DE10337935A1

DE10337935A1 - Vorrichtung für die Aufnahme von Strukturdaten eines Objekts

Info

Publication number: DE10337935A1
Application number: DE10337935A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Mertelmeier; Björn Dr. Heismann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2005-03-17
Also published as: US7212603B2; JP4717393B2; JP2005058774A; CN1584566A; US20050041770A1

Abstract

Zur Vereinfachung der Rekonstruktion von Strukturdaten eines mithilfe eines Tomographiegerätes (1) untersuchten Objekts (7) wird vorgeschlagen, eine Strahlungsquelle (4) so auszugestalten, dass Strahlungsbündel (6) mit Parallelstrahlgeometrie erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Aufnahme von Strukturdaten eines Objekts mit:

– einer entlang einer Messbahn um das Objekt bewegbaren Strahlungsquelle;
– einem auf einer gegenüberliegende Seite des Objekts angeordneten und entsprechend der Bewegung der Strahlungsquelle bewegbaren Detektor, der eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Detektorbereichen aufweist und Projektionsdaten des Objekts erzeugt; und
– einer Auswerteeinheit, die aus den vom Detektor aufgenommenen Projektionsdaten die Strukturdaten des Objekts berechnet.

Derartige Vorrichtungen sind als Computer-Tomographiegeräte allgemein bekannt. Eine Übersicht über die verschiedenen Vorrichtungen und Verfahren findet sich in der Veröffentlichung HÄRER, Wolfgang u.a., "Rekonstruktive Röntgenbildgebung", in Phys. Bl., 1999, Band 55, Seiten 37 bis 42. Die bekannten Vorrichtungen weisen eine punktförmige Strahlungsquelle auf, die entlang einer kreisförmigen Fokusbahn oder einer Helix um einen zu untersuchenden Patienten herum bewegt wird. Der von der nahezu punktförmigen Strahlungsquelle ausgehende Strahlungskegel fällt durch den Patienten hindurch auf einen entsprechend der Bewegung der Röntgenquelle bewegten, flächenmäßig ausgedehnten Detektor, auf den ein der Struktur des Inneren des Patienten entsprechendes Projektionsbild projiziert wird. Aus den vom Detektor aufgenommenen Projektionsdaten können dann die Strukturdaten des Inneren des Patienten zumindest näherungsweise bestimmt werden.

Für die Umwandlung der Projektionsdaten in Strukturdaten sind verschiedene Verfahren entwickelt worden. Bei einer kreisförmigen Messbahn der Strahlungsquelle um das zu untersuchende Objekt gibt es eine Näherungslösung für die Berechnung der Strukturdaten: der so genannte Feldkamp-Algorithmus. Falls die Messbahn eine so genannte vollständige Fokusbahn darstellt, zum Beispiel einen Kreis und eine auf der Ebene des Kreises orthogonale Linien, zwei orthogonale Kreise oder eine Helix, existieren exakte Lösungen. Die für die Rekonstruktion der Strukturdaten verwendeten Algorithmen sind jedoch komplex, da die Projektionsdaten mit Hilfe eines Strahlkegels erzeugt werden. Die bekannten Algorithmen, zum Beispiel von Grangeat, Smith, Tam, Defrise, Kudo und Katsevich, leiden unter extrem langen Rechenzeiten, numerischen Instabilitäten und Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion von Teilbereichen eines zu untersuchenden Objekts.

Ferner ist aus der Veröffentlichung SOLOMON, E. u.a., "Scanning-beam digital x-ray (SBDX) system for cardiac angiography" in Proc. SPIE Medical Imaging Conference, Februar 1999, und aus der Veröffentlichung SOLOMON, E. u.a., "Lowexposure scanning-beam x-ray fluoroscopy System", in Proc. SPIE, 1996, Band 2708, Seite 140-149, eine Vorrichtung mit einer flächenmäßig ausgedehnten Röntgenquelle bekannt. Die Röntgenquelle umfasst eine Vakuumröhre, in der ein Elektronenstrahl ein Transmissionstarget in der Gestalt eines dünnen Films abscannt. Die im Transmissionstarget erzeugten Röntgenstrahlen werden durch einen vor der Vakuumröhre angeordneten, so genannten Kollimator auf einen Detektor ausgerichtet. Der so genannte Kollimator ist ein Lochkollimator, der über insgesamt 100 × 100 nebeneinander liegende Löcher verfügt, die in einem Röntgenstrahlen absorbierenden Material ausgebildet sind. Die Längsachsen der Löcher sind jeweils auf den Detektor ausgerichtet. Ferner weiten sich die Löcher in Strahlrichtung auf, um eine Vielzahl von kegelförmigen Röntgenstrahlung mit geringem Öffnungswinkel zu erzeugen, deren Raumwinkel jeweils dem Raumwinkel entspricht, den der Detektor von der Röntgenquelle aus einnimmt.

Im Vergleich zu der flächenmäßigen Ausdehnung der Röntgenquelle weist der Detektor der bekannten Vorrichtung nur eine geringe flächenmäßige Ausdehnung auf. Entsprechend gering ist die Zahl der Pixel des Detektors. Der Detektor verfügt lediglich über 48 × 48 Pixel.

Während der Elektronenstrahl das Transmissionstarget abscannt wird der Detektor nacheinander durch die einzelnen Löcher des so genannten Kollimators mit kegelförmigen Röntgenstrahlen aus verschiedenen Richtungen beleuchtet. Dementsprechend wird auch ein sich zwischen Röntgenquelle und Detektor befindendes Objekt nacheinander aus verschieden Richtungen durchleuchtet. Aus den mit dem Detektor aufgenommenen Projektionsbildern können dann mit Hilfe eines Tomosynthese-Verfahrens die Strukturdaten in verschiedenen Schichten des Objekts bestimmt werden. Dies ist aber eine Näherungslösung mit stark eingeschränkter Tiefenauflösung, da das zu untersuchende Objekt nur aus einem kleinen Winkelbereich heraus abgetastet wird. Dementsprechend lässt sich die bekannte Vorrichtung zwar in der Fluoroskopie und Kardiologie verwenden, eine vollständige Rekonstruktion von dreidimensionalen Strukturdaten ist aber nicht möglich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Aufnahme von Strukturdaten zu schaffen, bei der sich die Strukturdaten auf einfache Weise rekonstruieren lassen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.

Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Strahlungsquelle aus, die eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Emissionsbereichen aufweist, die jeweils einen zugeordneten Detektorbereich des Detektors mit Strahlung beaufschlagen. Außerdem ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die Strukturdaten aus den Projektionsdaten mit Hilfe eines Parallel strahlen zwischen Strahlungsquelle und Detektor voraussetzenden Algorithmus zu bestimmen. Da die Strahlungsquelle eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Emissionsbereichen aufweist, die jeweils einen zugeordneten Detektorbereich des Detektors mit Strahlung beaufschlagen, tritt an die Stelle des aus dem Stand der Technik bekannten Strahlkegels mit großem Öffnungswinkel eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten nahezu parallelen Strahlungsbündeln mit geringer Strahldivergenz. Unter dem Begriff des Strahlungsbündels soll dabei auch ein von einem Punkt ausgehender Strahlkegel verstanden werden.

Aufgrund der Strahlungsgeometrie ist es möglich, die Projektionsdaten in die Strukturdaten mit Hilfe eines Algorithmus umzuwandeln, der eine parallele Strahlengeometrie voraussetzt. Die durch die Vernachlässigung der Strahlungsdivergenz induzierten Fehler können dabei im Allgemeinen vernachlässigt werden. Darüber hinaus sind die Algorithmen, die auf paralleler Strahlgeometrie beruhen, mit geringem Rechenaufwand durchführbar und wenig anfällig gegen numerische Instabilitäten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform beruht das Rekonstruktionsverfahren für die Strukturdaten auf dem Fourier-Slice-Theorem. Das Rekonstruktionsverfahren kann dabei entweder zweidimensional durchgeführt werden, indem die von einer Reihe von Detektorbereichen aufgenommenen Projektionsdaten ausgewertet werden, oder dreidimensional, indem die von allen Detektorbereichen gemeinsam aufgenommenen Projektionsdaten ausgewertet werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass auf Algorithmen zurückgegriffen werden kann, für die stabile numerische Lösungen existieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle eine Röntgenstrahlungsquelle mit einem Röntgenemissionsgebiet, dem im Strahlengang zum Detektor ein Kollimator nachgeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung lassen sich Röntgenstrahlenbündel mit geringer Strahldivergenz erzielen. Zur Unterdrückung von Streustrahlung wird im Strahlengang vor dem Detektor vorzugsweise ein weiterer Kollimator angeordnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Tomographiegerät mit Parallelstrahlgeometrie; und
2 ein Diagramm, das die Umwandlung von Projektionsdaten in die Strukturdaten veranschaulicht.
1 zeigt ein Tomographiegerät 1, das einen Röntgenstrahlengenerator 2 mit nachgeordnetem Kollimator 3 umfasst. Der Röntgenstrahlengenerator 2 und der Kollimator 3 bilden eine Strahlungsquelle 4, die eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Emissionsbereichen 5 aufweist, aus denen parallel ausgerichtete Strahlungsbündel 6 austreten. Die Strahlungsbündel 6 durchdringen ein Objekt 7, bei dem es sich beispielsweise um einen Patienten handelt, und treffen auf jeweils zugeordnete Detektorbereiche 8 eines Detektors 9. Die Anzahl der Detektorbereiche 8 ist somit gleich der Anzahl der Emissionsbereiche 5.
Der Kollimator 3 bewirkt, dass die einzelnen Strahlungsbündel 6 im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind und nur eine geringe Strahldivergenz aufweisen. Dementsprechend wird jeder Detektorbereich 8 im Wesentlich nur aus einem gegenüberliegendem Emissionsbereich 5 mit Strahlung beaufschlagt. Insbesondere trifft mehr als 75 %, vorzugsweise mehr als 80 oder sogar mehr als 95 % der aus den Emissionsbereichen 5 austretenden Strahlleistung der Strahlungsbündel 6 auf den jeweils zugeordneten Detektorbereich 8.
Durch die teilweise Absorption der Strahlungsbündel 6 im Objekt 7 nimmt der Detektor 9 eine Schattenprojektion der inneren Struktur des Objekts 7 auf. Wenn die Strahlungsquelle 4 und der Detektor 9 um eine Drehachse 10 um das Objekt 7 herum verschwenkt werden und wenn dabei wiederholt Projektionsdaten aufgenommen werden, können aus den Projektionsdaten Strukturdaten berechnet werden, die die innere Struktur des untersuchten Objekts 7 beschreiben.
Für die Rekonstruktion der Strukturdaten des Objekts 7 kann wegen der Parallelstrahlgeometrie auf das Fourier-Slice-Theorem zurückgegriffen werden. In 2 ist das Objekt 7 dargestellt, das mit Hilfe der im Wesentlichen parallelen Strahlungsbündel 6 durchleuchtet wird. Die Struktur des Objekts 7 wird durch eine Strukturfunktion beschrieben, die von Ortskoordinaten eines Ortskoordinatensystems 12 mit einer x-Achse 13 und einer y-Achse 14 abhängt. Es sei angemerkt, dass die Drehung um die Drehachse 10 einer Drehung um eine z-Achse des Ortskoordinatensystems 12 entspricht.
Die vom zweidimensionalen Detektor 12 aufgenommenen Projektionsdaten werden durch eine Projektionsfunktion 15 beschrieben, die bei gegebenem Drehungswinkel θ von zwei Parametern s und t abhängt. Es lässt sich zeigen, dass die Fourier-Transformierte der Projektionsfunktion 15 die Werte einer zweidimensionalen Fourier-Transformation der das Objekt 7 in der Projektionsebene beschreibenden Strukturfunktion entlang einer Ebene 16 im Ortsfrequenzkoordinatensystem 17 liefert. Das Ortsfrequenzkoordinatensystem 17 ist in 2 mit der u-Achse 18 und der v-Achse 20 eingezeichnet. Die dritte Achse, deren Ausrichtung der Ausrichtung der Drehachse entspricht, ist nicht eingezeichnet.
Durch eine Aufnahme einer Vielzahl von Projektionen mit unterschiedlichem Winkel θ können die Werte der Fourier-Transformierten der Strukturfunktion entlang einer Vielzahl von unter verschiedenen Winkeln θ durch den Ursprung des Ortsfrequenzkoordinatensystems 17 verlaufenden Ebene 16 bestimmt werden. Durch ein Interpolationsverfahren können die gewonnenen Werte auf ein kartesisches Koordinatensystem transferiert werden.
Das Rekonstruktionsverfahren für die Strukturdaten kann in zwei oder drei Dimensionen ausgeführt werden.
Bei der Ausführung in zwei Dimensionen werden jeweils Reihen von Detektorbereichen 8 des Detektors 9 ausgewertet. Entsprechend dem Fourier-Slice-Theorem werden dann die Strukturdaten entlang von nebeneinander liegenden Schnittebenen durch das Objekt 7 rekonstruiert, wobei die Flächennormale dieser Schnittebenen jeweils parallel zur Drehachse 10 verlaufen. Die Auflösung entlang der Drehachse 10 wird dann durch die Abtastung bestimmt.
Das anhand 2 beschriebene Rekonstruktionsverfahren kann auch auf drei Dimensionen ausgeweitet werden. So ergibt die Fourier-Transformierte eines zweidimensionalen Projektionsbildes die Werte der Fourier-Transformierten der Strukturfunktion entlang einer durch den Ursprung des Ortsfrequenzkoordinatensystems 17 verlaufende, um den Winkel θ verkippten Ebene. Durch Uminterpolation und eine inverse Fourier-Transformation kann dann aus den Werten im Ortsfrequenzkoordinatensystem 17 die Strukturfunktion im Ortskoordinatensystem 12 gewonnen werden.
Aufgrund der geringen Strahldivergenz der Strahlungsbündel 6 können die durch die Divergenz der Strahlungsbündel 6 induzierten Fehler bei der Rekonstruktion des Objekts 7 vernachlässigt werden. Darüber hinaus sind die bei der Rekonstruktion des Objekts 7 verwendeten Verfahren im Vergleich zu einem Rekonstruktionsverfahren, bei dem Strukturdaten aus Projektionsdaten von Kegelstrahlen gewonnen werden, verhältnismäßig einfach.
Bei der Ausgestaltung der Strahlungsquelle 4 bestehen verschiedene Möglichkeiten. Der Röntgenstrahlungsgenerator 2 kann beispielsweise aus einer Vakuumröhre bestehen, in der ein Elektronenstrahl ein dünnes Transmissionstarget bestreicht. Die Wärmebelastung des Transmissiontargets kann durch eine Flüssigkeitskühlung limitiert werden.
Für den Kollimator 3 eignet sich insbesondere ein Parallellochkollimator, der auf der Basis eines Röntgenstrahlung absorbierenden Materials, insbesondere aus einem Material mit hoher Ordnungszahl Z, hergestellt ist. Als Material kommt beispielsweise Pb oder W in Betracht. Vorzugsweise ist der Kollimator 3 von einem Bleiblock gebildet, in den eine Vielzahl von parallel verlaufenden Löchern eingebracht ist.
Um den Detektor 9 auf den Kollimator 3 auszurichten, kann der Detektor eine Relativbewegung zur Strahlungsquelle 4 ausführen. Beispielsweise ist es möglich, den Detektor bezüglich der Strahlungsquelle 4 in einem zweiten Umlauf um dx, im dritten Umlauf um dy und im vierten Umlauf um dx + dy zu verschieben.
Für den Kollimator 3 können auch Monochromatoren eingesetzt werden, die zum Beispiel eine Vielzahl von Kristallen oder andere monochromatisierende Elemente, zum Beispiel Multilayer-Strukturen, umfassen. Auch Kapillaroptiken sind denkbar, um die Röntgenausbeute und damit die Röntgenintensität zu erhöhen. Derartige Röntgenoptiken sind dem Fachmann bekannt und als solche nicht Gegenstand der Anmeldung.
Ferner kann der Detektor 3 ebenfalls mit einem Kollimator ausgerüstet werden, um Streustrahlung zu unterdrücken.
Es ist zu erwarten, dass durch die Bestrahlung des gesamten Volumens im Objekt 7 die zur Rekonstruktion der Struktur des Objekts 7 erforderlichen Projektionsdaten schneller als beim Stand der Technik gewonnen werden können. Außerdem ist eine bessere Bildqualität zu erwarten, da die Struktur des Objekts 7, abgesehen von den durch die Divergenz der Strahlungsbündel 6 induzierten Fehlern, exakt rekonstruiert werden kann. Durch die Verwendung monochromatischer Strahlung kann außerdem das Material, insbesondere dessen Dichte und Ordnungszahl im Inneren des Objekts 7 rekonstruiert werden. Das Tomographiegerät eignet sich daher unter anderem auch zur Materialuntersuchung.
Es sei angemerkt, dass sich das Tomographiegerät 1 vor allem für die Kleintier-Bildgebung eignet, da in diesem Fall nur kleine Volumina mit den Strahlungsbündeln 6 bestrahlt werden müssen und nur geringe Strahlleistungen erforderlich sind.

Claims

Vorrichtung für die Aufnahme von Strukturdaten eines Objekts (7) mit: – einer entlang einer Messbahn um das Objekt (7) bewegbaren Strahlungsquelle (4); – einem auf einer gegenüberliegenden Seite des Objekts (7) angeordneten und entsprechend der Bewegung der Strahlungsquelle (4) bewegbaren Detektor (9), der eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Detektorbereichen (8) aufweist und Projektionsdaten des Objekts (7) erzeugt; und – einer Auswerteeinheit (11), die aus den vom Detektor (9) aufgenommenen Projektionsdaten die Strukturdaten des Objekts (7) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (4) nebeneinander angeordnete Emissionsbereiche (5) aufweist, die jeweils einen zugeordneten Detektorbereich (8) des Detektors (9) mit Strahlung beaufschlagen und dass die Auswerteeinheit (11) die Strukturdaten mit Hilfe eines Parallelstrahlen-Algorithmus bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (10) die Strukturdaten des zu untersuchenden Objekts (7) unter Auswertung von Reihen von Detektorbereichen (8) entlang verschiedenen Schnittebenen durch das Objekt bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (10) die Strukturdaten durch Auswerten von Projektionsdaten einer Vielzahl von in einer Fläche nebeneinander angeordneten Detektorbereichen (8) volumenmäßig bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (4) einen Röntgenstrahlungsgenerator (2) mit im Strahlengang nachgeordneten Kollimator (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (3) ein Körper aus einem Röntgenstrahlen absorbierenden Material mit einer Vielzahl von parallel ausgerichteten, nebeneinander angeordneten Löchern ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das absorbierende Material ein Material mit hoher Ordnungszahl Z ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator die Röntgenstrahlung monochromatisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (3) von einer Vielzahl von Kristallen gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (3) mit Hilfe einer Kapillaroptik gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Detektor ein weiterer Kollimator angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für die Kleintierbildgebung eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für die zerstörungsfreie Materialprüfung eingerichtet ist.