-
ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf die Computertomographie(CT)-Bildgebung und
insbesondere auf Mehrschicht-CT-Scanner mit spiralförmigen Abtastwegen.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Spiral-CT-Scanner
sind in der Technik gut bekannt. Im Allgemeinen umfassen derartige
Scanner eine Röntgenröhre, die
an einer ringförmigen Gantry
befestigt ist, um sich kontinuierlich um eine abzubildende Person
zu drehen. Die Person liegt auf einer Liege, die simultan zur Umdrehung
der Röhre kontinuierlich
durch die Gantry bewegt wird. Eine Anordnung von Röntgendetektoren
auf der gegenüberliegenden
Seite der Röntgenröhre empfängt durch die
Person geleitete Strahlung. Die Detektoren erzeugen Signale proportional
zu dem auftreffenden abgeschwächt
Röntgenstrahlenfluss.
Die Signale werden vorverarbeitet, um Abschwächungsdaten zu erzeugen, mit
denen Bilder der Person rekonstruiert werden. Bei Scannern der „dritten
Generation" ist
die Anordnung von Detektoren an der Gantry befestigt, damit sie
zusammen mit der Röntgenröhre umläuft, während bei
Scannern der „vierten
Generation" die Detektoren
ringförmig
und im Allgemeinen stationär angeordnet
sind.
-
Die
Bewegungsachse der Liege (herkömmlicherweise
die Z-Achse) erstreckt sich im Allgemeinen parallel zur Längsachse
des Körpers
der Person und damit üblicherweise
rechtwinklig zur Ebene der Röhrenumdrehung.
Daher beschreibt die Röntgenröhre relativ
zur Person im Allgemeinen einen spiralförmigen Weg um diese Achse,
und die von der Röntgenstrahlendetektoranordnung
empfangenen Röntgenstrahlenabschwächungsdaten
entsprechen einer Reihe spiralförmig
angeordneter Winkelansichten durch die Person.
-
Um
basierend auf den spiralförmigen
Abtastansichten eine planare Querschnittsbildschicht der Person
in einer gewünschten
axialen Position zu rekonstruieren, werden mittels Interpolation
zwischen Daten, die in den ursprünglichen
Spiralwegansichten empfangen wurden, effektive Abschwächungswerte für jeden
aus einer Vielzahl von Punk ten um einen Umfang einer derartigen
planaren Schicht abgeleitet. Für
jeden aus der Vielzahl von Punkten entspricht der jeweilige effektive
Abschwächungswert
daher ungefähr
der Abschwächung
entlang der Strahlengänge innerhalb
der planaren Schicht, die den Punkt durchqueren. Wie in der Technik
bekannt ist, wird bei einer 360°-Rekonstruktion
die Vielzahl von Punkten über den
gesamten Umfang der Schicht verteilt. Bei der in der Technik ebenfalls
bekannten 180°-Rekonstruktion
werden die Punkte über
die Hälfte
des Umfangs plus dem „Fächerwinkel" verteilt, d.h. dem
vom fächerförmigen Röntgenstrahlenbündel abgedeckten winkelförmigen Sichtfeld.
(Zur Vereinfachung wird in der nachfolgenden Besprechung auf die
Gesamtwinkelgröße aller
Ansichten, die gemeinsam zur Rekonstruktion einer vollständigen planaren
Schicht herangezogen werden, als dem "Rekonstruktionswinkel" Bezug genommen, üblicherweise
360° oder
180°.) Die
interpolierten effektiven Abschwächungswerte werden
gefiltert und rückprojiziert,
um das Querschnittsbild zu erzeugen.
-
Um
effektive Abschwächungswerte
für einen gegebenen
Sichtwinkel und eine gegebene axiale Position abzuleiten, ist es
im Allgemeinen erforderlich, zwischen tatsächlichen Daten von mindestens zwei
verschiedenen Ansichten bei diesem Blickwinkel zu interpolieren,
der die axiale Position der planaren Schicht einschließt. Die
beiden Ansichten werden in aufeinander folgenden, durch den Gesamtrekonstruktionswinkel
getrennten Abtastsegmenten erfasst. Da zur Rekonstruktion jeder
planaren Bildschicht üblicherweise
Daten von zwei verschiedenen Abtastsegmenten kombiniert werden müssen, müssen die Daten
der früheren
der beiden Abtastungen in einem Pufferspeicher gespeichert werden.
Um ein einzelnes Querschnittsbild zu erzeugen, werden daher zwei
vollständige
Abtastungen benötigt,
die zweimal den Gesamtrekonstruktionswinkel umfassen. Die Rekonstruktion
jeder planaren Bildschicht bleibt hinter der Erfassung der Daten
in der früheren
der beiden Abtastungen um mindestens die Zeit zurück, die die
Röhre für eine vollständige Abtastung
um die Person herum benötigt.
Im Vergleich dazu können
bei axialen (Nicht-Spiral) CT-Scannern
aufeinander folgende Ansichten in einem „Pipeline"-Datenfluss verarbeitet werden, so dass
das Schichtbild nach Beendigung einer Einzelabtastung nur mit minimaler
Verzögerung
angezeigt wird. Die Zeitdifferenz bei der Spiral-Scan-Rekonstruktion
ist insbesondere dann von Nachteil, wenn CT-Scanner benutzt werden,
um den Verlauf eines physiologischen Vorgangs wie den Fluss eines
Kontrastmittels zu verfolgen.
-
Mehrschicht-Spiral-Scanner
sind in der Technik bekannt. Beispielsweise wird in der US-amerikanischen
Patentschrift 5.485.493, die durch Nennung als hierin auf genommen
betrachtet wird, ein Mehrfach-Detektorring-Spiral-Scanner mit relativ
justierbaren, spiralförmigen
Wegen beschrieben, bei dem entlang zweier paralleler Wege zwei benachbarte,
parallele Schichten simultan oder sequenziell erfasst werden. Mittels
Interpolation zwischen Daten, die entlang der beiden spiralförmigen Wege
erfasst wurden, werden Daten abgeleitet, die planaren Schichten
entsprechen.
-
Die
US-amerikanischen Patent 5.524.130 beschreibt eine Reihe von Verfahren
zur Benutzung eines Einzeldetektorring-Scanners, um mit einer verkürzten Zeit
zwischen der Rekonstruktion von Schichten aufeinander folgende,
axial voneinander getrennte Schichten zu liefern. Bei manchen dieser Verfahren
zeigt sich, dass Teilabtastdaten von einer Abtastung verwendet werden,
um Daten aus einer zweiten, zu einem anderen Zeitpunkt vorgenommenen
Abtastung zu ersetzen und so die Rekonstruktionszeit zu verkürzen.
-
Die
deutsche Patentanmeldung DE 42.24.249 A1 beschreibt einen Mehrreihen-Spiral-Scanner,
bei dem Mittel für
die Interpolation zwischen Intensitätsdaten dargelegt werden, die
simultan von Detektorelementen in axial benachbarten Reihen an einer
gegebenen Liegenposition erfasst werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zur Rekonstruktion
von On-line-Bildern anhand von Spiral-Computertomographiedaten zu schaffen.
-
Bei
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen die CT-Daten Mehrschicht-CT-Daten,
die mit einer mehrreihigen Detektoranordnung erfasst wurden.
-
In
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Mehrschicht-Spiral-CT-Scanner
eine Röntgenröhre, die
so befestigt ist, dass sie an einer ringförmigen Gantry über einer Liege,
auf der eine Person liegt, umläuft,
sowie eine Detektoranordnung. Die Liege wird durch die Gantry entlang
einer Translationsachse verschoben, die im Allgemeinen parallel
zur Längsachse
des Körpers der
Person verläuft.
Die Röntgenröhre beschreibt
daher eine im Allgemeinen spiralförmige Bahn um den Körper der
Person und bestrahlt die Person aus mehreren Positionen oder „Ansichten" entlang dieser Bahn.
Die Detektoranordnung umfasst vorzugsweise zwei oder mehr parallele
Reihen von Röntgendetektorelementen,
wobei jede Reihe eine Längsachse hat,
die in Bezug zur Längsachse
des Körpers
der Person im Allgemeinen in Umfangsrichtung angeordnet ist. Die
Detektorelemente empfangen Strahlung, die in jeder der Ansichten
den Körper
der Person durchquert hat, und erzeugen Signale in Reaktion auf die
Abschwächung
der Röntgenstrahlen.
-
Vorzugsweise
ist bei einer 360°-CT-Bildrekonstruktion
die Breite der der Strahlung ausgesetzten Detektoranordnung, gemessen
in einer Richtung parallel zur Translationsachse, wesentlich größer als die
Steigung der Spiralbahn. Bei einer 180°-CT-Bildrekonstruktion ist die Breite der
der Strahlung ausgesetzten Detektoranordnung wesentlich größer als
die Hälfte
der Steigung der Spiralbahn.
-
Für jede Ansicht
erzeugen die beiden oder mehreren Reihen der Anordnung simultan
entsprechende Linienabschwächungssignale.
Diese Signale werden auf eine in der Technik bekannte Weise vorverarbeitet.
Die resultierenden Linienabschwächungsdaten
werden interpoliert, um geometrisch korrigierte effektive Abschwächungswerte
zu erzeugen, die zu planaren, im Allgemeinen senkrecht zur Translationsachse
verlaufenden Schichten durch den Körper gehören. Die korrigierten effektiven
Abschwächungswerte
werden gefiltert und auf berechnete CT-Werte zurückprojiziert, die herangezogen
werden, um die CT-Querschnittsbilder im Wesentlichen in Echtzeit
zu aktualisieren.
-
In
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird für jeden aus der Vielzahl von
Peripheriepunkten jeder planaren Schicht ein effektiver Abschwächungswert
berechnet, indem eine gewichtete Interpolation zwischen ersten und
zweiten gemessenen Abschwächungswerten
durchgeführt
wird, die entsprechenden ersten und zweiten Linienabschwächungssignalen
innerhalb einer einzelnen, Mehrschichtansicht entnommen wurden.
Die Werte werden vorzugsweise durch lineare Interpolation berechnet,
können
alternativ aber auch mittels nichtlinearer oder anderen Spiral-Interpolationsverfahren
berechnet werden, die in der Technik bekannt sind. Die ersten und
zweiten Linienabschwächungssignale
werden jeweils von Daten abgeleitet, die simultan von ersten und
zweiten Reihen von Detektorelementen empfangen wurden. Daher ist
kein zusätzlicher
Pufferspeicher erforderlich, um Daten aus einer vorangegangenen
Abtastung zu speichern (obwohl die Daten auf Wunsch auch gespeichert
werden können),
und es kann ein vollständiges
CT-Querschnittsbild erfasst und sofort innerhalb eines Zeitfensters
rekonstruiert werden, das einer einzelnen Umdrehung der Röhre über den
Rekonstruktionswinkel entspricht.
-
In
einigen bevorzugten Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung wird eine Zeitsequenz von Bildern einer einzelnen
planaren Schicht an einer ausgewählten
axialen Position wie oben beschrieben rekonstruiert, indem von einer
Spiralabtastung in der Nähe
der Position erfasste Daten verwendet werden. Jedes Bild in der
Sequenz wird anhand von Daten rekonstruiert, die während eines
anderen Zeitfensters erfasst wurden. Die aufeinander folgenden Bilder
in der Sequenz werden vorzugsweise on-line verarbeitet und angezeigt,
wie beispielsweise in der israelischen Patentanmeldung Numer 120227
mit dem Titel „Real-time
Dynamic Image Reconstruction",
eingereicht am 20. Februar 1997, sowie einer entsprechenden PCT-Patentanmeldung
mit demselben Titel, eingereicht am selben Tag wie die vorliegende
Erfindung, beschrieben. Die Beschreibung dieser beiden Anmeldungen
wird durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet.
-
In
einigen bevorzugten Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung wird eine Reihe planarer Schichten an einer
entsprechenden Reihe axialer Positionen rekonstruiert, die einen
interessierenden Bereich innerhalb des Körpers der Person abdeckt. Die
Daten werden durch eine Spiralabtastung in einer Nähe einer
ersten Position in der Reihe erfasst. Anschließend wird eine erste planare
Schicht an einer ersten Position wie oben beschrieben rekonstruiert und
angezeigt, während
Daten in einer Nähe
einer zweiten, nachfolgenden Position in der Reihe erfasst werden.
Dieser Vorgang der Erfassung, Rekonstruktion und Anzeige wird vorzugsweise
in Hinblick auf eine dritte Position, vierte Position und so weiter über die
gesamte Reihe wiederholt.
-
Vorzugsweise
werden bei diesen bevorzugten Ausführungsformen die in der Nähe jeder
der Positionen erfassten Daten gespeichert und bei der nachfolgenden
Bildverarbeitung, -rekonstruktion und -anzeige verwendet. Daher
können
beispielsweise mindestens einige der in der Nähe der ersten Schicht erfassten
Daten in die Rekonstruktion der zweiten Schicht einbezogen werden,
und so fort. Durch die Verwendung derartiger überlappender Datensätze bei
der Rekonstruktion der Bildschichten an aufeinander folgenden Positionen
lassen sich Schichten mit engem Abstand erzeugen, so dass Merkmale
im Körper
der Person detaillierter zu sehen sind. Zusätzlich kann der CT-Scanner
dafür eingerichtet
sein, zwei oder mehr Schichten gleichzeitig zu rekonstruieren, so
dass mehrere Schichten in rascher Folge rekonstruiert und angezeigt
werden können.
-
Es
ist zu beachten, dass die Grundsätze
der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auch auf CT-Scanner der
dritten und vierten Generation sowie verschiedene Bildrekonstruktionsverfahren
anwendbar sind, einschließlich
der 180°-,
360°-, Fächerstrahl-
und Parallelstrahlrekonstruktion, wie sie in der Technik bekannt
sind. Obwohl die Z-Achse,
entlang der sich die Liege vorwärts
bewegt, bei den hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
im Allgemeinen rechtwinklig zur Umdrehungsebene der Röhre liegt, können darüber hinaus
die Grundsätze der
vorliegenden Erfindung in ähnlicher
Weise auf die CT-Bildrekonstruktion mittels winkliger spiralförmiger Abtastwege
angewandt werden, wie in einer PCT-Patentanmeldung PCT/IL97/00069,
eingereicht am 20. Februar 1997, mit dem Titel „Helical Scanner with Variably
Oriented Scan Axis",
unter dem Namen der Anmelderin der vorliegenden Erfindung, beschrieben,
deren Offenbarung durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet
wird. Diese Anmeldung benennt die Vereinigten Staaten.
-
Es
ist zu beachten, dass in der Beschreibung oben der Einfachheit halber
180°- und
360°-Umdrehungen
benutzt werden. Bei bestimmten Rekonstruktionsverfahren kann sich
die tatsächliche
Datenerfassung allerdings über
den Rekonstruktionswinkel plus den Fächerstrahlenbündelwinkel
erstrecken. Ein derartiger Rekonstruktionswinkel ist in der Bedeutung des
Ausdrucks „im
Allgemeinen gleich dem Rekonstruktionswinkel", wie er hier verwendet wird, enthalten.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird daher ein Verfahren zum Rekonstruieren einer planaren
Bildschicht in einem CT-Scanner geschaffen, der einen vorgegebenen Rekonstruktionswinkel
hat und eine Detektoranordnung mit n Reihen enthält, wobei n eine Ganzzahl größer als
1 ist, und wobei das genannte Verfahren Folgendes umfasst:
Erfassung
von Röntgenstrahlenabschwächungsdaten
von der Detektoranordnung entlang eines vorgegebenen Teils eines
spiralförmigen
Abtastweges in der Nähe
einer axialen, der planaren Bildschicht entsprechenden Position,
wobei der vorgegebene Teil ein Winkelmaß hat, das im Allgemeinen gleich
dem Rekonstruktionswinkel ist, und
Verarbeitung der Daten,
um ein Bild der Schicht zu rekonstruieren, indem im Wesentlichen
nur entlang des vorgegebenen Teils des Abtastweges erfasste Daten
verwendet werden.
-
Vorzugsweise
umfasst die Erfassung der Röntgenstrahlendaten
von der Detektoranordnung das Erfassen der Daten von Detektorelementen
in mindestens zwei Reihen der Detektoranordnung, und die Verarbeitung
der Daten umfasst das Interpolieren der von den mindestens zwei
Reihen erfassten Daten.
-
Vorzugsweise
umfasst die Erfassung der Röntgenstrahlenabschwächungsdaten
entlang des vorgegebenen Teils des spiralförmigen Abtastweges das Erfassen
von Daten entlang eines spiralförmigen Abtastweges
mit einer Steigung, die kleiner ist als das (n – 1)/n-fache einer Breite der Detektoranordnung
ist oder dem (n – 1)/n-fachen
einer Breite der Detektoranordnung entspricht, gemessen in der axialen
Richtung, und wobei das Verarbeiten der Daten für die Bildrekonstruktion die
Verarbeitung der Daten mittels 360°-Rekonstruktion umfasst.
-
Alternativ
umfasst die Erfassung der Röntgenstrahlenabschwächungsdaten
entlang des vorgegebenen Teils des spiralförmigen Abtastweges das Erfassen
von Daten entlang eines spiralförmigen
Abtastweges mit einer Steigung, die kleiner ist als das 2(n – 1)/n-fache
einer Breite der Detektoranordnung oder dem 2(n – 1)/n-fachen einer Breite
der Detektoranordnung entspricht, gemessen in der axialen Richtung,
und wobei das Verarbeiten der Daten für die Bildrekonstruktion die
Verarbeitung der Daten mittels 180°-Rekonstruktion umfasst.
-
Vorzugsweise
umfasst das Verarbeiten der Daten für die Rekonstruktion des Bildes
die Verarbeitung der Daten für
einen vorgegebenen Teil, während die
Daten erfasst werden.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens umfasst die Datenerfassung entlang eines zweiten,
nachfolgenden Teils des Abtastweges, wobei die Verarbeitung der
Daten für
die Bildrekonstruktion das Verarbeiten der entlang des vorgegebenen Teils
des spiralförmigen
Abtastweges erfassten Daten umfasst, während die Daten entlang des
zweiten Teils erfasst werden. Vorzugsweise beinhaltet die Verarbeitung
der entlang des vorgegebenen Teils des spiralförmigen Abtastweges erfassten
Daten die Anzeige des Bildes, während
Daten entlang des zweiten Teils erfasst werden. Vorzugsweise beinhaltet
das Verfahren die Verarbeitung der entlang des zweiten Teils des
Abtastweges erfassten Daten, um ein zweites Bild zu rekonstruieren.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren weiterhin das Speichern mindestens
einiger der entlang des vorgegebenen Teils des spiralförmigen Abtastweges
erfassten Daten, wobei die Verarbeitung der entlang des zweiten
Teils des Abtastweges erfassten Daten das Verarbeiten der entlang
des zweiten Teils des Abtastweges erfassten Daten zusammen mit den
gespeicherten, entlang des vorgegebenen Teils erfassten Daten umfasst,
um das zweite Bild zu rekonstruieren.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Verarbeitung der entlang des zweiten Teils
des Abtastweges erfassten Daten für die Rekonstruktion des zweiten
Bildes das Ableiten von CT-Werten von den Daten sowie die Mittelwertbildung
der Werte mit anderen CT-Werten, die von den entlang des vorgegebenen
Teils des Abtastweges erfassten Abschwächungsdaten abgeleitet wurden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Verarbeitung der entlang des zweiten Teils
des Abtastweges erfassten Daten für die Rekonstruktion des zweiten
Bildes das Ableiten von CT-Werten von den Daten sowie das Subtrahieren
der Werte von anderen CT-Werten, die von den entlang des vorgegebenen
Teils des Abtastweges erfassten Abschwächungsdaten abgeleitet wurden.
-
Vorzugsweise
umfasst die Verarbeitung der entlang des zweiten Teils des Abtastweges
erfassten Daten für
die Rekonstruktion des zweiten Bildes das Erzeugen eines Bildes
der Schicht mit einer verbesserten Bildqualität. Vorzugsweise umfasst die
Verarbeitung der entlang des zweiten Teils des Abtastweges erfassten
Daten für
die Rekonstruktion des zweiten Bildes das Erzeugen eines Bildes,
das eine Veränderung
im Körper
der Person in Nähe
der Schicht zeigt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Verarbeitung der Daten das Anzeigen des
Bildes und des zweiten Bildes in einem Cine-Modus.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Rekonstruieren einer
planaren Bildschicht in einem Spiral-CT-Scanner mit einem vorgegebenen
Rekonstruktionswinkel und einschließlich einer Detektoranordnung
mit einer Vielzahl von Detektorreihen geschaffen, wobei das Verfahren
Folgendes umfasst:
Rekonstruieren der genannten Schichten anhand von
Daten, die während
eines ersten Zeitfensters erfasst wurden, um ein erstes Bild zu
erzeugen; und
Rekonstruieren der genannten Schicht anhand von Daten,
die während
eines späteren
Zeitfensters erfasst wurden, um ein zweites Bild zu erzeugen.
-
Vorzugsweise
beinhaltet das Verfahren das aufeinander folgende Anzeigen des genannten
ersten und des genannten zweiten Bildes.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden das erste und das zweite Bild anhand von Daten
rekonstruiert, die durch mehr als eine Reihe von Detektoren erfasst
wurden, und unterscheidet sich mindestens eine der zum Rekonstruieren
eines der Bilder verwendeten Reihen von jeder der anderen zum Rekonstruieren
des anderen Bildes verwendeten Reihen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Verfahren die Rekonstruktion und Anzeige
eines dritten Bildes der Schicht aus Daten, die während eines
dritten Zeitfensters erfasst wurden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird sich aus der fol genden detaillierten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
in Verbindung mit der Zeichnung ergeben. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Mehrschicht-Spiral-CT-Scanners, der gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung funktioniert;
-
2 ein
Diagramm, das schematisch einen Aspekt der Funktion des in 1 dargestellten
Scanners gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
3 ein
Diagramm, das schematisch den Aspekt der Funktion des in 2 dargestellten
Scanners gemäß einer
alternativen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
-
4 ein
Diagramm, das schematisch einen Aspekt der Funktion des in 1 dargestellten
Scanners gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Es
wird nun Bezug auf 1 genommen, die schematisch
einen CT-Scanner 20 zeigt,
der gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung funktioniert. Der Scanner 20 umfasst eine
Liege 24, die von einer Basis 26 getragen wird, und
auf der eine Person 22 liegt, deren Körper von dem Scanner abgebildet
wird. Der Scanner 20 umfasst weiterhin eine Röntgenröhre 28,
die die Person 22 bestrahlt, sowie eine Detektoranordnung 30,
die Röntgenstrahlen
von der Röhre 28 empfängt und
Signale in Reaktion auf die Abschwächung der den Körper der
Person durchdringenden Röntgenstrahlen
erzeugt. Vorzugsweise umfasst die Anordnung 30 mehrere
parallele Reihen von Röntgenstrahldetektorelementen 23.
Die Röhre 28 und
die Anordnung 30 sind so an einer ringförmigen Gantry 32 befestigt, dass
sie die Person 22 umkreisen können. Gleichzeitig wird die
Liege 24 durch die Gantry 32 entlang einer Achse 34 vorwärts bewegt,
die als Z-Achse des Abtastkoordinatensystems angenommen wird. Die Z-Achse 34 verläuft im Allgemeinen
parallel zur Längsachse
des Körpers
der Person.
-
Der
Scanner 20, wie in 1 abgebildet,
ist von einem in der Technik als CT-Scanner der dritten Generation
bekannten Typ, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Röhre 28 als
auch die Detektoranordnung 30 die Person 22 umkreisen.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Grundsätze der vorliegenden Erfindung
und die Verfahren der unten zu beschreibenden Bildrekonstruktion
gleichermaßen
auch auf andere Typen von CT-Scannern
anwendbar sind, insbesondere auf CT-Scanner der vierten Generation,
bei denen die Detektoren einen im Wesentlichen stationären Ring
um die Person 22 bilden.
-
Indem
sich die Röhre 28 dreht
und sich die Liege 24 vorwärts bewegt, beschreibt die
Röhre einen
im Allgemeinen spiralförmigen
Weg um die Achse 34. Die Liege 24 bewegt sich
vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit,
so dass der spiralförmige
Weg eine konstante Steigung hat. An jeder aus einer Vielzahl ausgewählter Positionen
der Röhre 28,
die im Allgemeinen in gleichmäßigen Abständen entlang
dieses Weges angeordnet sind, erfasst eine Datenerfassungschaltung 36 eine „Ansicht", d.h. die Schaltung
empfängt
Signale von jedem Element 23 der Anordnung 30 in
Reaktion auf die Röntgenstrahlenabschwächung entlang
eines Strahlengangs von der Röhre 28 zum
Element. Jede dieser Ansichten umfasst eine Vielzahl von parallelen Linienabschwächungssignalen,
wobei jedes derartige Liniensignal einer von mehreren Reihen der
Anordnung 30 entspricht.
-
Für jede Ansicht
führt die
Datenerfassungsschaltung 36 eine Signalnormalisierung sowie
logarithmische Operationen durch, wie sie in der Technik bekannt
sind, um für
jedes der Elemente 23 entsprechende Röntgenstrahlenabschwächungsdaten
abzuleiten. Eine Bildrekonstruktionsschaltung 40 empfängt diese
Daten und führt
Interpolationsoperationen durch, um an einer Vielzahl von Punkten
am Umfang einer planaren Bildschicht an einer ausgewählten Position
entlang der Z-Achse 34 effektive Abschwächungswerte abzuleiten. Für jeden
aus der Vielzahl von Punkten entspricht jeder derartige effektive
Abschwächungswert
der Abschwächung
entlang eines Strahlengangs in der Schicht, der den Punkt durchquert.
Diese Effektivwerte werden mittels in der Technik bekannter Verfahren
gefiltert und rückprojiziert,
um eine korrigierte, planare Bildschicht an der ausgewählten Position
zu erzeugen. Normalerweise wird eine Vielzahl dieser planaren Bildschichten
erzeugt, um einen dreidimensionalen CT-Bildsatz des Körpers der
Person 22 zu rekonstruieren. Vorzugsweise werden diese
Bildschichten in einem Bildspeicher 42 gespeichert und
von einer Anzeigeeinheit 44 angezeigt, und können andernfalls
wie in der Technik bekannt gedruckt und/oder verarbeitet werden.
-
In 2 ist
die Funktion eines CT-Scanners 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Anordnung 30 umfasst
vier parallele, benachbarte Reihen von Detektoren 23, von
denen simultan Signale bei jedem Sichtwinkel θ empfangen werden. 2 zeigt
die jeweiligen Detektionsbereiche der vier Reihen (entlang der Z-Achse),
bezeichnet mit ROW 1 bis ROW 4, über
eine 360°-Umdrehung der Gantry 32.
Wie oben beschrieben, bewegen sich die Reihen der Anordnung 30 simultan
zur Umdrehung der Röhre 28 entlang
der Z-Achse vorwärts,
so dass der Sichtwinkel θ bei
jeder Umdrehung des oben genannten, von der Röhre beschriebenen spiralförmigen Weges
linear mit Z von θ0 bis θ0 + 360° zunimmt.
-
Wie
in 2 gezeigt, hat der spiralförmige Weg vorzugsweise eine
Steigung, die 3/4 der Gesamtbreite der Anordnung 30 in
der Z-Richtung entspricht. Es können
auch andere Steigungswerte verwendet werden, und die Grundsätze der
vorliegenden Erfindung können,
wie nachstehend beschrieben, in gleicher Weise auf CT-Scanner angewandt werden,
die Detektoranordnungen mit zwei, drei oder mehr Reihen umfassen.
Bei einer 360°-Rekonstruktion
und einer 2-Punkt-Interpolation der Abschwächungswerte ist die Steigung
des spiralförmigen
Weges vorzugsweise gleich oder kleiner als (n – 1)/n, wobei n die Anzahl
der Reihen der Detektoranordnung ist. Unter diesen Bedingungen kann,
wie nachfolgend beschrieben, anhand der über eine einzelne 360°-Umdrehung
der Gantry 32 erfassten Daten ein Bild rekonstruiert werden.
-
Um
an der Position Z0 eine planare Bildschicht
zu rekonstruieren, werden von einer Vielzahl von Ansichten innerhalb
einer einzelnen Umdrehung der Röhre 28,
beginnend und endend bei einem Umdrehungswinkel θ0,
Abschwächungsdaten
erfasst, wie in 2 dargestellt. Für jeden
Wert von θ am Umfang
der Schicht bei Z0 wird ein effektiver Abschwächungswert
bestimmt, indem zwischen gemessenen Abschwächungsdaten, die in einer einzelnen
Ansicht von zwei Reihen der Anordnung 30 erfasst wurden,
interpoliert wird. So wird beispielsweise ein effektiver Abschwächungswert
gefunden, der einem Blickwinkel θ1 in der planaren Schicht bei Z0 entspricht,
indem zwischen gemessenen Daten der Reihen 2 und 3 bei diesem Sichtwinkel
interpoliert wird. Auf diese Weise wird die gesamte planare Schicht bei
Z0 (oder jeder anderen Z-Achsenposition)
anhand von Abschwächungsdaten
rekonstruiert, die während einer
einzelnen Umdrehung entlang des spiralförmigen Weges der Röhre 28 erfasst
wurden.
-
Auf
Wunsch ist es daher möglich,
das Bild in Echtzeit zu rekonstruieren, während die Gantry den Patienten
umkreist und Daten erfasst werden. Das Bild wird sehr bald nach
Abschluss der Umdrehung auf einer Anzeigeeinheit 44 angezeigt.
-
Wenn
die Steigung des spiralförmigen
Weges der Röhre 28 im
Wesentlichen kleiner als das (n – 1)/n-fache der Breite der
Anordnung 30 ist, wenn die Steigung beispielsweise gleich
der Hälfte
der Breite ist, dann können,
gemäß den Grundsätzen der vorliegen den
Erfindung, effektive Abschwächungswerte
auch zwischen gemessenen Daten von mehr als zwei Reihen bei jedem
Sichtwinkel innerhalb einer einzelnen Umdrehung der Röhre interpoliert
werden. Eine derartige Erweiterung des Interpolationsbereichs kann
hilfreich sein, um Bildartefakte zu reduzieren.
-
Bei
der hier unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen
bevorzugten Ausführungsform
wird davon ausgegangen, dass der CT-Scanner 20 zur Erzeugung
der planaren Bildschichten eine 360°-Rekonstruktion verwendet. Hier
und in Hinblick auf andere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden, ist zu beachten,
dass im Wesentlichen ähnliche
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auch bei Verwendung einer 180°-Rekonstruktion
möglich
sind. Bei der 180°-Rekonstruktion
werden planare Bildschichten anhand von Daten von nur einer halben
Umdrehung rekonstruiert, wobei die Ansichten 180° oder etwas mehr abdecken, wie
in der Technik bekannt ist. Die 180°-Technik erlaubt eine schnellere
Rekonstruktion, jedoch einhergehend mit einer geringeren Auflösung und
einem geringeren Kontrast und/oder mit zunehmenden Bildartefakten. Bei
diesen Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung versteht es sich, sofern nichts anderes angegeben ist,
dass die in Bezug auf die 360°-Rekonstruktion
beschriebenen Verfahren auch auf die 180°-Rekonstruktion anwendbar sind
und umgekehrt, wobei die Abtastwinkel erforderlichenfalls entsprechend
angepasst werden.
-
3 zeigt
schematisch in ähnlicher
Weise wie 2 die Funktion des CT-Scanners 20 bei
einer 180°-Rekonstruktion
gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Eine Bildschicht bei Z0 wird
anhand von Daten rekonstruiert, die von den vier Reihen der Anordnung 30 über eine
halbe Umdrehung der Gantry 32 von θ0 bis θ0 + 180° erfasst
wurden. Die Verwendung der 180°-Rekonstruktion
macht es möglich,
dass der spiralförmige
Weg der Röhre 28 eine
wesentlich größere Steigung
haben kann als bei der 360°-Rekonstruktion.
Bei dem in 3 dargestellten Fall ist die
Steigung gleich dem 1,5-fachen der Breite der Detektoranordnung 30.
Bei einer 180°-Rekonstruktion gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung und Verwendung einer Anordnung mit n Reihen,
ist die Steigung vorzugsweise gleich oder kleiner als das 2(n 1)/n-fache der Breite
der Anordnung.
-
Wie
oben beschrieben werden bei der 180°-Rekonstruktion üblicherweise
Daten verwendet, die über
ein Winkelmaß erfasst
wurden, das etwas größer als
180° ist,
im Allgemeinen um einen Betrag, der dem Fächerwinkel des Röntgenstrahlenbündels ent spricht.
Um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen,
wird diese Differenz nicht berücksichtigt.
Dem Fachmann wird klar sein, wie die hier beschriebenen Verfahren
angepasst werden können,
um den Fächerwinkel
zu berücksichtigen.
-
4 zeigt
schematisch die Z-Dimension des von jeder der Reihen der Anordnung über eine 360°-Umdrehung
der Gantry 32 abgedeckten Detektionsbereichs, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die vertikale Achse links im Diagramm
zeigt den Sichtwinkel θ,
wie oben beschrieben. Die vertikale Achse rechts im Diagramm zeigt
die durchschnittliche Zeit, in der die aufeinander folgenden Ansichten
erfasst werden, wobei die Abtastung zu einem Zeitpunkt T0 beginnt und TR die
für eine
vollständige
Umdrehung der Gantry 32 erforderliche Zeit angibt. Es ist
zu beachten, dass aufgrund des Fächerstrahl-zu-Parallelstrahl-Rebinning
jede Ansicht tatsächlich
während
eines kurzen Zeitfensters und nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt
erfasst wird. Der in 4 dargestellte spiralförmige Abtastweg
hat eine Steigung, die der Hälfte
der Breite der Anordnung entspricht.
-
Wie
in 4 dargestellt, und von der Verwendung einer 180°-Rekonstruktion ausgehend, kann
ein der axialen Position Z0 entsprechendes
Bild anhand von Daten rekonstruiert werden, die von ROW 1 und ROW
2 über
ein Zeitfenster von T0 bis T0 +
TR/2 erfasst wurden. In ähnlicher Weise kann anhand
von Daten, die von ROW 2 und ROW 3 über ein Zeitfenster von T0 + TR/2 bis T0 + TR erfasst wurden, bei
Z0 ein zweites Bild rekonstruiert werden.
Anschließend
kann von ROW 3 und ROW 4 ein weiteres derartiges Bild rekonstruiert
werden, und in ähnlicher Weise
anhand der über
eine beliebige halbe Umdrehung innerhalb des Zeitintervalls von
T0 bis T0 + 3TR/2 ein Bild bei Z0 rekonstruiert
werden. Jedes der auf diese Weise rekonstruierten Bilder stellt
im Wesentlichen dieselbe Querschnittsschicht durch die Person 22 dar,
gesehen in einem entsprechenden anderen Zeitfenster.
-
Vorzugsweise
werden die aufeinander folgenden Zeitfenstern entsprechenden Bilder
während der
Abtastung in Form einer Pipeline-Verarbeitung rekonstruiert und
on-line auf der Anzeigeeinheit 44 dargestellt. Noch günstiger
ist es, wenn die Bilder nacheinander in einem quasi-kontinuierlichen „Cine-Modus" angezeigt werden
und dadurch an der Schichtposition Z0 auftretende
Veränderungen
im Körper
der Person 22 zeigen.
-
Alternativ
oder zusätzlich
können
auf diese Weise Bilder bei Z0 mit überlappenden
Zeitfenstern rekonstruiert und angezeigt werden. Um den Rechenaufwand
zu reduzieren, wird in diesem Fall vorzugsweise nicht das ganze
Bild für
jedes Zeitfenster rekon struiert. Stattdessen wird für jedes
nachfolgende, überlappende
Fenster eine Teilmatrix neuer CT-Werte errechnet und zum Bild addiert,
während eine
entsprechende Matrix von der ersten Hälfte des Fensters subtrahiert
wird. Alternativ kann die neue Matrix mit der entsprechenden Matrix
aus dem vorhergehenden Fenster gemittelt werden, um die Bildqualität zu modifizieren
und/oder zu verbessern. Verfahren zum Modifizieren und Aktualisieren
des Bildes werden in der oben genannten PCT-Patentanmeldung mit
dem Titel „Realtime
Dynamic Image Reconstruction" näher beschrieben,
die durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird.
-
Bei
der 360°-Rekonstruktion
können
Bildschichten auf ähnliche
Weise erfasst und aktualisiert werden, solange die Steigung des
spiralförmigen Weges
der Röhre 28 im
Wesentlichen kleiner als das (n – 1)/n-fache der Breite der
Anordnung 30 ist.
-
Vorzugsweise
wird eine Reihe planarer Schichten an einer entsprechenden Reihe
axialer Positionen rekonstruiert, die einen interessierenden Bereich
im Körper
der Person 22 abdecken. Die erste Position in einer solchen
Reihe kann beispielsweise Z0 sein, gefolgt
von nachfolgenden Positionen Z1, Z2 usw. entlang der Z-Achse, wie in 4 dargestellt. Eine
Bildrekonstruktionsschaltung 40 empfängt Daten über einen Winkelbereich, der
im Wesentlichen gleich dem Rekonstruktionswinkel ist, und rekonstruiert
bei Z0 eine erste planare Bildschicht, wie
oben beschrieben. Während
die Schicht bei Z0 rekonstruiert wird, werden
Daten über
einen ähnlichen
Winkelbereich in der Nähe
von Z1 erfasst. Vorzugsweise wird die Bildschicht
bei Z0 von einer Anzeigeeinheit 44 angezeigt,
während
die Schicht bei Z1 rekonstruiert wird. Vorzugsweise
wird dieser Vorgang der Datenerfassung, Rekonstruktion und Anzeige
in Bezug auf Z2 und so weiter über die
gesamte Reihe wiederholt.
-
Ferner
werden vorzugsweise die in der Nähe jeder
der Positionen Z0, Z1,
Z2 usw. erfassten Daten gespeichert und
bei der nachfolgenden Bildverarbeitung, Rekonstruktion und Anzeige
verwendet. Somit werden beispielsweise wenigstens einige der bei
der Rekonstruktion der Schicht bei Z0 verwendeten
Daten in die Rekonstruktion der Schicht bei Z1 und
so weiter aufgenommen. Durch die Verwendung derartiger sich überlappender
Datensätze
bei der Rekonstruktion von Bildschichten an aufeinander folgenden Positionen
lassen sich Schichten mit engem Abstand erzeugen, so dass Merkmale
im Körper
der Person detaillierter zu sehen sind. Zusätzlich ist die Bildrekonstruktionsschaltung 40 vorzugsweise
dafür eingerichtet,
zwei oder mehr derartige Schichten gleichzeitig zu rekonstruieren,
so dass in rascher Folge mehrere Schichten rekonstruiert und angezeigt
werden können.
-
Für den Fachmann
wird offensichtlich sein, dass die Grundsätze der vorliegenden Erfindung
auf verschiedene Arten von CT-Scannern anwendbar sind, einschließlich Mehrschicht-Scanner,
die mehrere planare Bildschichten gleichzeitig erzeugen können, und
Schräg-Scanner,
die Bildschichten entlang von Ebenen in schiefen Winkeln relativ
zur Längsachse
des Körpers
der Person 22 erzeugen.
-
Es
ist zu beachten, dass in der obigen Beschreibung der Einfachheit
halber 180°-
und 360°-Umdrehungen
benutzt werden. Bei bestimmten Rekonstruktionsverfahren kann sich
die tatsächliche Datenerfassung
allerdings über
den Rekonstruktionswinkel plus den Fächerstrahlenbündelwinkel
erstrecken. Ein derartiger Rekonstruktionswinkel ist in der Bedeutung
des Ausdrucks „im
Allgemeinen gleich dem Rekonstruktionswinkel", wie er hier verwendet wird, enthalten.
-
Ferner
ist zu beachten, dass die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
als Beispiel angeführt
werden und der vollständige
Umfang der Erfindung nur durch die Ansprüche beschränkt wird.
-
Text in der
Zeichnung
-
1
- System
control unit
- Systemsteuerung
- Data
acquisition circuitry
- Datenerfassungschaltung
- Image
reconstruction circuitry
- Bildrekonstruktionsschaltung
- Image
memory
- Bildspeicher
- Display
unit
- Anzeigeeinheit
-
2
- Row
- Reihe
- Pitch
- Steigung