DE19733338A1

DE19733338A1 - Röntgendiagnostikeinrichtung zur Erstellung von Panorama-Schichtaufnahmen von Körperteilen eines Patienten

Info

Publication number: DE19733338A1
Application number: DE19733338A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Rer Nat Pfeiffer
Original assignee: Sirona Dental Systems GmbH
Current assignee: Sirona Dental Systems GmbH
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: US6049584A; FR2767261B1; FR2767261A1; DE19733338C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgendiagnostikeinrich tung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Einrichtungen sind beispielsweise in EP- 0 632 994 A1 und EP-0 634 671 A1 beschrieben. Die Detektor kamera umfaßt dort einen ein- oder mehrteiligen Röntgenstrah len-Detektor bestimmter, auf das aufzunehmende Objekt (Kiefer/Zahn) abgestimmter Breite und Höhe. Als Detektor ist ein CCD-Sensor vorgesehen, der bekannterweise eine Bildzone aufweist, an deren letzter Pixelspalte ein Austaktregister angeordnet ist.

Mit einem solchen Detektoraufbau lassen sich nachträglich, also nach dem Abscannen des aufzunehmenden Objekts, keine un terschiedlichen Schichtlagen mit ausreichend guter Bildquali tät generieren; d. h. die Tiefenschärfe eines Objekts läßt sich nach dem Stand der Technik nicht so weit variieren, daß nachträglich beliebig wählbare Schichten scharf wiedergegeben werden können.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Auf gabe zugrunde, eine Röntgendiagnostikeinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß praktisch mit einem mechanisch durchgeführten Orthopantomogramm nachträg lich mehrere beliebig wählbare Schichten erzeugen und scharf abbilden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung ist es möglich, bei einem einmal erstellten Orthopantomogramm für einen bestimmten ausgewählten Bildausschnitt eine beliebig wählbare Schicht nachträglich scharf darstellen zu können. Es kann somit einerseits die Tiefenschärfe variiert und anderer seits speziell bei geringer Tiefenschärfe, d. h. hohem Ver wischungsgrad, die Lage der scharfen Ebene variiert werden. Dies ist ebenso für sog. Transversalschnitte möglich. Auch eine ausschnittsweise Ansteuerung ist möglich, d. h. wenn z. B. nur ein Teilobjekt, z. B. ein Frontzahn, interessiert, kann die Tiefenschärfe auf diesen Bereich optimal eingestellt wer den.

Der Detektor kann vorteilhafterweise aus mehreren parallel und mit Abstand zueinander angeordneten TDI-Zonen bestehen, deren TDI-Bilder nachträglich im Rechner verrechnet werden.

Der Detektor kann weiterhin mit Vorteil aus TDI-Zonen, die nur einem Teil der Länge des aufzunehmenden Objektes entspre chen, ausgebildet sein. Denkbar ist es auch, den Detektor so aufzubauen, daß er eine erste Gruppe von TDI-Zonen mit einer der Bildhöhe des aufzunehmenden Objekts entsprechenden Länge und mindestens eine weitere, daneben angeordnete Gruppe von kürzeren, bis zur Bildhöhe der ersten TDI-Zone verschiebbar angeordneten TDI-Zonen enthält.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zu der erfindungsgemäßen Röntgen diagnostikeinrichtung,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Detektors nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Detek tors,

Fig. 4 eine Variante zu der Ausführung nach Fig. 3,

Fig. 5 und 6 weitere Varianten,

Fig. 7 bis 12 Skizzen zur Erläuterung des Verwischungsef fekts und der Tiefenschärfe.

Anhand der Fig. 1 werden zunächst der allgemeine Aufbau der Röntgendiagnostikeinrichtung sowie die Ablaufschritte zur Er stellung einer Panorama-Schichtaufnahme (Orthopantomogramm) erläutert.

Eine um einen nicht näher bezeichneten Patientenkopf schwenk bare Dreheinheit 1 trägt in bekannter Weise eine Strahlen quelle 2 mit Primärblende 3 und diametral gegenüberliegend eine Detektorkamera 4 mit einem CCD-Detektor 5. Der vom Fokus F der Strahlenquelle 2 ausgehende Röntgenstrahl wird durch die Primärblende 3 und eine nicht näher bezeichnete Sekun därblende im Bereich des CCD-Detektors 5 begrenzt. Die vom CCD-Detektor 5 generierten Bildsignale werden einer Vorverar beitungseinheit 6 zugeführt, in der sie komprimiert werden. Zur Kompression kann beispielsweise ein Ähnlichkeitsvergleich zwischen den Signalen der Austaktregister der TDI-Zonen in der nachfolgenden Bildverarbeitungseinheit 7 dienen, wobei nur die Differenzsignale weitergegeben werden. Damit läßt sich die zu übertragende Datenmenge reduzieren.

Die Bildverarbeitungseinheit 7 umfaßt einen Digitalspeicher 8, in dem die einzelnen Bilder abgespeichert bzw. zwischenge speichert werden, einen Rechner 9 und einen Summenbilderzeu ger 10. An die Bildverarbeitungseinheit 7 sind ein Display 11 und eine Eingabeeinheit 12 angeschlossen. Mittels der Einga beeinheit 12 kann unter anderem der Ortsversatz, auf den spä ter noch näher eingegangen wird, vom Benutzer geändert wer den.

Bevor der erfindungsgemäß vorgesehene Detektor näher erläu tert wird, sei zunächst kurz auf eine Detektoranordnung ein gegangen, wie sie bei Geräten nach dem Stand der Technik vor gesehen ist. Als Beispiel wird der nachfolgenden Beschreibung eine Detektorgröße mit einer Breite (B) von 5 mm und einer Höhe (H) von 150 mm zugrundegelegt. Eine solche Detektorgröße wird heute üblicherweise zur Erstellung von Panorama-Röntgen aufnahmen im Kiefer-/Zahnbereich vorgesehen.

Der Detektor nach Fig. 2 ist ein CCD mit typischerweise 100 Pixeln pro Zeile. Am einen Rand, also neben der aktiven Bild zone, befindet sich üblicherweise eine Austaktspalte, hier allgemein mit A bezeichnet. Die in der CCD-Bildzone generier ten Bildsignale werden im TDI-Modus ausgelesen und in der nachfolgenden Bildverarbeitungseinheit entsprechend verarbei tet. Das Auslesen im TDI-Modus und die Bildverarbeitung sind in der europ. Patentanmeldung 0 279 294 näher beschrieben.

In Fig. 3 ist der erfindungsgemäße Detektor 5 in einer er sten Variante dargestellt,wobei zum Vergleich mit einem De tektor nach dem Stand der Technik gleiche Detektorabmessungen (5 × 150 mm) zugrundegelegt werden.

Der erfindungsgemäße Detektor ist in eine Vielzahl (hier 10) von 500 µm breiten TDI-Zonen unterteilt, wobei sich nach jeder TDI-Zone eine Austaktspalte anschließt. Jede TDI-Zone weist etwa 10 Pixel à 50 µm auf, danach schließt sich die Austaktspalte an. In der Figur sind die einzelnen TDI-Zonen mit Z und die Austaktspalten mit A bezeichnet. Für das ge wählte Ausführungsbeispiel mit einer Detektorbreite von 5 mm ergeben sich also 10 TDI-Zonen (Z1 bis Z10) mit entsprechend gleich vielen Austaktspalten (A1 bis A10).

Die gewählte Anzahl der TDI-Zonen resultiert einerseits aus der gewünschten minimalen Tiefenschärfe bzw. einer mindestens erforderlichen CCD-Detektorbreite. Die Breite einer TDI-Zone bestimmt sich aus der Übertragungsbreite des Systems nach dem CCD, der Empfindlichkeit des Detektors und der gewünschten Auflösung des Systems. Im vorliegenden Anwendungsfall würden die 10 TDI-Zonen eine Tiefenschärfe bzw. Schichtdicke von ca. 1 bis 2 mm ergeben.

Der "Output" der 10 TDI-Zonen kann gegebenenfalls auf dem CCD-Chip teilweise serialisiert werden, je nachdem, welche Datenübertragung auf einer Leitung gewünscht wird, bzw. wie viele Datenleitungen bis zur Digitalisierung parallel geführt werden können. Sämtliche Daten entsprechend dem "Output" der 10 TDI-Zonen werden in der Vorverarbeitungseinheit 6 kompri miert und anschließend in der Speichereinheit 8 abgespei chert.

Bevor die Bildentstehung und nachträgliche Auswahl einer Schicht erläutert werden, sollen drei Varianten des erfin dungsgemäßen Detektors aufgezeigt werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der der gesamte Detektor 5.1 wesentlich breiter ist als der in Fig. 3 dargestellte, und der Detektor wechselweise aus parallel zueinander ange ordneten CCD-Chips entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Art mit dazwischen liegenden Freiräumen F₁, F₂ gebildet ist. Der gesamte Detektor weist also fünf Streifen auf, von denen jeder eine Breite von 5 mm hat. Die Gesamtbreite B' beträgt somit 25 mm. Nach einem ersten Streifen S₁ mit 10 TDI-Zonen (Z₁ bis Z₁₀) folgt ein Freiraum F₁ (ohne TDI-Zone) mit gleich falls 5 mm Breite, danach wieder ein Streifen (S₂) mit 10 TDI-Zonen (Z₁₁ bis Z₂₀) usw. Derart gestaltete breite Detekto ren eröffnen die Möglichkeit, Bilder geringer Tiefenschärfe zu erzeugen. Dies ist insbesondere in Kombination mit der Möglichkeit, die Lage der scharfen Schicht durch Verrechnung nach der Aufnahme zu bestimmen, interessant. Die vorgeschla gene Anordnung mit Freiräumen erzeugt Bilder mit nur unwe sentlich schlechterer Bildqualität, wie eine Anordnung, bei der die ganze Fläche als empfindliche Fläche ausgebildet ist. Die vorgeschlagene Anordnung hat aber Kostenvorteile und kommt mit einer geringeren Dosisbelastung aus.

Bei der vorgenannten Anordnung wird davon ausgegangen, daß der Verwischungseffekt, der bei einer Röntgenaufnahme ent steht, durch Überlagerung der von den Streifen S1 bis S3 er zeugten Einzelbildern mit einem der gewünschten Schicht ent sprechenden Ortsversatz zustandekommt. Solange die zu verwi schenden Strukturen und die Verwischungsbreite hinreichend groß sind, ergibt sich bei einem dermaßen gestalteten Detek tor kein wesentlich anderes Gesamtbild als bei einem Detek tor, bei dem die Freiräume F₁, F₂, . . . ebenfalls mit TDI-Zo nen belegt sind. Berechnungen für den Anwendungsfall haben ergeben, daß Freiräume von 5 mm akzeptabel sind.

Um eine unnötige Bestrahlung des Patienten zu vermeiden, ist es bei dieser Variante angebracht, die Primärblende (Pos. 3 in Fig. 1) als streifenförmige Rasterblende auszubilden, so daß die Ränder und Freiräume des Detektors von Strahlung aus geblendet werden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante einer Detektoranordnung (5.2), bei der die Chiphöhe (H') der drei TDI-Streifen (S₁', S₂' und S₃') nur 1/3 der Detektorhöhe (H) der zuvor beschrie benen Ausführung beträgt. Die drei CCD-Chips sind auf einem Rahmen R angeordnet, der in einer nicht näher gezeigten Ver stelleinrichtung in Pfeilrichtung verschiebbar angeordnet ist.

Die Fig. 6 zeigt eine Detektoranordnung (5.3), bei der ein erster (dreiteiliger) CCD-Chip mit einer Breite (B) von etwa 5 bis 8 mm und einer Höhe (H) von 150 mm vorgesehen ist und bei der daneben zwei weitere Chips, in den Abmessungen B × H', wie zuvor beschrieben, also mit etwa 5 × 50 mm, in einem seitlichen Abstand von 5 mm verschiebbar angeordnet sind. Die dafür vorgesehene Verschiebeeinrichtung ist mit definierten Raststellungen versehen, welche mit Raststellungen der Pri märblende (Pos. 3 in Fig. 1) korrespondieren. Eine solche Kombinationslösung ist besonders vorteilhaft, da der durch die weiteren Chips ermöglichte größere Verwischungseffekt (geringere Tiefenschärfe) in der Regel nur in einem gewissen Ausschnitt einer Panoramaaufnahme erforderlich ist.

Nachfolgend werden einige Informationen zur Erläuterung des Verwischungseffekts sowie zur nachträglich durchführbaren Schichtwahl am Beispiel eines CCD-Detektors gemäß Fig. 3 ge geben. Die sich darauf beziehenden Betrachtungen gelten prin zipiell auch für die Varianten nach den Fig. 4 bis 6.

Bei den Betrachtungen zur Tiefenschärfe wird der Einfachheit halber von der Abbildung einer Kugel mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern als aufzunehmendes Objekt ausgegan gen, wobei von einer typischerweise bei einem Orthopantomo gramm verwendeten Breite des Strahlenfächers bzw. der Sekun därblende von 5 mm ausgegangen wird. Der Betrachtung wird die klassische Schichtaufnahmesituation zugrundegelegt, d. h. es wird davon ausgegangen, daß sich der Fokus (F) der Strahlen quelle (Pos. 2 in Fig. 1) auf einer Geraden bewegt, während der Detektor (5) ortsfest bleibt. Der Fokus (F) bewegt sich dann mit der Geschwindigkeit V_F; das Auslesen der Bilddaten im Detektor erfolgt mit der TDI-Geschwindigkeit V_T. Unter Zu grundelegung der in Fig. 7 aufgezeigten Geometrie ergibt sich nachfolgende Beziehung, wobei

d = Abstand Fokus - Detektor
d_F2 = Abstand Fokus - Objektpunkt K₂
d_D2 = Abstand Detektor - Objektpunkt K₂
d_D1 = Abstand Detektor - Objektpunkt K₁

darstellen.

Bei V_T = V_F.d_D2/d_F2 liegt eine durch den Mittelpunkt der Ku gel gehende Schicht K₂ exakt in der scharfen Ebene. Die Ge schwindigkeit von K₁ (einer Kugel außerhalb der scharfen Ebe ne) auf dem Detektor beträgt V_K1D = V_F.d_D1/d_F1. Die Geschwin digkeit im TDI-bewegten Bild beträgt V_K1T = V_F/d_F2(d_D1 - d_D2) = V_F/d_F2.d_K1K2.

Eine Verwischung entsteht, solange K₁ auf dem Detektor abge bildet wird. K₁ überfährt mit V_K1D den Detektor, wird also über die Zeit t_DK1 = b/V_K1D=b/V_F.d_F2/d_D1 auf diesem abgebildet. In dieser Zeit wird K₁ um I_V = d_K1K2.b/d_D1 verwischt (b ist die Detektorbreite).

Definiert man die scharfe Schicht als den Bereich innerhalb dessen, gilt:
durch Bewegung verursachte Verunschärfung = Systemunschärfe (U_S), so ist die Grenze der scharfen Schicht (T, Tiefenschär fe) die Distanz d_K1K1 bei der I_V = U_S ist. Hieraus ergibt sich: U_S = T.b/d_D1 oder T = U_S/b.d_D1.

Obige Ausführungen begründen die folgenden Aussagen:

1) für b = U_S ist jeder Körper "tiefenscharf".
2) für U_S/b = 1 : 50 wie bei Orthopantomogrammen üblich, ergibt sich für d_D1 = 50 mm eine Tiefenschärfe T = 1 mm. Diese Aus sage steht mit praktischen Erfahrungen in Einklang, da nach obiger Definition der Tiefenschärfe dies der Bereich ist, in nahezu kein Auflösungsverlust eintritt.
3) für U_S/b = 1 : 5, wie dies für die einzelnen TDI-Zonen des Detektors nach Fig. 3 zutrifft, ergibt sich mit d_D1 = 50 mm ein Tiefenschärfebereich von 10 mm; da dieser nach beiden Seiten gilt, ist dieser Tiefenschärfenbereich ausreichend, um alle Bereiche des Zahnes scharf abzubilden.

Im folgenden soll anhand der Skizzen entsprechend den Fig. 8 bis 12 erklärt werden, wie sich die Bilder der einzelnen TDI-Zonen eines Detektors nach Fig. 3, die für sich genommen eine sehr hohe Tiefenschärfe haben, durch nachträgliche Ver rechnung zu Bildern geringerer Tiefenschärfe zusammensetzen lassen, wobei die Lage der scharfen Schicht nachträglich be stimmt werden kann.

Die Bilder der einzelnen TDI-Zonen sehen wie in Fig. 8 bis 10 dargestellt aus. Fig. 8 zeigt hier das Bild der Zone 1, Fig. 9 das Bild der Zone 5 und Fig. 10 das Bild der Zone 10.

In allen Zonen ist K₂ scharf abgebildet, während K₁ und K₃ leicht unscharf sind. In den verschiedenen Zonenbildern sind jedoch die Bilder von K₁, K₂, K₃ unterschiedlich zueinander versetzt. Aus Gründen der besseren Darstellbarkeit ist die Verunschärfung stark übertrieben dargestellt.

Addiert man die Bilder der Zonen 1 bis 10 mit einer Verschie bung entlang der Verwischungsrichtung (Ortsversatz), die so gewählt ist, daß K₂ immer an der gleichen Stelle ist, so er gibt sich ein Summenbild wie in Fig. 11 gezeigt.

Addiert man mit einer Verschiebung, die so gewählt ist, daß K₁ immer an der gleichen Stelle bleibt, so ergibt sich ein Summenbild, wie in Fig. 12 gezeigt.

Für K₃ gilt entsprechendes.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß ein Objekt (K₁, K₂ oder K₃) je nach "Ortsversatz" nachträglich scharf dargestellt werden kann.

Dabei ist das nachträglich errechnete Bild von K₂ äquivalent zu einem Bild, das mit einem Detektor auf konventionelle Wei se (nach Fig. 2) gewonnen wurde. Die nachträglich errechneten Bilder von K₁ und K₃ sind nur geringfügig unschärfer als das von K₂ entsprechend der hohen Tiefenschärfe der schmalen TDI-Zo nen des Detektors nach Fig. 3.

Die nachträgliche Variation der Schichtlage kann z. B. so rea lisiert sein, daß der Benutzer in einem softwaregesteuerten Dialog den Ortsversatz zwischen den Einzelzonenbildern verän dert, z. B. durch Verschieben eines auf dem Bildschirm ange deuteten Reglers. Das angezeigte Summenbild wird dann mit dem geänderten Ortsversatz neu aus den Einzelzonenbildern er rechnet und auf dem Bildschirm angezeigt.

Die Tatsache, daß die Bilder der einzelnen TDI-Zonen nach träglich errechnet werden können, kann auch dazu genutzt wer den, die Tiefenschärfe des verrechneten Bildes zu variieren, z. B. indem man nicht alle TDI-Zonen in die Verrechnung einbe zieht.

Claims

1. Röntgendiagnostikeinrichtung zur Erstellung von Panorama- Schichtaufnahmen von Körperteilen eines Patienten, enthaltend eine Dreheinheit (1), mit einer Strahlenquelle (2) und einer diametral dazu angeordneten Detektorkamera (4) mit einem strahlenempfindlichen CCD-Detektor (5) und eine Bildverarbei tungseinheit (7) mit Rechner (9) sowie eine Wiedergabeeinheit (11), dadurch gekennzeichnet, daß zur nachträglichen Bestimmung der scharfen Schicht und/oder der Tiefenschärfe der CCD-Detektor (5; 5.1; 5.2; 5.3) aus einer Vielzahl von schmalen TDI-Zonen (Z1, Z2) mit Austaktspalten (A1, A2) besteht, deren Bildinformationen ein zeln ausgelesen und in der Bildverarbeitungseinheit (7) ver rechnet werden, wobei die Schichtlage durch Veränderung des Ortsversatzes der einzelnen Bilder mit Hilfe einer auf die Bildverarbeitung (7) einwirkenden Eingabeeinrichtung (12) be stimmbar ist.

2. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bilddaten aller Bilder in einer Vorverarbeitungseinheit (6) komprimiert werden.

3. Röntgendiagnostikeinrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (5; 5.1; 5.2; 5.3) aus mehreren, parallel und mit Abstand zueinander angeordneten TDI-Zonen besteht, deren TDI-Bil der nachträglich verrechnet werden.

4. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Einzeldetektoren (S1, S2, S3) mit dazwischen angeordneten Freiräumen (F₁, F₂) auf einem Träger (5.1) vorgesehen sind.

5. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß Einzel detektoren (S1, S2, S3) und Freiräume (F₁, F₂) eine Breite von jeweils 3 bis 10, vorzugsweise 5 mm, haben.

6. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der De tektor (5.3) eine erste TDI-Zone mit einer der Bildhöhe (H) des aufzunehmenden Objekts entsprechenden Länge und minde stens einer weiteren, daneben angeordneten kürzeren TDI-Zone (S₁') enthält, welche bis zur Bildhöhe (H) der ersten TDI-Zone verschiebbar angeordnet ist (Fig. 6).