DE69732560T2

DE69732560T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Kegelstrahlherstellung

Info

Publication number: DE69732560T2
Application number: DE69732560T
Authority: DE
Inventors: Kwok C. Tam
Original assignee: Siemens Corporate Research Inc
Current assignee: Siemens Corporate Research Inc
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2017-12-20
Also published as: JPH10201751A; EP0849711B1; EP0849711A2; EP0849711A3; DE69732560D1; US5748697A

Description

Die Erfindung betrifft die dreidimensionale (3D) Computertomographie (CT) und insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung, die den Gebrauch eines relativ kleinflächigen Detektors in einer Kegelstrahl-CT-Bildgebervorrichtung erlauben, ohne dass Randfehler des Detektors entstehen, die beim Rekonstruieren eines Bilds Artefakte erzeugen würden.
In bekannten Computertomographieanwendungen für die Medizin oder die Industrie werden ein Röntgen-Fächerstrahl und eine geradlinige Detektoranordnung zum Erzeugen zweidimensionaler (2D) Abbildungen verwendet. Dabei ist der erfasste Datensatz meist vollständig und die Bildqualität dementsprechend gut; man erhält jedoch zu jedem Zeitpunkt nur einen Schnitt durch ein Objekt. Wird ein 3D-Bild gefordert, so verwendet man einen Ansatz, bei dem ein Stapel von Schnitten erforderlich ist. Das Erfassen eines 3D-Datensatzes mit je einem zweidimensionalen Schnitt zu einem Zeitpunkt ist damit zwangsläufig langsam. Zudem treten bei medizinischen Anwendungen Bewegungsartefakte auf, da benachbarte Schnitte nicht gleichzeitig aufgenommen werden. Ferner ist die Dosisausnutzung nicht so gut, wie sie sein könnte, da der Abstand zwischen Schnitten in der Regel kleiner als die Röntgenstrahlen-Kollimatorapertur ist, wodurch viele Teile des Körpers doppelt bestrahlt werden. Bei der 2D-CT ist der Abtastweg der Quelle oft eine einfache kreisförmige Abtastung um das Objekt herum.
In neuerer Zeit ist ein System entwickelt worden, in dem eine Kegelstrahlgeometrie für die 3D-Bildgebung verwendet wird. Es enthält eine Kegelstrahl-Röntgenquelle anstelle einer Fächerstrahlquelle und einen 2D-Flächendetektor anstelle einer geradlinigen Detektoranordnung. Ein abzubildendes Objekt wird abgetastet, und zwar bevorzugt in einem Winkelbereich von 360°. Dabei wird entweder die Röntgenstrahlenquelle auf einem Abtastweg um das Objekt herum bewegt oder das Objekt gedreht, wogegen die Quelle feststeht. In beiden Fällen steht der Detektor bezogen auf die Quelle fest, und das Abtasten (Bestrahlung des Objekts mit der Kegelstrahlenergie) erfolgt durch eine Relativbewegung zwischen der Quelle und dem Objekt. Verglichen mit dem herkömmlichen zweidimensionalen "Stapel von Schnitten" zum Erzielen einer 3D-Bildgebung besitzt der Kegelstrahlansatz das Potential, eine 3D-Bildgebung sowohl für medizinische als auch industrielle Anwendungen rasch und mit verbesserter Dosisausnutzung zu erreichen.
Beim 2D-Flächendetektor, der für die 3D-Bildgebung verwendet wird, sind die Detektorelemente generell in einer zweidimensionalen Anordnung aus Zeilen und Spalten untergebracht. Die verfügbaren Flächendetektoren, beispielsweise die in Röntgenstrahl- Bildverstärkern verwendeten, weisen allgemein große Abmessungen und eine schlechte Qualität auf oder kleine Abmessungen und eine gute Qualität. Hohe Kosten und weitere Faktoren haben dazu geführt, dass große 2D-Flächendetektoren mit guter Qualität und hoher Auflösung generell nicht verfügbar sind. Im US-Patent 5,390,112 mit dem Titel THREE-DIMENSIONAL COMPUTERIZED TOMOGRAPHY SCANNING METHOD AND SYSTEM FOR IMAGING LARGE OBJECTS WITH SMALL AREA DETECTORS, veröffentlicht am 14. Februar 1995, wurde ein Kegelstrahl-CT-System offenbart, bei dem eine Röntgenquelle einem spiralförmigen Abtastweg folgt, um ein relativ langes Objekt abzubilden, wobei der Röntgenstrahlendetektor sehr viel kürzer ist als das Objekt. Die einzige Höhenanforderung an den Detektor besteht darin, dass er länger sein muss als der Abstand zwischen benachbarten Windungen des spiralförmigen Abtastwegs der Röntgenstrahlenquelle. Ein Problem, das in dem genannten Patent nicht betrachtet wird, besteht in der Tatsache, dass sich das Kegelstrahlbild des Objekts über die Grenzen des Detektors hinaus erstreckt und dadurch beim Rekonstruieren eines Bilds des Objekts Fehler verursacht werden.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, die Fehler beim Rekonstruieren eines Bilds zu verringern, die auftreten, wenn man einen Flächendetektor verwendet, der kleiner ist als das Kegelstrahlbild.
Ein Abtast- und Datenerfassungsverfahren der Erfindung weist die Merkmale nach Anspruch 1 auf.
Ein Abtast- und Datenerfassungssystem der Erfindung weist die Merkmale nach Anspruch 9 auf.
Gemäß den Prinzipien der Erfindung werden Bildrekonstruktionsfehler, die auftreten, wenn man einen Flächendetektor verwendet, der zahlreiche Zeilen von Detektorelementen aufweist, die eine Höhe des Detektors bestimmen, die kleiner ist als das Kegelstrahlbild, dadurch vermieden, dass man die Größe der orthogonalen Verschiebung, die den Liniensegmenten L erteilt wird, die quer über den Detektor zu seiner Ober- und Unterkante verlaufen, und die zum Berechnen der Radonableitungsdaten verwendet werden, mit dem Abstand zwischen benachbarten Zeilen der Detektorelemente korreliert, die sich an der Ober- und Unterkante des Detektors befinden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Detektor M Zeilen Detektorelemente, die zwischen der Ober- und Unterkante des Detektors zentriert sind, und zusätzlich N Zeilen Detektorelemente benachbart zu den M Zeilen sowohl an der Ober- als auch der Unterkante des Detektors (wobei N gleich 1 sein kann).
Die Erfindung wird nunmehr zur besseren Darstellung und um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Abbildung eines Objekts mit Hilfe einer Röntgenstrahlenquelle und eines Detektors in Verbindung mit einem vereinfachten Blockdiagramm der Bildrekonstruktion der Erfindung;
2 eine Prozedur zum Berechnen der radialen Ableitung der Radondaten aus den Röntgenstrahlen-Projektionsdaten;
3a und 3b eine Erläuterung zu einem Teil der Prozedur in 2;
4 den Schnitt einer Integrationsfläche mit einem Röntgenstrahlendetektor, so dass Liniensegmente auf dem Detektor gebildet werden, die zum Berechnen der Ableitung der Radondaten aus den Röntgenstrahlen-Projektionsdaten anhand der Prozedur in 2 dienen;
5 die Manipulation der Liniensegmente auf dem Detektor gemäß den Prinzipien der Erfindung zum Berechnen der Ableitung der Radondaten aus den Röntgenstrahlen-Projektionsdaten; und
6 den Grund dafür, dass in einer Ausführungsform der Erfindung nur eine einzige zusätzliche Zeile an Detektorelementen an der Ober- und Unterkante des Detektors benötigt wird, um gemäß der Erfindung Fehler zu beseitigen.
1 zeigt ein Kegelstrahl-3D-Bildgebersystem, das zum Umsetzen der Erfindung nützlich ist, und das im Wesentlichen, d. h. abgesehen von Ausnahmen, die später gesondert beschrieben werden, aus dem US-Patent 5,390,112 bekannt ist. Wie dargestellt bewirkt ein computergesteuerter Manipulator 6 abhängig von Steuersignalen aus einem geeignet programmierten Computer 8, dass eine Quelle für Kegelstrahlenergie 10 und zweidimensionaler Flächendetektor 12 entlang einer bestimmten Quellenabtasttrajektorie zusammenwirken. Diese ist als spiralförmiger Abtastpfad 14 dargestellt, der auf eine vorbestimmte Achse 15 eines Objekts 16 zentriert ist, und erlaubt es dem Detektor 12, vollständige Kegelstrahl-Projektionsdaten für eine folgende Rekonstruktion eines Bildobjekts 16 zu erfassen. Der Computer 8, der Manipulator 6, die Quelle 10 und der Detektor 12 arbeiten in einer Weise zusammen, die Fachleuten allgemein bekannt ist, und die beispielsweise in unserem genannten US-Patent 5,390,112 ausführlich beschrieben ist. Wei tere Details ihrer Arbeitsweisen brauchen daher nicht angegeben zu werden. Wahlweise und gleichwertig dazu kann das Objekt 16 gedreht werden, so dass eine Abtastung mit einer feststehenden Quelle und einem feststehenden Detektor erfolgt. Ferner kann die Abtastung schrittweise oder kontinuierlich geschehen. Der Spiralpfad kann Windungen mit gleichem Abstand aufweisen (die manchmal als Stufen bezeichnet werden), oder Windungen mit zunehmender Teilung an der Ober- und Unterkante des interessierenden Objekts. Dies ist beispielsweise im US-Patent mit der laufenden Nummer 08/724,697, eingereicht am 30. September 1996, und mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR SPIRAL SCAN REGION OF INTEREST IMAGING beschrieben. Zusätzlich kann das Objekt ein Werkstück, ein medizinischer Patient oder ein anderer Gegenstand sein, der abgebildet wird. Die Quelle 10 ist als Röntgenstrahlenquelle dargestellt; man kann jedoch auch andere Arten von Bildgebungsenergie verwenden, z. B. Neutronen, Positronen usw.
Signale, die der erfassten Röntgenstrahlenergie entsprechen, die auf Elemente innerhalb des Detektors 12 fällt, werden einem Datenerfassungssystem 17 (DAS) zugeführt, das wie in den bereits beschriebenen Abschnitten von 1 in einer Weise arbeiten kann, die Fachleuten auf dem Gebiet der Digitalisierung, Vorverarbeitung und Speicherung der Kegelstrahl-Projektionsdaten bekannt ist.
Die Kegelstrahl-Projektionsdaten aus dem DAS 17 werden an den Prozessor 18 geleitet. Dabei kann es sich um einen Computer handeln, der so programmiert ist, dass er die verschiedenen Datenumsetzungen vornimmt, die durch die Blöcke im Prozessor 18 dargestellt sind. Im Block 20 werden die Kegelstrahldaten in Radonableitungsdaten umgesetzt. Dies kann generell mit den Vorgehensweisen erfolgen, die im US-Patent 5,257,183 mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR CONVERTING CONE BEAM X-RAY PROJECTION DATA TO PLANAR INTEGRAL AND RECONSTRUCTING A THREE-DIMENSIONAL COMPUTERIZED TOMOGRAPHY (CT) IMAGE OF AN OBJECT, veröffentlicht am 26 Oktober 1993, beschrieben sind. Wie bereits angesprochen wurde und im Weiteren ausführlicher beschrieben wird, kann die Umwandlung in Ableitungsdaten gemäß der Beschreibung in unserem genannten US-Patent 5,257,183 Artefakte in das rekonstruierte Bild einfügen. Im Block 22 werden die Radonableitungsdaten an polaren Gitterpunkten in Radondaten umgewandelt, und zwar beispielsweise mit Hilfe der Vorgehensweise, die im US-Patent 5,446,776 mit dem Titel TOMOGRAPHY WITH GENERATION OF RADON DATA ON POLAR GRID POINTS, veröffentlicht am 8. August 1995, beschrieben ist.
Die Radondaten an den polaren Gitterpunkten werden in den Block 24 eingegeben, der mit bekannten Vorgehensweisen eine inverse 3D-Radontransformation ausführt, beispielsweise mit den im US-Patent 5,257,183 ausführlich beschriebenen Techniken. Im Block 26 werden die rekonstruierten Bilddaten entwickelt und anschließend vom Prozessor 18 in eine Anzeige 28 eingegeben, die in bekannter Weise arbeiten kann, damit eine 3D-CT-Abbildung eines Objekts 16 geliefert wird.
Eine ausführlichere Beschreibung der Blöcke in 1 findet man in den genannten Patenten.
Anhand von 2 wird nun eine Vorgehensweise zum Entwickeln der Ableitung der Radondaten, wie sie beispielsweise im US-Patent 5,257,183 ausführlich beschrieben ist, kurz erläutert. Die von der Erfindung bereitgestellte Verbesserung kommt insbesondere bei dieser Vorgehensweise zur Anwendung.
Wie bereits angesprochen werden im Block 20 die Kegelstrahldaten in Radonableitungsdaten umgewandelt. Im US-Patent 5,257,183 ist beschrieben, dass man dazu den Objektdichten-Flächenintegralwert des Röntgenstrahlen-Dämpfungskoeffizienten über einer Fläche Q benötigt, die die Quelle, das Objekt und den Detektor schneidet, damit man die Radondaten für jeden Punkt im Objekt entwickeln kann. 2 zeigt das Ergebnis einer Ebene Q (nicht dargestellt), die die Röntgenstrahlenquelle 10, den Punkt P im Träger (Bereich im Radonraum, in dem die Radontransformierte des Objekts von null verschieden ist) und den Detektor 12 schneidet. Die Ebene Q schneidet den Detektor 12 in einem Liniensegment L. Wie im US-Patent 5,257,183 ausführlich beschrieben ist, kann man die Radondaten nicht dadurch erhalten, dass man einfach die Kegelstrahl-Projektionsdaten entlang gerader Linien auf einer normierten Detektorebene integriert. (Werden die Daten auf dem Detektor von parallelen Röntgenstrahlen erzeugt, so liefert die Integration entlang gerader Linien auf der normierten Detektorebene die Radondaten.) Die im US-Patent 5,257,183 beschriebene Technik zum Gewinnen der Radondaten aus den integrierten Kegelstrahldaten besteht darin, die Ebene Q ein wenig um irgendeine Achse auf der Ebene zu drehen, die den Ursprung O enthält. Die Drehung erlaubt das Einführen eines Ableitungswerts für das Flächenintegral der Objektdichte auf der Ebene Q durch Berechnen der Differenz zwischen gewichteten Linienintegralen auf einem Paar benachbarter Liniensegmente L₁ und L₂ auf dem Detektor 12, wobei die Liniensegmente L₁ und L₂ einen geringen Abstand zum Liniensegment L haben und durch gedrehte Ebenen Q₁ bzw. Q₂ gebildet werden. Diese Vorgehensweise ermittelt die radiale Ableitung der Radondaten an einem Punkt P im Objekt anhand der folgenden Schritte:

1. Ermittle die Ebene Q, die durch den Punkt P und orthogonal zur Linie OP verläuft.
2. Ermittle das Liniensegment L, in dem die Ebene Q die normierte Detektorebene schneidet.
3. Suche den Punkt C auf dem Liniensegment L derart, dass die Linie SC orthogonal zum Liniensegment L verläuft.
4. Nehme irgendeinen Punkt C' auf dem Liniensegment L und definiere eine Drehachse a' als Linie von S nach C'. Drehe die Ebene Q gleichartig um einen kleinen Winkel ±δβ/2 um die Drehachse a', wodurch die Ebenen Q₁ bzw. Q₂ entstehen, und drehe das Liniensegment L um einen kleinen Winkel ±δβ'/2 um den Punkt C' auf der Detektorebene, wodurch die Liniensegmente L₁ bzw. L₂ entstehen. Die Ebenen Q₁ bzw. Q₂ schneiden die normierte Detektorebene 12 in den Liniensegmenten L₁ bzw. L₂.
5. Berechne die Größen J₁ und J₂ auf den Liniensegmenten L₁ und L₂.
6. Berechne den Winkel δβ anhand der Geometrie aus dem Winkel δβ'.
7. Nun erhält man die radiale Ableitung der Radondaten am Punkt P aus den J₁ und J₂ und δβ anhand der folgenden Gleichung:

Mit Hilfe der obigen Prozedur kann man die Radondaten für alle Ebenen erhalten, die durch das Objekt verlaufen und von der Kegelstrahlquelle bestrahlt werden. Diese Prozedur liefert jedoch nur dann eine gute Näherung der Ableitung des Objektdichten-Flächenintegrals, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

1. Der Abstand zwischen den Liniensegmenten L₁ bzw. L₂ ist klein; und
2. Die Liniensegmente L₁ bzw. L₂ haben gleiche Länge, und jedes Linienseg ment wird aus dem Liniensegment L durch entweder eine Translation orthogonal zum Liniensegment L oder eine Drehoperation um den Punkt C' erzeugt, siehe die Erläuterungen in 3a bzw. 3b. Die Gleichwertigkeit dieser Operationen wird leicht einsichtig, wenn man sich den Punkt C' unendlich weit vom Punkt C entfernt vorstellt.

In den meisten herkömmlichen Kegelstrahlsystemen ist die Bedingung (2) nicht kritisch, da sich jedes der Liniensegmente L, L₁ und L₂ in der Regel über das Kegelstrahlbild hinaus erstreckt und damit die Detektorwerte an den Endabschnitten der Liniensegmente L₁ und L₂ null sind. Damit verschwinden ihre Beiträge zu den gewichteten Integralen und haben keine Auswirkung.
In einem Kegelstrahl-Spiralabtastsystem, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist, ist jedoch das Objekt größer als das Sichtfeld, das der Detektor 12 bietet. Daher erstreckt sich das Kegelstrahlbild über die Ober- und Unterkante des Detektors 12 hinaus. Diese Situation ist ausführlicher in 4 dargestellt, in der eng benachbarte Linien 30, L und 32 abgebildet sind. Die Liniensegmente L₁ und L₂ sind gleich lang, und jedes Liniensegment wird aus der dazwischen liegenden Linie L durch eine Translation um eine Größe w in entgegengesetzten Richtungen orthogonal zum Liniensegment L erstellt (wie: in 3a allgemein dargestellt). Aus 4 geht jedoch hervor, dass eine orthogonale Verschiebung des Liniensegments L (dargestellt durch gestrichelte Linien) bei jedem Liniensegment L₁ und L₂ zu einem Endabschnitt führt, d. h. ΔL₁' und ΔL₂', der sich über die Unterkante 34 bzw. die Oberkante 36 des Detektors 12 hinaus erstreckt. Zudem weist ein Endabschnitt ΔL₁ der Linie 32 keinen zugehörigen Abschnitt auf der Linie 30 auf (d. h. keinen Abschnitt, der eine vergleichbare räumliche Position hat), und ein Endabschnitt ΔL₂ der Linie 30 weist keinen zugehörigen Abschnitt auf der Linie 32 auf. Sie können somit nicht als Ersatz für die verloren gegangenen Liniensegmente ΔL₁' und ΔL₂' verwendet werden. Da sich zusätzlich das Kegelstrahlbild über die Oberkante 36 und die Unterkante 34 des Detektors 12 hinaus erstreckt, sind die Intensitätswerte, die die Elemente des Detektors 12 in den Linienabschnitten ΔL₁ und ΔL₂ erfassen, von null verschieden.
Folglich verursacht der Gebrauch dieser von null verschiedenen Intensitätswerte von den Linienabschnitten ΔL₁ und ΔL₂ Fehler beim Berechnen der Ableitung des Flächenintegrals auf den Q-Ebenen, die den Detektor in den Linien 30 und 32 schneiden. Zur Vereinfachung seien derartige Fehler als Randfehler bezeichnet. Bei Detektoren mit verringerter Höhe, die beispielsweise gleich dem Abstand zwischen benachbarten Windun gen eines spiralförmigen Abtastwegs ist, wird die Länge der Linienabschnitte ΔL₁ und ΔL₂ bezogen auf die Länge der Linienabschnitte L₁ und L₂ wesentlich, und damit werden die Randfehler wesentlich. Man beachte, dass für Liniensegmente L₁ und L₂, die durch einen Drehvorgang der in 3b dargestellten Art erzeugt werden, derartige Randfehler unbedeutend sind, da der Term (t – ΔC) sich im Nenner der Gleichung befindet, die das Linienintegral J definiert, siehe die Beschreibung im US-Patent 5,341,460, mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING A THREE-DIMENSIONAL COMPUTERIZED TOMOGRAPHY IMAGE OF AN OBJECT WITH IMPROVED CONVERSION OF CONE BEAM DATA TO RADON DATA, veröffentlicht am 23 August 1994. Der Term (t – ΔC) stellt die Entfernung zwischen C' und P dar. Daher ist der Linienintegralwert für diesen Punkt umso kleiner, je größer die Entfernung zwischen C' und P ist. Folglich wird der Beitrag der Abschnitte ΔL₁ und ΔL₂ an den Enden der Liniensegmente L₁ und L₂ zu den Linienintegralwerten unwesentlich, da Punkte auf diesen Abschnitten am weitesten vom Punkt C' entfernt sind, an dem sich die Linien L₁ und L₂ schneiden.
Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann man die Fehler, die durch den Verlust der Linienabschnitte ΔL₁' und ΔL₂' verursacht werden, auf kostengünstige Weise vermeiden, indem man N (wobei N gleich 1 sein kann) Detektorzeilen über der Oberkante 36 des Detektors 12 und weitere N (wobei N gleich 1 sein kann) Detektorzeilen unter der Unterkante 34 des Detektors 12 hinzufügt, und dementsprechend den Umfang der orthogonalen Verschiebung vom Liniensegment L, der zum Erzeugen der Liniensegmente L₁ und L₂ verwendet wird, kleiner oder gleich dem N-fachen des Abstands zwischen den N Zeilen der Detektorelemente setzt, die den M Zeilen benachbart sind. In einer besonders kostengünstigen und bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zwischen allen Zeilen der Detektorelemente, die der Detektor 12 enthält, gleich, und es wird nur eine einzige zusätzliche Zeile an Detektorelementen an der Ober- und an der Unterkante des Detektors 12 hinzugefügt. Der Abstand zwischen dem Liniensegment L und jedem der Liniensegmente L₁ und L₂ wird so eingestellt, dass er kleiner oder gleich dem einfachen Abstand zwischen benachbarten Zeilen von Detektorelementen ist. Dies ist in 5 dargestellt. Dort sind zusätzlich N Zeilen Detektorelemente (wobei N gleich 1 sein kann) den M Zeilen Detektorelemente zwischen der vormaligen Oberkante 36 und der vormaligen Unterkante 34 des Detektors 12 hinzugefügt. In einer Ausführungsform kann M beispielsweise den Wert 80 haben, und jede Zeile kann beispielsweise 500 bis 1000 Elemente lang sein. Man beachte, dass die M Zeilen des nutzbaren Detektorbereichs durch die Spiralteilung bestimmt sind, siehe 5. Damit wären gemäß dem Stand der Technik nur diejenigen Kegelstrahldaten, die durch diese M Zeilen eingeschlossen sind, zum Berechnen des Ob jektdichten-Flächenintegrals erforderlich. Die Daten auf den beiden zugefügten Detektorzeilen wären redundant, wenn man sie nicht gemäß den Prinzipien der Erfindung zum Beseitigen der Randfehler einsetzt.
Berechnet man gemäß den Prinzipien der Erfindung, siehe nochmals 5, die gewichteten Linienintegrale, so werden die Projektionsdaten des Abschnitts ΔL₁ der Linie 32 nicht verwendet, und die Projektionsdaten des Abschnitts ΔL₂' der Linie 30 werden verwendet, so dass die oberen Enden der Liniensegmente L₁ und L₂ auch am oberen Ende des Liniensegments L orthogonal sind. In vergleichbarer Weise werden die Projektionsdaten des Abschnitts ΔL₂ der Linie 30 nicht verwendet, und die Projektionsdaten des Abschnitts ΔL₁' der Linie 32 werden verwendet, so dass die unteren Enden der Liniensegmente L₁ und L₂ auch am unteren Ende des Liniensegments L orthogonal sind. Nach diesen Operationen erfüllen die zwei Liniensegmente L₁ und L₂ die oben angegebene Bedingung (2) (d. h., beide sind gleich lang, und beide sind von L orthogonal verschoben). Damit werden die Randfehler vermieden, die beim Konvertieren der Projektionsdaten in Radondaten auftreten, wenn man einen Detektor mit nur M Zeilen verwendet.
Zudem benötigt man bei einer geeigneten Wahl der Translationsentfernung zwischen den Liniensegmenten L₁, L und L₂ in einer kostengünstigen bevorzugten Ausführungsform nur eine zusätzliche Detektorzeile an der Oberkante bzw. Unterkante des Detektors 12. Es sei nun 6 betrachtet (die eine Vergrößerung des Abschnitts in 5 in der Nähe des Segments ΔL₂' zeigt). Sei w der Abstand zwischen den Liniensegmenten L₁ und L sowie zwischen L₂ und L, und sei h die Höhe, um die ΔL₂' und ΔL₁' über die Oberkante bzw. Unterkante des Detektors 12 hinausragen. Man kann leicht sehen, dass gilt: H = wcosθwobei θ der Winkel ist, den die Liniensegmente L₁, L und L₂ mit den Zeilen der Detektorelemente im Detektor 12 einschließen. Da die größte Schwankung von cosθ gleich 1 ist, gilt h ≤ w. Wählt man w kleiner als den Abstand zwischen den Linien der Detektorelemente, so gilt ein Detektorzeilenabstand von h ≤ 1. Dieses Ergebnis zeigt, dass die beiden zugefügten Endabschnitte ΔL₁' und ΔL₂' innerhalb des Bereichs enthalten sind, der von einer einzigen zusätzlichen Detektorzeile 38 bzw. 40 begrenzt wird, die benachbart zu der früheren Oberkante 36 bzw. Unterkante 34 des Detektors 12 liegt.
Es sind ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung beschrieben worden, die es erlauben, einen Detektor mit relativ geringer Fläche in einer Kegelstrahl-CT- Bildgebereinrichtung zu verwenden, ohne dass Detektorrandfehler eingeschleust werden, die beim Rekonstruieren von Bildern Artefakte erzeugen. Zahlreiche Veränderungen, Abwandlungen, Variationen, andere Gebrauchsweisen und Anwendungen dieser Erfindung sind für Fachleute nach der Kenntnisnahme der Patentschrift und der beiliegenden Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenlegen, naheliegend. Beispielsweise könnten die M Detektorzeilen mehr als 2 Stufen des Spiralpfads überdecken, etwa 3 Stufen. Das Überdecken von 2 Stufen wäre jedoch die kostengünstigste Ausführungsform. Obwohl in der dargestellten Ausführungsform die M Detektorzeilen gleichen Abstand aufweisen, können in gewissen Anwendungen Zeilen von Detektorelementen mit ungleichmäßigem Abstand erwünscht sein. Zusätzlich kann der Abstand zwischen den M Zeilen gleichförmig sein, und für die N Zeilen der Elemente benachbart zu den M Zeilen kann ein unterschiedlicher Abstand verwendet werden, der größer oder kleiner ist als der Abstand zwischen den M Zeilen. Alle diese Veränderungen, Abwandlungen, Variationen, andere Gebrauchsweisen und Anwendungen, die den Bereich der Erfindung nicht überschreiten, werden als durch dieses Patent abgedeckt betrachtet, das nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt ist, die hinsichtlich der obigen Beschreibung zu interpretieren sind.

Claims

Abtast- und Datenerfassungsverfahren für die dreidimensionale computergestützte Tomographiebildgebung eines Objekts in einem Sichtfeld, umfassend die Schritte: Aussenden von Kegelstrahlenergie, die aus einer Kegelstrahlquelle stammt, auf mindestens einen Teil des Objekts; Herstellen einer Relativbewegung zwischen der Quelle und dem Objekt auf einer Spiralpfad-Abtasttrajektorie; Empfangen von Kegelstrahlenergie von der Quelle auf einem zweidimensionalen Flächendetektor, der so angeordnet ist, dass er die Kegelstrahlenergie empfängt, und Erzeugen von Kegelstrahl-Projektionsdaten daraus, wobei der Flächendetektor zahlreiche Detektorelemente umfasst, die in einem Feld aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, und M Zeilen von Detektorelementen zwischen der Ober- und Unterkante des Detektors vorhanden sind, und zwar zusammen mit mindestens einer Zeile zusätzlicher Detektorelemente benachbart sowohl zur Oberkante als auch zur Unterkante des Detektors; Erzeugen zahlreicher Liniensegmente L, die sich zwischen der Ober- und Unterkante des Flächendetektors erstrecken, wobei jedes Liniensegment L zum Bestimmen eines gegebenen Abtastwerts der Radondaten dient, und die M Zeilen der Detektorelemente des Flächendetektors mindestens zwei aufeinander folgende Spiralpfadwindungen abdecken, zwischen denen der größte Abstand auftritt; Berechnen von Radonableitungsdaten aus den Kegelstrahl-Projektionsdaten in benachbarten Detektorliniensegmenten L₁ und L₂, die parallel zum Liniensegment L sind und in einer orthogonalen Richtung dazu um eine Größe verschoben sind, die kleiner oder gleich der Gesamthöhe der zusätzlichen Zeile oder aller zusätzlichen Zeilen von Elementen des Flächendetektors ist; und Rekonstruieren eines Bilds des Objekts mit Hilfe der Radonableitungsdaten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Rekonstruierens eines Bilds das Ausführen einer inversen Radontransformation der Radonableitungsdaten enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Schritt des Berechnens der Radonableitungsdaten wiederholt wird, damit Radonableitungsdaten für alle Punkte im Radonraum des Objekts im Blickfeld erzeugt werden.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin der Schritt des Berechnens der Radonableitungsdaten für zahlreiche eng benachbarte Liniensegmente L wiederholt wird, die durch das Schneiden des Detektors mit einer jeweiligen Anzahl gedrehter Ebenen entstehen, die durch das Blickfeld laufen und auch die Abtasttrajektorie in mindestens einem Punkt schneiden.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin der Schritt des Berechnens der Radonableitungsdaten für jede Position aus einer Anzahl Positionen entlang der Abtasttrajektorie wiederholt wird.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin der Schritt des Herstellens einer Relativbewegung zwischen der Quelle und dem Objekt das Bewegen der Quelle entlang der Abtasttrajektorie in einem schrittweisen Abtastvorgang umfasst.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Schritt des Herstellens einer Relativbewegung zwischen der Quelle und dem Objekt das Bewegen der Quelle entlang der Abtasttrajektorie in einem kontinuierlichen Abtastvorgang umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin der Schritt des Herstellens einer Relativbewegung zwischen der Quelle und dem Objekt das Verschieben des Objekts umfasst, während die Quelle und der Detektor gedreht werden, damit man eine spiralförmige Relativbewegung der Quelle bezogen auf das Objekt erzielt.
Abtast- und Datenerfassungssystem für die dreidimensionale computergestützte Tomographiebildgebung eines Objekts (16), umfassend: eine Kegelstrahlquelle (10), die Kegelstrahlenergie auf mindestens einen Teil des Objekts (16) aussendet; einen zweidimensionalen Flächendetektor (12), der so angeordnet ist, dass er Kegelstrahlenergie von der Quelle (10) empfängt und daraus Kegelstrahl-Projektionsdaten erzeugt, wobei der Flächendetektor (12) zahlreiche Detektorelemente umfasst, die in einem Feld aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, und M Zeilen von Detektorelementen zwischen der Ober- und Unterkante des Detektors aufweist, und zwar zusammen mit mindestens einer Zeile zusätzlicher Detektor elemente benachbart sowohl zur Oberkante als auch zur Unterkante des Detektors; eine Abtastvorrichtung (6, 8), die eine Relativbewegung zwischen der Quelle (10) und dem Objekt (16) auf einer Spiralpfad-Abtasttrajektorie (14) bewirkt und zahlreiche Liniensegmente (L) erzeugt, die sich zwischen der Ober- und Unterkante des Flächendetektors (12) erstrecken, wobei jedes Liniensegment L zum Bestimmen eines gegebenen Abtastwerts der Radondaten dient, und die M Zeilen der Detektorelemente des Flächendetektors (12) mindestens zwei aufeinander folgende Spiralpfadwindungen abdecken, zwischen denen der größte Abstand auftritt; einen Prozessor (20), der die Radonableitungsdaten aus den Kegelstrahl-Projektionsdaten in benachbarten Detektorliniensegmenten L₁ und L₂ berechnet, die parallel zum Liniensegment L sind und in einer orthogonalen Richtung dazu um eine Größe verschoben sind, die kleiner oder gleich der Gesamthöhe der zusätzlichen Zeile oder aller zusätzlichen Zeilen von Elementen des Flächendetektors (12) ist; und eine Vorrichtung (22, 24, 26, 28), die ein Bild des Objekts (16) mit Hilfe der Radonableitungsdaten rekonstruiert.
System nach Anspruch 9, worin die M Zeilen der Detektorelemente mindestens zwei jedoch weniger als vier Spiralpfadwindungen überdecken.
System nach Anspruch 9 oder 10, worin die Vorrichtung (22, 24, 26, 28) zum Rekonstruieren eines Bilds eine Anzeige (28) umfasst, auf der ein Bild des Objekts (16) dargestellt wird, das auf den Radonableitungsdaten beruht.
System nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, worin die Vorrichtung (22, 24, 26, 28) zum Rekonstruieren eines Bilds einen Prozessor (24) enthält, der eine inverse Radontransformation der Radonableitungsdaten ausführt.
System nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, worin der Prozessor (20) die Berechnung der Radonableitungsdaten für zahlreiche eng benachbarte Liniensegmente L wiederholt, die durch das Schneiden des Detektors mit einer jeweiligen Anzahl gedrehter Ebenen entstehen, die durch das Blickfeld laufen und auch die Abtasttrajektorie in mindestens einem Punkt schneiden.
System nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 13, worin der Prozessor (18) die Berechnung der Radonableitungsdaten wiederholt, damit Radonableitungsdaten für alle Punkte im Radonraum des Objekts im Blickfeld erzeugt werden.
System nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 14, worin die Abtastvorrichtung (6, 8) bewirkt, dass sich die Quelle in einem kontinuierlichen Abtastvorgang entlang der Abtasttrajektorie bewegt.
System nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 14, worin die Abtastvorrichtung (6, 8) bewirkt, dass sich die Quelle in einem schrittweisen Abtastvorgang entlang der Abtasttrajektorie bewegt.
System nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 16, worin die Abtastvorrichtung (6, 8) das Objekt verschiebt und gleichzeitig die Quelle und den Detektor dreht, damit eine spiralförmige Relativbewegung der Quelle bezogen auf das Objekt erzielt wird.