DE102005031893A1

DE102005031893A1 - Verfahren zur Fokusjustage in einem CT

Info

Publication number: DE102005031893A1
Application number: DE102005031893A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Bruder; Martin Dr. Petersilka; Karl Dr. Stierstorfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-01-18
Also published as: US7277522B2; CN1895172A; JP2007014783A; US20070023713A1

Abstract

Die Erfindung zeigt ein Verfahren zur nicht-iterativen Fokusjustage in einem CT (1), wobei durch eine minimale Anzahl von Sinugramm-Aufnahmen die Lage des Zentralstrahls in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Fokus und die richtige Phase (Ð) zwischen der Detektorabtastfrequenz (f¶D¶) und der Fokusspringfrequenz (f¶F¶) berechnet und entsprechend vorgegebener Werte ohne iterative Schritte justiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fokusjustage in einem CT mit mindestens einer um eine Systemachse rotierenden Röntgenröhre mit einem Springfokus und einem der mindestens einen Röntgenröhre gegenüberliegenden Mehrzeilendetektor mit einer Vielzahl von Detektorelementen, wobei der Fokus mit einer bestimmten Fokusspringfrequenz auf einer Anode seine Position in einer Dimension oder in zwei Dimensionen ändert, mit einer bestimmten Detektorabtastfrequenz die ausgegebenen Signale der Detektorelemente des Detektors integriert werden, wobei die Fokusspringfrequenz gleich der Detektorabtastfrequenz sind und die angesprungenen Fokuspositionen und der Phasenverschiebung zwischen der Fokusspringfrequenz und der Detektorabtastfrequenz eingestellt wird.

Es ist es allgemein bekannt, dass zur Verbesserung der räumlichen Auflösung eines CT-Gerätes ein Springfokus-Mechanismus verwendet werden kann. Dabei wird durch ein magnetisches Ablenksystem in der Röntgenröhre der strahlungserzeugende Elektronenstrahl derart beeinflusst, dass mit einer bestimmten Springfokusfrequenz mehrere Positionen auf der Anode angesprungen werden und damit jedes Detektorelement entsprechend aus unterschiedlichen Strahlrichtungen angestrahlt und damit projektionsweise mehrfach bestrahlt wird. Entsprechend erfolgt eine Abtastung der Detektorsignale mit einer Frequenz, die sich aus der Anzahl der Projektionen je Umdrehung der Gantry, der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Anzahl der unterschiedlichen Springfokuspositionen ergibt. Geschieht die Abtastung mit geeignet verschobenem Schwerpunkt des Röntgenfokus, so lässt sich so die wirksame Abtastrate vervielfachen und damit die Auflösung und Qualität der CT-Untersuchung verbessern.

Die Fokusablenkung kann sowohl in axialer Richtung (= Z-Richtung = Systemachsenrichtung) als auch in transaxialer Richtung (= φ-Richtung = Umfangsrichtung = azimutaler Richtung) oder in Kombinationen von beiden Richtungen durchgeführt werden. In jedem Fall ist es erforderlich, den Phasenbezug zwischen der Ablenkungsbewegung des Fokus (=Fokusspringfrequenz) und der Frequenz der Datenakquisition (=Detektorabtastfrequenz), die Ablenkungsdifferenz in den Springfokuspositionen und die absolute Fokuslage auf der Anode (Fokusoffset) zu bestimmen.

So gelingt beispielsweise durch richtige Wahl der Auslenkung des Springfokus (=Fokusoffset) in azimutaler Richtung auf zwei Positionen, entsprechend dem sogenannten Fokusalignment im Drehzentrum der Gantry, in Verbindung mit einem azimutalen Springfokus eine 4-fach Abtastung der Detektorpixel im Drehzentrum und dem an sich bekannten ¼-Versatz der Detektorelemente. Somit wird eine 4-fach höhere Übertragungsfrequenz des Abbildungssystems (=Fokus/Detektor-System) ermöglicht.

Hierfür ist es notwendig, das Alignment der Springfokuspositionen und die Phasenverschiebung zwischen der Fokusspringfrequenz und der Detektorabtastfrequenz sorgfältig abzustimmen. Grundsätzlich lassen sich diese Größen aus CT-Scans mit Kreisabtastung und einem geeigneten Phantom im Springfokusbetrieb ermitteln. Als Phantom eignet sich eine exzentrisch gelagerte, stark schwächende kleine Kugel oder – falls der Springfokus nur in azimutaler Richtung springt – ein kleiner Zylinder. Zur Zeit wird diese Abstimmung durch iteratives Herantasten an die optimale Ablenkung des Fokus und die optimale Phase mit vielfachen Messungen und zwischenzeitliche Auswertungen vorgenommen.

Derartige iterative Verfahren sind sehr zeit- und kostenaufwendig und sollen daher vereinfacht und abgekürzt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Fokusjustage in einem CT-Gerät mit Springfokus zu finden, welches mit einem Minimum an Mess- und Zeitaufwand auskommt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.

Die Erfinder haben erkannt, dass es mit der Aufnahme einer geringen Anzahl an Sinugrammen eines Phantoms mit unterschiedlichen Parametern bezüglich der Position des Fokus und der Phase zwischen der Detektorabtastfrequenz und der Fokusspringfrequenz möglich ist, die richtigen Korrekturwerte für die angesprungenen Fokuspositionen und die Phaseneinstellung direkt und ohne iteratives Verfahren zu ermitteln.

Demgemäß schlagen die Erfinder ein Verfahren zur nichtiterativen Fokusjustage in einem CT mit mindestens einer um eine Systemachse rotierende Röntgenröhre mit einem Springfokus und einem der mindestens einen Röntgenröhre gegenüberliegenden Mehrzeilendetektor mit einer Vielzahl von Detektorelementen vor, wobei der Fokus mit einer bestimmten Fokusspringfrequenz auf einer Anode seine Position in einer Dimension oder in zwei Dimensionen ändert, mit einer bestimmten Detektorabtastfrequenz die ausgegebenen Signale der Detektorelemente des Detektors integriert werden, die Fokusspringfrequenz gleich der Detektorabtastfrequenz ist, und bei dem mindestens drei Sinugramme eines kugel- oder zylinderförmigen Absorbers bei während der Aufnahme alternierenden Positionen des Fokus in einer Dimension oder mindestens fünf Sinugramme eines kugel- oder zylinderförmigen Absorbers bei während der Aufnahme alternierenden Positionen des Fokus in zwei Dimensionen mit unterschiedlichen Parametern bezüglich der Position des Fokus und der Phase zwischen der Detektorabtastfrequenz und der Fokusspringfrequenz aufgenommen werden, und weiterhin aus den aufgenommenen Sinugrammen die Lage des Zentralstrahls in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Fokus berechnet und die richtige Phase zwischen der Detektorabtastfrequenz und der Fokusspringfrequenz bestimmt und entsprechend vorgegebener Werte ohne iterative Schritte justiert wird.

Die angegebenen Mindestwerte an gemessenen Sinugrammen stellen die mathematisch notwendigen Mindestwerte dar, die zur exakten Berechnung notwendig sind, wobei im Bereich der Messwerte lineare Verhältnisse vorliegen müssen. Im Rahmen der Erfindung liegt es jedoch auch, wenn eine größere Anzahl von Messungen durchgeführt werden, die eine Verbesserung der Genauigkeit erzeugen, ohne jedoch ein iteratives Verfahren durchzuführen. Das heißt, es werden alle Messungen mit gleichen Bedingungen, also gleichem Fokusoffset, durchgeführt und zwischen den Messungen erfolgt keine Justierung des Fokusoffsets und keiner Annäherung an eine ausgewählte Phase.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Messergebnisse ergänzt werden, indem durch Skalierung mit der Fokusauslenkung und Interpolation die zur Bestimmung der gewünschten Fokuspositionen und Phase erforderlichen Fokusauslenkungen ermittelt werden.

Dabei kann zur Skalierung der Fokusauslenkung in einer Dimension die folgende Formel verwendet werden:

wobei Θ₁ und Θ₂ die Alignments der ersten und zweiten Fokusposition sind, τ_i der Phase zwischen der Detektorabtastfrequenz f_D und Fokusspringfrequenz f_F entspricht, ρ_k einem der Fokusablenkung proportionalen Wert, vorzugsweise einem Ablenkstrom, entspricht und die Alignments Θ₁ und Θ₂ gemäß der Formel

aus den Sinugrammen der jeweiligen Fokusposition berechnet werden, wobei β(α) der Schwerpunktslinie der Absorption des Absorbers im Sinugramm und α dem Projektionswinkel entspricht.

Es kann vorteilhaft aus dem Zusammenspiel zwischen einem eingestellten Detektoroffset und den eingestellten Fokuspositionen eine äquidistante Überabtastung der Detektorkanäle erreicht werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Fokuspositionen und die Phase zwischen der Detektorabtastfrequenz und der Fokusspringfrequenz durch Interpolation über eine trapezförmige Zeitfunktion ermittelt werden.

Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Bestimmung von Phase, Amplitude und Offsets der dynamischen Fokusablenkung vorgeschlagen, das nicht-iterativ ist. Daher ist zu erwarten, dass die Fokus-Alignment-Justage wesentlich beschleunigt werden kann. Durch geeignete Festlegung von unterschiedlichen Werten für die Phase, Ablenkamplitude und Fokusoffset können somit die optimalen Werte aus sequentiellen Messungen mit geeignetem Phantom berechnet werden.

Zur Erklärung der Erfindung wird an Hand der Figuren die Situation einer Abtastung eines Objektes durch ein CT mit Springfokus beschrieben, wobei ohne Einschränkung der Allgemeinheit zunächst nur ein Springfokus mit zwei unterschiedlichen Fokuspositionen in azimutaler Richtung und anschließend eine Erweiterung des Springfokus in Systemachsenrichtung gezeigt wird. In den Figuren sind nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt. Hierbei werden die folgenden Bezugszeichen verwendet: 1: CT (Computertomograph); 2: Röntgenröhre; 2.x: Fokuspositionen; 3: Detektor; 3.x: Detektorelemente; 4: Systemachse/z-Achse; 5: CT-Gehäuse; 6: Patientenliege; 7: Patient; 8: Öffnung in der Gantry; 9: Rechen- und Steuereinheit; 10: Daten-/Steuerleitung; 11: Anode; 12.x.y: Abtaststrahlen; 13: Absorber; I–IV: Reihenfolge der Springfokuspositionen; f_D: Detektorabtastfrequenz; f_F: Fokusspringfrequenz; M: Mitte des Detektorelementes; Prg_x: Computerprogramme; R_d: Abstand Detektor zu Drehzentrum; R_f: Abstand Fokus zu Drehzentrum; S: physikalische Größe des Detektorkanals im Drehzentrum; t: Zeit; z: z-Achse; α: Projektionswinkel; β(α): Schwerpunktslinie des Absorbers; β: Strahlwinkel durch den Absorber; φ: Umfangswinkel; Θ: Alignment-Wert; ρ: Amplitude des Ablenkstroms; η: Offset des Fokus; τ: Phase zwischen Detektorab tastfrequenz und Fokusspringfrequenz; ∫ : Integrationstiming.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Übersicht auf ein CT;
2: Schematische Darstellung eines normalen Fokus eines CT mit gegenüberliegendem Detektor in senkrechter Stellung mit 1/8-Versatz;
3: Darstellung aus 2 nach einer Drehung um 180° um die Systemachse;
4: Schnitt eines virtuellen Detektorelementes im Drehzentrum mit örtlicher Verteilung der Strahlen aus gegenüberliegenden Projektionsrichtungen;
5: Schematische Darstellung eines Springfokus mit zwei Fokuspositionen eines CT mit gegenüberliegendem Detektor in senkrechter Stellung mit ¼-tel-Versatz;
6: Darstellung aus 5 nach einer Drehung um 180° um die Systemachse;
7: Schnitt eines virtuellen Detektorelementes im Drehzentrum mit örtlicher Verteilung der Strahlen aus gegenüberliegenden Projektionsrichtungen und von zwei unterschiedlichen Fokuspositionen in azimutaler Richtung ausgehend;
8: Schematische Darstellung eines Springfokus mit vier Fokuspositionen eines CT mit gegenüberliegendem Detektor in senkrechter Stellung mit ¼-tel-Versatz;
9: Darstellung aus 8 nach einer Drehung um 180° um die Systemachse;
10: Schnitt eines virtuellen Detektorelementes im Drehzentrum mit örtlicher Verteilung der Strahlen aus gegenüberliegenden Projektionsrichtungen und von je zwei unterschiedlichen Fokuspositionen in azimutaler Richtung und in z-Richtung ausgehend;
11: Beispielhafte Anspringreihenfolge von vier Fokuspositionen;
12: Spur eines exzentrisch stehenden Massepunktes im Sinugramm eines CT;
13: Versetzte Zeitraster des Fokus-Z-Sprungs, des Fokus-φ-Sprungs und des Integrations-Timings des Detektors eines Springfokus gemäß 8;
14: Darstellung der Mess- und Extrapolationswerte zur Fokusjustierung.
Die 1 zeigt ein beispielhaftes Computertomographiegerät (CT), auf das das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Das CT 1 weist eine, auf einer nicht näher dargestellten Gantry im Gehäuse 5 angebrachte, Röntgenröhre 2 auf, in der verschiedene Fokuspositionen in Richtung der z-Achse 4 und/oder in φ-Richtung, das ist die Rotationsrichtung um die z-Achse 4, angesteuert werden können. Die Ansteuerung der Fokuspositionen erfolgt dabei durch eine Auslenkung eines Elektronenstrahls, der den Brennfleck bildet und durch ein Magnetfeld eines oder mehrerer nicht dargestellter Elektromagneten in der Röntgenröhre. Die Auslenkung des Elektronenstrahls ist dabei, zumindest über einen begrenzten Bereich, linear zum Strom des auslenkenden Magnetsystems.
Gegenüber zur Röntgenröhre 2 befindet sich ein Mehrzeilendetektor 3, der gemeinsam mit der Röntgenröhre 2 kreisförmig um die z-Achse, die hier auch der Systemachse 4 entspricht, bewegt wird. Dabei wird die von der Röntgenröhre ausgehende Strahlung bezüglich seiner Absorption beim Durchgang durch ein im Strahlengang liegendes Objekt gemessen. Als Objekt ist hier ein Patient 7 dargestellt, der auf einer Liege 6 in Richtung der Systemachse 4 bewegbar angeordnet ist. Hierdurch kann in bekannter weise eine Abtastung des gesamten oder eines Teils des Patienten 7 erfolgen.
Die Steuerung des gesamten Systems erfolgt über die Daten/Steuerleitung 10 von einer Rechen- und Steuereinheit 9 aus, die auch mit Hilfe von integrierten Programmen Prg_x die Auswertung der empfangenen Detektorausgangsdaten vornimmt. Ins besondere wird hiermit auch die Steuerung der Fokusposition und das Integrationstiming der Detektordaten durchgeführt.
Bei einem ortsfesten Fokus wird zur Verbesserung der Abtastauflösung des Detektorsystems meist ein sogenannter Viertelversatz des Detektors verwendet, bei dem die Detektorzellen um ein Viertel der Detektorbreite in azimutaler Richtung zum Mittelstrahl der Röntgenröhre durch die Systemachse verschoben ist. Hierdurch ergeben sich, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, zwei unterschiedliche Abtaststrahlen 12.1.1 und 12.1.2 ausgehend von einem positionsfesten Fokus 2.1 auf einer Anodenfläche 11 bei um 180° versetztem Fokus/Detektor-System. Es sind daher bei einem Vollumlauf eines Fokus/Detektorsystems gegenüberliegende Abtastungen bezüglich ihres Abtaststrahls leicht versetzt, so dass eine redundante Abtastung vermieden werden kann und jeder Halbumlauf eines Vollumlaufes neue Abtastinformationen liefert.
Ein Schnitt eines virtuellen Detektorelementes 3.n im Drehzentrum mit örtlicher Verteilung der Strahlen aus gegenüberliegenden Projektionsrichtungen ist in der 4 gezeigt. Wie man leicht erkennen kann, ergibt sich für die beiden aus gegenüberliegenden Positionen des Fokus erzeugten Strahlen jeweils ein Versatz um ¼ der Detektorelementbreite von der Mittellinie M des Detektorelementes gesehen.
Bei einer solchen Abtastung werden die Absorptionsdaten über eine Vielzahl kleiner Winkelinkremente aufintegriert und der jeweiligen Mittelwert des Winkelinkrements als der ideelle Winkel der jeweiligen Projektion angesehen.
Wird in solch einem Ein-Fokus-System ein exzentrisch liegender, möglichst punktförmiger, Absorber 13 – beispielhaft dargestellt in den 5 und 6 – beobachtet und ein Sinugramm aufgenommen, wie es in der 12 dargestellt ist, so lässt sich die Position des Fokus aus den Sinugramm-Daten und dem darin zu sehenden Absorptionsverlauf mit der Formel
errechnen, wobei α dem Projektionswinkel, β dem Strahlwinkel durch den Absorber und Θ dem Alignment (=Auslenkung des Fokus in Bogenmaß) entspricht. In der Darstellung des Sinugramms stellt die gestrichelte Mittellinie β (α) die Schwerpunktslinie des Verlaufs der durch den Absorber bedingten Absorptionen auf dem Sinugramm dar, angedeutet durch die durchgezogenen geschwungenen Linien.
Die Verwendung eines Springfokus mit zwei Fokuspositionen in azimutaler Richtung ist in den 5 und 6 in jeweils um 180° versetzten Aufnahmepositionen gezeigt. Hierbei ergeben sich durch den Versatz des Fokus bei einem Detektorsystem mit 1/8-Versatz je Detektorelement 3.n vier verschiedene Abtaststrahlen 12.1.1, 12.1.2, 12.2.1 und 12.2.2 mit unterschiedlichen Projektionswinkeln. Notwendig ist hierbei eine genaue Abstimmung des Integrationstimings des Detektors mit dem Sprungrhythmus des Fokus und einer genauen Positionierung des Fokus.
Auch hierzu ist in der 7 ein Schnitt des virtuellen Detektorelementes im Drehzentrum mit der örtlichen Verteilung der Strahlen 12.x.y aus gegenüberliegenden Projektionsrichtungen und von zwei unterschiedlichen Fokuspositionen in azimutaler oder φ-Richtung entsprechend den 5 und 6 gezeigt.
Geht man nun auf einen Springfokus mit vier unterschiedlichen Positionen über, wie es beispielsweise in den 8 und 9 gezeigt ist, wobei hier der Fokus sowohl in azimutaler Richtung als auch in z-Achsenrichtung springt, so erhält man nochmals die doppelte Anzahl an Abtaststrahlen 12.x.y gegenüber 5 und 6.
Eine entsprechende Aufsicht auf ein virtuelles Detektorelement 3.n im Drehzentrum mit örtlicher Verteilung der Strahlen aus gegenüberliegenden Projektionsrichtungen und von je zwei unterschiedlichen Fokuspositionen in azimutaler Richtung und in z-Richtung ausgehend ist in der 10 dargestellt. Zur besseren Darstellung des zusätzlichen z-Versatzes der Strahlen wurde hier eine Aufsicht gewählt, wobei die mit dem Symbol + gezeigten Pfeile, solche mit Richtung in die Zeichenfläche und die mit dem Symbol • gezeigten Pfeile, solche mit Richtung aus der Zeichenfläche darstellen sollen.
Bezüglich der 2–10 wird darauf hingewiesen, dass diese lediglich schematisch die Abtastsituation durch verschiedene Fokus- und Springfokusanordnungen zeigen sollen. Tatsächlich erfolgt die Abtastung während der Drehung des Fokus-Detektorsystems und gleichzeitiger Integration von Detektorsignalen über eine Vielzahl von kleinen Winkelsegmenten, wobei die Schwerpunktslinie dieser (Raum-)Winkelsegmente vereinfachend als Abtaststrahl angesehen wird.
Ein Beispiel einer Anspringreihenfolge der Fokuspositionen ist in der 11 dargestellt. Hier sind vier Fokuspositionen I-IV ihrer Reihenfolge des Anspringens nach bezeichnet, wobei also zunächst auf einer z-Position zwei azimutal unterschiedliche Positionen I und II angesprungen werden, anschließend wird von II nach III sowohl die z-Position als auch die azimutale Position gewechselt, um danach nochmals nur die azimutale Koordinate von III auf IV zu wechseln. Danach wird wieder durch Veränderung sowohl der z-Position als auch der azimutalen Position wieder zu I zurückgekehrt.
In der 13 ist, von oben nach unten, in einer Übersicht das versetzte Zeitraster des Fokus-Z-Sprungs z, des Fokus-φ-Sprungs φ und des Integrations-Timings ∫ des Detektors eines Springfokus gemäß der 8 jeweils gegenüber der Zeitachse t aufgetragen und phasenrichtig zueinander dargestellt.
Durch das immer feinere Aufteilen der Abtaststrahlen wird die richtige Ausrichtung der Springfokuspositionen gepaart mit gleichzeitig richtigem Integrationstiming – also die Einstellung der richtigen Phasenbeziehung zwischen Positionsänderung und Integrationsverhalten – sehr wesentlich und eine einfache und schnelle Variante der Einstellung des richtigen Integrationstimings und der korrekten Ausrichtung des Springfokus soll hier gezeigt werden. Insbesondere wird ein iteratives Verfahren der Ausrichtung der Fokuspositionen bei zunehmender Anzahl der Fokuspositionen überproportional aufwendig.
Erfindungsgemäß werden zur Bestimmung und Justierung der Fokuspositionen und der Phase zwischen der Integrationsfrequenz und der Positionsänderungsfrequenz des Springfokus mehrere Messungen mit einer Parametrierung gemäß der nachfolgenden Tabelle durchgeführt. Im Falle eines Springfokus mit Positionsänderung in nur einer Koordinate werden drei Messungen und bei einer Positionsänderung in zwei Koordinaten fünf Messungen benötigt.
Tabelle 1
Es wird darauf hingewiesen, dass bei einer Justage des Fokus in Azimutrichtung der Offset bestimmt werden muss, während der Offset keine Relevanz bei der Justage in Systemachsenrichtung hat.
Die Fokusphase τ ist in Einheiten der Detektor-Integrationszeit angegeben. Die Amplitudenwerte ρ sind dabei unterschiedlich zu wählen und können beispielsweise äquidistant im Dynamikbereich des Ablenkstromes für die Fokusauslenkung verteilt sein. Der Offset η stellt dabei die Abweichung des Schwerpunktes der Fokuspositionen vom gewünschten Schwerpunkt dar.
Im Folgenden wird am Beispiel eines azimutalen Springfokus die Auswertung der N Messungen erläutert. Aus jeder Messung lässt sich das Fokusalignment Θ_g und Θ_u der geraden und ungeraden Projektionen ermitteln. Man erhält die Differenz der Fokusalignment-Werte als Funktion der Parameter τ und ρ. Unter Annahme eines linearen Zusammenhangs lassen sich für p=konstant Schnitte von Θ(τ,ρ) durch Skalierung bestimmen, wobei gilt:
Für jedes ρ_k kann durch Interpolation die zum Maximum gehörige Phase τ * / k bestimmt werden. Die optimale Phase ergibt sich dann als Mittelwert:
Die optimale Ablenkamplitude wird bei einem Springfokus mit zwei Positionen für (Θ_g – Θ_u)(τ * / k,ρ^opt) = 0.5 erreicht. Der entsprechende Wert kann durch Interpolation der Funktion (Θ_g – Θ_u)(τ * / k,ρ) bestimmt werden.
Beispielsweise kann nun aus den beiden Messungen mit Phase τ₁ und τ₁+1/2 der Fokusoffset Θ^int, der der Offsetablenkung auf dem Anodenteller η₁ zugeordnet ist, mit folgender Gleichung bestimmt werden:
Der Offsetwert Θ^int wird dabei als Mittelwert von Θ int / u und Θ int / g berechnet. Wird der optimale Offsetwert Θ^opt angestrebt, zum Beispiel für einen 1/8-Versatz, so ergibt sich aus dem Strahlensatz die dazu erforderliche Fokusablenkung η^opt am Anodenteller:
Dabei bezeichnen R_f den Fokus-Drehzentrumabstand und R_d den Drehzentrum-Detektorabstand. S bezeichnet die physikalische Größe eines Detektorkanals im Drehzentrum.
Auf ähnliche Weise lassen sich die optimale Phase und optimale Amplitude eines Z-Springfokus bestimmen. Die Offsetbestimmung hat in diesem Fall für die Bildrekonstruktion keine Bedeutung. Θ_g – Θ_u wird in Messungen mit dem Kugelphantom durch Berechnung der Differenz der entsprechenden z-Schwerpunktskoordinate im Sinugramm ermittelt.
Die 14 veranschaulicht diese Berechnung. Es wird also ein Massenpunkt exzentrisch in den Messbereich des Fokus-Detektorsystem eingebracht und bei unterschiedlichen Werten für den Ablenkstrom ρ, welcher der Fokusauslenkung als proportional angesehen wird, die Phasenverschiebung τ zwischen der Integrationsfrequenz des Detektorsystems und der Fokusspringfrequenz Sinugramme erstellt. Dabei werden die Messdaten so aufgeteilt, dass je Fokusposition ein Sinugramm je Parametersatz erstellt wird. Aus diesen Sinugrammen werden mit der Formel
die Alignment-Werte Θ berechnet und Parametersatzweise die Differenzen Θ_g – Θ_u für unterschiedliche Fokuspositionen auf einer Koordinate bestimmt, wobei hier die Indizes g und u die beiden unterschiedlichen Positionen bezeichnen.
Die so gewonnenen Differenzwerte (Θ_g – Θ_u)(τ_i,ρ_k) können durch lineare Skalierung bei konstanter Phase oder konstantem Ablenkstrom für weitere Differenzwerte für unterschiedliche Ablenkströme oder Phasen mit der Gleichung
ergänzt werden. Da die Differenzwerte (Θ_g – Θ_u)(τ_i,ρ_k) im dreidimensionalen Koordinatensystem gemäß der 11 etwa parabelförmig verlaufen, kann aus jeweils drei Wertesätzen eine Parabelfunktion mit konstantem Ablenkstrom ρ – genauer gesagt die Amplitude des zeitlich wechselnden Ablenkstromes – für diese Kurve berechnet und damit das Maximum bestimmt werden. Diese Parabel entspricht dann im Wesentlichen dem Verlauf der Differenzwerte Θ_g – Θ_u bei konstanter Phase τ. Da hier der Differenzwert Θ_g – Θ_u definitionsgemäß den höchsten Wert aufweist, ist hier auch die Phase τ optimal gelegen. Grundsätzlich kann der Verlauf auch durch andere Funktionen, zum Beispiel eine quadratische Funktion, angenähert werden. Selbstverständlich ist es dabei von Vorteil, wenn mehr als drei Mess- beziehungsweise Interpolationswerte vorliegen, so dass sich dadurch eventuell vorhandene Messfehler ausgleichen.
Wird nun dieses Maximum der Funktion für unterschiedliche Werte des Ablenkstroms ρ berechnet, so lässt sich der Verlauf der Maximalwerte bestimmen und der Ablenkstrom ermitteln, dessen Funktionsverlauf im Maximum einen Wert von 0,5 ergibt. Hier sind bei einem Springfokus mit zwei Fokuspositionen der optimale Ablenkstrom und damit die optimale Auslenkung gefunden.
Soll die Messung für einen Springfokus in Azimut- und Systemachsenrichtung mit 4 Positionen – wie in der 11 gezeigt – durchgeführt werden, so kann zunächst durch Justage in Azimutrichtung zunächst die Phase τ, die Amplitude ρ und der Offset η auf einer ersten z-Position bestimmt werden. Anschließend kann die z-Amplitude des Springfokus bei einem Maximalwert von 0,5 ermittelt werden. Letztlich wird an der gewünschten Auslenkung des Springfokus in z-Richtung an einer zweiten z-Position bei bereits ermittelter Phase τ noch die Amplitude ρ und der Offset η bestimmt.
In der 14 ist ein solcher Verlauf der gesuchten Parablen, also der Differenzwerte Θ_g – Θ_u in Einheiten der Breite eines Detektorelementes als Funktion von Phase τ und Ablenkstrom ρ dargestellt. Die umkreisten Kreuze bezeichnen tatsächlich gemessene Werte, die mit einfachen Kreuze markierten Positionen bezeichnen die Werte, die durch Skalierung mit den jeweiligen Verhältnissen der Ablenkströme errechneten Werte.
Ist die richtige Phase τ mit Hilfe der wenigstens 3 Messungen berechnet, so kann analog hierzu mit 2 weiteren Messungen die optimale Auslenkung in die andere Koordinatenrichtung berechnet werden, indem mit der richtigen Phase durch Interpolation die Differenz der Z-Schwerpunkte des kugelförmigen Phantoms auf den wert 0,5 bestimmt wird.
Sind aus der oben dargelegten Berechnung die richtigen Werte für die Phase und die Ablenkströme bekannt, so können diese optimalen Werte ohne weitere Iterationsschritte direkt eingestellt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Insgesamt wird mit der Erfindung also ein Verfahren zur nicht-iterativen Fokusjustage in einem CT vorgeschlagen, wobei durch eine minimale Anzahl von Sinugramm-Aufnahmen die die Lage des Zentralstrahls in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Fokus berechnet und die richtige Phase zwischen der Detektorabtastfrequenz und der Fokusspringfrequenz berechnet und entsprechend vorgegebener Werte ohne iterative Schritte justiert wird.

Claims

Verfahren zur nicht-iterativen Fokusjustage in einem CT (1) mit mindestens einer um eine Systemachse (4) rotierende Röntgenröhre (2) mit einem Springfokus und einem der mindestens einen Röntgenröhre (2) gegenüberliegenden Mehrzeilendetektor (3) mit einer Vielzahl von Detektorelementen (3.x), wobei: 1.1. der Fokus mit einer bestimmten Fokusspringfrequenz (f_F) auf einer Anode (11) seine Position (2.x) in einer Dimension oder in zwei Dimensionen ändert, 1.2. mit einer bestimmten Detektorabtastfrequenz (f_D) die ausgegebenen Signale der Detektorelemente (3.x) des Detektors (3) integriert werden, 1.3. die Fokusspringfrequenz (f_F) gleich der Detektorabtastfrequenz (f_D) ist, 1.4. mindestens drei Sinugramme eines kugelförmigen Absorbers (13) bei während der Aufnahme alternierenden Positionen (2.x) des Fokus in einer Dimension oder mindestens fünf Sinugramme eines kugelförmigen Absorbers bei während der Aufnahme alternierenden Positionen des Fokus in zwei Dimensionen mit unterschiedlichen Parametern bezüglich der Position des Fokus (2.x) und der Phase (τ) zwischen der Detektorabtastfrequenz (f_D) und der Fokusspringfrequenz (f_F) aufgenommen werden, und 1.5. aus den aufgenommenen Sinugrammen die Lage des Zentralstrahls in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Fokus berechnet und die richtige Phase zwischen der Detektorabtastfrequenz und der Fokusspringfrequenz bestimmt und entsprechend vorgegebener Werte ohne iterative Schritte justiert wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messergebnisse ergänzt werden, indem durch Skalierung mit der Fokusauslenkung und Interpolation die zur Bestimmung der gewünschten Fokuspositionen (2.x) und Phase (τ) erforderlichen Fokusauslenkungen ermittelt werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Skalierung von Alignmentwerten die folgende Formel verwendet wird:
wobei Θ₁ und Θ₂ die Alignments der ersten und zweiten Fokusposition sind, τ_i der Phase zwischen Detektorabtastfrequenz und Fokusspringfrequenz entspricht, p_k einem der Fokusablenkung proportionalen Wert, vorzugsweise einem Ablenkstrom, entspricht und die Alignments Θ₁ und Θ₂ gemäß der Formel
aus den Sinugrammen der jeweiligen Fokusposition berechnet werden, wobei β(α) der Schwerpunktslinie der Absorption des Absorbers (13) im Sinugramm und α dem Projektionswinkel entspricht.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuspositionen (2.x) und die Phase (τ) zwischen der Detektorabtastfrequenz (f_D) und der Fokusspringfrequenz (f_F) so justiert werden, dass sich eine äquidistante Überabtastung der Detektorkanäle ergibt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuspositionen (2.x) und die Phase (τ) zwischen der Detektorabtastfrequenz (f_D) und der Fokusspringfrequenz (f_F) durch Interpolation von (Θ₁– Θ₂)(τ_i,ρ_k) bestimmt werden.