DE19740214A1 - Computertomograph - Google Patents

Description

Es ist bekannt, mit Hilfe eines Computertomographen eine Spi­ ralabtastung des Patienten durchzuführen, indem die Meßein­ heit aus Röntgenstrahler und Detektor einer Dauerrotation un­ terworfen und die Patientenliege in ihrer Längsrichtung (z-Rich­ tung) dabei verschoben wird. Aus den Detektordaten können Volumendaten des Untersuchungsobjektes mit Hilfe eines Bild­ rechners gewonnen werden.

Bewegungen der Organe, insbesondere des Herzens, können wegen der relativ langen Abtastzeit zu Bewegungsartefakten in dem aus den Volumendaten erzeugten Bild führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Computertomo­ graphen mit Spiralabtastung so auszubilden, daß eine scharfe Abbildung des Herzens erfolgt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 1.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 die wesentlichen Teile eines Computertomographen zur Spiralabtastung eines Patienten, und

Fig. 2 Kurven zur Erläuterung des Computertomographen gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein Röntgenstrahler 1 dargestellt, der ein fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel 2 aussendet, das auf ei­ nem um den Fokus des Röntgenstrahlers 1 gekrümmten, aus einer Reihe von Detektorelementen bestehenden Strahlendetektor 3 auftritt. Zwischen dem Röntgenstrahler 1 und dem Strahlen­ detektor 3 liegt eine Patientenliege 4 mit einem Patienten 5.

Zur Abtastung eines Volumens des Patienten 5 wird die Patien­ tenliege 4 in Richtung des Pfeiles 6 um ein vorbestimmtes Maß verstellt, während die Meßeinheit 1, 3 um die Systemachse 7 rotiert. Die dabei von den Detektorelementen des Strahlen­ detektors 3 gelieferten Daten werden einem Rechner 8 zuge­ führt, der daraus Bilder des Patienten berechnet und ihre Wiedergabe auf einem Sichtgerät 9 bewirkt. Diese Bilder sind Computertomogramme des abgetasteten Volumens. Alternativ zur Verstellung der Patientenliege 4 in Richtung des Pfeiles 6 kann zur Abtastung eines vorbestimmten Volumens des Patienten 5 auch bei stillstehender Patientenliege 4 die Meßeinheit 1, 3 in Richtung des Pfeiles 10 verstellt werden.

Das Prinzip der EKG-Triggerung von Spiralaufnahmen ist in Fig. 2 dargestellt. Die obere Kurve stellt schematisiert ein EKG mit einem Abstand der R-Zacken von Δt (z. B. Δt = ls für 60 Herzschläge pro Minute) dar. Die untere Kurve in Fig. 2 repräsentiert die Spiralaufnahme mit einem Einzeilenscanner, dargestellt durch das periodische Anwachsen des Projektions­ winkels ϕ von 0 auf 360° mit fortschreitender Zeit. Eine Periodendauer entspricht dabei der Aufnahmezeit für eine volle 360° Rotation des Meßsystems. Wegen der kontinuier­ lichen Bewegung der Patientenliege 4 nimmt bei der Spirale mit der Zeit auch die axiale z-Position in Richtung der Systemachse 7 linear zu. Daher ist neben der Zeitachse in Fig. 2 auch eine entsprechende z-Achse dargestellt. Es gilt:

z = v.t (1)

mit der konstanten Liegengeschwindigkeit v. Voraussetzung für EKG-Triggerung ist, daß die EKG-Kurve in einem Rechner, vor­ zugsweise dem Host-Rechner 11 des Computertomographen, aufge­ nommen und digital gespeichert ist. Zusätzlich muß der An­ fangszeitpunkt der Spirale relativ zur EKG-Kurve bekannt sein. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß das Strah­ lung-Ein-Signal des Computertomographen ebenfalls diesem Rechner 11 zugeführt wird und in geeigneter Form dem EKG-Signal zeitgleich beigemischt wird.

Die Ausführung der retrospektiven EKG-Triggerung kann dann folgendermaßen erfolgen:
Durch mathematische Analyse der EKG-Kurve im Rechner 11 wer­ den die einzelnen R-Zacken und deren zeitliche Abstände Δt bestimmt. Der Einfachheit halber wird angenommen, daß Δt in guter Näherung konstant ist. Ist Δt < t_rot (Zeit für einen Um­ lauf der Meßeinheit 1, 3; Subsekunden-Scanner), so kann zwi­ schen benachbarten R-Zacken ein Zeitintervall δt gefunden werden, das in die Diastole fällt und innerhalb dessen be­ wegungsarme Bilder des Herzens rekonstruiert werden können. Da die zeitliche Korrelation zwischen der Aufnahme der Spi­ raldaten und der EKG-Kurve festliegt (Strahlung-Ein) kann dann ein zu δt passender Datensatz ausgewählt werden und ent­ sprechende bewegungsarme Bilder des Herzens können rekonstru­ iert werden.

Zur Veranschaulichung diene ein konkretes Beispiel mit t_rot = 0.75s. Vorausgesetzt wird eine vereinfachte Rekonstruktion ohne Spiralinterpolation als Teilumlaufrekonstruktion aus 240°. Dafür sind dann Daten aus einem Zeitfenster von δt_rek = 0.5s erforderlich.

Fall 1

Herzfrequenz von 60/min, entsprechend Δt = ls. Die Zeitdauer der Diastole beträgt ca. 70% des RR-Abstandes, also δ ≦ 0.7 s. Da δt_rek < δt, kann bei leicht unregelmäßigen Abständen der R-Zacken das Zeitfenster δt_rek noch innerhalb der Diasto­ len so verschoben werden, daß aufeinanderfolgende Zeitfenster wieder in äquidistanten Zeitabständen Δt liegen.

Fall 2

Herzfrequenz von 80/min, entsprechend Δt = 0.75s. Damit δt < 0,525s. Es gilt zwar noch δt_rek < δt, jedoch ist zu erwarten, daß Korrekturen für Unregelmäßigkeiten des Herzschlages praktisch nicht mehr durchführbar sind.

Für einen Einzeilenscanner mit t_rot = 0.5s skalieren sich die zeitlichen Verhältnisse entsprechend: δt_rek = 0.33s. Damit wird dann entsprechend die Problematik höherer Herzfrequenz deutlich entschärft.

Auch unter der Annahme, daß wie beschrieben 240° Datensätze in gleichen Zeitabständen Δt aus dem gesamten Spiraldatensatz herausgeschnitten werden können, besteht die Gefahr, daß das Herz in axialer Richtung nicht lückenlos erfaßt wird. Denn durch Gleichung 1 ist mit Δt ein fester axialer Abstand Δz benachbarter Bilder verbunden. Dieser Gefahr läßt sich durch geeignete Wahl des Pitches bei der Spiralaufnahme vorbeugen. Per Definition gilt: v = p.d/t_rot mit der Schichtdicke d und dem Pitch p. Aus Gleichung 1 ergibt sich damit:

Eine lückenlose bzw. überlappende Abbildung bedeutet Δz/d ≦ 1 und damit eine entsprechende Beschränkung des Pitches:

• a) Δt = 1s, t_rot = 0.75s: p ≦ 0.75
• b) Δt = 0.75s, t_rot = 0.75s: p ≦ 1
• c) Δt = ls, t_rot = 0.5s: p ≦ 0.5
• d) Δt = 0.75s, t_rot = 0.5s: p ≦ 2/3.

Je schneller also der Scanner relativ zur Herzfrequenz rotiert, desto kleiner wird der maximal zulässige Pitch.

Für die praktische Durchführung ergibt sich aus diesen Über­ legungen, daß für jeden Patienten vor dem Scan eine mittlere Herzfrequenz bestimmt werden sollte und entsprechend der Pitch bei der Aufnahme angepaßt werden sollte.

Wesentlich für den beschriebenen Computertomographen sind folgende Merkmale:

• 1. Markierung des Spiralanfangs in der EKG-Kurve und Ein­ stellung eines Pitch-Wertes, so daß in axialer Richtung eine lückenlose Abbildung des Herzens erreicht wird.
• 2. EKG-Aufzeichnung im Rechner und Markierung des Spiralan­ fangs auf der Zeitachse des EKG.
• 3. Identifikation der Diastolen und entsprechendes Zeitfen­ ster.
• 4. Herausschneiden von Spiraldatensätzen zu den Zeitfenstern aus 2.
• 5. Spezielle Teilumlaufrekonstruktion (240°) zur Minimierung der Zeitfenster.
• 6. Wahl des Pitches für Spiralaufnahmen, so daß lückenlose Abbildung des Herzens gewährleistet ist.
• 7. Ermittlung der mittleren Herzfrequenz von einem Spiral­ scan zur Bestimmung des geeigneten Pitch-Wertes.
• 8. Bei unregelmäßigem Herzschlag Anpassung des Zeitfensters für Rekonstruktion, so daß die Bilder in äquidistanten Zeitabständen und damit äquidistanten axialen Abständen entstehen.
• 9. Überwachung der Herzfrequenz während der Spiralaufnahme und entsprechende Regelung der Tischgeschwindigkeit, so daß der zulässige Pitchwert nicht überschritten wird.

Claims (7)

1. Computertomograph mit einem Meßsystem (1, 3) zur Spiral­ abtastung eines Meßvolumens (V), bei dem Mittel (8, 11) zur EKG-synchronen Erzeugung von Volumendaten für die bildliche Darstellung eines Volumens des Untersuchungsobjektes (5) vor­ gesehen sind.

2. Computertomograph nach Anspruch 1, bei dem der Pitch-Wert in Abhängigkeit von der EKG-Kurve derart eingestellt wird, daß in axialer Richtung eine lückenlose Abbildung des Herzens erfolgt.

3. Computertomograph nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das EKG in einem Rechner (11) gespeichert und der Spiralanfang auf der Zeitachse des EKG's markiert wird.

4. Computertomograph nach Anspruch 3, bei dem Volumendaten (Spiraldatensätze) entsprechend vorgegebener Zeitfenster her­ ausgeschnitten werden.

5. Computertomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem im Bildrechner (8) eine Teilumlaufrekonstruktion erfolgt.

6. Computertomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Zeitfenster für die Bildrekonstruktion derart ange­ paßt wird, daß die Bilder in äquidistanten Zeitabständen ent­ stehen.

7. Computertomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Herzfrequenz während einer Spiralaufnahme überwacht und die Liegengeschwindigkeit derart geregelt wird, daß ein zulässiger Pitch-Wert nicht überschritten wird.