DE19842238C2 - Bildrekonstruktionsverfahren - Google Patents

Bildrekonstruktionsverfahren

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DE19842238C2 DE1998142238 DE19842238A DE19842238C2 DE 19842238 C2 DE19842238 C2 DE 19842238C2 DE 1998142238 DE1998142238 DE 1998142238 DE 19842238 A DE19842238 A DE 19842238A DE 19842238 C2 DE19842238 C2 DE 19842238C2
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    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00Apparatus for radiation diagnosis, e.g. combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/02Devices for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis
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    • AHUMAN NECESSITIES
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    • A61B6/4064Apparatus for radiation diagnosis, e.g. combined with radiation therapy equipment with arrangements for generating radiation specially adapted for radiation diagnosis adapted for producing a particular type of beam
    • A61B6/4085Cone-beams

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bildrekonstruktionsver­ fahren für ein sich periodisch bewegendes Objekt mittels einer auf einem Träger (Gantry) angeordneten Detektoreinheit, wobei das Objekt mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang einer Rotationsachse relativ zum Träger verschoben wird und der Träger mit einer Drehzahl um die Rotationsachse rotiert.

Im Stand der Technik werden die Meßdatensätze eines Herzens in der Regel mit Detektoreinheiten aufgenommen, welche eine einzige Detektorzeile aufweisen, die senkrecht zur Rotati­ onsachse angeordnet ist. Während des Rotierens des Trägers und des Vorschiebens des Patienten werden von der Detektor­ zeile an einer Vielzahl von Rotationswinkeln Meßdatensätze aufgenommen. Gleichzeitig wird ein EKG-Signal mit aufgezeich­ net. Ein derartiges Bildrekonstruktionsverfahren ist aus der US 5 383 231 bekannt. Alternativ besteht gemäß der US 5 751 782 auch die Möglichkeit, EKG-gesteuert Meßdaten nur dann aufzunehmen, wenn das Herz sich in einer gewünschten Herzphase befindet.

Mit Hilfe des EKG-Signals gelingt die Zuordnung von Rotati­ onswinkeln und Herzphasen. Mit den in den Ruhephasen aufge­ nommenen Meßdatensätzen werden dann Bildrekonstruktionen vor­ genommen.

Hierbei stößt man sehr schnell an Grenzen. Nicht alle Ver­ schiebe- bzw. Schichtpositionen können aus während der Ruhephase des Herzens aufgenommenen Meßdaten rekonstruiert werden. Bei der Interpolation der Spiraldaten auf eine vorge­ gebene Verschiebe- bzw. Schichtposition ist es daher erfor­ derlich, aus Spiralumläufen zu interpolieren, die in der Ru­ hephase des Herzens gemessen wurden. Dies kann die Interpolationsbreite deutlich erhöhen und die erreichbare Schärfe folglich erheblich mindern.

Es ist zwar prinzipiell möglich, ein Bild des Objekts an al­ len Verschiebepositionen zu rekonstruieren. An den Verschie­ bepositionen, während derer sich das Herz in einer Schlag­ phase befunden hat, sind aber nur qualitativ schlechte Bilder erreichbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Bild­ rekonstruktionsverfahren anzugeben, mit denen mit einem kon­ ventionellen Computertomographen qualitativ hochwertige Bil­ der sich periodisch bewegender Objekte in zeitlich hoher Auf­ lösung rekonstruierbar sind.

Wenn die periodische Bewegung des Objekts eine Bewegungsphase und eine Ruhephase aufweist, wird die Aufgabe gelöst durch ein Bildrekonstruktionsverfahren für ein sich periodisch be­ wegendes Objekt mit einer Bewegungs- und einer Ruhephase mit­ tels einer auf einem Träger (Gantry) angeordneten Detektor­ einheit mit zumindest einer ersten und einer letzten Detek­ torzeile, wobei die erste und die letzte Detektorzeile senk­ recht zu einer Rotationsachse verlaufen und parallel zur Ro­ tationsachse um eine Detektorhöhe voneinander beabstandet sind,

  • a) wobei das Objekt mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Rotationsachse relativ zum Träger verschoben wird und der Träger mit einer Drehzahl (n) um die Rotationsachse rotiert,
  • b) wobei zumindest während der Ruhephasen an einer Vielzahl von Rotationswinkeln pro Rotationswinkel von den Detektor­ zeilen jeweils gleichzeitig je ein dem jeweiligen Rotati­ onswinkel zugeordneter Meßdatensatz aufgenommen wird,
  • c) wobei die Drehzahl (n) derart gewählt ist, daß der Träger während einer Ruhephase um einen Drehwinkel rotiert, der mindestens so groß ist wie ein zur Rekonstruktion des Ob­ jekts erforderlicher Rekonstruktionswinkelbereich,
  • d) wobei die Vorschubgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der zum Überstreichen des Rekonstruktionswinkelbereichs erforderlichen Rekonstruktionszeit derart gewählt ist, daß das Objekt während der Summe von einer Bewegungsphase und zwei Rekonstruktionszeiten maximal um die Detektorhöhe entlang der Rotationsachse verschoben wird, und
  • e) wobei aus den Meßdatensätzen Bilder rekonstruiert werden.

In diesem Fall können nämlich während der Ruhephasen Meßda­ tensätze in einem so großen kontinuierlichen Rotationswinkel­ bereich aufgenommen werden, daß mittels einer an sich bekann­ ten Interpolation zwischen den Detektorzeilen für jede inner­ halb dieser Ruhephase angenommene Schicht- bzw. Verschiebepo­ sition eine Rekonstruktion des Objekts mittels der in der Computertomographie allgemein bekannten Rückprojektionsalgo­ rithmen möglich ist. In den Bewegungsphasen erfolgt ein nicht zu großer Vorschub des Objekts, so daß die in der nachfolgen­ den Ruhephase angenommenen Verschiebepositionen sich nahtlos an die zuvor angenommenen Verschiebepositionen anschließen. Durch die Kombination der Maßnahmen

  • - mehrzeilige Detektoreinheit,
  • - Aufnahme der Meßdatensätze in den Ruhephasen und
  • - geeignete Wahl von Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl

können somit ein qualitativ hochwertige Bilder des Objekts aufgenommen und in allgemein bekannter Weise rekonstruiert werden.

Dieses Bildrekonstruktionsverfahren wird vorzugsweise einge­ setzt, wenn das Objekt das menschliche Herz ist. Zur Bestimmung der Ruhezeit des menschlichen Herzens wird dabei vor­ zugsweise ein Elektrokardiogramm des menschlichen Herzens mit auf genommen.

Wenn die periodische Bewegung des Objekts hingegen keine oder nur ein kurze Ruhephase aufweist oder Aufnahmen des Objekts während der Bewegungsphase erfolgen sollen, wird die Aufgabe gelöst durch ein Bildrekonstruktionsverfahren für ein sich periodisch bewegendes Objekt mittels einer auf einem Träger (Gantry) angeordneten Röntgenröhre und einer ebenfalls auf dem Träger angeordneten Detektoreinheit mit zumindest einer ersten und einer letzten Detektorzeile, wobei die erste und die letzte Detektorzeile senkrecht zu einer Rotationsachse verlaufen und parallel zur Rotationsachse um eine Detektor­ höhe voneinander beabstandet sind,

  • a) wobei das Objekt mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Rotationsachse relativ zum Träger verschoben wird und der Träger mit einer Drehzahl um die Rotationsachse ro­ tiert,
  • b) wobei an einer Vielzahl von Rotationswinkeln pro Rotati­ onswinkel von den Detektorzeilen jeweils gleichzeitig je ein dem jeweiligen Rotationswinkel zugeordneter Meßdaten­ satz aufgenommen wird,
  • c) wobei die Meßdatensätze zumindest während eines Phasenbe­ reichs mit einem Phasenreferenzpunkt der periodischen Be­ wegung des Objekts aufgenommen werden,
  • d) wobei die Vorschubgeschwindigkeit derart gewählt ist, daß das Objekt während des Vorschubs um die Detektorhöhe eine Anzahl von Perioden durchläuft,
  • e) wobei das Produkt aus der Anzahl von Perioden und einem während des Phasenbereichs überstrichenen Phasenwinkelbereich mindestens einem zur Rekonstruktion des Objekts er­ forderlichen Rekonstruktionswinkelbereich entspricht, und
  • f) wobei aus den Meßdatensätzen Bilder rekonstruiert werden.

Dieses Bildrekonstruktionsverfahren wird vorzugsweise einge­ setzt, wenn das Objekt das menschliche Herz ist und der Pha­ senbereich in der Schlagphase des menschlichen Herzens liegt. Zur Bestimmung des Phasenbereichs wird vorzugsweise wieder ein Elektrokardiogramm des menschlichen Herzens mit aufgenom­ men.

Wenn die Röntgenröhre mittels des Elektrokardiogramms getrig­ gert wird, so daß das Objekt nur während der Phasenbereiche durchstrahlt wird, wird der untersuchte Patient mit einer möglichst niedrigen Röntgendosis belastet.

Wenn die Drehzahl des Trägers derart gewählt wird, daß die Meßdatensätze unmittelbar aufeinanderfolgender Rotationswin­ kel entweder während des Phasenbereichs derselben oder wäh­ rend des Phasenbereichs der unmittelbar nachfolgenden Peri­ oden aufgenommen werden, ergibt sich eine besonders einfache Bildrekonstruktion. Wenn hingegen die Drehzahl des Trägers so hoch wie möglich gewählt wird, wird der untersuchte Patient mit einer niedrigeren Röntgendosis belastet.

Im Falle des zweiten Bildrekonstruktionsverfahrens können ge­ mäß einer Variante folgende weitere Merkmale vorgesehen sein:

  • a) pro Phasenbereich werden die während des Phasenbereichs aufgenommenen Meßdatensätze zu je einer Rotationswinkel­ gruppe zusammengefaßt,
  • b) zu jeder Rotationswinkelgruppe wird ein mit dem Phasenre­ ferenzpunkt korrespondierender Referenzwinkel bestimmt,
  • c) pro Rotationswinkel werden die Rotationswinkelgruppen be­ stimmt, deren Referenzwinkel maximal so groß ist wie der jeweilige Rotationswinkel, und
  • d) innerhalb der so bestimmten Rotationswinkelgruppen werden die Meßdatensätze derjenigen Rotationswinkelgruppe zur Re­ konstruktion des Objekts herangezogen, bei der die Diffe­ renz zwischen dem jeweiligen Rotationswinkel und dem je­ weiligen Referenzwinkel minimal ist.

Alternativ kann das Objekt gemäß einer weiteren Variante des zweiten Bildrekonstruktionsverfahrens aus den Meßdatensätzen auch dadurch rekonstruiert werden,

  • a) daß der Rekonstruktionswinkelbereich in eine Anzahl gleich großer Teilwinkelbereiche mit je einem Teilwinkelbe­ reichsreferenzwinkel unterteilt wird,
  • b) daß pro Phasenbereich die während des Phasenbereichs auf­ genommenen Meßdatensätze zu je einer Rotationswinkelgruppe zusammengefaßt werden,
  • c) daß zu jeder Rotationswinkelgruppe ein mit dem Phasenrefe­ renzpunkt korrespondierender Referenzwinkel bestimmt wird und
  • d) daß pro Teilwinkelbereich die Meßdatensätze derjenigen Ro­ tationswinkelgruppe zur Rekonstruktion des Objekts heran­ gezogen werden, bei der der Absolutwert der Differenz zwi­ schen dem jeweiligen Teilwinkelbereichsreferenzwinkel und dem jeweiligen Referenzwinkel minimal ist.

Wenn bei einem Wechsel von einer Rotationswinkelgruppe zu ei­ ner anderen Rotationswinkelgruppe die Meßdatensätze in einem Überlappungsbereich gewichtet überlagert werden, ist eine hö­ here Bildqualität erzielbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den übri­ gen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung:

Fig. 1 eine Skizze eines Computertomographen,

Fig. 2 eine Detektoreinheit,

Fig. 3 schematisch eine Aufnahme von Meßdatensätzen,

Fig. 4 schematisch eine weitere Aufnahme von Meßdatensätzen,

Fig. 5 schematisch ein Sortierverfahren,

Fig. 6 schematisch ein weiteres Sortierverfahren und

Fig. 7 schematisch eine Wichtungskurve.

Gemäß Fig. 1 weist ein Computertomograph eine Röntgenröhre 1 und eine Detektoreinheit 2 auf. Die Detektoreinheit 2 weist gemäß Fig. 2 eine erste Detektorzeile 3 und eine letzte De­ tektorzeile 4 auf. Zwischen der ersten und der letzten Detek­ torzeile 3, 4 können ggf. weitere Detektorzeilen 5 angeordnet sein. Insgesamt kann die Detektoreinheit 2 z. B. zwei oder drei weitere Detektorzeilen 5 aufweisen.

Die Detektorzeilen 3-5 verlaufen senkrecht zu einer Rotati­ onsachse 6, wie durch den Pfeil A angedeutet ist. Parallel zur Rotationsachse 6 sind die erste Detektorzeile 3 und die letzte Detektorzeile 4 um eine Detektorhöhe D voneinander be­ abstandet. Die Detektorhöhe D wird dabei von Zeilenmitte zu Zeilenmitte gemessen.

Die Röntgenröhre 1 und die Detektoreinheit 2 sind auf einem Träger 7 (Gantry 7) angeordnet. Der Träger 7 rotiert mit ei­ ner Drehzahl n um die Rotationsachse 6. Während des Rotierens des Trägers 7 wird gleichzeitig durch Verschieben eines nicht dargestellten Liegetisches ein zu untersuchender Patient 8 mit einer Vorschubgeschwindigkeit v entlang der Rotationsach­ se 6 verschoben. Während des Rotierens des Trägers 7 und des Verschiebens des Patienten 8 sendet die Röntgenröhre 1 Rönt­ genstrahlen aus, welche den Patienten 8 durchstrahlen. Die Röntgenstrahlen werden während der Rotation an einer Vielzahl von Rotationswinkeln α detektiert und zu je einem Meßdaten­ satz zusammengefaßt. Ein Meßdatensatz ist also die Gesamtheit der von den Detektorzeilen 3-5 an einem Rotationswinkel α gleichzeitig aufgenommenen, diesem Rotationswinkel α zugeord­ neten Meßdaten. Aus der Gesamtheit der aufgenommenen Meßda­ tensätze wird dann das Objekt rekonstruiert.

Um das durchleuchtete Objekt sinnvoll rekonstruieren zu kön­ nen, sind Meßdatensätze zu aufeinanderfolgenden Rotationswin­ keln α erforderlich, welche sich über einen Rekonstruktions­ winkelbereich β erstrecken. Der Rekonstruktionswinkelbereich β liegt in der Größenordnung von mindestens 180°.

Soweit ruhigstellbare Körperpartien des Patienten 8 tomogra­ phiert werden sollen, stellen sich für die Aufnahme der Meß­ datensätze keine nennenswerten Probleme. Kritisch hingegen ist die Aufnahme von Meßdatensätzen eines sich periodisch be­ wegenden Objektes 9. Ein Beispiel eines derartigen Objektes 9 ist das menschliche Herz 9, welches in Fig. 1 schematisch dargestellt ist.

Bekanntlich führt das menschliche Herz 9 im wesentlichen eine periodische Bewegung aus. Die periodische Bewegung besteht dabei aus einer abwechselnden Folge einer Ruhe- bzw. Er­ schlaffungsphase und einer Bewegungs- bzw. Schlagphase. Die Erschlaffungsphase hat eine Dauer zwischen üblicherweise 500 bis 800 ms, die Schlagphase eine Dauer von 200 bis 250 ms.

Die Drehzahl n des Trägers 7 liegt üblicherweise bei 45 bis 120 Umdrehungen/Minute. Durch Vergleich der Drehzahl n mit der Dauer der Erschlaffungsphase des Herzens 9 läßt sich somit leicht feststellen, daß der Träger 7 in der Erschlaf­ fungsphase des Herzens 9 um einen Drehwinkel γ rotiert, der zwischen 135° (500 ms bei 45 Umdrehungen/Minute) und 576° (800 ms bei 120 Umdrehungen/Minute) liegt.

Wenn die Drehzahl n hoch genug gewählt wird, rotiert der Trä­ ger 7 während einer Ruhephase um einen Drehwinkel γ, der grö­ ßer ist als der zur Rekonstruktion des Objektes 9 erforderli­ che Rekonstruktionswinkelbereich β. Somit ist es möglich, während der Ruhephasen des Herzens 9 vollständige Meßdaten­ sätze aufzunehmen, so daß das Herz 9 im aufgenommenen Bereich rekonstruierbar ist.

Wenn gleichzeitig die Vorschubgeschwindigkeit v derart ge­ wählt ist, daß der Patient 8 (und damit selbstverständlich auch das Herz 9 des Patienten 8) während der Summe einer Be­ wegungsphase und zweier Rekonstruktionszeiten T maximal um die Detektorhöhe D entlang der Rotationsachse 6 verschoben wird, ist es möglich, für jede beliebige Verschiebeposition z einen zusammenhängenden Rotationswinkelbereich zu finden, der in einer Ruhephase des Herzens 9 liegt. Die Rekonstruktions­ zeit T ist dabei die zum Überstreichen des Rekonstruktions­ winkelbereichs β erforderliche Zeit.

Somit ist es möglich, für beliebige Schicht- bzw. Verschiebe­ positionen z aus den von benachbarten Detektorzeilen 3-5 aufgenommenen Meßdaten einen Wert zu finden - z. B. durch li­ neare Interpolation -, der sehr gut den Werten entspricht, die mittels eines sog. Axialscans an dieser Verschiebepositi­ on z aufgenommen worden wäre. Mit der Gesamtheit der zum Bildaufbau erforderlichen Meßdaten kann dann mittels in der Computertomographie allgemein bekannter und angewendeter Rückprojektionsalgorithmen (z. B. eines Faltungs-Rückprojek­ tionsalgorithmus) ein Bild des Objekts 9 rekonstruiert wer­ den.

Schematisch ist diese Vorgehensweise in Fig. 3 dargestellt. Nach rechts ist in Fig. 3 die Zeit t, nach oben die Verschie­ beposition z aufgetragen. Ferner ist in Fig. 3 ein Elektro­ kardiogramm 10 eingezeichnet, dessen Spitzen 11 die Schlag­ phasen 12 des Herzen 9 kennzeichnen. Dazwischen liegen die Ruhephasen 13 des Herzens 9. Ferner sind in Fig. 3 schräg verlaufende Linien 14 eingezeichnet. Diese entsprechen den Verschiebepositionen z der einzelnen Detektorzeilen 3-5. Die Länge von Balken 15 entspricht der Zeit, während derer der Träger 7 um den Rekonstruktionswinkelbereich β rotiert.

Wie ersichtlich ist, läßt sich für jede Verschiebeposition z ein Paar von Linien 14 finden, welches in derselben Ruhephase 13 liegt, dort einen zusammenhängenden Drehwinkel γ über­ streicht, der mindestens so groß wie der Rekonstruktionswin­ kelbereich β ist, und in dem sich somit durch lineare Inter­ polation eine Gruppe von Meßdatensätzen aufbauen läßt, welche einem Axialscan an dieser Verschiebeposition z entspricht.

Sofern die Ruhephasen 13 des Herzen 9 lang genug sind und die Vorschubgeschwindigkeit v nicht zu groß wird, ist es sogar möglich, für jede Verschiebeposition z die Balken 15 beliebig innerhalb einer Ruhephase 13 anzuordnen. In diesem Fall ist es also sogar möglich, das menschliche Herz 9 während ver­ schiedener Bereiche seiner Ruhephasen 13, z. B. kurz nach dem Schlagen oder kurz vor dem Schlagen, darzustellen.

Wie bereits erwähnt, wird das Elektrokardiogramm 10 des menschlichen Herzens 9 mit aufgenommen, um aus ihm die Ruhe­ phasen 13 des menschlichen Herzens 9 bestimmen zu können. Ggf. kann das Elektrokardiogramm 10 auch genutzt werden, um die Röntgenröhre 1 entsprechend zu triggern, so daß sie nur während der Ruhephasen 13 des Herzens 9 Röntgenstrahlen emit­ tiert. In diesem Fall kann die Röntgenbelastung des Patienten 8 verringert werden. Darüber hinaus sollte bei diesem Meßda­ tenaufnahmeverfahren der Träger 7 mit der höchstmöglichen Drehzahl n rotieren.

Das obenstehend beschriebene Verfahren ist nicht mehr anwend­ bar, wenn das menschliche Herz 9 während eines Phasenbereichs 16 aufgenommen werden soll, der in der Schlagphase 12 liegt. Denn der Phasenbereich 16 hat eine Zeitdauer, die erheblich kleiner ist als die Rekonstruktionszeit T. Der Phasenbereich 16 kann beispielsweise eine Dauer von 50 ms haben. In dieser Zeit rotiert der Träger 7 auch bei einer Drehzahl n von 120 Umdrehungen/Minute nur um 36°, also ein Fünftel des minimalen Rekonstruktionswinkelbereichs β. Dennoch kann mit dem glei­ chen Computertomographen das Herz 9 auch in diesem Phasenbe­ reich 16 abgebildet werden. Dies geschieht wie folgt:
Ebenso wie zuvor werden an einer Vielzahl von Rotationswin­ keln α von den Detektorzeilen 3-5 jeweils gleichzeitig dem jeweiligen Rotationswinkel α zugeordnete Meßdatensätze aufge­ nommen. Die Meßdatensätze werden dabei zumindest während des Phasenbereichs 16 der periodischen Bewegung des Herzens 9 aufgenommen. Die Vorschubgeschwindigkeit v wird nunmehr aber derart gewählt, daß das Objekt 9 während des Vorschubs um die Detektorhöhe D eine Anzahl von Perioden durchläuft. Die An­ zahl von Perioden ergibt sich dabei aus der Bedingung, daß das Produkt aus der Anzahl von Perioden und einem Phasenwin­ kelbereich δ mindestens dem Rekonstruktionswinkelbereich β entsprechen muß. Der Phasenwinkelbereich δ ist dabei der von dem Träger 7 während der Dauer des Phasenbereichs 16 über­ strichene Winkel. Sicherheitshalber sollte die Anzahl von Pe­ rioden 1 1/2 bis 2 mal so groß wie die Mindestanzahl von Pe­ rioden sein.

Das Meßdatenaufnahmeverfahren ist schematisch in Fig. 4 dar­ gestellt. Gemäß Fig. 4 führt der Träger 7 eine Anzahl von Ro­ tationen aus, die typischerweise zwischen 10 und 20 liegt, bis der Patient 8 um die Detektorhöhe D verschoben ist. Wäh­ rend dieser Rotationen schlägt das menschliche Herz 9 ca. 5 bis 20 mal. Es durchläuft also 5 bis 20 Perioden.

Beispielhaft sei angenommen, daß der Phasenbereich 16 eine Dauer von 50 ms hat und der Träger 7 mit einer Drehzahl n von 120 Umdrehungen/Min rotiert. Mit diesen Annahmen überstreicht der Träger 7 während eines Phasenbereichs 16 einen Phasenwin­ kelbereich δ = 36°. Unter der weiteren Annahme, daß der Re­ konstruktionswinkelbereich β 180° beträgt, müssen also minde­ stens 5, besser 8 bis 10, Schlagphasen 12 des Herzens 9 durchlaufen werden. Unter der Annahme, daß das menschliche Herz 9 mit einem Puls von 80 Schlägen/Minute schlägt, muß der Träger 7 also mindestens 7 1/2 mal, besser 12 bis 15 mal, ei­ ne vollständige Umdrehung ausführen. Während dieser Anzahl von Umdrehungen darf der Patient 8 maximal um die Detektorhö­ he D verschoben werden.

Im Regelfall sollte der Träger 7 mit einer Drehzahl n rotie­ ren, die so hoch wie möglich gewählt ist. Unter Umständen kann es aber günstiger sein, die Drehzahl n niedriger zu wäh­ len. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Bewegung des Ob­ jekts 9 streng periodisch ist. In diesem Fall wird die Dreh­ zahl n des Trägers 7 vorzugsweise derart gewählt, daß die Meßdatensätze unmittelbar aufeinanderfolgender Rotationswin­ kel α entweder während des Phasenbereichs 16 derselben oder während des Phasenbereichs 16 der unmittelbar nachfolgenden Periode aufgenommen werden.

Unter Annahme einer (starren) Herzfrequenz von 80/Minute und einem Phasenbereich 16 mit einer Dauer von 50 ms wird daher z. B. vorzugsweise in 700 ms eine vollständige Umdrehung des Trägers 7 ausgeführt.

Die Lage des Phasenbereichs 16 kann wieder aus einem Elektro­ kardiogramm 10 bestimmt werden, das zusammen mit den Meßda­ tensätzen aufgenommen wird. Die Lage des Phasenbereichs 16 ist dabei prinzipiell beliebig. Der Phasenbereich 16 kann z. B. in der Ruhephase 13 des Herzens liegen. Von besonderer Be­ deutung aber ist, wenn der Phasenbereich 16 in der Schlagpha­ se 12 des menschlichen Herzens 9 liegt.

Wenn die Belastung des Patienten 8 mit Röntgenstrahlung be­ sonders klein gehalten werden soll, wird die Röntgenröhre 1 vorzugsweise mittels des Elektrokardiogramms 10 getriggert. Hierdurch wird erreicht, daß der Patient 8 nur während der Phasenbereiche 16 durchstrahlt wird. Wenn andererseits die Röntgenröhre 1 nicht getriggert wird, werden während aller Phasen des menschlichen Herzens 9 Meßdatensätze aufgezeich­ net. In diesem Fall können beispielsweise bei der Bildrekon­ struktion nachträglich die relevanten Phasenbereiche 16 fest­ gelegt werden.

In Fig. 5 ist eine derartige Vorgehensweise schematisch dar­ gestellt. Hier wird der Rekonstruktionswinkelbereich β aus Phasenwinkelbereichen δ zusammengesetzt, wobei die Meßdaten­ sätze unmittelbar aufeinanderfolgender Rotationswinkel α ent­ weder während des Phasenbereichs 16 derselben oder während des Phasenbereichs 16 der unmittelbar nachfolgenden Periode aufgenommen worden sind.

Falls die Drehzahl n des Trägers 7 nicht derart optimiert wird, muß der Rekonstruktionswinkelbereich β, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt, mit Phasenwinkelbereichen δ gefüllt werden, die im allgemeinen eine rein stochastische Permutati­ on sind.

Um aus den aufgenommenen Meßdatensätzen ein Bild des Objekts 9 rekonstruieren zu können, muß pro Rotationswinkel α aus den aufgenommenen Meßdatensätzen ein Meßdatensatz ausgewählt wer­ den. Hierfür stehen zwei Auswahlverfahren zur Verfügung.

Gemäß dem ersten Verfahren werden pro Phasenbereich 16 die während des Phasenbereichs 16 aufgenommenen Meßdatensätze zu je einer Rotationswinkelgruppe 17 zusammengefaßt. Zu jeder Rotationswinkelgruppe 17 wird ein Referenzwinkel ε bestimmt, der mit einem Phasenreferenzpunkt innerhalb des Phasenbe­ reichs 16 korrespondiert. Beispielsweise kann der Phasenrefe­ renzpunkt der Mitte oder dem Anfang des Phasenbereichs 16 entsprechen. Zur Auswahl des Meßdatensatzes, der dann tat­ sächlich zur Rekonstruktion des Objekts 9 herangezogen wird, werden pro Rotationswinkel α die Rotationswinkelgruppen 17 bestimmt, deren Referenzwinkel ε maximal so groß wie der je­ weilige Rotationswinkel α ist. Innerhalb der so bestimmten Rotationswinkelgruppen 17 wird dann der Meßdatensatz des Ro­ tationswinkels α derjenigen Rotationswinkelgruppe 17 herange­ zogen, bei der die Differenz zwischen dem jeweiligen Rotati­ onswinkel α und dem jeweiligen Referenzwinkel ε minimal ist.

Anhand der Differenzen zwischen dem jeweiligen Rotationswin­ kel α und dem jeweiligen Referenzwinkel ε der tatsächlich zur Rekonstruktion des Objekts 9 herangezogenen Meßdatensätze kann eine effektive Zeitauflösung ermittelt werden. Sie kann insbesondere zusammen mit dem rekonstruierten Objekt 9 ausge­ geben werden. Die effektive Zeitauflösung ist das Maximum al­ ler Differenzen zwischen dem jeweiligen Rotationswinkel α und dem jeweiligen Referenzwinkel ε der tatsächlich zur Re­ konstruktion des Objekts 9 herangezogenen Meßdatensätze.

Alternativ kann der Rekonstruktionswinkelbereich β in eine Anzahl gleichgroßer Teilwinkelbereiche ζ mit je einem Teil­ winkelbereichsreferenzwinkel ξ unterteilt werden. Der Teil­ winkelbereichsreferenzwinkel ξ kann wie der Referenzwinkel ε der Mitte oder dem Anfang des Teilwinkelbereichs ζ entspre­ chen. Pro Teilwinkelbereich ζ werden dann die Meßdatensätze derjenigen Rotationswinkelgruppe 17 zur Rekonstruktion des Objekts 9 herangezogen werden, bei der der Absolutwert der Differenz zwischen dem jeweiligen Teilwinkelbereichsreferen­ zwinkel ξ und dem jeweiligen Referenzwinkel ε minimal ist.

Bei diesem Verfahren ist die effektive Zeitauflösung, inner­ halb derer Meßdatensätze zur Rekonstruktion des Objekts 9 herangezogen werden, größer als der selektierte Phasenbe­ reich. Denn die Differenz zwischen dem jeweiligen Teilwinkel­ bereichsreferenzwinkel ξ und dem jeweiligen Referenzwinkel ε ist im allgemeinen nicht Null. Die effektive Zeitauflösung wird daher anhand der Differenzen zwischen dem jeweiligen Teilwinkelbereichsreferenzwinkel ξ und dem jeweiligen Refe­ renzwinkel ε der tatsächlich zur Rekonstruktion des Objekts 9 herangezogenen Meßdatensätze, der Größe der Teilwinkelberei­ che ζ und der Drehzahl n ermittelt. Die Drehzahl n und die Größe der Teilwinkelbereiche ζ ergeben die minimale Zeitauf­ lösung. Diese wird dann durch die Differenzen zwischen dem jeweiligen Teilwinkelbereichsreferenzwinkel ξ und dem jewei­ ligen Referenzwinkel ε der tatsächlich zur Rekonstruktion des Objekts 9 herangezogenen Meßdatensätze vergrößert.

Bei beiden Verfahren findet bei einem Wechsel von einer Rota­ tionswinkelgruppe 17 zu einer anderen Rotationswinkelgruppe 17 stets auch ein Zeitsprung statt. Der Übergang von einer Rotationswinkelgruppe 17 zur nächsten Rotationswinkelgruppe 17 kann daher unstetig sein. Dies kann bei der Rekonstruktion zu einer verminderten Bildqualität führen. Die Bildqualität kann aber erhöht werden, wenn bei einem derartigen Wechsel die Meßdatensätze in einem Überlappungsbereich gewichtet überlagert werden. Der Überlappungsbereich umfaßt zumindest die aneinander angrenzenden Rotationswinkeln α zugeordneten Meßdatensätze. Z. B. kann der letzte Meßdatensatz einer Rota­ tionswinkelgruppe 17 dahingehend modifiziert werden, daß er zu 2/3 mit seinem eigenen Wert und zu 1/3 mit dem Wert des ersten Meßdatensatzes der nachfolgenden Rotationswinkelgruppe 17 gewichtet wird. Ebenso kann dann der erste Meßdatensatz der nachfolgenden Rotationswinkelgruppe 17 zu 2/3 mit seinem eigenen Wert und zu 1/3 mit dem Wert des letzten Meßdatensat­ zes der vorhergehenden Rotationswinkelgruppe 17 gewichtet werden. Dies ist schematisch in Fig. 7 durch die gestrichel­ ten Linien angedeutet. Bereits diese geringfügige Modifikati­ on führt zu einer erheblichen Verbesserung der Qualität des rekonstruierten Bildes.

Auch durch das gewichtete Überlagern der Meßdatensätze der Rotationswinkelgruppen 17 findet eine Zeitaufweitung statt. Die Größe des Überlappungsbereichs wird daher bei der Ermittlung der effektiven Zeitauflösung berücksichtigt. Dies ermög­ licht einem geschulten Betrachter eine Einschätzung der Qua­ lität des rekonstruierten Bildes.

Mit den erfindungsgemäßen Meßdatenaufnahmeverfahren ist es insbesondere möglich, innerhalb einer Atemanhaltepause des Patienten 8 qualitativ hochwertige Meßdatensätze zu generie­ ren, mittels derer das gesamte Herz 9 darstellbar ist.

Claims (15)

1. Bildrekonstruktionsverfahren für ein sich periodisch be­ wegendes Objekt (9) mit einer Bewegungs- und einer Ruhephase (12, 13) mittels einer auf einem Träger (7) (Gantry 7) ange­ ordneten Detektoreinheit (2) mit zumindest einer ersten und einer letzten Detektorzeile (3, 4), wobei die erste und die letzte Detektorzeile (3, 4) senkrecht zu einer Rotationsachse (6) verlaufen und parallel zur Rotationsachse (6) um eine Detektorhöhe (D) voneinander beabstandet sind,
  • a) wobei das Objekt (9) mit einer Vorschubgeschwindigkeit (v) entlang der Rotationsachse (6) relativ zum Träger (7) ver­ schoben wird und der Träger (7) mit einer Drehzahl (n) um die Rotationsachse (6) rotiert,
  • b) wobei zumindest während der Ruhephasen (13) an einer Viel­ zahl von Rotationswinkeln (α) pro Rotationswinkel (α) von den Detektorzeilen (3 bis 5) jeweils gleichzeitig je ein dem jeweiligen Rotationswinkel (α) zugeordneter Meßdaten­ satz aufgenommen wird,
  • c) wobei die Drehzahl (n) derart gewählt ist, daß der Träger (7) während einer Ruhephase (13) um einen Drehwinkel (γ) rotiert, der mindestens so groß ist wie ein zur Rekon­ struktion des Objekts (9) erforderlicher Rekonstruktions­ winkelbereich (β),
  • d) wobei die Vorschubgeschwindigkeit (v) unter Berücksichti­ gung der zum Überstreichen des Rekonstruktionswinkelbe­ reichs (β) erforderlichen Rekonstruktionszeit (T) derart gewählt ist, daß das Objekt (9) während der Summe von ei­ ner Bewegungsphase (12) und zwei Rekonstruktionszeiten (T) maximal um die Detektorhöhe (D) entlang der Rotationsachse (6) verschoben wird, und
  • e) wobei aus den Meßdatensätzen Bilder rekonstruiert werden.
2. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ob­ jekt (9) das menschliche Herz (9) ist.
3. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Be­ stimmung der Ruhephase (13) ein Elektrokardiogramm (10) des menschlichen Herzens (9) mit aufgenommen wird.
4. Bildrekonstruktionsverfahren für ein sich periodisch be­ wegendes Objekt (9) mittels einer auf einem Träger (7) (Gan­ try 7) angeordneten Röntgenröhre (1) und einer ebenfalls auf dem Träger (7) angeordneten Detektoreinheit (2) mit zumindest einer ersten und einer letzten Detektorzeile (3, 4), wobei die erste und die letzte Detektorzeile (3, 4) senkrecht zu einer Rotationsachse (6) verlaufen und parallel zur Rotati­ onsachse (6) um eine Detektorhöhe (D) voneinander beabstandet sind,
  • a) wobei das Objekt (9) mit einer Vorschubgeschwindigkeit (v) entlang der Rotationsachse (6) relativ zum Träger (7) ver­ schoben wird und der Träger (7) mit einer Drehzahl (n) um die Rotationsachse (6) rotiert,
  • b) wobei an einer Vielzahl von Rotationswinkeln (α) pro Rota­ tionswinkel (α) von den Detektorzeilen (3 bis 5) jeweils gleichzeitig je ein dem jeweiligen Rotationswinkel (α) zu­ geordneter Meßdatensatz aufgenommen wird,
  • c) wobei die Meßdatensätze zumindest während eines Phasenbe­ reichs (16) mit einem Phasenreferenzpunkt der periodischen Bewegung des Objekts (9) aufgenommen werden,
  • d) wobei die Vorschubgeschwindigkeit (v) derart gewählt ist, daß das Objekt (9) während des Vorschubs um die Detektor­ höhe (D) eine Anzahl von Perioden durchläuft,
  • e) wobei das Produkt aus der Anzahl von Perioden und einem während des Phasenbereichs (16) überstrichenen Phasenwin­ kelbereich (δ) mindestens einem zur Rekonstruktion des Ob­ jekts (9) erforderlichen Rekonstruktionswinkelbereich (β) entspricht, und
  • f) wobei aus den Meßdatensätzen Bilder rekonstruiert werden.
5. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ob­ jekt (9) das menschliche Herz (9) ist und daß der Phasenbe­ reich (16) in der Schlagphase (12) des menschlichen Herzens (9) liegt.
6. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Be­ stimmung des Phasenbereichs (16) ein Elektrokardiogramm (10) des menschlichen Herzens (9) mit aufgenommen wird.
7. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenröhre (1) mittels des Elektrokardiogramms (10) getrig­ gert wird, so daß das Objekt (9) nur während der Phasenberei­ che (16) durchstrahlt wird.
8. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (n) des Trägers (7) derart gewählt wird, daß die Meßdatensätze unmittelbar aufeinanderfolgender Rotationswin­ kel (α) entweder während des Phasenbereichs (16) derselben oder während des Phasenbereichs (16) der unmittelbar nachfol­ genden Periode aufgenommen werden.
9. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (n) des Trägers (7) so hoch wie möglich gewählt wird.
10. Bildrekonstruktionsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet
  • a) daß pro Phasenbereich (16) die während des Phasenbereichs (16) aufgenommenen Meßdatensätze zu je einer Rotations­ winkelgruppe (17) zusammengefaßt werden,
  • b) daß zu jeder Rotationswinkelgruppe (17) ein mit dem Pha­ senreferenzpunkt korrespondierender Referenzwinkel (ε) be­ stimmt wird,
  • c) daß pro Rotationswinkel (α) die Rotationswinkelgruppen (17) bestimmt werden, deren Referenzwinkel (ε) maximal so groß ist wie der jeweilige Rotationswinkel (α), und
  • d) daß innerhalb der so bestimmten Rotationswinkelgruppen (17) die Meßdatensätze derjenigen Rotationswinkelgruppe (17) zur Rekonstruktion des Objekts (9) herangezogen wer­ den, bei der die Differenz zwischen dem jeweiligen Rota­ tionswinkel (α) und dem jeweiligen Referenzwinkel (ε) minimal ist.
11. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß anhand der Differenzen zwischen dem jeweiligen Rotationswinkel (α) und dem jeweiligen Referenzwinkel (ε) der tatsächlich zur Re­ konstruktion des Objekts (9) herangezogenen Meßdatensätze eine effektive Zeitauflösung ermittelt und zusammen mit dem rekonstruierten Objekt (9) ausgegeben wird.
12. Bildrekonstruktionsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß der Rekonstruktionswinkelbereich (β) in eine Anzahl gleich großer Teilwinkelbereiche (ζ) mit je einem Teilwin­ kelbereichsreferenzwinkel (ξ) unterteilt wird,
  • b) daß pro Phasenbereich (16) die während des Phasenbereichs (16) aufgenommenen Meßdatensätze zu je einer Rotationswin­ kelgruppe (17) zusammengefaßt werden,
  • c) daß zu jeder Rotationswinkelgruppe (17) ein mit dem Pha­ senreferenzpunkt korrespondierender Referenzwinkel (ε) be­ stimmt wird, und
  • d) daß pro Teilwinkelbereich (ζ) die Meßdatensätze derjenigen Rotationswinkelgruppe (17) zur Rekonstruktion des Objekts (9) herangezogen werden, bei der der Absolutwert der Dif­ ferenz zwischen dem jeweiligen Teilwinkelbereichsreferenz­ winkel (ξ) und dem jeweiligen Referenzwinkel (ε) minimal ist.
13. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß anhand der Differenzen zwischen dem jeweiligen Teilwinkelbereichs­ referenzwinkel (ξ) und dem jeweiligen Referenzwinkel (ε) der tatsächlich zur Rekonstruktion des Objekts (9) herangezogenen Meßdatensätze, der Größe der Teilwinkelbereiche (ζ) und der Drehzahl (n) eine effektive Zeitauflösung ermittelt und zu­ sammen mit dem rekonstruierten Objekt (9) ausgegeben wird.
14. Bildrekonstruktionsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wechsel von einer Rotationswinkelgruppe (17) zu einer anderen Rotationswinkelgruppe (17) die Meßdatensätze in einem Überlappungsbereich gewichtet überlagert werden.
15. Bildrekonstruktionsverfahren nach Anspruch 14 und einem der Ansprüche 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Überlappungsbereichs bei der Ermittlung der effektiven Zeitauflösung berücksich­ tigt wird.
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