DE102004030550A1

DE102004030550A1 - Bildgebendes Tomographiegerät mit zumindest zwei unter Systemwinkel angeordneten Aufnahmesystemen und Verfahren für ein derartiges Tomographiegerät zur Bestimmung der Systemwinkel der Aufnahmesysteme

Info

Publication number: DE102004030550A1
Application number: DE102004030550A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Bruder; Karl Dr. Stierstorfer; Martin Dr. Petersilka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-01-19
Also published as: JP2006006939A; CN1711969A; US7263157B2; CN100466979C; US20060018423A1

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Tomographiegerät (3) mit zumindest zwei Aufnahmesystemen (1.1, 1.2, 2.1, 2.2), welche in azimutaler Richtung jeweils unter einem bestimmten Systemwinkel (gamma1 bzw. gamma2) um eine gemeinsame Drehachse (5) angeordnet sind, sind die beiden Systemwinkel (gamma1, gamma2) für zumindest eine wenigstens im Wesentlichen konstante Drehwinkelgeschwindigkeit der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2) auf Basis von an unterschiedlichen Drehwinkelpositionen berechenbaren Messwerten (M1, alpha0, ...M1, alphan, M2, alpha0, ...M2, alphan) eines in die beiden Messbereiche (14) einbringbaren Referenzobjektes (R) ermittelbar. Das erfindungsgemäße Tomographiegerät (3) ermöglicht unter Berücksichtigung der ermittelten Systemwinkel (gamma1, gamma2) ein Verfahren zur artefaktfreien Rekonstruktion eines Schicht- oder Volumenbildes.

Description

Bildgebendes Tomographiegerät mit zumindest zwei unter Systemwinkel angeordneten Aufnahmesystemen und Verfahren für ein derartiges Tomographiegerät zur Bestimmung der Systemwinkel der Aufnahmesysteme
Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Tomographiegerät, aufweisend zumindest

– ein erstes Aufnahmesystem mit einem ersten Strahler und einem ersten Detektor zur Erzeugung von Detektorausgangssignalen, die ein Maß für die Absorption der von dem ersten Strahler ausgehenden und durch ein Messbereich tretenden Strahlung sind,
– ein zweites Aufnahmesystem mit einem zweiten Strahler und einem zweiten Detektor zur Erzeugung von Detektorausgangssignalen, die ein Maß für die Absorption der von dem zweiten Strahler ausgehenden und durch den Messbereich tretenden Strahlung sind,

Derartige Tomographiegeräte sind beispielsweise aus der US 4, 991, 190 , der DE 29, 51, 222 A1 , der DE 29, 16, 848 A1 und der US 6,421,412 B1 bekannt. Der Vorteil solcher Tomographiegeräte mit mehreren Aufnahmesystemen gegenüber einem Gerät mit einem einzigen Aufnahmesystem besteht in der Möglichkeit, ein Objekt mit einer erhöhten Abtastgeschwindigkeit oder mit einer erhöhten Abtastauflösung zu untersuchen. Eine hohe Abtastgeschwindigkeit ist dann von Bedeutung, wenn Bewegungsartefakte im rekonstruierten Bild minimiert werden müssen, die durch freiwillige oder unfreiwillige Bewegungen des Objektes beispielsweise eines zu untersuchenden Organs eines Lebewe sens verursacht werden. Bei der Untersuchung beispielsweise eines Herzens ist es zur Rekonstruktion eines artefaktfreien Schicht- oder Volumenbildes notwendig, dass alle zur Rekonstruktion verwendeten Aufnahmen an den verschiedenen Drehwinkelpositionen möglichst denselben Bewegungszustand des Herzens erfassen.

Neben der Einzelbildaufnahms werden für medizinische Untersuchungen auch ganze Sequenzen von Schicht- oder Volumenbildern zur Darstellung von Bewegungsabläufen erzeugt. Eine höhere Abtastgeschwindigkeit bietet dabei den Vorteil einer verbesserten zeitlichen Auflösung des dargestellten Bewegungsablaufs, so dass auch sich schnell ändernde Bewegungszustände erfasst werden.

Ein Tomographiegerät mit mehreren Aufnahmesystemen kann aber auch so betrieben werden, dass im Vergleich zu einem Tomographiegerät mit nur einem Aufnahmesystem eine höhere Abtastauflösung erzielt wird. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn Organe bzw. Organteile eines Lebewesens in einem kleinen Untersuchungsvolumen aufgelöst werden müssen, wie zum Beispiel im Fall einer Untersuchung von Blutgefäßen.

Bei einem Tomographiegerät mit mehreren Aufnahmesystemen werden sowohl in der Betriebsart zur Erhöhung der Abtastgeschwindigkeit als auch in der Betriebsart zur Erhöhung der Abtastauflösung die aufgezeichneten Detektorausgangssignale der verschiedenen Aufnahmesystemen zur Rekonstruktion eines Schicht- bzw. Volumenbildes miteinander verrechnet. Die Verrechnung der Daten erfolgt dabei unter Kenntnis der Systemwinkel, unter denen die Aufnahmesysteme in azimutaler Richtung um eine gemeinsame Drehachse angeordnet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein bildgebendes Tomographiegerät der eingangs genannten Art auszubilden bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich Systemwinkel von in azimutaler Richtung um eine gemein same Drehachse angeordneten Aufnahmesystemen für verschiedene Drehwinkelgeschwindigkeiten in einfacher Weise bestimmen lassen.

Diese Aufgabe wird durch ein bildgebendes Tomographiegerät gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und durch ein Verfahren für ein bildgebendes Tomographiegerät gemäß den Verfahrenschritten des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen des Tomographiegerätes bzw. des Verfahrens für das Tomographiegerät sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche 2-9 bzw. 11-18.

Nach der Erfindung sind Mittel zur Ermittlung der beiden Systemwinkel vorgesehen, welche ein an eine Referenzposition innerhalb des Messbereiches aber außerhalb der Systemachse positionierbares Referenzobjekt und Rechenmittel aufweisen, die für zumindest eine, wenigstens im Wesentlichen konstante Drehwinkelgeschwindigkeit der beiden Aufnahmesysteme an verschiedenen Drehwinkelpositionen aus den Detektorausgangssignalen des ersten Detektors jeweils einen dem ersten Detektor zugeordneten Messwert und aus den Detektorausgangssignalen des zweiten Detektors jeweils einen dem zweiten Detektor zugeordneten Messwert für die in dem jeweiligen Detektor abgebildete Referenzposition des Referenzobjektes berechnen und die aus den so gewonnenen Messwerten an den verschiedenen Drehwinkelpositionen die Systemwinkel der beiden Aufnahmesysteme ermitteln. Der dem jeweiligen Detektor zugeordnete Messwert repräsentiert dabei in der Regel die abgebildete Position des Referenzobjektes in dem Detektor.

Die Erfindung geht von der grundsätzlichen Erkenntnis aus, dass die Systemwinkel der in azimutaler Richtung um eine gemeinsame Drehachse angeordneten beiden Aufnahmesysteme aufgrund von Einbautoleranzen bei dem Herstellungsprozess und aufgrund von starken Beschleunigungskräften bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Aufnahmesysteme verstellt sein können. Die Differenz zwischen einem idealer Weise eingestellten Sollwert eines Systemwinkels und dem tatsächlichen Systemwinkel eines Aufnahmesystems ist dabei von dem Betrag der Rotationsgeschwindigkeit abhängig. Die Abweichung zwischen dem in der Rekonstruktion eines Schicht- oder Volumenbildes berücksichtigten Sollwert und dem tatsächlich vorhandenen Systemwinkel verursacht jedoch Artefakte im rekonstruierten Bild und führt somit zu einer generellen Verschlechterung der erzielbaren Bildqualität.

Auf Basis der vorgeschlagenen Ermittlung der Systemwinkel ist eine Verbesserung der aus den Detektorausgangssignalen erzeugten Schicht- bzw. Volumenbildern möglich, bei der die exakt ermittelten Systemwinkel für die Rekonstruktion berücksichtigt werden können. Artefakte in dem Schicht- bzw. Volumenbild durch falsch zu Grunde gelegte Systemwinkel der Aufnahmesysteme in der Rekonstruktion werden auf diese Weise vermieden.

Die Ermittlung der Systemwinkel ist kostengünstig und besonders einfach dadurch durchführbar, dass lediglich eine Auswertung der Detektorausgangssignale für ein in den Messbereich eingebrachtes Referenzobjekt vorgenommen werden muss. Die Systemwinkel der Aufnahmesysteme lassen sich dabei mit geringem Aufwand auch für verschiedene Drewinkelgeschwindigkeiten und damit für jede beliebige Betriebsart des Tomographiegerätes bestimmen.

Eine besonders effiziente und numerisch leicht umsetzbare Ermittlung der Systemwinkel ist mittels einer Kostenfunktion möglich, die eine Summe von gewichteten Summanden aufweist, wobei jeder Summand aus der Differenz eines dem Detektor zugeordneten Messwertes und einer Abbildungsfunktion bildbar ist, wobei die Abbildungsfunktion den Zusammenhang zwischen einem theoretischen Messwert der in dem Detektor abgebildeten Referenzposition des Referenzobjektes in Abhängigkeit der Referenzposition, der Geometrie der beiden Aufnahmesysteme, der Drehwinkelposition und des zu optimierenden Systemwinkels be schreibt. Die Angabe der Abbildungsfunktion erfolgt bevorzugt in Form von Fächergeometriekoordinaten.

Aus der Differenz der beiden Systemwinkel ist ein Systemwinkelabstand ermittelbar, der vorteilhaft nur die Information über die relative Anordnung der beiden Aufnahmesysteme aufweist und der auf diese Weise vorteilhaft unmittelbar für die Rekonstruktion eines Bildes einsetzbar ist.

Damit die Abbildung des Referenzobjektes auf die Detektoren der beiden Aufnahmesysteme unabhängig von den Drehwinkelpositionen der Aufnahmesysteme ist und damit eine einfache Auswertung der Detektorausgangssignalen möglich ist, weist das Referenzobjekt eine rotationssymmetrische Gestalt auf.

Die Berechnung des einem Detektor zugeordneten Messwertes bzw. der Position des auf dem Detektor abbildbaren Referenzobjektes auf Basis der Detektorausgangssignale ist gegenüber Rauschen der Detektorausgangssignale besonders dann robust möglich, wenn das Referenzobjekt auf eine Mehrzahl von Detektorelementen abbildbar ist. Die Position wird vorteilhaft aus den Detektorausgangssignalen im Sinne eines Intensitätsschwerpunktes ermittelt.

Bevorzugt werden die Systemwinkel in einem Kalibrierprozess vor der eigentlichen Patientenmessung ermittelt.

Um einen unmittelbaren Zugriff auf die ermittelten Systemwinkel der Aufnahmesysteme des Tomographiegerätes auch während des normalen Betriebs zur Untersuchung eines Patienten zu ermöglichen, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Speicher vorgesehen, in dem die ermittelten Systemwinkel für eine Mehrzahl von verschiedenen, wenigstens im Wesentlichen konstanten Drehwinkelgeschwindigkeiten abspeicherbar sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen sind in den folgenden schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 ein Tomographiegerät nach der Erfindung in einer perspektivischen Gesamtdarstellung,
2 zwei Aufnahmesysteme des Tomographiegerätes der 1 mit einem im Messbereich der Aufnahmesysteme positionierten Referenzobjekt in einer Querschnittsdarstellung,
3 die zwei Aufnahmesysteme aus 2 mit verstellten Systemwinkeln,
4 eine Abbildung eines Referenzobjektes auf einen Detektor für verschiedene Drehwinkelpositionen,
5 die dem jeweiligen Detektor zugeordneten Messwerte des Referenzobjektes in Abhängigkeit von Drehwinkelpositionen der beiden Aufnahmesysteme.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Tomographiegerät 3, hier in Form eines Röntgen-Computertomographiegerätes, mit einer Patientenliege 6 zur Aufnahme und Lagerung eines Patienten 8. Die Patientenliege 6 umfasst eine bewegliche Tischplatte 7, mittels der der Patient 8 durch eine Öffnung 9 im Gehäuse 10 des Tomographiegerätes 3 in den Untersuchungs- oder Scanbereich bewegt werden kann. Während eines Spiralscans wird außerdem ein kontinuierlicher axialer Vorschub der Tischplatte 7 vorgenommen.
Im Inneren des Tomographiegerätes 3 befindet sich eine in 1 nicht sichtbare Gantry (Messwagen), die mit einer hohen Geschwindigkeit um eine durch den Patienten 8 verlaufende Drehachse 5 drehbar ist.
Zum Erreichen einer hoher Abtastgeschwindigkeit oder einer hohen Abtastauflösung sind auf der Gantry zwei Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 in einer vorgegebenen Weise angeordnet. Das erste Aufnahmesystem 1.1, 1.2 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels als ersten Strahler 1.1 eine Röntgenröhre und als ersten Detektor 1.2 ein z.B. achtzeiliges Röntgendetektorarray auf. Das zweite Aufnahmesystem 2.1, 2.2 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels als zweiten Strahler 2.1 eine gesonderte Röntgenröhre und als zweiten Detektor 2.2 ein gesondertes z.B. achtzeiliges Röntgendetektorarray. Die beiden Aufnahmesysteme sind in azimutaler Richtung jeweils unter einem bestimmten Systemwinkel um die Drehachse 5 fest angeordnet.
Die Röntgendetektorarrays sind beispielsweise auf Basis einer elektronisch auslesbaren Szintillatorkeramik, einer sogenannten UFC-Keramik, hergestellt und werden zur Erzeugung von Detektorausgangssignalen eingesetzt, die ein Maß für die Absorption der von dem entsprechenden Strahler 1.2 bzw. 2.2 ausgehenden und durch den Messbereich tretenden Strahlung sind. Es können aber auch andere Detektoren, z.B. Flächendetektoren mit 256 oder mehr Zeilen, zur Erzeugung von Detektorausgangssignalen zum Einsatz kommen.
Die Detektorausgangssignale der beiden, an relativ zueinander verschiedenen Drehwinkelpositionen, vorzugsweise in derselben Ebene abtastenden Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 werden in einem Steuer- und Bildrechner 4 unter Anwendung eines Bildrekonstruktionsalgorithmus zu einem Schicht- oder Volumenbild verarbeitet. Dabei werden die Detektorausgangssignale der beiden Aufnahmesysteme zunächst zu einem gemeinsamen Projektions- oder Rohdatensatz zusammengefasst („gemischt"). Die Bedienung des Tomographiegeräts 3 durch einen Arzt oder dergleichen erfolgt ebenfalls von dem Steuer- und Bildrechner 4 aus.
Die 2 und 3 zeigen die beiden Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 der 1 in einer Querschnittsdarstellung.
Zur Angabe eines dem jeweiligen Aufnahmesystem zugeordneten Systemwinkels, zur Angabe von Drehwinkelpositionen und zur Angabe einer Position eines in einem gemeinsamen Messbereich 14 der beiden Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 positionierbaren Referenzobjektes ist ein kartesisches Koordinatensystem mit einer ersten Achse x und einer zweiten Achse y und einem auf der Drehachse 5 gelagerten Ursprung eingezeichnet. Alle Winkel- und Positionsangaben beziehen sich in den folgenden Ausführungen auf das so definierte Bezugssystem.
Die beiden Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 sind in azimutaler Richtung um eine gemeinsame Drehachse 5 in der eingezeichneten Drehwinkelrichtung α drehbar angeordnet. Das erste Aufnahmesystem 1.1, 1.2 ist unter einem ersten Systemwinkel γ1 und das zweite Aufnahmesystem 2.1, 2.2 unter einem zweiten Systemwinkel γ2 um die gemeinsame Drehachse gelagert. Der Abstand der Strahler 1.1, 2.1 und der Detektoren 1.2, 2.2 von der Drehachse 5 ist in dem Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch einen Fokusbahnradius Fr bestimmt. Während einer Untersuchung mit dem Tomographiegerät 3 können so durch Rotation der Gantry aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen an den verschiedenen, beispielhaft eingezeichneten Drehwinkelpositionen α0, ..., αn Rohbilddaten mit den beiden Aufnahmesystemen 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 gewonnen werden, die eine Rekonstruktion eines Schicht- oder Volumenbildes ermöglichen.
In den gemeinsamen Messbereich 14 ist, wie in 2 gezeigt, ein Referenzobjekt R an einer Position Rx, Ry eingebracht, welches in Abhängigkeit von der Drehwinkelpositionen α0, ...αn sowohl in dem ersten Detektor 1.2 als auch in dem zweiten Detektor 2.2 ein entsprechendes Projektionsbild erzeugt. Die Position Rx, Ry des Referenzobjektes R ist prinzipiell frei vorgebbar, sie muss jedoch außerhalb der gemeinsa men Drehachse 5 der beiden Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2,2 und innerhalb des gemeinsamen Messbereiches liegen. In der Querschnittsdarstellung ist jeweils eine Zeile der Detektoren 1.2, 2.2 mit jeweils mehreren Detektorelementen zur Erzeugung von Detektorausgangssignalen gezeigt. Aus den durch das Projektionsbild erzeugten Detektorausgangssignalen des ersten Detektors 1.2 ist ein erster Messwert M1, α0 und aus den Detektorausgangssignalen des zweiten Detektors 2.2 ist ein entsprechend zweiter Messwert M2, α0 berechenbar. Jeder Messwert repräsentiert dabei die Position des Referenzobjektes R in dem jeweiligen Detektor 1.2 bzw. 2.2.
Aus den Detektorausgangssignalen des jeweiligen Detektors 1.2 bzw. 2.2 an verschiedenen Drehwinkelpositionen α0, ...αn werden auf diese Weise nacheinander die dem Detektor zugeordneten Messwerte M1, α0, ...M1, αn bzw. M2, α0, ...M2, αn berechnet. Die Aufnahme der Detektorausgangssignale erfolgt dabei für eine beliebige aber wenigstens im Wesentlichen konstante Drehwinkelgeschwindigkeit der Gantry.
Die Systemwinkel γ1, γ2, unter denen die Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 in azimutaler Richtung um die gemeinsame Drehachse 5 angeordnet sind, müssen für die Rekonstruktion eines Schicht- oder Volumenbildes bekannt sein und müssen daher einen vorgegebenen Wert aufweisen. Aufgrund von Einbautoleranzen beim Herstellungsprozess oder aufgrund von starken Beschleunigungskräften während einer Rotation der Gantry können die Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 aus ihrer ursprünglich vorgegebenen Lage verstellt sein. 3 zeigt die beiden Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 aus 2 in derselben Querschnittsdarstellung mit dem Unterschied, dass die ursprünglich eingestellten Systemwinkel aus 1 zum Beispiel aufgrund von Einbautoleranzen verstellt sind. Aus diesem Grund ergeben sich an gleichen Drehwinkelpositionen α0, ... an im Vergleich zu der in 2 gezeigten Anordnung der beiden Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 unterschiedliche Projektionsbilder in den beiden Detektoren 1.2, 2.2. Bei der Rekonstruktion eines Schicht- oder Volumenbildes würden auf diese Weise ohne Berücksichtigung der exakten Systemwinkel γ1, γ2 Artefakte in dem rekonstruierten Bild entstehen.
4 zeigt die Abbildung des Referenzobjektes R auf einen Detektor, hier den ersten Detektor 1.2, exemplarisch für verschiedene Drehwinkelpositionen α0, ...αn. Ein dem ersten Detektor 1.2 zugeordnetes Detektorarray umfasst M Reihen. In jeder Reihe sind jeweils N Detektorelemente aufgereiht. Die Detektorelemente A1.1, ...AM.N sind somit in einer Matrixform angeordnet. Eine gegenüber Detektorrauschen robuste Berechnung eines Messwertes M1, α0 bzw. ...M1, αn, ist dann durchführbar, wenn das Referenzobjekt R vorteilhaft auf eine Mehrzahl der Detektorelemente A1.1 bis AM.N abbildbar ist.
Eine besonders einfache und rechenzeitarme Ermittlung der Messwerte M1, α0 ...M1, αn auf Basis der Detektorausgangssignale ist durch die Berechnung eines Intensitätsschwerpunktes erzielbar. Zu diesem Zweck werden in dem einfachsten Fall die Detektorausgangssignale (Intensitätswerte) der Detektorelemente A1.1, ...AM.N mit ihrer Position getrennt nach Zeilen- und Spaltenkoordinate gewichtet, aufsummiert und durch die Anzahl der aufsummierten Werte (M × N) geteilt. Zur Ermittlung der Spaltenkoordinate des Intensitätsschwerpunktes wird so zum Beispiel jeweils der in einem Detektorelement beobachtete Intensitätswert mit der Spaltenkoordinate des jeweiligen Detektorelementes multipliziert. Die so gewichteten Intensitätswerte werden aufsummiert und durch die Anzahl der Summanden dividiert. Der sich daraus ergebene Wert repräsentiert die Spaltenkoordinate des Intensitätsschwerpunktes. Entsprechend wird die Zeilenkoordinate des Intensitätsschwerpunktes ermittelt.
Der berechenbare Messwert M1, α0 bzw. ...M1, αn entspricht der Position des in dem Detektor 1.2 abgebildeten Referenzobjektes R mit einer Genauigkeit von Subpixel-Einheiten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Referenzobjekt R eine rotationssymmetrische Gestalt auf, so dass, wie in 4 gezeigt, für alle Drehwinkelpositionen α0, ...αn jeweils durch Abbildung des Referenzobjektes R auf den Detektor 1.2 identische Abbildungsprofile Rp0, Rp1, ...Rpn erzeugbar sind.
Ein Referenzobjekt R, das den eben genannten Anforderungen genügt, ist beispielsweise durch eine Objekt mit kugelförmiger oder stabförmiger Gestalt gegeben.
Die während einer Drehung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit der beiden Aufnahmesysteme an verschiedenen Drehwinkelpositionen α0, ...αn berechenbaren, dem jeweiligen Detektor 1.2 bzw. 2.2 zugeordneten Messwerte M1, α0, ...M1, αn bzw. M2, α0, ...M2, αn dienen zur Ermittlung des unbekannten Systemwinkels γ1 bzw. γ2. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen den Drehwinkelpositionen der Gantry und den berechneten Messwerten für den Detektor 1.2 bzw. 2.2 in Form jeweils eines Sinogramms.
Eine besonders effiziente und numerisch leicht umsetzbare Ermittlung der Systemwinkel γ1, γ2 ist jeweils mittels einer Kostenfunktion möglich, die eine Summe von gewichteten Summanden aufweist, wobei jeder Summand aus der Differenz eines dem Detektor 1.2 bzw. 2.2 zugeordneten Messwertes M1, αi bzw. M2, αi und einer Abbildungsfunktion S1 bzw. S2 bildbar ist.
Die Abbildungsfunktion S1 bzw. S2 beschreibt dabei den Zusammenhang zwischen einem theoretischen Messwert des in dem Detektor 1.2 bzw. 2.2 abgebildeten Referenzobjektes R in Abhängigkeit der Referenzposition Rx, Ry des Referenzobjektes R, des Fokusbahnradius Fr, der Drehwinkelposition αi und des zu optimierenden Systemwinkels γ1 bzw. γ2.
Die Abbildungsfunktion S1 bzw. S2 ist üblicherweise in Form von Fächergeometriekoordinaten angegebbar und hat folgende Gestalt:
Auf Basis der Abbildungsfunktion S1 bzw. S2 ist eine Kostenfunktion Fa derart bildbar und minimierbar bzw. optimierbar, dass sowohl die unbekannte Position Rx, Ry des Referenzobjektes R als auch die Systemwinkel γ1, γ2 ermittelbar sind. Die Ermittlung der Systemwinkel γ1, γ2 ist je nach Ausgestaltung einer Kostenfunktion getrennt voneinander oder auch einheitlich realisierbar. Eine Kostenfunktion zur Ermittlung der Position Rx, Ry des Referenzobjektes R und des Systemwinkels γ1 bzw. γ2 ist folgendermaßen angebbar, wobei die Summanden aus der Differenz der genannten Abbildungsfunktion S1 bzw. S2 und den an verschiedenen Drehwinkelpositionen berechneten Messwerten M1, α0, ...M1, αn bzw. M2, α0, ...M2, αn gebildet sind:
Die Ermittlung der Position Rx, Ry des Referenzobjektes R und der Systemwinkel γ1, γ2 ist aber auch in einfacher Form einheitlich in der folgenden Form einer Kostenfunktion umsetzbar:
Die in der Kostenfunktion Fa bzw. Fb berücksichtigten Differenzwerte sind quadratisch gewichtet. Es sind aber auch andere Gewichtungen oder Kostenfunktionen denkbar, mit der die Minimierung zur Ermittlung der Systemwinkel durchführbar ist. Die Optimierungsaufgabe der Kostenfunktion Fa bzw. Fb ist durch Standardverfahren lösbar, die aus der Literatur bekannt sind. Zu den Standardverfahren zählen beispielsweise das Simplex-Verfahren von Nelder und Mead (s.,Optimierung und Ap proximation', Peter Kosmol, Gruyter 1991), der Powell's Algorithmus oder die Optimierung durch einen genetischen Algorithmus.
Auf Basis der so ermittelbaren Systemwinkel γ1, γ2 ist ein Systemwinkelabstand γ3 = γ1 – γ2 bildbar, der vorteilhaft nur die Information über die relative Anordnung der beiden Aufnahmesystem 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 aufweist. Der so bestimmbare Systemwinkelabstand γ3 ist vorteilhaft in der Rekonstruktion eines Schicht- oder Volumenbildes verwendbar, in dem bei der Umrechnung in Parallelgeometrie im azimutalen Rebinning die exakten Drehwinkelpositionen der einzelnen Projektionsbilder der Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 verwendet werden. Bei einer Rekonstruktion in Fächergeometriekoordinaten ist eine Interpolation der Projektionsdaten aus den Detektoren 1.2, 2.2 auf äquidistante Drehwinkelpositionen erforderlich.
Erfindungsgemäß sind die Systemwinkel γ1, γ2 der beiden Aufnahmesysteme 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 für verschiedene, wenigstens im Wesentlichen konstante Drehwinkelgeschwindigkeiten bestimmbar. Das Speichern der Systemwinkel γ1, γ2 für eine Mehrzahl von Drehwinkelgeschwindigkeiten mittels eines dem Tomographiegerätes 3 zugeordneten Speichers 16 ermöglicht den unmittelbaren Zugriff auf die ermittelten Systemwinkel γ1, γ2 auch während einer Untersuchung, bei der die Gantry mit verschiedenen Drehwinkelgeschwindigkeiten betrieben wird.

Claims

Bildgebendes Tomographiegerät, aufweisend zumindest – ein erstes Aufnahmesystem (1.1, 1.2) mit einem ersten Strahler (1.1) und einem ersten Detektor (1.2) zur Erzeugung von Detektorausgangssignalen, die ein Maß für die Absorption der von dem ersten Strahler (1.1) ausgehenden und durch einen Messbereich (14) tretenden Strahlung sind, – ein zweites Aufnahmesystem (2.1, 2.2) mit einem zweiten Strahler (2.1) und einem zweiten Detektor (2.2) zur Erzeugung von Detektorausgangssignalen, die ein Maß für die Absorption der von dem zweiten Strahler (2.1) ausgehenden und durch den Messbereich (14) tretenden Strahlung sind, wobei in azimutaler Richtung das erste Aufnahmesystem unter einem ersten Systemwinkel (γ1) und das zweite Aufnahmesystem unter einem zweiten Systemwinkel (γ2) um eine gemeinsame Drehachse (5) drehbar angeordnet sind, – sowie Mittel zur Ermittlung der beiden Systemwinkel (γ1, γ2), umfassend – ein an eine Referenzposition (Rx, Ry) innerhalb des Messbereiches (14) aber außerhalb der Drehachse (5) positionierbares Referenzobjekt (R) und – Rechenmittel, die für zumindest eine, wenigstens im Wesentlichen konstante Drehwinkelgeschwindigkeit der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2) an verschiedenen Drehwinkelpositionen (α0, ...αn) aus den Detektorausgangssignalen des ersten Detektors (1.2) jeweils einen dem ersten Detektor zugeordneten Messwert (M1, α0, bzw. ...M1, αn) und aus den Detektorausgangssignalen des zweiten Detektors (2.2) jeweils einen dem zweiten Detektor zugeordneten Messwert (M2, α0, bzw. ...M2, αn) für die in dem jeweiligen Detektor (1.2 bzw. 2.2) abgebildete Referenzposition des Referenzobjektes (R) berechnen und die aus den so gewonne nen Messwerten (M1, α0, ...M1, an, M2, α0, ...M2, an) an den verschiedenen Drehwinkelpositionen (α0, ...αn) die Systemwinkel (γ1, γ2) der beiden Aufnahmesysteme ermitteln.
Tomographiegerät nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung des ersten bzw. zweiten Systemwinkels (γ1 bzw. γ2) mittels Optimierung einer ersten bzw. zweiten Kostenfunktion (Fa bzw. Fb) durchführbar ist, welche eine Summe von gewichteten Differenzen aufweist, die jeweils aus einem dem ersten bzw. zweiten Detektor (1.2 bzw. 2.2) zugeordneten Messwert (M1, α0, bzw. ...M1, αn, bzw. M2, α0, bzw. ...M2, αn) und einer Abbildungsfunktion (S1 bzw. S2) bildbar sind, wobei die Abbildungsfunktion (S1 bzw. S2) den Zusammenhang zwischen einem theoretischen Messwert der in einem Detektor (1.2 bzw. 2.2) abgebildeten Referenzposition des Referenzobjektes (R) in Abhängigkeit der Referenzposition (Rx, Ry), der Geometrie der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2), der Drehwinkelposition (α0, bzw. ...αn) und des zu optimierenden Systemwinkels (γ1 bzw. γ2) beschreibt.
Tomographiegerät nach Anspruch 2, wobei die Abbildungsfunktion (S1 bzw. S2) den Zusammenhang zwischen dem theoretischen Messwert der in einem Detektor (1.2 bzw. 2.2) abgebildeten Referenzposition des Referenzobjektes (R) in Abhängigkeit der Referenzposition (Rx, Ry), der Geometrie der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2), der Drehwinkelposition (α0, bzw. ...αn) und des zu optimierenden Systemwinkels (γ1 bzw. γ2) in Form von Fächergeometriekoordinaten beschreibt.
Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Systemwinkelabstand (γ3) der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2) aus der Differenz zwischen dem ersten Systemwinkel und dem zweiten Systemwinkel (γ1, γ2) ermittelbar ist.
Tomographiegerät nach Anspruch 4, wobei der Systemwinkelabstand (γ3) bei einer Rekonstruktion eines Bildes aus den Detektorausgangssignalen des ersten und des zweiten Detektors (1.2, 2.2) einsetzbar ist.
Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Referenzobjekt (R) eine rotationssymmetrische Gestalt aufweist.
Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Referenzobjekt (3) eine derartige Größe aufweist, dass es jeweils auf eine Mehrzahl von Detektorelementen (A1.1, ...AM.N) des ersten Detektors (1.2) und des zweiten Detektors (2.2) abbildbar ist.
Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der dem ersten Detektor (1.2) zugeordnete Messwert (M1, α0, bzw. ...M1, αn) bzw. der dem zweiten Detektor (2.2) zugeordnete Messwert (M2, α0, bzw. ...M2, αn) aus den jeweiligen Detektorausgangssignalen im Sinne eines Intensitätsschwerpunktes berechenbar sind.
Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend einen Speicher (16) zur Speicherung der Systemwinkel (γ1, γ2) für eine Mehrzahl von verschiedenen, wenigstens im Wesentlichen konstanten Drehwinkelgeschwindigkeiten.
Verfahren für ein bildgebendes Tomographiegerät, umfassend zumindest – ein erstes Aufnahmesystem (1.1, 1.2) mit einem ersten Strahler (1.1) und einem ersten Detektor (1.2) zur Erzeugung von Detektorausgangssignalen, die ein Maß für die Absorption der von dem ersten Strahler (1.1) ausgehenden und durch ein Messbereich (14) tretenden Strahlung sind, – ein zweites Aufnahmesystem (2.1, 2.2) mit einem zweiten Strahler (2.1) und einem zweiten Detektor (2.2) zur Erzeu gung von Detektorausgangssignalen, die ein Maß für die Absorption der von dem zweiten Strahler (2.1) ausgehenden und durch den Messbereich (14) tretenden Strahlung sind, wobei in azimutaler Richtung das erste Aufnahmesystem (1.1, 1.2) unter einem ersten Systemwinkel (γ1) und das zweite Aufnahmesystem (2.1, 2.2) unter einem zweiten Systemwinkel (γ2) um eine gemeinsame Drehachse (5) drehbar angeordnet sind, sowie Mittel zur Ermittlung der beiden Systemwinkel (γ1, γ2), aufweisend folgende Verfahrensschritte: – Positionieren eines Referenzobjektes (R) an eine Referenzposition (Rx, Ry) innerhalb des Messbereiches (14) aber außerhalb der Drehachse (5), – Einstellen einer wenigstens im Wesentlichen konstanten Drehwinkelgeschwindigkeit der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2), – Berechnung eines dem ersten Detektor (1.2) zugeordneten Messwertes (M1, α0, bzw. ...M1, αn) für die abgebildete Referenzposition des Referenzobjektes (R) jeweils an verschiedenen Drehwinkelpositionen (α0, ....αn), – Berechnung eines dem zweiten Detektor (2.2) zugeordneten Messwertes (M2, α0,bzw. ...M2, αn) für die abgebildete Referenzposition des Referenzobjektes (R) jeweils an verschiedenen Drehwinkelpositionen (α0, ....αn), – Ermittlung der Systemwinkel (γ1, γ2) auf Basis der den jeweiligen Detektoren (1.2, 2.2) zugeordneten Messwerten (M1, α0, ...M1, αn, M2, α0, ...M2, αn).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Ermittlung des ersten bzw. zweiten Systemwinkels (γ1 bzw. γ2) mittels Optimierung einer ersten bzw. zweiten Kostenfunktion (Fa bzw. Fb) erfolgt, welche eine Summe von gewichteten Differenzen aufweist, die jeweils aus einem dem ersten bzw. zweiten Detektor (1.2 bzw. 2.2) zugeordneten Messwert (M1, α0, bzw. ...M1, αn, bzw. M2, α0, bzw. ...M2, αn) und einer Abbildungsfunktion (S1 bzw. S2) gebildet sind, wobei die Abbildungs funktion (S1 bzw. S2) den Zusammenhang zwischen einem theoretischen Messwert der in einem Detektor (1.2 bzw. 2.2) abgebildeten Referenzposition des Referenzobjektes (R) in Abhängigkeit der Referenzposition (Rx, Ry), der Geometrie der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2), der Drehwinkelposition (α0, bzw. ...αn) und des zu ermittelnden Systemwinkels (γ1 bzw. γ2) beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Abbildungsfunktion den Zusammenhang zwischen dem theoretischen Messwert der in einem Detektor abgebildeten Referenzposition des Referenzobjektes (R) in Abhängigkeit der Referenzposition (Rx, Ry), der Geometrie der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2), der Drehwinkelposition (α0, bzw. ...αn) und des zu optimierenden Systemwinkels (γ1 bzw. γ2) in Form von Fächergeometriekoordinaten beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Systemwinkelabstand (γ3) der beiden Aufnahmesysteme (1.1, 1.2, 2.1, 2.2) aus der Differenz zwischen dem ersten Systemwinkel (γ1) und dem zweiten Systemwinkel (γ2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Systemwinkelabstand (γ3) bei einer Rekonstruktion eines Bildes aus den Detektorausgangssignalen des ersten und des zweiten Detektors (1.2, 2.2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Referenzobjekt (R) eine rotationssymmetrische Gestalt aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Referenzobjekt (R) jeweils auf eine Mehrzahl von Detektorelementen (A1.1, ...AM.N) des ersten Detektors (1.2) und des zweiten Detektors (2.2) abbildbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei der dem ersten Detektor (1.2) zugeordnete Messwert (M1, α0, bzw. ...M1, αn) bzw. der dem zweiten Detektor (2.2) zugeordnete Messwert (M2, α0, bzw. ...M2, αn) aus den jeweiligen Detektorausgangssignalen im Sinne eines Intensitätsschwerpunktes berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, aufweisend einen Speicher (16) zur Speicherung der Systemwinkel (γ1, γ2) für eine Mehrzahl von verschiedenen, wenigstens im Wesentlichen konstanten Drehwinkelgeschwindigkeiten.