DE102010028438A1

DE102010028438A1 - Method for recording three-dimensional image data set to be reconstructed as projection images of patient in inverse geometry computed tomography system, involves realizing scanning trajectory by mechanical movement of recording arrangement

Info

Publication number: DE102010028438A1
Application number: DE201010028438
Authority: DE
Inventors: Dr. Dennerlein Frank; Dr. Strobel Norbert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-03

Abstract

The method involves scanning the trajectory described projection angles of a three-dimensional image data set of a patient (9)with an X-ray device (1) comprising an X-ray detector (6) and an X-ray radiator (5), where the detector and the radiator are formed as a recording arrangement. Multiple X-ray radiation sources (10) comprising the radiator are arranged at different points, so that a scanning trajectory is realized by a combination of a mechanical movement of recording arrangement and a switchover between the X-ray radiation sources. The X-ray radiator comprises carbon nanotubes. An independent claim is also included for an X-ray device comprising a control device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz zu rekonstruierenden Projektionsbildern eines Objekts unter verschiedenen, durch eine Abtasttrajektorie beschriebenen Projektionswinkeln mit einer einen Röntgendetektor und einen Röntgenstrahler umfassenden Röntgeneinrichtung, wobei der Röntgendetektor und der Röntgenstrahler eine Aufnahmeanordnung bilden, sowie eine zugehörige Röntgeneinrichtung.The invention relates to a method for recording projection images of an object to be reconstructed into a three-dimensional image data set at different projection angles described by a scanning trajectory with an x-ray device comprising an x-ray detector and an x-ray emitter, wherein the x-ray detector and the x-ray emitter form a recording arrangement, and an associated x-ray device.

Die dreidimensionale Röntgenbildaufnahme ist eine Technologie, die darauf basiert, eine aufgenommene Sequenz von zweidimensionalen Projektionsbildern des Objekts, konkret des Zielvolumens, in einen dreidimensionalen Bilddatensatz des Zielvolumens umzuwandeln. Diese Sequenz von Projektionsbildern wird üblicherweise dadurch aufgenommen, dass eine Aufnahmeanordnung mit einem Röntgendetektor und einem Röntgenstrahler, beispielsweise an einem C-Arm befestigt, mechanisch entlang einer Abtasttrajektorie bewegt wird, beispielsweise im Rahmen einer Kreisbewegung um das Objekt.Three-dimensional X-ray imaging is a technology based on converting a recorded sequence of two-dimensional projection images of the object, specifically the target volume, into a three-dimensional image data set of the target volume. This sequence of projection images is usually recorded by mechanically moving a recording arrangement with an X-ray detector and an X-ray source, for example attached to a C-arm, along a scanning trajectory, for example as part of a circular movement around the object.

Dabei wird, wie bereits erwähnt, häufig eine Röntgeneinrichtung mit einem C-Arm für medizinische Bildgebungsanwendungen verwendet. Aufgrund der speziellen Auslegung bezüglich der Bewegungsfreiheitsgrade ist die bevorzugte Bildaufnahmetechnik heutiger C-Arm-Systeme eine Rotation um eine festgelegte Achse, beispielsweise die Längsachse des Patienten/Objekts. Diese Rotation resultiert in einer kreisförmigen Abtasttrajektorie des Röntgenstrahlers um den Patienten. Dies ist jedoch von daher nachteilhaft, da diese Abtastgeometrie in den theoretischen Modellen unzureichend ist, so dass nur eine angenäherte Rekonstruktion des dreidimensionalen Bilddatensatzes des Zielvolumens möglich ist. Auf der anderen Seite sind eine Mehrzahl theoretisch ausreichender Abtastgeometrien bekannt, beispielsweise Kreis und Linie (circle and line), Kreis und Bogen (circle and arc), Satteltrajektorien (saddle trajectories) oder Taumeltrajektorien (wobble trajectories). Diese beschriebenen Abtasttrajektorien würden im Ergebnis theoretisch exakte, dreidimensionale Rekonstruktionen erlauben, die frei von Artefakten der Kegelstrahlgeometrie sind.As already mentioned, a C-arm X-ray device is often used for medical imaging applications. Due to the special design with respect to the degrees of freedom of movement, the preferred imaging technique of today's C-arm systems is a rotation about a fixed axis, for example the longitudinal axis of the patient / object. This rotation results in a circular scanning trajectory of the X-ray source around the patient. However, this is disadvantageous because this sampling geometry is insufficient in the theoretical models, so that only an approximate reconstruction of the three-dimensional image data set of the target volume is possible. On the other hand, a plurality of theoretically sufficient sampling geometries are known, for example, circle and line, circle and arc, saddle trajectories, or wobble trajectories. As a result, these described scan trajectories would theoretically allow for accurate, three-dimensional reconstructions that are free from artifacts of cone-beam geometry.

Solche Abtasttrajektorien sind auf bestehenden Systemen äußerst kompliziert zu realisieren. So wäre es notwendig, die Bewegungsfreiheitsgrade des entsprechenden Systems zu ergänzen, indem beispielsweise mehr Drehachsen hinzugefügt werden, und die Steuerung der Röntgeneinrichtung so anzupassen, dass diese Abtasttrajektorien tatsächlich abgefahren werden könnten. Daraus folgt jedoch, dass bei der Verwendung komplexer Abtastgeometrien eine geringere Stabilität der mechanischen Abtastbewegung, eine höhere Aufnahmezeit und eine erhöhte Gefahr von Kollisionen auftreten kann.Such scanning trajectories are extremely complicated to implement on existing systems. Thus, it would be necessary to supplement the degrees of freedom of movement of the corresponding system, for example by adding more axes of rotation, and to adapt the control of the X-ray device so that these scanning trajectories could actually be traversed. However, it follows that using more complex scanning geometries may result in less stability of the mechanical scanning motion, a longer recording time, and an increased risk of collisions.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ohne weitere mechanische Verkomplizierung auch komplexe Abtasttrajektorien realisiert werden können.The invention is therefore based on the object of specifying a method with which complex scanning trajectories can be realized without further mechanical complication.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein mehrere räumlich unterschiedlich angeordnete Röntgenstrahlungsquellen umfassender Röntgenstrahler verwendet wird und die Abtasttrajektorie durch eine Kombination von einer mechanischen Bewegung der Aufnahmeanordnung und einem Umschalten zwischen verschiedenen Röntgenstrahlungsquellen realisiert wird.To achieve this object, the invention provides that in a method of the type mentioned above, a plurality of spatially differently arranged X-ray sources comprehensive X-ray source is used and the Abtasttrajektorie is realized by a combination of a mechanical movement of the recording device and switching between different X-ray sources.

Es wird demnach vorgeschlagen, die gegebene mechanische Bewegung der Röntgeneinrichtung, konkret also der Aufnahmeanordnung, mit einer Art „elektrischer Bewegung” zu kombinieren, die durch Umschalten zwischen verschiedenen Röntgenstrahlungsquellen eines Röntgenstrahlers ermöglicht wird. Derartige Röntgenstrahler sind grundsätzlich bereits bekannt, häufig auch unter dem Namen „verteilte Röntgenquelle” (Distributed X-ray Source, DXS). Ein derartiger Röntgenstrahler umfasst also mithin mehrere in einer bestimmten geometrischen Anordnung zur Verfügung stehende Röntgenstrahlungsquellen, die selektiv aktiviert werden können. Dies kann beispielsweise durch eine Steuereinrichtung der Röntgeneinrichtung, also durch elektronische Steuerung, geschehen. Auf diese Weise wird also schlussendlich der Röntgeneinrichtung ein Freiheitsgrad hinzugefügt, der die Flexibilität zur Erzeugung spezieller Abtasttrajektorien des Röntgenstrahlers bietet und vor allem die Notwendigkeit weiterer mechanischer Bewegungen teilweise vermeidet. Es ergeben sich jedoch noch eine Vielzahl weiterer Vorteile, die im Folgenden dargelegt werden sollen.It is therefore proposed to combine the given mechanical movement of the X-ray device, specifically the recording device, with a kind of "electrical movement" which is made possible by switching between different X-ray sources of an X-ray source. Such X-ray sources are already known in principle, often also under the name "distributed X-ray source" (Distributed X-ray Source, DXS). Thus, such an X-ray source thus comprises a plurality of X-ray sources which are available in a specific geometric arrangement and which can be selectively activated. This can be done for example by a control device of the X-ray device, ie by electronic control. In this way, finally, a degree of freedom is added to the X-ray device which offers the flexibility to generate special scanning trajectories of the X-ray source and in particular partially avoids the need for further mechanical movements. However, there are still a number of other advantages that are set out below.

Zum einen wird die Aufnahmegeschwindigkeit in bestimmten Szenarien erhöht, da ja eine elektronische Umschaltung zwischen den verschiedenen Röntgenstrahlungsquellen erfolgt, die konsequenterweise schneller als eine mechanische Bewegung stattfinden kann. Die Aufnahmezeit wird weiter dadurch verkürzt, dass durch eine insgesamt einfachere mechanische Bewegung trotz komplexer Abtasttrajektorien Zeit eingespart wird. Für den Benutzer, insbesondere in einer medizinischen Umgebung, in der ein Eingriff stattfinden soll, wird es zudem einfacher, das Verhalten und die Bewegung der Aufnahmeanordnung während der Bildaufnahme vorherzusehen.On the one hand, the recording speed is increased in certain scenarios, since there is an electronic switching between the different X-ray sources, which consequently can take place faster than a mechanical movement. The recording time is further shortened by the fact that time is saved by an overall simpler mechanical movement despite complex Abtasttrajektorien. In addition, for the user, especially in a medical environment in which an intervention is to take place, it becomes easier to predict the behavior and the movement of the recording arrangement during the image acquisition.

Die reduzierte mechanische Bewegung während der Bildaufnahme reduziert weiterhin die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen, da die Bewegungswege der Aufnahmeanordnung einfacher sind. Diese einfachere mechanische Bewegung führt letztlich auch zu im Allgemeinen höherer geometrischer Präzision und Reproduzierbarkeit der gesamten Aufnahmegeometrie. Schließlich bleibt anzumerken, dass das mechanische Bewegungssystem insgesamt vereinfacht realisiert werden kann.The reduced mechanical movement during image acquisition further reduces the Probability of collisions as the paths of movement of the picking arrangement are simpler. Ultimately, this simpler mechanical movement also leads to generally higher geometric precision and reproducibility of the entire recording geometry. Finally, it should be noted that the mechanical movement system can be implemented as a whole in a simplified manner.

Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die vorliegende Erfindung vorsieht, dass jedes Projektionsbild, das entlang der Abtasttrajektorie aufgenommen wird, ein komplettes Bild ist, also im Wesentlichen das gesamte Zielvolumen im Objekt zeigt. Jedes Projektionsbild trägt also vollständig und umfassend zur Rekonstruktion bei. Dies steht – wie auch die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung – im Gegensatz zu den sogenannten CT-Systemen mit inverser Geometrie (inverse geometry computed tomography, IGCT). Dort sind mehrere separate Strahlungsquellen mit einem sehr viel kleineren Detektorarray vorgesehen. Dort wird also nicht das gesamte Zielvolumen aufgenommen.It should also be noted at this point that the present invention provides that each projection image taken along the scanning trajectory is a complete image, thus essentially showing the entire target volume in the object. Each projection image thus contributes fully and comprehensively to the reconstruction. This is contrary to the so-called inverse geometry computed tomography (IGCT) CT systems, as well as the object of the present invention. There are several separate radiation sources are provided with a much smaller detector array. So not the entire target volume is recorded there.

Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass als Abtasttrajektorie eine eine theoretisch exakte Rekonstruktion erlaubende Abtasttrajektorie verwendet wird, insbesondere eine Taumeltrajektorie und/oder eine Satteltrajektorie. Relevant bei diesen Trajektorien ist, dass die Menge der zwei Trajektorienpunkte verbindenden Geraden möglichst vollständig das aufzunehmende Zielvolumen abdecken.It can be provided with particular advantage that a scanning trajectory allowing a theoretically exact reconstruction is used as the scanning trajectory, in particular a tumbling trajectory and / or a saddle trajectory. What is relevant with these trajectories is that the set of lines connecting two trajectory points covers the target volume to be recorded as completely as possible.

Konkret kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als Abtasttrajektorie eine Satteltrajektorie durch gleichzeitige mechanische Kreisbewegung der Aufnahmeanordnung und periodisches Durchschalten der aufeinanderfolgend senkrecht zur Kreisebene angeordneten Röntgenstrahlungsquellen realisiert wird. Dieses vorteilhafte Ausführungsbeispiel zeigt auf, dass eine die theoretisch vollständige Rekonstruktion erlaubende Trajektorie wie die Satteltrajektorie schon mit einfachen Systemen, die lediglich zu einer Kreisbewegung der Aufnahmeanordnung ausgebildet sind, realisiert werden können, indem die vorteilhafte Kombination mit der „elektrischen Bewegung” durch Durchschalten der Röntgenstrahlungsquellen vorgenommen wird.Specifically, it can be provided, for example, that a saddle trajectory is realized as a scanning trajectory by simultaneous mechanical circular movement of the recording arrangement and periodic switching through of the x-ray sources arranged successively perpendicularly to the circle plane. This advantageous exemplary embodiment shows that a trajectory permitting the theoretically complete reconstruction, such as the saddle trajectory, can already be realized with simple systems which are only designed for a circular movement of the receiving arrangement, by the advantageous combination with the "electrical movement" by switching through the X-radiation sources is made.

Als Abtasttrajektorie kann auch eine Kreisbahn durch mechanisches Oszillieren der Aufnahmeanordnung in einem kleinen linearen Intervall oder Rotationsintervall und gleichzeitiges Durchschalten der Röntgenstrahlungsquellen realisiert werden. Dabei geht es hier um Kreisbahnen, die beispielsweise in der Tomosynthese genutzt werden, worin üblicherweise die zur Aufnahme der Projektionsbilder genutzte Röntgenstrahlungsquelle einen Kreis unterhalb oder oberhalb des Patienten beschreibt; die Abtasttrajektorie umschließt den Patienten also nicht, sondern liegt in Kreisform neben dem Patienten vor. Erfindungsgemäß kann eine derartige Abtasttrajektorie nun dadurch realisiert werden, dass die mechanische Bewegung und das Umschalten verschiedener Röntgenstrahlungsquellen kombiniert werden, so dass eine einfachere Bewegung realisiert ist. Insbesondere ist es in dieser Ausgestaltung denkbar, sieht man ein Durchschalten der entlang einer Geraden angeordneten Röntgenstrahlungsquellen analog zu einer linearen Bewegung an, aus zwei linearen Bewegungen einen Kreis oder auch eine Ellipse zu schaffen.As a scanning trajectory, a circular path can also be realized by mechanically oscillating the recording arrangement in a small linear interval or rotation interval and at the same time switching the X-radiation sources through. These are circular orbits, which are used, for example, in tomosynthesis, wherein usually the X-ray source used to take the projection images describes a circle below or above the patient; Thus, the scanning trajectory does not surround the patient, but is in a circle next to the patient. According to the invention, such a scanning trajectory can now be realized by combining the mechanical movement and the switching over of different X-ray sources, so that a simpler movement is realized. In particular, it is conceivable in this embodiment, one sees a switching through the arranged along a straight line X-ray sources analogous to a linear movement to create two linear movements of a circle or an ellipse.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann als Abtasttrajektorie eine Helixbahn durch mechanisches Bewegen der Aufnahmeanordnung entlang einer Kreisbahn und durch periodisches Durchschalten der aufeinander folgend senkrecht zur Kreisebene angeordneten Röntgenstrahlungsquellen mit einer Geschwindigkeit derart, dass mehr als eine Kreisbewegung vollzogen ist, ehe alle Röntgenstrahlungsquellen durchgeschaltet sind, realisiert ist. Auf diese Weise wird eine Helixbahn mit einem geringen Pitch erzeugt, der im Wesentlichen durch die Dimensionen des Röntgenstrahlers begrenzt ist, insbesondere also dadurch, wie viele Röntgenstrahlungsquellen senkrecht zur Kreisbahnbewegung vorliegen.In a further exemplary embodiment, a helical trajectory can be realized by mechanically moving the recording arrangement along a circular path and by periodically switching through the x-ray sources arranged successively perpendicularly to the circle plane at a speed such that more than one circular movement is completed before all x-ray radiation sources are switched through , In this way, a helical path is generated with a small pitch, which is essentially limited by the dimensions of the X-ray emitter, in particular thus by how many X-ray sources are present perpendicular to the orbit movement.

Doch sind auch andere Ausgestaltungen als die bislang genannten Beispiele als Abtasttrajektorien vorteilhaft mittels der vorliegenden Erfindung realisierbar. Kreis und Linie-Abtasttrajektorien (circle and line) können beispielsweise durch Anhalten oder Verlangsamen einer Kreisbewegung der Aufnahmeanordnung um das Objekt und ein Durchschalten der Röntgenstrahlungsquellen während des mechanischen Stillstands bzw. der langsamen Bewegung erreicht werden. Derartige Abtasttrajektorien können auch theoretisch exakte Rekonstruktionen erlauben. Als letztes Beispiel seien noch Abtasttrajektorien genannt, die eine zufällige Verteilung von Röntgenstrahlungsquellen auf einer Zylinderoberfläche erlauben. Dann entspricht es dem Zufall, welche Röntgenstrahlungsquelle bei Erreichen einer Aufnahmeposition entlang einer Kreisbahn Röntgenstrahlen aussenden; auch so kann eine komplette Abdeckung des Zielvolumens erzielt werden.However, other embodiments than the previously mentioned examples can also be implemented advantageously as scanning trajectories by means of the present invention. Circle and line scan trajectories can be achieved, for example, by stopping or slowing circular motion of the pickup assembly around the subject and switching the x-ray sources through during mechanical or slow motion. Such sampling trajectories can also theoretically allow for exact reconstructions. As a final example, sampling trajectories may be mentioned which allow a random distribution of X-ray sources on a cylindrical surface. Then, coincidentally, it corresponds to which X-ray source emits X-rays along a circular path upon reaching a photographing position; Even so, a complete coverage of the target volume can be achieved.

Diese Beispiele deuten nur an, welche Freiheit und Flexibilität in der Gestaltung der Abtasttrajektorien das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich bietet, welches durch die Hinzufügung eines neuen Freiheitsgrades durch Nutzung eines „verteilten Röntgenstrahlers” mit mehreren Röntgenstrahlungsquellen diese Vorteile erst ermöglicht. Insbesondere lassen sich noch weitaus komplexere Abtasttrajektorien bzw. Abtastgeometrien realisieren, wenn die Röntgeneinrichtung besonders viele mechanische Freiheitsgrade aufweist.These examples only indicate which freedom and flexibility in the design of scanning trajectories actually offers the method according to the invention, which only makes these advantages possible by the addition of a new degree of freedom by using a "distributed X-ray source" with several X-ray sources. In particular, even far more complex scanning trajectories or scanning geometries can be realized if the x-ray device has particularly many mechanical degrees of freedom.

Wie bereits beschrieben, kann vorgesehen sein, dass die mechanische Bewegung und das Umschalten alternierend ausgeführt werden, wobei es erfindungsgemäß und für die meisten Anwendungen bevorzugt ist, wenn die mechanische Bewegung und das Umschalten gleichzeitig ausgeführt werden. As already described, it can be provided that the mechanical movement and the switching are carried out alternately, wherein it is preferred according to the invention and for most applications, when the mechanical movement and the switching are performed simultaneously.

Zur Realisierung der mechanischen Bewegung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Roboterarm und/oder ein C-Arm verwendet wird, insbesondere eine robotische C-Arm-Gantry. Beispielsweise kann ein C-Arm an einem Roboterarm angeordnet werden. Bekannt sind inzwischen auch Systeme, bei denen mehrere Roboterarme, beispielsweise zwei Roboterarme, ausgehend von einem drehbaren Standelement über gelenkige Verbindungen miteinander und dann mit einem C-Arm verbunden sind. In einem solchen System können beispielsweise sieben Rotationsachsen definiert werden, die eine vielfältige mechanische Bewegung erlauben. Bei solchen bereits sehr flexible Bildaufnahmegeometrien erlaubenden Systemen bildet die Verwendung eines Röntgenstrahlers mit mehreren Röntgenstrahlungsquellen ebenso einen weiteren Freiheitsgrad, der die einfache Realisierung komplexerer Abtasttrajektorien erlaubt.For realizing the mechanical movement, provision can be made for at least one robotic arm and / or a C-arm to be used, in particular a robotic C-arm gantry. For example, a C-arm can be arranged on a robot arm. In the meantime, systems are also known in which a plurality of robot arms, for example two robot arms, are connected to one another and then to a C-arm starting from a rotatable upright element via articulated connections. In such a system, for example, seven axes of rotation can be defined, which allow a diverse mechanical movement. In such already very flexible imaging systems, the use of an X-ray source with multiple X-ray sources also provides a further degree of freedom that allows the simple realization of more complex scanning trajectories.

Zur Realisierung des mehrere Röntgenstrahlungsquellen umfassenden Röntgenstrahlers existieren mehrere Möglichkeiten, die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. In einem einfachen Fall können beispielsweise mehrere übliche Röntgenröhren als Röntgenstrahlungsquellen zu einem verteilten Röntgenstrahler kombiniert werden. Denkbar und bevorzugt sind jedoch Röntgenstrahler, die eine ausgedehnte Anode aufweisen, insbesondere eine lange Stehanode, die mehrere auswählbare Brennpunkte aufweist, auf die ein Elektronenstrahl geleitet werden kann. Letztlich bildet dann jeder dieser Brennpunkte eine Röntgenstrahlungsquelle. Mit besonderem Vorteil jedoch wird ein Brennpunkte an verschiedenen Positionen einer Anode erzeugende Kohlenstoffnanoröhren umfassender Röntgenstrahler verwendet. Kohlenstoffnanoröhren (carbon nano tubes, CNT) wurden erst kürzlich für einen solchen Einsatz entwickelt und weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf, die das erfindungsgemäße Verfahren noch zweckmäßiger durchführbar machen. CNT sind lange, dünne Zylinder aus einlagigen oder mehrlagigen aufgerollten Graphitschichten mit einem Durchmesser in der Größenordnung von beispielsweise 1–10 nm. Aufgrund ihrer Geometrie weisen Kohlenstoffnanoröhren an ihren Spitzen im elektrischen Feld eine große Überhöhung der Feldstärke auf und sind daher besonders geeignet für die Verwendung als Kathoden bei der Elektronenemission. CNT sind keine thermischen Quellen, das bedeutet, es tritt weniger Erhitzung auf. Zudem ist der Wirkungsgrad bei niedrigem Leistungsverbrauch weit besser.For realizing the X-ray source comprising a plurality of X-ray sources, there are several possibilities that can be used in the method according to the invention. In a simple case, for example, several conventional x-ray tubes can be combined as x-ray sources into a distributed x-ray source. However, x-rayers which have an extended anode, in particular a long stator anode, which has a plurality of selectable focal points, to which an electron beam can be conducted, are conceivable and preferred. Ultimately, then each of these focal points forms an X-ray source. With particular advantage, however, a focal point at various positions of an anode-producing carbon nanotubes comprehensive X-ray source is used. Carbon nanotubes (CNTs) have recently been developed for such use and have a number of advantages which make the process of the invention even more practical. CNTs are long, thin cylinders of single-layer or multi-layer rolled graphite layers with a diameter of the order of 1-10 nm, for example. Due to their geometry, carbon nanotubes exhibit a large increase in field strength at their tips in the electric field and are therefore particularly suitable for use as cathodes at the electron emission. CNTs are not thermal sources, meaning less heating occurs. In addition, the efficiency at low power consumption is far better.

In weiterer Ausbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zur Sicherstellung des Empfangs der Röntgenstrahlen aller Röntgenstrahler ein insbesondere ansteuerbarer Kollimator verwendet wird. Ein derartiger Kollimator ist mithin dem Röntgenstrahler zugeordnet und insbesondere unmittelbar an den Röntgenstrahlungsquellen angeordnet, wobei im erfindungsgemäßen Verfahren selbstverständlich auch ein Streustrahlenraster für den Detektor Verwendung finden kann. Die geometrische Auslegung dieses Kollimators kann nun so gewählt werden, dass auch ohne eine zusätzliche Ansteuerung sichergestellt ist, dass die von den Röntgenstrahlungsquellen ausgesandten Röntgenstrahlen auf den Röntgendetektor auftreffen. Dies ist insbesondere in der Medizin aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, da dann keine Bereiche des Patienten bestrahlt werden, die nicht aufgenommen werden. Selbstverständlich ist es alternativ auch denkbar, einen ansteuerbaren Kollimator zu verwenden, wobei dann jeder Röntgenstrahlungsquelle eine Einstellung zugeordnet ist. Dabei werden dann sowohl der Kollimator wie auch der Röntgenstrahler von einer Steuereinrichtung entsprechend angesteuert.In a further embodiment of the method it can be provided that, in order to ensure the reception of the X-rays of all X-ray emitters, a particularly controllable collimator is used. Such a collimator is therefore assigned to the X-ray source and, in particular, arranged directly on the X-ray sources, it being understood that in the method according to the invention a scattered radiation grid can also be used for the detector. The geometric design of this collimator can now be selected so that it is ensured even without an additional control that the X-rays emitted by the X-ray sources impinge on the X-ray detector. This is particularly advantageous in medicine for safety reasons, since then no areas of the patient are irradiated, which are not included. Of course, it is alternatively also conceivable to use a controllable collimator, wherein each X-ray source is then assigned a setting. In this case, both the collimator and the X-ray source are controlled accordingly by a control device.

Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Röntgeneinrichtung mit einer einen Röntgendetektor und einen Röntgenstrahler umfassenden, durch mechanische Mittel bewegbaren Aufnahmeanordnung, wobei der Röntgenstrahler mehrere räumlich unterschiedlich angeordnete Röntgenstrahlungsquellen umfasst, und mit einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildeten Steuereinrichtung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung übertragen, so dass die Merkmale auch dort realisiert werden können. Insbesondere ist die Steuereinrichtung folglich dazu ausgebildet, eine bestimmte Abtasttrajektorie für eine Röntgenstrahlungsquelle dadurch zu realisieren, dass die mechanischen Mittel und der Röntgenstrahler derart angesteuert werden, dass die Abtasttrajektorie durch eine Kombination von einer mechanischen Bewegung der Aufnahmeanordnung und einem Umschalten zwischen verschiedenen Röntgenstrahlungsquellen realisiert wird. Dadurch ergeben sich die bereits bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens genannten Vorteile, insbesondere die dort beschriebene Flexibilität bezüglich der Realisierung komplexer Abtastgeometrien.In addition to the method, the present invention also relates to an X-ray device with a recording device comprising an X-ray detector and an X-ray emitter, which can be moved by mechanical means, wherein the X-ray emitter comprises a plurality of spatially differently arranged X-ray sources, and with a control device designed for carrying out the method according to the invention. All statements relating to the method according to the invention can be analogously transferred to the X-ray device according to the invention, so that the features can also be realized there. In particular, the control device is therefore designed to realize a specific scanning trajectory for an X-ray source by controlling the mechanical means and the X-ray source such that the scanning trajectory is realized by a combination of a mechanical movement of the recording arrangement and a switching between different X-ray sources. This results in the advantages already mentioned with regard to the method according to the invention, in particular the flexibility described therein with regard to the realization of complex scanning geometries.

Es kann vorgesehen sein, dass der Röntgenstrahler und der Röntgendetektor an einander gegenüberliegenden Enden eines C-Arms angeordnet sind und/oder die Röntgeneinrichtung wenigstens einen Roboterarm umfasst. Typische Ausgestaltungen sind beispielsweise, dass ein C-Arm an einem oder mehreren Roboterarmen angeordnet ist.It can be provided that the X-ray emitter and the X-ray detector are arranged at opposite ends of a C-arm and / or the X-ray device comprises at least one robot arm. Typical configurations are, for example, that a C-arm is arranged on one or more robot arms.

Die Röntgeneinrichtung kann ferner dem Röntgenstrahler zugeordnet einen insbesondere durch die Steuereinrichtung ansteuerbaren Kollimator umfassen. Ein solcher Kollimator kann mithin so ausgelegt seid, dass er grundsätzlich sicherstellt, dass die Röntgenstrahlen aller Röntgenstrahlungsquellen am Röntgendetektor empfangen werden. Es ist jedoch auch eine ansteuerbare Variante denkbar, die folglich eine Einstellung je nach verwendeter Röntgenstrahlungsquelle aufweist. The x-ray device may further comprise, associated with the x-ray emitter, a collimator that can be controlled in particular by the control device. Such a collimator can therefore be designed so that it basically ensures that the X-rays of all X-ray sources are received at the X-ray detector. However, it is also a controllable variant conceivable, which consequently has a setting depending on the X-ray source used.

Mit besonderem Vorteil kann der Röntgenstrahler in der oben bereits beschriebenen Weise Kohlenstoffnanoröhren umfassen. Solche Kohlenstoffnanoröhren werden, wie bereits dargelegt, als Emissionskathoden zur Emission eines Elektronenstrahls eingesetzt, wobei dann mehrere derartige Elektronenemitter speziellen Brennpunkten auf beispielsweise einer langen Stehanode zugeordnet können.With particular advantage, the X-ray source can comprise carbon nanotubes in the manner already described above. Such carbon nanotubes are, as already stated, used as emission cathodes for the emission of an electron beam, in which case several such electron emitters can be assigned to specific focal points on, for example, a long standing anode.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:Further advantages and details of the present invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawing. Showing:

1 eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung in einer ersten Ausführungsform, 1 an X-ray device according to the invention in a first embodiment,

2 eine schematische Skizze des Röntgenstrahlers der Röntgeneinrichtung, 2 a schematic sketch of the X-ray source of the X-ray device,

3 eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung in einer zweiten Ausführungsform, und 3 an inventive X-ray device in a second embodiment, and

4 eine mögliche Abtasttrajektorie. 4 a possible sampling trajectory.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung 1 in einer ersten Ausführungsform. Sie umfasst ein Stativ 2 mit einem gelenkigen Roboterarm 3, an dem wiederum ein C-Arm 4 mechanisch bewegbar gelagert ist. An einem Ende des C-Arms 4 ist ein Röntgenstrahler 5 angeordnet, ihm gegenüberliegend ein Detektor 6. Mittels mechanischer Mittel 7 kann der C-Arm 4 mit der Aufnahmeanordnung auf unterschiedliche Projektionswinkel relativ zu einem beispielsweise auf einem Patiententisch 8 angeordneten Patienten 9 eingestellt werden. Der Röntgenstrahler 5 und der Röntgendetektor 6 bilden dabei die Aufnahmeanordnung. 1 shows an X-ray device according to the invention 1 in a first embodiment. It includes a tripod 2 with a hinged robot arm 3 , on which again a C-arm 4 is mounted mechanically movable. At one end of the C-arm 4 is an X-ray source 5 arranged, opposite him a detector 6 , By mechanical means 7 can the C-arm 4 with the recording arrangement to different projection angles relative to, for example, on a patient table 8th arranged patients 9 be set. The X-ray source 5 and the X-ray detector 6 form the recording arrangement.

Der Röntgenstrahler 5 ist dabei als ein sogenannter verteilter Röntgenstrahler 5 realisiert. Das bedeutet, er umfasst mehrere Röntgenstrahlungsquellen 10, die vorliegend als ein lineares Array angeordnet sind, wobei selbstverständlich auch andere Anordnungen vorgesehen werden können, beispielsweise gar eine Matrix verschiedener Röntgenstrahlungsquellen. Diese können nun selektiv betrieben werden, angesteuert durch die Steuereinrichtung 11 der Röntgeneinrichtung 1, wobei ein Kollimator 12 sicherstellt, dass für jede Röntgenstrahlungsquelle 10 die Röntgenstrahlen auch – den direkten Weg betrachtend – den Röntgendetektor 6 erreichen. Unabhängig davon, welche der Röntgenstrahlungsquellen 10 also betrieben wird, werden keine Teile des Patienten 9 bestrahlt, die nicht auch aufgenommen werden. Dem Röntgendetektor 6 zugeordnet kann auch ein Streustrahlenraster (nicht gezeigt) vorgesehen sein.The X-ray source 5 is there as a so-called distributed X-ray source 5 realized. That is, it includes several x-ray sources 10 , Which are arranged here as a linear array, whereby of course other arrangements can be provided, for example, even a matrix of different X-ray sources. These can now be selectively operated, driven by the controller 11 the X-ray device 1 , being a collimator 12 Ensures that for every X-ray source 10 X-rays also - considering direct way - the X-ray detector 6 to reach. Regardless of which of the X-ray sources 10 So, no parts of the patient are operated 9 irradiated, which are not included. The X-ray detector 6 also assigned a scattered radiation grid (not shown) may be provided.

Ziel im erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun, Projektionsbilder mittels der Aufnahmeanordnung der Röntgeneinrichtung 1 aufzunehmen, die derart unter unterschiedlichen Projektionswinkeln aufgenommen werden, dass ein interessierendes Zielvolumen 13, hier der Kopf des Patienten 9, möglichst genau dreidimensional rekonstruiert werden kann. Selbstverständlich sind auch andere Aufgabenstellungen, beispielsweise in der Tomosynthese, denkbar, in denen aus verschiedenen Projektionsbildern ein dreidimensionaler Bilddatensatz rekonstruiert werden soll. Derartige Rekonstruktionsmethoden, beispielsweise die Rückprojektion, sind weithin bekannt und müssen hier nicht näher dargelegt werden.The object of the method according to the invention is now to produce projection images by means of the recording arrangement of the X-ray device 1 which are taken at different projection angles such that a target volume of interest 13 , here the patient's head 9 , as accurately as possible reconstructed three-dimensional. Of course, other tasks, for example in tomosynthesis, are conceivable in which a three-dimensional image data set is to be reconstructed from different projection images. Such reconstruction methods, such as backprojection, are well known and need not be further detailed here.

Gemein haben diese Prozesse, in denen zweidimensionale Projektionsbilder zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz rekonstruiert werden sollen, jedoch, dass die Projektionsbilder meist mit komplexen Abtasttrajektorien aufgenommen werden sollten, um die bestmögliche Bildqualität zu erreichen. Die Abtasttrajektorie definiert letztlich die Positionen, unter denen Röntgenstrahlen abgegeben werden sollten, um den gewünschten Satz von Projektionsbildern unter den Projektionswinkeln auch tatsächlich zu erhalten. Geht es beispielsweise darum, eine möglichst genaue dreidimensionale Rekonstruktion des Zielvolumens 13 zu ermöglichen, bietet es sich an, eine Abtasttrajektorie zu wählen, die theoretisch eine exakte Rekonstruktion des Zielvolumens 13 erlaubt.These processes, in which two-dimensional projection images are to be reconstructed into a three-dimensional image data set, are common, however, that the projection images should usually be recorded with complex scanning trajectories in order to achieve the best possible image quality. The scanning trajectory ultimately defines the positions under which x-rays should be emitted in order to actually obtain the desired set of projection images at the projection angles. Is it about, for example, the most accurate three-dimensional reconstruction of the target volume 13 To make it possible to choose a scanning trajectory, theoretically an exact reconstruction of the target volume 13 allowed.

Eine solche Abtasttrajektorie ist die in 4 beispielhaft dargestellte Satteltrajektorie 14 um das Zielvolumen 13.Such a scanning trajectory is the one in 4 illustrated saddle trajectory 14 around the target volume 13 ,

Bei der Röntgeneinrichtung 1 können derartige komplexe Abtasttrajektorien auf besonders einfache Art und Weise realisiert werden, indem eine mechanische Bewegung, realisiert über die mechanischen Mittel 7, mit einer „elektrischen Bewegung”, realisiert durch das Durchschalten verschiedener Röntgenstrahlungsquellen 10 des Röntgenstrahlers 5, kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, auch komplexere Abtastgeometrien mit einfacheren mechanischen Bewegungen zu realisieren und die gesamte Aufnahmezeit zu verkürzen.At the X-ray device 1 Such complex Abtasttrajektorien can be realized in a particularly simple manner by a mechanical movement realized by the mechanical means 7 , with an "electrical movement", realized by the switching of different X-ray sources 10 of the X-ray source 5 , be combined. It is thus possible, for example, to realize even more complex scanning geometries with simpler mechanical movements and to shorten the overall recording time.

Dies sei anhand des Beispiels der 4, also der Satteltrajektorie 14, näher erläutert. Um diese zu realisieren wird vorliegend lediglich eine Kreisbewegung der Aufnahmeanordnung um die Längsachse des Patienten 9 benötigt, vgl. Pfeil 15. Gleichzeitig zu dieser Kreisbewegung der Annahmeanordnung werden die Röntgenstrahlungsquellen 10 durchgeschaltet, Pfeil 16, so dass sich für eine virtuelle Röntgenstrahlungsquelle die in 4 gezeigte Satteltrajektorie 14 ergibt.This is based on the example of 4 So the saddle trajectory 14 , explained in more detail. To realize this, in the present case only a circular movement of the receiving arrangement about the longitudinal axis of the patient 9 needed, cf. arrow 15 , Simultaneously with this circular movement of the acceptance arrangement become the X-ray sources 10 switched through, arrow 16 , so that for a virtual X-ray source in 4 shown saddle trajectory 14 results.

Als Beispiel für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für Abtasttrajektorien in anderen Anwendungsgebieten sei noch die Tomosynthese genannt. Hierzu ist es bekannt, Kreisbahnen, beispielsweise oberhalb oder unterhalb des Patienten 9, zu nutzen, um für die Tomosynthese Projektionsbilder unter verschiedenen Projektionswinkel zu erhalten. Dies kann mit der Röntgeneinrichtung 1 dadurch realisiert werden, dass eine lineare Bewegung der Aufnahmeanordnung, wobei sich der Röntgenstrahler 5 oszillierend senkrecht zur Patientenlängsachse und zur Richtung der aufeinander folgenden Röntgenstrahlungsquellen 10 bewegt, und ein einer linearen Bewegung einer virtuellen Röntgenstrahlungsquelle entsprechendes Durchschalten der Röntgenstrahlungsquellen 10 durchgeführt werden.As an example of an application of the method according to the invention for scanning trajectories in other fields of application, tomosynthesis may be mentioned. For this purpose it is known circular paths, for example, above or below the patient 9 , to use for tomosynthesis projection images under different projection angles. This can be done with the X-ray device 1 be realized in that a linear movement of the receiving device, wherein the X-ray source 5 oscillating perpendicular to the patient's longitudinal axis and to the direction of the successive X-ray sources 10 moving, and a linear movement of a virtual X-ray source corresponding switching through the X-ray sources 10 be performed.

Auch andere, insbesondere komplexere Trajektorien lassen sich durch die dargestellte Kombination einer mechanischen Bewegung und einer „elektrischen Bewegung” durch Durchschalten der Röntgenstrahlungsquellen 10 realisieren, wie oben in der allgemeinen Beschreibung schon in mehreren Beispielen erläutert.Other, in particular more complex trajectories can also be achieved by the illustrated combination of a mechanical movement and an "electrical movement" by switching through the X-ray sources 10 realize, as explained above in the general description in several examples.

2 zeigt den verwendeten Röntgenstrahler 5 in einer Prinzipskizze genauer. Er umfasst mehrere als Emissionskathoden wirkende Kohlenstoffnanoröhren 17, von denen wahlweise jeweils eine betrieben werden kann, um einen bei 18 angedeuteten Elektronenstrahl auf einen bestimmten Brennpunkt 19 (focal spot) auf einer langen Stehanode 20 zu richten. An dem entsprechenden Brennpunkt 19 entstehen dann die Röntgenstrahlen, so dass die Brennpunkte 19 letztlich den Röntgenstrahlungsquellen 10 entsprechen. 2 shows the used X-ray source 5 in a schematic diagram in more detail. It comprises several carbon nanotubes acting as emission cathodes 17 , of which either one can be operated to one at 18 indicated electron beam to a certain focal point 19 (focal spot) on a long standing anode 20 to judge. At the corresponding focal point 19 then the X-rays are created, causing the foci 19 ultimately the X-ray sources 10 correspond.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung 1' zeigt 3. Darin sind aufgrund der zwei über Gelenke verbundenen Arme 21, die den C-Arm 4 mit den Röntgenstrahler 5 und dem Röntgendetektor 6 tragen, eine Vielzahl zusätzlicher Bewegungsfreiheitsgrade durch mechanische Mittel gegeben, wie durch die verschiedenen Pfeile 22 angedeutet wird, hier sieben Rotationsfreiheitsgrade.Another embodiment of an X-ray device according to the invention 1' shows 3 , These are due to the two arms connected by joints 21 that the C-arm 4 with the X-ray source 5 and the X-ray detector 6 A variety of additional degrees of freedom of movement are given by mechanical means, as by the various arrows 22 is hinted at, here seven rotational degrees of freedom.

Es sei abschließend noch angemerkt, dass die kombinierte Bewegung und Umschaltung verschiedener Röntgenstrahlungsquellen 10 nicht unbedingt gleichzeitig erfolgen muss, sondern auch eine alternierende Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 11 denkbar ist.It should finally be noted that the combined movement and switching of different X-ray sources 10 not necessarily be done simultaneously, but also an alternating control by the controller 11 is conceivable.

Claims

Method for recording projection images of an object to be reconstructed into a three-dimensional image data set at different projection angles described by a scanning trajectory using an X-ray detector ( 6 ) and an X-ray source ( 5 ) comprehensive X-ray device ( 1 . 1' ), wherein the X-ray detector ( 6 ) and the X-ray source ( 5 ) form a receiving arrangement, characterized in that a plurality of spatially differently arranged X-ray sources ( 10 ) comprehensive X-ray source ( 5 ) and the scanning trajectory by a combination of a mechanical movement of the recording device and a switching between different X-ray sources ( 10 ) is realized.

Method according to Claim 1, characterized in that a scanning trajectory allowing a theoretically exact reconstruction is used as the scanning trajectory, in particular a tumbling trajectory and / or a saddle trajectory ( 14 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the scanning trajectory is a saddle trajectory ( 14 ) by simultaneous mechanical circular movement of the receiving arrangement and periodically switching through the X-ray sources arranged successively perpendicular to the circle plane ( 10 ) is realized.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that as scanning trajectory a circular path by mechanically oscillating the recording arrangement in a small linear interval or rotation interval and simultaneously switching through the X-ray sources ( 10 ) is realized.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that as scanning trajectory a helix trajectory by mechanically moving the recording device along a circular path and by periodically switching through the successive perpendicular to the circle plane arranged X-ray sources ( 10 ) at a speed such that more than one circular motion is completed before all X-ray sources ( 10 ) are realized.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical movement and switching can be performed simultaneously or alternately.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the realization of the mechanical movement at least one robot arm ( 3 . 21 ) and / or a C-arm ( 4 ), in particular a robotic C-arm gantry.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a focal point at different position generating carbon nanotubes ( 17 ) comprehensive X-ray source ( 5 ) is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that to ensure the reception of the X-rays of all X-ray sources ( 10 ) a particular controllable collimator ( 12 ) is used.

X-ray device ( 1 . 1' ) with an X-ray detector ( 6 ) and an X-ray source ( 5 ), movable by mechanical means receiving arrangement, wherein the X-ray source ( 5 ) several spatially differently arranged X-ray sources ( 10 ) and with a control device configured to carry out a method according to one of the preceding claims ( 11 ).

X-ray device according to claim 10, characterized in that the X-ray source ( 5 ) and the X-ray detector ( 6 ) at opposite ends of a C-arm ( 4 ) are arranged and / or the X-ray device ( 1 . 1' ) at least one robot arm ( 3 . 21 ).

X-ray device according to claim 8 or 9, characterized in that it furthermore belongs to the X-ray source ( 5 ) associated with a particular by the control device ( 11 ) controllable collimator ( 12 ).

X-ray device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the X-ray source ( 5 ) Carbon nanotubes ( 17 ).