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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung tomographischer Darstellungen
mit einem Röntgen-Computertomographie-System,
enthaltend mindestens zwei auf einer Gantry winkelversetzt angeordnete
Röntgenquellen,
die ein Untersuchungsobjekt rotierend um eine Systemachse umlaufen
und abtasten, wobei jede der mindestens zwei Röntgenröhren mit jeweils einem Satz
gegenüberliegender Detektorelemente
oder einem mitrotierenden Detektor eine Fokus-Detektor-Kombination bildet,
durch welche bei der Abtastung die Absorption der ausgesandten Röntgenstrahlung
durch das Untersuchungsobjekt bestimmt wird, während der Abtastung bei gleichzeitigem
Betrieb mehrerer Fokus-Detektor-Systeme von jedem Fokus-Detektor-System Streustrahlung
ausgeht, die in dem mindestens einen anderen Fokus-Detektor-System
die Messwerte verfälscht,
die Streustrahlung vor der eigentlichen Abtastung bestimmt, und
vor der Rekonstruktion der tomographischen Darstellung die Messdaten
der Fokus-Detektor-Systeme zumindest bezüglich der Streustrahlung korrigiert
werden.
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Grundsätzlich sind
Verfahren zur Erzeugung tomographischer Darstellungen mit mehreren
auf einer Gantry winkelversetzt angeordneten Röntgenquellen allgemein bekannt,
wobei hier auch das Problem der durch die Mehrzahl der gleichzeitig
betriebenen Röntgenröhren auftretenden
Streustrahlung im Bewusstsein des Fachmanns ist. Zur Zeit gibt es zwei
grundsätzlich
unterschiedliche Varianten diese intensiv auftretende Streustrahlung
zu kompensieren beziehungsweise zu korrigieren, nämlich einerseits unter
Verwendung eines Phantoms die auftretende Streustrahlung entweder
durch Messungen oder durch Rechnungen abzuschätzen und anschließend beim
eigentlichen Scan die Detektordaten mit den Streustrahlungswerten
zu korrigieren. Andererseits ist es auch bekannt, durch verschiedene
Maßnahmen
während
der eigentlichen Messung am tatsächlichen
Untersuchungsobjekt die Streustrahlung zu messen und entsprechende
Korrekturen vorzunehmen.
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Bei
der erstgenannten Variante, der Verwendung eines Phantoms, besteht
immer wieder das Problem, dass die Messungen am Phantom die Wirklichkeit
nur angenähert
wiedergeben können
und somit kaum wirklich exakte Daten bezüglich der Streustrahlung vorliegen
können.
Dabei ist jeweils auch zu berücksichtigen,
dass die Lagerung des Untersuchungsobjektes, also in der Regel handelt
es sich hierbei um einen Patienten, nur schwierig exakt unter den
Phantombedingungen vorgenommen werden kann oder es besteht auch
die Möglichkeit,
dass ein Patient Prothesen oder Implantate trägt, die verstärkt zu Streustrahlung
führen,
welche natürlich
in einem allgemein gültigen
Phantom nicht vorliegen.
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Grundsätzlich gibt
es auch Versuche, während
der aktuellen Abtastung des Patienten mit mehreren Fokus-Detektor-Systemen,
Informationen bezüglich
der vorliegenden Streustrahlung zu erhalten. Allerdings besteht
hierbei das Problem, dass zusätzlich
in der Regel eine relativ hohe Strahlendosis verwendet werden muss,
da eine schnelle Änderung
der Dosisleistung der verwendeten Röntgenröhren ohne Änderung der Beschleunigungsspannung
kaum durchführbar
ist, und somit kurzzeitige während
des Scans notwendige Messungen ausschließlich mit einer einzigen Röhre, in
der Regel mit voller Dosisleistung, durchgeführt werden. Hierdurch wird
für die Messung
der Streustrahlung eine relativ hohe Dosisleistung verwendet.
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Auf
die Druckschriften
US
2004/0228442 A1 und
EP 1 405 598 A1 wird verwiesen.
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Die
Druckschrift
US
2004/0228442 A1 zeigt ein C-Bogen-System mit zwei Fokus-/Detektor-Systemen,
die entsprechend der Eigenart eines C-Bogen-Systems im Raum beweglich
sind, jedoch keine fortlaufend rotierende Bewegung ausführen, wie
es in einem CT-System üblich
ist. Die Druckschrift
EP
1 405 598 A1 zeigt ein CT-System mit umlaufender Gantry
und mehreren Fokus-/Detektor-Systemen. In beiden Druckschriften
wird offenbart, wie während des
eigentlichen Scans die Streustrahlungsmessung gemessen werden kann.
Nachteilig ist hierbei allerdings, dass eine solche Messung das
eigentliche Abtastverfahren kompliziert beziehungsweise zu unerwünschten
Artefakten führt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu finden, welches einerseits
eine Streustrahlungsmessung am aktuellen Untersuchungsobjekt durchführt und
andererseits hierbei eine möglichst
geringe Dosisbelastung für
das Untersuchungsobjekt erfordert. Außerdem sollte es gemäß einem
weiteren Aspekt der Aufgabe auch möglich sein, die verwendete Dosisleistung
zur Ermittlung der Streustrahlungsverteilung anderweitig nutzen
zu können.
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Diese
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass das Dosisnutzungsverhältnis bei
gleichzeitig geringster Fehlerbandbreite am günstigsten ist, wenn vor dem
eigentlichen Scan für
die Abtastung mit mehreren Fokus-Detektor-Systemen ein Pilot- oder
Prescan durchgeführt
wird, bei dem die Röntgenquellen
abwechselnd in Betrieb sind, wobei insgesamt die Röntgenquellen
den größten Teil
des Umlaufes keine Strahlendosis abgeben, also nur an bestimmten
Aufnahmewinkeln blitzlichtartig die einzelnen Strahlenquellen eingeschaltet
werden und in den nicht dazugehörigen
Detektoren die Streustrahlung jeweils gemessen wird. Hierbei hat
sich herausgestellt, dass relativ wenige Messungen über den
Umfang ausreichen, um mit ausreichender Genauigkeit den Streustrahlungsverlauf,
also die Streustrahlungsverteilung im Raum, zu detektieren. Hilfreich
ist es hierbei, wenn zusätzliche
Tiefpassfilter verwendet werden, die statistische Schwankungen der
Messung herausfiltern. Außerdem
kann bei dieser Variante der Abtastung die Dosisleistung der Röntgenröhren stark
vermindert werden ohne die Messgenauigkeit zu beeinflussen. Des
Weiteren ist es durch einen derartigen Prescan möglich, diesen mit der obligatorischen
Aufnahme eines Topogramms zu kombinieren, wobei hier das Topogramm
durch eine Aneinanderreihung einer Vielzahl von einzelnen Aufnahmen
am gleichen Drehwinkel der Gantry, jeweils versetzt in z-Richtung, durchgeführt wird.
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Entsprechend
den oben geschilderten Grundgedanken schlagen die Erfinder ein Verfahren zur
Erzeugung tomographischer Darstellungen mit einem Röntgen-Computertomographie-System
vor, welches mindestens zwei auf einer Gantry winkelversetzt angeordnete
Röntgenquellen,
die ein Untersuchungsobjekt rotierend um eine Systemachse umlaufen
und abtasten, enthält,
wobei
- – jede
der mindestens zwei Röntgenröhren mit
jeweils einem Satz gegenüberliegender
Detektorelemente oder einem mitrotierenden Detektor eine Fokus-Detektor-Kombination
bildet, durch welche bei der Abtastung die Absorption der ausgesandten
Röntgenstrahlung
durch das Untersuchungsobjekt bestimmt wird,
- – während der
Abtastung bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Fokus-Detektor-Systeme
von jedem Fokus-Detektor-System
Streustrahlung ausgeht, die in dem mindestens einen anderen Fokus-Detektor-System
die Messwerte verfälscht,
- – die
Streustrahlung vor der eigentlichen Abtastung bestimmt, und
- – vor
der Rekonstruktion der tomographischen Darstellung die Messdaten
der Fokus-Detektor-Systeme zumindest bezüglich der Streustrahlung korrigiert
werden.
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Erfindungsgemäß wird entsprechend
dem Vorschlag der Erfinder dieses oben genannte Verfahren dadurch
verbessert, dass ein Prescan durchgeführt wird, bei dem:
- – die
Röntgenquellen
um das Untersuchungsobjekt rotieren und die Dosisleistung rotationswinkelabhängig moduliert
wird,
- – über den
größten Teil
des Umlaufes keine Strahlendosis abgegeben wird,
- – an
bestimmten Prescan-Winkeln kurzzeitig und jeweils einzeln von den
Röntgenquellen
der Fokus-Detektor-Systeme
Dosisleistung erzeugt und
- – gleichzeitig
von den Detektoren des mindestens einen anderen Fokus-Detektor-Systems
die empfangene Streustrahlung gemessen wird.
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Durch
dieses Verfahren ist es möglich,
die Dosisleistung zur Messung der Streustrahlung bei der Abtastung
sehr gering zu halten und gleichzeitig die Streustrahlungsverteilung
mit ausreichender Sicherheit am unmittelbar danach tatsächlich zu
scannenden Objekt zu ermitteln.
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Besonders
vorteilhaft ist dieses Verfahren, wenn in Verbindung mit dem Prescan
nicht nur die Streustrahlung gemessen wird, sondern zusätzlich in mindestens
einem Prescan-Winkel auch die Absorption des Untersuchungsobjektes
gemessen und für diesen
mindestens einen Prescan-Winkel ein Topogramm erstellt wird.
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Es
ist mit diesem Verfahren auch möglich,
an jedem Prescan-Winkel
ein Topogramm zu erstellen, so dass entsprechend der Anzahl der
verwendeten Prescan-Winkel, an denen kurzfristig die Röntgenröhre in Betrieb
ist, Topogramme aus unterschiedlichen Richtungen zur Verfügung stehen.
Hierdurch ergibt sich für
den Operateur eine verbesserte Möglichkeit
das gewünschte,
während
des nachfolgenden eigentlichen Scans zu betrachtende Gebiet zu erkennen
und bezüglich
seiner Ausdehnung zu definieren.
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Günstig ist
es bei diesem Verfahren, wenn die Prescan-Winkel gleichmäßig über den
gesamten Umlauf verteilt sind. Beispielsweise können 12, 24 oder 48 Prescan-Winkel
verwendet werden. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass es
letztendlich eine Frage der Genauigkeit ist, mit der die Streustrahlungsverteilung
aufgenommen werden soll, wobei mehr als 48 Messungen bei einem Umlauf
kaum mehr zu einer Verbesserung des Ergebnisses führen.
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Wie
bereits erwähnt,
schlagen die Erfinder außerdem
vor, dass die aufgenommenen Messwerte der Streustrahlung mit einem
Tiefpassfilter geglättet werden
können,
um eventuelle statistische Effekte oder Messfehler auszugleichen,
wobei die Filterung einerseits in Umfangsrichtung stattfinden kann,
andererseits jedoch auch eine Filterung in z-Richtung möglich ist.
Grundsätzlich
besteht auch die Möglichkeit,
für diese
Art der Filterung ein zweidimensionales Filter zu verwenden.
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Es
ist weiterhin möglich,
dass auf der Basis der vorhandenen Messwerte der Streustrahlung
nicht vermessene Zwischenwerte durch Interpolation berechnet werden.
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In
einer vorteilhaften Variante des Verfahrens werden die Einschaltzeiten
der Strahlungsquellen beim Prescan derart gesteuert, dass die Summe
der Strahlzeit geringer als 2% der Dauer des gesamten Prescans ist.
Außerdem
wird der Prescan bevorzugt mit einer Dosisleistung von maximal 20%,
vorzugsweise maximal 10%, der Leistung des Scans für die Rekonstruktion
durchgeführt.
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Die
Erfinder schlagen auch vor, dass für den Prescan nur ein Teil
der ermittelten Detektordaten zur Streustrahlbestimmung verwendet
wird. Beispielsweise können
die Detektorelemente des Detektors entsprechend den schwarzen oder
den weißen
Feldern in einem Schachbrett verwendet werden, wodurch die notwendige
Rechenzeit sich wesentlich reduziert. Weiterhin kann der Prescan
mit einem sequentiellen Vorschub durchgeführt werden, das heißt es wird
eine Gantryrotation um 360° durchgeführt, danach
ein Vorschub um einen bestimmten Wert vorgenommen und danach wiederum
ein Kreisscan um 360° durchgeführt. Alternativ
besteht jedoch auch die Möglichkeit,
einen kontinuierlichen Vorschub zu verwenden, indem eine Spiralabtastung
durchgeführt wird.
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Falls
ausschließlich
die Messung des Streustrahlungsfeldes beabsichtigt ist, so kann
der Vorschub auch so gewählt
werden, dass er größer als die
Detektorbreite ist, so dass zwischen den einzelnen Messungen Lücken entstehen.
Hierbei kann aufgrund der relativ geringen Änderungsfrequenz der Streustrahlung
auf einfache und relativ sichere Weise das Streustrahlungsfeld interpoliert
werden.
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Es
ist allgemein bekannt, dass bei Röntgen-CT-Systemen mit mehreren
Fokus-Detektor-Systemen auch Messungen mit unterschiedlichen Spektren,
gegebenenfalls sogar gleichzeitig, durchgeführt werden können. Da
die Streustrahlungsverteilung auch eine gewisse Abhängigkeit
vom Röntgenspektrum
aufweist, ist es vorteilhaft, gerade bei derartigen Röntgen-CT-Systemen
ebenfalls beim Prescan die räumliche
Verteilung der Streustrahlung bei unterschiedlichen verwendeten
Röntgenspektren zu
messen. Um dieses mit Hilfe eines einzigen Prescan durchzuführen, schlagen
die Erfinder zusätzlich vor,
dass bei dem beschriebenen Prescan die Streustrahlungsverteilung
auch mit unterschiedlichen Strahlungsspektren erzeugt und bestimmt
wird.
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In
einer besonderen Variante des Verfahrens schlagen die Erfinder vor,
dass beim Prescan jedes Fokus-Detektor-System ein anderes Röntgenspektrum
verwendet. Vorteilhaft wird dies das jeweils beim späteren Scan
tatsächlich
verwendete Röntgenspektrum
sein.
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Alternativ
besteht jedoch auch die Möglichkeit,
dass beim Prescan jedes Fokus-Detektor-System mindestens zwei unterschiedliche
Röntgenspektren
abwechselnd verwendet. Wird die Messung auf diese Weise durchgeführt, so
besteht nach dieser Messung ein vollständiger Datensatz zur räumlichen Verteilung
der Streustrahlung, basierend auf unterschiedlichen Röntgenspektren.
Damit kann beim späteren
Scan, entsprechend dem tatsächlich
verwendeten Röntgenspektrum
für den
Scan, die jeweils zugeordnete oder jeweils passende Streustrahlungsverteilung
zur Streustrahlungskorrektur verwendet werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, die
aus dem Prescan ermittelten Absorptionsdaten auch zur optimierten
Dosismodulation der Röntgenquellen
für den eigentlichen
Scan zu nutzen. Bei einer solchen Dosismodulation wird angestrebt,
die Dosisleistung der Strahlenquellen jeweils so einzustellen, dass
auf der Detektorseite gerade die für eine optimale Bilddarstellung
notwendige Dosisleistung bei gleichzeitig möglichst geringer Dosisbelastung
des Untersuchungsobjektes erzielt wird.
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Hierfür schlagen
die Erfinder also vor, dass nach Kenntnis der beim Prescan an mindestens
zwei Prescan-Winkeln gemessenen Absorption des Untersuchungsobjektes
eine winkel- und z-positionsabhängige Dosismodulation
für die
verwendeten Röntgenquellen
derart berechnet wird, dass beim eigentlichen Scan möglichst
gleichmäßige Dosisleistungswerte
unabhängig
vom Winkel der Strahlungsquellen auf der Detektorseite nach Durchstrahlung
des Untersuchungsobjektes erzeugt werden.
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Um
möglichst
alle an das Untersuchungsobjekt abgegebene Dosis zu nutzen erscheint
es besonders günstig,
an allen Prescan-Winkeln,
an denen die Streustrahlung gemessen wird, auch die Absorption des
Untersuchungsobjektes zu messen und aus den gewonnenen Absorptionswerten
des Untersuchungsobjektes aus unterschiedlichen Scanwinkeln die
Dosismodulation der Strahlungsquellen zu errechnen.
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Werden
für den
Prescan und Scan verschiedene Energiespektren verwendet, so ist
es besonders günstig
die Dosismodulation auch spezifisch zum verwendeten Energiespektrum
der Strahlung zu bestimmen und im eigentlichen Scan auch eine spezifische
Dosismodulation zu verwenden. So wird aufgrund der unterschiedlichen
Absorptionseigenschaften der Strahlung die Dosismodulation einer
niederenergetischeren Strahlung stärker ausfallen als bei einer
höherenergetischen
Strahlung.
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Entsprechend
dieser erfindungsgemäßen Verfahren
und ihren zuvor beschriebenen Ausbildungen schlagen die Erfinder
weiterhin auch ein Röntgen-CT-System
mit mindestens zwei Fokus-Detektor-Systemen
und einer Rechen- und Steuereinheit mit einem Speicher für Programmcode
vor, wobei erfindungsgemäß im Speicher
der Rechen- und Steuereinheit Programmcode gespeichert ist, welcher
im Betrieb die Verfahrensschritte der oben geschilderten Verfahren
durchführt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele
mit Hilfe der Figuren näher
beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen
Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden Bezugszeichen verwendet: 1:
Röntgen-Computertomographie-System; 2:
erste Röntgenröhre (System
A); 3: erster Detektor (System A); 4: zweite Röntgenröhre (System B); 5:
zweiter Detektor (System B); 6: Gantrygehäuse; 7:
Patient; 8: verschiebbare Patientenliege; 9: Systemachse; 10:
Steuer- und Recheneinheit; 11: Speicher; 12: Verlauf
der Dosisleistung der Streustrahlung im Detektor 5; 13:
Verlauf der Dosisleistung der Streustrahlung im Detektor 3; 14:
Strahlkegel von der Röntgenröhre 2 zum
Detektor 3; 15: Strahlkegel von der Röntgenröhre 4 zum
Detektor 5; 16: Verlauf der Beschleunigungsspannung
(FA); 17: Verlauf der Beschleunigungsspannung
(FB); 18: Spiralweg der Röntgenröhre; 19:
Verlauf der Absorption des Patienten in lateraler Richtung; 20:
Verlauf der Absorption des Patienten in a. p.-Richtung (a. p. =
anterior posterior); 21: Verlauf der modulierten Dosisleistung;
IR(z): modulierter Röhrenstrom; S1–S4: axiale Schnitte des Patienten; Tlateral: laterales Topogramm; Ta.p.:
Topogramm in Richtung anterior-posterior.
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Es
zeigen im Einzelnen:
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1:
Schematische 3D-Darstellung eines CT-Systems mit zwei Fokus-Detektor-Systemen;
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2:
Schnittdarstellung eines CT-Systems mit zwei Fokus-Detektor-Systemen
mit Darstellung der Direktstrahlung und der Streustrahlung des ersten
Fokus-Detektor-Systems;
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3:
Schnittdarstellung eines CT-Systems mit zwei Fokus-Detektor-Systemen
mit Darstellung der Direktstrahlung und der Streustrahlung des zweiten
Fokus-Detektor-Systems in gleicher Winkelposition wie in 2;
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4:
Querschnitt durch eine Gantry mit zwei Fokus-Detektor-Systemen und Darstellung der Streustrahlungsverteilung
bei beiden Detektor-Systemen;
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5:
Schematische Darstellung der Abtastsituation zur Streustrahlungsbestimmung
mit Angabe des Verlaufs der Beschleunigungsspannung in zwei Fokus-Detektor-Systemen
bei einheitlicher Beschleunigungsspannung;
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6:
Schematische Darstellung der Abtastsituation zur Streustrahlungsbestimmung
mit Angabe des Verlaufs der Beschleunigungsspannung in zwei Fokus-Detektor-Systemen
bei unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen je Detektor-System;
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7:
Schematische Darstellung der Abtastsituation zur Streustrahlungsbestimmung
mit Angabe des Verlaufs der Beschleunigungsspannung in zwei Fokus-Detektor-Systemen
mit zwei unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen je Fokus-Detektor-System;
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8:
Schematische Darstellung der Abtastsituation zur Streustrahlungsbestimmung
mit Angabe des Verlaufs der Beschleunigungsspannung in zwei Fokus-Detektor-Systemen
mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen je Abtastwinkel, abwechselnd
bei aufeinanderfolgenden Abtastwinkeln;
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9:
Darstellung der Abtastung einer Röntgenröhre und der gemessenen Absorption;
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10:
Darstellung eines Topogramms eines Patienten in Richtung anterior-posterior;
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11:
Verlauf der Absorption eines Patienten in lateraler Richtung und
anterior-posterior über die
z-Achse;
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12:
Erfindungsgemäß modulierter
Röhrenstrom
IR(z) über
die z-Achse.
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Die 1 zeigt
ein erfindungsgemäßes CT-System 1 mit
zwei Fokus-Detektor-Systemen, die auf einer Gantry um 90° winkelversetzt
angeordnet sind. Die Gantry befindet sich im Gantrygehäuse 6, wobei
das erste Fokus-Detektor-System durch die Röntgenröhre 2 und den gegenüberliegenden
Detektor 3 gebildet wird, während das zweite Fokus-Detektor-System
durch die Röntgenröhre 4 mit
dem gegenüberliegenden
Detektor 5 gebildet wird. In dem ausgewählten Beispiel und auch in
den später
dargestellten Beispielen sind die Röntgenröhren und die Detektorsysteme
jeweils auf der Gantry befestigt und rotieren gemeinsam um die Systemachse 9.
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Es
wird allerdings darauf hingewiesen, dass es sich hierbei lediglich
um eine beispielhafte Darstellung und um eine beispielhafte Ausführung eines CT-Systems
handelt. Die Erfindung ist ebenso durchführbar mit Fokus-Detektor-Systemen,
bei denen die Röntgenröhre auf
einer rotierenden Gantry angeordnet ist, während der Detektor aus einem
stillstehenden 360°-umlaufenden Detektorring
besteht. Im Rahmen der Erfindung sind beide Varianten einsetzbar, wobei
jeweils als Fokus-Detektor-System
ein Fokus einer Röntgenröhre betrachtet
wird, einschließlich der
diesem Fokus gegenüberliegenden
Detektorelemente des Detektors mit denen die Absorption des Patienten
gemessen wird.
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Ein
Patient 7 liegt als Untersuchungsobjekt auf einer längs verfahrbaren
Patientenliege 8, die entlang der Systemachse 9 in
das Messfeld beziehungsweise durch das Messfeld des CT-Systems geschoben
werden kann. Dies kann entweder kontinuierlich bei gleichzeitiger
Drehung der Fokus-Detektor-Systeme oder sequentiell für eine Kreisabtastung geschehen.
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In
der 1 ist zusätzlich
die Steuer- und Recheneinheit 10 schematisch dargestellt,
mit der die Funktion des CT-Systems
gesteuert wird, und Detektordaten aufgezeichnet werden, die anschließend einer
Rekonstruktionsrechnung zugeführt
werden, um tomographische Daten zu erhalten. Hierzu ist Programmcode
in Form von Computerprogrammen Prg1 bis
Prgn im stilisiert dargestellten Speicher 11 der
Steuer- und Recheneinheit 10 gespeichert, die je nach Bedarf
im Betrieb ausgeführt
werden und gegebenenfalls auch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte durchführen.
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In
den nachfolgenden 2 bis 4 wird das
Problem der Streustrahlung bei mehreren winkelversetzt zueinander
angeordneten Fokus-Detektor-Systemen am Beispiel von zwei winkelversetzt um
90° angeordneten
Fokus-Detektor-Systemen näher
beschrieben.
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Die 2 zeigt
einen Querschnitt durch eine Gantry auf der Höhe der Fokus-Detektor-Systeme, wobei
das erste Fokus-Detektor-System
mit einer Röntgenröhre 2 und
dem gegenüberliegenden
Detektor 3 und das zweite Fokus-Detektor-System durch die
Röntgenröhre 4 und
den gegenüberliegenden
Detektor 5 dargestellt wird. Beide Fokus-Detektor-Systeme
befinden sich auf einer Gantry innerhalb des Gantrygehäuses 6.
Im Messfeld der Fokus-Detektor-Systeme befindet sich ein Patient 7,
der durch die in Betrieb befindliche Röntgenröhre 2 mit einem Strahlkegel 14 durchstrahlt
wird. Zur Darstellung der Streustrahlung ist ein vom Fokus des Fokus-Detektor-Systems
A (gebildet durch die Röntgenröhre 2 und
den gegenüberliegenden
Detektor 3) ausgehender Strahl SAA dargestellt
und der durch diesen Strahl erzeugte Streustrahl SAB gezeigt,
der auf dem Detektor 5 des Fokus-Detektor-Systems B (dargestellt durch
die Röntgenröhre 4 und
den gegenüberliegenden
Detektor 5) gemessen wird.
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In
der 2 ist die Röntgenröhre 4 des
Fokus-Detektor-Systems
B außer
Betrieb, so dass im Detektor 5 des Fokus-Detektor-Systems
B ausschließlich
die Streustrahlung, die durch das Fokus-Detektor-System A ausgeht,
detektiert wird.
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Die 3 zeigt
die gleiche Gantry wie in 2. Nach
einer 90°-Umdrehung
befindet sich das Fokus-Detektor-System B an der gleichen Stelle
wie in der 2 das Fokus-Detektor-System A. Auch hier
wird gezeigt, wie das nun in Betrieb befindliche Fokus-Detektor-System
B mit der Röntgenröhre 4 einen
Strahlkegel 15 durch den Patienten 7 wirft, wobei auch
hier zur Verdeutlichung ein einzelner direkter Strahl SBB den
Randbereich des Patienten 7 trifft und dort Streustrahlung
in Form des Strahls SBA erzeugt, die auf
den Detektor 3 des Fokus-Detektor-Systems A auftrifft.
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Betrachtet
man nun die von den gesamten Strahlkegeln erzeugten Streustrahlungen
im jeweils anderen Detektorsystem, so ergibt sich eine Situation
wie sie in der 4 dargestellt ist. Hier wird
für einen
bestimmten Drehwinkel, bei dem sich die Röntgenröhre 2 in 12 Uhr-Position
und die Röntgenröhre 4 in
der 9 Uhr-Position befindet, in jeweils einem zugeordneten Graph
für eine
Detektorzeile der Verlauf der Streustrahlungsintensität in den
Kurven 12 beziehungsweise 13 dargestellt. Die
Zuordnung der Kurven 12 beziehungsweise 13 ist
durch die Pfeilverbindungen zwischen den Detektoren und den Kurven gegeben.
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Betrachtet
man die Kurve 12, die die im Detektor 3 empfangene
Streustrahlung durch die von der Röntgenröhre 4 erzeugte Strahlung
darstellt, so sind auf der Abszisse die Detektorkanäle aufgetragen,
während
die Ordinate die Dosisleistung der im Fokus-Detektor-System A empfangenen
Strahlung aus dem Fokus-Detektor-System B bei einem hier angezeigten
Drehwinkel der Gantry α zeigt.
Entsprechend sind in der senkrecht angeordneten Graphik auf der
Ordinate die Detektorkanäle
CH. des Detektors 5 gezeigt, während wiederum die Ordinate
dieses um 90° gegenüber allen
anderen Darstellungen gedrehten Koordinatensystems den Verlauf 13 der Dosisleistung
der Streustrahlung, kommend aus dem Fokus-Detektor-System A auf
das Fokus-Detektor-System
B, bei gleichem Drehwinkel der Gantry α darstellt.
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Zu
beachten ist hierbei, dass die beiden Streustrahlungsverläufe 12 und 13 nicht
zur exakt gleichen Zeit aufgenommen wurden, sondern dass zur Aufnahme
jeweils nur die Röntgenröhre des
jeweils anderen Fokus-Detektor-Systems in Betrieb ist, so dass keine
direkte Strahlung auf den zugehörigen Detektor
auftrifft.
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Die 5 bis 8 zeigen
nun verschiedene beispielhafte unterschiedliche Timingverhalten des
Betriebs der jeweiligen Röntgenröhren, mit
denen auf erfindungsgemäße Weise
die jeweilige Streustrahlung abgetastet wird, wobei darauf hingewiesen
wird, dass zusätzlich
zur Messung der Streustrahlung auch der jeweils dem im Betrieb befindlichen
Fokus gegenüberliegende
Detektor ausgewertet werden kann, um direkte Absorptionswerte des Patienten
im jeweiligen Drehwinkel der Gantry zu erhalten und dadurch ein
Topogramm erstellen zu können.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann durch eine solche gleichzeitige
Absorptionsmessung während
der Bestimmung der Streustrahlung auch eine optimierte Dosisleistungsmodulation
beziehungsweise Röhrenstrommodulation
ermittelt werden.
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Die 5 bis 8 zeigen
jeweils sechs ausgewählte,
um 15° sich
unterscheidende Drehpositionen der Gantry zwischen 0° und 75° und darunter den
Verlauf der Beschleunigungsspannungen U(FA) und
U(FB) des jeweiligen Fokus des Fokus-Detektor-Systems A beziehungsweise
B. Aus den Kurven der Beschleunigungsspannung ist zu erkennen, dass jeweils
an den Positionen 0°,
15° usw.
die Fokus-Detektor-Systeme A beziehungsweise B für einen kurzen Zeitpunkt, nämlich die
Dauer eines Auslesezyklus des jeweiligen Detektors, einen Spannungssprung
in gleicher Höhe
aufweisen. Die Dauer eines Spannungssprungs dauert bei derzeit im
Betrieb befindlichen CT-Systemen, bei denen über einen Umlauf etwa 1152
Auslesungen des Detektorsystems stattfinden, wobei die Umlaufzeit
ca. 300 ms dauert, jeweils ca. 200 μs, entsprechend einem Drehwinkel von
ungefähr
0,3°. Die
Fokus-Detektor-Systeme sind wie aus dem Verlauf der Spannungskurven 16 und 17 zu
erkennen ist, jeweils wechselseitig im Betrieb, so dass hierdurch
im jeweils anderen Fokus-Detektor-System die erzeugte Streustrahlung
jeweils unverfälscht
messbar ist.
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Wie
aus der 5 zu erkennen ist, wird an den
vorbestimmten Prescan-Winkeln αi der Gantry, nämlich bei 0°, 15°, 30°, 45° usw., jeweils diese Messung
durchgeführt,
so dass über
den gesamten Umlauf von 360° an
24 Positionen der Gantry die Streustrahlung unter Verwendung sehr
geringer Dosis, da nur sehr geringe Einschaltzeiten verwendet werden, bekannt
ist. Erfindungsgemäß kann nun über die
gemessene Streustrahlungsverteilung ein Tiefpassfilter gelegt werden,
so dass eventuelle statistische Schwankungen ausgeglichen werden.
An den nicht gemessenen Winkeln können die Streustrahlungswerte
interpoliert werden. Bezüglich
der Filterung ist anzumerken, dass die Filterung einerseits an der
jeweiligen Position entlang der Detektorzeilen und/oder Detektorreihen
durchgeführt
werden kann.
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Während in
der 5 die beiden Fokus-Detektor-Systeme A und B mit
den Fokussen FA, FB und den
Detektoren DA und DB mit
der gleichen Beschleunigungsspannung und dem gleichen Röntgenspektrum
betrieben wurden, zeigt die 6 eine entsprechende
Darstellung gemäß der 5,
jedoch ist hier in den beiden Fokus-Detektor-Systemen jeweils eine andere
unterschiedlich große
Beschleunigungsspannung U(FA) beziehungsweise
U(FB) verwendet worden. Entsprechend wird
an den Winkelpositionen, an denen die Streustrahlung gemessen wird,
auch in beiden Fokus-Detektor-Systemen die Streustrahlung, die durch
unterschiedliche Röntgenspektren
erzeugt wird, gemessen. Hierbei wird auch das jeweilige vom Fokus-Detektor-System
A beziehungsweise B gemessene Topogramm mit unterschiedlichen Röntgenspektren
ermittelt, wodurch sich zusätzliche Erkenntnisse über die
innere Struktur des Untersuchungsobjektes ergeben können. Zu
beachten ist dabei, dass an jeder Gantryposition die Röntgenröhren jeweils
drehversetzt angeordnet sind.
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Sinnigerweise
wird natürlich
bei einer solchen Messung der Streustrahlung mit unterschiedlichen
Beschleunigungsspannungen in den Fokus-Detektor-Systemen die nachfolgende
Untersuchung ebenfalls mit den gleichen unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen
in den entsprechenden Fokus-Detektor-Systemen durchgeführt.
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Die 7 zeigt
eine andere Variante, in der je Fokus-Detektor-System, entsprechend dem Verlauf
der Kurven 16 und 17 die Beschleunigungsspannung
der einzelnen Fokus-Detektor-Systeme
hintereinander zunächst
auf eine niedrige Beschleunigungsspannung und danach folgend auf
eine höhere Beschleunigungsspannung
geschaltet wird und in jedem Fokus-Detektor-System für jede Spannung je eine entsprechende
Streustrahlungsverteilung ermittelt wird. Durch eine solche Messung
ist es nun möglich,
beim späteren
eigentlichen Scan auch dort wechselweise in den einzelnen Fokus-Detektor-Systemen
unterschiedliche Beschleunigungsspannung zu fahren und jeweils die
richtige Streustrahlungsverteilung entsprechend dem jeweils verwendeten Strahlungsspektrum
zur Korrektur der Streustrahlung zu verwenden. Allerdings ist hierbei
zu bemerken, dass die Dosisbelastung während des Prescans für die Ermittlung
der Streustrahlungsverteilung etwa doppelt so hoch ist, wie im Fall
der Verwendung eines einzelnen Strahlungsspektrums je Fokus-Detektor-System.
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In
der 8 ist noch eine andere Ausführungsvariante dargestellt.
Hier werden bei einem Fokus-Detektor-System abwechselnd unterschiedliche Beschleunigungsspannungen
verwendet, wobei je Winkelpositionierung der Gantry jedes Fokus-Detektor-System nur
für einen
einzigen Messzyklus seine Röntgenröhre in Betrieb
hat und von Messzyklus zu Messzyklus eine alternierende Spannung
verwendet wird.
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Insgesamt
ist es durch dieses erfindungsgemäße Verfahren nun möglich, sehr
genau die tatsächliche
Streustrahlungsverteilung am später
gescannten Objekt zu ermitteln, wobei die dazu verwendete Dosis
ausgesprochen gering bleibt und gleichzeitig die Dosisleistung auch
für die
Erzeugung von Topogrammen verwendbar ist. Somit wird auch bezüglich des
Arbeitsablaufes keine unnötige
Zeit zur Erzeugung der Streustrahlungsverteilung vergeudet, während anschließend während des
eigentlichen Scans sich diese ausschließlich auf die Ermittlung der
Absorptionswerte konzentrieren kann.
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Zusätzlich zur
Ermittlung der Streustrahlung und der parallel hierzu erfolgten
Erzeugung mehrerer Topogramme in unterschiedlicher Richtung kann durch
eine Absorptionsmessung während
des Prescans auch eine optimierte Anpassung der Dosismodulation
der Röntgenröhren bei
ihrem Weg um den Patienten erfolgen. Zur Verdeutlichung dieses Aspektes
dienen die folgenden 9 bis 12.
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In
der 9 ist oben ein lateral aufgenommenes Topogramm
Tlateral gezeigt, in welchem der Weg 18 einer
Röntgenröhre 2 um
den Patienten 7 einschließlich des gegenüberliegenden
Detektors 3 und des dazugehörigen Strahlkegels 14 gezeigt
ist. Unter diesem Topogramm sind vier beispielhafte Schnitte S1
bis S4 bezüglich
ihrer z-Position angezeigt. Die zugehörigen Schnittdarstellungen
sind darunter – entlang
der Systemachse 9 – bildlich
dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass die Querschnitte grundsätzlich unterschiedliche
Ausdehnungen in axialer Ebene aufweisen. Entsprechend ist auch die
Absorption an den entsprechenden z-Positionen des Patienten grundsätzlich unterschiedlich.
Diese unterschiedlichen Absorptionen werden neben den Schnitten
S1 bis S4 durch die Pfeile lateral beziehungsweise a. p. dargestellt,
wobei die Länge
dieser Pfeile der jeweiligen Größe der Absorption
entspricht. So ist zu erkennen, dass im ersten Schnitt S1 auf der
Höhe des
im Topogramm dargestellten Patienten 7 im Schulterbereich
in lateraler Richtung eine sehr hohe Absorption vorliegt, während in
sagittaler oder a. p.-Richtung eine relativ geringe Absorption, aufgrund
der geringen Ausdehnung in dieser Richtung, vorliegt. Anschließend folgt
der Schnitt S2 durch die Lunge, danach ein Schnitt S3 durch das Abdomen
und ein Schnitt S4 im Bereich des Beckengürtels. Neben den Schnitten
ist jeweils die unterschiedliche Absorption in lateraler beziehungsweise a.
p.-Richtung durch die Länge
der Pfeile dargestellt. Es wird hierbei klar ersichtlich, dass entsprechend dieser
unterschiedlichen Absorptionen – je
nach Position und Strahlungsrichtung der Röntgenröhre – sinnvoller Weise auch unterschiedliche
Dosisleistungen an der Röntgenröhre vorliegen
sollten, damit auf der Seite des Detektors jeweils nach Durchstrahlung des
Patienten etwa gleiche Absorptionen vorliegen und der Detektor mit
annähernd
gleicher Dosisleistung vom Strahlkegel getroffen wird. Entsprechend entsteht
auch ein weitgehend ähnliches
Signal zu Rausch-Verhältnis.
Es ist selbstverständlich,
dass bei dieser Abtastung mit moduliertem Röhrenstrom die Modulation der
Ausgangsdosisleistung D0 der Röntgenröhre bei
der Berechnung der anschließenden
Absorptionswerte im Verhältnis
von gemessener Dosis zur Anfangsdosis D/D0 berücksichtigt
werden muss. Beispielsweise kann dies durch entsprechende Monitordetektorelemente
oder Kenntnis der Beziehung zwischen Röhrenstrom und Dosisleistung der
Röntgenröhre bei
Messung des Röhrenstroms geschehen.
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Grundsätzlich ist
es im Stand der Technik bekannt, derartige Dosisleistungsmodulationen
beziehungsweise Röhrenstrommodulationen
vorzunehmen, allerdings wird diese Modulation zur Zeit im Wesentlichen
auf der Kenntnis eines Topogramms in einer Richtung, in der Regel
eines Topogramms Ta.p. in a. p.-Richtung, wie es
in der 10 dargestellt wird, vorgenommen,
wobei näherungsweise
in a. p.-Richtung die tatsächlich
gemessene Absorption bei der Aufnahme des Topogramms Ta.p. verwendet
wird und zusätzlich
die Absorption in lateraler Richtung durch Aufsummierung der Absorptionswerte
aus dem Topogramm Ta.p. in lateraler Richtung
zurückgerechnet wird.
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In
der 11 sind die Absorptionswerte des in der 10 gezeigten
Patienten entlang der in der Abszisse aufgetragenen z-Achse dargestellt.
Auf der Ordinate sind die Absorptionswerte in logarithmischer Form
aufgetragen. So zeigt in diesem Diagramm die Kurve 19 den
Verlauf der Absorption über z
gemessen in lateraler Richtung, während die Kurve 20 den
Verlauf der Absorption über
z in a. p.-Richtung darstellt.
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Entsprechend
dieser sich verändernden
Absorption in unterschiedlichen Richtungen ist in der 12 die
Modulation der Dosisleistung beziehungsweise die Modulation des
Röhrenstroms
IR(z) gezeigt. Aufgrund des spiralförmigen Umlaufs
der Röntgenröhre um den
Patienten schwankt also die Dosisleistung, beziehungsweise der hier
gezeigte Röhrenstrom,
in annähernder
Sinusform zwischen den Werten, die der lateralen Absorption – entsprechend
der Kurve 19 aus der 11 – und den
Werten, die der Absorption in a. p.-Richtung entsprechen – entsprechend
der Kurve 20 in 11 – hin und
her, wobei anschließend
unabhängig
von der aktuellen Absorption am Detektor im Mittel die gleichen
Strahlungswerte ankommen. Einen solchen Verlauf der Röhrenstrommodulation
bei einer Spiralabtastung ist in der Kurve 21 der Figur
dargestellt.
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Obwohl
in den Darstellungen der 9 bis 12 lediglich
die Absorption und der hierfür
entsprechend notwendige Röhrenstrom
beziehungsweise die entsprechende Dosisleistung in zwei unterschiedlichen
Richtungen bestimmt sind, nämlich
lateral und anterior-posterior, liegt es auch im Rahmen der Erfindung,
wenn bei der Bestimmung der Streustrahlungsverteilung nicht nur
in zwei Richtungen die Absorption des Patienten vermessen wird,
sondern eine Vielzahl, beispielsweise 12, 24 oder 48 Richtungen,
verwendet werden. Hierdurch ergibt sich eine wesentlich verbesserte
Anpassung der modulierten Dosisleistung entsprechend dem tatsächlichen
Absorptionsverhalten des Patienten beim Umlauf der Röntgenröhren während des
Scans. Erfindungsgemäß kann diese
Messung des winkel- und positionsabhängigen Absorptionsverhaltens
auch mit unterschiedlichen Energiespektren bestimmt und die Dosisleistungsmodulation
in Abhängigkeit
vom tatsächlich
verwendeten Röntgenspektrum
angepasst werden.
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Insgesamt
wird also durch diesen Aspekt der Erfindung beim Prescan, bei dem
primär
die Streustrahlungskorrektur ermittelt wird, ohne zusätzliches Mehr
an Strahlungsdosis für
den Patienten, eine optimale Dosismodulation gefunden, die insgesamt dazu
führt,
dass die tatsächlich
notwendige Dosisbelastung beim eigentlichen Scan, die zur Aufnahme von
CT-Darstellungen
notwendig ist, weiter minimiert wird.
