DE102013215042A1

DE102013215042A1 - Röntgeneinheit mit Schlitzblenden

Info

Publication number: DE102013215042A1
Application number: DE102013215042.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Allmendinger; Rainer Raupach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: CN104337540B; CN104337540A; BR102014018632A2; DE102013215042B4

Abstract

Die Erfindung umfasst sowohl eine Röntgeneinheit als auch ein Verfahren zur Aufnahme von Röntgenprojektionen. Die erfindungsgemäße Röntgeneinheit ist dazu ausgelegt ein Untersuchungsobjekt entlang einer Längsachse mit einer Vorschubgeschwindigkeit zu verfahren und umfasst weiterhin eine um die Längsachse rotierbaren Aufnahmeeinheit. Diese Aufnahmeeinheit umfasst einen Röntgenemitter zur Emission von Röntgenstrahlen in Form eines Röntgenstrahlbündels sowie einen Röntgendetektor zur Detektion der Röntgenstrahlen. Die Erfinder haben erkannt, dass eine erste, fest positionierte Schlitzblende mit einer ersten Öffnung einer Ausdehnung D_1 entlang der Längsachse, ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_1 in Höhe der Längsachse, sowie eine zweite Schlitzblende mit einer zweiten Öffnung einer Ausdehnung D_2 entlang der Längsachse, ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_2 in Höhe der Längsachse, wobei DZ_2 < DZ_1 gilt, ausreichen, um eine selektive Bestrahlung des Nutzvolumens im Spiralmodus zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgeneinheit sowie ein Verfahren zur Aufnahme von Röntgenprojektionen.
Die Computertomographie ist ein bildgebendes Verfahren, welches vor allem zur medizinischen Diagnostik sowie zur Materialuntersuchung eingesetzt wird. Zur Aufnahme tomographischer Röntgenbilder rotieren ein Röntgenemitter sowie ein mit diesem zusammen wirkender Röntgendetektor um ein Untersuchungsobjekt. Im Spiralmodus wird das Untersuchungsobjekt entlang der Rotationsachse verfahren, während unter verschiedenen Winkelpositionen Röntgenprojektionen aufgenommen werden. Nach der Aufnahme von Röntgenprojektionen im Spiralmodus werden die Röntgenprojektionen so verarbeitet, dass ein dreidimensionales, tomographisches Röntgenbild entsteht. Der Bereich des Untersuchungsobjekts, der rekonstruiert werden soll, wird auch als Nutzvolumen bezeichnet. Die Aufnahme von Röntgenprojektionen im Spiralmodus wird auch als Spiralscan bezeichnet.
Zur Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes muss der während eines Spiralscans aufgenommene Satz von Röntgenprojektionen vollständig sein. Soll nur von einem begrenzten Nutzvolumen innerhalb des Untersuchungsobjekts ein tomographisches Röntgenbild rekonstruiert werden, ist ein Nachlauf bzw. Vorlauf erforderlich, bei dem herkömmlicher Weise auch ein Bereich außerhalb des Nutzvolumens abgetastet wird. Dieser Nachlauf bzw. Vorlauf ist aufgrund der mittlerweile üblichen großen Breite von Röntgendetektoren notwendig. Damit einher geht eine unnötige Strahlenbelastung für das Untersuchungsobjekt außerhalb des Nutzvolumens. Dies ist besonders im medizinischen Umfeld problematisch, wenn es sich bei dem Untersuchungsobjekt um einen Patienten handelt. Diese Problematik verstärkt sich mit zunehmender Breite bzw. Zeilenzahl moderner Röntgendetektoren. Eine Möglichkeit die unnötige Strahlenbelastung aufgrund eines Nachlaufs bzw. Vorlaufs bei einem Spiralscan zu vermindern, besteht darin, die Röntgenstrahlung mittels Blenden so zu formen, dass tatsächlich nur das Nutzvolumen bestrahlt wird.
Aus DE 10 2005 018 811 A1 ist eine Blendenvorrichtung für eine zur Abtastung eines Objektes vorgesehene Röntgeneinrichtung mit zumindest zwei Blenden bekannt, wobei für zumindest einen Abschnitt der Abtastung ein mit der ersten Blende eingestelltes Strahlenbündel mittels der zweiten Blende zumindest teilweise dynamisch ausblendbar ist. Weiterhin ist aus der genannten Veröffentlichungsschrift bekannt, dass das verbleibende Strahlenbündel nur einen Bereich des Objektes bestrahlt, der zur Rekonstruktion eines Bildes beiträgt. Außerdem kann es sich bei den Blenden um Schlitzblenden handeln.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Strahlenbelastung bei einer tomographischen Aufnahme im Spiralmodus aufgrund des Nachlaufs bzw. Vorlaufs mittels einer technisch einfachen Anordnung von Blenden gering zu halten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Röntgeneinheit nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 8.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf die beanspruchte Vorrichtung als auch in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche, die beispielsweise auf eine Vorrichtung gerichtet sind, auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet.
Die Erfindung umfasst sowohl eine Röntgeneinheit als auch ein Verfahren zur Aufnahme von Röntgenprojektionen. Die erfindungsgemäße Röntgeneinheit ist dazu ausgelegt ein Untersuchungsobjekt entlang einer Längsachse mit einer Vorschubgeschwindigkeit zu verfahren und umfasst weiterhin eine um die Längsachse rotierbaren Aufnahmeeinheit. Diese Aufnahmeeinheit umfasst einen Röntgenemitter zur Emission von Röntgenstrahlen in Form eines Röntgenstrahlbündels sowie einen Röntgendetektor zur Detektion der Röntgenstrahlen. Die Erfinder haben erkannt, dass eine erste, fest positionierte Schlitzblende mit einer ersten Öffnung einer Ausdehnung D_1 entlang der Längsachse, ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_1 in Höhe der Längsachse, sowie eine zweite Schlitzblende mit einer zweiten Öffnung einer Ausdehnung D_2 entlang der Längsachse, ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_2 in Höhe der Längsachse, wobei DZ_2 < DZ_1 gilt, ausreichen, um eine selektive Bestrahlung des Nutzvolumens im Spiralmodus zu ermöglichen. Da erfindungsgemäß nur die zweite Schlitzblende derart in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit entlang der Längsachse verfahren wird, dass die von den Schlitzblenden geformten Röntgenstrahlen nur einen zur Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes beitragenden Bereich des Untersuchungsobjekts bestrahlen, wird die Strahlenbelastung aufgrund des Nachlaufs bzw. Vorlaufs bei einer tomographischen Aufnahme im Spiralmodus gering gehalten.
Die vorgeschlagene Anordnung der Blenden ist technisch besonders einfach zu realisieren, da nur eine einzige Blende verfahrbar angeordnet sein muss. Weiterhin handelt es sich bei den Blenden erfindungsgemäß um Schlitzblenden, so dass nur eine Blende als Ganzes verfahren werden muss, aber nicht einzelne Teile einer Blende oder gar mehrerer Blenden relativ zueinander. Außerdem sind Schlitzblenden im Vergleich zu Blenden mit mehreren beweglichen Teilen einfach und kostengünstig zu fertigen. Darüber hinaus gestaltet sich der Austausch von Schlitzblenden relativ einfach, so dass Blenden mit verschieden ausgedehnten Öffnungen für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden können. Die Erfindung ist also technisch einfach, kostengünstig und flexibel.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das das Untersuchungsobjekt im Spiralmodus während des Vorlaufs mit einer ersten Vorschubgeschwindigkeit und während des Nachlaufs mit einer zweiten Vorschubgeschwindigkeit verfahren, wobei die zweite Schlitzblende während des Nachlaufs und Vorlaufs jeweils derart verfahren wird, dass das von den Schlitzblenden geformte Röntgenstrahlbündel jeweils mit der gleichen Geschwindigkeiten wie das Untersuchungsobjekt entlang der Längsachse verfahren wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt eine Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes, basierend auf den erfindungsgemäß aufgenommenen Röntgenprojektionen, wobei die Rekonstruktion eine Gewichtung entsprechend der Intensität der durch die Schlitzblenden geformten Röntgenstrahlen umfasst. Denn Aufgrund der Tatsache, dass nur die zweite Schlitzblende verfahren wird, während die erste Schlitzblende fest positioniert ist, folgt, dass die Bestrahlung des Röntgendetektors zu fast jedem Zeitpunkt des Vorlaufs bzw. Nachlaufs asymmetrisch ist. Werden Detektorelemente während des Spiralscans ausgelesen, muss die Asymmetrie durch Gewichtung bei der Rekonstruktion berücksichtigt werden. Das vollständige Auslesen des Detektors zusammen mit einer anschließenden Gewichtung ist technisch einfach zu realisieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Gewichtung bei der Rekonstruktion binär. Dieser Ansatz ist besonders einfach zu realisieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Gewichtung proportional zur Intensität der durch die Schlitzblenden geformten Röntgenstrahlen. Dieser Ansatz ist besonders genau, da er auch Teilschatten berücksichtigt. Insbesondere bei einer sehr schnellen Bewegung zweiten Schlitzblende ist dieser Ansatz von Vorteil.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung handelt es sich bei der Rekonstruktion um eine gewichtete, gefilterte Rückprojektion. Rekonstruktionsalgorithmen, welche auf der gefilterten Rückprojektion beruhen, bieten den Vorteil einer relativ kurzen Laufzeit und eines relativ geringen Rechenaufwands.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung handelt es sich bei der Rekonstruktion um einen iterative Rekonstruktion mittels eines statistischen Gewichts. Iterative Rekonstruktionsalgorithmen bieten den Vorteil einer hohen Auflösung, insbesondere an Kanten, und geringen Anfälligkeit für Artefakte.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgeneinheit in Form eines Computertomographen,
2 eine erfindungsgemäße Anordnung von Schlitzblenden im Querschnitt,
3 in Form eines Diagramms die erfindungsgemäße Positionen zweier Schlitzblenden relativ zur Gantry während einer Aufnahme im Spiralmodus, und
4 in Form eines Diagramms die erfindungsgemäße Positionen zweier Schlitzblenden relativ zum Untersuchungsobjekt während einer Aufnahme im Spiralmodus.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgeneinheit in Form eines Computertomographen, der über eine Aufnahmeeinheit, umfassend einen Röntgenemitter 8 sowie einen Röntgendetektor 9, verfügt. Die Aufnahmeeinheit rotiert während der Aufnahme von Röntgenprojektionen um eine Längsachse 5, und der Röntgenemitter 8 emittiert während der Aufnahme Röntgenstrahlen in Form eines Röntgenstrahlbündels. Insbesondere kann das Röntgenstrahlbündel als Fächer oder Kegel ausgeformt sein. Der Computertomograph kann auch über mehr als nur einen Röntgenemitter 8 und mehr als nur einen Röntgendetektor 9 verfügen um Aufnahmen im sogenannten Dual Energy Verfahren zu ermöglichen. Bei dem Röntgenemitter 8 handelt es sich in dem hier gezeigten Beispiel um eine Röntgenröhre. Bei dem Röntgendetektor 9 handelt es sich in dem hier gezeigten Beispiel um einen Zeilendetektor mit mehreren Zeilen, beispielsweise mit 128 Zeilen oder mit 256 Zeilen. Der Röntgendetektor 9 kann aber auch als Flachdetektor ausgebildet sein. Der Röntgendetektor 9 ist üblicher Weise als Szintillatorzähler ausgebildet, bei dem die hochenergetischen Röntgenphotonen mittels eines Szintillators in niederenergetische Photonen im optischen Spektrum konvertiert und anschließend mittels einer Photodiode detektiert werden. Alternativ kann der Röntgendetektor 9 als direkt konvertierender Detektor ausgebildet sein, der die hochenergetischen Röntgenphotonen mittels eines Halbleitermaterials direkt durch interne Photoanregung unter Ausnutzung des photovoltaischen Prinzips in einen elektrischen Signalstrom umwandelt.
Bei der Aufnahme von Röntgenprojektionen liegt der Patient 3 auf einer Patientenliege 6, die so mit einem Liegensockel 14 verbunden ist, dass er die Patientenliege 6 mit dem Patienten 3 trägt. Die Patientenliege 6 ist dazu ausgelegt den Patienten 3 entlang einer Aufnahmerichtung durch die Öffnung 10 der Aufnahmeeinheit mit einer Vorschubgeschwindigkeit zu verfahren. Die Aufnahmerichtung ist in der Regel durch die Längsachse 5 gegeben, welche auch die Rationsachse der Aufnahmeeinheit ist. Allerdings kann die Längsachse 5 auch gegenüber der Aufnahmerichtung, entlang derer der Patient 3 während der Aufnahme bewegt wird, verkippt sein, beispielsweise indem die Aufnahmeeinheit als Teil einer kippbaren Gantry ausgebildet ist.
Durch die Rotation der Aufnahmeeinheit werden Röntgenprojektionen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen, die zu einem hoch aufgelösten, räumlich dreidimensionalen Datensatz rekonstruiert werden können. Die Aufnahme erfolgt erfindungsgemäß im Spiralmodus, bei dem der Patient 3 kontinuierlich entlang der Längsachse 5 verfahren wird. Wie in 3 gezeigt wird die Aufnahme im Spiralmodus in drei Phasen unterteilt, nämlich in den Vorlauf, die Abtastung des Nutzvolumens, und den Nachlauf. Um eine unnötige Bestrahlung des Patienten 3 während des Nachlaufs bzw. des Vorlaufs zu verhindern, werden erfindungsgemäß zwei Schlitzblenden als Teil der Aufnahmeeinheit vorgesehen. Die Schlitzblenden befinden sich beide auf der Seite des Röntgenemitters 8 in unmittelbarerer Nähe des Austrittspunkt der Röntgenstrahlung. Beide Schlitzblenden sind zur Formung der Röntgenstrahlen bzw. des Röntgenstrahlbündels durch Absorption von Röntgenstrahlen ausgelegt. Eine Schlitzblende besteht daher aus Material, welches Röntgenstrahlen in hohem Gerade absorbiert, beispielsweise kann dieses Material Wolfram, Molybdän, Eisen und andere Metalle enthalten.
Erfindungsgemäß ist die erste Schlitzblende 15 fest innerhalb der Aufnahmeeinheit positioniert, während die zweite Schlitzblende 16 in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit des Patienten 3 entlang der Längsachse 5 verfahrbar ist. Das Verfahren der zweiten Schlitzblende 16 wird durch einen Aktuator, beispielsweise einen Elektromotor, bewerkstelligt. Daher weist die Aufnahmeeinheit in einer Ausführungsform der Erfindung nur einen einzigen Aktuator, beispielsweise in Form eines Elektromotors, zum Verfahren von Schlitzblenden auf, wodurch die Erfindung technisch einfach und kostengünstig gestaltet wird.
In dem hier gezeigten Beispiel umfasst der Computertomograph auch einen Computer 12, welcher beispielsweise zur Steuerung des Computertomographen sowie zum Speichern und Verarbeiten einer Vielzahl von Röntgenprojektionen ausgelegt ist. Der Computer 12 ist mit einer Ausgabeeinheit 11, beispielsweise zur graphischen Ausgabe tomographischer Röntgenbilder verbunden. Bei der Ausgabeeinheit 11 handelt es sich beispielsweise um einen oder mehrere LCD-, Plasma- oder OLED-Bildschirm. Weiterhin ist der Computer 12 mit einer Eingabeeinheit 13 verbunden. Die Eingabeeinheit 13 dient beispielsweise dazu Parameter für die Verarbeitung von Röntgenprojektionen auszuwählen. Bei der Eingabeeinheit 13 handelt es sich beispielsweise um eine Tastatur, eine Maus, einen sogenannten Touchscreen oder auch um ein Mikrofon zur Spracheingabe. Schnittstellen ermöglichen es dem Computer 12 mit dem Computertomographen sowie mit der Eingabeeinheit 13 oder einer Ausgabeeinheit 11 kommunizieren zu können. Bei den Schnittstellen handelt es sich um allgemein bekannte Hard- oder Software-Schnittstellen, z.B. um die Hardware-Schnittstellen PCI-Bus, USB oder Firewire.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Röntgeneinheit eine Rekonstruktionseinheit 4 auf. Die Rekonstruktionseinheit 4 kann sowohl Hardware als auch Software umfassen. Beispielsweise kann die Rekonstruktionseinheit 4 ein FPGA oder einen Prozessor umfassen. In dem hier gezeigten Beispiel ist die Rekonstruktionseinheit 4 als ein Computerprogramm ausgebildet, welches in den internen Speicher des Computers 12 ladbar ist. Die Rekonstruktionseinheit 4 kann sich in einer alternativen Ausführungsform aber auch auf einem separaten Computer befinden, welcher nicht zur Ansteuerung des Computertomographen ausgelegt ist.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung von Schlitzblenden im Querschnitt. Die erste, fest positionierte Schlitzblende 15 mit einer ersten Öffnung einer Ausdehnung D_1 entlang der Längsachse 5 ist ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_1 in Höhe der Längsachse 5. Die zweite Schlitzblende 16 mit einer zweiten Öffnung einer Ausdehnung D_2 entlang der Längsachse 5 ist ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_2 in Höhe der Längsachse 5, wobei DZ_2 ≤ DZ_1 gilt. In einer alternativen Ausführungsform gilt DZ_2 < DZ_1. Die Ausdehnung wird dabei jeweils entlang der Längsachse 5 gemessen, welche im Folgenden auch die z-Koordinate definiert. Mit der Ausdehnung in Höhe der Längsachse 5 ist die Ausdehnung des Röntgenbündels entlang der Längsachse bei seiner Projektion auf die Längsachse 5 gemeint wie es auch in 2 gezeigt ist. Es ist eine Idee der Erfindung, dass das durch beide Schlitzblenden geformte Strahlbündel höchstens die Ausdehnung DZ_2 aufweisen kann. Daher ist mit der Ausdehnungen DZ_1 die Ausdehnungen gemeint, welche sich bei einer Projektion des Röntgenstrahlbündels und der damit einhergehenden Formung nur durch die erste Schlitzblende 15 ergibt, also ohne den Effekt der zweiten Schlitzblende 16.
Genau genommen hängt die Ausdehnung des Strahlbündels von der Position der zweiten Schlitzblende 16 entlang der Längsachse 5 ab. Vereinfachend wird hier die Effekte projektiver Verzerrungen aufgrund unterschiedlicher Winkel zwischen Röntgenstrahlen und zweiter Schlitzblende 16 vernachlässigt. Mit der Ausdehnung des zweiten Strahlbündels DZ_2 ist also die Ausdehnung bei mittiger Orientierung gegenüber der ersten Öffnung der ersten Schlitzblende 15 gemeint. Alternativ kann die mittige Orientierung gegenüber dem Röntgenemitter 8 gemeint sein.
In der hier gezeigten Ausführungsform befindet sich die erste Schlitzblende 15 näher an der Röntgenquelle 8 als die zweite Schlitzblende 16. In einer alternativen Ausführungsform befindet sich die zweite Schlitzblende 16 näher an der Röntgenquelle 8 als die erste Schlitzblende 15. Weiterhin gilt in dem hier gezeigten Beispiel D_2 < D_1.
Der Röntgenstrahlung absorbierende Teil der zweiten Schlitzblende 16 muss so groß sein, dass die Öffnung der ersten Schlitzblende 15 durch Verfahren der zweiten Schlitzblende 16 entlang der Längsachse 5 vollständig geschlossen werden kann. In anderen Worten muss die zweite Schlitzblende 16 so dimensioniert, angeordnet und verfahrbar sein, dass die zweite Schlitzblende 16 die von dem Röntgenemitter 8 emittierte Röntgenstrahlung vollständig daran hindern kann, den Röntgenemitter 9 bzw. ein zwischen Röntgenemitter 8 und Röntgendetektor 9 positioniertes Untersuchungsobjekt zu bestrahlen.
Eine Schlitzblende kann, insbesondere bei einer sphärischen Form, eine rechteckige Öffnung aufweisen, welche sich auch senkrecht zur hier mit D_1 bzw. mit D_2 bezeichneten Ausdehnung erstreckt. Insbesondere können sich die Öffnungen der ersten und der zweite Schlitzblende jeweils soweit senkrecht zur der mit D_1 bzw. mit D_2 bezeichneten Ausdehnung erstrecken, dass sie in dieser Richtung eine vollständige Bestrahlung des Röntgendetektors 9 ermöglichen. In weiteren Ausführungsformen sind die Schlitzblenden planar oder zylindrisch geformt.
Die Öffnung der ersten Schlitzblende 15 ist so dimensioniert, dass die durch die erste Schlitzblende 15 geformten Röntgenstrahlen die ganze Fläche des Röntgendetektors 9 bestrahlen können. Die erste Schlitzblende 15 ist in der hier gezeigten Ausführungsform so innerhalb der Aufnahmeeinheit fest positioniert, dass ihre Öffnung auch mittig zum Röntgendetektor 9 orientiert ist. Dies wird in 2 durch die erste Zentralposition 17 verdeutlicht, welche die Zentralposition der von der ersten Schlitzblende 15 geformten Röntgenstrahlen angibt. Die zweite Zentralposition 18 der von der zweiten Schlitzblende 16 geformten Röntgenstrahlen ist hingegen beweglich, da die zweite Schlitzblende 16 entlang der Längsachse 5 verfahrbar ist und dazu in dem hier gezeigten Beispiel D_2 < D_1 gilt. Erfindungsgemäß wird die zweite Schlitzblende 16 während eines Spiralscans so entlang der Längsachse 5 verfahren, dass die resultierenden, von den beiden Schlitzblenden geformten Röntgenstrahlen die meiste Zeit des Spiralscans den Röntgendetektor 9 asymmetrisch bestrahlen. Eine asymmetrische Bestrahlung bedeutet, dass die Zentralposition der resultierenden Röntgenstrahlen nicht mittig zu dem Röntgendetektor 9 ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Schlitzblende 16 wenigstens eine weitere Öffnung mit einer Ausdehnung D_3 ≠ D_2 entlang der Längsachse 5 auf, ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_3 ≠ DZ_2 sowie DZ_3 ≤ DZ_1 oder DZ_3 < DZ_1 in Höhe der Längsachse 5. In Varianten dieser Ausführungsform gilt D_3 ≤ D_1 oder D_3 < D_1. In dieser Ausführungsform müssen die wenigstens zwei Öffnungen der zweiten Schlitzblende 16 so weit voneinander entfernt angebracht sein, dass die zweite Schlitzblende 16 zum vollständigen Blockieren der von der ersten Schlitzblende 15 geformten Röntgenstrahlung fähig ist. In anderen Worten muss die zweite Schlitzblende 16 jeweils ein Röntgenstrahlung absorbierendes Teilstück zwischen den wenigstens zwei Öffnungen aufweisen, dass ausgedehnt genug ist, um die von der ersten Schlitzblende 15 geformte Röntgenstrahlung vollständig zu absorbieren.
3 zeigt in Form eines Diagramms die erfindungsgemäße Positionen zweier Schlitzblenden relativ zur Gantry während einer Aufnahme im Spiralmodus. Dabei ist auf der waagerechten Achse die Zeit, bezeichnet mit "t", und auf der senkrechten Achse die z-Koordinate, bezeichnet mit "z", aufgetragen. Im Folgenden soll das Zeitintervall zwischen t_0 und t_1 als dt_1, das Zeitintervall zwischen t_1 und t_2 als dt_2 und das Zeitintervall zwischen t_2 und t_3 als dt_3 bezeichnet werden. Im Zeitintervall dt_1 findet der Vorlauf des Spiralscans statt, im Zeitintervall dt_3 der Nachlauf. Während des Nachlaufs bzw. Vorlaufs muss der Röntgendetektor 9 nicht vollständig bestrahlt werden, um die für eine tomographische Rekonstruktion notwendigen Röntgenprojektionen aufzunehmen. Vielmehr würde eine Bestrahlung des Untersuchungsobjekts während des Nachlaufs bzw. Vorlaufs, die einer vollständigen Bestrahlung des Röntgendetektors 9 entspricht, nur eine unnötige Strahlenbelastung bedeuten. Hingegen kann in dem Zeitintervall dt_2 das Untersuchungsobjekt so bestrahlt werden, dass es einer vollständigen Bestrahlung des Röntgendetektors 9 entspricht, da sich in diesem Fall nur Nutzvolumen im Strahlengang befindet. Der Nachlauf bzw. Vorlauf ist aufgrund des Spiralmodus notwendig und stellt mit zunehmender Breite des Röntgendetektors 9 vor allem im medizinischen Bereich ein Problem dar, da er dem Streben nach Dosiseffizienz entgegenwirkt.
Erfindungsgemäß ist die zweite Schlitzblende 16 derart in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit eines Untersuchungsobjekts bzw. der Patientenliege 6 entlang der Längsachse 5 während eines Spiralscans verfahrbar, dass die von den Schlitzblenden geformten Röntgenstrahlen nur einen zur Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes beitragenden Bereich des Untersuchungsobjekts bestrahlen. Anders formuliert handelt es sich bei dem bestrahlten Bereich 20, wie in 3 gezeigt, nur um das Nutzvolumen. In dem dort gewählten Bezugssystem ruht die erste Schlitzblende 15. Die zweite Schlitzblende 16 bewegt sich während des Nachlaufs bzw. Vorlaufs mit einer ersten Geschwindigkeit v_B1 und während der Abtastung des Nutzvolumens mit einer zweiten Geschwindigkeit v_B2 entlang der z-Richtung, wobei die Geschwindigkeiten v_B1 und v_B2 von der Vorschubgeschwindigkeit des Untersuchungsobjekts abhängig sind. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die zweite Schlitzblende 16 derart in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit verfahren, dass sich der Pitch ändert, insbesondere zwischen den verschiedenen Zeitintervallen. Im Spiralmodus wird der Pitch definiert als das Verhältnis von Vorschub der Patientenliege 6 pro Rotation der Aufnahmeeinheit zur Ausdehnung des Detektors 9 entlang der Längsachse 5.
4 in Form eines Diagramms die erfindungsgemäße Positionen zweier Schlitzblenden relativ zum Untersuchungsobjekt während einer Aufnahme im Spiralmodus. In dem hier gezeigten Diagramm ist die Relativbewegung zwischen dem Untersuchungsobjekt und der ersten Schlitzblende 15 aufgrund der Bewegung des Untersuchungsobjekts mit der Vorschubgeschwindigkeit ersichtlich. Die Vorschubgeschwindigkeit steigert sich im zweiten Zeitintervall dt_2. Im ersten und dritten Zeitintervall erfolgt ist die Geschwindigkeit der zweiten Schlitzblende 16 so bemessen, dass sich das durch die Schlitzblenden geformte Röntgenstrahlbündel mit der jeweiligen Vorschubgeschwindigkeit bewegt. Die zweite Schlitzblende 16 ist also im Bezug auf das Untersuchungsobjekt im ersten und dritten Zeitintervall ortsfest. Nur im zweiten Zeitintervall dt_2 unterscheiden sich die Vorschubgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des Röntgenstrahlbündels. Das erfindungsgemäße Verhältnis von Verfahren der zweiten Schlitzblende 16 und Vorschubgeschwindigkeit führt dazu, dass nur das Nutzvolumen 19 bestrahlt wird, während die Bereiche 21a, b außerhalb des Nutzvolumens während des Nachlaufs bzw. Vorlaufs nicht bestrahlt werden. Bei herkömmlichen Verfahren mit stationären Blenden werden die Bereiche 21a, b außerhalb des Nutzvolumens hingegen bestrahlt.
In einer Ausführungsform der Erfindung gilt, dass das Untersuchungsobjekt in einem ersten Zeitintervall dt_1 sowie in einem dritten Zeitintervall dt_3 jeweils mit einer ersten Vorschubgeschwindigkeit v_1 sowie in einem zweiten Zeitintervall dt_2 mit einer zweiten Vorschubgeschwindigkeit v_2 > v_1 verfahren wird, wobei die zweite Schlitzblende 16 derart verfahrbar ist, dass sich der von den Röntgenstrahlen bestrahlte Bereich des Röntgendetektors 9 während des ersten Zeitintervalls von einer minimalen bis zu einer maximalen Ausdehnung entlang der Längsachse 5 vergrößert, wobei die Röntgenstrahlen diesen Bereich maximaler Ausdehnung während des zweiten Zeitintervalls bestrahlen, wobei sich der von den Röntgenstrahlen bestrahlte Bereich des Röntgendetektors 9 während des dritten Zeitintervalls von dem maximalen auf den minimalen Bereich verkleinert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gilt, dass die zweite Vorschubgeschwindigkeit durch v_2 = v_1·(1 + (DZ_1 – DZ_2)/(L – DZ_2)) mit der Ausdehnung L des Nutzvolumens entlang der Längsachse 5 gegeben ist. Dabei ist die zweite Schlitzblende 16 in dem ersten sowie in dem dritten Zeitintervall jeweils mit einer ersten Blendengeschwindigkeit vB_1 verfahrbar, so dass die Geschwindigkeit des Röntgenstrahlbündels gleich v_1 ist. Weiterhin ist die zweite Schlitzblende 16 im zweiten Zeitintervall mit einer zweiten Blendengeschwindigkeit vB_2 verfahrbar, so dass die Geschwindigkeit des Röntgenstrahlbündels gleich (DZ_1 – DZ_2)/dt_2 ist. Mit der Geschwindigkeit des Röntgenstrahlbündels ist jeweils die Geschwindigkeit in Höhe der Längsachse 5 gemeint.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind diese Geschwindigkeiten durch folgende Zusammenhänge gegeben, wobei die Länge des Nutzvolumens entlang der Längsachse 5 durch L gegeben ist. Die Patientenliege 6 bewege sich und damit das auf der Patientenliege 6 gelagerte Untersuchungsobjekt mit den Geschwindigkeiten

– v_1 zwischen den Zeitpunkten t_0 und t_1 = t_0 + DZ_2/v_1,
– v_2 = v_1·(1 + (DZ_1 – DZ_2)/(L – DZ_2)) zwischen den Zeitpunkten t_1 und t_2 = t_0 + L/v_1, sowie
– v_1 zwischen den Zeitpunkten t_2 und t_3 = t_0 + (L + DZ_2)/v_1.

Dann bewegt sich die zweite Schlitzblende 16 derart, dass sich das durch die beiden Schlitzblenden geformte Röntgenstrahlbündel mit folgenden Geschwindigkeiten entlang der Längsachse 5 bewegt:

– v_1 zwischen den Zeitpunkten t_0 und t_1 sowie zwischen den Zeitpunkten t_2 und t_3, sowie
– (DZ_1 – DZ_2)/(t_2 – t_1).

In weiteren Varianten der hier beschriebenen Ausführungsformen sind die Geschwindigkeitsübergänge, sowohl für die Geschwindigkeiten des Untersuchungsobjekts als auch für die Geschwindigkeiten der zweiten Schlitzblende 16, zwischen den verschiedenen Zeitintervallen nicht diskret, sondern kontinuierlich.
Entsprechend der beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ändert sich die Zentralposition der resultierenden Röntgenstrahlen während des Spiralscans derart, dass der Röntgendetektor 9 während der meisten Zeit des Spiralscans asymmetrisch bestrahlt wird. Dadurch ist während der Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes eine Gewichtung der durch den Röntgendetektor 9 geformten Röntgenstrahlen notwendig. Dies gilt insbesondere, wenn die Detektorelemente des Röntgendetektors 9 ausgelesen werden, als ob der Röntgendetektor 9 vollständig bestrahlt würde. Die Gewichtung während der Rekonstruktion bezieht sich immer auf die Gewichtung der Röntgenstrahlen, als ob kein Untersuchungsobjekt den Strahlengang störte. Ziel der Gewichtung ist es in dem vorliegenden Fall, die Intensität der Röntgenstrahlung aufgrund der Bewegung bzw. Position der Schlitzblenden bei der Rekonstruktion zu berücksichtigen. Daher können die Intensitäten aufgrund der bekannten Bewegung bzw. Position der Schlitzblenden berechnet werden, um sie anschließend für eine Gewichtung zu verwenden. Zur Kalibrierung der Intensitätswerte können auch erfindungsgemäße Spiralscans ohne ein Untersuchungsobjekt durchgeführt werden.
Die Gewichtung entsprechend der Intensität der durch die Schlitzblenden geformten Röntgenstrahlen erfolgt beispielsweise binär, da eine solche Gewichtung besonders einfach zu realisieren ist. Alternativ erfolgt die Gewichtung proportional zur Intensität der durch die Schlitzblenden geformten Röntgenstrahlen, da eine solche Art der Gewichtung besonders genau ist, insbesondere bei einer schnellen Bewegung der zweiten Schlitzblende 16. Eine Gewichtung proportional zur Intensität der von den Schlitzblenden geformten Röntgenstrahlung berücksichtigt auch den Effekt von Halbschatten. In weiteren Ausführungsformen kann die Gewichtung anderen mathematischen Abhängigkeiten folgen, beispielsweise kann sie quadratisch oder exponentielle von den Intensitätswerten abhängen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rekonstruktion handelt es sich um eine gewichtete, gefilterte Rückprojektion. Rekonstruktionsalgorithmen, welche auf der gefilterten Rückprojektion beruhen, bieten den Vorteil einer relativ kurzen Laufzeit und eines relativ geringen Rechenaufwands. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Rekonstruktion um einen iterative Rekonstruktion mittels eines statistischen Gewichts. Iterative Rekonstruktionsalgorithmen bieten den Vorteil einer hohen Auflösung, insbesondere an Kanten, und geringen Anfälligkeit für Artefakte.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005018811 A1 [0004]

Claims

Röntgeneinheit zur Aufnahme von Röntgenprojektionen eines entlang einer Längsachse (5) mit einer Vorschubgeschwindigkeit verfahrbaren Untersuchungsobjekts, umfassend eine um die Längsachse (5) rotierbaren Aufnahmeeinheit, wobei die Aufnahmeeinheit umfasst: – einen Röntgenemitter (8) zur Emission von Röntgenstrahlen in Form eines Röntgenstrahlbündels sowie einen Röntgendetektor (9) zur Detektion der Röntgenstrahlen, – eine erste, fest positionierte Schlitzblende (15) mit einer ersten Öffnung einer Ausdehnung D_1 entlang der Längsachse (5), ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_1 in Höhe der Längsachse (5), – eine zweite Schlitzblende (16) mit einer zweiten Öffnung einer Ausdehnung D_2 entlang der Längsachse (5), ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_2 in Höhe der Längsachse (5), wobei DZ_2 ≤ DZ_1 gilt, wobei die zweite Schlitzblende (16) derart in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit entlang der Längsachse (5) verfahrbar ist, dass das von den Schlitzblenden (15, 16) geformten Röntgenstrahlbündel nur einen zur Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes beitragenden Bereich des Untersuchungsobjekts bestrahlt.
Röntgeneinheit nach Anspruch 1, wobei das Untersuchungsobjekt im Spiralmodus während des Vorlaufs mit einer ersten Vorschubgeschwindigkeit und während des Nachlaufs mit einer zweiten Vorschubgeschwindigkeit verfahrbar ist, und wobei die zweite Schlitzblende (16) während des Nachlaufs und Vorlaufs jeweils derart verfahrbar ist, dass das Röntgenstrahlbündel jeweils mit der gleichen Geschwindigkeiten wie das Untersuchungsobjekt entlang der Längsachse (5) verfahrbar ist.
Röntgeneinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin umfassend eine Rekonstruktionseinheit (4), ausgelegt zur Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes, basierend auf den mittels der Röntgeneinheit aufgenommenen Röntgenprojektionen, wobei die Rekonstruktion eine Gewichtung entsprechend der Intensität der durch die Schlitzblenden (15, 16) geformten Röntgenstrahlen umfasst.
Röntgeneinheit nach Anspruch 3, wobei die Gewichtung binär erfolgt.
Röntgeneinheit nach Anspruch 3, wobei die Gewichtung proportional zur Intensität der durch die Schlitzblenden (15, 16) geformten Röntgenstrahlen erfolgt.
Röntgeneinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei es sich bei der Rekonstruktion um eine gewichtete, gefilterte Rückprojektion handelt.
Röntgeneinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei es sich bei der Rekonstruktion um einen iterative Rekonstruktion mittels eines statistischen Gewichts handelt.
Verfahren zur Aufnahme von Röntgenprojektionen im Spiralmodus mittels einer um eine Längsachse (5) rotierbaren Aufnahmeeinheit, wobei die Aufnahmeeinheit – einen Röntgenemitter (8) zur Emission von Röntgenstrahlen in Form eines Röntgenstrahlbündels sowie einen Röntgendetektor (9) zur Detektion der Röntgenstrahlen, – eine erste, fest positionierte Schlitzblende (15) mit einer ersten Öffnung einer Ausdehnung D_1 entlang der Längsachse (5), ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_1 in Höhe der Längsachse (5), – eine zweite Schlitzblende (16) mit einer zweiten Öffnung einer Ausdehnung D_2 entlang der Längsachse (5), ausgelegt zur Formung des Röntgenstrahlbündels mit einer Ausdehnung DZ_2 in Höhe der Längsachse (5), umfasst, wobei DZ_2 ≤ DZ_1 gilt, wobei eine Untersuchungsobjekts entlang der Längsachse (5) mit einer Vorschubgeschwindigkeit verfahren wird, wobei die zweite Schlitzblende (16) derart in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit entlang der Längsachse (5) verfahren wird, dass das von den Schlitzblenden (15, 16) geformte Röntgenstrahlbündel nur einen zur Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes beitragenden Bereich des Untersuchungsobjekts bestrahlt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Untersuchungsobjekt während des Nachlaufs mit einer ersten Vorschubgeschwindigkeit und während des Nachlaufs mit einer zweiten Vorschubgeschwindigkeit verfahren wird, und wobei die zweite Schlitzblende (16) während des Nachlaufs und Vorlaufs jeweils derart verfahren wird, dass das Röntgenstrahlbündel jeweils mit der gleichen Geschwindigkeiten wie das Untersuchungsobjekt entlang der Längsachse (5) verfahren wird.
Verfahren zur Rekonstruktion eines tomographischen Röntgenbildes, basierend auf Röntgenprojektionen, aufgenommen mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Rekonstruktion eine Gewichtung entsprechend der Intensität der durch die Schlitzblenden (15, 16) geformten Röntgenstrahlen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Gewichtung binär erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Gewichtung proportional zur Intensität der durch die Schlitzblenden (15, 16) geformten Röntgenstrahlen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei es sich bei der Rekonstruktion um eine gewichtete, gefilterte Rückprojektion handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei es sich bei der Rekonstruktion um einen iterative Rekonstruktion mittels eines statistischen Gewichts handelt.