DE10222701C1 - Verfahren zur Messung der Dosisverteilung in einem Computer-Tomographen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Dosisverteilung in einem Computer-Tomographen, bei dem die Dosisverteilung eines von einer Röntgenröhre (4) emittierten Röntgenstrahlbündels (7) einer durch eine Strahlblende (6) vorgegebenen Dicke in Dickenrichtung (5) bei zumindest einer Einstellung der Strahlblende (6) erfasst wird. Bei dem Verfahren wird die Dosisverteilung durch Verschieben der Strahlblende (6) in Dickenrichtung (5) mit Detektorelementen (3) einer Detektorzeile (2) des Computer-Tomographen erfasst, vor denen eine Schlitzblende (14) angebracht wird. Mit dem Verfahren lässt sich die Dosisverteilung automatisiert und ohne fehleranfällige manuelle Auswertung erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Dosisverteilung in einem Computer-Tomographen, bei dem die Dosisverteilung eines von einer Röntgenröhre emittierten Röntgenstrahlbündels einer durch eine Strahlblende vorgegebe­ nen Dicke in Dickenrichtung bei zumindest einer Einstellung der Strahlblende erfasst wird.

Ein Computer-Tomograph umfasst u. a. eine Röntgenröhre, zei­ lenförmig angeordnete Röntgendetektoren und einen Patienten­ lagerungstisch. Die Röntgenröhre und die Röntgendetektoren sind an einer Gantry angeordnet, welche um den Patientenlage­ rungstisch bzw. eine parallel zu diesem verlaufende Untersu­ chungsachse rotiert. Alternativ hierzu können die Röntgende­ tektoren auch auf einem feststehenden Detektorring um den Pa­ tientenlagerungstisch angeordnet sein, wobei sich nur die Röntgenröhre mit der Gantry bewegt.

Der Patientenlagerungstisch ist in der Regel relativ zu der Gantry entlang der Untersuchungsachse verschiebbar. Die Rönt­ genröhre erzeugt ein in einer Schichtebene senkrecht zur Un­ tersuchungsachse fächerförmig aufgeweitetes Strahlbündel. Die Begrenzung dieses Strahlbündels in Richtung der Schichtdicke wird durch die Größe bzw. den Durchmesser des Fokus auf dem Targetmaterial der Röntgenröhre und eine oder mehrere im Strahlengang des Röntgenstrahlbündels angeordnete Strahlblen­ den eingestellt. Diese Strahlblenden können hierbei eine ver­ stellbare Öffnungsweite zur Erzeugung unterschiedlicher Di­ cken des Röntgenstrahlbündels aufweisen. Weiterhin sind Strahlblenden mit nebeneinander angeordneten Blendenöffnungen unterschiedlicher Weite bzw. Breite bekannt, die mittels ei­ nes Schrittmotors in Schichtdickenrichtung an unterschiedli­ che Positionen verschoben werden können, um jeweils eine an­ dere Dicke des Röntgenstrahlbündels einzustellen. Das Rönt­ genstrahlbündel durchdringt bei Untersuchungen eine Schicht eines Objektes, beispielsweise eine Körperschicht eines Pati­ enten, welcher auf dem Patientenlagerungstisch gelagert ist und trifft auf die der Röntgenröhre gegenüberliegenden Rönt­ gendetektoren auf. Der Winkel, unter dem das Röntgenstrahl­ bündel die Körperschicht des Patienten durchdringt, und gege­ benenfalls die Position des Patientenlagerungstisches relativ zu der Gantry verändern sich während der Bildaufnahme mit dem Computer-Tomographen kontinuierlich.

Die Intensität der Röntgenstrahlen des Röntgenstrahlbündels, welche nach der Durchdringung des Patienten auf die Röntgen­ detektoren treffen, ist abhängig von der Schwächung der Rönt­ genstrahlen durch den Patienten. Dabei erzeugt jeder der Röntgendetektoren in Abhängigkeit von der Intensität der emp­ fangenen Röntgenstrahlung ein Spannungssignal, welches einer Messung der globalen Transparenz des Körpers für Röntgen­ strahlen von der Röntgenröhre zu dem entsprechenden Röntgen­ detektor entspricht. Ein Satz von Spannungssignalen der Rönt­ gendetektoren, welche Schwächungsdaten entsprechen und für eine spezielle Position der Röntgenstrahlquelle relativ zu dem Patienten aufgenommen wurden, wird als Projektion be­ zeichnet. Ein Satz von Projektionen, die an verschiedenen Po­ sitionen der Gantry während der Umdrehung der Gantry um den Patienten aufgenommen wurden, wird als Scan bezeichnet. Der Computer-Tomograph nimmt viele Projektionen an verschiedenen Positionen der Röntgenstrahlquelle relativ zum Körper des Pa­ tienten auf, um ein Bild zu rekonstruieren, welches einem zweidimensionalen Schnittbild des Körpers des Patienten oder einem dreidimensionalen Bild entspricht. Das gängige Verfah­ ren zur Rekonstruktion eines Schnittbildes aus aufgenommenen Schwächungsdaten ist als Verfahren der gefilterten Rückpro­ jektion bekannt.

Typische Schichtdicken, die mit einem Computer-Tomographen bei einer Projektion oder während eines Scans erfasst werden, liegen im Bereich zwischen 1 und 10 mm. Die gewünschten Schichtdicken lassen sich durch die röhrenseitige Strahlblen­ de einstellen. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines Computer- Tomographen ist dabei die Genauigkeit, mit der die einge­ stellte Dicke des Röntgenstrahlbündels, die der Schichtdicke entspricht, tatsächlich erreicht wird. Bisher wird zur Quali­ tätssicherung, insbesondere vor der Auslieferung eines Compu­ ter-Tomographen oder nach Wartungs- oder Reparaturarbeiten, für jede mit der Strahlblende einstellbare Kollimierung bzw. Schichtdicke ein Teil eines Röntgenfilms im Strahlengang des Röntgenstrahlbündels bestrahlt. Der Film wird hierbei jeweils um eine definierte Strecke verschoben und dann mit der nächs­ ten Kollimierung bestrahlt. Nach der Entwicklung des Films wird die Breite der mit dem Röntgenstrahlbündel erzeugten Schwärzung als Maß für die Dosisbreite ausgemessen. Anhand dieser gemessenen Breite kann erkannt werden, mit welcher Ge­ nauigkeit die eingestellte Dicke des Röntgenstrahlbündels tatsächlich erreicht wird.

Diese bisherige Vorgehensweise zur Qualitätssicherung ist je­ doch aufwendig und erfordert eine manuelle und somit fehler­ anfällige Auswertung des Films.

Die US 6 134 292 A beschreibt ein Verfahren sowie eine Vor­ richtung für die Korrektur von Bilddaten hinsichtlich einer inhomogenen Verteilung der Röntgenstrahlung sowie der Detek­ torempfindlichkeit eines Computertomographen in z-Richtung. Bei diesem Verfahren wird die Dosisverteilung eines von der Röntgenröhre emittierten Röntgenstrahlbündels einer durch ei­ ne Strahlblende vorgegebenen Dicke in Dickenrichtung bei ei­ ner Einstellung der Strahlblende erfasst, um ein Dosisprofil in z-Richtung zu erhalten, auf dessen Basis die Bilddaten korrigiert werden können. Die Druckschrift befasst sich al­ lerdings nicht mit der obigen Problematik.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Messung der Dosisverteilung in einem Computer- Tomographen anzugeben, das einen geringeren Aufwand erfordert und weniger fehleranfällig ist.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Ge­ genstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfol­ genden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird die Dosisverteilung des von der Röntgenröhre emittierten, insbesondere fächerförmig aufgeweiteten, Röntgenstrahlbündels einer durch eine Strahl­ blende bzw. durch ein Strahlblendensystem vorgegebenen Dicke in Dickenrichtung bei zumindest einer Einstellung der Strahl­ blende nicht durch einen Film, sondern mit den Detektorele­ menten der Detektorzeile des Computer-Tomographen selbst er­ fasst. Hierzu wird eine in Schichtdickenrichtung schmale Schlitzblende vor den Detektorelementen angebracht und die Strahlblende kontinuierlich oder stufenweise in Schichtdi­ ckenrichtung verschoben. Durch dieses Verschieben der röhren­ seitigen Strahlblende von einer Stellung, in der keine Rönt­ genstrahlung durch die detektorseitig angeordnete Schlitz­ blende auf die Detektorelemente fällt, über die Position, bei der das Maximum der Röntgenintensität auf die Detektorelemen­ te fällt, bis zu einer Position, bei der wiederum keine Rönt­ genstrahlung durch die Schlitzblende auf die Detektorelemente gelangt, wird ein Topogramm der Dosisverteilung des Röntgen­ strahlbündels in Schichtdickenrichtung aufgenommen.

Aus diesem Topogramm lässt sich computergestützt automatisch die Halbwertsbreite der Dosisverteilung bei der gewählten Einstellung der Strahlblende ermitteln. Weiterhin liefert das vorliegende Verfahren nicht nur diese Breite, sondern die ge­ naue Verteilung der Röntgendosis über die Schichtdicke. So lässt sich beispielsweise auch die Breite der Dosisverteilung ermitteln, bei der die Dosis auf 1/10 des maximalen Wertes abgefallen ist. Weiterhin lässt sich die Steilheit der seit­ lichen Flanken der Dosisverteilung berechnen, die ebenfalls ein Maß für die Qualität des Computer-Tomographen darstellt.

Mit dem vorliegenden Verfahren wird somit eine einfache Mög­ lichkeit zur Messung der Dosisverteilung eines Computer- Tomographen bereitgestellt, das keine Filmbelichtung und kei­ ne manuelle Zusatztätigkeit während der Messung mehr erfor­ dert. Es ist kein Röntgenfilm zu entwickeln, so dass der Aus­ wertevorgang, der sich computergestützt automatisch durchfüh­ ren lässt, schneller abgeschlossen ist. Es ist auch keine ma­ nuelle und somit fehleranfällige Auswertung der Schwärzung eines Films mehr erforderlich. Die Dosisbreite wird nicht mehr lediglich als Zahlenwert ermittelt, sondern der gesamte Verlauf des Dosisprofils steht zur Verfügung und kann für an­ dere Dokumente verfügbar gemacht und grafisch dargestellt werden.

Die Verschiebung der Strahlblende vor der Röntgenröhre er­ folgt während der Messung vorzugsweise automatisch mit einem entsprechenden Antrieb. Bei Durchführung des Verfahrens mit einem Computer-Tomographen, der eine Strahlblende mit neben­ einander liegenden Blendenöffnungen unterschiedlicher Weite aufweist, kann der dort bereits vorhandene Schrittmotor zur Verschiebung der Strahlblende eingesetzt werden, über den auch die jeweils aktuelle Position der Strahlblende erfasst werden kann. Selbstverständlich lässt sich die aktuelle Posi­ tion der Strahlblende jedoch auch mit einer anderen Positi­ onserkennung erfassen.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine röhrenseitige Strahl­ blende einzusetzen, die zwei gegeneinander verschiebbare bzw. verfahrbare Elemente aufweist. Durch mehr oder weniger nahes Zusammenschieben dieser Verschiebeelemente können somit brei­ te und schmale Blendenöffnungen erzeugt werden. Bei dieser Art der Erzeugung von Blendenöffnungen kann die Messung so erfolgen, dass der Abstand der beiden Verschiebeelemente bei­ behalten, jedoch ihre Position in gleicher Weise verschoben wird. Dies wird vorzugsweise nacheinander für alle vorgesehe­ nen Abstände bzw. Blendenöffnungen durchgeführt.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Strahlblende während der Messung mit konstanter Geschwindig­ keit verschoben, so dass die Dosisbreite aus dem gemessenen Dosisprofil unter Berücksichtigung dieser Geschwindigkeit er­ mittelt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform kann selbstverständlich die Strahlblende auch stufenweise verscho­ ben werden, wobei nach jedem Verschiebeschritt eine Messung der Dosis vorgenommen wird. Aus der Kenntnis der jeweiligen Mess-Positionen der Strahlblende kann dann ebenfalls die ex­ akte Breite der Dosisverteilung ermittelt werden.

Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird vor­ zugsweise nicht nur die Dosisverteilung bei einer Einstellung der Strahlblende gemessen, sondern nacheinander bei allen verfügbaren Einstellungen. Dies lässt sich bei Einsatz einer Strahlblende mit nebeneinander liegenden Blendenöffnungen sehr einfach durch vollständiges Verschieben der Strahlblende über den gesamten zur Verfügung stehenden Blendenbereich, d. h. über alle Blendenöffnungen hinweg, realisieren.

Die vor den Röntgendetektoren eingesetzte Schlitzblende hat vorzugsweise eine Breite der Blendenöffnung in Schichtdicken­ richtung von < 1 mm. Diese Schlitzblende kann an einer Halte­ rung des Patiententisches angebracht werden, so dass keiner­ lei zusätzliche Vorkehrungen für das Anbringen der Schlitz­ blende am Computer-Tomographen erforderlich sind.

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend an einem Ausfüh­ rungsbeispiel in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teils eines Compu­ ter-Tomographen zur Gewinnung von Schnittbildern einer Körperschicht eines Patienten,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung der Begrenzung des fächerförmigen Röntgenstrahlbündels durch eine röh­ renseitige Strahlblende sowie die detektorseitig beim vorliegenden Verfahren angeordnete Schlitz­ blende, und

Fig. 3 ein Beispiel für die mit dem vorliegenden Verfahren gemessene Dosisverteilung bei einer Einstellung der Strahlblende.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Teil eines Computer-Tomographen zur Veranschaulichung der geometrischen Verhältnisse bei der Messdatenaufnahme. Der Computer- Tomograph weist eine Röntgenquelle in Form einer Röntgenröhre 4 auf, die ein fächerförmiges Röntgenstrahlbündel 7 in Rich­ tung auf eine Detektorbank mit einer Zeile 2 von Detektorele­ menten 3 emittiert. Sowohl die Röntgenröhre 4 als auch die Detektorelemente 3 sind an einer Gantry 9 angeordnet, welche kontinuierlich um einen Patienten 1 rotieren kann. Der Pati­ ent 1 liegt auf einem in Fig. 1 nicht dargestellten Patien­ tenlagerungstisch, der sich in die Gantry 9 erstreckt. Die Gantry 9 rotiert in einer x-y-Ebene eines in Fig. 1 angedeu­ teten kartesischen Koordinatensystems x-y-z. Der Patientenla­ gerungstisch ist entlang der z-Achse, die der Schichtdicken­ richtung 5 der jeweils darzustellenden Schichten des Patien­ ten 1 entspricht, beweglich. In der Figur ist weiterhin die vom Röntgenstrahlbündel 7 durchstrahlte Schicht 10 zu erken­ nen, von der ein Schnittbild erzeugt werden soll.

Die Ausdehnung des Röntgenstrahlbündels 7 in Schichtdicken­ richtung (z-Richtung) wird im vorliegenden Beispiel durch die Apertur, einer Strahlblende 6 vor der Röntgenröhre 4 vorgegeben. Diese Ausdehnung, die idealerweise zu einem parallelen Rönt­ genstrahlbündel 7 einer entsprechenden Dicke führt, ist aus der Figur nicht ersichtlich.

Fig. 2 zeigt stark schematisiert nochmals die Strahlverhält­ nisse in einem Computer-Tomographen in einem Schnitt senk­ recht zur Schichtrichtung. In der Figur ist die Röntgenröhre 4 mit dem davor angeordneten Blendensystem 6 sowie die gegen­ über angeordnete Detektorzeile 2 zu erkennen. Vom Fokus 11 der Röntgenröhre wird ein fächerförmig aufgeweitetes Röntgen­ strahlbündel mit der Dicke d emittiert, die durch die Blen­ denöffnung 12a des röhrenseitigen Blendensystems 6 vorgegeben ist. Im vorliegenden Beispiel wird ein Blendensystem 6 mit mehreren nebeneinander liegenden Blendenöffnungen 12a, 12b, 12c eingesetzt, die unterschiedliche Öffnungsweiten aufwei­ sen. Durch Verschieben dieses Blendensystems 6 in der mit dem Doppelpfeil gezeigten Richtung durch einen Schrittmotor 13 lassen sich somit unterschiedliche Dicken d des Röntgen­ strahls 7 erzeugen, durch die jeweils die Schichtdicke der durchstrahlten Körperschicht festgelegt wird.

Teilabbildung A zeigt alternativ eine weitere einsetzbare Strahlblende 6, die sich aus zwei die Blendenöffnung 12 be­ grenzenden Verschiebeelementen 16 zusammensetzt, über die un­ terschiedliche Breiten der Blendenöffnung 12 eingestellt wer­ den können. Die Verschiebemöglichkeiten der Verschiebeelemen­ te 16 sind durch die entsprechenden Pfeile angedeutet.

Beim vorliegenden Beispiel wird die bereits vorhandene Ver­ schiebemechanik mit dem Schrittmotor 13 für die Durchführung des Verfahrens zur Messung der Dosisverteilung ausgenutzt.

Für die Messung wird eine mechanische Zusatzblende 14 im Strahlengang über bzw. vor der Detektorzeile 2 angebracht. Hierbei handelt es sich um eine in z-Richtung schmale Schlitzblende mit einer Breite der Blendenöffnung in z- Richtung von < 1 mm. Diese Schlitzblende 14 wird im vorlie­ genden Beispiel direkt am nicht dargestellten Patientenlage­ rungstisch befestigt.

Die Messung beginnt in einer Stellung der Strahlblende 6, bei der die Verbindungslinie zwischen dem Fokus 11 und der Öff­ nung der Schlitzblende 14 durch den im vorliegenden Fall lin­ ken Rand der Strahlblende 6 unterbrochen ist, so dass keine Röntgenstrahlung am Detektor 3 ankommt. Bei dieser Startposi­ tion beginnt die Messung, die aufgrund der Befestigung der Schlitzblende 14 am Patiententisch ohne Tischvorschub und oh­ ne Drehung der Gantry durchgeführt wird. Während der Messung wird mit dem Schrittmotor 13 die röhrenseitige Blende 6 über alle Blendenöffnungen 12a, 12b und 12c kontinuierlich ver­ schoben. Hierdurch werden nacheinander alle mit der Strahl­ blende 6 einstellbaren Schichtdicken durchlaufen. Die dabei mit den Detektorelementen 3 gemessenen Werte werden wie bei einem Topogramm aufgenommen und vorzugsweise an einem Mo­ nitor dargestellt. Aus der hierdurch gemessenen Dosisvertei­ lung, die beispielhaft anhand der Messung einer einzelnen Blendeneinstellung bzw. eingestellten Schichtdicke in Fig. 3 dargestellt ist, kann die Halbwertsbreite ausgewertet werden.

Sowohl das Verschieben der Strahlblende 6 mit dem Schrittmo­ tor 13 wie auch die computergestützte Auswertung des Dosis­ profils erfolgen im vorliegenden Beispiel automatisiert, wo­ bei eine Steuerung 15 für die Verschiebung der Strahlblende 6 und eine Auswerteeinheit 8 für die Ermittlung der Dosisbreite aus dem gemessenen Dosisprofil vorgesehen sind. Die Auswerte­ einheit 8 erhält dabei von der Steuerung 15 die Information über die Geschwindigkeit, mit der die Strahlblende 6 während der Messung verfahren wurde oder über die zu verschiedenen Messzeitpunkten vorliegende Position der Blende 6.

Das vorliegende Verfahren gemäß der vorangehenden Ausfüh­ rungsform lässt sich mit bekannten Computer-Tomographen in einfacher Weise dadurch realisieren, dass entsprechende Zu­ satzmodule in der Software für die Verschiebung der Strahl­ blende 6 mit dem bereits vorhandenen Schrittmotor und der zu­ gehörigen Mechanik sowie für die Auswertefunktion der hierbei gemessenen Tomogrammdaten integriert werden. Der Benutzer muss lediglich noch die Schlitzblende 14 an der geeigneten Position anbringen und dann die automatisierte Messung star­ ten.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung der Dosisverteilung in einem Compu­ ter-Tomographen, bei dem die Dosisverteilung eines von einer Röntgenröhre (4) emittierten Röntgenstrahlbündels (7) einer durch eine Strahlblende (6) vorgegebenen Dicke in Dickenrich­ tung (5) bei zumindest einer Einstellung der Strahlblende (6) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosis­ verteilung durch Verschieben der Strahlblende (6) in Dicken­ richtung (5) mit Detektorelementen (3) einer Detektorzeile (2) des Computer-Tomographen erfasst wird, vor denen eine Schlitzblende (14) angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahl­ blende (6) während der Messung automatisch verschoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahl­ blende (3) mit einem Schrittmotor (13) verschoben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahl­ blende (6) während der Messung mit konstanter Geschwindigkeit verschoben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Positionen der Strahlblende (6), bei denen eine Messung durchgeführt wird, über den Schrittmotor (13) erfasst werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der er­ fassten Dosisverteilung automatisch eine Halbwertsbreite be­ rechnet und ausgegeben und/oder abgespeichert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der er­ fassten Dosisverteilung automatisch eine 10%-Breite berechnet und ausgegeben und/oder abgespeichert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der er­ fassten Dosisverteilung automatisch eine Flankensteilheit be­ rechnet und ausgegeben und/oder abgespeichert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzblende (14) an einem Patientenlagerungstisch des Com­ puter-Tomographen befestigt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlitzblende (14) mit einer Schlitzbreite von < 1 mm einge­ setzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahl­ blende (6) ein Element mit mehreren nebeneinander liegenden Blendenöffnungen (12a, 12b, 12c) unterschiedlicher Breite eingesetzt wird, das über sämtliche Blendenöffnungen (12a, 12b, 12c) hinweg verschoben wird, um nacheinander mehrere Do­ sisverteilungen zu erfassen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahl­ blende (6) ein Element mit zwei die Blendenöffnung (12) be­ grenzenden Verschiebeelementen (16) eingesetzt wird, über die unterschiedliche Breiten der Blendenöffnung (12) eingestellt werden können, wobei das Verschieben der Strahlblende (6) in Dickenrichtung (5) jeweils durch gleichzeitiges Verschieben der zwei Verschiebeelemente (16) bei konstantem Abstand er­ folgt und nacheinander sämtliche vorgesehenen Breiten der Blendenöffnung (12) eingestellt werden, um mehrere Dosisver­ teilungen zu erfassen.