DE102005027436B4

DE102005027436B4 - Verfahren zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten und Verfahren zur Verbesserung eines von einem Absorber abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem von einer Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild eines zu untersuchenden Objektes

Info

Publication number: DE102005027436B4
Application number: DE102005027436A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Flohr; Michael Dr. Grasruck; Karl Dr. Stierstorfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: US20060280281A1; JP2006346460A; DE102005027436A1; CN1880949A; CN1880949B

Abstract

Verfahren zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten (1, 2, 3, 4) zur Verbesserung eines von einem Absorber (13) abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem von einer Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild (14) eines zu untersuchenden Objektes (15), wobei die Röntgeneinrichtung einen energieselektiven Detektor (5) mit einer Mehrzahl von Detektorelementen (6) umfasst, der zumindest zwei Energiefenster (7, 8, 9, 10) aufweist, in denen unterschiedliche Energiebereiche einer durch das Objekt (15) tretenden Röntgenstrahlung erfasst werden, bei dem
a) ein erstes Spektrum (11) für ein erstes Referenzobjekt (16) ohne den Absorber bestimmt wird, wobei zu jedem der zwei Energiefenster des Detektors ein dem ersten Spektrum zugeordnetes Detektorausgangssignal als Maß für die Intensität der Röntgenstrahlung ermittelt wird,
b) ein zweites Spektrum (12) für ein zweites Referenzobjekt (17) mit dem Absorber (13) bestimmt wird, wobei zu jedem der zwei Energiefenster (7; 8; 9; 10) des Detektors (5) ein dem zweiten Spektrum (11) zugeordnetes Detektorausgangssignal als Maß für die...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten und ein Verfahren zur Verbesserung eines von einem Absorber abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem von einer Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild eines zu untersuchenden Objektes.
Der Kontrast zwischen verschiedenen Absorbern bzw. Substanzen eines Objektes in einem von der Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild wird dadurch hervorgerufen, dass die Substanzen unterschiedliche Absorptionseigenschaften gegenüber Röntgenstrahlung aufweisen. Bei einer medizinischen Diagnose ist es häufig notwendig eine einzige, für die Diagnose relevante Substanz, beispielsweise Knochengewebe oder ein Kontrastmittel, mit einem besonders hohen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis in dem Röntgenbild abzubilden. Die Qualität des erzeugten Röntgenbildes und der Erfolg einer Diagnose hängen in diesem Fall somit im Wesentlichen von dem erzielbaren Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis zwischen speziell einer relevanten Substanz und allen im Objekt vorhandenen übrigen Substanzen ab.
Zur Erfassung von Projektionen des Objektes, die die Grundlage für die Rekonstruktion eines Röntgenbildes darstellen, werden in der Regel energiegewichtete Detektoren eingesetzt, bei denen die zu jeder Projektion detektierten Detektorausgangssignale im Wesentlichen proportional zu der im Detektor umgesetzten Energie der Röntgenstrahlung ist. Bei derartigen Detektoren kann ein von dem Absorber abhängiges Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis in den Röntgenbildern nur durch röntgenphysikalische Maßnahmen, wie eine entsprechende Filterung, Wahl einer Röhrenspannung oder eines Röhrenstromes oder durch Wahl eines geeigneten Detektormaterials angepasst werden.
Aus der US 2004/0101087 A1 ist beispielsweise ein Tomographiegerät zum Nachweis von 3D-Strukturen bekannt, mit dem das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis zwischen unterschiedlichen Absorbern in dem rekonstruierten Röntgenbild dadurch verbessert wird, dass zu jeder Projektionsrichtung zwei Projektionen getrennt voneinander zu unterschiedlich eingestellten Röhrenspannungen erfasst und subtrahiert werden.
Die US 2004/0136491 A1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Plaquekomponenten in einem Objektbereich, das auf dem Prinzip der Basismaterialzerlegung beruht. Die gesamte Druckschrift befasst sich nicht mit der Verbesserung des Kontrastzu-Rausch-Verhältnisses in Röntgenbildern. Vielmehr wird bei dem Verfahren dieser Druckschrift ein bestimmtes Material, bspw. ein bestimmter Plaquetyp, aufgrund von Zusatzinformationen in den aufgezeichneten Röntgendaten identifiziert und ggf. quantifiziert. Hierzu wird ein Zwei-Energie-Röntgengerät eingesetzt, um aus den bei unterschiedlichen Röntgenenergien aufgezeichneten Messdaten mit Hilfe einer Look-up-Tabelle die lokale Dichte und/oder Ordnungszahl bzw. Materialzusammensetzung zu bestimmen und darauf basierend Plaque zu detektieren. Auch die DE 101 60 613 A1 offenbart ein Verfahren zur Erstellung von Röntgenbildern, aus denen die Verteilung der Materialdichte und Ordnungszahl erkennbar ist.
Die US 5 299 248 A beschreibt ein Verfahren zur Reduzierung von Artefakten bei der Computertomographie mit einem verringerten FoV (Field of View). Hierbei werden Signalanteile von Objektvolumina, die außerhalb des FoV liegen (sog. externe Volumina) herausgerechnet, um bei der Bildrekonstruktion die durch sie verursachten Artefakte zu beseitigen. Die Erkennung der Signalanteile dieser externen Volumina erfolgt durch Basismaterialzerlegung unter Nutzung von Röntgenschwächungswerten, die durch zwei unterschiedliche Röntgenenergien erhalten wurden.
Die US 4 686 695 A befasst sich mit der Röntgenbilderzeugung zur Bilddarstellung eines bestimmten Materials mit erhöhter Genauigkeit. Bei dem Verfahren dieser Druckschrift werden Röntgenaufnahmen bei zwei unterschiedlichen Energiebereichen der Röntgenstrahlung gemacht, um durch unterschiedliche Wichtung der Signale der beiden Energiebereiche eine Bilddarstellung zu erhalten, in der der Gehalt des bestimmten Materials im Objekt deutlich sichtbar ist. Die Druckschrift setzt hierbei eine gewichtete Differenz der Logarithmen der beiden Messsignale ein, wobei als Wichtungsfaktoren die Massenschwächungskoeffizienten eingesetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren für eine Röntgeneinrichtung anzugeben, mit dem die Möglichkeit gegeben ist, ein Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis in einem von einer Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild in Abhängigkeit eines Absorbers mit einfachen Mitteln zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten zur Verbesserung eines von einem Absorber abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses gemäß den Verfahrensschritten des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.
Außerdem wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Verbesserung eines von einem Absorber abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses gemäß den Verfahrensschritten des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 8 und 9.
Die Erfinder haben erkannt, dass das erzielbare Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis in Abhängigkeit eines Absorbers in einem von einer Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild durch eine von einem Energiebereich abhängige Gewichtung einer durch das Objekt tretenden Röntgenstrahlung verbessert werden kann. Durch die unterschiedliche Gewichtung der Energiebereiche der Röntgenstrahlung können insbesondere diejenigen Bereiche stärker gewichtet werden, die einen stärkeren Beitrag zum Kontrast eines relevanten Absorbers, z. B. Knochengewebe oder Iod, zu den verbleibenden Absorbern in dem Objekt, z. B. umliegendes Weichteilgewebe, liefern.
Röntgenstrahlung in unterschiedlichen Energiebereichen können dabei mittels eines energieauflösenden Detektors erfasst werden, der eine Mehrzahl von Energiefenstern aufweist. Geeignete Gewichtungskoeffizienten sind dabei auf Basis von Detektorausgangssignalen des energieauflösenden Detektors aus zwei Spektren der Röntgenstrahlung ableitbar, wobei das erste Spektrum mittels eines Objektes mit dem relevanten Absorber und das zweite Spektrum mittels eines Objektes ohne diesen relevanten Absorber gewonnen werden.
Erfindungsgemäß weist demnach das Verfahren zur Berechnung von den absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten zur Verbesserung des von einem Absorber abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in dem von der Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild des zu untersuchenden Objektes, wobei die Röntgeneinrichtung einen energieauflösenden Detektor mit einer Mehrzahl von Detektorelementen umfasst, der zumindest zwei Energiefenster aufweist, in denen unterschiedliche Energiebereiche der durch das Objekt tretenden Röntgenstrahlung erfasst werden, Verfahrensschritte auf, bei denen

a) das erste Spektrum für ein erstes Referenzobjekt ohne den Absorber bestimmt wird, wobei zu jedem der zwei Energiefenster des Detektors ein dem ersten Spektrum zugeordnetes Detektorausgangssignal ermittelt wird,
b) das zweite Spektrum für ein zweites Referenzobjekt mit dem Absorber bestimmt wird, wobei zu jedem der zwei Energiefenster des Detektors ein dem zweiten Spektrum zugeordnetes Detektorausgangssignal ermittelt wird, und bei dem
c) zu jedem Energiefenster des Detektors aus den ermittelten Detektorausgangssignalen des ersten und des zweiten Spektrums jeweils der zu dem Energiefenster des Detektors korrespondierende absorberspezifische Gewichtungskoeffizient berechnet wird.

Die absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten können somit auf einfache Weise für unterschiedliche Absorber mit einfachen Mitteln zur Verbesserung des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in dem Röntgenbild bereitgestellt werden.
Die Gewichtungskoeffizienten lassen sich wahlweise entweder experimentell aus erzeugten Spektren der beiden Referenzobjekte ohne großen numerischen Aufwand oder mittels einer Simulation bestimmen. In beiden Fällen findet die Berechnung der Gewichtungskoeffizienten auf Basis der für die beiden Spektren ermittelten Detektorausgangssignale zu den unterschiedlichen Energiefenstern des Detektors statt.
Im Falle einer Simulation wird zunächst das von einer Röntgenquelle erzeugte Spektrum der Röntgenstrahlung auf Basis eines numerischen Modells ermittelt, dann das Spektrum der Röntgenstrahlung nach Durchtritt durch das Referenzobjekt unter Berücksichtigung der Absorptionseigenschaften berechnet und anschließend die zu dem so berechneten Spektrum der Röntgenstrahlung die Detektorausgangssignale in den unterschiedlichen Energiefenster unter Berücksichtung der entsprechenden Antwortfunktionen des Detektors simuliert.
Durch das Bereitstellen von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten kann ein von dem Absorber abhängiges Kontrastzu-Rausch-Verhältnis mit einer hohen Flexibilität bezüglich eines für die Diagnose relevanten Kontrastes verbessert werden.
Neben der hohen Flexibilität bezüglich einer speziellen medizinischen Fragestellung, bei der eine Visualisierung eines bestimmten Absorbers, z. B. Knochengewebe oder Kontrastmittel, in einem Röntgenbild erforderlich ist, wird durch die Bereitstellung der absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten ein vorgegebenes Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu einem herkömmlich gewonnenen Röntgenbild bei einer geringeren Röntgendosis erzielt, so dass das Objekt, beispielsweise ein Patient, bei der Diagnose einer geringeren Strahlenbelastung ausgesetzt ist.
Die absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten werden vorzugsweise nach folgender Rechenvorschrift berechnet: wk = (n1k – n2k)/(n1k + n2k),wobei k ein Index zur Unterscheidung der Energiefenster ist, wk den absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten des Energiefensters k darstellt, n1k das Detektorausgangssignal des ersten Spektrums für das Energiefenster k und n2k das Detektorausgangssignal des zweiten Spektrums für das Energiefenster k angibt.
Eine derartige Rechenvorschrift gewährleistet, dass ein Gewichtungskoeffizient umso größer ist, je größer die Differenz der Spektren der beiden Referenzobjekte in dem entsprechenden Energiefenster des Detektors ist bzw. je größer der Beitrag des Energiebereichs der Röntgenstrahlung zu dem Kontrast zwischen dem für die Untersuchung relevanten Absorber und den verbleibenden Absorbern ist.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung werden die absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten aus einer Datenbank geladen, so dass sich das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis in dem Röntgenbild in Abhängigkeit der medizinischen Fragestellung in Hinblick auf einen beliebigen Absorber dynamisch anpassen lässt. So wäre es beispielsweise denkbar, dass auf Basis ein und derselben Detektorausgangssignale Röntgenbilder nacheinander erzeugt werden, in denen der Kontrast für unterschiedliche Absorber verbessert ist. Zur Untersuchung von Knochenstrukturen weist der Absorber vorzugsweise eine Schwächungseigenschaft von Knochen auf. In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung kann der Absorber durch dynami schen Umschalten der aborberspezifischen Gewichtungskoeffizienten aber auch die Schwächungseigenschaft von Iod aufweisen, so dass die Verteilung eines Kontrastmittels im Körperinneren analysiert werden kann.
Eine zeitgleiche Erfassung von Detektorausgangssignalen in mehreren Energiefenstern ist auf einfache Weise mittels eines zählenden Halbleiterdetektors möglich.
Die berechneten aborberspezifischen Gewichtungskoeffizienten können erfindungsgemäß für ein Verfahren zur Verbesserung des von dem Absorber abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem von der Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild des zu untersuchenden Objektes eingesetzt werden, wobei die Röntgeneinrichtung den energieauflösenden Detektor mit einer Mehrzahl von Detektorelementen umfasst, der zumindest zwei Energiefenster aufweist, in denen unterschiedliche Energiebereiche einer durch das Objekt tretenden Röntgenstrahlung erfasst werden, bei dem

a) zu jedem Detektorelement für die zumindest zwei unterschiedlichen Energiefenster des Detektors jeweils ein Detektorausgangssignal als Maß für die Intensität der Röntgenstrahlung in dem entsprechenden Energiebereich erfasst wird,
b) die dem jeweiligen Detektorelement zugeordneten Detektorausgangssignale der zwei unterschiedlichen Energiefenster mit absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten gewichtet und aufsummiert werden, so dass zu jedem Detektorelement ein korrigiertes Detektorausgangssignal entsteht und bei dem
c) die korrigierten Detektorsausgangssignale zu einem Röntgenbild verrechnet werden, in dem ein von dem Absorber abhängiges Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis verbessert ist.

Durch eine einfache Gewichtung der erfassten Detektorausgangssignale des energieauflösenden Detektors kann somit, wie schon erwähnt, mit einer hohen Flexibilität bezüglich eines für die Diagnose relevanten Kontrastes ein von dem Absorber abhängiges Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
Neben der hohen Flexibilität bezüglich einer speziellen medizinischen Fragestellung, bei der eine Visualisierung eines bestimmten Absorbers in einem Röntgenbild erforderlich ist, wird, wie ebenfalls schon behandelt, ein vorgegebenes Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu einem herkömmlich gewonnenen Röntgenbild bei einer geringeren Röntgendosis erreicht, so dass das Objekt, beispielsweise ein Patient, einer geringeren Strahlenbelastung ausgesetzt ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen sind in den folgenden schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 eine Röntgeneinrichtung, welche zur Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten und zur Verbesserung des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem Röntgenbild geeignet ist, in einer perspektivischen Ansicht,
2 zwei zur Berechnung der absorperspezifischen Gewichtungskoeffizienten verwendete Spektren von einem ersten Referenzobjekt ohne Absorber und einem zweiten Referenzobjekt mit einem Absorber in Form von Iod,
3 Antwortfunktionen verschiedener Energiefenster eines quantenzählenden Detektors als Funktion einer Quantenenergie einer Röntgenstrahlung in skizzierter Form,
4 das erste und das zweite Spektrum des ersten und zweiten Referenzobjektes zusammen mit den zu den verschiedenen Energiefenstern ermittelten absorber spezifischen Gewichtungskoeffizienten in einem Diagramm,
5 Vergleich der Signalantwort des Detektors für die beiden Spektren der Referenzobjekte vor und nach einer Gewichtung,
6 ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten in skizzierter Form,
7 ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung eines Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in skizzierter Form.
In 1 ist eine Röntgeneinrichtung, hier in Form eines Computertomographiegerätes 19, in perspektivischer Ansicht gezeigt, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 und zur Verbesserung des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem Röntgenbild 14 geeignet ist. Das Computertomographiegerät 19 umfasst im Wesentlichen eine Röntgenquelle 20 in Form einer Röntgenröhre 1, einen energieauflösenden Detektor 5, welcher in einem Detektorarray zu Spalten und zu Zeilen angeordnete Detektorelemente 6 aufweist, wobei nur eines davon mit einem Bezugszeichen versehen ist, Rechenmittel 21 zur Berechnung der absorptionsspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 und zur Verbesserung des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses und eine Anzeigeeinheit 22 zur Anzeige des erzeugten Röntgenbildes 14. Die von der Röntgenquelle 20 in Form einer Röntgenröhre erzeugte Röntgenstrahlung wird durch einen vorgebbaren Eingangswert in Form eines Röhrenstroms eingestellt.
Die Röntgenröhre 10 und der Detektor 5 sind Teil eines Aufnahmesystems und sind an einem Drehrahmen 23 einander derart gegenüberliegend angebracht, dass im Betrieb des Computertomographiegerätes 19 ein von einem Fokus der Röntgenröhre 20 ausgehendes und durch Randstrahlen begrenztes Röntgenstrahlenbündel auf den Detektor 5 auftrifft.
Der Drehrahmen 23 kann mittels einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung um eine Drehachse 24 in Rotation versetzt werden. Die Drehachse 24 verläuft dabei parallel zur z-Achse eines in 1 dargestellten räumlichen rechtwinkligen Koordinatensystems. Für ein auf einem Messtisch 25 befindliches Objekt 15, beispielsweise eines Patienten, können auf diese Weise Projektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen bzw. Drehwinkelpositionen des Aufnahmesystems zur Rekonstruktion eines Volumenbildes angefertigt werden.
Mittels eines von der Recheneinheit 21 eingestellten und von einem Generator umgesetzten Röhrenstroms wird durch die Röntgenröhre 20 ein für die Röntgenröhre charakteristisches Spektrum der Röntgenstrahlung erzeugt, die ein im Messbereich positioniertes Objekt 15 durchstrahlt und von diesem teilweise absorbiert wird und die anschließend auf die Detektorelemente 6 des energieselektiven Detektors 5 trifft.
Die absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 sind aus einer Datenbank 26 dynamisch ladbar, so dass in Abhängigkeit der durchzuführenden Untersuchung ein Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis speziell für einen bestimmten Absorber 13 verbesserbar ist. In 1 sind darüber hinaus beispielhaft zwei verschiedene Referenzobjekte 16, 17 dargestellt, mittels derer die absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 ermittelt werden können.
2 zeigt beispielhaft zwei Spektren 11, 12 einer durch ein Objekt 15 tretenden und auf den Detektor 5 auftreffenden Röntgenstrahlung für die zwei unterschiedlichen Referenzobjekte 16, 17, die zur Berechnung der absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 verwendet werden, bei einer eingestellten Röhrenspannung von 120 kV, wobei entlang der x-Achse die Energie der Röntgenstrahlung in Einheiten von keV und entlang der y-Achse die Intensität der Röntgenstrahlung als Anzahl der eintreffenden Röntgenquanten aufgetragen ist.
Die dünne Line kennzeichnet das dem ersten Referenzobjekt 16 zugeordnete Spektrum, welches die allgemeinen Absorptionseigenschaften des zu untersuchenden Objektes 15 aufweist. In diesem Beispiel werden die Absorptionseigenschaften des zu untersuchenden Objektes 15 durch eine 200 mm dicke Schicht Wasser und einer 3 mm dicken Schicht Aluminium nachgebildet. Die dicke Linie in 2 kennzeichnet hingegen das dem zweiten Referenzobjekt 17 zugeordnete Spektrum, welchen zusätzlich zu den allgemeinen Absorptionseigenschaften des Objektes 15 die Absorptionseigenschaft des relevanten Absorbers 13 aufweist, der mit einem hohen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis in dem Röntgenbild 14 abgebildet werden soll.
In diesem Ausführungsbeispiel soll beispielhaft zur Untersuchung einer Verteilung eines Kontrastmittels in dem Objekt 15 ein besonders guter Kontrast zwischen einem Absorber 13 in Form von Iod und dem Objektes 15 in dem Röntgenbild 14 erzeugt werden. Das zweite Referenzobjekt 17 enthält aus diesem Grund zusätzlich zu den Substanzen des ersten Referenzkörpers 0.03 g/cm³ Iod. Iod besitzt in dem Zusammenhang des Ausführungsbeispiels nur beispielhaften Charakter. Absorptionsspezifische Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 zur Verbesserung eines Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses können grundsätzlich für beliebig andere Substanzen ermittelt werden.
Prinzipiell wird der in einem Röntgenbild 14 sichtbare Kontrast zwischen dem Absorber 13 und dem Objekt 15 umso größer, je größer die Differenz der Intensität der Röntgenstrahlung ist. Wie aus 2 entnehmbar, ist die Differenz der Intensität der Röntgenstrahlung zwischen den beiden Spektren 11, 12 der Referenzobjekte 16, 17 von der Energie der Röntgenstrahlung abhängig. Oberhalb einer Energie der Röntgenstrahlung von etwa 100 keV gleichen sich die beiden Spektren 11, 12 immer stärker an, während in einem Energieintervall zwischen 40 keV bis 60 keV eine erhebliche Differenz der Röntgenstrahlung beobachtet werden kann.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei einer entsprechenden Gewichtung von Detektorausgangssignalen, die die Intensität der Röntgenstrahlung in unterschiedlichen Energiebereichen repräsentieren, die Möglichkeit besteht, das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis in einem Röntgenbild 14 dadurch zu verbessern, dass Energiebereiche der Röntgenstrahlung mit einer hohen Differenz zwischen dem Spektrum des Objektes und dem Spektrum des Absorbers stärker berücksichtigt werden als Energiebereiche mit nur einer geringen Differenz.
Detektorausgangssignale zu unterschiedlichen Energiebereichen der Röntgenstrahlung sind zum Beispiel mittels eines energieselektiven Detektors 5 erfassbar, der eine Mehrzahl von Energiefenstern 7, 8, 9, 10 aufweist.
Der in diesem Ausführungsbeispiel eingesetzte Detektor 5 ist ein Halbleiterdetektor mit vier unterschiedlichen Energiefenstern 7, 8, 9, 10, in denen jeweils die Intensität der Röntgenstrahlung eines bestimmten Energiebereichs erfasst wird. Die vier Energiefenster 7, 8, 9, 10 des beispielsweise auf Gadolinium basierenden Halbleiterdetektors können von vier hintereinander angeordneten Detektorebenen gebildet werden, wobei zur Reduktion der Energie der Röntgenstrahlung zwischen den Ebenen jeweils ein Absorptionsfilter in Form eines Kupfer-Filters angeordnet ist. Zu jedem Detektorelement 6 sind auf diese Weise vier Detektorausgangssignale erzeugbar, die die Intensität der Röntgenstrahlung zu unterschiedlichen Energiebereichen darstellen. Es wäre jedoch ebenso denkbar einen Halbleiterdetektor einzusetzen, der aufgrund einer sehr hohen Zeitauflösung jedes Einzelereignis registriert, so dass die Energie jedes eintreffenden Röntgenquants bestimmt werden kann.
In 3 sind die Antwortfunktionen 27, 28, 29, 30 eines quantenzählenden Halbleiterdetektors als Funktion einer Quanten energie der Röntgenstrahlung gezeigt, der insgesamt vier Energiefenster 7, 8, 9, 10 aufweist, wobei entlang der x-Achse die Quantenenergie der Röntgenstrahlung in Einheiten von keV und entlang der y-Achse das Signal pro auftreffendes Quant der Röntgenstrahlung aufgetragen ist. Die Energieschwellen, bei denen zu einem Energiefenster im Wesentlichen kein Signal erzeugt wird, liegen bei 50, 70, 90 und 120 keV, können sich aber in Abhängigkeit des eingesetzten Detektors 5 erheblich von diesen Werten unterscheiden. Es fällt auf, dass die Antwortfunktionen 27, 28, 29, 30 der einzelnen Energiefenster 7, 8, 9, 10 oberhalb der Schwellenergie nicht vollständig auf Null abfallen. Dies lässt sich damit begründen, dass aufgrund von Wechselwirkungen der Röntgenquanten mit den Atomen des Halbleitermaterials des Detektors 5 die in dem Detektor 5 umgesetzte Energie unter die entsprechende Energieschwelle eines Energiefensters 7; 8; 9; 10 abfallen kann. Dieser Sachverhalt, der auch als K-Escape bezeichnet wird, spielt jedoch bei den erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr untergeordnete Rolle und muss nicht weiter berücksichtigt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel werden also zu jedem Detektorelement 6 zu einem vorgegebenen Spektrum 11; 12 der Röntgenstrahlung vier Detektorausgangssignale erfasst, die die Intensität der Röntgenstrahlen in unterschiedlichen, im Wesentlichen aneinandergrenzenden Energiebereichen darstellen. Zur Verbesserung des in einem Röntgenbild 14 erzielbaren Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses für einen speziellen Absorber 13 sind geeignete absorberspezifische Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 zu bestimmen, mit denen die Detektorausgangssignale gewichtet und anschließend aufsummiert werden.
In dem Folgenden wird ein mathematischer Zusammenhang angegeben, mit dem auf der Grundlage des ersten Spektrums 11 des ersten Referenzobjektes 16 ohne den Absorber und des zweiten Spektrums 12 mit dem Absorber 17 unter Berücksichtung der Antwortfunktionen 27, 28, 29, 30 des Detektors 5 geeignete absorberspezifische Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 ermittelt werden können.
Das Detektorausgangssignal nik für das Energiefenster k mit der Antwortfunktion Dk zu dem Spektrum Si der Röntgenstrahlung berechnet sich nach der folgenden Gleichung: nik = ∫Si(E)Dk(E)dE (1),wobei nik das Detektorausgangssignal, Si das Spektrum des i-ten Referenzobjektes, Dk die Antwortfunktion des k-ten Energiefensters und E die Energie der Röntgenstrahlung ist.
Aus einer noch zu ermittelnden Gewichtung der Detektorausgangssignale eines Detektorelementes ergibt sich ganz allgemein ein korrigiertes Detektorausgangssignal Ni: Ni = Σ kwk·nik (2),wobei Ni das korrigierte Detektorausgangssignal des i-ten Referenzobjektes, wk der noch zu ermittelnde absorberspezifische Gewichtungskoeffizient des Energiefensters k und nik das Detektorausgangssignal des i-ten Referenzobjektes zum Energiefenster k ist.
Bei einem quantenzählenden Detektor lässt sich das Rauschen aus der Wurzel der detektierten Quanten gemäß der folgenden Gleichung berechnen: σ2ik = nik (3),wobei σik das Rauschen des Detektorausgangssignals und nik das Detektorausgangssignal des i-ten Spektrums zum Energiefenster k ist.
Damit lässt sich aus den beiden korrigierten Signalen zu den beiden Spektren des Referenzobjektes das folgende Kontrastzu-Rausch-Verhältnis angeben:
CNR das zu maximierende Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis eines speziellen Absorbers, N1 bzw. N2 das korrigierte Detektorausgangssignal zum ersten bzw. zweiten Referenzobjekt, σ1k bzw. σ2k das Rauschen des Detektorausgangssignals zu dem ersten bzw. zweiten Referenzobjekt für das Energiefenster k, nik bzw. n2k das Detektorausgangssignal des ersten bzw. zweiten Spektrums zum Energiefenster k und wk der gesuchte absorberspezifische Gewichtungskoeffizient zum Energiefenster k ist. Der Nenner aus Gleichung (4) errechnet sich dabei aus der Gaußschen Fehlerfortpflanzungsformel unter Verwendung der Gleichungen (2) und (3).
Die zur Verbesserung des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses geeigneten absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten lassen sich nach einem an sich bekannten Optimierungsverfahren, beispielsweise auf Basis einer ersten partiellen Ableitung nach den gesuchten Gewichtungskoeffizienten bestimmen und führen zu dem folgenden Ergebnis:
Die absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 sind also auf einfache Weise getrennt für jedes Energiefenster 7; 8; 9; 10, ohne großen numerischen Aufwand, aus den Detektorausgangssignalen berechenbar, die zu den beiden Referenzobjekten 16, 17 mit und ohne den Absorber 13 ermittelt wurden. Dabei ist es unerheblich, ob die Detektorausgangssignale experimentellen durch Bestrahlen entsprechend vorbereiteter Referenzobjekte 16, 17 oder mittels einer Simulation gewonnen wurden.
Eine Berechnung der absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 nach Gleichung (5) führt für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel auf das folgende Ergebnis:
w1 = 0.45, w2 = 0.31, w3 = 0.16 und w4 = 0.08.
Durch eine gewichtete Summation der Detektorausgangssignale pro Detektorelement kann somit das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis deutlich verbessert werden. In diesem Fall wird ein um 24% verbessertes Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu einem Röntgenbild 14 erzielt, dass auf der Grundlage konstanter Gewichtungskoeffizienten ermittelt wurde, was eine Dosisreduktion um 24% erlauben würde.
In 4 sind die ermittelten absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 der verschiedenen Energiefenster 7, 8, 9, 10 des Detektors 5 zusammen mit den beiden Spektren 11, 12 der Referenzobjekte 16, 17 in ein Diagramm eingetragen, wobei in x-Richtung die unterschiedlichen Energiefenster 7, 8, 9, 10 und in y-Richtung der Betrag des Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 aufgetragen ist. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, ist der absorberspezifische Gewichtungskoeffizient 1; 2; 3; 4 für ein Energiefenster 7; 8; 9; 10 des Detektors 5 umso größer, je größer die Differenz der beiden Spektren 11, 12 in dem Energiefenster 7; 8; 9; 10 bzw. je größer der Beitrag des entsprechenden Energiefensters 7; 8; 9; 10 zu dem vom Absorber 13 abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis ist.
5 zeigt beispielhaft wie sich eine nach dem eben beschriebenen Vorgehen vorgenommene Gewichtung der Signalantwort des Detektors auswirkt. Die Koordinatenachsen sind in einer zu 2 entsprechenden Weise vorgenommen worden. Die unterschiedlich gekennzeichneten Linienzüge repräsentieren jeweils eine Signalantwort des Detektors zu einem bestimmten Energiefensters 7; 8; 9; 10 in Abhängigkeit des jeweiligen Spektrums 11; 12. Wie aus den beiden Grafiken G1 und G2 zu erkennen ist, werden durch die Gewichtung der Signalantwort in den unterschiedlichen Energiefenstern 7; 8; 9; 10 des Detektors 5 mit den absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 wk diejenigen Energiebereiche stärker bewertet, die einen stärkeren Beitrag zu dem von dem Absorber 13 abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis leisten. Ein hoher Beitrag zu dem Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis eines Energiebereichs ist nämlich immer dann gegeben, wenn die Differenz der Signalantworten zwischen den beiden Spektren 11, 12 für einen Energiebereich besonders hoch ist.
In 6 ist zusammenfassend zu dem eben Gesagten das Verfahren zur Berechnung der absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 für den Fall in Form eines Blockdiagramms dargestellt, bei dem der energieselektive Detektor 5 zwei Energiefenster aufweist:
Bei dem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt A ein erstes Spektrum für ein erstes Referenzobjekt ohne den Absorber bestimmt und zu jedem der zwei Energiefenster des Detektors ein dem ersten Spektrum zugeordnetes Detektorausgangssignal ermittelt,
in einem Verfahrensschritt B ein zweites Spektrum für ein zweites Referenzobjekt mit dem Absorber bestimmt und zu jedem der zwei Energiefenster des Detektors ein dem ersten Spektrum zugeordnetes Detektorausgangssignal ermittelt, und
in einem abschließenden Verfahrensschritt C zu jedem Energiefenster des Detektors aus den ermittelten Detektorausgangssignalen des ersten und des zweiten Spektrums jeweils der zu dem Energiefenster des Detektors korrespondierende absorberspezifische Gewichtungskoeffizient berechnet.
Absorberspezifische Gewichtungskoeffizienten können für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Substanzen ermittelt und in einer der Röntgeneinrichtung zugeordneten Datenbank 26 gespeichert und bei Bedarf dynamisch aus dem Speicher zur Berechnung eines Röntgenbildes gelesen werden, in welchem das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis zu einem entsprechenden Absorber verbessert werden soll.
In 7 ist in blockschaltartiger Weise das Verfahren zur Verbesserung des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem Röntgenbild für den Fall dargestellt, bei dem der Detektor zwei Energiefenster aufweist. Das Verfahren umfasst einen Verfahrensschritt A, bei dem zu jedem Detektorelement für die zumindest zwei unterschiedlichen Energiefenster des Detektors jeweils ein Detektorausgangssignal als Maß für die Intensität der Röntgenstrahlung in dem entsprechenden Energiebereich erfasst wird, einen Verfahrensschritt B, bei dem die dem jeweiligen Detektorelement zugeordneten Detektorausgangssignale der zwei unterschiedlichen Energiefenster mit absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten gewichtet und aufsummiert werden, so dass zu jedem Detektorelement ein korrigiertes Detektorausgangssignal entsteht und einen abschließenden Verfahrensschritt C, bei dem die korrigierten Detektorsausgangssignale zu einem Röntgenbild verrechnet werden, in dem ein von dem Absorber abhängiges Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis verbessert ist.
Der Erfindungsgrundgedanke kann wie folgt zusammengefasst werden:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten 1, 2, 3, 4 und ein Verfahren zur Verbesserung eines von einem Absorber 13 abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem von einer Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild 14 eines zu untersuchenden Objektes 15, wobei die Möglichkeit geschaffen wird, durch eine gewichtete Summation von Detektorausgangsignalen aus unterschiedlichen Energiefenstern 7, 8, 9, 10 eines energieselektiven Detektors 5 das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis mit einfachen Mitteln in Abhängigkeit des Absorbers 13 zu verbessern.

Claims

Verfahren zur Berechnung von absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten (1, 2, 3, 4) zur Verbesserung eines von einem Absorber (13) abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem von einer Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild (14) eines zu untersuchenden Objektes (15), wobei die Röntgeneinrichtung einen energieselektiven Detektor (5) mit einer Mehrzahl von Detektorelementen (6) umfasst, der zumindest zwei Energiefenster (7, 8, 9, 10) aufweist, in denen unterschiedliche Energiebereiche einer durch das Objekt (15) tretenden Röntgenstrahlung erfasst werden, bei dem a) ein erstes Spektrum (11) für ein erstes Referenzobjekt (16) ohne den Absorber bestimmt wird, wobei zu jedem der zwei Energiefenster des Detektors ein dem ersten Spektrum zugeordnetes Detektorausgangssignal als Maß für die Intensität der Röntgenstrahlung ermittelt wird, b) ein zweites Spektrum (12) für ein zweites Referenzobjekt (17) mit dem Absorber (13) bestimmt wird, wobei zu jedem der zwei Energiefenster (7; 8; 9; 10) des Detektors (5) ein dem zweiten Spektrum (11) zugeordnetes Detektorausgangssignal als Maß für die Intensität der Röntgenstrahlung ermittelt wird, und bei dem c) zu jedem Energiefenster (7; 8; 9; 10) des Detektors (5) aus den ermittelten Detektorausgangssignalen des ersten und des zweiten Spektrums (11, 12) jeweils der zu dem Energiefenster (7; 8; 9; 10) des Detektors (5) korrespondierende absorberspezifische Gewichtungskoeffizient (1; 2; 3; 4) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der absorberspezifische Gewichtungskoeffizient (1; 2; 3; 4) nach folgender Rechenvorschrift berechnet wird: wk = (n1k – n2k)/(n1k + n2k),wobei k ein Index zur Unterscheidung der Energiefenster (7, 8, 9, 10) ist, wk den absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten des Energiefensters k darstellt, n1k das Detektorausgangssignal des ersten Spektrums (11) für das Energiefenster k und n2k das Detektorausgangssignaldes zweiten Spektrums (12) für das Energiefenster k angibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der verwendete Absorber (13) eine Schwächungseigenschaft von Knochen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der verwendete Absorber (13) eine Schwächungseigenschaft von Iod aufweist.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 4, wobei der zu Erfassung der Detektorausgangssignale eingesetzte energieselektive Detektor (5) ein zählender Halbleiterdetektor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die verwendete Röntgeneinrichtung ein Computertomographiegerät (19) ist.
Verfahren zur Verbesserung eines von einem Absorber (13) abhängigen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses in einem von einer Röntgeneinrichtung erzeugten Röntgenbild (14) eines zu untersuchenden Objektes (15), wobei die Röntgeneinrichtung einen energieselektiven Detektor (5) mit einer Mehrzahl von Detektorelementen (6) umfasst, der zumindest zwei Energiefenster (7, 8, 9, 10) aufweist, in denen unterschiedliche Energiebereiche einer durch das Objekt (15) tretenden Röntgenstrahlung erfasst werden, bei dem a) zu jedem Detektorelement (6) für die zumindest zwei unterschiedlichen Energiefenster (7, 8, 9, 10) des Detektors (5) jeweils ein Detektorausgangssignal als Maß für die In tensität der Röntgenstrahlung in dem entsprechenden Energiebereich erfasst wird, b) die dem jeweiligen Detektorelement (6) zugeordneten Detektorausgangssignale der zwei unterschiedlichen Energiefenster (7, 8, 9, 10) mit absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten (1, 2, 3, 4) gewichtet und aufsummiert werden, so dass zu jedem Detektorelement (6) ein korrigiertes Detektorausgangssignal entsteht und bei dem c) die korrigierten Detektorsausgangssignale zu einem Röntgenbild (14) verrechnet werden, in dem ein von dem Absorber (13) abhängiges Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis verbessert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten (1, 2, 3, 4) nach einem Verfahren gemäß eines der Ansprüche 1 bis 6 berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die absorberspezifischen Gewichtungskoeffizienten (7, 8, 9, 10) aus einer Datenbank (18) geladen werden.