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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Dichte
eines Volumens in einem Bilddatensatz eines zu untersuchenden Objekts,
wobei sich das Volumen von seiner Umgebung dadurch unterscheidet,
dass das Volumen Material mit einem charakteristischen Parameter μ enthält, wobei
das Verfahren den Schritt des Bestrahlens des Volumens und der Umgebung
mit Röntgenstrahlen
in verschiedenen Bestrahlungspositionen umfasst, wobei bei jeder
Bestrahlungsposition eine Aufnahme mit einer ersten und einer zweiten
Energie der Röntgenstrahlen
durchgeführt
wird, um einen mit diesen Energien übereinstimmenden ersten Satz
von Transmissionsbildern des Objekts auf einem Röntgendetektor zu erlangen.
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Ein
Verfahren dieser Art kann auf dem Gebiet der Knochendichtemessung
eingesetzt werden, bei der eine Mineraldichte eines trabekulären Knochens
bestimmt werden soll. In diesem Fall enthält das abzubildende Volumen
den trabekulären
Knochen, der sich aufgrund seines charakteristischen linearen Absorptionskoeffizienten
(μ) von
der Umgebung (Weichgewebe, kortikaler Knochen) unterscheiden lässt. Der
Wert der Mineraldichte im trabekulären Knochen kann für die weitere
Diagnose eines Patienten verwendet werden, zum Beispiel zum Diagnostizieren
von Osteoporose. Aus diesem Grunde ist es wichtig, dass der Wert
der Mineraldichte quantitativ ohne Ungenauigkeiten bestimmt werden
kann, die durch anderes in einer abzubildenden interessierenden
Region vorhandenes Gewebe verursacht werden. Gewebe dieser Art sind
zum Beispiel ein kortikaler Knochen und mögliche Verkalkungen der Blutgefäße, die
sich in der abzubildenden interessierenden Region befinden.
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In
der
US-amerikanischen Patentschrift
Nr. 4.029.963 wird beschrieben, dass Projektionsmessungen des
ausgesendeten Röntgenstrahlenbündels in
nieder- und hochenergetischen Regionen durchgeführt werden. Diese werden in
einem nicht-linearen Prozessor kombiniert, um atomzahlenabhängige und
dichteabhängige
Projektionsinformationen zu erzeugen. Diese Informationen werden
verwendet, um Querschnittbilder zu liefern, die keinerlei Spektralverschiebungsartefakte
enthalten und die spezifischen Materialeigenschaften vollständig definieren.
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In
der
US-amerikanischen Patentschrift
Nr. 6.031.892 wird ein System zur spektroskopischen Bildgebung
von Körpergewebe
beschrieben, bei dem ein Szintillationsschirm und ein ladungsgekoppeltes
Bauelement (engl. charge coupled device, CCD) benutzt werden, um
ausgewähltes
Gewebe genau abzubilden. Eine Röntgenquelle
erzeugt Röntgenstrahlen,
die eine Körperregion
eines Objekts durchqueren und ein Röntgenbild erzeugen, das den
Szintillationsschirm erreicht. Der Szintillationsschirm strahlt
erneut ein dem Bild entsprechendes räumliches Intensitätsmuster
ab, das von einem CCD-Sensor erkannt wird. Das Bild wird durch den
Sensor digitalisiert und durch eine Steuereinheit verarbeitet, bevor
es als elektronisches Bild gespeichert wird. Jedes Bild wird auf
einen zugehörigen
jeweiligen CCD-Detektor oder einen Detektor aus amorphem Silizium
gelenkt, um einzelne elektronische Darstellungen der separaten Bilder
zu erzeugen.
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Ein
Verfahren zur Durchführung
einer Knochendichtemessung ist aus dem Dokument
US 5.778.045 bekannt. Gemäß dem bekannten
Verfahren werden mit Hilfe eines Röntgengeräts, das eine Röntgenquelle zum
Erzeugen von Röntgenstrahlen
enthält,
Transmissionsbilder eines zu untersuchenden Patienten erzeugt. Die
Röntgenquelle
ist um das Objekt drehbar und die erzeugten Röntgenstrahlen werden so kollimiert,
dass sie ein schmales Strahlenbündel
bilden. Das bekannte Gerät
ist mit Mitteln zum Erzeugen der Röntgenstrahlen mit zwei verschiedenen
Energien ausgestattet, das heißt
zum Durchführen
des so genannten Dual-Energy-Verfahrens. In diesem Fall wird an
jeder Bestrahlungsposition eine Bestrahlung mit zwei Energien durchgeführt. Gemäß dem bekannten
Verfahren wird anschließend
eine Bearbeitung durchgeführt,
um eine Größe zu erhalten,
die sich auf das Ausmaß der
Absorption des gesamten Knochens in dem bestrahlten Volumen für beide
Energien bezieht. Um einen Beitrag des Weichgewebes zu dem definitiven
Bild zu begrenzen, wird diese berechnete Größe grafisch als Funktion des
Abstands in einer Bildgebungsebene innerhalb der interessierenden
Region wiedergegeben. Das Weichgewebe wird dann grafisch eliminiert,
indem ein Schwellenwert auf die berechnete Größe angewandt wird.
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Ein
Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, dass ein Volumen,
das dem Weichgewebe entspricht, nicht genau eliminiert wird. Zugegebenermaßen weist
die berechnete Größe ein charakteristisches Verhalten
auf, das heißt
eine niedrige, relativ flache Linie entsprechend der Absorption
des Weichgewebes, und eine etwas höhere Region entsprechend der
Absorption des Knochens. Für
einen Wirbel beispielsweise wird die resultierende grafische Wiedergabe
des Verhaltens der berechneten Größe ungefähr eine hohe Region aufweisen,
die dem Wirbel entspricht, und links und rechts hiervon zwei Regionen mit
niedrigerem Wert, die dem Weichgewebe entsprechen. Es ist unwahrscheinlich,
dass der Absolutwert der Höhe
der berechneten Größe in den
Regionen, die dem Weichgewebe auf beiden Seiten des Wirbels entsprechen,
den gleichen Wert hat. Wenn nur ein Wert für den Schwellenwert gewählt wird,
ist es unvermeidlich, dass entweder das Weichgewebe nicht vollständig aus
den Bildern eliminiert wird oder ein Teil des Knochenvolumens verloren
geht. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht in
der Tatsache, dass eine Aufnahme nur in einem Querschnitt eines
Patienten erfolgt. Um Volumeninformationen zu erfassen, muss daher
die Bewegung der Röntgenquelle
wiederholt werden, wodurch diese Prozedur zeitaufwändig wird.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht in der Tatsache,
dass die Daten über
die Knochendichte nur zweidimensional dargestellt werden.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, bei dem der
Beitrag des Weichgewebes in den zu analysierenden Bildern genau
und im Wesentlichen vollständig
eliminiert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin,
eine Bild des Volumens zu schaffen, das dem trabekulären Knochen
entspricht, wobei in dem genannten Bild der Absolutwert der Mineraldichte
des trabekulären
Knochens wiedergegeben wird. Zu diesem Zweck ist die Erfindung dadurch
gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner Folgendes umfasst:
- – Verwendung
eines zweidimensionalen Detektors als Röntgendetektor;
- – Durchführen einer
ersten Kalibrierung in Übereinstimmung
mit dem Dual-Energy-Verfahren,
um einen ersten Satz Parameter (xpl) und
einen zweiten Satz (xal) Parameter zu erlangen;
- – Durchführen einer
zweiten Kalibrierung in Übereinstimmung
mit dem Dual-Energy-Verfahren,
um einen dritten Parameter (φ)
und einen vierten Parameter (f) zu erlangen, wobei der dritte Parameter
charakteristisch für
die Umgebung ist und der vierte Parameter charakteristisch für das Material
ist;
- – Durchführen einer
ersten Bearbeitung an dem ersten Satz von Transmissionsbildern unter
Verwendung des ersten Parametersatzes (xpl)
und des zweiten Parametersatzes (xal), um
einen Satz von Dichtebildern zu erlangen;
- – Anwenden
des dritten Parameters (φ)
auf den Satz von Dichtebildern, um die Umgebung aus dem Satz der
Dichtebilder zu eliminieren;
- – Ausführen eines
3D-Rekonstruktionsalgorithmus mit Informationen von dem Satz der
Dichtebilder, um ein Bild des Volumens zu erlangen;
- – Anwenden
des vierten Parameters (f) auf das Bild des Volumens, um die Dichte
des Materials in dem Volumen zu berechnen.
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Da
ein zweidimensionaler Röntgendetektor
verwendet wird, reicht es im Prinzip aus, nur eine einzelne Bewegung
der Röntgenquelle
um das Objekt auszuführen,
während
der die Bestrahlungen an einer Anzahl von Positionen auf einem Bogen
mit Hilfe von Röntgenstrahlen
der ersten und der zweiten Energie vorgenommen werden. Bei dem bekannten
Verfahren werden hingegen eine Schmalbündelgeometrie und ein entsprechender
Array-Detektor verwendet. Das Erzeugen derartiger tomografischer
Bilder ist an sich bekannt und wird dem Fachkundigen klar sein.
Es ist auch möglich,
erst eine Bewegung der Röntgenquelle
um den Patienten durchzuführen,
während
der die Bestrahlung mit nur der ersten Energie erfolgt. In diesem
Fall muss eine ergänzende
zweite tomografische Bestrahlung mit der zweiten Röntgenenergie
erfolgen. In diesem Fall ist es auch möglich, den Patienten kontinuierlich
zu bestrahlen oder Bestrahlungen mit der ersten und der zweiten Energie
an entsprechenden Positionen auf dem Bogen durchzuführen. Ein
weiterer Vorteil der Verwendung eines zweidimensionalen Röntgendetektors
besteht in einer resultierenden isotropischen Verteilung der kubusförmigen Voxel
in den zu rekonstruierenden Volumenbilddaten. Dies führt zu einer
Verbesserung der Genauigkeit der 3D-Rekonstruktion und verringert
die erforderliche Mindestdosis, der das zu untersuchende Objekt
ausgesetzt werden muss. Ein charakteristisches Format eines geeigneten
Detektors ist ca. 15 × 15
cm2. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner
das Durchführen
von Kalibrierungen in Übereinstimmung
mit dem Dual-Energie-Verfahren. Eine derartige Kalibrierung ist
an sich aus der Abhandlung von H. Neale Cardinal und A. Fenster
mit dem Titel „An
accurate method for direct dual-energy calibration and decomposition", erschienen in Med.
Phys. 17 (3), 1990, Seite 327, bekannt. Dieses Verfahren beruht
auf der Erkenntnis, dass die Röntgenabsorption
eines Materials durch eine lineare Kombination von zwei Basismaterialien
dargestellt werden kann. Erfindungsgemäß erfolgt die Erfassung des
ersten Satzes (xpl) und des zweiten Satzes
(xal) Kalibrierparameter mit Hilfe des Dual-Energy-Verfahrens
unter Verwendung eines Kalibrierphantoms, das speziell zu diesem
Zweck entworfen wurde und aus zwei Basismaterialien besteht. Die
zweite Kalibrierung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt mit Hilfe eines zweiten Kalibrierphantoms, das im Wesentlichen
die Zusammensetzung der Umgebung des zu untersuchenden Materials
darstellt. Nach der Erzeugung der Transmissionsbilder des zweiten
Kalibrierphantoms in Übereinstimmung
mit dem Dual-Energy-Verfahren werden die Bilder weiter bearbeitet,
um die Dekomposition der Umgebung zu einer linearen Kombination
der beiden Basismaterialien zu erreichen. Im Rahmen einer derartigen
Dekomposition werden die Transmissionsbilder in Dichtebilder umgewandelt.
Die Umgebung kann als ein Vektor im orthogonalen Raum der beiden
Basismaterialien dargestellt werden. Dieser Vektor wird dann einen
gegebenen Winkel (α)
zu einer horizontalen Achse (zum Beispiel einem ersten Basismaterial)
bilden. Die absolute Länge
dieses Vektors ist proportional zu der Dicke und der Dichte des
Materials der Umgebung. Eine Projektion dieses Vektors auf eine
Achse, zum Beispiel die des ersten Basismaterials, wird dem Beitrag
des ersten Basismaterials in der Umgebung in Übereinstimmung mit der Dual-Energy-Dekomposition
entsprechen. Zum Eliminieren der Umgebung braucht dann lediglich
dieser Vektor auf eine senkrechte Linie projiziert zu werden. Dieser
Winkel ist als Eliminationswinkel φ = 90 + α definiert und wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch als dritter Parameter verwendet. Das bedeutet, dass zum Eliminieren
des Beitrags der Umgebung aus den Bildern des Objekts ein von den
Dual-Energy-Transmissionsbildern
des Objekts abgeleiteter Vektor in dem orthogonalen Raum der beiden
Basismaterialien aufgebaut werden muss und anschließend auf
den entsprechenden Eliminationswinkel projiziert werden muss. Der
resultierende Vektor wird dann ausschließlich den Beitrag des Materials
enthalten, also ohne die Umgebung. Wenn diese Projektion durchgeführt wird,
wird der Absolutwert der Länge
des Materialvektors nicht mehr repräsentativ für die Materialdichte sein.
Um einen Absolutwert der Materialdichte bestimmen zu können, wird
eine weitere Kalibrierung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
unter Verwendung eines Phantoms aus einem Material von bekannter
Dichte durchgeführt.
Die Transmissionsbilder dieses Phantoms werden ebenfalls mit Hilfe
des Dual-Energy-Verfahrens
erfasst; anschließend
wird ein für
das Phantom charakteristischer Vektor in dem Raum der beiden Basismaterialien
konstruiert und zum Eliminationswinkel projiziert. Ein Verhältnis des
Absolutwertes der Länge
des resultierenden Vektors zu der bekannten Materialdichte in dem
Phantom liefert den vierten Faktor (f), der später auf die Objektdaten angewandt
werden muss. Nachdem die Umgebung aus den Dichtebildern des Objekts
gemäß dem zuvor
beschriebenen Dual-Energy-Verfahren eliminiert wurde, wird eine
3D-Rekonstruktion
auf der Grundlage der resultierenden Informationen durchgeführt, um
ein Bild des Volumens zu erlangen. Um einen Absolutwert der Mineraldichte
des Volumens zu berechnen, wird in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
der vierte Faktor (f) auf das Bild des Volumens angewandt. Auf diese
Weise wird erstens der Beitrag der Umgebung in dem abgebildeten
interessierenden Volumen durch die Anwendung einer genauen Kalibrierung
in Übereinstimmung
mit dem Dual-Energy-Verfahren eliminiert und zweitens erhält ein Benutzer
dreidimensionale Informationen über
die Verteilung der Materialdichte. Es ist zu beachten, dass eine
in geeigneter Weise stabile Röntgenenergie
für die
Kalibrierung und auch für
die Erzeugung der Transmissionsbilder des Objekts erforderlich ist,
um mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
zuverlässige
Ergebnisse zu erzielen. Die genaue Regelung der Stabilität der Röntgenenergie
ist an sich bekannt. Die Kalibrierung als solche kann vor, während oder
nach der Erzeugung der Transmissionsbilder des Objekts erfolgen.
Wenn die Kalibrierungen während
der Transmissionsbestrahlungen durchgeführt werden, können Kalibrierphantome
in die Tischoberfläche
des Röntgengeräts eingeführt und
angrenzend an das abzubildende Volumen positioniert werden. Eine
Röntgenquelle
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
mit zwei verschiedenen Energien kann auf eine an sich bekannte Weise
realisiert werden, zum Beispiel durch die Anordnung von Filtern
zwischen der Röntgenquelle
und dem Objekt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Bearbeitung an Dichtebildern
durchgeführt
wird, um einen zweiten Satz Transmissionsbilder zu erlangen, wobei
ein Feldkamp-Algorithmus als 3D-Rekonstruktionsalgorithmus
verwendet wird. Wenn der Feldkamp-Algorithmus angewendet wird, um
eine 3D-Rekonstruktion des Volumenbildes zu erlangen, müssen als
Eingangsdaten Transmissionsinformationen bereitgestellt werden.
Da die Dual-Energy-Dekomposition
des erstens Satzes Transmissionsbilder zur Erzeugung des Satzes
Dichtebilder führt,
ist es wünschenswert,
eine einfache Bearbeitung zur Berechnung des zweiten Satzes Transmissionsbilder
durchzuführen;
dieser Satz wird weiter als Eingangsdaten für den Feldkamp-Algorithmus
verwendet. Die Dichteinformationen und die Transmissionsinformationen
stehen in exponentieller Beziehung zueinander.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Parameter (φ) ein Eliminationswinkel
des Weichgewebes ist und der vierte Parameter (f) ein Knochenmineraldichte-Faktor
ist. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren
auf dem Gebiet der Knochendichtemessung angewendet wird, wird als
zweites spezielles Phantom ein Weichgewebephantom verwendet, das
im Wesentlichen die Zusammensetzung des Weichgewebes darstellt.
Als dritter Parameter (φ)
wird ein Weichgewebe-Eliminationswinkel verwendet. Bei Verwendung
des Weichgewebe-Eliminationswinkels
wird der Beitrag des Weichgewebes aus den Transmissionsbildern eines
Patienten eliminiert. Wie bereits erläutert, wird bei der Durchführung einer
Eliminati onsberechnung für
eines der Materialien aus den Transmissionsbildern die Länge des
resultierenden Vektors nicht mehr repräsentativ für die absolute Dichte des restlichen
Materials sein. Um die Mineraldichte des restlichen Knochens zu
berechnen, wird als Kalibrierphantom zur Berechnung des vierten
Faktors (f) ein Phantom mit einem bekannten Ca-Gehalt verwendet.
In diesem Fall wird der vierte Faktor (f) dem Knochenmineraldichte-Faktor
gleichgesetzt.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass der zu verwendende Wert des Knochenmineraldichte-Faktors
in einer Nachschlagetabelle nachgeschlagen werden kann. Wenn der
Knochenmineraldichte-Faktor
a-priori festgelegt wurde, können
die Werte dieses Faktors in einer Nachschlagetabelle gespeichert
werden, die in einem Speicher eines Computers hinterlegt ist. Diese
Tabelle wird das Verhältnis
des aus dem bekannten Phantom bekannten Ca-Gehalts zu dem entsprechenden
linearen Absorptionskoeffizienten für Ca enthalten. Wenn eine Supralinearität zwischen
diesen Größen auftritt,
empfiehlt es sich, mehr als zwei Kalibriermessungen am Ca-Phantom
durchzuführen.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Volumenbild ein interessierendes
Volumen definiert wird, das mindestens einem Teil des Volumens des trabekulären Knochens
entspricht. Wie bereits erläutert
wurde, wird das resultierende Volumenbild, wenn eine genaue Kalibrierung
und Dekomposition mit Hilfe des Dual-Energy-Verfahrens durchgeführt wurden,
nur die kalzifizierte Substanz enthalten. Wenn zum Beispiel die
in der Nähe
befindlichen Blutgefäße Regionen
mit einer kalzifizierten Stenose enthalten, können derartige Regionen ebenfalls
im resultierenden Bild abgebildet werden. Da diese Regionen wegen
einer genauen Weichgewebe-Elimination keine Verbindung mit dem Knochenvolumen
aufweisen, können
sie leicht ignoriert werden oder durch die Anwendung eines Rekonstruktionsalgorithmus
aus den Volumendaten entfernt werden. Dieses Volumen, das dem Knochen
entspricht, umfasst den kortikalen Knochen und den trabekulären Knochen
zusammen. Da bei der Osteoporose die Dekalzifizierung nur im trabekulären Knochen
auftritt, kann es für
die Folgeanalyse günstig
sein, nur das Volumen zu wählen,
das dem trabekulären
Knochen entspricht. Diese Unterselektion, oder Auswahl des interessierenden
Volumens, kann von Hand oder mit Hilfe bekannter Algorithmen durchgeführt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass Pixelwerte des Satzes der Dichtebilder
mit einem Faktor (M) multipliziert werden, um den dynamischen Bereich zu
verbessern. Es hat sich gezeigt, dass durch die Anwendung eines
empirisch ermittelten Skalierungsfaktors auf die Pixelwerte des
Satzes der Dichtebilder ein verbesserter dynamischer Bereich erreicht
werden kann. Für
ein Phantom mit einem Ca-Gehalt von 200 mg/ml ergibt die Anwendung
des Skalierungsfaktors 0,75 gute Ergebnisse.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und ein zweites Kalibriermaterial
zum Ausführen
der ersten Kalibrierung in Übereinstimmung
mit dem Dual-Energy-Verfahren verwendet werden, wobei die effektive
Atomzahl des ersten Kalibriermaterials kleiner als 10 ist und wobei
die effektive Atomzahl des zweiten Kalibriermaterials größer als
10 ist. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren
auf dem Gebiet der Knochendichtemessung Anwendung findet, liefert
die Nutzung von zwei Kalibriermaterialien, wobei die effektive Atomzahl
des ersten Kalibriermaterials kleiner als 10 ist, während die
Atomzahl des zweiten Kalibriermaterials größer als 10 ist, gute Dekompositionsergebnisse. Ein
Beispiel für
das erste Kalibriermaterial ist ein synthetisches Material wie Polymethylmethacrylat
und ein Beispiel für
das zweite Kalibriermaterial ist Aluminium. Das Aluminium wird verwendet,
weil es Röntgenabsorptionseigenschaften
besitzt, die den Röntgenabsorptionseigenschaften
von Knochen gut entsprechen; das synthetische Material ist repräsentativ
für das
Weichgewebe. Es können
natürlich
auch andere Kalibriermaterialien verwendet werden. Ferner hat sich
gezeigt, dass die für
Kalibrierzwecke optimale Differenz zwischen den effektiven Atomzahlen
des ersten bzw. des zweiten Kalibriermaterials ungefähr 6 betragen
sollte.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu bestimmende Dichte eine
Mineraldichte ist und eine für
eine Röntgenröhre erforderliche
Spannung zum Erzeugen der Röntgenstrahlen
mit der ersten Energie im Bereich von 50 bis 80 kV liegt, während eine
für eine Röntgenröhre erforderliche
Spannung zum Erzeugen der Röntgenstrahlen
mit der zweiten Energie in dem Bereich von 100 bis 150 kV liegt.
Es hat sich gezeigt, dass für
Anwendungen auf dem Gebiet der Knochendichtemessung die am besten
geeigneten Spannungen an der Anode der Röntgenröhre für die erste Energie im Bereich
von 50 bis 80 kV und für
die zweite Energie im Bereich von 100 bis 150 kV liegen sollten.
Der Kilovolt-Wert bestimmt die maximale Energie im Kontinuum der
erzeugten Bremsstrahlung, wobei der Mindestwert durch die Filterung
bestimmt wird, der die Röntgenstrahlung
unterzogen wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen den Spannungen
der Röntgenröhre zum
Erzeugen der Röntgenstrahlung
entsprechend der ersten Energie und der zweiten Energie zwischen
40 kV und 50 kV beträgt.
Diese Maßnahme
beruht auf der Erkenntnis, dass eine derartige Differenz zwischen
der ersten und der zweiten Energie für die Materialdekomposition
gemäß dem Dual-Energy-Verfahren
bei der Anwendung auf die Knochendichtemessung besonders geeignet
ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Röntgenquelle auf einem Bogen
von nahezu 180° um
das Objekt gedreht wird, wobei während
der Drehung ca. 50 Transmissionsbilder pro Energie bei verschiedenen
Winkeln auf dem genannten Bogen aufgenommen werden. Diese Maßnahme beruht
auf der Erkenntnis, dass diese Anzahl Transmissionsbilder genügend Informationen
zur Durchführung
einer genauen 3D-Rekonstruktion liefert, um das Volumenbild zu erhalten.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine emittierte Röntgenstrahlendosis
für eine
Aufnahme mit niedriger Energie die gleiche Größenordnung hat wie für die entsprechende
Aufnahme mit hoher Energie. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis,
dass zum Aufnehmen der Transmissionsbilder mit einer niedrigen Röntgenenergie
und einer hohen Röntgenenergie
für ein
im Wesentlichen gleiches Signalniveau ungefähr die gleiche Strahlendosis
abgegeben werden muss, zum Beispiel 1 mR. Diese Maßnahme stellt
sicher, dass ein Verhältnis
zwischen der Strahlendosis der Aufnahme mit hoher Energie und der
Aufnahme mit niedriger Energie für
alle entsprechenden Bilder nahezu konstant bleibt. Es ist anzumerken,
dass absolute Strahlendosen entlang der Trajektorie der Röntgenquelle
variiert werden können,
um einen optimalen dynamischen Bereich des Röntgendetektors und auch ausgewogene Rauschbeiträge aus verschiedenen
Richtungen zu erreichen, wenn man die Tatsache bedenkt, dass ein
charakteristischer Durchschnitt eines Patienten verschiedene Dicken
in verschiedenen Richtungen aufweist. Um für jede Röntgenenergie dieselbe Strahlendosis
abzugeben, kann ein Satz a-priori berechneter Werte des für die Röntgenröhre benötigten Stroms
verwendet werden, wobei die genannten Werte in einer Nachschlagetabelle
gespeichert sind.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein System, das ein Röntgengerät mit einer
Röntgenquelle
zum Erzeugen der Röntgenstrahlung
und einem entsprechenden Rönt gendetektor
zum Detektieren der Transmissionsbilder umfasst, wobei der Röntgendetektor
ein zweidimensionaler Detektor ist und wobei das Gerät auch erste
Mittel zum Variieren der Energie der Röntgenstrahlen, Kalibriermittel
zum Durchführen
einer Kalibrierung in Übereinstimmung
mit dem Dual-Energie-Verfahren sowie Rechenmittel zum Durchführen von
Bearbeitungen an den Transmissionsbildern und auch zum Ausführen eines
3D-Rekonstruktionsalgorithmus
umfasst.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme
auf die Figuren ausführlicher
beschrieben, in denen die übereinstimmenden
Bezugszeichen die übereinstimmenden
Elemente bezeichnen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ablaufplans des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2a eine
schematische Darstellung eines geeigneten Phantoms zur Durchführung der
Dekomposition gemäß dem Dual-Energy-Verfahren;
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2b schematisch
ein Beispiel der Bestimmung eines Eliminationswinkels gemäß dem Dual-Energy-Verfahren;
-
2c eine
Elimination des Weichgewebes aus dem Satz von Patientendaten; und
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3 schematisch
ein System zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
schematisch einen Ablaufplan, der das erfindungsgemäße Verfahren
veranschaulicht. Auf den Satz Transmissionsbilder 1, 3,
die mit einer niedrigen Röntgenenergie
und einer hohen Röntgenenergie gemäß dem Dual-Energy-Verfahren
erfasst wurden, wird der während
der ersten Kalibrierung 7 berechnete Satz von Parametern
(xpl), (xal) angewandt.
Dies führt
zu einer nicht-linearen Transformation 5 zum Erlangen von
zwei Dichtebildern 11, 13. Die Funktionsweise
der ersten Kalibrierung 7 wird im Folgenden unter Bezugnahme
auf die 2a, 2b, 2c näher erläutert. Das
Bild 11 ist ein Dekompositionsbild zu einem ersten Basismaterial
gemäß dem Dual-Energy-Verfahren.
Das Bild 13 ist ein Dekompositionsbild zu dem zweiten Basismaterial
gemäß dem Dual-Energy-Verfahren.
Der Weichgewebe-Eliminationswinkel φ, der während der zweiten Kalibrierung 9 bestimmt
und unter Bezugnahme auf 2c erläutert wird,
wird auf die Kombination der Dichtebilder 11, 13 angewandt,
um das Weichgewebe zu eliminieren. Der erhaltene Satz Dichtebilder 15 enthält nur den
Knochen. Durch die Anwendung eines 3D- Rekonstruktionsalgorithmus 20,
zum Beispiel eines Feldkamp-Algorithmus, wird ein Bild des Knochens 30 dreidimensional
wiedergegeben. Indem auf dieses Bild 30 ein Kalibrierfaktor
f angewandt wird, der mit Hilfe eines dritten Kalibrierphantoms
mit bekanntem Ca-Gehalt bestimmt
wurde, wird ein Wert des Ca-Gehalts im Knochen bestimmt. Das entsprechende
3D-Bild wird durch einen Funktionsblock 50 dargestellt.
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2a zeigt
eine schematische Darstellung eines geeigneten ersten Phantoms zum
Durchführen
der Dekomposition gemäß dem Dual-Energy-Verfahren.
In diesem Beispiel besteht das erste Phantom aus einem Aluminiumkeil
(c), der einem Keil aus einem synthetischen Material (a, b) überlagert
ist. Dieses erste Phantom eignet sich insbesondere für die Durchführung der
Materialdekomposition, wenn sie auf die Knochendichtemessung angewandt
wird, weil das Aluminium Röntgenabsorptionseigenschaften
besitzt, die im Wesentlichen den Röntgenabsorptionseigenschaften
des Knochens entsprechen, während
das synthetische Material für
das Absorptionsverhalten des Weichgewebes repräsentativ ist. Die Erfassung
des Satzes Kalibrierparameter (xpl, xal) ist an sich bekannt und wird von H. Neale
Cardinal und A. Fenster in „An
accurate method for direct dual-energy calibration and decomposition", Med. Phys. 17 (3),
1990, S. 327, beschrieben. Der gemäß diesem Verfahren berechnete
erste und zweite Satz von Kalibrierparametern (xpl,
xal) wird auch während aller folgenden Dekompositionsbearbeitungen
zum Erlangen eines ersten Bildes angewandt, das dem Beitrag des
ersten Basismaterials (synthetisches Material) entspricht, und eines
zweiten Bildes, das dem Beitrag des zweiten Basismaterials (Aluminium)
entspricht, wie für
weitere Kalibrierphantome und auch für die Transmissionsbilder des
Patienten ausgeführt.
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2b zeigt
eine schematische Darstellung eines Beispiels für die Bestimmung eines Weichgewebe-Eliminationswinkels
gemäß dem Dual-Energy-Verfahren.
Zuerst wird ein Dual-Energy-Bild eines zweiten Phantoms aufgenommen,
zum Beispiel eines Weichgewebe-Phantoms. Mit Hilfe des Satzes Parameter
xpl, xal, die mittels
einer ersten Kalibrierung bestimmt wurden, wird eine Dekompositionsbearbeitung
von Weichgewebe zu synthetischem Material und Aluminium 71, 72 durchgeführt. Weiterhin
wird ausgehend von diesen Beiträgen
durch synthetisches Material und Aluminium 71, 72 ein
Gesamtvektor 73 im Synthetikmaterial-Aluminium-Raum aufgebaut,
der für
das Weichgewebe repräsentativ
ist. Der Winkel α zwischen
dem Vektor 73 und der horizontalen Achse bestimmt den charakteristischen
Materialwinkel, in diesem Fall den charakteristischen Winkel für das Weichgewebe.
Um den Beitrag durch das Weichgewebe zu eliminieren, wird der Vektor 73 auf eine
senkrechte Linie 74 projiziert. Der Winkel, den die Linie 74 zu
der horizontalen Achse bildet, stellt den Weichgewebe-Eliminationswinkel
dar, das heißt φ = α + 90. Dieser
Winkel φ wird
entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
weiter als dritter Parameter verwendet.
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2c veranschaulicht
schematisch eine Elimination des Weichgewebes aus dem Satz Patientendaten.
Nach der Aufnahme der Transmissionsbilder des Patienten gemäß dem Dual-Energy-Verfahren
werden der erste und der zweite Satz Parameter (xpl,
xal) angewandt, um die Materialdekomposition
zu bestimmen. Anschließend
wird ausgehend von den relativen Beiträgen des synthetischen Materials 75 und
des Aluminiums 76 der Gesamtvektor 78 konstruiert.
Der Vektor 78 bildet auch die Summe der Beiträge des Weichgewebes 78' und des Knochens 78''. Der Beitrag des Weichgewebes
wird eliminiert, indem der Vektor 78 auf die Linie 74 projiziert
wird. Der resultierende Vektor 79 stellt den Beitrag des
Knochens dar.
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3 zeigt
schematisch ein System 100 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das System umfasst ein Röntgengerät 110,
das mit einer Röntgenquelle 101 und
Mitteln 102 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen mit zwei Energien
ausgestattet ist. Die erzeugte Röntgenstrahlung
wird mit einem breiten Raumwinkel emittiert. Die Mittel 102 umfassen
Mittel 102a zum Berechnen eines erforderlichen Kilovolt-Wertes,
der einer Röntgenröhre zugeführt wird,
sowie Mittel 102b zur Durchführung einer erforderlichen
Filterung an den erzeugten Röntgenstrahlen.
Das Röntgengerät 110 umfasst
ferner Antriebsmittel 103 zum Bewegen der Röntgenquelle
auf einem Bogen um ein zu bestrahlendes Objekt 114. Die
erzeugten Transmissionsbilder werden durch einen zweidimensionalen
Detektor 112 detektiert und in einem Speicher 115 eines
Computers (nicht abgebildet) gespeichert. Das System 100 umfasst
auch Kalibriermittel 120, die Kalibrierphantome (nicht abgebildet)
umfassen, sowie weitere Rechenmittel 122 zur Berechnung
der Parameter xpl, xal, φ, f. Ein
Beispiel für
die Rechenmittel 122 ist ein Computerprogramm, das in einem
(nicht abgebildeten) Computer gespeichert ist. Das System 100 umfasst
auch Rechenmittel 130 zum Ausführen einer 3D-Rekonstruktionsbearbeitung,
um ein 3D-Bild des Knochens zu erlangen. Ein Beispiel für das Rechenmittel 130 ist
ein Computerprogramm, das beispielsweise auf einem Feldkamp-Algorithmus
beruht und in einem (nicht abgebildeten) Computer gespeichert ist.
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Text in den Figuren
-
Figur
1
| Transmission
image | Transmissionsbild |
| Non-linear
transformation | Nicht-lineare
Transformation |
| First
calibration | Erste
Kalibrierung |
| Density
image | Dichtebild |
| Set
of density images containing only bone | Satz
Dichtebilder, die nur Knochen enthalten |
| Second
calibration | Zweite
Kalibrierung |
| 3D
reconstruction algorithm | 3D-Rekonstruktionsalgorithmus |
| 3D
image of bone | 3D-Bild
des Knochens |
| Calibration
factor f | Kalibrierfaktor
f |
| Functional
block | Funktionsblock |
Figur
3
| Calculation
means | Berechnungsmittel |
| Genrating
means | Erzeugungsmittel |
| x-ray
source | Röntgenquelle |
| Drive
means | Antriebsmittel |
| Calibration
means | Kalibriermittel |
| Arithmetic
means | Rechenmittel |
| object | Objekt |
| Filtering
means | Filterungsmittel |
| 2D
detector | 2D-Detektor |
| memory | Speicher |
| Arithmetic
means | Rechenmittel |