DE19852324C2 - Phantom zur Messung von Schichtempfindlichtkeitsprofilen und der axialen Modulationstransferfunktion (MTF) an einem Röntgencomputertomographen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Phantom zur Messung von Schichtempfindlichkeitsprofilen und der axialen Modu­ lationstransferfunktion (MTF) an einem Röntgencomputertomo­ graphen.

In der Röntgencomputertomographie (CT) wird das Meßfeld in axialer Richtung durch starke Einblendung des Nutzstrahlen­ bündels begrenzt und damit eine Schicht mit einer zugeordne­ ten Dicke, der sogenannten Schichtdicke festgelegt. Diese Meßfeldeinblendung wird aus zahlreichen Gründen durch geeig­ nete Meßmittel experimentell bestimmt bzw. überprüft. Die bisher verwendeten Meßmittel erlauben die Messung des Schichtempfindlichkeitsprofils in einer Spiral-CT Aufnahme und eine exakte Erfassung von sehr dünnen Schichten (1 mm und kleiner) in einer Einzelschichtaufnahme nur unzureichend oder überhaupt nicht. Deshalb wird ein neues Meßmittel (SSP- Phantom) vorgeschlagen, welches mit hoher Präzision die ge­ wünschten Meßergebnisse liefert.

Die Schichtprofile in der CT werden standardmäßig mit soge­ nannten Rampenphantomen gemessen (z. B. DIN 6868, Teil 53). Dabei handelt es sich um schräg in der Untersuchungsschicht liegende, dünne, stark schwächende Objekte; meist Metall­ drähte oder -streifen. Diese eignen sich hinreichend gut für Einzelschichtaufnahmen mit Standardschichtdicken von 2 mm und mehr. Für dünnere Schichten ergeben sich relativ große syste­ matische Fehler durch die endliche Dicke der Metalle. Für die Volumenaufnahme mit Spiral-CT eignen sich diese Prüfkörper gar nicht, da sie starke Bildfehler erzeugen (siehe Ch. Süß, W. A. Kalender: "Performance Evaluation and Quality Control in Spiral CT", in Medical CT and Ultrasound: Current Technology and Applications, S. 467-485, American Assosiation of Phy­ sicists in Medicine/Advanced Medical Publishing, 1995).

Seit mehreren Jahren wird versucht, ein geeignetes Meßphantom zu finden. So wurde 1994 bei W. A. Kalender et al.: "A Compa­ rison of Conventional and Spiral CT: An Experimental Study on the Detection of Spherical Lesions", in Journal of Computer Assisted Tomography, 18(2): 167-176, March/April, 1994, Raven Press Ltd., New York, die Messung der axialen Bildfunktion (MTF), d. h. des Schichtprofils, mit winzigen Bleikügelchen beschrieben.

1995 verwendeten Davros et al.: "Determination of Spiral CT Slice Sensitivity Profiles Using a Point Response Phantom", in Journal of Computer Assisted Tomography, 19(5): 838-843, Sept./Oct., 1995, Lippincott-Raven Publishers, Philadelphia, kleine Kupfer- bzw. Stahlkügelchen. Ein derartiges Phantom wird mittlerweile von der Fa. 'Nuclear Associates, USA' ange­ boten.

Ein ähnliches Phantom wurde 1992 im US-Patent 5,164,978 zur Messung der MTF in der Bildebene beschrieben; es könnte je­ doch auch zur Messung der axialen MTF verwendet werden.

Diese Kügelchenphantome eignen sich im Prinzip sehr gut zur Messung, haben jedoch den Nachteil, daß der Objektkontrast sehr gering ist: Die Ausdehnung darf maximal 1/10 der Schichtdicke betragen, so daß der Kontrast bereits durch den Teilvolumeneffekt auf unter 10% sinkt. Durch die MTF in der Bildebene sinkt der Kontrast nochmals auf ca. 1%, d. h. insge­ samt auf ca. 0,1% des ursprünglichen Wertes und beeinträch­ tigt damit die Meßgenauigkeit des Verfahrens. Abhängig von der Schichtdicke werden daher verschiedene Kugeldurchmesser verwendet. Darüber hinaus ist die Herstellung winziger Kugeln (100 bis 500 µm) technisch nicht einfach zu realisieren. Das Prüfphantom von 'Nuclear Associates' z. B. enthält ein Stück Kupferdraht, welches die Kugelform nur unzureichend nachbil­ det und daher starke Meßfehler erzeugt.

In der DIN 6866, Teil 10, wird ein Phantom bestehend aus ei­ nem Kunststoffkörper mit flachem Hohlraum vorgeschlagen. Der Kontrast von Luft gegen Kunststoff ist allerdings relativ ge­ ring. Deshalb muß der Hohlraum einen großen Durchmesser be­ sitzen, was wiederum die exakte Positionierung parallel zur Bildebene erschwert. Ähnliche Probleme ergeben sich bei der von W. A. Kalender u. A. Polacin: "Physical performance cha­ racteristics of spiral CT scanning", in Med. Phys. 18(5): 910-915, Sep/Oct 1991, am. Assoc. Phys. Med., 1995, beschriebenen Methode, bei der eine Aluminiumfolie mit 16 cm Durchmesser zwischen zwei Kunststoffscheiben gleichen Durchmessers gelegt wird.

Aus dem bereits erwähnten US-Patent 5,164,978 sowie aus dem US-Patent 4,972,451 ist es im Zusammenhang mit der Messung von Schichtempfindlichkeitsprofilen und axialen Modulations­ transferfunktionen bei Computertomographen bekannt, daß die Ausdehnung der in Phantomen für diese Kalibrierung eingesetz­ ten Strukturen kleiner sein soll als die kleinste bzw. dünn­ ste zu messende Struktur, wobei aus dem US-Patent 5,164,978 in diesem Zusammenhang außerdem die Verwendung von Röntgen­ strahlung stark schwächendem Material bekannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Phantom der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein ausreichender Objektkontrast vorliegt und die Abmessung in der Schichtebene dennoch gering ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Phan­ tom zur Messung von Schichtdicken, Schichtempfindlichkeits­ profilen und der axialen Modulationstransferfunktion an einem Röntgencomputertomographen, welches eine Folie eines Röntgen­ strahlung stark schwächenden Materials enthält, die bei Ver­ wendung des Phantoms parallel zu der Bildebene des Röntgen­ computertomographen angeordnet ist, deren axiale Ausdehnung klein gegen die dünnste zu messende Schicht ist, und deren Ausdehnung in Richtung der Bildebene des Röntgencomputerto­ mographen in der Größenordnung weniger Millimeter liegt. Durch die Verwendung einer Folie eines Röntgenstrahlung stark schwächenden Materials, besonders geeignet sind Materialien, deren Kernladungszahl wenigstens 13 beträgt, wird im Ver­ gleich zu Kügelchen aus Aluminium, Eisen oder Kupfer bzw. im Vergleich zu einem Luftspalt ein wesentlich höherer Objekt­ kontrast erreicht, obwohl die Folie sehr dünn sein kann. Für übliche Röntgencomputertomographen ist die Dicke der Folie dann klein gegen die axiale Ausdehnung der dünnsten zu mes­ senden Schicht, wenn die Dicke der Folie zwischen 10 und 100 µm beträgt. Da die Ausdehnung der Folie in Richtung der Bildebene des Röntgencomputertomographen in der Größenordnung weniger Millimeter liegt, ist die Ausrichtung der Folie parallel zur Bildebene leicht zu bewerkstelligen. Zum anderen wird durch die Ausdehnung der Folie in Richtung der Bildebene des Röntgencomputertomographen erreicht, daß eine Absenkung des Objektkontrastes durch die MTF des Röntgencomputertomo­ graphen verhindert ist.

Folien bieten übrigens im Vergleich zu Kügelchen den Vorteil, daß sie technisch leicht herzustellen und zu bearbeiten sind.

Im Interesse einer leichten Handhabung des Phantoms sieht eine Variante der Erfindung vor, daß die Folie in einem homo­ genen Material, in Frage kommen vor allem homogene Kunst­ stoffe aber auch ein Wasserbehälter, aufgenommen ist.

Es wird also deutlich, daß das erfindungsgemäße Phantom die Vorteile von Metallkügelchen, nämlich geringe Ausdehnung senkrecht zur Bildebene des Röntgencomputertomographen und hohe Röntgenstrahlungsschwächung, mit den Vorteilen eines Luftspaltes, nämlich leichte Herstellung und geringe Minde­ rung des Objektkontrastes durch die MTF des Röntgencomputer­ tomographen, miteinander kombiniert. Die Erfindung erlaubt es, alle in der Röntgencomputertomographie derzeit üblichen Schichtdicken mittels eines einzigen Phantoms zu vermessen, da der erzielbare Objektkontrast nicht nur für Schichtdicken im Submillimeterbereich, sondern auch für dickere Schichten ausreicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 erfindungsgemäße Phantome in perspektivischer Ansicht, und

Fig. 3 und 4 Meßergebnisse, wie sie mit dem Phantom gemäß Fig. 1 erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Phantom gemäß Fig. 1 weist eine Folie 1 aus Röntgenstrahlung stark schwächendem Material, d. h. einem Material mit einer Kernladungszahl von wenigstens 13 auf, die z. B. aus Blei, Tantal oder wie im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels aus Gold besteht. Die Folie 1 weist eine Dicke zwischen 10 und 100 µm, im Falle des beschriebenen Aus­ führungsbeispiels 50 µm, auf. Zur Vermeidung von Artefakten bei Spiralcomputertomographen weist die Folie 1 einen kreis­ förmigen Umriß auf, wobei der Durchmesser der Folie 1 in der Größenordnung weniger Millimeter, beispielsweise 1 bis 5 mm, liegt und im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels 2 mm beträgt. Die Folie ist in einen zylindrischen, stabför­ migen Körper 2 aus einem homogenen Kunststoff, im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels Polyurethan, derart ein­ gebettet, daß die Folie 1 im Betrieb des Phantoms in der in Fig. 1 als punktierte Fläche angedeuteten Bildebene BE liegt, die ihrerseits senkrecht zu der mit z bezeichneten System- und Drehachse des Röntgencomputertomographen steht.

Der Durchmesser der Körpers 2 beträgt zur Reduzierung des Bildrauschens nur wenige cm, die Länge kann je nach Anforde­ rung beispielsweise bis zu 10 cm betragen.

In Fig. 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Phantom darge­ stellt, das zur Verwendung in Röntgencomputertomographen mit mehrzeiligen Detektoren vorgesehen ist und deshalb mehrere in Richtung der z-Achse aufeinanderfolgend angeordnete Folien 1 ₁ bis 1 ₄ aufweist. Im übrigen entspricht das in Fig. 2 darge­ stellte Phantom dem Phantom gemäß Fig. 1.

Die Fig. 3 und 4 zeigen mit dem Phantom gemäß Fig. 1 im Spi­ ralbetrieb mittels eines Röntgencomputertomographen des Typs SOMATOM PLUS 4 der Fa. Siemens gemessene Schichtempfindlich­ keitsprofile, in denen jeweils Röntgenstrahlenschwächungsbei­ wert in Hounsfieldeinheiten über der Tischposition in mm auf­ getragen ist. Dabei unterscheiden sich die mit "slim" und "wide" bezeichneten Schichtempfindlichkeitsprofile jeweils durch den bei ihrer Ermittlung angewandten Schichtinterpola­ tionsalgorithmus. Während bei "wide" eine lineare Interpola­ tion über 360° vorgenommen wird, erfolgt bei "slim" eine li­ neare Interpolation über lediglich 180°.

Bei der Messung gemäß Fig. 3 betrug die Schichtdicke 1 mm, der Tischvorschub pro volle Umdrehung des Tischvorschubs 1 mm und der sogenannte Pitch somit 1. Die entsprechenden Werte für die Messung gemäß Fig. 4 sind Schichtdicke 10 mm, Tisch­ vorschub 10 mm und Pitch 1.

Das Phantom gemäß Fig. 1 erfüllt selbst für die geringsten, in der Röntgencomputertomographie bekannten Schichtdicken von 0,5 mm die Forderung einer im Vergleich zur Schichtdicke ge­ ringen axialen Ausdehnung in z-Richtung, nämlich maximal 1/10 der Schichtdicke, und ergibt selbst bei einer Schichtdicke von 10 mm noch ein Signal von 200 bis 300 Hounsfieldeinhei­ ten. Dieses Signal liegt damit um einen Faktor von ca. 100 über den üblichen Rauschwerten und ist somit mehr als ausrei­ chend für eine zuverlässige Messung des Schichtprofils. Der geringe Durchmesser der Folie erlaubt eine einfache Positio­ nierung des Phantoms derart, daß sich die Folie parallel zur Bildebene BE erstreckt.

Claims (9)

1. Phantom zur Messung von Schichtempfindlich­ keitsprofilen und der axialen Modulationstransferfunktion (MTF) an einem Röntgencomputertomographen, welches eine Folie (1; 1 ₁ bis 1 ₄) eines Röntgenstrahlung stark schwächenden Ma­ terials enthält, die bei Verwendung des Phantoms parallel zu der Bildebene (BE) des Röntgencomputertomographen angeordnet ist, deren axiale Ausdehnung klein gegen die dünnste zu messende Schicht ist und deren Aus­ dehnung in Richtung der Bildebene (BE) in der Größenordnung we­ niger Millimeter liegt.

2. Phantom nach Anspruch 1, bei dem das Röntgenstrahlung stark schwächende Material eine Kernladungszahl von wenig­ stens 13 aufweist.

3. Phantom nach Anspruch 2, bei dem das Röntgenstrahlung stark schwächende Material ein Material der Gruppe Blei, Tantal, Gold ist.

4. Phantom nach Anspruch 2, bei dem das Röntgenstrahlung stark schwächende Material wenigstens ein Material der Gruppe Blei, Tantal, Gold enthält.

5. Phantom nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Fo­ lie (1; 1 ₁ bis 1 ₄) senkrecht zu der Bildebene (BE) des Röntgencomputertomographen betrachtet einen im we­ sentlichen kreisförmigen Umriß aufweist.

6. Phantom nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Fo­ lie in einem homogenen Material aufgenommen ist.

7. Phantom nach Anspruch 6, bei dem als homogenes Material Wasser vorgesehen ist.

8. Phantom nach Anspruch 6, bei dem als homogenes Material ein polymerer Werkstoff vorgesehen ist.

9. Phantom nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem mehrere Folien (1 ₁ bis 1 ₄) in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.