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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines Untersuchungsobjekts mit einem um eine gemeinsame Drehachse rotierbaren Röntgenaufnahmesystem bestehend aus einer Röntgenquelle und einem Röntgendetektor gemäß dem Patentanspruch 1.
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Neben der bekannten Computertomographie können auch mit Hilfe von C-Bogen-Röntgengeräten auf einem Kreis liegende Röntgen-Projektionen aufgenommen und für eine tomographische Rekonstruktion verwendet werden. Da hier im Allgemeinen Flachdetektoren einer Größe von maximal 30 × 40 cm verwendet werden, stellte in der Vergangenheit die Größe des Flachdetektors eine Limitierung dar. Diese wurde dadurch gelöst, dass in neuartigen C-Bogen-Röntgengeräten die Bewegung des C-Bogens durch einen Industrieroboter erfolgt. Hierdurch sind neue, auch komplizierte Aufnahmebewegungen möglich, z. B. die sogenannte Large Volume Akquisition. Hierbei wird der C-Bogen zweimal um das Untersuchungsobjekt rotiert, einmal so, dass die Mittelsenkrechte von der Röntgenquelle auf den Röntgendetektor zu einer die Röntgenquelle durchlaufenden und die Drehachse beinhaltenden Ebene nach links verschoben ist und ein zweites Mal so, dass die Mittelsenkrechte zu der Ebene nach rechts verschoben ist. Die Projektionen, bei denen sich die Röntgenquelle an der gleichen Stelle befindet, werden anschließend zur Rekonstruktion zu einer großen virtuellen Projektion zusammengefügt. Die Vielzahl an virtuellen Projektionen wird anschließend mit einem Standard-Rekonstruktionsverfahren wie der gefilterten Rückprojektion zur Volumenberechnung verwendet.
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Um eine geringe Scanzeit zu erreichen und eine möglichst geringe Röntgendosis zu applizieren, werden häufig Rotationen von weniger als 360° (einfach) durchgeführt. Als minimalen Scanbereich je Rotation (insgesamt einmal nach links und einmal nach rechts verschoben) werden Projektionen in einem Winkelbereich von 180° + Fächerwinkel des virtuellen Röntgendetektors (Kombination des Röntgendetektors in der links verschobenen und der rechts verschobenen Position) in Bezug auf die Röntgenquelle aufgenommen.
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Aus dem Artikel von
G. Wang: "X-ray micro-CT with a displaced detector array", Med. Phys. 29 (7), pp. 1634-1636, July 2002, ist bekannt, dass eine Vergrößerung des Messfeldes auch dann erreicht werden kann, wenn man einen um weniger als 50% zur Seite verschobenen Röntgendetektor in einem Winkelbereich von 360° einmalig um das Untersuchungsobjekt rotiert. Die applizierte Röntgendosis kann dadurch ebenfalls verringert werden. Dieses Verfahren setzt jedoch voraus, dass durch das Röntgengerät über 360° bei versetztem Röntgendetektor aufgenommen werden kann, was – trotz aller Flexibilität eines Industrieroboters – speziell bei Patienten häufig nicht der Fall ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sogenanntes Large-Volume-Verfahren zur Aufnahme eines großen und/oder schwer zugänglichen Untersuchungsobjekts bereitzustellen, welches eine möglichst geringe Strahlenbelastung für das Untersuchungsobjekt ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Aufnahme eines Untersuchungsobjekts mit einem um eine gemeinsame Drehachse rotierbaren Röntgenaufnahmesystem, bestehend aus einer Röntgenquelle und einem Röntgendetektor gemäß dem Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Voraussetzung ist ein Verfahren zur Aufnahme eines Untersuchungsobjekts mit einem um eine gemeinsame Drehachse rotierbaren Röntgenaufnahmesystem, bestehend aus einer Röntgenquelle und einem Röntgendetektor, wobei bei einer ersten Rotation bei einer Vielzahl von ersten Winkelstellungen von Röntgenquelle und Röntgendetektor um die Drehachse erste Röntgenbilder aufgenommen werden, wobei der Röntgendetektor in eine erste Richtung versetzt angeordnet ist, so dass die Mittelsenkrechte von der Röntgenquelle auf den Röntgendetektor mit einer die Röntgenquelle durchlaufenden und die Drehachse beinhaltenden Ebene einen ersten Winkel k ≠ 0 einschließt und bei einer zweiten Rotation bei einer Vielzahl von zweiten Winkelstellungen von Röntgenquelle und Röntgendetektor um die Drehachse zweite Röntgenbilder aufgenommen werden, wobei der Röntgendetektor in eine zweite Richtung versetzt angeordnet ist, so dass die Mittelsenkrechte von der Röntgenquelle auf den Röntgendetektor mit einer die Röntgenquelle durchlaufenden und die Drehachse beinhaltenden Ebene einen zweiten Winkel m ≠ 0 einschließt, wobei der zweite Winkel sich auf der bezüglich der Ebene gegenüberliegenden Seite zu dem ersten Winkel k befindet. Dies ist das sogenannte Large-Volume-Verfahren, also eine Röntgen-Akquisition mit je einer ersten Rotation mit nach links und einer zweiten Rotation mit nach rechts verschobenem Röntgendetektor um die Drehachse. Erfindungsgemäß spannen bei diesem Verfahren die erste und die zweite Rotation zwischen ihrem Anfangspunkt und ihrem Endpunkt jeweils maximal, insbesondere genau, Winkelbereiche von π + β
0 auf und unterscheiden sich in ihren Anfangspunkten um einen Versatzwinkel β
0, wobei gilt, dass der Versatzwinkel
wobei d der von dem Röntgendetektor bezüglich der Röntgenquelle aufgespannte Detektor-Fächerwinkel ist. Dies ist gleichbedeutend damit, dass der doppelte Versatzwinkel 2β
0 der von dem sogenannten virtuellen Röntgendetektor aufgespannte Fächerwinkel ist. Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, dass bei den bekannten Aufnahmeverfahren, bei denen Winkelbereiche von mindestens π + 2β
0 bei jeder Rotation abgefahren werden, Bereiche doppelt gemessen werden und es dadurch zu einer unnötigen Strahlenbelastung des Untersuchungsobjektes kommt.
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Durch die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den bekannten Akquisitionsverfahren um mindestens einen Rotationswinkel von β0 reduzierten Rotationen wird deutlich weniger Röntgendosis auf das Untersuchungsobjekt abgegeben. Dadurch sinkt die Strahlenbelastung für den Patienten und auch für das Untersuchungspersonal. Zudem muss durch das erfindungsgemäße Verfahren keine 360°-Rotation durchgeführt werden, wodurch der Untersuchungsverlauf deutlich weniger aufwändig gestaltet werden kann.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Winkel k kleiner oder gleich dem halben Versatzwinkel. Dies bedeutet, dass bei einer gedachten Nebeneinanderanordnung des in die erste Richtung versetzten Röntgendetektors mit dem in die zweite Richtung versetzten Röntgendetektor bei gleicher Position der Röntgenquelle diese einen Überlapp bilden (kleiner) oder direkt aneinander stoßen (gleich).
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In vorteilhafter Weise für eine einfache Rekonstruktion eines 3D-Bildes des Untersuchungsobjekts wird je ein erstes Röntgenbild mit je einem zweiten, bei gleicher Position der Röntgenquelle aufgenommenen Röntgenbild zu je einem Gesamtbild kombiniert.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine 3D-Rückprojektion der Röntgenbilder zur Gewinnung einer 3D-Rekonstruktion durchgeführt. Hierbei können sowohl Gesamtbilder als auch einzelne Röntgenbilder einbezogen werden.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:
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1 eine Ansicht der Strahlengeometrie bei einer ersten Winkelstellung mit nach „links” versetztem Röntgendetektor nach dem Stand der Technik,
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2 eine Ansicht der Strahlengeometrie bei einer zweiten Winkelstellung mit nach „rechts” versetztem Röntgendetektor nach dem Stand der Technik,
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3 eine Ansicht von mehreren zweiten Winkelstellungen gemäß 2 einer zweiten Rotation nach dem Stand der Technik,
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4 eine Ansicht einer Kombination einer ersten Winkelstellung des Röntgendetektors mit einer zweiten Winkelstellung zur Bildung eines virtuellen Detektors nach dem Stand der Technik,
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5 eine Ansicht der Strahlengeometrie bei einer Kombination der Winkelstellungen gemäß 1 und 2 nach dem Stand der Technik,
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6 eine Ansicht der ersten Rotation bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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7 eine Ansicht der zweiten Rotation bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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8 eine Ansicht der Strahlengeometrie während einer Rotation,
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9 eine Funktion zur Anzeige der doppelt gemessenen Bereiche und
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10 eine Abfolge der Grundschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Mittels flexibler C-Bogen-Röntgengeräte können während einer gemeinsamen Rotation einer Röntgenquelle Q und eines Röntgendetektors D um eine Drehachse A (zumeist im Bereich des Untersuchungsobjekts) Röntgenbilder aufgenommen und für eine tomographische Rekonstruktion verwendet werden. Bei dem bekannten Large-Volume-Verfahren zur Aufnahme von 3D-Bildern von besonders großen Untersuchungsobjekten O wird der Aufnahmebereich dadurch vergrößert, dass für jede Position der Röntgenquelle Q zwei Röntgenbilder mit in zwei unterschiedliche, entgegengesetzte Richtungen (z. B. nach „links” und „rechts”) versetztem Röntgendetektor D aufgenommen werden. Dies wird häufig anhand von zwei nacheinander erfolgenden Rotationen durchgeführt, wobei bei der ersten Rotation der Röntgendetektor in eine erste Richtung (z. B. nach links) versetzt ist und bei der zweiten Rotation in die entgegengesetzte zweite Richtung (z. B. nach rechts). Anschließend können die jeweils zwei Röntgenbilder zu einem Gesamtbild zusammengefügt und die Vielzahl an verschiedenen Gesamtbildern zu einem 3D-Bild rekonstruiert werden.
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In der 1 und der 2 sind die Aufnahmegeometrien bei versetztem Röntgendetektor D und übereinstimmender Position der Röntgenquelle Q gezeigt. In der 1 ist der Röntgendetektor D in die erste Richtung (nach „links”) versetzt, was bedeutet, dass die Mittelsenkrechte M von der Röntgenquelle Q auf den Röntgendetektor D mit einer die Röntgenquelle Q durchlaufenden und die Drehachse A beinhaltenden Ebene E einen ersten Winkel k ≠ 0 einschließt. Von dem Röntgendetektor wird bezüglich der Röntgenquelle der Detektor-Fächerwinkel d aufgespannt. In der 2 ist der Röntgendetektor D in die zweite Richtung (nach „rechts”) versetzt, was bedeutet, dass die Mittelsenkrechte M mit der die Röntgenquelle Q durchlaufenden und die Drehachse A beinhaltenden Ebene E einen zweiten Winkel m ≠ 0, welcher bezüglich der Ebene E auf der dem ersten Winkel k gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, einschließt.
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Im Allgemeinen ist es üblich, dass der zweite Winkel m auch denselben Betrag wie der erste Winkel k hat. Insgesamt ist es auch üblich, dass die beiden Winkel kleiner oder gleich dem halben Detektor-Fächerwinkel d sind, damit keine Lücken zwischen den jeweiligen Röntgenbildern entstehen. Sollen sie direkt aneinander bündig anschließen, wählt man die beiden Winkel gleich dem halben Detektor-Fächerwinkel d. Soll ein Überlapp 2ε vorgesehen sein, wählt man die beiden Winkel kleiner als den halben Detektor-Fächerwinkel d. In der 5 ist die Aufnahmegeometrie für beide versetzte Positionen des Röntgendetektors D gezeigt, wobei ein dadurch entstehender virtueller Detektor V, eine Mittelsenkrechte auf den virtuellen Detektor MV sowie ein durch den virtuellen Detektor bezüglich der Röntgenquelle Q aufgespannter virtueller Fächerwinkel 2β0 gezeigt sind.
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In der 3 ist gezeigt, wie bei einer zweiten Rotation ein um den zweiten Winkel m (in diesem Fall m = d/2) versetzter Röntgendetektor D um die Drehachse A rotiert, wobei bei einer Vielzahl von Positionen zweite Röntgenbilder aufgenommen werden. Ebenso rotiert bei einer ersten Rotation ein um den ersten Winkel k versetzter Röntgendetektor D um die Drehachse A, wobei bei einer Vielzahl von Positionen erste Röntgenbilder aufgenommen werden. Nach dem Stand der Technik spannen sowohl die erste Rotation als auch die zweite Rotation um die Drehachse A jeweils mindestens einen Winkel von π plus den virtuellen Fächerwinkel 2β0 auf. In der 4 ist gezeigt, wie jeweils bei derselben Position der Röntgenquelle aufgenommene erste und zweite Röntgenbilder kombiniert werden und dadurch ein vollständiges Abbild des Untersuchungsobjekts O rekonstruierbar ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das bekannte Verfahren (1 bis 5) nun so modifiziert, dass eine geringere Menge an Röntgendosis auf das Untersuchungsobjekt abgegeben wird. Dies wird dadurch erreicht, dass bei den beiden Rotationen geringere Winkelbereiche als beim Stand der Technik abgefahren werden. In den 6 und 7 sind die von der ersten und der zweiten Rotation des erfindungsgemäßen Verfahrens um die Drehachse aufgespannten Winkelbereiche gezeigt. Außerdem sind (für den Fall k = d/2 und m = –k) jeweils die von der Röntgenquelle auf den halben virtuellen Detektor abgegebenen Röntgenstrahlen sowie die Mittelsenkrechte auf den virtuellen Detektor MV für die jeweiligen Anfangspunkte und Endpunkte der Rotationen gezeigt. Die 10 zeigt dazu die wichtigsten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 1 wird eine erste Rotation um die Drehachse A über einen Winkelbereich von π + β0 (180° plus halber virtueller Fächerwinkel) bei nach links versetztem Röntgendetektor durchgeführt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt eine zweite Rotation um die Drehachse A über einen Winkelbereich von π + β0 (180° plus halber virtueller Fächerwinkel) bei nach rechts versetztem Röntgendetektor durchgeführt, wobei der Versatz zwischen den Anfangspunkten der ersten Rotation und der zweiten Rotation β0 beträgt. Es wird also zum Beispiel die erste Rotation von 0° bis π + β0 durchgeführt und die zweite Rotation von β0 bis π + 2β0. Beträgt also zum Beispiel der virtuelle Fächerwinkel 2β0 = 40°, so wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für jede Rotation jeweils ein Winkel von 200° abgefahren, während bei bekannten Verfahren immer mindestens 220° abgefahren wurden. Für diesen Fall lässt sich also beispielsweise etwa 10% an Röntgendosis einsparen.
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Vorteilhafter Weise sind der erste Winkel k und der zweite Winkel m von gleichem Betrag. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der erste Winkel k kleiner oder gleich dem halben Versatzwinkel ist, ebenso der zweite Winkel m. Dies bedeutet, dass bei einer gedachten Nebeneinanderanordnung des Röntgendetektors in die erste Richtung versetzt mit dem Röntgendetektor in die zweite Richtung versetzt bei gleicher Position der Röntgenquelle ein Überlapp entsteht (k < d/2, ebenso m) oder ein direktes bündiges Aneinanderstoßen stattfindet (k = d/2, ebenso m).
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In vorteilhafter Weise für eine einfache Rekonstruktion eines 3D-Bildes des Untersuchungsobjekts wird, soweit zwei Röntgenbilder vorhanden sind, je ein erstes Röntgenbild mit je einem zweiten, bei gleicher Position der Röntgenquelle aufgenommenen, Röntgenbild zu je einem Gesamtbild kombiniert.
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Anschließend kann zur Gewinnung eines 3D-Bildes des Untersuchungsobjektes eine 3D-Rekonstruktion aller Röntgenbilder durchgeführt werden. Bevorzugt werden dabei, soweit vorhanden, die bereits zusammengefügten Gesamtbilder verwendet. Die 3D-Rekonstruktion kann zum Beispiel mittels einer bekannten 3D-Rückprojektion durchgeführt werden. Hierbei können sowohl Gesamtbilder als auch einzelne Röntgenbilder einbezogen werden.
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Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, dass bei den bekannten Verfahren im Stand der Technik manche Winkelbereiche doppelt und damit unnötig gemessen werden. Dies ist in der 8 und der 9 gezeigt. In der 8 ist die Geometrie der Rotationen um die Drehachse mittels eines Koordinatensystems aus x-Achse und y-Achse dargestellt, wobei anstelle der versetzten Röntgendetektoren der virtuelle Detektor V mit der Mittelsenkrechten auf den virtuellen Detektor MV gezeigt ist. Der Winkel zwischen der Mittelsenkrechten auf den virtuellen Detektor MV und der x-Achse wird als α bezeichnet, der Winkel zwischen Messstrahl S und Mittelsenkrechter auf den virtuellen Detektor MV wird als β bezeichnet. Trägt man in einem Koordinatensystem α gegen β auf (siehe 9), so erkennt man, dass einige Bereiche (schraffiert) doppelt gemessen werden. Aus dem Artikel von Dennis L. Parker, „Optimal short scan convolution reconstruction for fanbeam CT", Med. Phys. 9(2), March/April 1982, pp. 254-257, ist außerdem für einen normalen, symmetrisch in Bezug auf die Drehachse positionierten Röntgendetektor bekannt, dass Bereiche doppelt gemessen werden. In dem bekannten Fall müssen sie trotzdem mit gemessen werden, da es technisch problematisch ist, nur eine Hälfte eines Röntgendetektors auszulesen. Im vorliegenden Fall ist es jedoch problemlos möglich, eine Hälfte der „virtuellen” Gesamtbilder nicht zu verwenden, da das erste Röntgenbild und das zweite Röntgenbild, aus denen sich ein Gesamtbild zusammensetzt, getrennt voneinander aufgenommen wurden.
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Werden zusätzlich Blenden in den Strahlenbereich gefahren, um die ebenfalls nicht benötigten Strahlen auszublenden, können weitere ca. 10% der derzeit applizierten Dosis reduziert werden, sodass auch mit den mechanisch eingeschränkten Systemen Dosis sparende Aufnahmen eines erweiterten Messfeldes durchgeführt werden können.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine möglichst geringe Strahlenbelastung für eine möglichst große 3D-Röntgenaufnahme ist ein Verfahren zur Aufnahme eines Untersuchungsobjekts mit einem um eine gemeinsame Drehachse A rotierbaren Röntgenaufnahmesystem, bestehend aus einer Röntgenquelle Q und einem Röntgendetektor D, vorgesehen, wobei bei einer ersten Rotation bei einer Vielzahl von ersten Winkelstellungen von Röntgenquelle Q und Röntgendetektor D um die Drehachse A erste Röntgenbilder aufgenommen werden, wobei der Röntgendetektor in eine erste Richtung versetzt angeordnet ist, so dass die Mittelsenkrechte von der Röntgenquelle auf den Röntgendetektor mit einer die Röntgenquelle Q durchlaufenden und die Drehachse A beinhaltenden Ebene einen ersten Winkel k ≠ 0 einschließt und bei einer zweiten Rotation bei einer Vielzahl von zweiten Winkelstellungen von Röntgenquelle Q und Röntgenflachdetektor D um die Drehachse A zweite Röntgenbilder aufgenommen werden, wobei der Röntgendetektor in eine zweite Richtung versetzt angeordnet ist, so dass die Mittelsenkrechte M von der Röntgenquelle auf den Röntgendetektor mit einer die Röntgenquelle Q durchlaufenden und die Drehachse A beinhaltenden Ebene E einen zweiten Winkel m ≠ 0 einschließt, wobei der zweite Winkel sich auf der bezüglich der Ebene gegenüberliegenden Seite zu dem ersten Winkel k befindet, wobei die erste und die zweite Rotation um die Drehachse zwischen ihren Anfangspunkten und ihren Endpunkten jeweils maximal, insbesondere genau, Winkelbereiche von π + β
0 aufspannen und sich in ihren Anfangspunkten um einen Versatzwinkel β
0 unterscheiden, wobei gilt, dass der Versatzwinkel
wobei d der von dem Röntgendetektor bezüglich der Röntgenquelle aufgespannte Detektor-Fächerwinkel ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- G. Wang: ”X-ray micro-CT with a displaced detector array”, Med. Phys. 29 (7), pp. 1634-1636, July 2002 [0004]
- Dennis L. Parker, „Optimal short scan convolution reconstruction for fanbeam CT”, Med. Phys. 9(2), March/April 1982, pp. 254-257 [0031]
