ende die Röntgenquelle und an dessen anderem Ende der
Röntgendetektor befestigt ist. Ein C-Arm erlaubt es, das Untersuchungsobjekt zwischen
Quelle und Detektor zu platzieren. Wird die Röntgenquelle entlang der Trajektorie
geführt, so vollzieht der Röntgendetektor eine entsprechende Bewegung. Die Bewegung
der Röntgenquelle um das Untersuchungsobjekt kann auf einfache Weise durch Bewegen
des C-Arms erfolgen.
Die Röntgeneinrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass der C-Arm um eine C-
Arm Achse rotierbar ist, während gleichzeitig die C-Arm Halterung um eine Propellerachse
drehbar ist. Die Propellerachse und die C-Arm Achse stehen senkrecht aufeinander und
besitzen einen gemeinsamen Schnittpunkt, das sogenannte Isozentrum. Auch die gerade
Verbindungslinie zwischen dem Brennfleck der Röntgenquelle und dem Mittelpunkt des
Detektors geht durch das Isozentrum. Mit der vorstehenden Anordnung von Rotations
achsen wird bewirkt, dass die Röntgenquelle bei einer Rotation um eine der Rotations
achsen auf einer Kugeloberfläche um das Isozentrum rotiert wird. Das Untersuchungs
objekt wird zur Ermittlung eines 3D-Bilddatensatzes im Bereich des Isozentrums
untergebracht. Die Propellerachse und der C-Arm liegen im Wesentlichen in einer
gemeinsamen Ebene. Bei einer Rotation des C-Arms um die Propellerachse werden die
Abschnitte des C-Arms, an dem die Röntgenquelle und der Röntgendetektor befestigt sind,
wie die Blätter eines Propellers um eine gemeinsame Achse rotiert. Die Drehung um die
Propellerachse kann dabei mehr als 360° bzw. ein Vielfaches davon betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bleibt die Propellerachse bei einer Rotation
des C-Arms um die C-Arm Achse unverändert.
Eine praktische Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung umfasst eine
erste Halterung für die Röntgenquelle und den Röntgendetektor. Ferner ist diese erste
Halterung um eine erste Achse drehbar und mit einer zweiten Halterung verbunden. Die
zweite Halterung ist um eine zweite Achse drehbar und mit einer dritten Halterung
verbunden. Die dritte Halterung ist entweder starr oder drehbar mit dem Gebäude
verbunden oder aber dreh- oder verschiebbar mit einer Kette von einer oder mehreren
weiteren Halterungen, die nacheinander durch Gelenke und schließlich mit dem Gebäude
verbunden sind. Die erste und die zweite Achse schneiden sich in einem Punkt. Falls die
dritte Halterung drehbar mit dem Gebäude oder einer vierten Halterung verbunden ist, so
schneidet auch diese dritte Achse den Schnittpunkt der beiden ersten Achsen. Die
Bewegungen um die beiden ersten Drehachsen erfolgen motorisch und gesteuert. Falls
vorhanden, dienen die vierte und alle weiteren Halterungen dazu, den Schnittpunkt der
beiden ersten Achsen in die Nähe des Untersuchungsobjektes zu bringen.
Diese Röntgeneinrichtung kann vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass die erste Achs-
Halterung ein C-Arm ist, an dessen Enden Röntgenquelle bzw. -detektor befestigt sind.
Die zweite Halterung trägt diesen C-Arm mit Hilfe einer kreisförmig gebogenen Schiene,
so dass der C-Arm um die erste, nun als C-Arm Achse bezeichnete Achse gedreht werden
kann. Die Drehung um die zweite Achse führt zu einer propellerartigen Bewegung des C-
Armes um die Propellerachse. Die C-Arm Achse und die Propellerachse stehen aufeinander
senkrecht und besitzen einen gemeinsamen Schnittpunkt, das so genannte Isozentrum.
Auch die gerade Verbindungslinie zwischen dem Brennfleck der Röntgenröhre und dem
Mittelpunkt des Detektors geht durch das Isozentrum. Die Röntgenquelle wird bewegt,
indem der C-Arm um seine C-Arm Achse und die Halterung des C-Armes um die
Propellerachse gedreht werden. Für eine vollständige Trajektorie sind beide Drehungen
erforderlich. Die Anordnung der Rotationsachsen bewirkt, dass die Trajektorie der
Röntgenquelle, von kleinen mechanischen Ungenauigkeiten abgesehen, auf der Oberfläche
einer im Isozentrum zentrierten Kugel bewegt wird. Das Untersuchungsobjekt wird im
Bereich des Isozentrums untergebracht.
Die erste Halterung kann wiederum bogenförmig ausgeführt sein, ist jedoch mit der
zweiten Halterung über ein Drehgelenk verbunden. Die dritte Halterung trägt die zweite
Halterung mittels einer kreisförmig gebogenen Schiene, so dass eine Drehbewegung
möglich ist. Im Vergleich zur ersten Ausführung ist hierbei die Reihenfolge der Propeller
achse und der C-Arm Achse vertauscht.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es sei an dieser Stelle darauf hinge
wiesen, dass die erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung in gleicher oder ähnlicher Weise
weitergebildet sein kann wie das erfindungsgemäße Verfahren und wie in den direkt oder
indirekt auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen angegeben ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine anschauliche Darstellung der Konstruktion einer Kugelkappe für
einen Trajektorienpunkt,
Fig. 2a-2d eine halbkreisförmige Trajektorie gemäß dem Stand der Technik mit
den zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie,
Fig. 3a, 3b eine kreisförmige Trajektorie gemäß dem Stand der Technik mit den
zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie,
Fig. 3c, 3d eine einen 3/4-Kreis darstellende Trajektorie gemäß dem Stand der
Technik mit den zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie,
Fig. 4a, 4b eine Trajektorie aus zwei zueinander orthogonalen Halbkreisen mit
den zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie,
Fig. 4c, 4d eine aus zwei orthogonalen Kreisen bestehende Trajektorie gemäß dem
Stand der Technik mit den zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie,
Fig. 5 eine Seitenansicht einer Röntgeneinrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine schematische Ansicht der Röntgeneinrichtung gemäß Fig. 5,
Fig. 7 eine Seitenansicht einer Röntgeneinrichtung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 eine schematische Ansicht der Röntgeneinrichtung gemäß Fig. 7,
Fig. 9 eine Tabelle, die die Winkelfunktionen θ1, θ2, θ3 unterschiedlicher
Trajektorien für die Röntgeneinrichtung gemäß dem ersten Ausfüh
rungsbeispiel (linke Spalte) und für die Röntgeneinrichtung gemäß
dem zweiten Ausführungsbeispiel (rechte Spalte) angibt,
Fig. 10a, 10b eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Trajektorie, die
eine erste sphärische Spirale darstellt, und die zugehörigen
Kugelkappen der Trajektorie,
Fig. 11a-11e eine erfindungsgemäße Trajektorie, die eine zweite sphärische Spirale
darstellt, die zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie und drei Sei
tenansichten der Trajektorie,
Fig. 12a, 12b eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Trajektorie, die
eine 3/4-sphärische Spirale darstellt, und die zugehörigen Kugelkappen
der Trajektorie,
Fig. 13a-13e eine erfindungsgemäße Trajektorie, die eine halbe verbogene Acht dar
stellt, die zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie und drei
Seitenansichten der Trajektorie,
Fig. 14a, 14b eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Trajektorie, die
einen ersten verbogenen Kreis darstellt, und die zugehörigen
Kugelkappen der Trajektorie.
Fig. 15a, 15b eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Trajektorie, die
einen zweiten verbogenen Kreis darstellt, und die zugehörigen
Kugelkappen der Trajektorie,
Fig. 16a-16e eine erfindungsgemäße Trajektorie, die zwei miteinander verbundene
sphärische Spiralen darstellt, die zugehörigen Kugelkappen der
Trajektorie und drei Seitenansichten der Trajektorie,
Fig. 17a, 17b eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßes Trajektorie, die
zwei miteinander verbundene gebogene Kreise darstellt, und die
zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie,
Fig. 18a-18e eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Trajektorie, die
eine verbogene Acht darstellt, die zugehörigen Kugelkappen der
Trajektorie und drei Seitenansichten der Trajektorie, und
Fig. 19a, 19b eine erfindungsgemäße Trajektorie, die eine verbogene Doppelschleife
darstellt, und die zugehörigen Kugelkappen der Trajektorie.
Fig. 2a zeigt eine bekannte halbkreisförmige Trajektorie 1 sowie den kugelförmigen
Untersuchungsbereich 2. Fig. 2b bis Fig. 2d illustrieren die Füllung der Kugel 2 mit
Kugelkappen 3. In Fig. 2b sind vier Kugelkappen 3 dargestellt, in Fig. 2c sind 12
Kugelkappen 3 dargestellt, in Fig. 2d sind 19 Kugelkappen 3 dargestellt. Die zu den
Kugelkappen gehörenden Trajektorien
punkte wurden dabei jeweils gleichmäßig entlang der Trajektorie verteilt. Aus Fig. 2b bis
Fig. 2d ist ersichtlich, dass eine halbkreisförmige Trajektorie 1 nicht vollständig ist, denn es
ist erkennbar, dass ein keilförmiger Bereich 4 der zu füllenden Kugel 2 von Kugelkappen 3
ausgespart bleibt.
Fig. 3a und 3c zeigen zwei ebenfalls bekannte Trajektorien. In Fig. 3a ist eine kreisförmige
Trajektorie dargestellt. Fig. 3b zeigt 36 Kugelkappen der in Fig. 3a dargestellten
Trajektorie. Es ist zu erkennen, dass ein Bereich der zu füllenden Kugel von Kugelkappen
ausgespart bleibt. Dieser Bereich bildet eine doppelt konische Region. Fig. 3c zeigt eine
Trajektorie, die einem 3/4-Kreis entspricht. Die in Fig. 3d gezeigten 28 Kugelkappen für
den Dreiviertelkreis können den vorstehend beschriebenen, doppelt kegelförmigen Bereich
nicht abdecken. Die in Fig. 3a und 3c gezeigten Trajektorien sind daher nicht vollständig.
Fig. 4a und 4c zeigen weitere bekannte Trajektorien. Fig. 4a zeigt eine Trajektorie, die
zwei orthogonale Halbkreise darstellt. Fig. 46 zeigt 36 Kugelkappen für die Trajektorie in
Fig. 4a. Es ist wiederum ersichtlich, dass diese Trajektorie nicht vollständig ist. Fig. 4c
zeigt eine Trajektorie, die zwei orthogonale Kreise darstellt. Fig. 4d zeigt 72 Kugelkappen
für die Trajektorie in Fig. 4c. Im Gegensatz zu den vorangegangenen Beispielen ist diese
Trajektorie vollständig.
Fig. 5 zeigt eine schematische Seitenansicht der Röntgeneinrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Röntgenquelle 12 und ein Rönt
gendetektor 13 sind an einander gegenüberliegenden Seiten des C-Arms 11 befestigt. Die
ser ist um eine Propellerachse 14 und eine C-Arm Achse 19 mittels einer C-Arm-
Halterung 22 rotierbar gelagert. Die C-Arm Achse 19 ist in der vorliegenden Darstellung
senkrecht zur Zeichenebene orientiert und geht durch ein Isozentrum 18. Eine gerade
Verbindungslinie zwischen dem Brennpunkt bzw. Zentrum der Röntgenquelle 12 und
dem Zentrum des Röntgendetektors 13 schneidet die Propellerachse 14 und die C-Arm
Achse 19 im Isozentrum 18. Der C-Arm 11 ist mittels eines L-Arms 16 um eine L-Arm
Achse 17 drehbar gelagert. Die L-Arm Achse 17 schneidet die Propellerachse 14 und die
C-Arm Achse 19 im Isozentrum 18. Ort und Orientierung der L-Arm Achse 17 und der
geraden Verbindungslinie zwischen Röntgendetektor 13 und Röntgenquelle 12
entsprechen bei der gezeigten Grundstellung einander. Zur Steuerung der
Röntgeneinrichtung ist eine Steuereinheit 24 vorgesehen.
Im Unterschied zu der Röntgeneinrichtung INTEGRIS V5000 kann der C-Arm 11 mit
dem Röntgendetektor 13 und der Röntgenquelle 12 um die C-Arm Achse 19 rotiert
werden, während gleichzeitig die C-Arm Halterung 22 um die Propellerachse 14 gedreht
wird und Projektionsabbildungen des Untersuchungsobjektes aufgenommen werden. Die
beiden Drehbewegungen erfolgen motorisch und gesteuert. Auf diese Weise kann die
Röntgenquelle 12 entlang einer vorgegebenen Bahn um das Untersuchungsobjekt im
Bereich des Isozentrums 18 bewegt werden.
Fig. 6 zeigt eine schematisierte Darstellung der Röntgeneinrichtung gemäß dem in Fig.
5 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel. Dabei sind feste Halterungen L mittels Drehver
bindungen G in der folgenden Weise miteinander verbunden. Die Halterung L0 entspricht
der L-Arm-Aufhängung und ist beispielsweise an der Gebäudedecke befestigt. Halterung L1
ist der L-Arm (16 in Fig. 5). Halterung L2 ist die C-Arm-Aufhängung (22 in Fig. 5).
Halterung L3 ist der C-Arm (11 in Fig. 5). Verbindungsglied G1 verbindet die
Halterungen L0 und L1. Verbindungsglied G2 verbindet die Halterungen L1 und L2.
Verbindungsglied G3 verbindet die Halterungen L2 und L3. Jedes Verbindungsglied
definiert dabei eine der Rotationsachsen, die sich im Isozentrum schneiden.
Wie in der Robotertechnik üblich, wird ein rechtshändiges kartesisches (xk, yk, zk)-Koordi
natensystem mit den Halterungen Lk (für k = 0, 1, 2, 3) eingeführt. Diese vier
Koordinatensysteme bewegen sich mit den Halterungen. Der Ursprung all dieser vier
Koordinatensysteme fällt mit dem Isozentrum 18 zusammen, und die Achsen sind wie in
Fig. 6 gezeigt orientiert. Der Winkel zwischen der positiven xk-1-Achse und der positiven
xk-Achse wird als θk (für k = 1, 2, 3) bezeichnet. Jeder dieser Winkel kann innerhalb eines
vorgegebenen Winkelbereiches jeden beliebigen Wert annehmen. Jedes (θ1, θ2, θ3)-Tripel
beschreibt eine Konfiguration der gezeigten Röntgeneinrichtung. In Fig. 6 ist die
Basiskonfiguration gezeigt, die durch die Winkel θ = 0, θ2 = -π/2 und θ3 = 0
charakterisiert ist. Ein Punkt im Raum kann durch seine Koordinaten x3 = (x3, y3, z3) in
dem mit der Halterung L3 verbundenen Koordinatensystem beschrieben werden, aber auch
durch seine Koordinaten x2 = (x2, y2, z2), durch seine Koordinaten x1 = (x1, y1, z1) und
durch seine Koordinaten x0 = (x0, y0, z0).
Die Übertragung von einem Koordinatensystem in das nächste wird durch das Matrix-
Vektor-Produkt folgendermaßen beschrieben:
xk-1 = Rk(θk)xk für k = 1, 2, 3
wobei Rk(θk) eine einfache bekannte Rotationsmatrix ist.
Die Röntgenquelle wird bewegt, indem die Winkel θ1, θ2 und θ3 verändert werden, etwa
als Funktion eines reellen Parameters s, der ein Intervall [s-,s+] durchläuft. In Lehrbüchern
der Robotik wird gezeigt, dass man die Trajektorie a(s) der Röntgenquelle bei gegebenen
Winkeln θ1(s), θ2(s) und θ3(s) durch die Formel
a(s) = R(θ1(s),θ2(s),θ3(s))xsrc, s ∈ [s-,s+]
berechnen kann. Hierbei ist xsrc, ein Vektor und R(θ1(s),θ2(s),θ3(s)) eine Rotationsmatrix.
Im einzelnen gilt xsrc = (-dsrc, 0, 0), wobei dsrc den Abstand der Röntgenquelle vom
Isozentrum bezeichnet. Die Rotationsmatrix hat die Form
Da die Bewegung der Röntgenquelle 12 entlang einer Trajektorie ausschließlich durch
Multiplikation mit einer Rotationsmatrix erzeugt werden kann, befindet sich die
Trajektorie der Röntgenquelle 12 auf einer Kugeloberfläche um den Ursprung des
Koordinatensystems, also um das Isozentrum 18.
Der Parameter s entspricht nicht notwendigerweise der Zeit. Die Trajektorie kann auch
durch einen anderen Parameter beschrieben werden, sofern dieser durch eine Parameter
transformation aus dem Parameter s hervorgeht. Parametertransformationen sind bijektive
stetige Abbildungen. Die Parameterisierung der Kurve nach der Zeit erfolgt dadurch, dass
eine geeignete Parametertransformation s(t) gefunden wird. Um einen realistischen Verlauf
der Röntgenquelle 12 entlang der Trajektorie mit der Zeit t zu beschreiben, muss die
Parametertransformation zudem differenzierbar sein. Denn die Geschwindigkeit der
Röntgenquelle 12 auf der Trajektorie ist nichts anderes als die Ableitung von a(s) nach der
Zeit.
Zusammenfassend sei noch einmal gesagt, dass der C-Arm 11 und die C-Arm Halterung
der Röntgeneinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel motorisch und gesteuert
gleichzeitig um die C-Arm Achse 19 bzw. die Propellerachse 14 drehbar sind. Während
dessen können Projektionsabbildungen des abzubildenden Objekts aufgenommen werden.
Wichtig dabei ist, dass für jede Projektionsabbildung der Ort der Röntgenquelle 12 auf der
Trajektorie bekannt ist. Vorzugsweise ist die Propellerachse 14 des ersten Ausführungs
beispiels derart ausgebildet, dass der C-Arm 11 um bis zu 270°, bis zu 360° oder um ein
Vielfaches von 360° um die Propellerachse 14 rotiert werden kann.
Die vorstehenden Beschreibungen des Ortes der Röntgenquelle 12 mittels eines im
Isozentrum angeordneten dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems ist nicht
zwingend. Jedes dreidimensionale Koordinatensystem, beispielsweise ein Kugelkoordi
natensystem, ist dazu geeignet den Ort der Röntgenquelle 12 zu beschreiben. Ferner kann
dieselbe Trajektorie auf unterschiedliche Weise parameterisiert werden bzw. mit unter
schiedlicher Geschwindigkeit von einer Röntgenquelle 12 durchfahren werden.
Durch den beschriebenen Formalismus sind jedoch alle möglichen Trajektorien auf einer
Kugeloberfläche beschreibbar. Erfindungsgemäß werden solche Trajektorien ausgewählt,
bei denen mindestens zwei Winkel während der Erfassung der Projektionsabbildungen
variieren. Würde nur ein Winkel variieren, so ergäbe sich eine planare Trajektorie, die in
einer einzigen Ebene läge und nicht zu einer Erfüllung der Vollständigkeitsbedingung
führen würde. Der beschriebene Formalismus lässt sich direkt durch die in den Fig. 5
und 6 gezeigte Röntgeneinrichtung sowie auch durch die nachfolgend beschriebene, in den
Fig. 7 und 8 gezeigte Röntgeneinrichtung realisieren, was besonders vorteilhaft ist.
Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Röntgeneinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 7 verwendeten Bezugszeichen kennzeichnen dieselben
Merkmale wie in Fig. 5. Die C-Arm Achse 19 liegt ebenfalls senkrecht zur Blattebene und
geht durch das Isozentrum 18 in der dargestellten Figur. Der C-Arm 11 ist mittels der C-
Arm-Halterung 23 gelagert und kann um die Propellerachse 14 rotiert werden, während
gleichzeitig die C-Arm Halterung 23 um die C-Arm Achse 19 gedreht wird und
Projektionsabbildungen aufgenommen werden. Diese Möglichkeit besteht bereits bei der
Röntgeneinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 5. Der entscheidende
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht jedoch darin, dass die Propellerachse
14 bei einer Rotation um die C-Arm Achse 19 mit rotiert wird. Die Propellerachse ist
daher nicht immer waagerecht. Außerdem kann der C-Arm 11 leichter ausgeführt werden,
was eine schnellere Propellerbewegung erlaubt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Röntgeneinrichtung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel. Die mit den Halterungen verbundenen Koordinatensysteme sind so
ausgewählt, dass dieselbe Rotationsmatrix wie beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet
werden kann, um eine beliebige durch die Röntgeneinrichtung verfahrbare Trajektorie
darzustellen. Die in Fig. 8 dargestellte Position des Dreharms ist durch die Winkel θ1 =
π/2, θ2 = -π/2, θ3 = 0 charakterisiert. Der Propellerwinkel der Röntgeneinrichtung des
zweiten Ausführungsbeispiels ist vorzugsweise um 360° oder um ein Vielfaches von 360°
veränderbar.
Bei der Realisierung der Trajektorien ist zu beachten, dass die Bewegung entlang einer
Trajektorie mit einer Beschleunigungsphase beginnen und mit einer Bremsphase enden
muss. Dies kann durch eine geeignete Parametertransformation s = s(t) erreicht werden,
ohne die Form der Trajektorie zu ändern. Dabei wird allerdings die für das Durchlaufen
der Trajektorie erforderliche Zeit vergrößert. Alternativ kann die gewünschte Trajektorie
um Beschleunigungs- und Bremsphasen verlängert werden. Das interessierende Stück der
verlängerten Trajektorie kann dann mit gleichmäßigerer Geschwindigkeit durchfahren
werden.
Die beiden veränderbaren Winkel der Trajektorie sollten zweimal differenzierbar sein,
damit die Trajektorie physikalisch realisierbar ist. Bevorzugt sollten die Winkel sogar
zweimal stetig differenzierbar sein, wodurch unstetige Beschleunigungen vermieden
werden. Die ersten
Ableitungen der Winkel können dabei zur Charakterisierung der Trajektorien dienen.
Möglichst wenig Vorzeichenwechsel bei den Ableitungen sind erwünscht. Noch besser sind
näherungsweise konstante erste Ableitungen.
Die Einstellbereiche der Drehwinkel um die C-Arm Achse und die Lärm-Achse sind aus
mechanischen Gründen häufig auf 180° oder weniger beschränkt. Es ist technisch
einfacher, auch den Drehwinkel für die Propellerbewegung auf weniger als 360° zu
beschränken. Allerdings ist es für geschlossene Trajektorien wünschenswert, wenn die
Propellerbewegung unbeschränkt erfolgen kann. Dies wird in der Regel einen Schleifring
zur Übertragung von elektrischen Signalen erfordern.
Bei der Gestaltung der Trajektorien ist zu beachten, dass die Röntgenquelle, der Röntgen
detektor und andere Teile der Untersuchungseinrichtung nicht gegen das Untersuchungs
objekt und seine Halterung - in der Regel ein Patient auf dem Untersuchungstisch -
stoßen.
Die Unterschiede hinsichtlich der Ausgestaltung der in den Fig. 5 und 7 gezeigten
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung haben Folgen für die
Trajektorien, die bei fester Stellung des L-Arms gefahren werden können. Die gezeigten
Ausführungsformen können auch weiter dadurch variiert werden, dass der L-Arm nicht
drehbar gestaltet ist, am Boden befestigt ist statt an der Decke und an einem verschieb
baren Schlitten angeordnet ist. Für die Drehbewegung um die Propellerachse können
Schleifringe vorgesehen sein. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform kann der C-
Arm auch mehr als 180° umfassen und um mehr als 180° um die C-Arm Achse gedreht
werden.
Fig. 9 zeigt in tabellarischer Form die Drehwinkel θ1(s), θ2(s) und θ3(s) für eine Röntgen
einrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und eine Röntgeneinrichtung gemäß
dem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Symbol sign steht für die Signum-Funktion, welche
definiert ist durch sign[x] = +1 für x ≧ 0 und sign[x] = -1 für x < 0. Jede der in Fig. 10a bis
19a dargestellten Trajektorien wird durch die entsprechenden Rotationswinkel θ1(s), θ2(s)
und θ3(s) beschrieben, wenn der Parameter s das Intervall [0,1] durchläuft.
Für eine Röntgeneinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gehört der Winkel θ2
(s) zur Propellerachse und der Winkel θ3(s) zur C-Arm Achse. Bei einer Röntgeneinrichtung
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gehört der Winkel θ2(s) zur C-Arm
Achse und der Winkel θ3(s) zur Propellerachse. Der Winkel θ1 gibt die Stellung des L-
Armes an und bleibt während der Erfassung der Kegelstrahlprojektionen konstant.
Im folgenden werden zumeist die für das erste Ausführungsbeispiel der Röntgenein
richtung geltenden Varianten der Trajektorien gezeigt. Die für das zweite Ausführungs
beispiel der Röntgeneinrichtung gültigen Trajektorien sind zumeist identisch, wobei
jedoch manche Trajektorien nur für das erste Ausführungsbeispiel gelten.
Die Beispieltrajektorien hängen auch von gewissen additiven und multiplikativen
Konstanten ab. Diese Konstanten sind gegebenenfalls so zu wählen, dass die Vollständig
keitsbedingung erfüllt ist. Bei den Beispieltrajektorien ist der Abstand zwischen Röntgen
quelle und Isozentrum 660 mm und der Radius des Untersuchungsbereichs etwa 120 mm.
Ferner sind die Konstanten so gewählt, dass die Vollständigkeitsbedingung für diesen
Untersuchungsbereich jeweils erfüllt ist.
Die Trajektorien in den Fig. 10a bis 19d sind in einem kartesischen Koordinatensystem
dargestellt, dessen Achsen mit xo, yo, zo bezeichnet sind und die den Achsen xo, yo, zo in den
Fig. 6 und 8 entsprechen. Die Trajektorien liegen jeweils auf einer Kugeloberfläche,
deren Mittelpunkt im Ursprung des Koordinatensystems liegt. Die dargestellten Trajekto
rien schließen jeweils einen im Ursprung des Koordinatensystems liegenden, darzustel
lenden Untersuchungsbereich ein. Ferner werden die in den Fig. 10 bis 19d dargestellten
Trajektorien mit Hilfe der in Fig. 9 aufgeführten Winkel und der Formel a(s) = R (θ1(s),
θ2(s), θ3(s))xsrc für eine bestimmte und gleichmäßig über das Intervall {0,1} verteilte
Anzahl von Werten des Parameters s berechnet. Die Trajektorien sind dreidimensionale
Kurven, da sich die Rotationswinkel θ2 und θ3 zugleich ändern, wenn der Parameter s
verändert wird. Die in den Fig. 10a bis 19d dargestellten Trajektorien erfüllen allesamt die
Vollständigkeitsbedingungen für einen kugelförmigen Untersuchungsbereich von etwa 120 mm
Radius.
Die Fig. 10a, 11a und 12a zeigen Trajektorien, die unterschiedliche Ausführungsformen
einer sphärischen Spirale darstellen. Diese gleichen im Wesentlichen einer wendelartigen
Kurve, die auf eine Kugeloberfläche projiziert wird. Fig. 13a zeigt eine Trajektorie, die
wie eine auf eine Kugeloberfläche gelegten halbe Acht aussieht. Charakteristisch für alle
diese Trajektorien ist es, dass die Ableitungen beider Drehwinkel keinen Vorzeichen
wechsel aufweisen. Die Fig. 10b, 11b, 12b und 13b zeigen die zu den jeweiligen
Trajektorien gehörenden Füllungen des Unter
suchungsbereiches durch Kugelkappen. Es ist ersichtlich, dass jede der in Fig. 10a, 11a,
12a und 13a dargestellten Trajektorien die Vollständigkeitsbedingung erfüllt, da die
entsprechenden Kugelkappen mit zunehmender Anzahl den Untersuchungsbereich
lückenlos auffüllen würden.
Fig. 11c, Fig. 11d und Fig. 11e zeigen den Verlauf der in Fig. 11a dargestellten Trajektorie
aus einer anderen Blickrichtung. Aus der y0-Richtung betrachtet, erscheint die Trajektorie
in Fig. 11e als ein geschlossener Kreis. Die Röntgenquelle, die entlang dieser Trajektorie
verfahren wird, vollzieht demnach eine Rotation 360° um die z-Achse. Fig. 11c zeigt die
Erscheinung der Trajektorie betrachtet aus der z0-Richtung. Wird die Röntgenquelle in
Richtung der y-Achse verfahren, so wird sie gleichzeitig in Richtung der x-Achse verfahren,
und zwar zunächst zu negativen x-Werten und anschließend zu positiven x-Werten. Der
Verlauf der in Fig. 11a dargestellten Trajektorie aus x0-Richtung betrachtet ist in Fig. 11d
dargestellt. Die in Fig. 12a dargestellte, helixartige Trajektorie unterscheidet sich von den
in Fig. 10a und Fig. 11a dargestellten helixartigen Trajektorien dadurch, dass die entlang
der Trajektorie verfahrene Röntgenquelle keine vollständige Rotation um die z-Achse
erfährt. Die in Fig. 12a dargestellte Trajektorie erscheint aus der x-z-Ebene betrachtet
nicht als vollständiger Kreis, sondern als 3/4-Kreis.
Die Fig. 13c, 13d und 13e zeigen den Verlauf der in Fig. 13a dargestellten Trajek
torie wiederum aus den drei Blickrichtungen entlang der z0-, x0- und y0-Achsen, um den
Verlauf der Trajektorie einfacher vorstellbar zu machen.
Fig. 14a und Fig. 15a zeigen erfindungsgemäße Trajektorien, die jeweils einen auf einer
Kugeloberfläche liegenden, verbogenen Kreis darstellen. Charakteristisch für die Trajek
torien ist eine Drehung um 360° ohne Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung um eine
der beiden Achsen und eine periodische Bewegung mit Vorzeichenwechsel um die andere
Achse. Fig. 14b und 15b zeigen die den vorstehenden Trajektorien entsprechende
Füllung des Untersuchungsbereiches mit Kugelkappen. Beide Trajektorien erfüllen
offenbar die Vollständigkeitsbedingung. Sie stellen zudem geschlossene Kurven dar, so dass
eine Röntgenquelle mehrfach hintereinander entlang dieser Trajektorien kontinuierlich
und ohne anzuhalten durchfahren werden kann. Das Zustandekommen dieser
erklären. Danach wird ein Rotationswinkel jeweils um 2π verfahren, da einer der
Rotationswinkel immer eine Funktion von 2πs ist, wobei s den Wertebereich von 0 bis 1
abdeckt. Ferner ist ein anderer Rotationswinkel eine periodische Funktion, und zwar
derart, dass der Wert dieses Rotationswinkels nach Durchlaufen des Wertebereichs von s
wieder denselben Wert einnimmt. Bei den vorliegenden Trajektorien wurden trigono
metrischen Funktionen zur Beschreibung des zweiten Rotationswinkels verwendet.
Fig. 16a zeigt eine Trajektorie, die durch das Verbinden von zwei sphärischen Spiralen der
in Fig. 11a gezeigten Art zustande kommt. Aus Fig. 16b ist ersichtlich, dass auch diese
Trajektorie vollständig ist. Der Vorteil dieser Trajektorie liegt darin, dass sie geschlossen ist
und mit geringen Beschleunigungskräften realisiert werden kann. Fig. 16c, 16d und 16e
zeigen wiederum die Trajektorie in Fig. 16a aus unterschiedlichen Blickrichtungen.
Insbesondere der Vergleich der Fig. 16c und 11c ist hilfreich. Spiegelt man nämlich die
in Fig. 11c dargestellte Kurve an der y0-Achse, so dass alle zuvor rechts von der y0-Achse
liegenden Punkte nun links von der y0-Achse liegen und vice versa, so erhält man eine
weitere sphärische Spirale. Fügt man diese beiden Trajektorien aneinander, so erhält man
die in Fig. 16c dargestellte Trajektorie.
Fig. 17a zeigt eine Trajektorie, die durch Verbindung zweier verbogener Kreise zustande
kommt. Fig. 17b zeigt wiederum die Füllung des Untersuchungsbereiches mit Kugel
kappen. Es ist zu erkennen, dass auch diese Trajektorie die Vollständigkeitsbedingung
erfüllt. Vorteil dieser Verbindung ist eine symmetrische Trajektorie, was für einige
Rekonstruktionsalgorithmen vorteilhaft sein kann. Die Beschleunigungskräfte sind dabei
allerdings etwas größer als bei der in Fig. 16a gezeigten Trajektorie.
Fig. 18a zeigt eine Trajektorie, die einer auf eine Kugel gelegten Acht entspricht. Die
Trajektorie ist also eine geschlossene Kurve mit zwei Schleifen, die einander gegenüber
liegen, und kann als Verbindung zweier halber Achten gemäß Fig. 13a aufgefasst werden.
Die exakte Beschreibung dieser Kurve ist durch die in Fig. 9 angegebenen Funktionen
angegeben. Durch Fig. 18b wird wiederum bestätigt, dass die Trajektorie in Fig. 18a die
Vollständigkeitsbedingung erfüllt. Fig. 18c, 18d und 18e zeigen wiederum den Verlauf der
Trajektorie gemäß Fig. 18a aus drei verschiedenen Blickrichtungen. Die in Fig. 18c
dargestellte Erscheinung der Trajektorie aus der z0-Richtung rechtfertigt die Vorstellung
einer auf eine Kugelfläche gelegten Acht. Eine linke Schleife und eine rechte Schleife sind
zu sehen. Der gemeinsame Punkt der einander gegenüberliegenden Schleifen ist der
unterste Punkt in Fig. 18d und Fig. 18e. Die einander gegenüberliegenden Schleifen der
Acht werden durch die rechts und links vom vorstehenden Punkt dargestellten Punkte
wiedergegeben. Eine Röntgenquelle, die die Trajektorie durchläuft, würde aus dieser
Blickrichtung beispielsweise von dem obersten rechten Punkt, durch den Ursprung, zum
obersten linken Punkt und wieder zurück verlaufen. Eine solche Trajektorie kann ohne
Schleif ring mit der Röntgeneinrichtung gemäß Fig. 5 realisiert werden.
Fig. 19a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Trajektorie. Aus
Fig. 19b ergibt sich, dass auch mit dieser Trajektorie die Vollständigkeitsbedingung
erfüllt wird. Allerdings ist diese Trajektorie nur mit dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungs
beispiel der Röntgeneinrichtung realisierbar. Der L-Arm steht dabei seitlich (θ1(s) = -π/2).
Mit dieser Trajektorie ist es deshalb möglich, auch den Unterkörper und die Beine eines
Patienten abzubilden. Bei allen anderen Trajektorien steht der L-Arm dagegen am Kopf
oder in der Nähe des Kopfes eines Patienten, weshalb mit diesen Trajektorien nur Kopf
und Oberkörper abgebildet werden können. Allerdings muss bei der Doppelschleife der
Winkel θ2 (Drehung um die C-Arm Achse) einen Bereich von ca. 225° überstreichen, was
durch eine Verlängerung des oder der ihn haltenden Schiene erreicht werden kann.
Durch die Erfindung werden Trajektorien zur Verfügung gestellt, um einen möglichst
vollständigen Satz von Projektionsabbildungen, insbesondere von Kegelstrahlprojektionen,
eines in einem Untersuchungsbereich angeordneten Untersuchungsobjekts zu erfassen. Die
gezeigten Trajektorien sind Beispiele hierfür. Es sind beliebig viele weitere Beispiele denk
bar, mit denen die Vollständigkeitsbedingung erfüllt werden kann. Auch die gezeigten
Röntgeneinrichtungen sind lediglich Beispiele, mit denen die erfindungsgemäßen Trajek
torien realisiert werden können. Die Röntgeneinrichtungen können jedoch grundsätzlich
auch anders ausgestaltet sein und müssen nicht zwingend einen C-Arm aufweisen.
Claims (17)
1. Verfahren zur Ermittlung eines Satzes von Projektionsabbildungen für die
Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes eines in einem
Untersuchungsbereich (2) angeordneten Untersuchungsobjektes mittels einer eine
Röntgenquelle (12) und einen Röntgendetektor (13) aufweisenden Röntgeneinrichtung,
wobei die Röntgenquelle (12) zur Erfassung der Projektionsabbildungen entlang einer im
Wesentlichen auf einer Kugeloberfläche liegenden Trajektorie (1) um den
Untersuchungsbereich (2) geführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trajektorie (1) derart ausgestaltet ist, dass die Röntgenquelle (12) zur Ermittlung
des Satzes von Projektionsabbildungen die Trajektorie kontinuierlich durchlaufen kann
und dass nicht alle Punkte der Trajektorie in einer gemeinsamen Ebene liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trajektorie (1) derart ausgestaltet ist, dass jede den Untersuchungsbereich
schneidende Ebene mindestens einen Punkt der Trajektorie (1) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trajektorie (1) eine geschlossene Kurve darstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trajektorie (1) eine zweimal differenzierbare Kurve darstellt.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Trajektorie in der Form
a(s) = R(θ1(s),θ2(s),θ3(s))xsrc
schreiben lässt, wobei θ1(s), θ2(s) und θ3(s) reelle, zweimal differenzierbare Funktionen eines reellen Parameters s sind, xsrc durch den Abstand dsrc der Röntgenquelle zum Mittelpunkt der Kugeloberfläche gemäß xsrc = (-dsrc, 0, 0) gegeben ist, R(θ1(s),θ2(s),θ3(s)) die Rotationsmatrix
ist und a(s) den Ortsvektor der Trajektorie in Bezug auf ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem bedeutet, dessen Ursprung mit dem Mittelpunkt der Kugeloberfläche übereinstimmt, dass mindestens zwei der Funktionen θ1(s), θ2(s) und θ3(s) nicht konstant sind, und dass die Trajektorie a(s) derart ausgestaltet ist, dass jede Ebene, die den Untersuchungsbereich schneidet, auch die Trajektorie schneidet.
a(s) = R(θ1(s),θ2(s),θ3(s))xsrc
schreiben lässt, wobei θ1(s), θ2(s) und θ3(s) reelle, zweimal differenzierbare Funktionen eines reellen Parameters s sind, xsrc durch den Abstand dsrc der Röntgenquelle zum Mittelpunkt der Kugeloberfläche gemäß xsrc = (-dsrc, 0, 0) gegeben ist, R(θ1(s),θ2(s),θ3(s)) die Rotationsmatrix
ist und a(s) den Ortsvektor der Trajektorie in Bezug auf ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem bedeutet, dessen Ursprung mit dem Mittelpunkt der Kugeloberfläche übereinstimmt, dass mindestens zwei der Funktionen θ1(s), θ2(s) und θ3(s) nicht konstant sind, und dass die Trajektorie a(s) derart ausgestaltet ist, dass jede Ebene, die den Untersuchungsbereich schneidet, auch die Trajektorie schneidet.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Funktion θ3(s) konstant ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ersten Ableitungen der Funktionen θ1(s) und θ2(s) keinen Vorzeichenwechsel
aufweisen.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Funktionen θ1(s) und θ2(s) so gewählt sind, dass eine ihrer ersten Ableitungen
keinen Vorzeichenwechsel und die andere mindestens einen Vorzeichenwechsel aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Funktionen θ1(s) und θ2(s) so gewählt sind, dass ihre ersten Ableitungen jeweils
mindestens einen Vorzeichenwechsel aufweisen.
10. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Projektionsabbildungen Kegelstrahlprojektionen sind.
11. Röntgeneinrichtung zur Ermittlung eines Satzes von Projektionsabbildungen für 3D-
Bilddatensatz eines in einem Untersuchungsbereich (2) angeordneten Untersuchungsob
jektes mit
einer Röntgenquelle (12) und einem Röntgendetektor (13) zur Erfassung der Projektions abbildungen des Untersuchungsobjekts, und
einer Steuereinheit (24) zum Führen der Röntgenquelle (12) entlang einer im Wesentlichen auf einer Kugeloberfläche liegenden Trajektorie (1) um das Untersu chungsobjekt zur Erfassung der Projektionsabbildungen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Röntgeneinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Röntgenquelle (12) zur Ermittlung des Satzes von Projektionsabbildungen die Trajektorie kontinuierlich durchlaufen kann und dass nicht alle Punkte der Trajektorie in einer gemeinsamen Ebene liegen.
einer Röntgenquelle (12) und einem Röntgendetektor (13) zur Erfassung der Projektions abbildungen des Untersuchungsobjekts, und
einer Steuereinheit (24) zum Führen der Röntgenquelle (12) entlang einer im Wesentlichen auf einer Kugeloberfläche liegenden Trajektorie (1) um das Untersu chungsobjekt zur Erfassung der Projektionsabbildungen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Röntgeneinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Röntgenquelle (12) zur Ermittlung des Satzes von Projektionsabbildungen die Trajektorie kontinuierlich durchlaufen kann und dass nicht alle Punkte der Trajektorie in einer gemeinsamen Ebene liegen.
12. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Röntgeneinrichtung ein C-Arm-System mit einen C-Arm (11) ist, der von einer
C-Arm-Halterung (22) gehalten wird.
13. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der C-Arm (11) und die C-Arm Halterung (22) gleichzeitig um eine C-Arm Achse
(19) bzw. eine Propellerachse (14) rotierbar sind, wobei die Propellerachse (14) und die C-
Arm Achse (19) zueinander orthogonal sind und sich in einem Isozentrum (18) schneiden.
14. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Propellerachse (14) und der C-Arm (11) im Wesentlichen in einer gemeinsamen
Ebene liegen.
15. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Propellerachse (14) bei einer Rotation des C-Arms (11) um die C-Arm Achse (19)
unverändert bleibt.
16. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Röntgeneinrichtung zur Erfassung von Kegelstrahlprojektionen ausgestaltet ist.
17. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehung um die Propellerachse ein Vielfaches von 360° betragen kann.
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