DE4209376A1

DE4209376A1 - Flächerstrahl-Computertomograph

Info

Publication number: DE4209376A1
Application number: DE19924209376
Authority: DE
Inventors: Karl Wiesent
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-03-23
Filing date: 1992-03-23
Publication date: 1993-09-30
Also published as: JPH067345A

Description

Die Erfindung betrifft einen Fächerstrahl-Computertomogra phen der dritten Generation mit einer um die Systemachse rotierenden Meßeinheit aus Röntgenstrahlenquelle und Detek torarray.

Bei Fächerstrahl-Computertomographen der dritten Generation mit kontinuierlicher Strahlung soll die Anordnung der Detek torelemente und die Abtastung so erfolgen, daß Abtastarte fakte verhindert werden und bei gegebener Gesamtanzahl von Meßdaten möglichst große Bildqualität (Orts- und Kontrast auflösung) oder vorgegebene Bildqualität mit möglichst ge ringer Strahlenbelastung des Patienten oder in vorgegebener Aufnahmezeit das tomographische Scannen eines möglichst großen Volumens erreicht wird.

Nach dem Stand der Technik ist eine Maßnahme zur Reduktion von Abtastartefakten statischer Viertelversatz der Detek toranordnung. Vermeidung von Abtastartefakten und gleich zeitige Erhöhung der Ortsauflösung wird auch mit der Spring fokus-Technik erreicht, bei der allerdings die Anzahl der Meßdaten vervielfacht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fächer strahl-Computertomographen der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei kurzer Aufnahmezeit eine hohe Bild qualität ohne Abtastartefakte erzielt wird, wobei es möglich ist, aus einer Messung zwei Bilder zu rekonstruieren, die Aufnahmen mit unterschiedlichen effektiven Energien, d. h. zwei verschiedenen Spektren, entsprechen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektorelemente des Detektorarrays für die Datenerfassung in Gruppen eingeteilt sind und das Datenaquisitionssystem für die Erfassung der Ausgangssignale der Detektorelemente so gesteuert ist, daß die Aufintegration und das Auslesen innerhalb einer Gruppe gleichzeitig, aber in aufeinander folgenden Gruppen zeitlich versetzt erfolgt, wobei die zeit liche Versetzung genau der Zeit für die Rotation der Meßein heit zwischen aufeinander folgenden Projektionsrichtungen entspricht und wobei jedem zweiten Detektorelement ein Filter vorschaltbar ist.

Durch diese Art der Datenerfassung wird die Voraussetzung geschaffen für die Anwendung eines modifizierten Faltungs- Rückprojektions-Algorithmus für die Bildrekonstruktion, der dem aktuellen Stand der Mathematik entspricht (F. Natterer: "Sampling in fan beam tomography", Westfälische Wilhelms- Universität Münster, Institut für numerische und instru mentelle Mathematik, 19.12.1991, erscheint in SIAM J. Appl. Math. 1992).

Im Gegensatz zur üblichen Datenaquisition nach dem Stand der Technik wird also die Anzahl der Daten je Projektionsrich tung reduziert; die Anzahl der Projektionsrichtungen aber erhöht, mit dem Ziel, das Meßfeld mit Meßstrahlen möglichst effizient zu überdecken. Die effiziente Überdeckung des Meß feldes mit Strahlen kann dabei interpretiert werden im Sinne der mathematischen Theorie der sogenannten good lattices = gute Gitterpunkte zur numerischen Integration mehrdimen sionaler Funktionen (S.K. Zaremba (ed.): "Applications of Number Theory to Numerical Analysis", New York and London, Academic Press, 1972).

Bei der vorliegenden Erfindung ist von der bei Computertomo graphen der dritten Generation üblichen Anzahl von Detektor elementen ausgegangen. Für das Sammeln der Daten werden die Detektorelemente in Gruppen eingeteilt, und zwar z. B. bei einer Reduktion der je Projektion verwendeten Daten um den Faktor M in M Gruppen, die z. B. so zusammengesetzt werden:

O. Gruppe: Element Nr. O′,O′+M,O′+2*M, . . . usw.
k. Gruppe: Element Nr. k′,k′+M,k′+2*M, . . . usw.

(dabei kann (O′,1′, . . . , (M-1)′ eine Permutation der Reihen folge (O,1, . . . , M-1) sein).

Bei Computertomographen der dritten Generation ist es be kannt, den Fächerstrahl zur Erhöhung der Anzahl der Meßdaten und damit zur Verbesserung der Bildqualität dynamisch zu verschieben (Springfokus-Technik). Bei der vorliegenden Er findung wird die dynamische Verschiebung des Fächerstrahles durch die Einteilung des Detektorarrays in Gruppen und die zeitliche Versetzung bei der Datenaquisition ersetzt, wobei eine Kombination mit der Springfokus-Technik nicht ausge schlossen wird.

Für Rekonstruktion würde bei dem erfindungsgemäßen Computer tomographen jeweils die Hälfte der Detektorelemente, d. h. es würden nur die geradzahligen oder nur die ungeradzahligen Detektorelemente, genügen. Durch detektorseitige Vorfilte rung vor der Hälfte der Detektorelemente ist es deshalb mög lich, aus einer Messung zwei Bilder zu rekonstruieren, die Aufnahmen mit unterschiedlichen effektiven Energien ent sprechen.

Die Filter können wahlweise in den Strahlengang des zuge ordneten Detektorelementes oder aus diesem Strahlengang her aus bewegbar sein. Auf diese Weise ist wahlweise Normal-Mode oder Zweispektren-Mode möglich.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fächerstrahl- Computertomographen der dritten Generation zur Er läuterung der Erfindung, und

Fig. 2 und 3 Abtastschemata für die Detektorelemente des Computertomographen gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein Fokuskreis 1 dargestellt, auf dem der Fokus 2 einer Röntgenstrahlenquelle umläuft. Der vom Fokus 2 ausgehende Fächerstrahl 3 trifft auf einem Detektorarray 4 auf, das aus einer Reihe von Detektorelementen besteht und zusammen mit dem Fokus 2 umläuft. Es ist um den Fokus 2 ge krümmt. Die Ausgangssignale der Detektorelemente des Detek torarrays 4 werden einem Rechner zugeführt, der daraus das Bild der untersuchten Schicht des im Meßfeld 5 liegenden Meßobjektes oder das Bild eines Volumens dieses Meßobjektes berechnet und dessen Wiedergabe auf einem Sichtgerät be wirkt.

In der Fig. 1 ist beispielsweise ein Meßstrahl 6 des Fächer strahles 3 dargestellt, der auf einem Detektorelement 7 auf trifft. Der Winkel zwischen dem Meßstrahl 6 und dem vom Fokus 2 zur Systemachse 8 verlaufenden Strahl wird mit psi und der Winkel zwischen dem zuletzt genannten Strahl und der Abszisse des Koordinatensystems x, y mit phi bezeichnet. Der Winkel phi ändert sich dabei bei der Rotation des Fokus 2 auf dem Fokuskreis 1 und des Detektorarrays 4 dauernd und legt die jeweilige Projektion fest, bei der die Signale der Detektorelemente des Detektorarrays 4 (genauer einer Unter gruppe des Detektorarrays 4) erfaßt werden.

Es wird kontinuierliche Strahlung der Röntgenstrahlenquelle und kontinuierliche Drehung der Meßeinheit (Drehung der Röntgenstrahlenquelle und des Detektorarrays 4 um die ge meinsame Systemachse 8) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit w vorausgesetzt. Jedem Zeitpunkt t während der Systemdrehung ist dann eindeutig ein bestimmter Projektionswinkel phi = w*t zugeordnet, und umgekehrt.

Ein Datenpunkt oder Meßwert wird charakterisiert durch die zwei Winkelkoordinaten phi und psi eines Meßstrahles. Ein Meßstrahl ist definiert durch die Verbindungslinie zwischen dem Schwerpunkt eines Detektorelementes und dem Schwerpunkt des Fokus 2 zu einem festen Zeitpunkt t = phi/w. Die Meß signale der einzelnen Detektorelemente werden jeweils über ein Integrationszeitintervall dt gesammelt und ausgelesen. Dem Datenpunkt wird dann die Mitte des Integrationsinter valls bzw. der entsprechende Projektionswinkel phi zugeord net. Die zu einem gemeinsamen Projektionswinkel gesammelten Daten werden auch (Fächerstrahl-)Projektion genannt.

Ein Diagramm mit den Koordinaten psi und phi heißt Fächer strahl-Sinogramm. Die Darstellung der Koordinaten der Daten punkte in diesem Sinogramm visualisiert das Abtastraster (= Abtastmuster). Es wird der Ausdruck Abtastschema verwen det, wenn dem (statisch dargestellten) Abtastraster noch Informationen über den Zeitverlauf der Datenaquisition bei gefügt sind.

In der Fig. 2 ist folgende Lösung illustriert. Nach links ist mit k×M, k×M+1 usw. die Detektornummer und nach oben mit O,1,2,O die Detektorgruppe aufgetragen.

1. Die bisher übliche Anzahl der Detektorelemente wird nicht (oder nicht wesentlich) reduziert. Für das Sammeln der Daten aber werden die Detektorelemente in Gruppen einge teilt, und zwar z. B. bei einer Reduktion der je Projek tion verwendeten Daten um den Faktor M in M Gruppen, die z. B. so zusammengesetzt werden:

In Fig. 2 ist M=3, und die Reihenfolge ist nicht permutiert.

2. Das Datenaquisitionssystem (DAS) ist so anzusteuern, daß die Aufintegration bzw. das Auslesen der Signale inner halb einer Gruppe gleichzeitig, aber in aufeinanderfol genden Gruppen zeitlich versetzt, erfolgt, wobei die zeitliche Versetzung genau der Rotation des Systems zwi schen aufeinanderfolgenden Projektionsrichtungen ent spricht. Die Versetzung der DAS-Startpunkte für die ein zelnen Gruppen ist durch Pfeile rechts in Fig. 2 einge zeichnet, die die Integrationsintervalle für die Detek torgruppen darstellen. Um die den Patienten durchdringen de Strahlung ohne Verluste zu nutzen, erstreckt sich bei M Detektorgruppen die Signalintegrationszeit über M auf einanderfolgende Projektionen. Die Integrationszeit ent spricht bei dem Beispiel in Fig. 2 der bei dem konven tionellen Abtastschema.

Die dynamische Verschiebung des Fächerstrahls 3 beim Stand der Technik wird also durch die natürliche statische räum liche Versetzung der Detektorgruppen innerhalb des Detek torarrays und die zeitliche Versetzung bei der Daten aquisition ersetzt, kann aber auch damit kombiniert werden.

In Fig. 2 ist - verglichen mit dem Stand der Technik - die Detektor-Packungsdichte noch um den Faktor 2 verdünnt. Um die Strahlung voll zu nutzen, aber nicht durch Detektor elemente doppelter Breite räumliche Auflösung zu verlieren, wird die Lösung entsprechend Fig. 3 vorgeschlagen:
Man verwendet die volle Packungsdichte, also doppelt so viele Detektorelemente und Datenpunkte wie in Fig. 2. Das Abtastraster in Fig. 3 entsteht aus dem Abtastraster von Fig. 2 durch Überlagerung des gleichen (äquivalenten) Ab tastrasters, das sich durch Spiegelung an der phi-Achse und zeitliche Verschiebung um ein halbes Projektionsinkrement ergibt (das überlagerte Raster ist durch Kreuze in Fig. 3 gekennzeichnet). Dieses neue Abtastraster ist wiederum von dem unter Punkt 1. beschriebenen Typus (hier mit M=6 Detektorgruppen). Die beiden überlagerten Sub-Abtastraster sind jeweils effizient im Sinne des aktuellen mathematischen Kenntnisstandes. Werden die Meßwerte eines der beiden Sub- Abtastraster vorgefiltert, so entstehen zwei vollständige Datensätze, die Aufnahmen mit unterschiedlichen effektiven Energien entsprechen. Für die Bildrekonstruktion bietet es sich an, die Daten jedes Sub-Abtastrasters parallel zu verarbeiten.

Die Variation des Fächerversatzes kann ohne dynamische mechanische Verschiebung und ohne Springfokus realisiert werden, die Strahlung wird voll genutzt, Parallelverarbei tung der Daten für die Rekonstruktion wird unterstützt. Auf die Springfokus-Technik kann, aber muß nicht, verzichtet werden. Es ist denkbar, wahlweise einerseits die bisherige Datenerfassung, andererseits die Umschaltung auf effiziente Modi zu ermöglichen. Bei Kombination mit Springfokus-Technik wäre schließlich größere Flexibilität in der Auswahl ver schiedenen effizienter Modi realisierbar.

In Fig. 1 ist gezeigt, daß jedem zweiten Detektorelement des Detektorarrays 4 ein spektrales Filter 9, z. B. ein Metall plättchen aus Kupfer oder Aluminium, vorgelagert werden kann. Damit gewinnt man bei dem Abtastschema gemäß Fig. 3 aus einer Messung zwei Bilder, die Aufnahmen mit verschie denen effektiven Strahlenenergien, d. h. Spektren, entspre chen. Die Unterschiede zwischen den beiden Bildern können durch entsprechende DV-Nachbearbeitung noch verdeutlicht werden und liefern zusätzliche Informationen. Denkbar ist z. B. die nachträgliche Berechnung zweier Bilder bezüglich unterschiedlicher Referenzmaterialien (A. Macovski et al., Energy dependent reconstruction in X-ray computerized tomography, Comput. Biol. Med., Vol. 6, 1976, Seiten 325 bis 336).

Die Filter 9 können durch eine Vorrichtung 10 mechanisch verschiebbar oder klappbar gestaltet werden, so daß sie wahlweise in den Strahlengang des zugeordneten Detektor elementes oder aus diesem Strahlengang heraus bewegbar sind. Auf diese Weise ist der Computertomograph in zwei Betriebs- Modi umschaltbar, nämlich in den Normal-Mode und in den Zweispektren-Mode.

Claims

1. Fächerstrahl-Computertomograph der dritten Generation mit einer um die Systemachse (8) rotierenden Meßeinheit aus Röntgenstrahlenquelle und Detektorarray (4), bei dem
die Detektorelemente (7) des Detektorarrays (4) für die Datenerfassung in Gruppen eingeteilt sind,
das Datenaquisitionssystem für die Erfassung der Ausgangs signale der Detektorelemente (7) so gesteuert ist, daß die Aufintegration und das Auslesen innerhalb einer Gruppe gleichzeitig, aber in aufeinanderfolgenden Gruppen zeitlich versetzt erfolgt, wobei die zeitliche Versetzung genau der Zeit für die Rotation der Meßeinheit zwischen aufeinander folgenden Projektionsrichtungen entspricht, und
jedem zweiten Detektorelement (7) ein Filter (9) vorschalt bar ist.

2. Fächerstrahl-Computertomograph nach Anspruch 1, bei dem die Filter (9) wahlweise in den Strahlengang (6) des zuge ordneten Detektorelementes (7) oder aus diesem Strahlengang (6) herausbewegbar sind.