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Die
Erfindung bezieht sich auf ein computertomographisches Bildgebungsverfahren,
das insbesondere zum Einsatz in der Therapieplanung für eine Partikel-
oder Strahlentherapie vorgesehen ist. Die Erfindung bezieht sich
weiterhin auf einen zur Durchführung
des genannten Verfahrens geeigneten Computertomographen.
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Als
Computertomographie wird allgemein ein bildgebendes Schichtaufnahmeverfahren
bezeichnet, bei welchem ein zu untersuchendes Objekt mittels energiereicher
elektromagnetischer Strahlung aus verschiedenen Projektionswinkeln "durchleuchtet" wird, und bei welchem
durch Detektion der durch das Objekt verursachten ortsabhängigen Abschwächung der
transmittierten Strahlung für
jeden Projektionswinkel ein Projektionsbild aufgenommen wird. Aus
den verschiedenen Projektionswinkeln zugeordneten Projektionsbildern
wird anschließend
mittels numerischer Rückprojektionsalgorithmen
schichtweise ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Objekts berechnet.
In der medizinischen Computertomographie handelt es sich bei dem
zu untersuchenden Objekt um den Körper oder eine Körperregion
eines in der Regel menschlichen Patienten.
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Die
Bildaufnahme der herkömmlichen
medizinischen Computertomographie erfolgt bisher unter Verwendung
von Röntgenstrahlung
in einem Energiebereich von üblicherweise
80 kV bis 140 kV für
die Bildaufnahme, wobei gemäß der üblichen
Terminologie zur Bezeichnung der Strahlungsenergie auf die zur Erzeugung
der Röntgenstrahlung
verwendete Beschleunigungsspannung Bezug genommen ist. Aufgrund
ihrer vergleichsweise geringen Photonenenergie von weniger als 150
keV (Kiloelektronenvolt) ist die üblicherweise in der medizinischen
Computertomogra phie verwendete Röntgenstrahlung
nachfolgend als "niederenergetisch" bezeichnet.
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Um
in der medizinischen Anwendung anhand der von dem Detektor eines
Computertomographen gemessenen Röntgenabschwächung auf
eine bestimmte, diese Abschwächung
hervorrufende Gewebeart in dem untersuchten Körper rückschließen zu können, wird ein Computertomograph üblicherweise
nach Maßgabe
der so genannten Hounsfield-Skala kalibriert. Die Hounsfield-Skala
gibt die Stärke
der an einem bestimmten Ort gemessenen Röntgenabschwächung in Bezug auf die von
Wasser verursachte Röntgenabschwächung an,
wobei der von Luft hervorgerufenen Röntgenabschwächung der Wert minus 1000 HU
(hounsfield units) zugewiesen ist.
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Computertomographie
wird insbesondere zur Vorbereitung und Planung einer Bestrahlungstherapie
mit hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (Strahlentherapie)
oder beschleunigten Teilchen (Partikeltherapie) eingesetzt. Um hierbei
die Bestrahlungsregion und die erforderliche Bestrahlungsdosis mit
hinreichender Präzision
bestimmen zu können,
ist eine besonders genaue Kenntnis der HU-Werte der betroffenen
Körperregion
erforderlich. Insbesondere für
eine Strahlentherapie ist zudem Kenntnis über die Elektronendichte in
der betreffenden Körperregion
erforderlich. Die Elektronendichte wird üblicherweise anhand einer empirisch
ermittelten Tabelle aus den HU-Werten abgeleitet.
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Ein
Problem bei der Therapieplanung anhand von herkömmlichen computertomographischen Aufnahmen
(Computertomogramme) stellen so genannte Metallartefakte dar, wie
sie insbesondere von metallischen Implantaten im menschlichen Körper hervorgerufen
werden. Solche Implantate führen
zu einer starken Verfälschung
der HU-Werte in ihrer räumlichen
Umgebung, so dass derart verfälschte Computertomogramme
zur Therapieplanung nicht mehr oder nur noch sehr eingeschränkt eingesetzt werden
können.
Insbesondere sind Patienten mit Metallimplantaten im Bereich eines
behandelten Tumors, z.B. mit einer Wirbelsäulenstütze im Bereich eines Knochentumors,
bei Auftreten von Rezidiven bisher kaum mehr zu bestrahlen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein unter den vorstehend beschriebenen
Gesichtspunkten verbessertes computertomographisches Bildgebungsverfahren
anzugeben. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, einen
zur Durchführung
des Verfahrens besonders geeigneten Computertomographen anzugeben.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Bezüglich
des zugehörigen
Computertomographen wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 6.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
im Zuge des Bildgebungsverfahrens elektromagnetische Strahlung,
insbesondere "harte" Röntgenbremsstrahlung
oder Gammastrahlung, mit einer Photonenenergie von mindestens 1
MeV (Megaelektronenvolt), bevorzugt zwischen 4 MeV und 50 MeV zur
Aufnahme der Projektionsbilder einzusetzen. Derartige Strahlung
ist nachfolgend als "hochenergetisch" bezeichnet.
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Der
zur Durchführung
des Verfahrens vorgesehene Computertomograph umfasst eine Bilderzeugungseinheit
mit einem Strahlungserzeuger und einem zu diesem in Gegenüberstellung
angeordneten Strahlungsdetektor, wobei der Strahlungserzeuger eine
Strahlungsquelle umfasst, die zur Erzeugung der hochenergetischen
elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist. In bevorzugter Ausführung umfasst
diese Strahlungsquelle insbesondere einen Elektronen-Linearbeschleuniger.
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Bei
Verwendung von hochenergetischer Strahlung treten Metallartefakte
nicht mehr, oder nur noch in vergleichsweise geringem Maße auf,
so dass eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten computertomographischen
Aufnahme (nachfol gend als MeV-Computertomogramm bezeichnet) auch
in Gegenwart von Metallimplantaten problemlos für eine Therapieplanung einsetzbar
ist. Zudem ist die Abschwächung
der hochenergetischen Strahlung im Körper direkt proportional zu
der Elektronendichte, so dass letztere nunmehr direkt, und damit
auch mit vergleichsweise hoher Präzision messtechnisch zugänglich ist.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die
vorstehend beschriebene MeV-Computertomographie kombiniert mit einem klassischen,
auf niederenergetischer Röntgenstrahlung
basierenden Aufnahmeverfahren. Hierbei ist vorgesehen, dass zur
Bildaufnahme gleichzeitig, alternierend oder unmittelbar nacheinander
hochenergetische und niederenergetische Strahlung zur Bildaufnahme
eingesetzt wird. In einer entsprechenden Ausführung des Computertomographen
umfasst der Strahlungserzeuger zusätzlich zu der ersten Strahlungsquelle
für hochenergetische
Strahlung eine dieser parallel geschaltete zweite Strahlungsquelle
für niederenergetische
Strahlung. Letztere ist insbesondere durch eine gewöhnliche
Röntgenröhre realisiert. Alternativ
umfasst der Computertomograph zusätzlich zu einer mit hochenergetischer
Strahlung arbeitenden ersten Bilderzeugungseinheit eine zweite Bilderzeugungseinheit,
im Rahmen derer die zweite Strahlungsquelle sowie ein zugeordneter
Detektor vorgesehen sind.
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Bei
kombiniertem Einsatz von hochenergetischer und niederenergetischer
Strahlung werden bevorzugt zunächst
getrennt voneinander unter Verwendung von hochenergetischer Strahlung
ein MeV-Bilddatensatz, und unter Verwendung von niederenergetischer
Strahlung keV-Bilddatensatz desselben Körperbereichs erzeugt. Diese
Bilddatensätze
werden anschließend
zur Eliminierung von Metallartefakten einander mit Mitteln der elektronischen Bildverarbeitung
einander überlagert.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in
einem schematischen Querschnitt einen Computertomograph mit einer
Bilderzeugungseinheit, die eine Strahlungsquelle zur Erzeugung hochenergetischer
Strahlung sowie einen zugeordneten Strahlungsdetektor umfasst,
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2 in
einem schematischen Längsschnitt den
Computertomograph gemäß 1,
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3 in
Darstellung gemäß 1 eine
alternative Ausführungsform
des Computertomographen, bei welcher der Strahlungserzeuger zusätzlich eine Röntgenröhre als
Strahlungsquelle für
niederenergetische Strahlung umfasst, und
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4 in
Darstellung gemäß 1 eine
weitere Ausführungsform
des Computertomographen mit einer auf Nutzung von hochenergetischer
Strahlung ausgerichteten ersten Bilderzeugungseinheit und einer
auf Nutzung von niederenergetischer Strahlung ausgerichteten zweiten
Bilderzeugungseinheit.
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Einander
entsprechende Teile und Größen sind
in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der
in den 1 und 2 schematisch dargestellte Computertomograph 1 umfasst
eine Bilderzeugungseinheit 2, die an einer Gantry 3 um
eine isozentrische Achse 4 drehbar gelagert ist.
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Die
Gantry 3 umfasst einen ortsfesten Tragring 5,
der einen die Bilderzeugungseinheit 2 aufnehmenden Drehwagen 6 lagert.
Der Drehwagen 6 weist eine bezüglich der isozentrischen Achse 4 zentrierte tunnelartige Öffnung 7 auf,
in welche ein Patient 8 als zu untersuchendes Objekt einschiebbar
ist.
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Die
Bilderzeugungseinheit 2 umfasst einen Strahlungserzeuger 10 sowie
einen Strahlungsdetektor 11. In der Ausführung gemäß den 1 und 2 ist
der Strahlungserzeuger 10 durch eine Strahlungsquelle 12 für hochenergetische
elektromagnetische Strahlung R1 mit einer Photonenenergie zwischen
4MeV und 50 MeV ausgebildet.
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Die
Strahlungsquelle 12 umfasst einen Linearbeschleuniger 13,
der dazu ausgebildet ist, unter Beschuss eines so genannten Targets
mit einem beschleunigten Elektronenstrahl die hochenergetische Strahlung
R1 zu erzeugen. Der Linearbeschleuniger 13 ist entweder
derart angeordnet, dass die aus dem Linearbeschleuniger 13 austretende
Strahlung R1 direkt radial bezüglich
der isozentrischen Achse 4 emittiert wird. Alternativ ist,
wie in den 1 und 2 dargestellt,
ein Wellenleiter 14 vorgesehen, der die Strahlung R1 in
Richtung auf die isozentrische Achse 4 umlenkt.
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Aus
der emittierten Strahlung R1 wird mittels einer (nicht näher dargestellten)
Blenden- und Filteranordnung ein so genannter Fächerstrahl 17 ausgeblendet,
der sich in einer zu der isozentrischen Achse 4 senkrechten
Aufnahmeebene 16 mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsquelle 12 fächerartig aufweitet,
dessen Ausdehnung in Richtung der isozentrischen Achse 4 aber
auf einen engen Bereich um die Aufnahmeebene 16 beschränkt ist.
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Der
Fächerstrahl 17 ist
hierbei derart ausgerichtet, dass er unter Transmission durch den
zu untersuchenden Patienten 8 auf den der Strahlungsquelle 12 gegenüber angeordneten
Strahlungsdetektor 11 fällt.
Alternativ kann der Strahlungserzeuger 10 auch zur Erzeugung
eines kegelförmigen
Strahls (cone beam) ausgebildet sein. In dieser Ausführung ist als
Strahlungsdetektor ein zweidimensionales Detektor-Plate vorgesehen.
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Zur
Lagerung des Patienten 8 im Strahlengang des Fächerstrahls 17 dient
ein Patiententisch 18. Dieser umfasst eine horizontale
Auflagefläche 19,
die auf einer Tischhalterung 20 insbesondere axial verschiebbar
gehaltert ist, so dass der auf der Auflagefläche 19 gelagerte Patient 8 zusammen
mit der Auflagefläche 19 entlang
der isozentrischen Achse 4 verschiebbar ist und somit eine
zu untersuchende Körperregion
des Patienten 8 in der Aufnahmeebene 16 positioniert
werden kann.
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Der
Computertomograph 1 ist, analog zu einem herkömmlichen
Computertomographen, dazu vorgesehen, unter Gantryrotation um die
isozentrische Achse 4, und damit um den Patienten 8,
aus unterschiedlichen Projektionswinkeln Projektionsbilder B1 der
Strahlungsabschwächung
der durch den Patienten 8 transmittierten Strahlung R1
aufzunehmen. Diese Projektionsbilder B1 werden als digitale Bilddaten
einem numerischen Steuer- und Auswertesystem 21 zugeleitet.
Das Steuer- und Auswertesystem 21 ist dazu ausgebildet,
aus den unter verschiedenen Aufnahmeprojektionen aufgenommenen Projektionsbildern
B1 schichtweise einen dreidimensionalen Bilddatensatz (MeV-Computertomogramm)
einer untersuchten Körperregion
des Patienten 8 zu berechnen, der für jedes Volumenelement der
Körperregion die
durch dieses Volumenelement hervorgerufene Strahlungsabschwächung wiedergibt.
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Anhand
der charakteristischen Strahlungsabschwächung kann, wie bei einem gewöhnlichen keV-Computertomogramm
die Art des Körpergewebes
(Knochen, Fettgewebe, Muskelgewebe, etc.) in dem betrachteten Volumenelement
der untersuchten Körperregion
ermittelt werde. Des Weiteren werden gegebenenfalls vorhandene Implantate
durch das MeV-Tomogramm räumlich
abgebildet. Durch die Verwendung der hochenergetischen elektromagnetischen
Strahlung R1 sind Metallartefakte, wie sie bei einem keV-Computertomogramm
durch Metallimplantate typischerweise hervorgerufen werden, vermieden
oder zumindest signifikant reduziert. Metallimplantate werden im
MeV-Computertomogramm insbesondere vergleichsweise scharf abgebildet
und sind somit räumlich
gut abgrenzbar. Die Strahlungsabschwächung in der räumlichen
Umgebung des Metallimplantats wird im McV-Tomogramm im Wesentlichen
unverfälscht
wiedergegeben.
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Des
Weiteren stellen die Abschwächungswerte
des McV-Computertomogramms ein direktes Maß für die ortsaufgelöste Elektronendichte
in dem abgebildeten Körperbereich
des Patienten 8 dar. Das MeV-Computertomogramm ist somit
direkt zur Therapieplanung für
eine Strahlentherapie nutzbar.
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In
einer alternativen Ausführungsform
des Computertomographen 1 gemäß 3 umfasst
der Strahlerzeuger 10 zusätzlich zu der Strahlungsquelle 12 eine
dieser parallel geschaltete weitere Strahlungsquelle 22 für niederenergetische
elektromagnetische Strahlung R2. Die Strahlungsquelle 22 ist
insbesondere in Form einer gewöhnlichen
Röntgenröhre realisiert.
Bei dieser Ausführungsform
des Computertomographen 1 werden unter Belichtung des Detektors 11 mittels
der von der Strahlungsquelle 12 emittierten hochenergetischen
Strahlung R1 McV-Projektionsbilder B1, und unter Belichtung des Detektors 11 mittels
der von der Strahlungsquelle 12 emittierten hochenergetischen
Strahlung R2 keV-Projektionsbilder B2 getrennt voneinander aufgenommen
und dem Steuer- und Auswertesystem 21 zugeleitet. Das Steuer-
und Auswertesystem 21 berechnet hierbei aus den MeV-Projektionsbildern bzw.
keV-Projektionsbildern je ein zugehöriges MeV- bzw. keV-Tomogramm.
Durch Vergleich mit dem MeV-Tomogramm werden optional die Abschwächungswerte-Werte
des keV-Tomogramms in Hinblick auf Metallartefakte automatisch korrigiert.
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Bei
einer in 4 dargestellten weiteren Ausführungsform
des Computertomographen 1 bildet die zur Erzeugung niederenergetischer
Strahlung R2 vorgesehene Strahlungsquelle 22 den Strahlungserzeuger
einer eigenständigen
weiteren Bilderzeugungseinheit 23, die zur Detektion der
niederenergetischen Strahlung R2 einen weiteren Strahlungsdetektor 24 umfasst.
Die Bilderzeugungseinheiten 10 und 23 sind hierbei
derart an dem Drehwagen 6 der Gantry 3 gehalten,
dass ihre jeweiligen Strahlachsen 25 bzw. 26 in
der gemeinsamen Aufnahmeebene 16 verlaufen und zu einander
unter einem festen Winkelversatz angeordnet sind. Die Strahlachsen 25 und 26 sind
hierbei ins besondere rechtwinklig zueinander angeordnet. Die Ausführung des
Computertomographen 1 gemäß 4 hat insbesondere
den Vorteil, dass die Aufnahme von MeV-Projektionsbildern B1 mittels
der Bilderzeugungseinheit 10 und die Aufnahme von keV-Projektionsbildern
B2 mittels der Bilderzeugungseinheit 23 simultan und unabhängig voneinander
erfolgen kann.