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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Detektordaten eines Röntgendetektors mit einer Vielzahl von Detektorelementen und Gruppen von Detektorelementen, deren Detektorsignale über Kanäle übertragen werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Röntgenaufnahmesystem, insbesondere in einem CT-System oder C-Bogen-System, mit einem Detektor, welcher eine Vielzahl von Detektorelementen aufweist, die in Gruppen kanalweise ausgelesen werden, und einer Auslesevorrichtung mit computergestützten Mitteln zur Korrektur ausgelesener Detektordaten vor einer Weiterverarbeitung der Detektordaten zu projektiven oder tomographischen Bildern.
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In der Computertomographie (= CT) und sonstigen bildgebenden Verfahren mit ionisierender Strahlung werden häufig Festkörperdetektoren eingesetzt. Es ist allgemein bekannt, dass an solche Detektoren in der CT sehr hohe Anforderungen bezüglich der Sensitivität und des linearen Verhaltens gestellt werden, da bereits geringe Abweichungen im rekonstruierten Bild zu erheblichen Artefakten führen kann.
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Es ist auch seit langem bekannt, dass das Detektormaterial von der einfallenden Röntgenstrahlung verändert wird und damit die Signalantwort dieser Detektormaterialien in Abhängigkeit von der Historie der absorbierten Röntgenstrahlung variiert. Außerdem ist seit langer Zeit bekannt, dass solche Detektormaterialien Erholungseffekte zeigen, so dass sich das Verhalten nach längeren Ruhephasen wieder einem Ursprungszustand nähert. Diese, Strahlungsdrift genannte, Eigenschaft kann zu Artefakten in den CT-Bildern führen, die aber vermieden werden sollen, da sie die medizinische Diagnose beeinträchtigen können.
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Es werden daher im Stand der Technik nur Detektormaterialen verwendet, deren Strahlungsdrift ausreichend gering und homogen ist. Hierdurch ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Auswahl und Güte des verwendeten Detektormaterials, was wiederum zu hohen Kosten für einen entsprechenden Detektor führt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Röntgenaufnahmesystem zu finden, welches die aufwendigen Auswahlverfahren reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass dieses aufwendige Auswahlverfahren drastisch reduziert werden kann und auch derzeit vorhandene Beschränkungen bezüglich des verwendeten Detektormaterials wegen des bisher notwendigen homogenen Verhaltens der Detektormaterialien weitgehend aufgehoben werden können, wenn es gelingt, das verwendeten Detektormaterial möglichst pixelspezifisch bezüglich seiner Historie zur applizierten Strahlungsdeposition und des historisch abgelaufenen Abklingverhaltens zu beurteilen und daraus die Veränderung im Dosisantwortverhalten vorherzusagen.
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Das Strahlungsdriftverhalten hängt im Allgemeinen nicht nur von der Gesamtmenge der absorbierten Röntgenstrahlung ab, sondern auch von der Intensität, mit der der Detektor bestrahlt wurde. Eine Ursache für die Drift können insbesondere Polarisationseffekte und deren Abklingverhalten in direktwandelnden Materialien, wie z. B. CdTe oder CdZnTe, sein.
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Es wird daher vorgeschlagen, die Historie der einfallenden Röntgenstrahlung für jedes Detektorelement zu erfassen und mit Hilfe eines mathematischen Modells das Verhalten des Signalausgangs für die jeweils nächste Messung so zu korrigieren, dass die grundsätzlich immer noch vorhandene Signaldrift korrigiert wird. Eine solche Korrektur kann einerseits über den gesamten Detektor oder bis auf Pixelebene hinab ausgeführt werden. Mit diesen Korrekturen werden somit driftbedingte Artefakte weitgehend vermieden.
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Grundsätzlich kann das Driftverhalten in komplexer Weise von einer großen Anzahl von Parametern abhängen, insbesondere sollte dabei auch der zeitliche Einfluss, zum Beispiel durch Nachbildung eines zeitabhängigen Erholungsverhalten des Detektormaterials, berücksichtigt werden.
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Nachfolgend wird ein mögliches Modell hierfür beschrieben:
Gemäß einem einfachen Modell kann davon ausgegangen werden, dass die Drift durch Polarisation des Detektormaterials verursacht wird. Eine solche Polarisation wird durch die Röntgenstrahlung aufgebaut und ist durch einen Maximalwert begrenzt, der bei fortdauernder, starker Röntgenstrahlung erreicht wird. Nach dem Ende der Bestrahlung baut sich die Polarisation wieder ab, z. B. exponentiell mit einer oder mehreren Zeitkonstanten. Das genaue Verhalten des Detektorkanals ist materialabhängig und muss experimentell bestimmt werden.
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Im Allgemeinen ist die Drift D während eines Scans eine Funktion f, die von den N vorhergehenden Bestrahlungen B(N) abhängt: D = fB(B(N))
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Ist die Drift bekannt, lässt sich das Detektorsignal hiermit korrigieren: Ikorr = Imess × fD(D)
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Die Funktionen fB und fD sollten zum Beispiel für jeden Kanal experimentell bestimmt werden, falls sich nicht alle Messkanäle vergleichbar verhalten. fB und fD können von einer Reihe von Strahlungsparametern abhängen, z. B. von:
- – der Dauer der Bestrahlung (DB);
- – der Intensität der Bestrahlung (IB);
- – der spektralen Zusammensetzung der Strahlung (SB);
- – Dauer von Bestrahlungspausen (DP).
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Erfindungsgemäß misst und speichert der Detektor die einfallende Röntgenstrahlung, insbesondere die Dauer DB und Intensität IB der Bestrahlung. Je nach Detektortyp kann auch die spektrale Zusammensetzung SB vom Detektor selbst gemessen werden oder durch andere Informationen, wie die eingestellte Beschleunigungsspannung, die bekannte Filterung der Röntgenröhre bekannt sein.
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Somit lässt sich die Bestrahlungshistorie B(BD(N), IB(N), SB(N), DP(N), ...) fortlaufend bestimmen und mit Hilfe der Funktion f(B(N)) fortlaufend die Drift D bestimmen. Im einfachsten Fall ist die Drift D eine Zahl, die den Driftzustand des Materials eindimensional beschreibt. In komplexeren Fällen muss der Driftzustand mit mehreren Parametern Dn beschrieben werden. Dies ist materialabhängig und experimentell zu bestimmen.
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Die klinischen Messvorgänge sehen so aus, dass meist 1 bis 5 Scans von 1 bis 40 Sekunden durchgeführt werden und anschließend Scanpausen von mehreren Minuten eingelegt werden, um einen neuen Patienten am Gerät vorzubereiten. Die Strahlungsdrift baut sich bei den meisten Materialien im Sekundenbereich auf; der Abbau erstreckt sich über Minuten bis Stunden. Daher ist es notwendig, sowohl die Bestrahlungszeiten als auch die Bestrahlungspausen über mehrere Stunden in die Berechnung der Drift einfließen zu lassen.
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Im einfachsten Fall muss nur die vor dem Scan bestehende Drift zur Korrektur berücksichtigt werden. Falls dies nicht ausreicht, kann auch die während des Scans selbst induzierte Drift ebenfalls für eben diesen Scan berücksichtigt werden. Vorteilhaft sollte die Korrektur für jeden einzelnen Messkanal durchgeführt werden, da jeder Messkanal eine unterschiedliche Bestrahlungshistorie aufweist. Gleichzeitig kann der Driftzustand für jeden Kanal anhand der Bestrahlungsparameter des aktuellen Scans für den momentanen Driftzustand aktualisiert werden.
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Entsprechend dieser oben geschilderten Erkenntnis schlagen die Erfinder ein Verfahren zur Korrektur von Detektordaten eines Röntgendetektors vor, wobei erfindungsgemäß bei einer aktuellen Messung die Historie der Strahlungsbelastung des Röntgendetektors, bezogen auf den gesamten Röntgendetektor oder auf Teilbereiche des Röntgendetektors, bezüglich einer dadurch hervorgerufenen Abschwächung der Messempfindlichkeit und Erholung der Abschwächung der Messempfindlichkeit berücksichtigt wird und das ermittelte Messsignal mit einem Korrekturfaktor, der abhängig von der Historie der Strahlungsbelastung ist, korrigiert wird.
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Vorteilhaft kann der Korrekturfaktor also zumindest auch von der Dauer der Bestrahlung (DB) und/oder von der Intensität der Bestrahlung (IB) und/oder von der spektralen Zusammensetzung der Bestrahlung (SB) und/oder von der Dauer der Bestrahlungspausen (DP) des gesamten Röntgendetektors oder der Teilbereiche des Röntgendetektors abhängen.
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Weiterhin kann auch die während des aktuellen Scans auftretenden Strahlungsbelastungen bestimmt werden und in die Berechnung des jeweils aktuellen Korrekturfaktors einfließen.
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Schließlich wird vorgeschlagen, dass bei der Berechnung des Korrekturfaktors von einem reziprok exponentiellen Verhalten des Detektormaterials bezüglich der Abschwächung der Signalantwort auf ein Röntgensignal ausgegangen wird. Beispielsweise kann die Abschwächung A(D) des Detektorsignals in Abhängigkeit der jeweils applizierten Dosis D beschrieben werden mit:
wobei c
1 bis c
3 empirisch ermittelte Konstanten und D
j die jeweils applizierte Dosis darstellen.
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Weiterhin kann von einem exponentiellen Verhalten des Detektormaterials bezüglich der Erholung der Signalantwort auf ein Röntgensignal mit der Zeit ausgegangen werden. Ein solches Verhalten kann beispielsweise beschrieben werden mit der Erholungsfunktion
wobei t der Zeit und k
1 einer Zeitkonstante entspricht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das exponentielle Verhalten des Detektormaterials bezüglich der Erholung der Signalantwort auf ein Röntgensignal mit der Zeit durch die Summe mindestens zweier Exponentialfunktionen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten ausgedrückt wird. Eine entsprechende Erholungsfunktion kann zum Beispiel lauten
wobei k
1 und k
2 Zeitkonstanten sind und α und β Gewichtungsfaktoren darstellen, die in der Summe 1 sind.
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Neben dem oben beschriebenen Verfahren schlagen die Erfinder auch ein Röntgenaufnahmesystem, insbesondere in einem CT-System oder C-Bogen-System, mit einem Detektor vor, welcher eine Vielzahl von Detektorelementen aufweist, die in Gruppen kanalweise ausgelesen werden, und einer Auslesevorrichtung mit computergestützten Mitteln zur Korrektur ausgelesener Detektordaten vor einer Weiterverarbeitung der Detektordaten zu projektiven oder tomographischen Bildern, wobei die computergestützten Mittel einen Speicher aufweisen, in dem Programmcode gespeichert ist, welcher im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Verlauf der Drift bei Bestrahlung; 2: Verlauf der Drift bei Bestrahlungspausen; 3: Verlauf der Drift bei kombinierter Bestrahlung und Bestrahlungspausen; C1: CT-System/C-Bogen-System; C2: erste Röntgenröhre; C3: erster Detektor; C4: zweite Röntgenröhre; C5: zweiter Detektor; C6: Gantrygehäuse/Antriebssystem; C7: C-Bogen; C8: Patientenliege; C9: Systemachse; C10: Regel- und Steuereinheit; Prg1–Prgn: Computerprogramme; S1–S5: sich wiederholende Verfahrensschritte; S/S0: relatives Signalverhalten; t: Zeit.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Verlauf der Drift bei Bestrahlung;
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2: Verlauf der Drift bei Bestrahlungspausen;
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3: Verlauf der Drift bei kombinierter Bestrahlung und Bestrahlungspausen;
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4: Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5: CT-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6: C-Bogen-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 zeigt ein beispielhaft dargestelltes Signalverhalten eines Detektormaterials mit fortschreitender Dosisbelastung. Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen, die hier allerdings aufgrund der in gleichen Intervallen mit gleicher Dosis durchgeführten Bestrahlungen des Detektors auch proportional zur applizierten Dosis ist. Auf der Ordinate ist der Verlauf 1 des, einer Drift entsprechenden, relativen Signalverhaltens des Detektors S/S0 aufgetragen, wobei S der aktuellen Signalantwort auf einen bestimmte Dosisleistung und S0 die anfängliche Signalantwort auf diese Dosisleistung dargestellt.
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Die 2 zeigt der Verlauf 2 dieses relativen Signalverhaltens S/S0 des gleichen Detektors über die Erholungszeit t dargestellt.
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Erfolgen nun hintereinander Bestrahlungen und Bestrahlungspausen, so ergibt sich ein Driftverhalten des Detektors, wie es mit dem Verlauf 3 in der 3 gezeigt ist. Entsprechend kann bei jeder Messung auf der Basis der Kenntnis der Historie des Detektors bezüglich seiner Belastungen und Erholungsphasen jeweils der aktuell anzuwendende Korrekturfaktor zur Korrektur des Messsignals eingesetzt werden.
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Ein einfaches Beispiel für einen Korrekturablauf ist in der 4 dargestellt. Hier wird bezogen auf einen Messkanal des Detektors in zwei Eingangsschritten S1 und S2 auf der Basis der bekannten Historie des Detektormaterials einerseits der Driftzustand des Detektormaterials D(N = n) im Schritt S1 bestimmt, wobei N die Anzahl der Bestrahlungen mit einer vorgegebenen Dosis darstellt und n die aktuelle Zahl der erfolgten Bestrahlung ist. Gleichzeitig wird die Erholung aufgrund der aktuell zurückliegenden Bestrahlungspause DP(N = n) nach der n-ten Messung bestimmt. Hieraus errechnet sich mit den empirisch ermittelten Näherungsfunktionen in Schritt S3 ein messkanalspezifischer Korrekturwert für die nächste Messung beziehungsweise Detektorbestrahlung N = n + 1. Es erfolgt darauf im Schritt S4 die aktuelle Messung mit der Nummer N = n + 1 unter Speicherung der messkanalspezifischen Bestrahlungsparametern, wie z. B. der Zeitdauer, der Strahlungsintensität, der Gesamtdosis, der spektralen Verteilung, zur Berücksichtigung bei der nächsten Messung. Anschließend werden die Messwerte kanalspezifisch auf der Basis des zuvor ermittelten Korrekturfaktors korrigiert und dieser korrigierte Wert im Schritt S5 an die Bildrekonstruktion weitergeleitet.
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Es folgt darauf eine Wiederholung des Verfahrens, beginnend mit den Schritten S1 und S2, wobei allerdings die Eingangswerte sich durch die aktuell durchgeführte n + 1-te Messung und gegebenenfalls eine vorliegende n + 1-te Bestrahlungspause entsprechend verändert haben.
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Die 5 zeigt beispielhaft ein CT-System C1, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren bezüglich der Detektorkorrektur durchgeführt werden kann. Das CT-System C1 besteht aus einem Gantrygehäuse C6, bei dem sich auf der Gantry ein erstes Röhren-/Detektorsystem, bestehend aus einer ersten Röntgenröhre C2 und einem gegenüberliegenden ersten Detektor C3, befindet. Optional kann ein weiteres Röhren-/Detektorsystem vorgesehen sein, bestehend aus der zweiten Röntgenröhre C4 und dem gegenüberliegenden zweiten Detektor C5. Beide Röhren-/Detektorsysteme können während der Abtastung um ein Messfeld rotieren, welches hier durch eine Öffnung in dem Gantrygehäuse C6 beschrieben wird, während ein Patient P, der sich auf einer verfahrbaren Patientenliege C8 befindet, entlang einer Systemachse C9 durch das Messfeld geschoben wird. Die Bewegung des Patienten P kann hierbei sowohl kontinuierlich, als auch sequentiell erfolgen. Außerdem kann auch bei einer Untersuchung einer bestimmten Region ausschließlich diese bestimmte Region des Patienten ins Messfeld verbracht werden, auf der er dann stationär während der Abtastung verharrt.
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Die Steuerung des CT-Systems C1 wird durch eine Regel- und Steuereinheit C10 übernommen, welche einen Speicher mit Computerprogrammen Prg1 bis Prgn aufweist, in denen die notwendigen Verfahren zur Steuerung des CT-Systems und zur Auswertung der empfangenen Detektordaten, einschließlich der Rekonstruktion entsprechender Bilddaten, gespeichert sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur der empfangenen Detektordaten kann ebenfalls in einem Computerprogramm kodiert und im Programmspeicher der Steuer- und Regeleinheit C10, also einer Recheneinheit, implementiert sein, so dass dieses Verfahren beim Betrieb des Systems abgearbeitet wird.
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Die 6 zeigt ebenfalls ein CT-System in Gestalt eines C-Bogen-Systems C1, welches einen C-Bogen C7 aufweist, an dessen Enden sich eine Röntgenröhre C2 mit einem gegenüberliegenden Detektor C3 befinden. Dieser C-Bogen C7 kann mit Hilfe des Antriebsystems C6 rotatorisch um einen Patienten P bewegt werden, welcher sich auf einer Patientenliege C8 befindet. Aufgrund der Bauweise des C-Bogen-Systems C1 ist der Patient P während der Untersuchung leichter zugänglich.
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Die Regelung und Steuerung des C-Bogen-Systems C1 wird durch eine Regel- und Steuereinheit C10 ausgeführt, welche Computerprogramme Prg1 bis Prgn aufweist, wobei auch hier Programmcode im Speicher dieser Regel- und Steuereinheit vorgesehen sein kann, welcher im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren durchführt und entsprechend die Detektordaten korrigiert.
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Insgesamt wird mit der Erfindung also vorgeschlagen, bei einer aktuellen Strahlungsmessung mit Hilfe eines Röntgendetektors die Historie der Strahlungsbelastung des Röntgendetektors, bezogen auf den gesamten Röntgendetektor oder auf Teilbereiche des Röntgendetektors, bezüglich einer dadurch hervorgerufenen Abschwächung der Messempfindlichkeit und Erholung der Abschwächung der Messempfindlichkeit zu berücksichtigen und das ermittelte Messsignal mit einem Faktor zu korrigieren, der abhängig von der Historie der Strahlungsbelastung ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
