-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion von Bildern
einer eine Schichtdicke aufweisenden Schicht eines Untersuchungsobjekts
bezüglich
einer Bildebene aus mittels eines CT-Gerätes durch Spiralabtastung des
Untersuchungsobjekts mit einer um das Untersuchungsobjekt rotierenden
Röntgenstrahlenquelle
und eines wenigstens eine Zeile von Detektorelementen aufweisenden
Detektors gewonnenen Meßwerten,
wobei die Meßwerte
jeweils einem von einer Vielzahl von Projektionswinkeln α und einer
z-Position auf der Längsachse
der Spiralabtastung zugeordnet sind und während der Spiralabtastung ein
konstanter, als Verhältnis
der pro voller Umdrehung der Röntgenstrahlenquelle
um das Untersuchungsobjekt auftretenden Verschiebung des Untersuchungsobjekts
einerseits und der Röntgenstrahlenquelle
und des Detektors andererseits relativ zueinander in Richtung der
Längsachse
der Spiralabtastung (z-Richtung) in mm zu der Breite einer Zeile
des Detektors in Richtung der Längsachse
der Spiralabtastung in mm definierter dimensionsloser Pitch p eingehalten
wird.
-
Verfahren
und CT-Geräte
dieser Art sind in der
US 5,559,847 ,
der
EP 0 713 678 A1 ,
der
US 5,539,796 und
bei Polacin et al., "Evaluation
of Section Sensitivity Profiles and Image Noise in Spiral CT", Radiology, 1992,
Nr. 185, Seiten 29 bis 35, beschrieben.
-
Bei
der Rekonstruktion von Bildern aus durch Spiralabtastung mit CT-Geräten mit
einzeiligem Detektor gewonnenen Meßwerten wird zur Erzeugung
von berechneten Projektionen in der ge wünschten Bildebene für jeden
Projektionswinkel eine Interpolation zwischen den vor und hinter
der Bildebene liegenden Meßwerten durchgeführt.
-
Am
gebräuchlichsten
sind heute zwei Interpolationsverfahren:
Beim ersten wird eine
lineare Interpolation zwischen je zwei der Bildebene am nächsten liegenden
gemessenen Projektionen vorgenommen, die beim gleichen Projektionswinkel α, aber in
verschiedenen Umläufen
aufgenommen wurden. Diese Interpolationsart bezeichnet man als 360LI-Interpolation.
Beim zweiten Verfahren interpoliert man zwischen je zwei der Bildebene
am nächsten
liegenden Projektionen, von denen die einen beim Projektionswinkel αd,
die anderen beim dazu komplementären
Projektionswinkel αc, aufgenommen wurden. Für das mittlere Detektorelement
des Detektors gilt αc = αd ± π. Diese Interpolationsart
bezeichnet man als 180LI-Interpolation. Sie liefert bei gleichem
Pitch schmälere
effektive Schichtbreiten (z.B. gekennzeichnet durch die Halbwertsbreite
FWHM (Full Width at Half Maximum) des Schichtempfindlichkeitsprofils)
als die 360LI-Interpolation. Dafür
ist bei gleicher Ausgangsleistung (mA-Wert) der Röntgenstrahlenquelle,
z.B. einer Röntgenröhre, das
Pixelrauschen im Vergleich zur 360LI-Interpolation erhöht. Auch
die Artefaktanfälligkeit
ist größer. Beide
Interpolationsarten sind schematisch für den Pitch p = 2 in 2 veranschaulicht, die den
Projektionswinkel α als
Funktion der Detektorposition in z-Richtung zeigt, wobei der Projektionswinkel α über der auf
die Breite b einer Zeile des Detektors normierten Position auf der
Längsachse
der Spiralabtastung (z-Position) aufgetragen ist.
-
Gemeinsam
ist allen herkömmlichen
Interpolationsverfahren für
Spiralabtastung mit einem einzeiligen Detektor, daß die Breite
des Schichtempfindlichkeitsprofils (z. B. gekennzeichnet durch die
Halbwertsbreite FWHM), mit zunehmendem Pitch p wächst. Das ist für die 180LI-und
die 360LI-Interpolation in 3 dargestellt,
die die Halbwertsbreite FWHM des Schichtempfindlichkeitsprofils
bezogen auf die kollimierte Schichtdicke dcoll als
Funktion des Pitch p zeigt. Der Zusammenhang gemäß 3 verkompliziert die Bedienung gerade für ungeübte Benutzer
und bedeutet eine Einschränkung
bei der Wahl der Untersuchungsparameter.
-
Noch
unübersichtlicher
wird die Situation, wenn herkömmliche
Interpolationstechniken, z.B. die 360LI-oder die 180LI-Interpolation,
auf mit einem mehrzeiligen Detektor durchgeführte Spiralabtastungen übertragen
werden. In 4 ist die
sich bei einer 360LI-und bei einer 180LI-Interpolation ergebende
Halbwertsbreite FWHM des Schichtempfindlichkeitsprofils, wieder
bezogen auf die kollimierte Schichtdicke dcoll,
als Funktion des Pitch p für
ein einen fünfzeiligen
Detektor aufweisendes CT-Gerät
dargestellt: die Halbwertsbreite ändert sich jetzt nicht-monoton
mit dem Pitch. Der Zusammenhang ist nicht intuitiv und schwer verständlich: so
kann z. B. bei zunehmendem Pitch p die Halbwertsbreite FWHM abnehmen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß eine vereinfachte Bedienung
des CT-Gerätes
möglich
ist.
-
Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Patentanspruches 1.
-
Im
Falle der Erfindung kann also die Abhängigkeit der effektiven Schichtdicke
vom Pitch p leicht überblickt
werden, da zwischen beiden nicht wie beim Stand der Technik ein
mehr oder weniger unübersichtlicher, durch
das jeweils verwendete Interpolationsverfahren bestimmter und außer durch
die Wahl des Interpolationsverfahrens unbeeinflußbarer Zusammenhang, sondern
ein gewünschter
funktionell definierter Zusammenhang vorliegt, nach dem die effektive
Schichtdicke, als Maß für diese
kann z.B. die Halbwertsbreite FWHM des Schichtempfindlichkeitsprofils
herangezogen werden, vom Pitch p wenigstens im wesentlichen unabhängig ist.
-
Eine
weitere Bedienungsvereinfachung wird erreicht, wenn die Ausgangsleistung
der Röntgenstrahlenquelle
in Abhängigkeit
vom Pitch p derart eingestellt wird, daß das Pixelrauschen vom Pitch
p wenigstens im wesentlichen unabhängig ist. Es ist dann möglich nicht
nur das Schichtempfindlichkeitsprofil, sondern auch das Pixelrauschen
vom Pitch p unabhängig
einzustellen. Somit ist ein CT-Gerät leicht bedienbar.
-
Die
im Falle der Erfindung erforderliche Einstellung der gewünschten
Schichtdicke erfolgt nach einer Variante der Erfindung dadurch,
daß die
Breite der Gewichtungsfunktion, d.h. der maximale Abstand der zu berücksichtigenden
Meßdaten
von der Bildebene, in Abhängigkeit
vom Pitch p verändert
wird.
-
Da
das zugehörige
CT-Gerät
Mittel zur Einstellung eines effektiven mAs-Produktes aufweist, über die ein
tatsächliches
mAs-Produkt derart eingestellt wird, das es zu demjenigen Pixelrauschen
führt,
das in einem einzeiligen Detektor gewonnenen Bild der gleichen Schichtdicke
bei dem effektiven mAs-Produkt
auftreten würde,
ist eine Bedienperson in der Lage, ein CT-Gerät mit mehrzeiligem Detektor
auf ähnlich
einfache Weise wie ein CT-Gerät
mit einzeiligem Detektor zu bedienen.
-
Grundlage
für die
Einstellung eines vom Pitch p unabhängigen Schichtempfindlichkeitsprofils
ist ein verallgemeinertes Gewichtungsverfahren anstelle der üblichen
Interpolation. Dieses Gewichtungsverfahren erlaubt bei CT-Geräten mit
M Zeilen (M > 1) die
vom Pitch p unabhängige
Einstellung des Schichtempfindlichkeitsprofils bis zum maximalen
Pitch pmax = 2M. Dadurch ist der Pitch p
kein die Auflösung
in z-Richtung bestimmender Parameter mehr: der Arzt kann die gewünschte effektive
Schichtdicke einstellen und trotzdem den Pitch p frei wählen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
erläutert.
Es zeigen:
-
1 in
schematischer Darstellung ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehenes CT-Gerät,
-
2 ein
die bei herkömmlichen
Rekonstruktionsverfahren für
CT-Geräte
mit einzeiligem Detektor üblichen
Interpolationsverfahren veranschaulichendes Diagramm,
-
3 für ein einen
einzeiligen Detektor aufweisendes herkömmliches CT-Gerät die Schichtdicke
bezogen auf die kollimierte Schichtdicke als Funktion des Pitch,
-
4 analog
zur 3 das entsprechende Diagramm für ein CT-Gerät mit fünfzeiligem
Detektor für die
beiden Interpolationsverfahren gemäß 2,
-
5 das
mit einem einen fünfzeiligen
Detektor aufweisenden, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden CT-Gerät erzielbare
Schichtempfindlichkeitsprofil für
zwei unterschiedliche Pitchwerte,
-
6 das
Diagramm von 4, in das zusätzlich zwei
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
realisierbare pitchunabhängige
Schichtdicken eingetragen sind, und
-
7 für ein einen
fünfzeiligen
Detektor aufweisendes, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes CT-Gerät die Varianz
des Pixelrauschens bei konstantem mA-Wert als Funktion des Pitch
für zwei unterschiedliche
pitchunabhängige
Schichtdicken.
-
In 1 ist
grob schematisch ein zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehenes CT-Gerät
dargestellt, das eine Röntgenstrahlenquelle 1,
z.B. eine Röntgenröhre, mit
einem Fokus 2 aufweist, von dem ein durch eine nicht dargestellte
Blende eingeblendetes pyramidenförmiges
Röntgenstrahlenbündel 3 ausgeht,
das ein Untersuchungsobjekt 4, beispielsweise einen Patienten,
durchsetzt und auf einen Detektor 5 auftrifft. Dieser besteht
aus mehreren parallelen Detektorzeilen, von denen jede durch eine
Reihe von Detektorelementen gebildet ist. Der Röntgenstrahler 1 und
der Detektor 5 bilden ein Meßsystem, das um eine Systemachse 6 drehbar
ist, so daß das
Untersuchungsobjekt 4 unter verschiedenen Projektionswinkeln α durchstrahlt
wird. Aus den dabei auftretenden Ausgangssignalen der Detektorelemente
des Detektors 5 bildet ein Datenerfassungssystem 7 im
weiteren als gemessene Projektionen bezeichnete Meßwerte,
die einem Rechner 8 zugeführt sind, der ein Bild des
Untersuchungsobjektes 4 berechnet, das auf einem Monitor 9 wiedergegeben
wird.
-
Eine
Abtastung größerer Volumen
des Untersuchungsobjektes 4 ist möglich, indem das Meßsystem 1, 5 eine
Spiralabtastung des gewünschten
Volumens vornimmt, wie dies in 1 durch
eine Spirale 10 veranschaulicht ist. Es erfolgt dabei eine
Relativbewegung zwischen der Meßanordnung
aus Röntgenstrahler 1 und
Detektor 5 einerseits und dem Untersuchungsobjekt 4 andererseits
in Richtung der Systemachse 6, die somit zugleich die Längsachse
der Spiralabtastung darstellt.
-
An
den Rechner 8, der im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels
zugleich die Steuerung des CT-Gerätes übernimmt (es ist auch möglich, hierzu
einen separaten Rechner vorzusehen), ist eine Tastatur 12 angeschlossen,
die die Bedienung des CT-Gerätes ermöglicht.
-
Insbesondere
ist es möglich, über die
Tastatur 12 den Pitch p der Spiralabtastung einzustellen.
Bei dem Pitch p handelt es sich um den Quotienten aus dem während einer
Umdrehung des Meßsystems
auftretenden Vorschub in z-Richtung F und der Breite b einer Zeile
des Detektors in z-Richtung. Der Rechner 8 dient insbesondere
auch dazu, den Röhrenstrom,
und damit die Ausgangsleistung, der von einer Generatorschaltung 11 versorgten
Röntgenstrahlenquelle 1 einzustellen.
-
Die
Durchstrahlung unter unterschiedlichen Projektionswinkeln α geschieht
mit dem Ziel der Gewinnung von gemessenen Projektionen. Dazu durchstrahlt
die Röntgenstrahlenquelle 1 das
Untersuchungsobjekt 4 mit dem von aufeinanderfolgenden,
auf der Spirale 10 liegenden Positionen des Fokus 2 ausgehenden
Röntgenstrahlenbündel 3,
wobei jede Position des Fokus 2 einem Projektionswinkel
und einer z-Position bezüglich der
Systemachse 6 zugeordnet ist.
-
Infolge
der Spiralabtastung kann bezüglich
einer rechtwinklig zu der Systemachse 6 verlaufenden Bildebene
höchstens
eine gemessene Projektion existieren, die mit einer in dieser Bildebene
liegenden Position des Fokus 2 aufgenommen wurde. Um dennoch
ein Bild der zu der jeweiligen Bildebene gehörigen Schicht des Untersuchungsobjekts 4 berechnen
zu können,
müssen
also aus in der Nähe
der Bildebene aufgenommenen gemessenen Projektionen durch geeignete
Interpolationsverfahren in der Bildebene liegende berechnete Projektionen
gewonnen werden, wobei wie im Falle von gemessenen Projektionen
jede berechnete Projektion einem Projektionswinkel α und einer
z-Position bezüglich der
Systemachse 6 zugeordnet ist.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im folgenden, ohne daß dies
eine Beschränkung
der Allgemeingültigkeit
des ihm zugrundeliegenden Prinzips darstellt, am Beispiel eines
einen fünfzeiligen
Detektor aufweisenden CT-Gerätes
erläutert.
Die Anwendbarkeit auf andere Zeilenzahlen M ≠ 5 ist offensichtlich.
-
Im
folgenden wird die Berechnung eines Bildes für die Position zima der
Bildebene auf der Längsachse der
Spiralabtastung im Einzelnen beschrieben. Dabei steht der Index
ima für
image = Bild.
-
Für jeden
Projektionswinkel α
l berücksichtigt
man die Beiträge
aller Meßwerte
f(l, k, i, ν)
innerhalb einer gewissen, wählbaren
Maximalentfernung |z
max| von der Bildebene.
l = 1, 2......
ist
die Projektionsnummer, wobei
die
Anzahl der während
eines halben Umlaufs der Röntgenstrahlenquelle
1 aufgenommenen
Projektionen ist, k ist der Detektorkanal, i = 1, ....M ist die
Nummer der Detektorzeile und ν ist
die Num mer der Halbumdrehung der Röntgenstrahlenquelle
1,
aus der die betreffende Projektion stammt.
-
Für jedes
l werden alle verfügbaren
Meßwerte
gemäß ihrem
Abstand
von
der Bildebene bei z
ima gewichtet, und man
erhält
als resultierende berechnete Gesamtprojektion P(l, k)
g(.) ist die Gewichtungsfunktion
in z-Richtung. Die Division durch die Summe aller Gewichte ist notwendig, denn
für jeden
Projektionswinkel kann bei dieser Gewichtung eine unterschiedliche
Anzahl von Meßwerten beitragen,
deren Gesamtgewicht sich aber immer zu 1 ergeben muß.
-
In
Abhängigkeit
vom Pitch p kann nun die Breite der Gewichtungsfunktion g(.), also
die Maximalentfernung |zmax|, so eingestellt
werden, daß sich
immer das gleiche effektive Schichtempfindlichkeitsprofil ergibt, z.
B. gekennzeichnet durch die Halbwertsbreite FWHM. Die für den jeweiligen
Wert des Pitches p notwendige Gesamtbreite der Gewichtungsfunktion
kann jeweils vom Rechner 8 berechnet oder einer im Voraus
berechneten, im Rechner 8 gespeicherten Tabelle entnommen
werden.
-
Als
Beispiel sind in 5 zwei mit linearer Gewichtung
g(.) gemäß Gleichung
(1) berechnete Schichtempfindlichkeitsprofile für mit einem fünfzeiligen
Detektor durchgeführte
Spiralabtastungen gezeigt, das eine mit Pitch p = 3, das andere
mit Pitch p = 7. Beide Schichtempfindlichkeitsprofile sind im Rahmen
der Darstellungsgenauigkeit gleich. In dem Schichtempfindlichkeitsprofil
ist das von einem Objekt eines definierten Schwächungswertes verursachte Meßsignal
als dimensionslose Größe E über der
z-Richtung aufgetragen, wobei z = 0 der Lage der Bildebene in z-Richtung
entspricht
-
In 6 sind
für mit
einem fünfzeiligen
Detektor durchgeführte
Spiralabtastungen zwei mögliche
pitchunabhängige
Halbertsbreiten, nämlich
FWHM = 1.27 dcoll und FWHM = 2 dcoll, (dcoll ist
die durch die Geometrie des Detektors 5 definierte in an
sich bekannter Weise mittels geeigneter Blenden und/oder Kollimatoren
eingestellte kollimierte Schichtdicke für eine Detektorzeile), zusätzlich in
die bereits in 4 gezeigte Darstellung eingetragen.
-
Als
Folge der im Falle der Erfindung vom Pitch unabhängigen effektiven Schichtdicke
ist nun – anders als
bei einer herkömmlichen
Interpolation – bei
fester Ausgangsleistung der Röntgenstrahlenquelle 1 das
Pixelrauschen vom Pitch p abhängig.
Mit abnehmendem Pitch p nimmt auch das Pixelrauschen ab, denn es
fallen mehr Meßwerte
in den z-Bereich [zima – zmax,
zima + zmax] und
tragen durch die Gewichtung zum Bild bei. Das ist in 7 schematisch
mit einem fünfzeiligen
Detektor durchgeführte
Spiralabtastungen dargestellt. Aufgetragen ist die relative Varianz
V des Pixelrauschens als Funktion des Pitch p bei konstanter Ausgangsleistung der
Röntgenröhre (konstantem
mA-Wert). Die Varianz V ist in 7 so skaliert,
daß sich
bei einer Spiralabtastung mit einem einzeiligen Detektor mit 180LI-Interpolation
bei gleicher kollimierter Schichtdicke und gleicher Röhrenleistung
die Varianz V = 4/3 ergäbe.
-
Die
beiden Kurven sind für
FWHM = 1.27 dcoll und FWHM = 2 dcoll berechnet. Für FWHM = 1.27 dcoll nimmt
die Varianz bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens von V = 4/3
beim Pitch p = 2N = 10 bis auf V = 1/N·2/3 beim Pitch p = 1 ab.
Das entspricht der N-fachen Dosisakkumulation im Vergleich zu einer
Spiralabtastung mit einem einzeiligen Detektor mit 360LI-Interpolation. Mit
abnehmendem Pitch p kann man also bei beibehaltener Ausgangsleistung
der Röntgenstrahlenquelle 1 die
applizierte Dosis (mAs-Produkt) erhöhen, oder aber man reduziert
die Ausgangsleistung der Röntgenstrahlenquelle 1 ent sprechend 7 und
behält unabhängig vom
Pitch p die gleiche Dosis bei.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich für
CT-Geräte
mit einzeiligem oder mehrzeiligem Detektor. Da eine gewünschte effektive
Schichtdicke unabhängig
vom Pitch p eingestellt werden kann, ist die Bedienung eines erfindungsgemäßen CT-Gerätes erheblich
vereinfacht, denn der Pitch p ist kein die Auflösung in z-Richtung bestimmender
Parameter mehr. Der Arzt kann vielmehr mittels der Tastatur 12 die
gewünschte
effektive Schichtdicke deff, genauer die
gewünschte
Halbwertsbreite FWHM des Schichtempfindlichkeitsprofils, einstellen
und trotzdem den Pitch p frei wählen.
-
Darüber hinaus
kann der Arzt mittels der Tastatur 12 einen effektiven
mA-Wert, also eine effektive Ausgangsleistung der Röntgenstrahlenquelle 1,
so eingeben, wie er sie seiner Erfahrung nach bei einem CT-Gerät mit einem
einzeiligen Detektor bei der gleichen Schichtdicke wählen würde. Abhängig vom
Pitch p berechnet nun der Rechner 8 die tatsächlich einzustellende
Ausgangsleistung der Röntgenstrahlenquelle 1,
also einen tatsächlichen
mA-Wert, z. B. nach einer Kurve entsprechend 7, so daß sich unabhängig vom
Pitch p stets das gleiche Pixelrauschen wie in einem mittels des
erwähnten
CT-Gerätes mit
einem einzeiligen Detektor gewonnenen Bild ergäbe.
-
Im
Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels
handelt es sich um ein CT-Gerät
der dritten Generation. Auch CT-Geräte der vierten Generation,
die statt eines mit der Röntgenstrahlenquelle
rotierenden bogenförmigen
Detektors einen stationären
ringförmigen
Detektor aufweisen, können
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
arbeiten bzw. erfindungsgemäß aufgebaut
sein.
-
Die
vorliegende Erfindung kann bei medizinischen und nichtmedizinischen
Anwendungen zum Einsatz kommen.