DE102010033511A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl von projektiven Röntgenbildern von einem Untersuchungsobjekt aus unterschiedlichen Richtungen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl von projektiven Röntgenbildern von einem Untersuchungsobjekt (6) aus unterschiedlichen Richtungen, insbesondere bei einem Mammographieverfahren zum Erzeugen von Röntgenbildern von einer Brust, ist die Verwendung einer Röntgenquelle (2) vorgesehen, die eine Mehrzahl (N) von nebeneinander angeordneten Röntgenemittern (4i) umfasst, die jeweils ein auf das Untersuchungsobjekt (6) gerichtetes Röntgenstrahlbündel (13i) emittieren. Diese werden mit einem digitalen Röntgendetektor (12) empfangen, der einen zum jeweiligen Röntgenemitter (4i) gehörenden Projektionsdatensatz (Pi) bereitstellt, wobei der Projektionsdatensatz (Pi) mit einer zu einer näherungsweise bestimmten Materialzusammensetzung und zu dem jeweiligen Röntgenemitter (4i) gehörenden Streustrahlausbreitungsfunktion (SBSFi) im Hinblick auf den jeweiligen Streustrahlungsanteil korrigiert wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Mehrzahl von projektiven Röntgenbildern von einem Untersuchungsobjekt und insbesondere auf ein Mammographieverfahren zum Erzeugen projektiver Röntgenbilder aus unterschiedlichen Richtungen von einer Brust. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Vorrichtung bzw. ein Mammographiegerät zum Durchführen des Verfahrens.
• Bei der Erzeugung eines projektiven Röntgenbildes von einem Untersuchungsobjekt ist das Auftreten von Sekundärstrahlung unvermeidlich, die durch Streuung der von der Röntgenquelle emittierten Primärstrahlung an im Strahlengang befindlichen Streuzentren entsteht. Ein wesentlicher Anteil der Streustrahlung entsteht dabei durch Streuprozesse, die im Untersuchungsobjekt selbst stattfinden. Bei der Mammographie kann die in der Brust erzeugte Streustrahlung eine Intensität erreichen, die die Größenordnung der ungestreuten Primärstrahlung erreichen kann. Die damit einhergehende Verschlechterung der Bildqualität erschwert die Erkennbarkeit und diagnostische Bewertung von Läsionen.
• Zur Verringerung des Anteils der Streustrahlung im Röntgenbild sind neben mechanischen Maßnahmen, beispielsweise die Verwendung eines sogenannten Streustrahlungsrasters, außerdem rechnerische Verfahren der Streustrahlung bekannt, bei denen der Anteil, den die Streustrahlung zur Intensität im jeweiligen Bildpunkt beiträgt, rechnerisch eliminiert wird. Ein solches rechnerisches Verfahren zur Korrektur der von einem Röntgendetektor empfangenen Messsignale ist beispielsweise in der DE 10 2004 029 010 A1 erläutert. Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe eines mit Monte-Carlo-Simulationsrechnungen für unterschiedliche Objekt- und Aufnahmeparameter erstellten Mamma-Strahlausbreitungsfunktions-Atlas (Mamma-SBSF(Scatter-Beam-Spread-Function)-Atlas) aus dem bei einer Röntgenaufnahme erzeugten Projektionsdatensatz ein korrigierter Projektionsdatensatz erzeugt, der nur noch den auf Primärstrahlung zurückgehenden Anteil, d. h. nur noch den auf direktem Weg auf den Röntgendetektor auftreffenden Anteil der Strahlung wiedergibt. Das bekannte Verfahren ist jedoch nur für Röntgenanlagen geeignet, bei denen das Untersuchungsobjekt mit einem Röntgenstrahlbündel durchleuchtet wird, der von einem einzigen Fokus ausgeht, d. h. bei denen als Röntgenquelle ein Einzelfokusstrahler zum Einsatz gelangt.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer Mehrzahl von projektiven Röntgenbildern von einem Untersuchungsobjekt aus unterschiedlichen Richtungen, insbesondere ein Mammographieverfahren zum Erzeugen einer Mehrzahl von projektiven Röntgenbildern von einer Brust anzugeben, mit dem eine rechnerische Korrektur der Streustrahlung auch bei Verwendung einer Röntgenquelle möglich ist, die eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Röntgenemittern umfasst, bei dem das Untersuchungsobjekt aus unterschiedlichen Richtungen durchstrahlt wird. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung anzugeben.
• Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei dem Verfahren werden die projektiven Röntgenbilder mit einer Röntgenquelle erzeugt, die eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Röntgenemittern umfasst, die jeweils ein auf das Untersuchungsobjekt gerichtetes Röntgenstrahlbündel emittieren. Die Röntgenstrahlbündel werden mit einem digitalen Röntgendetektor empfangen, der einen zum jeweiligen Röntgenemitter gehörenden Projektionsdatensatz bereitstellt. Dieser Projektionsdatensatz wird mit einer zu einer nährungsweise bestimmten Materialzusammensetzung und zu dem jeweiligen Röntgenemitter gehörenden Streustrahlausbreitungsfunktion im Hinblick auf den jeweiligen Streustrahlungsanteil korrigiert.
• Die Streustrahlausbreitungsfunktionen liegen hierzu in parametrisierter Form für eine Vielzahl von Aufnahme- und Objektparametern in Form eines im Voraus erstellten Tabellenwerkes vor. Dieses Tabellenwerk wird auch als Mamma-SBSF-Atlas bezeichnet. Ein solcher Mamma-SBSF-Atlas wird im Voraus für jeden Röntgenemitter vorzugsweise mit Monte-Carlo-Simulationsrechnungen erstellt. Die zum jeweiligen Röntgenemitter gehörende Streustrahlausbreitungsfunktion kann dementsprechend aus dem für diesen Röntgenemitter vorliegenden Mamma-SBSF-Atlas unmittelbar oder gegebenenfalls durch Interpolation ermittelt werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Streustrahlausbreitungsfunktion für jeden Röntgenemitter mit dem Abstand zwischen Röntgenemitter und der Empfangsfläche des Röntgendetektors und/oder dem Winkel zwischen der Mittelsenkrechten der Empfangsfläche des Röntgendetektors und der Verbindungslinie zwischen dem Röntgenemitter und Mitte der Empfangsfläche parametrisiert.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die näherungsweise Bestimmung der Materialzusammensetzung anhand des vom Röntgendetektor für zumindest einen Röntgenemitter bereitgestellten Projektionsdatensatzes.
• Wenn die projektiven Röntgenbilder von einer Brust erzeugt werden, kann in einer alternativen Ausgestaltung deren Materialzusammensetzung näherungsweise mit einer elektrischen Körperfettanalyseeinrichtung mit an der Brust angebrachten Elektroden bestimmt werden.
• In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die aus unterschiedlichen Richtungen gewonnenen projektiven Röntgenbilder zu einem diagnostisch besonders aussagefähigen tomosynthetischen Röntgenbild zusammengesetzt.
• Vorzugsweise werden außerdem mit zumindest einem Röntgenemitter zeitlich nacheinander wenigstens zwei Röntgenbilder mit energetisch unterschiedlichen Röntgenstrahlen aufgenommen, um eine verbesserte Gewebedifferenzierung zu ermöglichen. Eine besondere Variante dieses Verfahrens ist beispielsweise aus J. M. Lewin et al, „dual-energy contrast-enhanced digital subtraction mammography: feasibility", Radiology 2003, Vol. 229, Seiten 261–268 bekannt. Bei diesem kontrastverstärkten Mammographieverfahren werden ein erstes Einzelbild mit einem niederenergetischen Röntgenstrahl und ein zweites Einzelbild mit einem hochenergetischen Röntgenstrahl aufgenommen. Das Energiespektrum des niederenergetischen Röntgenstrahls ist dabei so gewählt, dass im Einzelbild das Kontrastmittel praktisch nicht sichtbar ist, während der höherenergetische Röntgenstrahl von dem Kontrastmittel stark absorbiert wird. Aus diesen zeitlich nacheinander aufgenommenen Einzelbildern wird ein Differenzbild erzeugt, aus dem die Strukturen des normalen Brustgewebes weitgehend eliminiert sind, und in dem das sich gegebenenfalls durch starke Kompression der Brust nur schwach anreichernde Kontrastmittel deutlich sichtbar wird.
• Hinsichtlich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 8, deren Vorteile sich unmittelbar aus den zu den Verfahrensansprüchen genannten Vorteilen ergeben.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen. Es zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel eines Mammographiegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht von vorne,
• 2 eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mammographiegerätes in einer Seitenansicht,
• 3 den Strahlengang durch das Untersuchungsobjekt in Abhängigkeit von der Position des Röntgenemitters für einen am Rand und für einen in der Mitte der Röntgenquelle befindlichen Röntgenemitter,
• 4 ein Diagramm, in dem schematisch die normierte Streustrahlausbreitungsfunktion SBSF gegen die Position eines Detektorpixels in einer zur Längsachse der Röntgenquelle parallelen Richtung aufgetragen ist.
• Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, im Beispiel ein Mammographiegerät, eine Röntgenquelle 2, in der eine Mehrzahl von Röntgenemittern 4i(i = 1, ..., N) in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Im Beispiel sind N = 15 Röntgenemitter 4i dargestellt. Im dargestellten Beispiel sind die Röntgenemitter 4i längs einer Geraden angeordnet. Grundsätzlich können die Röntgenemitter 4i jedoch auch beispielsweise entlang einer gekrümmten Kurve, beispielsweise ein Kreisbogen, angeordnet sein.
• Im Beispiel handelt es sich bei dem Untersuchungsobjekt 6 um eine Brust, die zwischen einer Kompressionsplatte 8 und einer Lagerplatte 10 in einem komprimierten Zustand angeordnet ist. Unterhalb der Lagerplatte 10 ist ein digitaler Röntgendetektor 12 angeordnet, der zum Empfangen der von den Röntgenemittern 4i jeweils emittierten Röntgenstrahlen eine Mehrzahl von in einem zweidimensionalen Array angeordneten Detektorelementen 12k(k = 1, ..., M) enthält. Der Röntgendetektor 12 stellt für jedes von den Röntgenemittern 4i jeweils emittierte und von ihm empfangene, gestrichelt eingezeichnete Röntgenstrahlbündel 13i einen Projektionsdatensatz P_i zur Verfügung, der aus M Messwerten besteht, die jeweils aus Streustrahlung und Primärstrahlung zusammengesetzt sind. Röntgenquelle 2, Kompressionsplatte 8 und die aus Lagerplatte 10 und Röntgendetektor 12 bestehende Einheit sind höhenverstellbar an einem Gestell 14 angeordnet.
• Für jeden Röntgenemitter 4i liegen eine Vielzahl von Streustrahlausbreitungsfunktionen SBSF_i (M, F, U, S, a_i, φ_i, ... _α, H_i) vor, die vorab für eine Vielzahl von Aufnahmeparametern, beispielsweise das jeweils verwendete Anodenmaterial M, die verwendeten Filter F, die Anodenspannung U, der Luftspalt s, der Abstand a_i zwischen Röntgenemitter 4i und der Detektormitte, sowie alternativ oder ergänzend hierzu auch der Winkel φ_i zwischen der Mittensenkrechten 16 der Empfangsfläche 120 und der Verbindungslinie 18 zwischen Röntgenemitter 4i und der Mitte der Empfangsfläche 120, und für eine entsprechende Vielzahl von Objektparametern, beispielsweise die Materialzusammensetzung, bei der Mammographie insbesondere ein das Anteilsverhältnis von Drüsen- zu Fettgewebe wiedergebender Parameter und die dem jeweiligen Röntgenemitter 4i zugeordnete Brustdicke H_i, beispielsweise auf der Grundlage von Monte-Carlo-Simulationen erstellt worden sind. Mit anderen Worten: Für jeden Röntgenemitter 4i liegen die zu ihm gehörenden Streustrahlausbreitungsfunktionen SBSF_i in Form eines Mamma-SBSF-Atlas A_i vor. Diese sind in einem Datenspeicher 20 abgelegt, auf den eine Steuer- und Auswerteeinheit 22 bei der Berechnung der korrigierten Projektionsdatensätze P_i,korr zugreift.
• Die von der Position des Röntgenemitters 4i abhängige Brustdicke H_i ist anhand von 2 veranschaulicht. Die dem jeweiligen Röntgenemitter 4i zugeordnete Brustdicke H_i (H₁ in 2 für den Röntgenemitter 41) ist auf den Zentralstrahl bezogen und lässt sich bei bekanntem Winkel φ_i unmittelbar aus dem Abstand H zwischen Kompressions- und Lagerplatte 8 bzw. 10 ableiten, die im Beispiel der Brustdicke H₈ entspricht, die vom Röntgenstrahlbündel 138 durchstrahlt wird, das vom mittleren Röntgenemitter 48 emittiert wird. In der 2 ist außerdem schematisch eine elektrische Körperfettanalyseeinrichtung 30 dargestellt, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2004 043 032 A1 bekannt ist, die auf die Brust 6 aufgesetzte oder in die Kompressions- und Lagerplatte 8 bzw. 10 eingesetzte Elektroden 32 umfasst, mit denen über eine Impedanzmessung der Hautwiderstand sowie der Fettgehalt der Brust 6 gemessen wird.
• Im Diagramm der 3 sind beispielhaft die Streustrahlausbreitungsfunktionen SBSF₁, SBSF₈ und SBSF_N=15 für einen jeweils gegebenen Aufnahme- und Objektparametersatz gegen die Position x der in einer Reihe liegenden Detektorelemente 12i aufgetragen. Der Figur ist zu entnehmen, dass die von den am Rand befindlichen Röntgenemittern 41 und 415 erzeugten Streustrahlungsausbreitungsfunktionen SBSF₁ und SBSF_N=15 einen bezogen auf die Detektormitte asymmetrischen Verlauf aufweisen.
• 4 veranschaulicht eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Röntgenemitter 4i nebeneinander in einer Richtung senkrecht zur Brustwand (1 und 2: Anordnung parallel zur Brustwand). Auch in diesem Fall können als Parameter die zu den jeweiligen Röntgenemittern 4i gehörenden Winkel β_i zwischen einer Verbindungslinie zwischen Röntgenemitter 4i und der Mitte der Empfangsfläche 120 zu einer auf dieser senkrecht stehenden Normalen verwendet werden.
• Die Berechnung der korrigierten Projektionsdaten erfolgt auf der Grundlage der zu dem jeweiligen Röntgenemitter 4i und der jeweiligen Aufnahmeparameter sowie einer vorher näherungsweise bestimmten Materialzusammensetzung gehörenden Streustrahlausbreitungsfunktion SBSF_i mit den in der DE 10 2004 029 010 A1 ausführlich dargestellten Algorithmen, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird, wobei insbesondere ein sogenannter Preshot und ein anschließend aufgenommenes Hauptbild separat korrigiert werden. Alternativ zu der in diesem Dokument vorgeschlagenen näherungsweisen Bestimmung der Materialzusammensetzung kann diese in der Mammographie auch mit der vorstehend erläuterten elektrischen Körperfettanalyseeinrichtung erfolgen.
• Für jeden Röntgenemitter 4i wird darüber hinaus eine Leerbild-Kalibrierung und eine Bestimmung eines effektiven Schwächungssignals für unterschiedliche Energiebereiche (niedrig: 23–35k V; hoch: 35–49 kV) und Anoden/Filter-Kombinationen in gleicher Weise durchgeführt wie dies ebenfalls in der DE 10 2004 029 010 A1 näher beschrieben ist.
• Bezugszeichenliste

2

Röntgenquelle

4_i

Röntgenemitter

6

Untersuchungsobjekt (Brust)

8

Kompressionsplatte

10

Lagerplatte

12

Röntgendetektor

12_k

Detektorelement

13_i

Röntgenstrahlbündel

14

Gestell

16

Mittensenkrechte

18

Verbindungslinie

20

Datenspeicher

22

Steuer- und Auswerteeinheit

30

Körperfettanalyseeinrichtung

32

Elektroden

120

Empfangsfläche

A_i

Mamma-SBSF-Atlas

a_i

Abstand

H

Abstand

H_i

Brustdicke

P_i, P_i,korr

Projektionsdatensatz

SBSF_i

Streustrahlausbreitungsfunktion

φ_i

Winkel

β_i

Winkel

x

Position

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102004029010 A1 [0003, 0024, 0025]
• DE 102004043032 A1 [0021]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• J. M. Lewin et al, „dual-energy contrast-enhanced digital subtraction mammography: feasibility”, Radiology 2003, Vol. 229, Seiten 261–268 [0011]

Claims (8)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Mehrzahl von projektiven Röntgenbildern von einem Untersuchungsobjekt (6) aus unterschiedlichen Richtungen, insbesondere Mammographieverfahren zum Erzeugen von Röntgenbildern von einer Brust, mit einer Röntgenquelle (2), die eine Mehrzahl (N) von nebeneinander angeordneten Röntgenemittern (4i) umfasst, die jeweils ein auf das Untersuchungsobjekt (6) gerichtetes Röntgenstrahlbündel (13i) emittieren, die mit einem digitalen Röntgendetektor (12) empfangen werden, der einen zum jeweiligen Röntgenemitter (4i) gehörenden Projektionsdatensatz (P_i) bereitstellt, wobei der Projektionsdatensatz (P_i) mit einer zu einer näherungsweise bestimmten Materialzusammensetzung und zu dem jeweiligen Röntgenemitter (4i) gehörenden Streustrahlausbreitungsfunktion (SBSF_i) im Hinblick auf den jeweiligen Streustrahlungsanteil korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Streustrahlausbreitungsfunktion (SBSF_i) für jeden Röntgenemitter (4i) mit dem Abstand (a_i) zwischen Röntgenemitter (4i) und der Mitte der Empfangsfläche (120) des Röntgendetektors (12) und/oder dem Winkel (φ_i) zwischen der Mittensenkrechten (16) zur Empfangsfläche (120) des Röntgendetektors (12) und der Verbindungslinie zwischen Röntgenemitter (4i) und Mitte der Empfangsfläche (120) parametrisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Streustrahlausbreitungsfunktion (SBSF_i) für jeden Röntgenemitter (4i) mit einer diesem zugeordneten Materialdicke (H_i) parametrisiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die näherungsweise Bestimmung der Materialzusammensetzung anhand des vom Röntgendetektor (12) für zumindest einen Röntgenemitter (4i) bereitgestellten Projektionsdatensatzes (P_i) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die projektiven Röntgenbilder von einer Brust (6) erzeugt werden, deren Materialzusammensetzung näherungsweise mit einer elektrischen Körperfettanalyseeinrichtung (30) bestimmt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die projektiven Röntgenbilder zu einem tomosynthetischen Röntgenbild zusammengesetzt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit zumindest einem Röntgenemitter (4i) zeitlich nacheinander wenigstens zwei Röntgenbilder mit energetisch unterschiedlichen Röntgenstrahlen aufgenommen werden.
8. Vorrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl von projektiven Röntgenbildern von einem Untersuchungsobjekt (6) aus unterschiedlichen Richtungen, insbesondere Mammographiegerät, mit einer Röntgenquelle (2), die eine Mehrzahl (N) von nebeneinander angeordneten Röntgenemittern (4i) umfasst, die jeweils ein Röntgenstrahlbündel (13i) emittieren, die mit einem digitalen Röntgendetektor (10) empfangen werden, sowie mit einem Datenspeicher (20) für einen Streustrahlausbreitungsfunktions-Atlas (A_i) und einer auf den Datenspeicher (20) zugreifenden Steuer- und Auswerteeinrichtung (22) mit einem darin implementierten Algorithmus zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.

Images