DE19812973C2 - Computertomographie-Gerät - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Computertomographie(CT)-Gerät mit
einem Ständer, einem an diesem drehbar gelagerten Rotor, an
welchem ein ein Röntgenstrahlenbündel aussendender Röntgen
strahler angebracht ist, und mit einem Detektorsystem für die
Röntgenstrahlung, wobei ein zu untersuchendes Objekt mittels
des Röntgenstrahlenbündels durchstrahlt wird und das Detek
torsystem pro Umdrehung des Rotors an einer Vielzahl von Pro
jektionswinkeln einen der Intensität der empfangenen Röntgen
strahlung entsprechenden Datensatz abgibt, und wobei eine e
lektronische Recheneinrichtung aus den Datensätzen unter Be
rücksichtigung des jeweiligen Projektionswinkels ein Bild we
nigstens eines Teils des von dem Röntgenstrahlenbündel durch
strahlten Bereichs des Objektes rekonstruiert.
Bei derartigen z. B. in der US 4 644 573 beschriebenen CT-Ge
räten ist zur Bestimmung der Projektionswinkel eine mittels
eines optischen Aufnehmers abgetastete Schlitzscheibe vorge
sehen, die eine Anzahl von Schlitzen aufweist, die wenigstens
gleich der Anzahl der Projektionswinkel ist. Die technische
Realisierung einer solchen Schlitzscheibe ist bei der erfor
derlichen Genauigkeit von wenigen 1/100 mm problematisch. Da
bei kommt hinzu, daß die Schlitzscheibe in Anbetracht ihres
großen Durchmessers aus mehreren Segmenten zusammengesetzt
sein muß, deren Justierung insbesondere an den Stoßstellen
sehr schwierig ist. Außerdem kann es durch Verschmutzung im
Bereich der sehr schmalen Schlitze der Schlitzscheibe zu
Funktionsausfällen kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein CT-Gerät der
eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Bestimmung der
zu den einzelnen Projektionen gehörigen Projektionswinkel auf
einfache und somit kostengünstige Weise möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein CT-Gerät gemäß dem
Patentanspruch 1.
Im Falle der Erfindung wird also eine wesentliche Verein
fachung dadurch erreicht, daß eine im Vergleich zu der Anzahl
der Projektionswinkel nur geringe Anzahl von Marken erforder
lich ist, die auch nicht mit extremer Genauigkeit hergestellt
werden müssen, da es für die folgende Ermittlung der Projek
tionswinkel durch Interpolation genügt, wenn die Winkelab
stände der Marken voneinander bekannt sind. Simulationen
haben gezeigt, daß es im Falle eines erfindungsgemäßen CT-Ge
rätes möglich ist, die Projektionswinkel mit so hoher Genau
igkeit zu bestimmen, daß im Vergleich zu einem CT-Gerät nach
dem Stand der Technik, das mit einer Schlitzscheibe arbeitet,
keine nachteiligen Einflüsse auf die Bildqualität feststell
bar sind. Vorteilhafter, - aber nicht notwendigerweise - sind
die Marken in wenigstens im wesentlichen gleichen Winkelab
ständen voneinander angeordnet. Die Genauigkeit der Winkelbe
rechnung steigt mit der Anzahl der Marken bis zu einer Ober
grenze von zwölf Marken. Die Verzögerung, nach der die Winkel
berechnet werden können, reduziert sich mit der Anzahl der
Marken.
Eine besonders exakte Ermittlung der Projektionswinkel ist
dann möglich, wenn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
das Detektorsystem durch ein erstes Taktsignal zur Abgabe der
den Projektionen entsprechenden Datensätze veranlaßt wird und
die Ermittlung der zu den Projektionen gehörigen Projektions
winkel auf Basis eines mit dem ersten Taktsignal synchroni
sierten zweiten Taktsignals erfolgt, wobei das erste und das
zweite Taktsignal unter Umständen auch identisch sein können.
Eine besonders hohe Genauigkeit der Projektionswinkel ist
dann möglich, wenn die Ermittlung der Projektionswinkel mit
einer Auflösung von wenigstens 15.000 Winkelstufen pro Umdre
hung des Rotors erfolgt.
Für die Genauigkeit der Ermittlung der Projektionswinkel ist
es förderlich, wenn die Interpolation nach einem Polynom
zweiten Grades erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens
sechs Marken, vorzugsweise zwölf Marken, vorgesehen. Hier
durch wird nochmals deutlich, daß die Marken infolge ihrer
nur geringen Anzahl relativ groß ausgeführt werden, mit der
Folge, daß sie robust, dadurch weniger störanfällig und ein
facher und preiswerter herzustellen sind. Außerdem können
wesentlich größere Aufnehmer eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß der Aufnehmer auf magnetischer, induktiver,
optischer oder kapazitiver Basis arbeitet und die Marken aus
einem entsprechenden Werkstoff gebildet sind. Die Marken kön
nen also quasi beliebig dick sein, ohne daß dies die Funkti
onsfähigkeit beeinträchtigt, während im Falle der bekannten
Schlitzscheibe aufgrund der kleinen Marken die Dicke der
Schlitzscheibe einige zehntel Millimeter nicht übersteigen
darf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beige
fügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 in blockschaltbildartiger Darstellung ein erfindungs
gemäßes CT-Gerät, und
Fig. 2 ein den bei der Ermittlung der Projektionswinkel bei
dem Gerät gemäß Fig. 1 auftretenden fehlerveranschau
lichendes Diagramm.
Das in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße CT-Gerät
weist eine Röntgenröhre 1 auf, die zusammen mit einem Detek
torsystem 2 eine Strahlenmeßeinrichtung bildet. Das Detektor
system 2 weist eine Reihe von Einzeldetektoren 2a, 2b usw.
auf. Die Röntgenröhre 1 ist mit dem Detektorsystem 2 über
einen ringförmigen Rotor 3 fest verbunden und sendet ein
fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel 4 aus, das eine Schicht
5 eines zu untersuchenden Patienten 6 durchsetzt. Der Patient
6 liegt auf einer Patientenliege 7. Die Anzahl der Einzel
detektoren 2a, 2b usw. des Detektorsystems 2 ist der ge
wünschten Bildauflösung entsprechend gewählt. Jeder Einzel
detektor 2a, 2b usw. liefert ein elektrisches Signal, das der
Intensität der jeweils empfangenen Röntgenstrahlung ent
spricht.
Die Einzeldetektoren 2a, 2b usw. des Detektorsystems 2 sind
an eine elektronische Recheneinrichtung 8 angeschlossen, die
aus den Ausgangssignalen der Einzeldetektoren 2a, 2b usw.
während der Drehung der Strahlenmeßeinrichtung 1, 2 um eine
Drehachse 9, die vorzugsweise parallel zur Längsrichtung der
Patientenliege 7 verläuft, die Röntgenstrahlen-Schwächungs
werte von Volumenelementen der Schicht 5 berechnet. Anhand
dieser Röntgenstrahlungs-Schwächungswerte berechnet die
Recheneinrichtung 8 ein Schnittbild der untersuchten Schicht
5, das auf einem Sichtgerät 10 wiedergegeben werden kann, wo
bei einem bestimmten Röntgenstrahlungs-Schwächungswert ein
bestimmter Grau- oder Farbwert in der Darstellung des
Schnittbildes entspricht. Während der Drehung der Strahlen
meßeinrichtung 1, 2 um die Drehachse 9 wird eine Anzahl von
z. B. m = 1000 Projektionen aufgenommen, d. h. in periodischen
Zeitabständen, die dem Quotienten T/m aus der Umlaufzeit T
des Rotors 3, d. h. der Zeit, die der Rotor 3 für einen Umlauf
von 360° benötigt, und der Anzahl m der Projektionen entspre
chen und deren Dauer somit gleich der Integrationszeit des
Detektorsystems 2 ist, werden für die entsprechenden Projek
tionswinkel w(t) die Ausgangssignale der Einzeldetektoren 2a,
2b usw. des Detektorsystems 2 erfaßt und von der Rechenein
richtung 8 aufgenommen. Auf diese Weise werden bei beispiels
weise 512 Einzeldetektoren im Detektorsystem 2 pro Umdrehung
des Rotors 3 m Projektionen zu je 512 Ausgangssignalen er
zeugt, die der Berechnung der Röntgenstrahlungs-Schwächungs
werte der Volumenelemente einer Schicht 7 zugrunde gelegt
werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der
Übersichtlichkeit halber nicht sämtliche 512 Einzeldetekto
ren, sondern nur einige wenige gezeigt.
Die Drehung des in einem Ständer 11 gelagerten Rotors 3 wird
mittels eines an dem Ständer 11 angebrachten Motors 12 be
wirkt, der von der elektronischen Recheneinrichtung 8 als
Steuereinheit in der erforderlichen Weise betätigt wird. Die
Röntgenröhre 1 wird durch eine Generatoreinrichtung 13 mit
den benötigten Strömen versorgt, wobei die Generatoreinrich
tung 13 ebenfalls von der elektronischen Recheneinrichtung 8
als Steuereinheit in der erforderlichen Weise gesteuert wird.
Zur Steuerung der Röntgenröhre 1 und eventuell auch weiterer
Komponenten des CT-Gerätes kann aber auch eine gesonderte
Steuereinheit vorgesehen sein.
Damit die Recheneinrichtung 8 aus den aufgenommenen Projek
tionen ein korrektes Schnittbild berechnen kann, benötigt sie
außer den zu der jeweiligen Projektion gehörigen Sätzen von
Ausgangssignalen (Datensätze) des Detektorsystems 2 auch den
zugehörigen Projektionswinkel w(t) der jeweiligen Projektion.
Um die Projektionswinkel w(t) ermitteln zu können, sind im
Falle des erfindungsgemäßen CT-Gerätes längs des äußeren Um
fangs des Rotors 3 zwölf Marken 14 1 bis 14 12 angeordnet, die
jeweils den im wesentlichen gleichen bekannten Winkelabstand,
nämlich etwa 30°, voneinander aufweisen. An dem Stator 11 ist
ein Aufnehmer 15 angebracht, an dem sich die Marken 14 1 bis
14 12 während der Drehung des Rotors 3 vorbeibewegen. Jedesmal
wenn eine der Marken 14 1 bis 14 12 den Aufnehmer 15 passiert,
gibt dieser ein impulsartiges Ausgangssignal ab. Die die in
Fig. 1 dargestellte 0°-Position kennzeichnende Marke 14 1 ist
breiter als die übrigen Marken 14 2 bis 14 12 ausgeführt, so daß
die 0°-Position durch eine verlängerte Impulsdauer des Aus
gangssignals des Aufnehmers 15 gekennzeichnet ist.
Während der Anfertigung einer Aufnahme steuert die Rechenein
richtung 8 den Motor 12 derart an, daß sich der Rotor 3 mit
annähernd konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht.
Außerdem liest die Recheneinrichtung 8 während der Abtastung
der Schicht 5 aus der mit dem Detektorsystem verbundenen
Datenaufbereitungsschaltung 16 wie erwähnt zu periodisch wie
derkehrenden Zeitpunkten über die Datenleitung 17 den einzel
nen Projektionen entsprechende Datensätze ein. Dazu wird der
Datenaufbereitungsschaltung 16 über eine Triggerleitung 18
ein entsprechendes erstes Taktsignal zugeführt, das mit dem
Takt eines an die Recheneinrichtung 8 angeschlossenen Takt
generator 19 synchronisiert ist.
Zur Ermittlung der zu den einzelnen Projektionen gehörigen
Projektionswinkel w(t) ermittelt die Recheneinrichtung 8 zu
nächst die Zeitpunkte, an denen die aufeinanderfolgenden
impulsartigen Ausgangssignalen des Aufnehmers 15 auftreten,
die entstehen, wenn die Marken 14 1 bis 14 12 den Aufnehmer 15
passieren. Die Ermittlung dieser Zeitpunkte erfolgt auf Basis
eines ebenfalls von dem Takt des Taktgenerators 19 abgeleite
ten zweiten Taktsignals, das somit mit dem ersten Taktsignal
synchronisiert ist. Die Frequenz des zweiten Taktsignals muß
so gewählt sein, daß der Zeitabstand zwischen aufeinanderfol
genden impulsartigen Ausgangssignalen des Aufnehmers 15 mit
einer Genauigkeit bestimmbar ist, die einem 1/15000 der Um
laufdauer des Rotors 3 entspricht.
Die zu den einzelnen Projektionen gehörigen Projektionswinkel
w(t) werden durch Interpolation aus den wie beschrieben er
mittelten Zeitpunkten t1 bis t12 ermittelt.
Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels erfolgt die
Interpolation auf Basis eines Polynoms zweiten Grades nach
folgender Formel:
Dabei ist w(t) der zu der zum Zeitpunkt t aufgenommenen Pro
jektion gehörige Projektionswinkel, wn bis wn+2 mit n = 1, 4, 7,
10 sind die Winkelabstände dreier Marken, die den Aufnehmer
15 zu den Zeitpunkten t1 bis t3 passieren, wobei t1 ≦ t ≦ t3
gilt. So werden beispielsweise für sämtliche zwischen den
Winkeln w1 = 0, w2 = 30° und w3 = 60°, d. h. während der zwischen
t1 = 0 bis t3 aufgenommenen Projektionen durch Interpolation
nach obiger Gleichung mit n = 1 bestimmt, nachdem der Zeitpunkt
t3 erreicht, also der Winkel w3 überstrichen wurde. Für die
Winkel von 60° bis 120°, 120° bis 180° usw. wird in entspre
chender Weise mit n = 4, n = 7 und n = 10 verfahren.
Die Ermittlung der Projektionswinkel w(t) ist auf diese Weise
mit sehr hoher Genauigkeit möglich. Wie aus Fig. 2 ersicht
lich ist, ergeben sich für den Fall, daß die Ermittlung der
Projektionswinkel mit einer Auflösung von wenigstens 15.000
Winkelstufen pro Umdrehung des Rotors 3 erfolgt, Winkelabwei
chungen, die weit unterhalb von 0.005 rad liegen. Diese ge
ringen Abweichungen beruhen einerseits darauf, daß infolge
der gewöhnlich großen Massenträgheit des Rotors 3 samt der an
ihm angebrachten Komponenten die Winkelgeschwindigkeit des
Rotors 3 nur geringfügig schwankt. Andererseits ist für die
hohe Genauigkeit das beschriebene Interpolationsverfahren
maßgeblich. Außerdem wird die hohe Genauigkeit deshalb er
reicht, weil das für das Auslesen der Datensätze maßgebliche
erste Taktsignal mit dem für die Bestimmung der Zeitpunkte t1
bis t12 maßgeblichen zweiten Taktsignal synchronisiert ist.
Alternativ kann die Ermittlung der Projektionswinkel w(t)
nach obiger Gleichung beispielsweise auch mit n = 1, 2, 3 usw.
bis 10 erfolgen, wobei dann nach Erreichen des Winkels w3 und
des Zeitabstandes t3 mit n = 1 die Projektionswinkel zwischen
den Winkeln w1 = 0 und w2 = 30, nach Erreichen des Winkels w4 und
des Zeitpunktes t4 mit n = 2 die Projektionswinkel zwischen den
Winkeln w2 = 30 und w3 = 60° usw. berechnet werden.
Bei dem Aufnehmer 15 kann es sich um einen auf magnetischer,
induktiver, optischer oder kapazitiver Basis arbeitenden Auf
nehmer handeln, wobei die Marken 14 1 bis 14 12 im ersten Fall
als Magnete, vorzugsweise Permanentmagnete, im zweiten und
dritten Fall als metallische Körper und im vierten Fall als
optisch nicht transparente Körper ausgebildet sind.
Anders als im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels
kann der Taktgenerator 19 auch Bestandteil der Recheneinrich
tung 8 sein. Außerdem kann die Datenaufbereitungsschaltung 19
in das Detektorsystem 2 integriert sein.
Weiter können die Marken 14 1 bis 14 12 anders als im Falle des
beschriebenen Ausführungsbeispiels am Ständer 11 angebracht
sein, mit der Folge, daß der Aufnehmer 15 auf dem Rotor 3 an
gebracht ist, wobei diese Lösung allerdings eine Datenüber
tragung von dem rotierenden Aufnehmer zu der feststehenden
Recheneinrichtung 8 erforderlich macht.
Die Erfindung ist vorstehend am Beispiel eines CT-Gerätes der
dritten Generation beschrieben. Sie kann aber auch bei CT-Ge
räten anderer Generationen Anwendung finden.
Anders als im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels
besteht auch die Möglichkeit, den Drehkranz 3 kontinuierlich
rotieren zu lassen und dabei die Patientenliege 7 mit dem
Patienten 6 in Richtung ihrer Längsachse zu verschieben
(Spiral-CT), wodurch nicht eine einzige Schicht, sondern ein
Volumen des Patienten 6 abgetastet wird. Auch in diesem Fall
kann die Ermittlung der während der einzelnen Umläufe des
Rotors 3 aufgenommenen Projektionen in der beschriebenen
Weise erfolgen.
Die Erfindung ist vorstehend am Beispiel einer medizinischen
Anwendung beschrieben, sie kann jedoch auch außerhalb der
Medizin, beispielsweise zu Zwecken der Materialuntersuchung,
Verwendung finden.
Claims (6)
1. Computertomographie(CT)-Gerät mit einem Ständer (11),
ei nem an diesem drehbar gelagerten Rotor (3), an welchem ein ein Röntgenstrahlenbündel (4) aussendender Röntgenstrahler (1) angebracht ist, und
mit einem Detektorsystem (2) für die Röntgenstrahlung, wobei im Betrieb des CT-Gerätes ein zu untersuchendes Objekt (6) mittels des Röntgenstrahlenbündels (4) durchstrahlt wird und das Detektorsystem (2) pro Umdre hung des Rotors (3) zu einer Vielzahl von jeweils einem un terschiedlichen Projektionswinkel (w(t)) entsprechenden Zeitpunkten einen der Intensität der empfangenen Röntgen strahlung entsprechenden Datensatz abgibt,
wobei eine elek tronische Recheneinrichtung (8) aus den Datensätzen unter Be rücksichtigung des jeweiligen Projektionswinkels (w(t)) ein Bild wenigstens eines Teils des von dem Röntgenstrahlenbündel (4) durchstrahlten Bereichs des Objektes (6) rekonstruiert,
wobei an dem Rotor (3) oder dem Ständer (11) in bekannten Winkelabständen voneinander eine Anzahl von Marken (14 1 bis 14 12) vorgesehen ist, die mittels eines an dem Ständer (11) oder dem Rotor (3) angebrachten Aufnehmers (15), der beim Passieren einer Marke (14 1 bis 14 12) ein Ausgangssignal ab gibt, abtastbar sind,
wobei die Anzahl der Marken (14 1 bis 14 12) wesentlich geringer als die Anzahl der pro Umdrehung des Rotors (3) aufgenommenen Projektionen ist, und wobei die Recheneinrichtung (8) durch Interpolation aus den Ausgangs signalen des Aufnehmers (15) die zu den einzelnen Projek tionen gehörigen Projektionswinkel (w(t)) bestimmt.
ei nem an diesem drehbar gelagerten Rotor (3), an welchem ein ein Röntgenstrahlenbündel (4) aussendender Röntgenstrahler (1) angebracht ist, und
mit einem Detektorsystem (2) für die Röntgenstrahlung, wobei im Betrieb des CT-Gerätes ein zu untersuchendes Objekt (6) mittels des Röntgenstrahlenbündels (4) durchstrahlt wird und das Detektorsystem (2) pro Umdre hung des Rotors (3) zu einer Vielzahl von jeweils einem un terschiedlichen Projektionswinkel (w(t)) entsprechenden Zeitpunkten einen der Intensität der empfangenen Röntgen strahlung entsprechenden Datensatz abgibt,
wobei eine elek tronische Recheneinrichtung (8) aus den Datensätzen unter Be rücksichtigung des jeweiligen Projektionswinkels (w(t)) ein Bild wenigstens eines Teils des von dem Röntgenstrahlenbündel (4) durchstrahlten Bereichs des Objektes (6) rekonstruiert,
wobei an dem Rotor (3) oder dem Ständer (11) in bekannten Winkelabständen voneinander eine Anzahl von Marken (14 1 bis 14 12) vorgesehen ist, die mittels eines an dem Ständer (11) oder dem Rotor (3) angebrachten Aufnehmers (15), der beim Passieren einer Marke (14 1 bis 14 12) ein Ausgangssignal ab gibt, abtastbar sind,
wobei die Anzahl der Marken (14 1 bis 14 12) wesentlich geringer als die Anzahl der pro Umdrehung des Rotors (3) aufgenommenen Projektionen ist, und wobei die Recheneinrichtung (8) durch Interpolation aus den Ausgangs signalen des Aufnehmers (15) die zu den einzelnen Projek tionen gehörigen Projektionswinkel (w(t)) bestimmt.
2. CT-Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Detektorsystem (2)
durch ein erstes Taktsignal zur Abgabe der den Projektionen
entsprechenden Datensätze veranlaßt wird und die Ermittlung
der zu den Projektionen gehörigen Projektionswinkel (w(t))
auf Basis eines mit dem ersten Taktsignal synchronisierten
zweiten Taktsignals erfolgt.
3. CT-Gerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ermittlung
der Projektionswinkel (w(t)) mit einer Auflösung von wenig
stens 1500 Winkelstufen pro Umdrehung des Rotors erfolgt.
4. CT-Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die
Interpolation nach einem Polynom zweiten Grades erfolgt.
5. CT-Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenig
stens sechs Marken (14 1 bis 14 12) vorgesehen sind.
6. CT-Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der
Aufnehmer (15) auf magnetischer, induktiver, optischer oder
kapazitiver Basis arbeitet und die Marken (14 1 bis 14 12) aus
einem entsprechenden Werkstoff gebildet sind.
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