DE3725373A1 - Unterlagekoerper fuer computer-tomographie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Strahlungseinrichtungen und ins­ besondere auf Einrichtungen zur Verwendung mit ionisierender Strahlung, die ein kalibriertes Referenzbild liefern kann, mit dem Elemente eines detektierten Bildes verglichen werden können.

Bekanntlich verwenden Computer-gestützte Tomographie-Techniken (CAT) eine Quelle ionisierender Strahlung, die an einer Stelle in bezug auf einen Körper angeordnet ist, und einen oder mehrere Detektoren, die auf der gegenüberliegenden Seite des Körpers angeordnet sind. Die Quelle und die Detektoren werden zusammen in einem Abtastbogen um den Körper bewegt, wobei die Ausgangs­ signale der Detektoren als ein Maß der Schwächung bzw. Dämpfung des Körpers an mehreren Stellen auf dem Bogen gespeichert wer­ den. Üblicherweise umschließt der Bogen einen Kreis von 360° um den Körper herum, und die Schwächungsmessungen werden beispiels­ weise in Intervallen von einem Grad durchgeführt.

Eine derartige Abtast- bzw. Scan-Technik erzeugt eine Matrix von Schwächungswerten für die verschiedenen Winkel, die üblicherwei­ se durch einen Computer verarbeitet werden, um rekonstruierte Bilder mit Bilddichten zu erzielen, die in Beziehung zu der Schwächung des Gewebes in wenigstens einer Scheibe quer durch den Körper in Beziehung stehen.

Einige Applikationen von Computer-Tomographie erfordern mehr quantitative Ergebnisse als die vorstehend erläuterten Abbil­ dungs-Applikationen. Beispielsweise beschreibt die US-PS 41 24 799 einen elastischen Gürtel, der Testkörper enthält und innerhalb des Sichtfeldes der Abtasteinrichtung um einen Pa­ tienten geschnallt ist. Die Testkörper enthalten kalibrierte bzw. geeichte Konzentrationen von Materialien, deren Gegenwart in dem entstehenden rekonstruierten Bild einen Satz bekannter Referenzwerte liefert für einen Vergleich mit den Bildern von nahegelegenem Gewebe, um eine Strahlungsdosis für eine spätere Strahlungsbehandlung zu errechnen.

Die Technik, einen elastischen Gürtel um den Körper eines Pa­ tienten zu schnallen, ist in keiner Weise zufriedenstellend für die quantitative Computer-Tomographie einer menschlichen Wirbel­ säule. Eine signifikante Applikation derartiger Techniken ist die Ermittlung des chemischen Gehalts des schwammigen oder spröden Knochens, auch der trabeculare Knochen genannt, in der menschlichen Wirbelsäule. Von besonderem Interesse ist die Men­ ge an calziumhaltigen Verbindungen in den Knochen. Eine quanti­ tative Messung von Calzium in dem spröden Knochen gestattet eine Diagnose und Behandlung von gewissen Knochen-degenerativen Leiden.

Ein Unterlagekörper (Referenzphantom), der graduierte Konzentra­ tionen von Knochen-Referenzmaterialien für eine quantitative Wirbelsäulenabbildung enthält, ist in der US-PS 42 33 507 be­ schrieben. Andere Referenzphantome sind in den Aufsätzen "Comparison of Vertebral and Peripheral Mineral Losses in Disuse Osteoporosis in Monkeys", Cann CE, Genant HK, Qoung DR, RADIOLOGY, 134:525-529, Februar 1980, (vorgelegt als Tätigkeits­ bericht an der Radiological Society of North America meeting im November 1978); und "Integral Approach to Vertebral Bone Mineral Analysis by X-Ray CT", Kalendar WA, Suess C, Kotz E, vorgelegt als Tätigkeitsbericht und wissenschaftliche Ausstellung beim Radiological Society of North America meeting im November 1985. Die vorgenannten Referenzphantome enthalten starre Platten, die entweder in den Auflagetisch eingebettet oder parallel dazu angeordnet sind und das Referenzmaterial enthalten. Gemäß den vorgenannten Druckschriften ist das Referenzmaterial in ein ebenes oder quer gekrümmtes Tischoberteil inkorporiert oder daraufgelegt.

Die Krümmung der menschlichen Wirbelsäule erzeugt einen Luft­ spalt zwischen dem Referenzphantom und dem Rücken des Patienten. Der Luftspalt erzeugt Streifen-Artefakte, die die Referenzwerte beeinflussen können und somit zu möglichen Fehlern bei der Quan­ tifizierung der Ergebnisse der Messungen führen. In der vorge­ nannten US-PS 42 33 507 wird vorgeschlagen, die Größe des Spal­ tes zu verkleinern, indem die Knie des Patienten angehoben werden, um den Winkel des Beckens zu verkleinern. Aber selbst wenn dies getan wird, verbleibt eine wesentliche Krümmung und ein daraus resultierender Luftspalt.

Die vorgenannten Aufsätze schlagen vor, daß eine verbesserte Genauigkeit bei der Ermittlung von im Knochen enthaltenen Mine­ ralwerten erreicht werden kann, indem das Referenzphantom mit dem Patienten gekoppelt wird, wobei beispielsweise ein Zwischen­ material verwendet wird, das den Luftspalt im wesentlichen aus­ füllt und ein Ansprechverhalten aufweist, das demjenigen von Wasser angenähert ist. Ein Material, das für diesen Zweck zu­ friedenstellend scheint, ist eine große Pille (Bolus) oder ein flexibler Behälter, der mit Wasser gefüllt und zwischen dem Referenzphantom und dem Rücken des Patienten angeordnet ist. Der Zusatz einer Pille mit einem Wasser-äquivalenten Material ist unerwünscht, da es den Anteil des Röntgenstrahlenbündels, der hindurchtritt, um einen Faktor von etwa 3 dämpft und den sta­ tistischen Fehler bei den Messungen aufgrund von erhöhtem Pho­ tonenrauschen vergrößert. Neben einem wassergefüllten flexib­ len Beutel sind andere Kopplungsmaterialien, wie beispielsweise Gele und Pulver, mit Eigenschaften, die denjenigen von Wasser entsprechen, verwendet worden. Diese anderen Kopplungsmateria­ lien, die Wasser-äquivalente Eigenschaften haben, teilen die unerwünschten Ergebnisse von Wasser selbst. Dieser Aufsatz schlägt auch vor, daß Randeffekte, die durch außerhalb des Brennpunktes auftretende Strahlung hervorgerufen werden, mini­ miert werden können, indem die Proben- bzw. Sample-Materialien in dem Referenzphantom in einem Wasser nahezu äquivalenten Material, wie beispielsweise einem Acryl, eingeschlossen wer­ den.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vergleichseinrichtung (Referenz­ phantom) für quantitative Computer-Tomographie zu schaffen, die die Nachtei­ le des Standes der Technik vermeidet. Ferner soll ein Referenz­ phantom geschaffen werden mit Mitteln zum engen Koppeln des Rückgratbereiches eines Menschen, ohne daß ein störendes Kopp­ lungsmaterial erforderlich ist. Es soll auch ein Referenzphan­ tom mit Mitteln geschaffen werden, um das Referenzphantom mit dem Rückgratbereich des Menschen in Übereinstimmung zu bringen. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Referenzphantom mit Referenzmaterialien zu schaffen, die in einer flexiblen Anord­ nung eingeschlossen sind, die die Übereinstimmung mit dem Rück­ gratbereich eines Menschen herbeiführt. Schließlich soll eine Referenzphantonanordnung geschaffen werden, in der ein flexib­ les Referenzphantom mit einem elastischen Material zusammenge­ packt ist. Das elastische Material hat eine Elastizität in Re­ lation zu der Flexibilität des Referenzphantoms, wodurch das Referenzphantom mit dem Rücken eines Menschen unter dessen Ge­ wicht übereinstimmt.

Erfindungsgemäß wird, kurz gesagt, ein Referenzphantom-System für quantitative Computer-Tomographie geschaffen, die eine flexible Vergleichseinrichtung mit Mitteln verwendet, um das flexible Referenzphantom in Kontakt bzw. Berührung mit der gekrümmten Oberfläche des Beckenbereiches eines menschlichen Patienten zu drücken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Referenz­ phantom vorgekrümmt in einem Bogen, der größer als erforderlich ist. Der Druck von dem Gewicht eines Patienten, der auf dem Referenzphantom liegt, hat die Wirkung, daß die Krümmung genü­ gend gerade gerichtet bzw. gestreckt wird, um einen wesentlichen Kontakt entlang dem Beckenbereich zu erreichen. Die Krümmung des Referenzphantoms kann zusätzlich verändert sein durch einen elastischen Streifen zwischen dem elastischen Phantom und einem Tisch, um es mit dem Beckenbereich in Berührung zu bringen. In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein flexibles Referenzphantom in einer Nut in dem Oberteil eines elastischen Kissens angeordnet. Die Flexibilität des Referenz­ phantoms und die Steifigkeit des elastischen Kissens sind an­ einander angepaßt, so daß das Referenzphantom verformt wird, wenn es mit dem Beckenbereich eines Patienten in Berührung ge­ drückt wird, wodurch ein im wesentlichen kontinuierlicher Kon­ takt mit dem Referenzphantom entlang im wesentlichen der gesam­ ten zusammenhängenden Länge des Beckenbereiches erhalten wird. Das elastische Kissen und das Referenzphantom können in einem flexiblen Behälter eingeschlossen sein. Es kann aber auch ein teilweise gekrümmtes Referenzphantom in einer Nut in einem ela­ stischen Kissen verwendet werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Referenz­ phantom für quantitative Computer-Tomographie geschaffen, das aufweist: einen flexiblen Stab oder Streifen, der mehrere Refe­ renzmaterialien enthält, ein elastisches Kissen mit einer Ab­ messung, die im wesentlichen die gleiche Größe hat wie ein zu­ sammenhängender Bereich eines Patienten, eine Nut in einer obe­ ren Fläche des elastischen Kissens, wobei der flexible Stab oder Streifen in der Nut angeordnet ist und die Flexibilität des Stabs oder Streifens und die Steifigkeit des elastischen Kissens gemeinsam die Wirkung haben, daß eine Oberfläche des Referenz­ phantoms in einen Kontakt oder eine Berührung entlang im wesent­ lichen den ganzen zusammenhängenden Bereich gedrückt wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht von einem Patienten und einem bekannten Referenzphantom.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht von einem Patienten und einem weiteren bekannten Referenzphantom.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht von einem Patienten und einem Referenzphantom gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 ist ein Längsschnitt von einem Patienten und einem Referenzphantom gemäß einem weiteren Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht von einem Patienten und einem Referenzphantom gemäß einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 7 ist ein Längsschnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 6.

Fig. 8 ist ein vergrößerter Querschnitt des Referenzphantom- Systems gemäß den Fig. 6 und 7.

In Fig. 1 ist ein bekanntes Referenzphantom 10 gezeigt. Ein Mantelmaterial 12 enthält mehrere Referenzkörper 14 mit Röntgen­ strahlen-Schwächungseigenschaften, die den interessierenden entsprechen. Ein Tisch 16 unterstützt das Referenzphantom 10 und auch das Gewicht eines daraufliegenden Patienten 18, wobei die Wirbelsäule 20 des Patienten auf dem Referenzphantom 10 zentriert ist.

Anhand von Fig. 2 wird deutlich, daß eine normale Krümmung der Wirbelsäule 20, insbesondere in dem Beckenbereich, einen wesent­ lichen Luftspalt 22 zwischen dem Referenzphantom 10 und dem Pa­ tienten 18 erzeugt. Eine flexible, große Pille (Bolus) 24 aus einem Material mit Röntgenstrahlen-Schwächungseigenschaften, die denjenigen von Wasser bei allen interessierenden Röntgen­ strahlen-Energien entsprechen, ist zwischen dem Patienten 18 und dem Referenzphantom 10 angeordnet, wodurch der Luftspalt 22 im wesentlichen ausgefüllt ist. Die flexible Pille 24 kann ein Behälter aus Gummi oder flexiblem Kunststoff sein, der mit Wasser, einem Gel oder einem pulverförmigen Material gefüllt ist, das äquivalente Röntgenstrahlen-Schwächungseigenschaften aufweist. Wie einleitend bereits ausgeführt wurde, werden da­ durch zwar einige Probleme gelöst, aber die Gegenwart der fle­ xiblen Pille 24 schwächt die hindurchtretenden Röntgenstrahlen und verschlechtert die Fähigkeit, Materialkonzentrationen in einer Wirbelsäule 20 zu unterscheiden. Beispielsweise wird die Röntgenstrahlung in dem interessierenden Energiebereich etwa 50% gedämpft, wenn sie durch ein Wasser äquivalentes Material mit einer Dicke von 2,5 cm hindurchtritt. Üblicherweise treten Wirbelsäulenkrümmungen auf, die Dicken von 3,75 bis 5 cm für die flexible Pille 24 zu Kopplungszwecken erfordern.

In Fig. 3 ruht ein Referenzphantom 10, das Referenzkörper 14 und 14′ enthält, auf dem Tisch 16. Elastische Schaumstreifen 26 und 26′ entlang gegenüberliegenden Rändern des Referenzphan­ toms 10 haltern Abschnitte der flexiblen Pille 24, die über das Referenzphantom 10 überhängen, und unterstützen die Lagerung des Patienten 18. Dieses bekannte Ausführungsbeispiel leidet unter dem gleichen Erfordernis für eine Kopplung unter Verwen­ dung von einer Wasser-äquivalenten, flexiblen Pille 24, um den Luftspalt 22 auszufüllen.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das in einen Kontakt bzw. eine Berührung mit dem Patienten 18 verklemmt ist, wobei mehrere elastische Schaumpolster 26 ver­ wendet werden. Die Elastizität der Vergleichseinrichtung 28 gestattet, daß sie in eine Form bringbar ist, die mit der Form des Becken­ bereiches 30 zusammenpaßt. Der resultierende Kontakt eliminiert im wesentlichen den Luftspalt 22, der bei den bekannten Ein­ richtungen auftritt (siehe Fig. 3). Somit wird eine direkte Kopplung zwischen dem flexiblen Phantom 28 und im wesentlichen der gesamten Länge des Beckenbereiches 30 des Patienten 18 erreicht, ohne daß die unerwünschten Wirkungen von Wasser- äquivalentem Pillenmaterial auftreten.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 5 hat ein flexibles Referenzphantom 28 eine unbelastete Form, die einen Bogen mit einer Höhe bildet, die wesentlich größer als eine Höhe ist, die erforderlich ist, um einen Kon­ takt bzw. eine Berührung entlang im wesentlichen der gesamten Länge des Beckenbereiches 30 des Patienten 18 zu erreichen. Das Gewicht des Patienten 18, der auf dem flexiblen Referenz­ phantom 28 angeordnet ist, neigt dazu, das flexible Referenz­ phantom zusammenzudrücken und zu strecken, bis es auf im we­ sentlichen seiner gesamten Länge mit dem Beckenbereich 30 in Berührung liegt. Ein elastisches Kissen 32, beispielsweise aus einem offenzelligen Polyurethanschaum, kann zwischen dem Tisch 16 und dem flexiblen Referenzphantom 28 dazu verwendet werden, die Übereinstimmung des flexiblen Referenzphantoms 28 mit dem Beckenbereich 30 zu unterstützen. Eine Querschnitts­ ansicht des flexiblen Referenzphantoms 28 (nicht gezeigt) ist ähnlich dem Referenzphantom 10 in Fig. 3.

Die Elastizität und die im unbeanspruchten Zustand gekrümmte Form des flexiblen Referenzphantoms 28 gestatten dessen Verwendung, ohne daß eine flexible Pille (Bolus) 24 erforderlich ist und die damit verbundenen unerwünschten Wirkungen auftreten.

Gemäß den Fig. 6 und 7 hält eine flexible Referenzphantom- Anordnung 34 ein flexibles Referenzphantom 36, das in einer Nut 38 in einem elastischen Kissen 40 angeordnet ist. Das ela­ stische Kissen 40 ist auf dem Tisch 16 gehaltert.

In seinem unbelasteten Zustand ist das Referenzphantom 36 im wesentlichen gerade, es hat aber genügend Flexibilität, um sich in eine anliegende Berührung mit dem Beckenbereich 30 des Patienten 18 unter dessen Gewicht zu verformen, wobei die Widerstandskraft der Elastizität des elastischen Kissens 40 entgegenwirkt. Das Material und die Steifigkeit des elasti­ schen Kissens 40 sind an die Flexibilität des Referenzphantoms 36 angepaßt, um das gewünschte Ergebnis der Berührung des Referenzphantoms 36 auf im wesentlichen der gesamten durch­ gehenden Länge des Beckenbereiches 30 zu erreichen. Wenn also das Referenzphantom 36 extrem flexibel ist, kann die Steifig­ keit des elastischen Kissens 40 klein sein, um trotzdem einen vollen Kontakt zu erhalten. Wenn andererseits das Referenz­ phantom 36 relativ wenig flexibel ist, ist eine erhöhte Stei­ figkeit im elastischen Kissen 40 erforderlich, um einen vollen Kontakt ohne einen wesentlichen Luftspalt zwischen dem Becken­ bereich 30 und dem Referenzphantom 36 zu erhalten.

Zwar kann für das elastische Kissen 40 irgendein zweckmäßiges Material verwendet werden, aber ein geeignetes Material ist ein offenzelliges Polyurethanschaummaterial. Neben einer steuerbaren Elastizität ist ein derartiges Material im wesent­ lichen durchlässig für Röntgenstrahlen und hat somit nicht die nachteiligen Wirkungen von einer Wasser-äquivalenten Pille.

Es kann jedoch auch eine Kombination des vorgekrümmten Ausfüh­ rungsbeispiels gemäß Fig. 5 und dem geraden Ausführungsbei­ spiel gemäß den Fig. 6 und 7 verwendet werden. Es kann also ein vorgekrümmtes flexibles Referenzphantom 36 mit einer Krümmung, die der Krümmung eines normalen Beckenbereiches 30 angenähert ist, in der Nut 38 gemäß den Fig. 6 und 7 ange­ ordnet werden. Bei diesem kombinierten Ausführungsbeispiel ist nur die zusätzliche Krümmung oder Geraderichtung bzw. Streckung des flexiblen Referenzphantoms 36 erforderlich, die zur Anpas­ sung der Krümmung des flexiblen Referenzphantoms 36 an die Dif­ ferenz zwischen der normalen Krümmung und derjenigen eines be­ stimmten Patienten 18 benötigt wird.

Gemäß Fig. 8 ist eine flexible Referenzphantom-Anordnung 34 vorzugsweise in einer Umhüllung aus irgendeinem geeigneten Material, wie beispielsweise Stoff, eingeschlossen. Im Inter­ esse der Sauberkeit ist die Umhüllung 42 vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial. Ein derartiges Kunststoffmaterial sollte hinsichtlich seiner Durchlässigkeit gegenüber Röntgen­ strahlen und hinsichtlich einer Zusammensetzung ausgewählt sein, die für eine Reinigung günstig ist. Ein derartiges Ma­ terial kann beispielsweise Polyvinylchlorid sein.

Aus den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung in den Fig. 4 bis 8 im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen gemäß den Fig. 1 bis 3 wird deutlich, daß die Referenz­ materialien des Referenzphantoms im wesentlichen neben dem Körper eines Patienten angeordnet sein können. Somit ist es nicht mehr notwendig, ein Kopplungsmaterial, wie beispiels­ weise Wasser, zu verwenden.

Claims (9)

1. Vergleichseinrichtung für quantitative Computer-Tomo­ graphie, gekennzeichnet durch :
einen flexiblen Streifen bzw. eine Unterlage (28; 36), die mehrere Referenzmaterialien (14, 14′) enthält, und
Mittel zum Verformen einer Krümmung der flexiblen Unterlage in einen im wesentlichen zusammenhängenden Kontakt mit einem zusammenhängenden Bereich (30) eines Körpers eines Patienten (18).

2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
daß die flexible Unterlage eine unbelastete Krümmung aufweist und daß die Verformungsmittel beinhalten,
daß die Unterlage durch das Gewicht des daraufliegen­ den Patienten wenigstens teilweise geradegerichtet bzw. gestreckt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsmittel ferner ein elastisches Ma­ terial zwischen der flexiblen Unterlage und einer Oberfläche aufweisen, auf der das Gewicht des Patien­ ten gelagert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsmittel aufweisen:
ein elastisches Kissen (40) mit einer Abmessung, die im wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie der Be­ reich hat,
eine Nut (38) in der oberen Oberfläche des elasti­ schen Kissens,
die flexible Unterlage ist in der Nut angeordnet,
die Flexibilität der flexiblen Unterlage und die Steifigkeit des elastischen Kissens drücken gemein­ sam eine Oberfläche der Vergleichseinrichtung in einen Kontakt bzw. eine Berührung entlang im wesentlichen dem gesamten zusammenhängenden Bereich.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Umhüllung (42) über der flexiblen Unterlage und dem elastischen Kissen angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , gekennzeichnet durch :
eine flexible Unterlage, die mehrere Referenzmateria­ lien enthält,
ein elastisches Kissen mit einer Abmessung, die im we­ sentlichen die gleiche Ausdehnung wie ein zusammen­ hängender Bereich eines Patienten hat,
eine Nut in einer oberen Oberfläche des elastischen Kissens,
die flexible Unterlage ist in der Nut angeordnet,
die Flexibilität der flexiblen Unterlage und die Stei­ figkeit des elastischen Kissens drücken gemeinsam eine Oberfläche der Vergleichseinrichtung in Kontakt bzw. in Berührung entlang im wesentlichen dem gesamten zusammenhängenden Bereich.

7. Vergleichseinrichtung für quantitative Computer-Tomo­ graphie, gekennzeichnet durch ein flexibles Teil, das mehrere Referenzmaterialien aufweist und das bei Verwendung in einem im wesent­ lichen zusammenhängenden Kontakt mit einem zusammen­ hängenden Bereich des Körpers eines Patienten ange­ ordnet ist.

8. Verfahren zum Vorbereiten eines Patienten für quanti­ tative Computer-Tomographie, dadurch gekennzeichnet, daß ein flexibles Teil mit mehreren Referenzmateria­ lien in einem im wesentlichen durchgehenden Kontakt mit einem durchgehenden Bereich des Körpers des Pa­ tienten angeordnet wird.

9. Auflage für einen Patienten für quantitative Computer- Tomographie, dadurch gekennzeichnet, daß ein flexibles Teil derart auf der Oberfläche der Auflage angeordnet ist, daß es in einen im wesentli­ chen durchgehenden Kontakt mit einem durchgehenden Abschnitt des Körpers eines Patienten kommt, wenn der Patient auf der Auflage liegt, wobei das flexible Teil mehrere Referenzmaterialien enthält.