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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Röntgenbildgebung mit einem kegelförmigen Röntgenstrahlbündel, insbesondere für die Computertomographie.
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Bei der Röntgenbildgebung mit kegelförmigen Röntgenstrahlbündeln werden viele Schichten des Untersuchungsvolumens gleichzeitig abgebildet und rekonstruiert. Das von einem Röntgenfokus einer Röntgenquelle ausgehende Röntgenstrahlbündel wird dabei durch das Untersuchungsvolumen auf einen Röntgendetektor gerichtet, der ein zweidimensionales Array von Detektorelementen aufweist. Mit dem Röntgendetektor wird ortsaufgelöst die Röntgenintensität des Röntgenstrahlbündels nach Durchtritt durch das Untersuchungsvolumen gemessen und aus den Messwerten des Röntgendetektors ein Röntgenbild erzeugt. Dabei wird allerdings nicht nur Röntgenstrahlung, die auf geradlinigem Weg vom Röntgenfokus auf das Röntgendetektorelement trifft, sondern ebenso Streustrahlung detektiert, die in benachbarten Volumenelementen erzeugt wird und ggf. auf einem anderen Weg zum betroffenen Detektorelement findet. Dadurch wird die Abschwächung der Röntgenstrahlung beim Durchtritt durch die einzelnen Schichten entsprechend verfälscht ermittelt. Dies führt zu Abweichungen bezüglich der absoluten Materialdichte im rekonstruierten Volumen. Die Bilder können dadurch nicht unmittelbar für Anwendungen herangezogen werden, bei denen eine hohe Genauigkeit bezüglich dieser Dichte erforderlich ist. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist die Planung bzw. Optimierung der Dosisverteilung in der Strahlentherapie.
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Zur Verminderung dieser Problematik werden bisher unterschiedliche Maßnahmen ergriffen. So kann der Strahl zu einem Fächerstrahl eingeengt und die einzelnen Schichten nacheinander mit dem Fächerstrahl durchleuchtet werden. Damit kann keine Streustrahlung aus anderen Schichten das Messergebnis stören. Es tritt lediglich noch die in der Intensität deutlich geringere Streustrahlung innerhalb der durchleuchteten Schicht auf. Das Untersuchungsobjekt wird dabei entsprechend den zu rekonstruierenden Schichten mit einer Lagerungseinrichtung vollständig verfahren. Dies erfordert jedoch eine Verschiebung des Untersuchungsobjektes um eine größere Distanz, so dass mechanische Ungenauigkeiten auftreten und die Röntgenaufnahme beeinträchtigen können. Weiterhin erfordert diese Technik auch eine längere Zeit für die Durchführung der Röntgenaufnahme.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein so genanntes Streustrahlenraster vor dem Röntgendetektor einzusetzen, das einen großen Teil der Strahlung absorbiert, die nicht auf geradlinigem Wege vom Röntgenfokus auf das entsprechende Röntgendetektorelement trifft. Das Streustrahlenraster führt allerdings auch zu einer Abschwächung der direkten Röntgenstrahlung, so dass die Röntgendosis für die Röntgenaufnahme erhöht werden muss.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Streustrahlenanteil aus der Röntgenaufnahme selbst abzuschätzen und jeweils von den Messwerten der einzelnen Detektorelemente des Röntgendetektors abzuziehen. Die Ableitung des Streustrahlenanteils aus der Aufnahme heraus ist allerdings nicht frei von Abschätzungsfehlern, so dass auch diese Technik nicht immer zu einem zufrieden stellenden Ergebnis führt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Röntgenbildgebung mit einem kegelförmigen Röntgenstrahlbündel anzugeben, das eine bessere Möglichkeit der Erzeugung von Röntgenbildern ohne Streustrahlungsartefakte bietet.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Röntgenbildgebung wird das von einem Röntgenfokus einer Röntgenquelle ausgehende kegelförmige Röntgenstrahlbündel durch ein Untersuchungsvolumen auf einen Röntgendetektor gerichtet, der ein zweidimensionales Array von Detektorelementen aufweist. Mit dem Röntgendetektor wird ortsaufgelöst die Röntgenintensität des Röntgenstrahlbündels nach Durchtritt durch das Untersuchungsvolumen gemessen und aus den Messwerten des Röntgendetektors wird in bekannter Weise ein Röntgenbild erzeugt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Röntgenstrahlbündel vor dem Durchtritt durch das Untersuchungsvolumen in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt, so dass sich in einer ersten Aufnahmegeometrie bestrahlte Bereiche des Untersuchungsvolumens mit unbestrahlten Bereichen abwechseln. Anschließend werden eine oder mehrere weitere Aufnahmegeometrien eingestellt, in der/denen die vorher unbestrahlten Bereiche bestrahlt und die vorher bestrahlten Bereiche zumindest teilweise nicht bestrahlt werden. Das Röntgenbild wird dann aus den Messwerten des Röntgendetektors erzeugt, die unter der ersten und der einen oder den mehreren weiteren Aufnahmegeometrien aufgenommen wurden.
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Durch eine geeignet feine Aufteilung bzw. Aufrasterung des Röntgenstrahlbündels werden somit in jeder Aufnahmegeometrie die jeweils beleuchteten und unbeleuchteten Bereiche erfasst. Durch den Wechsel zwischen den unterschiedlichen Aufnahmegeometrien für die Erzeugung eines Röntgenbildes verlängert sich die Aufnahmezeit gegenüber einer einmaligen Durchleuchtung mit dem vollständigen kegelförmigen Röntgenstrahlbündel nur unwesentlich. Weiterhin wird durch die Messung der auf den Röntgendetektor unter den nicht direkt beleuchteten Bereichen auftreffenden Röntgenstrahlung die lokale Streustrahlung direkt erfasst und kann somit bei Bedarf zur Korrektur der Messwerte der beleuchteten Bereiche herangezogen werden.
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In einer Ausgestaltung wird neben der ersten nur eine weitere Aufnahmegeometrie eingesetzt, im Folgenden auch als zweite Aufnahmegeometrie bezeichnet. In diesem Fall muss also nur jeweils zwischen beiden Aufnahmegeometrien umgeschaltet werden. In Ausgestaltungen mit mehr als zwei Aufnahmegeometrien werden diese vorzugsweise so gewählt, dass in jeder der unterschiedlichen Aufnahmegeometrien jeweils Bereiche bestrahlt werden, die mit den jeweils anderen Aufnahmegeometrien nicht oder zumindest nicht vollständig bestrahlt werden.
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Unter einem kegelförmigen Röntgenstrahlbündel wird hierbei ein Röntgenstrahlbündel verstanden, das sich im Gegensatz zu einem fächerförmigen Röntgenstrahlbündel in zwei Dimensionen auf dem Weg vom Röntgenfokus zum Röntgendetektor deutlich aufweitet. Der Querschnitt dieses Röntgenstrahlbündels muss dabei nicht notwendigerweise kreisförmig sein, sondern kann auch eine andere Querschnittsform aufweisen, beispielsweise eine elliptische, quadratische oder rechteckige Form. In der Regel ist das kegelförmige Röntgenstrahlbündel am Ort des Detektors so aufgeweitet, dass es das gesamte Array von Detektorelementen gleichzeitig beleuchtet. Unter der Aufnahmegeometrie wird in der vorliegenden Patentanmeldung die relative Lage der einzelnen Teilstrahlen des Röntgenbündels zum Untersuchungsvolumen verstanden.
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Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind vor allem für den Einsatz in der Computertomographie geeignet, wobei dann das Röntgenbild aus einer Vielzahl von Projektionen berechnet wird, die beim Umlauf des Röntgenfokus um das Untersuchungsvolumen erhalten werden. Jede Projektion wird dabei mit den unterschiedlichen Aufnahmegeometrien aufgezeichnet.
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Vorzugsweise erfolgt die Aufteilung bzw. Aufrasterung des Röntgenstrahlbündels in einzelne fächerförmige Teilstrahlbündel, die sich in Zeilenrichtung des Röntgendetektorarrays erstrecken. Damit wird in der ersten Aufnahmegeometrie alternierend vorzugsweise jeweils jede zweite Schicht direkt bestrahlt und abgebildet. Die dazwischen liegenden Schichten erfahren keine Direktstrahlung. Die Projektion dieser Schichten enthält ausschließlich die Streustrahlung. Die Ausdehnung der einzelnen Schichten hängt von der gewünschten räumlichen Auflösung ab. So kann die Schichtdicke so gewählt werden, dass sie lediglich der Ausdehnung einer Zeile von Detektorelementen des Röntgendetektors senkrecht zur Zeilenrichtung entspricht. Jedes Teilstrahlenbündel leuchtet dabei eine Detektorzeile möglichst vollständig aus. Selbstverständlich können auch größere Schichtdicken gewählt werden, die dann der Gesamtausdehnung mehrerer aufeinander folgender Zeilen von Detektorelementen (senkrecht zur Zeilenrichtung) entsprechen, beispielsweise Doppelzeilen. Die Messwerte werden bei diesen Ausgestaltungen dann vorzugsweise mit der in den nicht beleuchteten Schichten gemessenen Streustrahlung korrigiert. Derartige Streustrahlung tritt bei dieser schichtweisen Durchstrahlung noch immer zwischen den einzelnen Detektorelementen jeder Detektorzeile auf.
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Der Wechsel zwischen den Aufnahmegeometrien kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. In einer Ausgestaltung wird die entsprechende Lagerungseinrichtung für das Untersuchungsobjekt, in der medizinischen Bildgebung der Patientenlagerungstisch, zwischen zwei Positionen verschoben, um jeweils in der zweiten Aufnahmegeometrie die in der ersten Aufnahmegeometrie nicht beleuchteten Bereiche nun zu beleuchten. Bei mehr als zwei Aufnahmegeometrien erfolgt die Verschiebung dann zwischen mehr als zwei Positionen. Bei der oben angeführten Aufspaltung in fächerförmige Teilstrahlenbündel erfolgt diese Verschiebung dann in Aufspaltungsrichtung, d.h. senkrecht zu den durch die fächerförmige Aufspaltung beleuchteten Schichten um jeweils eine Schichtdicke. Weiterhin kann auch das für die Aufspaltung bzw. Aufrasterung des Röntgenstrahlbündels eingesetzte Aufteilungselement jeweils um eine kleine Distanz in dieser Richtung verschoben werden, um die zweite und ggf. weitere Aufnahmegeometrien zu erhalten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Röntgenquelle oder den Röntgenfokus der Röntgenquelle jeweils um eine geringe Distanz zu verschieben. Eine Verschiebung des Röntgenfokus einer Röntgenröhre ist durch eine geänderte Ablenkung des für die Röntgenerzeugung eingesetzten Elektronenstrahls möglich. Ein derartige Technik wird beispielsweise bereits für die Erzeugung des sogenannten z-Springfokus (z-flying focal spot) in der Computertomographie eingesetzt.
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Für die Aufrasterung des kegelförmigen Röntgenstrahlbündels kann beispielsweise ein Röntgenstrahlung absorbierendes Element mit geeignet angeordneten Öffnungen oder Schlitzen für den Durchlass der Röntgenstrahlung eingesetzt werden. Ein derartiges Element kann wie ein vor dem Röntgendetektor eingesetztes Streustrahlenraster ausgestaltet sein, wobei dann jedoch die Stege zwischen den Durchlassöffnungen in etwa so breit sind wie die Durchlassöffnungen selbst. Je nach gewünschter Aufrasterung sind die Stege und Öffnungen in geeigneter Weise angeordnet. Vorzugsweise wechseln sich hierbei parallel zueinander verlaufende Schlitze für die Erzeugung eines fächerförmigen Teilstrahlbündels mit entsprechenden Stegen gleicher Breite ab. In einer anderen Ausgestaltung kann auch ein Multilamellenkollimator (multi leaf collimator, MLC) eingesetzt werden, wie er in der MV-Bildgebung an einem Photonenstrahl im Therapiegerät (z.B. Linearbeschleuniger) eingesetzt wird. Ein derartiger Kollimator besteht aus einer Vielzahl von parallelen Röntgenstrahlung absorbierenden Lamellen, die unabhängig voneinander in den Strahlengang des Röntgenstrahlbündels eingefahren werden können. Durch geeignete Ansteuerung wird mit diesem Kollimator direkt die Aufspaltung eines kegelförmigen Röntgenstrahlbündels in mehrere fächerförmige Teilstrahlenbündel sowie die Umschaltung zwischen den Aufnahmegeometrien ermöglicht.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst entsprechend eine Röntgenquelle, die ein von einem Röntgenfokus ausgehendes kegelförmiges Röntgenstrahlbündel erzeugt, einen der Röntgenquelle an einem Untersuchungsvolumen gegenüber liegenden Röntgendetektor, der ein zweidimensionales Array von Detektorelementen aufweist, sowie ein zwischen Röntgenquelle und Röntgendetektor angeordnetes Aufteilungselement, das das Röntgenstrahlbündel vor dem Durchtritt durch das Untersuchungsvolumen in mehrere Teilstrahlen aufrastert, so dass sich in einer ersten Aufnahmegeometrie bestrahlte Bereiche oder Schichten des Untersuchungsvolumens mit unbestrahlten Bereichen oder Schichten abwechseln. Die Vorrichtung umfasst auch eine Steuerung, die während einer Röntgenaufnahme zwischen der ersten und einer oder mehreren weiteren Aufnahmegeometrien wechselt, bei denen die vorher unbestrahlten Bereiche bzw. Schichten bestrahlt und die vorher bestrahlten Bereiche bzw. Schichten zumindest teilweise nicht bestrahlt werden. Die Vorrichtung kann dabei wie ein üblicher Computertomograph ausgebildet sein, der zusätzlich das Aufteilungselement und die obige Steuerung enthält.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung auch eine Lagerungseinrichtung für das Untersuchungsobjekt, beispielsweise einen Patientenlagerungstisch, die über einen geeigneten Antrieb in Aufspaltungsrichtung verfahrbar ist. Die Steuerung ist dabei derart ausgebildet, dass sie den Antrieb der Lagerungseinrichtung für den Wechsel zwischen den Aufnahmegeometrien ansteuert. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Röntgenquelle derart ausgebildet, dass sie durch entsprechende Ansteuerung eine Änderung der Position des Röntgenfokus ermöglicht. Die Steuerung zum Wechsel zwischen den Aufnahmegeometrien ist dabei mit dieser Röntgenquelle verbunden. In einer anderen Ausgestaltung ist das Aufteilungselement derart ausgebildet und/oder mit einem geeigneten Antrieb versehen, dass es durch entsprechende Ansteuerung den Wechsel zwischen den Aufnahmegeometrien ermöglicht. Auch hier ist die Steuerung dann mit dem Antrieb und/oder dem Aufteilungselement verbunden.
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Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 in schematischer Darstellung einen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestalteten Computertomographen in Frontansicht;
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2 den Computertomographen der 1 in Seitenansicht; sowie
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3 die gemäß dem vorliegenden Verfahren in einer ersten Aufnahmegeometrie beleuchteten und unbeleuchteten Bereiche eines Untersuchungsobjekts.
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Im Folgenden werden das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung anhand eines Computertomographen nochmals erläutert, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der Computertomograph ist in 1 in stark schematisierter Darstellung in einer Frontansicht, d.h. bei einer Blickrichtung in Richtung der Systemachse bzw. der z-Richtung und in der 2 in einer Seitenansicht dargestellt. Bei dem Computertomographen rotiert ein Röntgenaufnahmesystem bestehend aus Röntgenröhre 1 und gegenüber liegendem Röntgendetektor 2 an einem Drehrahmen 9 um ein Untersuchungsvolumen. In dem Untersuchungsvolumen ist im vorliegenden Beispiel ein Patient 10 auf einem Patientenlagerungstisch 7 gelagert, der sich in z-Richtung motorisch verfahren lässt. 1 zeigt hierbei das vom Röntgenfokus 6 der Röntgenröhre 1 ausgehende Röntgenstrahlbündel 4, das den Patienten 10 durchleuchtet und auf den Röntgendetektor 2 auftrifft, der ein zweidimensionales Array von Detektorelementen aufweist.
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Bei dem vorgeschlagenen Computertomographen wird das kegelförmige Röntgenstrahlbündel 4 nach dem Austritt aus der Röntgenröhre 1 mit einem Strahlaufteilungselement 3 in mehrere fächerförmige Teilstrahlenbündel 5 aufgespaltet, wie dies in der Seitenansicht des Computertomographen der 2 zu erkennen ist. Dadurch wird alternierend jeweils jede zweite Schicht des Patienten 10 direkt durchleuchtet und abgebildet.
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Die dazwischen liegenden Schichten erfahren keine Direktstrahlung. Die Projektion dieser nicht direkt bestrahlten Schichten auf den Röntgendetektor 2 enthält damit ausschließlich die Streustrahlung aus den bestrahlten Schichten. Da diese typischerweise nur langsam innerhalb eines Streukörpers variiert, kann durch Messung dieser Streustrahlung mit den entsprechenden Detektorelementen des Röntgendetektors 2 auch ein guter Rückschluss auf den Streustrahlungsanteil in den direkt bestrahlten Schichten erfolgen.
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3 zeigt schematisiert ein Beispiel für die bestrahlten 11 und unbestrahlten Schichten 12 des Patientenkörpers 10 in Draufsicht. Bestrahlte Schichten 11 und unbestrahlte Schichten 12 wechseln sich hierbei ab und haben die gleiche Breite d. Diese Breite entspricht vorzugsweise der Breite einer Detektorzeile des darunter liegenden Röntgendetektors 2, wobei dann jedes Teilstrahlenbündel 5 genau eine Detektorzeile des Röntgendetektors ausleuchtet. Zur vollständigen Rekonstruktion des gesamten Untersuchungsvolumens muss jeweils ein zweiter Satz Projektionsbilder gewonnen werden, bei dem die vorher direkt bestrahlten sowie die vorher nicht bestrahlten bzw. abgeschirmten Schichten gegenüber dem ersten Satz vertauscht sind. Dies kann durch eine kleine Verschiebung des Patientenlagerungstisches 7 in z-Richtung um die Distanz d erfolgen. Alternativ kann auch eine entsprechende Verschiebung des Strahlaufteilungselementes 3 erfolgen, das in Form eines Kollimationsrasters ausgebildet sein kann. Im Falle eines Multilamellenkollimators werden die einzelnen Lamellen für den Wechsel der Aufnahmegeometrie entsprechend aus- und/oder eingefahren. Auch eine Verschiebung des Fokuspunktes 6 der Röntgenröhre um eine entsprechend kleine Distanz ist möglich. Für den Wechsel zwischen den beiden Aufnahmegeometrien, d.h. die Ansteuerung des Patientenlagerungstisches 7, des Strahlaufteilungselementes 3 oder der Röntgenröhre 1 zur Verschiebung des Röntgenfokus 6 ist eine Steuerung 8 mit dem entsprechend zu verschiebenden Element verbunden.
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Das Verhältnis zwischen bestrahlten und unbestrahlten Schichten muss nicht notwendigerweise exakt 1:1 hinsichtlich der Schichtdicke betragen. Es kann auch ein Überlapp erzeugt werden, um je nach Verschiebungstechnik eine vollständige Durchleuchtung des gesamten Untersuchungsvolumens zu erreichen.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung ist keine größere Verschiebung des Untersuchungsobjektes erforderlich, um die gewünschte Streustrahlenreduktion zu erreichen. Damit werden gegenüber einer Abtastung mit einem einzelnen fächerförmigen Röntgenstrahlbündel der Einfluss mechanischer Ungenauigkeiten sowie die Untersuchungsdauer reduziert. Da kein Streustrahlenraster vor dem Röntgendetektor erforderlich ist, wird auch keine Direktstrahlung nach dem Durchtritt durch das Untersuchungsobjekt abgeschwächt und somit im Falle der medizinischen Bildgebung eine Reduzierung der Patientendosis ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht auch eine Korrektur eines verbleibenden Streuanteils in den direkt bestrahlten Schichten. Die Ermittlung dieses Streuanteils erfolgt direkt aus einer Messung der gerade unbestrahlten Schichten und ist damit frei von Abschätzungsfehlern.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Auch andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
