DE102011005750A1 - Verfahren und Computertomograph zur Ermittlung des Abstandes eines Untersuchungsobjektes vom Fokus eines Computertomographen - Google Patents

Verfahren und Computertomograph zur Ermittlung des Abstandes eines Untersuchungsobjektes vom Fokus eines Computertomographen Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Abstandes (109, 109, 110) eines Untersuchungsobjektes (105, 106, 107) von einem Fokus (101) eines Computertomographen und einen Computertomographen, mit dem dieses Verfahren ausführbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Ausstrahlen einer vom Fokus (101) ausgehenden auf das Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) gerichteten Röntgenstrahlung (102), Erfassen einer durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung (102) mit dem Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) erzeugten Streustrahlung mit einem Detektor (104), wobei der Detektor (104) eine Intensitätsverteilung (142, 143, 144) der Streustrahlung im Wesentlichen längs zu einer Zentralstrahlrichtung (103) der auf das Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) gerichteten Röntgenstrahlung (102) erfasst, und Ermitteln des Abstandes (108, 109, 110) auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung (142, 143, 144).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Abstandes eines Untersuchungsobjektes von einem Fokus eines Computertomographen und einen Computertomographen, mit dem dieses Verfahren ausführbar ist.
  • Ein Computertomograph (CT) zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes umfasst bekanntermaßen zumindest eine Röntgenstrahlenquelle mit einem (Röntgen-)Fokus, von dem aus ein pyramiden- oder fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel durch das Untersuchungsobjekt, bspw. einen Patienten, auf ein aus mehreren Detektorelementen aufgebautes Detektorsystem gerichtet ist. Dabei ist die Fächer- bzw. die Pyramidenform des Röntgenstrahlenbündels typischerweise auf das benutzte Detektorsystem abgestimmt, so dass das Detektorsystem vom Röntgenstrahlenbündel stets vollständig bestrahlt wird. Damit wird auch der Messbereich (engl. „Field Of View”, FOV) des Röntgenröhren-Detektorsystems festgelegt. Je nach Bauart des CT-Gerätes sind die Röntgenstrahlenquelle und das Detektorsystem bspw. auf einer Gantry oder einem C-Arm angebracht, die um eine Systemachse (z-Achse) rotierbar sind. Weiterhin ist eine Lagerungseinrichtung für das Untersuchungsobjekt vorgesehen, die entlang der Systemachse (z-Achse) verschoben bzw. bewegt werden kann. Während der CT-Aufnahme erzeugt jedes von der Röntgenstrahlung getroffene Detektorelement des Detektorsystems ein Signal, das ein Maß der Gesamttransparenz des Untersuchungsobjektes für die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung auf ihrem Weg zum Detektorsystem bzw. der entsprechenden Strahlungsschwächung darstellt. Der Satz von Ausgangssignalen der Detektorelemente des Detektorsystems, der für eine bestimmte Position der Strahlungsquelle gewonnen wird, wird als Projektion bezeichnet. Die Position des Fokus, ausgehend von welcher das Röntgenstrahlenbündel das Untersuchungsobjekt durchdringt, wird infolge der Rotation der Gantry/des C-Arms ständig verändert. Die aktuelle Position des Fokus bzw. des Detektorsystems kann bei gegebener Systemachse (Z-Achse) in Zylinderkoordinaten (r, z, Φ) angegeben werden. Typischerweise sind während des Betriebes die r-Koordinaten der Strahlungsquelle und des zugeordneten Detektorsystems konstant. Eine Abtastung (Scan) des Untersuchungsobjektes umfasst dabei eine Vielzahl von Projektionen, die an verschiedenen Positionen der Gantry/des C-Arms und/oder der verschiedenen Positionen der Lagerungseinrichtung gewonnen wurden. Man unterscheidet dabei sequentielle Scan-Verfahren und Spiral-Scan-Verfahren. Auf Basis der bei einem Scan erzeugten (Projektions-)Messdaten können mittels bekannter Verfahren 2D- oder 3D-Bilddaten vom Untersuchungsobjekt rekonstruiert werden. Weiterhin sind Computertomographen mit zwei oder mehr. Aufnahmesystemen (bestehend aus Fokus und gegenüberliegendem Detektor), sogenannte „Dual Source” oder „Multi Source” Computertomographen bekannt.
  • Moderne Computertomographen sind zudem mit einer Dosisautomatik ausgerüstet, welche die Intensität der Röntgenstrahlung so an den Patienten anpasst, dass die Dosis für eine geforderte Bildqualität minimiert wird. Dazu muss zunächst präzise bestimmt werden, wie die Röntgenstrahlung durch den Patienten abgeschwächt wird. Diese so genannte Patientenschwächung muss entlang der lateralen (LAT), ante-posterior (AP) und post-anterior (PA) Körperachsen bekannt sein. Diese Werte sind durch Topogramme aus den entsprechenden Richtungen direkt messbar.
  • Bisher werden dafür entweder zwei Topogramme erstellt, eines in LAT-Richtung und eines in AP- bzw. PA-Richtung, oder es wird nur ein Topogramm erstellt, und zwar in eine Richtung, die durch die Untersuchung definiert ist. Im letzten Fall kann durch eine Analyse des Schwächungsprofils aus der gemessenen Richtung, die Schwächung in die jeweils orthogonale Richtung jedoch lediglich abgeschätzt werden. Eine einfache Methode dafür ist beispielsweise das Vermessen der seitlichen Begrenzungen des lokalen Körperquerschnitts mit Hilfe von Schwellen.
  • Beim Erstellen von zwei Topogrammen werden die Schwächungen in beiden Richtungen gemessen, jedoch verlängert sich die Gesamtuntersuchungszeit gegenüber dem Vorgehen mit nur einem Topogramm. Bei CT-Scans mit niedriger Dosis, beispielsweise für Lungen und Darm, trägt das zweite Topogramm zudem wesentlich zur Patientendosis bei.
  • Diese Nachteile hat das Vorgehen mit nur einem Topogramm nicht, deswegen ist das Vorgehen mit einem Topogramm vorzuziehen. Allerdings kann der Wert für die Schwächung in der mit einem Topogramm nicht gemessenen Richtung nur abgeschätzt werden, so dass es zu Fehlern kommt. Einer dieser Fehler basiert darauf, dass es bei der Topogrammaufnahme aufgrund der Fächergeometrie des vom Fokus ausgehenden Strahlenbündels abhängig vom Abstand zwischen Röntgenfokus und Untersuchungsobjekt zu einer Streckung oder Stauchung des Schwächungsprofils kommt.
  • Einem derartigen Topogramm (einer 2D-Durchleuchtsaufnahme) kann zwar die Position und die laterale Ausdehnung des Untersuchungsobjektes, insbesondere eines Patienten entnommen werden. Das Topogramm lässt jedoch keine Aussage darüber zu, welchen Abstand das Untersuchungsobjekt vom Fokus hat. So kann beispielsweise ein schmaler Patient, der sich näher am Fokus befindet und ein breiterer Patient, der sich weiter weg vom Fokus befindet, das identische Topogramm hinsichtlich der Position und lateralen Ausdehnung des Patienten erzeugen.
  • Bisher wird der Abstand des Untersuchungsobjekts vom Fokus eines Computertomographen nicht explizit ermittelt. Vielmehr werden in der Praxis im Wesentlichen Plausibilitätsannahmen zur Positionierung des Untersuchungsobjektes im Computertomographen getroffen. Diese basieren insbesondere auf einer Auswertung der Positionierung der Lagerungseinrichtung. Darüber hinaus wird das Bedienpersonal angewiesen, den Patienten möglichst zentral im Messbereich („Field Of View”, FOV) des Computertomographen zu positionieren.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung des Abstandes eines Untersuchungsobjektes von einem Fokus, sowie einen Computertomographen anzugeben, mit solches Verfahren ausführbar ist.
  • Die Erfindung ergibt sich aus. den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
  • Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe ist mit einem Verfahren zur Ermittlung des Abstandes eines Untersuchungsobjektes von einem Fokus eines Computertomographen gelöst, das folgende Schritte umfasst: Ausstrahlen einer vom Fokus ausgehenden auf das Untersuchungsobjekt gerichteten Röntgenstrahlung, Erfassen einer durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem Untersuchungsobjekt erzeugten Streustrahlung mit einem Detektor, wobei der Detektor eine Intensitätsverteilung der Streustrahlung im Wesentlichen längs zu einer Zentralstrahlrichtung der auf das Untersuchungsobjekt gerichteten Röntgenstrahlung erfasst, und Ermitteln des Abstandes auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung erfolgt.
  • Die Erfindung basiert mithin darauf, die durch die Wechselwirkung der vom Fokus ausgehenden. Röntgenstrahlung mit dem Objekt entstehende Streustrahlung mit dem erfindungsgemäßen Detektor zu erfassen. Die Streustrahlung ist gegenüber der vom Fokus ausgehenden Röntgenstrahlung abgelenkt und tritt im Wesentlichen seitlich aus dem Untersuchungsobjekt aus. Der zur Erfassung der Streustrahlung erfindungsgemäß vorhandene Detektor ist dabei derart orientiert und ausgeführt, dass mit ihm eine ortsaufgelöste Intensitätsverteilung der Streustrahlung längs der Zentralstrahlrichtung, der vom Fokus ausgehenden Röntgenstrahlung erfassbar ist. Die Zentralstrahlrichtung ist bei dem typischerweise vom Fokus ausgesandten Fächerstrahl mit den Randstrahlen: βZ – β und βZ + β, wobei β den halben Fächerwinkel angibt, die Richtung des Strahls mit dem Winkel βZ.
  • Bei dem Detektor zur Erfassung der Streustrahlung handelt es sich nicht um den dem Fokus gegenüberliegenden Detektor, der zur Erfassung der Schwächung der Röntgenstrahlung bei Durchgang durch das Untersuchungsobjekt dient, sondern um einen weiteren dazu versetzt, vorzugsweise 90° versetzt, angeordneten Detektor. Bei so genannten „Dual-Source” Computertomographen, d. h. bei CT-Systemen mit zwei Aufnahmesystemen (Aufnahmesystem: Fokus und gegenüberliegend angeordneter Detektor) kann für den Fokus des ersten Aufnahmesystems der Detektor des zweiten Aufnahmesystems die Funktion des Streustrahldetektors übernehmen, insbesondere wenn dieser im Wesentlichen 90° versetzt zum Detektor des ersten Aufnahmesystemsangeordnet ist.
  • Vorzugsweise wird zum Ermitteln des Abstandes des Untersuchungsobjektes vom Fokus das Maximum der erfassten Intensitätsverteilung, insbesondere dessen Lage auf dem Detektor längs der Zentralstrahlrichtung, bestimmt. Die Lage des Maximums hängt vom Abstand des Untersuchungsobjektes vom Fokus ab, so dass aus der ermittelten Lage des Maximums auf den Abstand geschlossen werden kann.
  • Es wird dabei davon ausgegangen, dass der Fokus und der Detektor zur Erfassung der Streustrahlung eine bekannte und zeitlich konstante relative Anordnung aufweisen. Denkbar ist auch, dass der Detektor Erfassung der Streustrahlung und der Fokus keine zeitlich konstante relative Anordnung aufweisen, so dass in diesem Fall die relative Anordnung von Focus und Detektor zumindest zum Zeitpunkt der Erfassung der Intensitätsverteilung bekannt sein muss.
  • Da die Streustrahlverteilung zudem von der Energie der Röntgenstrahlung abhängt, erfolgt das Ermitteln des Abstandes bevorzugt unter Berücksichtigung der Energie der Röntgenstrahlung.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Look-Up-Tabelle bereitgestellt, aus der sich für ermittelte Positionen von Intensitätsmaxima längs der Zentralstrahlachse der Abstand ergibt. In einer Ausführungsform wird bei der Look-Up-Tabelle zusätzlich noch die Energie der Röntgenstrahlung berücksichtigt.
  • Insgesamt ermöglicht das Verfahren eine gegenüber dem Stand der Technik genauere bzw. zuverlässigere Parametrisierung der Dosierautomatik eines Computertomographen mit nur einer Topogrammaufnahme. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Ermittlung des Abstandes des Untersuchungsobjektes vom Fokus eine erhebliche Verringerung der einleitend angesprochenen Streckung oder Stauchung des Schwächungsprofils bei der Topogrammaufnahme.
  • Der vorrichtungsgemäße Teil der Aufgabe wird durch einen Computertomographen gelöst, der einen Fokus, von dem ausgehend eine auf ein Untersuchungsobjekt gerichtete Röntgenstrahlung aussendbar ist, einen Detektor, mit dem eine durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem Untersuchungsobjekt erzeugte Streustrahlung erfassbar ist, wobei der Detektor eine Intensitätsverteilung der Streustrahlung im Wesentlichen längs zu einer Zentralstrahlrichtung der auf das Untersuchungsobjekt gerichteten Röntgenstrahlung erfasst, und eine Analyseeinrichtung, mit der der Abstand auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung ermittelbar ist.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Computertomographen ergeben sich aus der Übertragung und analogen Anwendung der vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren offenbarten Merkmale.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele beschrieben sind. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computertomographen und
  • 2 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computertomographen. Der Computertomograph umfasst ein Aufnahmesystem bestehend aus einem Fokus 101 und einem gegenüberliegend angeordneten Detektor 120. Der vom Fokus 101 ausgehende Fächerstrahl wird durch die Randstrahlen 102 begrenzt. Die Randstrahlen 102 sind derart eingestellt, dass sie den Detektor 120 ausleuchten, sie geben darüber hinaus auch die Begrenzung des „Field of View” (FOV) an. Im FOV sind beispielhaft drei Untersuchungsobjekte 105, 106 und 107 mit unterschiedlichem Abstand 108, 109, 110 zum Fokus 101 angeordnet. Bei einer Durchleuchtungsaufnahme (Topogrammaufnahme) jedes einzelnen der Objekte 105, 106, 107 ergibt sich auf dem Detektor 120 jeweils die in der Graphik unterhalb des Detektors 120 angegebene Intensitätsverteilung 132. In der Graphik bezeichnet das Bezugszeichen 130 die Querschnittsachse des Detektors 120 und das Bezugszeichen 131 die erfasste Intensität der vom Fokus 101 ausgehenden, die einzelnen Objekte 105, 106, 107 durchstrahlenden Röntgenstrahlung.
  • Wesentlich ist hierbei, dass jedes der Objekte 102, 106, 107, obwohl sie in unterschiedlichen Abständen 108, 109, 110 vom Fokus 101 angeordnet sind, eine identische Intensitätsverteilung 132 auf dem Detektor 120 hervorrufen, was bei der Auswertung einer Topogrammaufnahme hinsichtlich der Parametrisierung eine Dosierautomatik zu den erwähnten Fehlern führt.
  • Erfindungsgemäß umfasst der Computertomograph einen Detektor 104, mit dem die durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung 102 mit einem der Untersuchungsobjekte 105, 106, 107 erzeugte, seitlich aus dem Untersuchungsobjekt 105, 106, 107 austretende Streustrahlung erfasst wird. Der Detektor 104 ist vorliegend parallel zum Zentralstrahl 103 der Röntganstrahlung 102 (Fächerstrahls 102) bzw. senkrecht zum Detektor 120 angeordnet. Rechts neben dem Detektor 104 sind die Intensitätsverteilungen 142, 143, 144, die jeweils von zugeordneten, entsprechend markierten Untersuchungsobjekt 105, 106, 107 erzeugt werden, in einer Graphik aufgetragen. In der Graphik bezeichnet das Bezugszeichen 140 die Querschnittsachse durch den Detektor 104 und das Bezugszeichen 141 die Achse, entlang der die Intensität der erfassten Streustrahlung aufgetragen wird. Deutlich zu erkennen ist, dass die jeweiligen Intensitätsmaxima relativ zum Abstand 108, 109, 110 der jeweiligen Mittenachse der Untersuchungsobjekte 105, 106, 107 verschoben sind. So ist beispielsweise das Intensitätsmaximum 145 der Streustrahlintensitätskurve 142 gegenüber der Mittenachse 11 des Untersuchungsobjekts 105 um eine Differenz 146 verschoben. Diese Verschiebung 146 hängt bei gleicher Energie der Röntgenstrahlung 102 im Wesentlichen von dem Abstand des Untersuchungsobjektes 15, 106, 107 vom Fokus 101 ab, so dass eine Look-Up-Tabelle erstellt werden kann, aus der bei ermittelter Lage des Intensitätsmaximums auf längs der Zentralstrahlrichtung 103 der abstand des Untersuchungsobjektes 105, 106, 107 vom Fokus 101 entnommen werden kann.
  • Die 2 zeigt ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des Abstandes 108, 109, 110 eines Untersuchungsobjektes 105, 106, 107 von einem Fokus 101 eines Computertomographen, bestehend aus drei Verfahrensschritten. In Schritt 201 wird eine vom Fokus 101 ausgehende auf das Untersuchungsobjekt 105, 106, 107 gerichteten Röntgenstrahlung 102 ausgesandt. In Schritt 202 wird eine durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung 102 mit dem Untersuchungsobjekt 105, 106, 107 erzeugte Streustrahlung mit einem Detektor 104 erfasst, wobei der Detektor 104 eine Intensitätsverteilung 142, 143, 144 der Streustrahlung im Wesentlichen längs zu einer Zentralstrahlrichtung 103 der auf das Untersuchungsobjekt 105, 106, 107 gerichteten Röntgenstrahlung (102) erfasst. In Schritt 203 wird der Abstand 108, 109, 110 auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung 142, 143, 144 insbesondere auf Basis der Position des Maximums der Intensitätsverteilung längs der Zentralstrahlachse 103 ermittelt.
  • Der erfindungsgemäß ermittelte Abstand 108, 109, 110 kann zur Parametrierung der Dosierautomatik des Computertomographen genutzt werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Ermittlung des Abstandes (108, 109, 110) eines Untersuchungsobjektes (105, 106, 107) von einem Fokus (101) eines Computertomographen, mit folgenden Schritten: – Ausstrahlen einer vom Fokus (101) ausgehenden auf das Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) gerichteten Röntgenstrahlung (102), – Erfassen einer durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung (102) mit dem Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) erzeugten Streustrahlung mit einem Detektor (104), wobei der Detektor (104) eine Intensitätsverteilung (142, 143, 144) der Streustrahlung im Wesentlichen längs zu einer Zentralstrahlrichtung (103) der auf das Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) gerichteten Röntgenstrahlung (102) erfasst und – Ermitteln des Abstandes (108, 109, 110) auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung (142, 143, 144).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Abstandes (108, 109, 110) das Maximum der Intensitätsverteilung (142, 143,144) bestimmt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Abstandes (108, 109, 110) unter Berücksichtigung einer Energie der Röntgenstrahlung (102) erfolgt.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Abstandes (108, 109, 110) unter Berücksichtigung einer relativen Anordnung von Fokus (101) und Detektor (104) zum Zeitpunkt der Erfassung der Intensitätsverteilung (142, 143, 144) erfolgt.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Look-Up-Tabelle bereitgestellt wird, aus der sich für ermittelte Positionen der Intensitätsmaxima längs der Zentralstrahlachse der Abstand (108, 109, 110) ergibt.
  6. Computertomograph, aufweisend: – einen Fokus, von dem ausgehend eine auf ein Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) gerichtete Röntgenstrahlung (102) aussendbar ist, – einen Detektor (104), mit dem eine durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung (102) mit dem Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) erzeugte Streustrahlung erfassbar ist, wobei der Detektor (104) eine Intensitätsverteilung (142, 143, 144) der Streustrahlung im Wesentlichen längs zu einer Zentralstrahlrichtung (103) der auf das Untersuchungsobjekt (105, 106, 107) gerichteten Röntgenstrahlung (102) erfasst, und – eine Analyseeinrichtung, mit der der Abstand auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung (142, 143, 144) ermittelbar ist.
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