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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur 3D-Bildgebung mit Röntgenstrahlung, bei dem unter
Einsatz eines kegelförmigen
Röntgenstrahls
einer ersten Röntgenstrahlquelle
und eines flächenhaften
Röntgendetektors
nacheinander unterschiedliche erste Zentralprojektionen eines zu
untersuchenden Objektbereichs erfasst werden, in dem die erste Röntgenstrahlquelle
in einer ersten Ebene zumindest teilweise um den zu untersuchenden
Objektbereich bewegt wird, und aus erfassten Messdaten der Zentralprojektionen
computergestützt
ein dreidimensionales Bild des zu untersuchenden Objektbereichs
rekonstruiert wird.
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Die rekonstruktive 3D-Bildgebung
stellt im medizinisch-diagnostischen Bereich eine weit verbreitete
Technik dar, die teilweise auch in anderen technischen Gebieten,
bspw. der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, Anwendung
findet. Mit der vorliegend eingesetzten 3D-Röntgenbildtechnik werden mit
einem im Wesentlichen kegelförmigen
Röntgenstrahl
einer Röntgenstrahlquelle
nacheinander mehrere Röntgenbildaufnahmen
unter unterschiedlichen Projektionsrichtungen gemacht, aus denen
mittels geeigneter Verfahren, insbesondere gefilterter Rückprojektion ähnlich dem
Verfahren bei der Röntgen-CT,
ein dreidimensionales Bild des durchleuchteten Objektbereiches rekonstruiert
wird. Ein wichtiges Anwendungsgebiet dieser 3D-Röntgenbildtechnik
ist die 3D-Angiographie, mit der Gefäße im menschlichen Körper sowie
ggf. eingeführte
Katheter oder ähnliche
medizinische Objekte visualisiert werden können. Die gewünschte Darstellung,
bspw. durch MIP (Maximum Intensity Projection) oder VR (Volume Rendering),
kann vom Nutzer entsprechend ausgewählt werden. Die Bildaufnahme
erfolgt dabei in der Regel mit einem sog. C-Arm-Gerät, bei dem die
Röntgenquelle
sowie der dieser gegenüberliegende
Röntgendetektor
an einem verschiebbar gehalterten C-förmigen Arm befestigt sind.
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Zur Erfassung der unterschiedlichen
Zentralprojektionen wird der C-Arm mit der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor
auf dem durch die C-Form vorgegebenen Teilkreis über einen Winkelbereich von ≥ 180° um den zu
erfassenden Objektbereich bewegt. Als Röntgendetektoren kommen hierbei
flächige
Röntgenbildverstärker oder
Halbleiterdetektoren, sog. Flachbilddetektoren, zum Einsatz. Aus
den erhaltenen Messdaten der jeweils erstellten Aufnahmeserie kann
dann ein dreidimensionales Bild des erfassten Objektbereiches berechnet
werden.
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Eine Einschränkung bei der 3D-Rekonstruktion
eines Bildes aus derartig erhaltenen Messdaten besteht darin, dass
Artefakte im Bild auftreten können,
die die Niedrigkontrastauflösung
begrenzen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur
3D-Bildgebung mit Röntgenstrahlung
anzugeben, mit dem sich dreidimensionale Bilder eines untersuchten
Objektbereiches ohne oder zumindest mit geringeren Artefakten erzeugen
lassen.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der
Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Bei dem vorliegenden Verfahren zur
3D-Bildgebung unter Einsatz von Röntgenstrahlung werden in bekannter
Weise unter Einsatz eines im Wesentlichen kegelförmigen Röntgenstrahls einer ersten Röntgenstrahlquelle
und eines flächenhaften
Röntgendetektors
nacheinander unterschiedliche erste Zentralprojektionen eines zu
untersuchenden Objektbereiches erfasst, indem die erste Röntgenstrahlquelle
in einer ersten Ebene zumindest teilweise um den zu untersuchenden
Objektbereich bewegt wird. Das vorliegende Verfahren zeichnet sich
dadurch aus, dass weitere Zentralprojektionen des zu untersuchenden Objektbereichs
durch Bewegung der ersten Röntgenstrahlquelle
oder einer zweiten Röntgenstrahlquelle
in zumindest einer zweiten, zur ersten nicht parallelen Ebene erfasst
werden. Die erfassten Messdaten aller Zentralprojektionen werden
dann für die
computergestützte
Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes des untersuchten Objektbereiches,
beispielsweise mit der Technik der gefilterten Rückprojektion, herangezogen.
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Hierbei wurde berücksichtigt, dass die Entstehung
von Artefakten bei der 3D-Rekonstruktion daraus resultieren kann,
dass die Messdaten die für eine
exakte Rekonstruktion erforderliche Tuy-Bedingung nicht erfüllen. Die
Tuy-Bedingung besagt, dass für
jede Schnittebene mit dem zu untersuchenden Objektbereich zumindest
ein Röntgenteilstrahl
existieren muss, der diese Ebene durchsetzt. Dies ist bei der bisherigen
Aufnahmetechnik nicht gewährleistet. Durch
das vorliegende Verfahren können
hingegen Messdaten erzeugt werden, die die Tuy-Bedingung erfüllen und
damit eine exakte Rekonstruktion des dreidimensionalen Bildes des
untersuchten Objektbereiches ermöglichen.
Unabhängig
von der technischen Ausführung
führt diese
exakte Rekonstruktion zu einer verbesserten Bildqualität. Artefakte,
die die Niedrigkontrastauflösung
begrenzen können,
werden dadurch vermieden.
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Vorzugsweise werden die ein oder
mehreren Röntgenstrahlquellen
sowie die ein oder mehreren zugehörigen flächenhaften Röntgendetektoren
dabei in jeder Ebene auf einem Teil- oder Vollkreis bewegt, dessen
Mittelpunkt im Objektbereich liegt. Die Mittelpunkte der Teil- bzw.
Vollkreise der beiden Ebenen sollten dabei übereinstimmen. Die Erfassung
der Messdaten kann hierfür
mit einer einzigen Röntgenstrahlquelle
erfolgen, der ein entsprechender flächenhafter Röntgendetektor
gegenüberliegt,
wobei vorzugsweise zunächst
die Messdaten durch Bewegung in der ersten Ebene und dann die Messdaten durch
Bewegung in der zweiten Ebene erfasst werden.
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In einer Ausgestaltung des vorliegenden
Verfahrens werden zwei Röntgenquellen
und zwei Röntgendetektoren
eingesetzt. Die Abtastung in den beiden Ebenen auf den entsprechenden
Teilkreisen sowie die Erfassung der jeweiligen Messdaten kann dabei
mit beiden jeweils aus Röntgenquelle
und Röntgendetektor
bestehenden Aufnahmesystemen simultan erfolgen, so dass die Messzeit
des vorliegenden Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren nicht
erhöht
wird. Mit dieser Ausgestaltung können insbesondere
mit einer Boluszeit für
arterielle Injektion verträgliche
Messzeiten erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des
Verfahrens unter Einsatz von zwei Röntgenquellen mit den jeweils
zugehörigen
Röntgendetektoren wird
durch abwechselnden Betrieb der beiden Aufnahmesysteme eine Erhöhung der
Streustrahlung vermieden, so dass eine gegenüber dem gleichzeitigen Betrieb
verbesserte Bildqualität
erreicht werden kann. Beide letztgenannten Verfahrensalternativen lassen
sich mit sog. Biplan-Anlagen
realisieren, die bereits zwei voneinander unabhängige C-Arme mit den entsprechenden
Röntgenquellen
und Röntgendetektoren
aufweisen.
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Als flächenhafte Röntgendetektoren können bspw.
flächenhafte
Röntgenbildverstärker oder
in einer bevorzugten Ausbildungsform Flachbilddetektoren eingesetzt
werden. Dem Fachmann sind entsprechende Detektoren bekannt.
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Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 eine
Frontansicht eines zur Durchführung
des vorliegenden Verfahrens geeigneten C-Arm-Gerätes und
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2 eine
Seitenansicht des Gerätes
gemäß 1.
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Die 1 und 2 zeigen eine insgesamt mit 1 bezeichnete,
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Röntgenanlage
in Form eines C-Arm-Gerätes,
das ein Basisteil 2 aufweist, an dem mittels einer in 1 nur schematisch angedeuteten
Hubvorrichtung 3 eine Säule 4 in
Richtung des Doppelpfeiles α höhenverstellbar
angebracht ist. Die Säule 4 ist
außerdem
um ihre Längsachse
drehbar gelagert, wie die mit dem Doppelpfeil ε angedeutet ist. An der Säule 4 ist
ein Halteteil 5 angeordnet, an dem wiederum ein Lagerteil 6 zur
Lagerung des um ein Isozentrum I verstellbaren, C-förmig gekrümmten und
somit offenen Trägers,
dem C-Arm 7, angebracht ist.
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An dem C-Arm 7 sind einander
gegenüberliegend
eine Röntgenstrahlquelle 8 und
ein flächenhafter
Röntgendetektor 9 befestigt.
Röntgenstrahlquelle 8 und
Röntgendetektor 9 liegen
sich gegenüber,
so dass der durch das Isozentrum I verlaufende Zentralstrahl M eines
von einem Fokus F der Röntgenstrahlquelle 8 ausgehenden,
in den 1 und 2 durch seine gestrichelt
eingetragenen Randstrahlen RS angedeuteten kegelförmigen Röntgenstrahlbündels annähernd mittig
auf den Röntgendetektor 9 trifft.
Der flächenhafte
Röntgendetektor 9 kann
bspw. ein Röntgenbildverstärker oder
wie im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels ein sog. Flachbilddetektor
auf Basis eines Halbleiterpanels sein. Der Flachbilddetektor weist
eine Vielzahl von matrixartig in bspw. orthogonalen Detektorspalten
und -zeilen in einer Detektorebene angeordneten, in den Figuren nicht
dargestellten Detektorelementen auf, die eine rechtwinklige Detektorfläche bilden.
Der Röntgendetektor 9 ist
derart relativ zu der Röntgenstrahlquelle 8 an
dem C-Arm 7 angeordnet, dass bei idealer Geometrie der
Zentralstrahl M rechtwinklig auf der Detektorebene steht.
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Der C-Arm 7 ist in an sich
bekannter Weise in Richtung des Doppelpfeiles α längs seines Umfangs mittels
einer nur schematisch dargestellten Antriebseinrichtung 10 um das
Isozentrum I und damit um die Systemachse Z als Rotationsachse des C-Arms 7 verschiebbar
an dem Lagerteil 6 gelagert. Die Systemachse Z steht senkrecht
zur Zeichenebene der 1 und
damit senkrecht zu derjenigen Ebene, in der sich der Fokus der Röntgenstrahlquelle 8 bei
Verstellung des C-Arms 7 in α-Richtung bewegt. Die Antriebseinrichtung 10 enthält hierfür bspw.
einen Elektromotor und ein diesen mit dem C-Arm koppelndes Getriebe.
Durch die Bewegung der Röntgenquelle 8 zusammen
mit dem Röntgendetektor 9 in Pfeilrichtung α, d.h. in
einer ersten Ebene, die der Zeichenebene der 1 entspricht, lassen sich nacheinander
unterschiedliche erste Zentralprojektionen eines zu untersuchenden
Objektbereichs erfassen, innerhalb dessen das Isozentrum I liegt,
wie dies in den 1 und 2 zu erkennen ist. Die Figuren
zeigen hierfür
ein zu untersuchendes Objekt, bspw. einen Patienten P, der auf einer
Lagerungsvorrichtung 11 liegt. Die Lagerungsvorrichtung 11 besteht
aus einer Lagerungsplatte 12 für den Patienten P, die an einem
Sockel 13 mittels einer Antriebseinrichtung 14 in Richtung
ihrer Längsachse
verstellbar angebracht ist, wie dies durch den Doppelpfeil z in
der 2 veranschaulicht
wird.
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Die dargestellte Röntgenanlage
ermöglicht es,
ein zu untersuchendes Volumen des Patienten P durch Aufnahme von
zweidimensionalen Zentralprojektionen aus unterschiedlichen Projektionswinkeln α abzutasten,
wobei ein Rechner 15 aus den aufgenommenen Projektionen
entsprechenden Messdaten dreidimensionale Bildinformationen bezüglich des abgetasteten
Volumens des Patienten P rekonstruiert, die bspw. in Form von Schnittbildern
auf einem mit dem Rechner 15 verbundenen Monitor 17 dargestellt
werden können.
Für jede
Projektion werden dabei eine der Anzahl der Detektorelemente des
Röntgendetektors 9 entsprechende
Anzahl von Messwerten enthalten, die eine Dichteinformation des
an dieser Stelle durchstrahlten Patientenkörpers liefern. An den Rechner 15 sind
außerdem
eine Tastatur 18 und eine Maus 19 angeschlossen,
die der Bedienung der Röntgenanlage 1 dienen.
Der Rechner 15 ist auch mit den Antriebseinheiten der Röntgenanlage
sowie der Röntgenquelle 8 verbunden,
um diese steuern zu können.
Zur Aufnahme von Projektionen aus unterschiedlichen Projektionswinkeln α wird der
C-Arm 7 mit der Röntgenquelle 8 und
dem Röntgendetektor 9 längs seines
Umfanges in Richtung des Doppelpfeiles α über einen Winkelbereich verschwenkt,
der zumindest 180° zzgl.
dem Öffnungswinkel γ des kegelförmigen Röntgenstrahls
beträgt.
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Der C-Arm 7 ist weiterhin über das
Lagerteil 6 in an sich bekannter Weise um eine gemeinsame, durch
das Isozentrum I verlaufende und rechtwinklig zur Systemachse Z
verlaufende Achse B des Halteteils 5 und des Lagerteils 6 in
Richtung des gekrümmten
Doppelpfeils β drehbar
und in Richtung der Achse B gemäß dem Doppelpfeil
b verschiebbar an dem Halteteil 5 gelagert. Durch diese
Drehbarkeit um die Achse B lässt
sich der C-Arm 7 in eine zweite Ebene drehen, die nicht
parallel zur ersten Ebene (Zeichenebene der 1) liegt. Wird der C-Arm 7 in
dieser zweiten Ebene dann in Pfeilrichtung α bewegt, können weitere Zentralprojektionen
des zu untersuchenden Objektbereichs erfasst werden, die sich von
den ersten Zentralprojektionen unterscheiden. Durch diese Erfassung
von Messdaten durch Bewegung der Röntgenquelle 8 zusammen
mit dem Röntgendetektor 9 in
zwei unterschiedlichen, nicht parallelen Ebenen, die sich im Isozentrum
I schneiden, werden Messdaten gewonnen, die die Tuy-Bedingung für eine exakte
Rekonstruierbarkeit eines dreidimensionalen Bildes des untersuchten
Volumens erfüllen. Auf
diese Weise lassen sich durch den Rechner 15 Bilder erzeugen,
die keine oder deutlich weniger Artefakte aufweisen, als dies bei
Erfassung der Zentralprojektionen nur in der ersten Ebene der Fall
wäre. Die
Messung erfolgt dabei in dieser Ausgestaltung derart, dass zunächst die
Zentralprojektionen in der ersten Ebene erfasst und anschließend der
C-Arm um die B-Achse gedreht wird, um die weiteren Zentralprojektionen
in der zweiten Ebene zu erfassen.
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In der 2 ist
diese zweite Stellung des C-Armes 7 angedeutet. Bei einer
anderen Ausgestaltung der Röntgenanlage,
in Form eines Biplan-Gerätes,
kann diese zweite Stellung des C-Armes auch durch einen gesonderten
C-Arm 7' mit
eigener Röntgenquelle 8' und eigenem
flächenhaften
Röntgendetektor 9' realisiert
sein. In diesem Falle lassen sich die Röntgenquellen 8, 8' zusammen mit
den entsprechenden Röntgendetektoren 9, 9' mit beiden
C-Armen 7, 7' simultan
um das Isozentrum I bewegen, um eine gleichzeitige Messdatenerfassung
in beiden Ebenen zu erreichen. Dies hat den Vorteil, dass die Aufnahmezeiten
im Vergleich zu bekannten Verfahren dieser 3D-Röntgenbildgebung nicht verlängert werden,
so dass gerade auch Untersuchungen mit Kontrastmittelinjektion mit
dem vorliegenden Verfahren durchgeführt werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Durchführung
des Verfahrens mit einem derartigen Biplangerät können zur Vermeidung von Streustrahlung, die
bei der simultanen Messdatenerfassung auftritt, die einzelnen Zentralprojektionen
in den unterschiedlichen Ebenen auch abwechselnd erfasst werden,
d. h. nach der Erfassung einer Zentralprojektion in der ersten Ebene
wird eine Zentralprojektion in der zweiten Ebene und anschließend wieder
eine Zentralprojektion in der ersten Ebene usw. erfasst.