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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung tomographischer
Serienaufnahmen eines strahlungsempfindlichen Untersuchungsobjektes, wobei
ein interessierender Teilbereich des Untersuchungsobjektes über den
Zeitraum der Serienaufnahmen Veränderungen
aufweist, wobei das Untersuchungsobjekt durch mindestens einen kreisförmig und
ohne Vorschub umlaufenden Röntgenstrahler über ein
erstes aufgefächertes
Strahlenbündel
mit einem ersten Fächerwinkel
abgetastet und ein erster Satz an Detektordaten aus einer Vielzahl
von Aufnahmewinkeln aufgenommen wird und tomographische Darstellungen
des abgetasteten Bereichs des Untersuchungsobjektes rekonstruiert
werden.
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Ähnliche
Verfahren sind aus der Computertomographie allgemein bekannt. Hierbei
können durch
mehrfache Aufnahmen dynamische Verhaltensweisen eines Untersuchungsobjektes,
beispielsweise bei einer Perfusionsmessung oder bei der Darstellung
von Herzbewegungen, durchgeführt
werden. Insbesondere bei Perfusionsmessungen, die über einen
längeren
Zeitraum, typisch sind 40–90
sec, andauern, ergibt sich jedoch das Problem, dass die Strahlenbelastung
eines Patienten zu einer relativ hohen Gesamtdosis für den Patienten
führt,
so dass durch Abwägung
von Vor- und Nachteilen dieser Untersuchung sich sehr häufig gegen
eine solche Untersuchung entschieden wird.
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Eine
andere Alternative besteht darin, die Dosis mit der die Untersuchung
durchgeführt
wird stark zu reduzieren, wodurch jedoch die Bildqualität drastisch
abnimmt und zu Problemen bei der Auswertung führt.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein CT-System für die Erstellung
tomographischer Serienaufnahmen zu finden, welche es ermöglichen,
Serienaufnahmen eines untersuchten Objektes zu erstellen, bei gleichzeitig
gegenüber dem
Stand der Technik verminderter Gesamtdosisbelastung.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass bei einer Vielzahl von Verlaufsuntersuchungen,
bei denen über
einen längeren
Zeitraum hinweg CT-Aufnahmen zu erzeugen sind, lediglich ein kleiner
Volumenbereich des Patienten relevanter Veränderungen unterliegt. Somit
tagen ausschließlich
Strahlen, die diesen Bereich schneiden zu Bildveränderungen
bei und es genügt
ausschließlich
diesen Bereich bezüglich
seiner Veränderungen
in der Struktur abzutasten. Die übrigen
Bereiche des Patienten bleiben weitgehend unverändert, so dass hier eine einmalige
Abtastung ausreicht. Für
eine Gesamtaufnahme genügt
es dann die neuen Abtastinformationen aus dem sich verändernden
Bereich mit den Abtastinformationen aus den anderen konstanten Bereichen
zu ergänzen, so
dass aus dieser Summe dieser Detektordaten anschließend computertomographische
Bilder erstellt werden können.
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Hierzu
wird mit einem Kreisscan relativ zum Untersuchungsobjekt zunächst eine Übersichtsabtastung
des Untersuchungsobjektes vorgenommen und anschließend lediglich
ein zuvor bestimmter interessierender Bereich, also ein Volume of
Interest (= VOI) mit einem entsprechend gebündelten Strahl abgetastet,
wobei für
die Bilderstellung jeweils die sich nicht verändernden Daten außerhalb
des Scanbereiches des VOI und die aktuellen Daten des VOI zusammengefasst
werden, so dass aus diesen insgesamt computertomographische Bilder
rekonstruiert werden können,
die die zeitliche Veränderung
des Untersuchungsobjektes mit Hilfe einer Vielzahl von Serienaufnahmen
darstellen.
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Entsprechend
diesem Grundgedanken schlägt
der Erfinder ein Verfahren zur Erstellung tomographischer Serienaufnahmen
eines strahlungsempfindlichen Untersuchungsobjektes vor, wobei ein interessierender
Teilbereich des Untersuchungsobjektes über den Zeitraum der Serienaufnahmen
Veränderungen
aufweist, wobei das Untersuchungsobjekt durch mindestens einen kreisförmig und
ohne Vorschub umlaufenden Röntgenstrahler über ein
erstes aufgefächertes
Strahlenbündel
mit einem ersten Fächerwinkel
abgetastet und ein erster Satz an Detektordaten aus einer Vielzahl
von Aufnahmewinkeln aufgenommen wird (= Übersichtsscan) und tomographische
Darstellungen des abgetasteten Bereichs des Untersuchungsobjektes
rekonstruiert werden. Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht nun darin,
dass für
mindestens eine zeitlich darauf folgende Serienaufnahme eine Abtastung
des Untersuchungsobjektes mit einem zweiten Strahlenbündel mit
einem kleineren Fächerwinkel
stattfindet, wobei mindestens ein zweiter Satz Detektordaten ermittelt wird
(= Detailscan) und zur Rekonstruktion der mindestens einen folgenden
Serienaufnahme Detektordaten aus dem zweiten Detektordatensatz im
Bereich des zweiten Strahlenbündels
und Detektordaten aus dem ersten Detektordatensatz außerhalb
des Bereichs des ersten Strahlenbündels verwendet werden.
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Auf
diese Weise findet also eine einmalige Abtastung eines größeren umfassenden
Bereiches des Untersuchungsobjektes statt, während für die darauf folgenden Serienaufnahmen
lediglich der sich verändernde
kleinere Teilbereich des Untersuchungsobjektes gezielt durch ein
gerichtetes Strahlenbündel
abgetastet wird. Befindet sich dieser interessierende Bereich im
Drehzentrum des Röntgenstrahlers,
so wird ein konstant ausgerichtetes engeres Strahlenbündel verwendet.
Befindet sich allerdings der interessierende Bereich exzentrisch
zur Systemachse des CT-Systems, so muss mit Hilfe der variablen
Blenden während
der Umdrehung des Röntgenstrahlers
ständig
eine Ausrichtung des kleineren Strahlenbündels auf diesen interessierenden Bereich
stattfinden. Entsprechend den durch die Detailabtastung gewonnenen
Detektordaten werden in den während
der Übersichtsaufnahme
gewonnenen Detektordaten lediglich die neu gewonnenen Detektordaten
ausgetauscht, so dass in den nachfolgenden rekonstruierten Aufnahmen
die strukturelle Veränderung
des Untersuchungsobjektes im zeitlichen Verlauf erkennbar ist, wobei
die Strahlenbelastung die für
das Untersuchungsobjekt entsteht, aufgrund des wesentlich eingeschränkten Strahlenbündels gegenüber einer
Gesamtaufnahme, drastisch sinkt.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
schlägt
der Erfinder vor, dass der zweite kleinere Fächerwinkel durch verstellbare
Blenden gebildet wird.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass der zweite Fächerwinkel während des
Umlaufes der Strahlenquelle so auf den interessierenden Bereich des
Untersuchungsobjektes ausgerichtet wird, dass nur dieser Bereich
bestrahlt wird.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn vor dem Übersichtsscan
ein Topogramm aufgenommen wird und der interessierende Bereich,
zumindest bezogen auf die Systemachsenrichtung, zum ersten Strahlenbündel zentriert
wird.
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Hierdurch
ist es nun auch möglich,
dass das Strahlenbündel
beim Detailscan auch in Systemachsenrichtung auf den interessierenden
Bereich eingeschränkt
wird. Insbesondere ist dies hilfreich bei besonders breiten Detektoren,
die einen Bereich des Untersuchungsobjektes erfassen, der wesentlich über den
interessierenden Bereich hinausgeht, so dass auch eine Einschränkung des
Strahlenbündels in
Systemachsenrichtung möglich
ist und dadurch noch einmal eine Reduktion der Gesamtstrahlenbelastung
des Untersuchungsobjektes erreicht wird.
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Gemäß einer
weiteren speziellen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt der Erfinder
vor, dass die Öffnung
des Fächerwinkels
des Strahlungsbündels
während
des gesamten Um laufs der Strahlungsquelle gleich groß bleibt.
Dies bedeutet, dass zwar das Strahlungsbündel abhängig von der Umlaufposition
der Strahlungsquelle auf den interessierenden Bereich ausgerichtet
ist, sich jedoch nicht bezüglich
der Größe des Fächerwinkels
verändert.
Hierdurch wird eine relativ einfache Steuerung dieses Systems möglich.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt der Erfinder
jedoch auch vor, dass die Öffnung
des Fächerwinkels
des Strahlenbündels
während
des Umlaufes der Strahlungsquelle an die Projektion des interessierenden
Bereichs in Richtung der Strahlungsquelle angepasst wird. Dies ist
insbesondere dann interessant, wenn ein interessierender Bereich
vorliegt, der je nach Winkelstellung der Strahlungsquelle stark
unterschiedliche Projektionsquerschnitte zur Strahlungsquelle aufweist,
beispielsweise beim Vorliegen eines Ellipsoiden, also länglichen
VOIs. Hier ergibt sich je nach Winkelstellung der Strahlungsquelle
die Möglichkeit
das Strahlungsbündel
stark einzuengen beziehungsweise muss es teilweise relativ weit
aufgeweitet werden, um den gesamten interessierenden Bereich zu
erfassen, jedoch nebenliegende Bereiche auszusparen.
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Der
Erfinder schlägt
außerdem
vor, dass in einem Übergangsbereich
zwischen dem Übersichtsscan
und dem Detailscan die Detektordaten eine fließende Anpassung erfahren. Hierdurch
wird verhindert, dass durch mögliche
scharfe Übergänge zwischen
den Detektordaten des ursprünglichen Übersichtsscans
und der nachfolgenden Serienaufnahmen Artefakte bei der nachfolgenden
Rekonstruktion der tomographischen Aufnahmen entstehen.
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Es
wird insbesondere vorgeschlagen, dass das Untersuchungsobjekt auch
ein Patient sein kann. Außerdem
kann vor oder während
der Untersuchung ein Kontrastmittel in das Untersuchungsobjekt,
insbesondere in das venöse
oder arterielle System eines Patienten, appliziert werden. Dies
kann insbesonde re durch automatische Kontrastmittelapplikatoren
während
der Untersuchung durchgeführt
werden.
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Hierbei
können
Perfusionsmessungen durchgeführt
werden oder es können
auch herzzyklusgetriggerte Cardioaufnahmen erstellt werden. Sowohl
bei den vorgeschlagenen Perfusionsmessungen als auch bei den herzzyklusgetriggerten
Cardioaufnahmen ergibt sich eine wesentliche Reduktion der Gesamtdosisbelastung
eines Patienten, so dass auch über
längere
Zeiträume
hinweg, ein dynamisches Verhalten im Patienten untersucht werden kann.
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In
einer besonderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können mindestens
zwei winkelversetzt auf einer Gantry angeordnete Röntgenröhren verwendet
werden. Außerdem
besteht die Möglichkeit,
dass je Aufnahmeserie ein unterschiedliches Energiespektrum der
Röntgenstrahlung
verwendet wird, wobei es besonders günstig ist, wenn je Röntgenröhre ein
unterschiedliches Energiespektrum der Röntgenstrahlung benutzt wird.
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Durch
die Verwendung unterschiedlicher Energiespektren ist es besonders
gut möglich,
Kontrastmittel zu verwenden, die aufgrund ihrer geringen Dosierung
oder ihrer besonders guten Verträglichkeit
für den
Metabolismus des Patienten eingesetzt werden und noch ausreichende
Kontraste in der zu erstellenden tomograpischen Aufnahme erlauben.
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Entsprechend
diesem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren schlägt der Erfinder außerdem ein
CT-System vor, welches mindestens eine um eine Systemachse rotierbare
Strahlungsquelle mit variabel einstellbaren Strahlungsblenden und
mindestens einen Mehrzeilendetektor zur Messung der Strahlungsintensität nach dem
Durchtritt durch ein Untersuchungsobjekt aufweist, und weiterhin
eine Steuer- und Recheneinheit mit einem Speicher und darin enthaltenem
Programmcode zur Steuerung der Abläufe in diesem CT-System und
Rekonstruktion tomographischer Darstellungen des Untersuchungsobjektes
ent hält,
wobei erfindungsgemäß der Speicher
der Steuer- und Recheneinheit auch Programmcode aufweisen soll,
der im Betrieb des CT-Systems die Verfahrensschritte des zuvor beschriebenen
erfindungsgemäßen Verfahrens
durchführt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben,
wobei nur die zum Verständnis
der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden
die folgenden Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2:
erste Röntgenröhre; 3:
erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre; 5: zweiter Detektor; 6:
Gantrygehäuse; 7:
Patient; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10:
Steuer- und Recheneinheit; 11: Steuerleitung zu einem Kontrastmittelapplikator; 12:
Kontrastmittelapplikator; 13: EKG-Leitung; 14:
erstes Strahlenbündel
mit einem ersten Fächerwinkel
(φ1); 15: zweites Strahlenbündel mit
einem Fächerwinkel
(φ2); 16: variable Blenden; 17:
Fokus; 18: VOI (= Volume of Interest); 19: Übersichtssinogramm
des ersten Strahlenbündels; 19': Übersichtssinogramm
ohne Daten des VOI; 20: Übersichtssinogramm des zweiten
Strahlenbündels; 20.1–20.3:
Teilsinogramme; φ1: erster Fächerwinkel; φ2: zweiter Fächerwinkel; Prg1–Prgn: Programmcode; Prgi:
Programmcode.
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Es
zeigen im Einzelnen:
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1:
CT-System;
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2–5:
Querschnitt durch ein CT-System mit Strahlungsquelle und Detektor
in unterschiedlichen Drehwinkeln;
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6:
Darstellung der Zusammenfassung von Detektordaten aus Übersichtsscan
und Detailscan.
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Die 1 zeigt
eine schematische 3D-Darstellung eines CT-Systems 1 mit einem Gantrygehäuse 6 und
einer darin befindlichen ersten Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegenden
De tektor 3 und einer optionalen zweiten Röntgenröhre 4 mit
einem gegenüberliegenden
zweiten Detektor 5. In das Messfeld der beiden Röntgenröhren 2 und 4 kann
ein Patient 7 entlang der Systemachse 9 mit Hilfe
einer verschiebbaren Patientenliege 8 eingefahren werden,
wo ein erfindungsgemäßer Serienscan
ohne Tischvorschub stattfindet. Hierzu ist eine Steuer- und Recheneinheit 10 vorgesehen,
die in einem Speicher Programmcode Prg1 bis
Prgn aufweist, der das zuvor beschriebene
erfindungsgemäße Verfahren
ausführt und
hierfür
auch über
eine Steuerleitung 11 einen Kontrastmittelapplikator 12 bedient
beziehungsweise, falls dies für
eine Cardiodarstellung notwendig ist, ein EKG mit Hilfe der EKG-Leitung 13 ableitet
und entsprechend getriggerte Aufnahmen erstellt.
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In
den 2 bis 5 sind nun im Querschnitt die
Aufnahmesituationen einer Röntgenröhre 2 bei
unterschiedlichen Drehwinkeln dargestellt. Es ist im Querschnitt
die Röntgenröhre 2 mit
dem darin liegenden Fokus 17 erkennbar, einschließlich der
variabel verstellbaren Blenden 16, die den Strahlungsfächer in
gewünschter
Weise begrenzen. Auf der Patientenliege 8 befindet sich
ein Patient 7, in dem ein interessierender Bereich 18 markiert
ist, der etwa ellipsoide Form aufweist. Die Röntgenröhre 2 und der Detektor 3 rotieren
um die Systemachse 9, wobei das kleinere Strahlungsbündel 15 – entsprechend
der aktuellen Winkelstellung der Röntgenröhre 2 – relativ zum
ersten breiten Strahlungsfächer 14 so
verändert wird,
dass bei jedem Drehwinkel der Röntgenröhre ausschließlich der
interessierende Bereich 18 durch das kleine Strahlungsbündel 15 erreicht
wird. Zuvor wurde eine Übersichtsaufnahme
mit Hilfe des gestrichelt dargestellten großen Strahlungsbündels 14 mit dem
großen
Fächerwinkel
(φ1) durchgeführt, so dass von dem gesamten
Patienten in der Umgebung des interessierenden Bereiches 18 Detektordaten
aus allen Projektionswinkeln vorliegen und für die anschließenden Serienaufnahmen
der reduzierte enge Detektordatenbereich, der durch das enge Strahlenbündel 15 erzeugt
wurde, entsprechend ergänzt
werden kann.
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In
der 6 ist eine derartige Ergänzung der Detektordaten schematisch
dargestellt. Es wird links oben ein Sinogramm 19 gezeigt,
welches mit Hilfe eines breiten Strahlenbündels 14 aufgenommen
wird. Darin eingetragen sind schwarz umrandet die Grenzen eines
Strahlungsbündels 15 (aus
den 2 bis 5), welches ausschließlich den
interessierenden Bereich 18 (aus den 2 bis 5)
des Patienten trifft. Rechts neben dem Übersichtssinogramm 19 ist das
gleiche Übersichtsinogramm 19' dargestellt,
jedoch wurden die sich mit der Zeit verändernden Daten des interessierenden
Bereiches 18 herausgeschnitten. Darunter befindet sich
auf der linken Seite ein Sinogramm – hier nur schematisch dargestellt – welches
durch einen engeren Strahl 15 aufgenommen wurde, der ausschließlich den
interessierenden Bereich 18 des Patienten abtastet. Diese
Teilsinogramme 20.1–20.3 werden
zeitlich hintereinander folgend in Serienaufnahmen für unterschiedliche
Zeitpunkte aufgenommen, so dass die Teilsinogramm 20.1, 20.2 und 20.3 zu
unterschiedlichen Zeiten entstehen. Diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten
entstandenen Teilsinogramme 20.1 bis 20.3 werden dann – wie es
auf der rechten Spalte der Darstellung zu erkennen ist – mit dem
zeitlich konstanten Sinogramm 19' des Patienten zusammengesetzt,
so dass jeweils ein Gesamtsinogramm 19' + 20.1, 19' + 20.2 und 19' + 20.3 entsteht.
Aus diesen Gesamtsinogrammen können
nun tomographische Aufnahmen rekonstruiert werden, die die zeitliche
Veränderung
in einem interessierenden Bereich eines Patienten in einer gesamttomographischen
Darstellung ermöglichen.
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Obwohl
in diesem zuvor beschriebenen Beispiel, insbesondere in den 2 bis 5,
ausschließlich
Darstellungen eines CT-Systems mit einer einzigen Strahlungsquelle
gezeigt sind, kann dieses Verfahren jedoch auch bei der Verwendung
mehrerer winkelversetzt angeordneter Strahlungsquellen verwendet
werden. Ebenso besteht die Möglichkeit entweder
mit einer einzigen Strahlungsquelle mit unterschiedlichen Energiespektren
zu arbeiten, oder bei der Verwendung mehrerer Strahlungsquelle jede Strahlungsquelle
mit einem anderen Energiespektrum zu betreiben, so dass eine bessere
Differenzierung der aufgenommenen Struktur des Untersuchungsobjektes,
insbesondere des Patienten, ermöglicht
wird.
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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.
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Insgesamt
wird mit der Erfindung also vorgeschlagen zur Erstellung von Serien-CT-Aufnahmen einmal
die für
eine Übersichtsaufnahme
notwendigen Absorptionsdaten eines Patienten abzutasten und für die folgenden
Serienaufnahmen den Patienten nur mit den Strahlen zu scannen (= Übersichtsscan),
die einen sich zeitlich verändernden
Teilbereich oder einen interessierenden Teilbereich des Patienten durchdringen
(= Teilscan) und für
die Bildrekonstruktion der Serienaufnahmen die Summe der Detektordaten
aus dem Übersichtsscan
mit den Detektordaten aus dem Teilscan zu mischen, wobei die zeitlich neueren
Daten die älteren
Daten ersetzen. Dieses Verfahren eignet sich für alle Rekonstruktionsverfahren,
insbesondere für
Schnittbildrekonstruktionen und Volumenrekonstruktionen mit Ein-
oder Mehr-Fokus-Detektor-Systemen unter Verwendung eines oder mehrerer
Energiespektren, wobei für
jedes Energiespektrum ein Übersichtsscan
durchzuführen
ist.