NL8501700A

NL8501700A - Werkwijze en inrichting voor het corrigeren van de ruimtelijke uitlijning bij rotatie gammacamera's.

Info

Publication number: NL8501700A
Application number: NL8501700A
Authority: NL
Original assignee: Technicare Corp
Priority date: 1984-06-18
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1986-01-16
Also published as: JPS6113170A; DE3521293C2; DE3521293A1; JPH0679066B2; US4582995A

Description

* Jy N. 0.3324-8 1

Werkwijze en inrichting voor het corrigeren van de ruimtelijke uitlijning bij rotatie gammacamera * s« 5 De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op scintillatie of gammacamera's, en heeft in het bijzonder betrekking op een soort van deze camera's dat ontworpen is om rond een patiënt te draaien ten behoeve van emissieberekende axiale tomografie, waarnaar soms verwezen wordt met ECT of ECAÏ of SPECT, bij 10 enkelvoudige-fotonenemissieberekende tomografie.

Van oudsher is de nucleaire geneeskunde gericht j geweest op het opwekken van uit een belangwekkend volume afgeleide ! twee-dimensie beelden, ofschoon men ook een verscheidenheid van afbeeldingsinrichtingen heeft voorgesteld om een afbeelding in drie 15 dimensies onder toepassing van een gammacamera van het Angertype teweeg te brengen. Sinds 1980 ongeveer hebben verscheidene fabrikanten van | nucleaire camera's in de handel nucleaire camerasystemen van het draaitype met een draaibare detector of camerakop met een evenwijdige gatcollimator voor gegevensverzameling en een bijbehorende digitale 20 computer geïntroduceerd. De computer verwerkt de verzamelde gegevens en voert bekende algoritmen van het CT-type uit om tomogrammen te reconstrueren, d.w.z. twee-dimensie beelden van een patiënt langs een de patiënt doorsnijdend vlak.

Een voorbeeld van een dergelijk ECT systeem is 25 beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.426.578 van Bradcovich e.a. zij hebben een systeem uitgevonden dat voorzien is van een tegengebalanceerde C-arm die een camerakop aan één einde daarvan draagt voor draaiing rond een lengte-as van een patiënt. De radiale afstand tussen de camerakop en de lengte-as is instelbaar door verplaatsing van 30 de C-arm langs een omtreksbaan ten opzichte van een zogenaamd draagorgaan dat de C-arm draaibaar aan een vaste basis bevestigt.

Een andere ECT inrichting is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.216.381 van Lange, welke inrichting voorzien is van een draaibare detectorkop die gedragen wordt door een 35 paar lange frame-organen die draaibaar de detectorkop ondersteunen wanneer deze rond een lengte-as van een patiënt draait. Bij deze uitvoering van Lange wordt de radiale afstand tussen de lengte-as en de detectorkop ingesteld door het paar lange frame-organen te kantelen die binnen een op hun beurt door een paar opstaand stijlen ondersteund i- , · - -» Λ t ö ; -· j c ί *ΐ 2 cirkelvormig frame gemonteerd zijn.

Onafhankelijk van het type inrichting dat gebruikt wordt om de draaibare camerakop te ondersteunen, zijn de reconstructie algoritmen altijd gebaseerd op de verzameling van projectiegegevens die 5 in een stel waarneemhoeken om de patiënt heen door de draaidetector en opvolgende terugprojectie van de gegevens door middel van de computer verworven zijn. Voor een gedetailleerde discussie van de algemene benadering wordt bijvoorbeeld verwezen naar "Computed tomography in nuclear medicine" van Keyes Jr. Een nauwkeurige retracering van 10 projectielijnen tijdens de terugprojectie is essentieel om een goede beeldresolutie en kwaliteit te waarborgen. Bij ECT bedrijf wordt een belangrijke verslechtering in beeldkwaliteit veroorzaakt door afwijkingen tussen de feitelijke fotonenbanen van de verzamelde gegevens en hun tijdens terugprojectie getraceerde banen.

15 Onafhankelijk van het specifieke type van reconstructie algoritme dat gebruikt wordt voor het opwekken van de gewenste planaire beelden of tomogrammen, nemen de technieken onveranderlijk aan dat de camerakop altijd de verwachte baan volgt. In de praktijk echter wijkt de feitelijke baan van de detector af van de 20 verwachte baan zodat zijn positie in elke hoek enige offset zal vertonen die meestal veroorzaakt wordt door mechanische buiging in het detectordraagstelsel en in mindere mate door electronische beeldvlakverschuiving. Deze wordt veroorzaakt door lichte variaties in de werking van de fotovermenigvuldiger buizen van de camera die een 25 gevolg is van de variërende uitrichting tussen het detectorvlak en het magnetische aard/omgevingsveld. Deze afwijkingen zijn grotendeels genegeerd met als gevolg fouten in het gereconstrueerde beeld.

Fouten van dit type zijn in het algemeen onvermijdelijk. Het is echter gebleken dat zij niettemin voorspelbaar 30 zijn daar de grootte van de afwijking in een willekeurig bepaald systeem meetbaar is. Terwijl de grootte van de afwijking variëert als functie van de waarneemhoek hebben de fouten de neiging om van draaiing tot draaiing over een lange tijdsperiode betrekkelijk constant te zijn.

35 De uitvinders hebben thans een werkwijze uitgevonden voor het corrigeren van afwijkingen in de feitelijke detectorpositie van een draaiende gammacamera ten opzichte van de verwachte positie in elke draaihoek door de plaats van elk gammavoorval over een bekende offset waarde in de x, y richtingen bij elke waarneemhoek op een 8501700 «· * 3 geval-per-geval basis te verschuiven. Het toepassen van de werkwijze houdt de calibratie van een gammacamera in omvattende de stappen van het opwekken van een stel paren van waarden voor een aantal waarneemhoeken, waarbij elk paar een x en y offset waarde heeft, en het 5 in ware tijd wijzigen van de gedetecteerde plaats van elk voorval met de juiste offset waarden die eerder voor de overeenkomstige waarneemhoek gemeten zijn.

De uitvinding zal nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: 10 Fig. 1 een schematisch perspektivisch aanzicht geeft van een bekende ECT inrichting met een draaibare camerakop die door een beweegbare tegengebalanceerde C-arm gedragen wordt waardoor een instelling van de draaistraal verschaft wordt;

Fig. 2 een schematisch perspektivisch aanzicht geeft 15 van een andere bekende ECT v inrichting met een draaibare camerakop die j door een paar lange frame-organen gedragen wordt welke kantelbaar binnen een cirkelvormig frame gemonteerd zijn, waarin de mate van kanteling van de frame-organen de radiale afstand tussen de camerakop en de draai-as bepaalt; 20 Fig. 3 een schematische geometrische illustratie, in fantoom, geeft van een ideale cilindervormige baan van het planaire vlak van de detectorkop van fig. 1, en eveneens de afwijkingen in beide x en y richtingen van de plaats van het vlak van de detectorkop onder drie hoekplaatsen toont; 25 Fig. 4 een weergave geeft van een stel planaire beelden die het gebrek aan uitlijning tonen geïntroduceerd door afwijkingen in de plaats van de detectorkop ten opzichte van een aangenomen baan zoals aangegeven in fig. 3;

Fig. 5 een aan fig. 4 gelijksoortige weergave geeft * 30 van projecties van gegevens in uitlijning;

Fig. 6 een stroomdiagram geeft van de correctiewerkwijze overeenkomstig de uitvinding; en

Fig. 7 een opzoektabel geeft die tijdens de calibratiefase van de in fig. 6 weergegeven werkwijze opgewekt wordt.

35 De in fig. 1 aangegeven inrichting is een bekende nucleaire ECT camera-inrichting die in de handel beschikbaar is onder de naam Omega 500 van Technicare Corporation, Solon. Ohio 44139, U.S.A.

Een gedetailleerde beschrijving van deze Omega 500 is opgenomen in het reeds genoemde Amerikaanse octrooischrift 4.426.578. In het kort 8531700 ·#' ·* 4 gesteld bevat de nucleaire camera een basisorgaan 10 dat ten behoeve van tomografische studies vast opgesteld gehouden wordt· Aan het basisorgaan 10 is een draagorgaan 20 bevestigd dat rond een lengte-as x kan draaien. Het draagorgaan 20 is voorzien van een brede centrale 5 groef om een tegengebalanceerd C-vormig steunorgaan of C-arm 30 aan te grijpen. Het ene einde van de C-arm 30 eindigt in een juk 40 waaraan de scintillatiedetector of camerakop 50 draaibaar is bevestigd. Aan het andere einde van de C-arm 30 is een tegengewicht 60 bevestigd. De patiënt, waarvan de diagnose wordt opgemaakt, wordt op een patiënt-10 draagconsole 70 geplaatst die aan de patiënttafel 80 is bevestigd. In bedrijf wordt de scintillatiedetector 50 zo dicht mogelijk bij de patiënt geplaatst terwijl een speling mogelijk blijft tussen de detector en de patiënt en de patiëntondersteuning tijdens draaiing van de camera, en wordt de scintillatiedetector langs een gedefinieerde 15 baan, in het algemeen cirkelvormige baan, rond de patiënt gedraaid. Gegevens worden in een aantal waarneemhoeken of continu, terwijl de camerakop rond de patiënt wordt gedraaid kenmerkend door een gemotoriseerd mechanisme, verworven. De uit de verschillende waarneemhoeken verzamelde gegevens worden vervolgens door een (niet 20 aangegeven) bijbehorende digitale computer gereconstrueerd en tomografische beelden van gewenste planaire schijven of stukken van de patiënt worden gegenereerd. De draaistraal van de detectorkop kan ingesteld worden door de C-arm 30 ten opzichte van het draagorgaan 20 te bewegen.

25 Een ander voorbeeld van een bekende nucleaire ECT

camera is in fig. 2 aangegeven. Ofschoon de principes van de uitvinding evenzeer toepasbaar zijn op een systeem, zoals aangegeven in fig. 2, zal de volgende beschrijving met verwijzing naar het systeem van fig. 1 zijn.

30 In het in fig. 1 aangegeven systeem is de detectorkop 50 een Anger camera, die een rechthoekig natrium-iodide kristal 52 heeft dat een groot planair rechthoekig waarneemvlak definieerd. Achter het kristal 52 binnen de camerakop 50 bevindt zich een glasvenster en een opstelling van 55 fotovermenigvuldigerbuizen. In bedrijf wordt de 35 camerakop 50 zodanig rond een patiënt gedraaid dat het middenpunt van het planaire vlak 52 een in het algemeen cirkelvormige baan bepaalt. Op deze wijze verzamelt het planaire detectorvlak 52, zoals schematisch in fig. 3 aangegeven, gegevens, d.w.z. het detectorvlak detecteert gammavoorvallen in waarneemhoeken die alle rond het te onderzoeken 3 5 0 1 7 0 0 ^ V « * V *4 * t 5 voorwerp liggen. Omdat er zeer aanzienlijke massa's bij de draaiing van de gammacamerakop 50 betrokken zijn, buigt de steunstruktuur, in het bijzonder de C-arm 30, met variërende hoeveelheden wanneer het draagorgaan 20 rond de x as gedraaid wordt. Wanneer deze doorbuiging 5 optreedt, wijkt de door het planaire vlak 52 doorlopen baan af van de zuiver cilindervormige baan die door de fantoomcirkels C in fig. 3 weergegeven worden.

Onder toepassing van de hypothetische afspraak dat 0° de twaalf-uur klokpositie weergeeft, toont fig. 3 het planaire vlak 52 10 in de ideaal geplaatste twaalf-uur klokpositie. Bij de vier-uur klokpositie of bij benadering 120® is echter van het planaire vlak 52 aangegeven dat dit vlak offset is met een increment in de richting van de lengte-as x. Het blijkt derhalve dat, wanneer de in de vier-uur klokpositie verzamelde gegevens gecombineerd worden met de in de 15 twaalf-uur klokpositie verzamelde gegevens, er een wazigheidsfout * geïntroduceerd zal worden daar de projecties van de twee stellen gegevens niet in registratie of uitgelijnd zijn. Op overeenkomstige wijze toont fig. 3 het planaire vlak 52 in de acht-uur klokpositie of bij benadering 240°, waarbij geen afwijking in de axiale richting maar 20 wel enige offset ten opzichte van de draai-as of de y richting vertoond wordt daar het planaire vlak geplaatst zou moeten zijn zoals aangegeven door de fantoomrechthoek 52'.

Het planaire vlak 52 zal voor een willekeurig gegeven waarneemhoek een offset hebben in de ene of de andere of in beide x en 25 y richtingen in het referentieframe van het detectorvlak. Zoals bijvoorbeeld in fig. 4 is aangegeven is derhalve een met 100 aangeduid en onder nul graden gehouden hypothetisch frame op de juiste wijze uitgelijnd terwijl het onder één graad gehouden frane 101 een afwijking of offset in de x richting net een hoeveelheid Δχ-f en een offset in 30 de y richting van Ay^ zal hebben. In het algemeen zal, voor een onder de hoek genomen frame i, de offset in de x richting Ax^ en in de y richting Ay^ bedragen. Zoals derhalve uit de illustratie van fig. 4 visueel blijkt zullen de uit een stel waarneemhoeken verzamelde projectiegegevens niet uitgelijnd zijn en zullen derhalve fouten in het 35 gereconstrueerde beeld geïntroduceerd worden. Ideaal gezien zouden alle projectiegegevensstellen van het stel waarneemhoeken, zoals aangegeven in fig. 5, uitgelijnd behoren te verschijnen.

Teneinde derhalve de fotonenbaan op nauwkeurige wijze tijdens de terugprojectie te retraceren, behoort elke coördinaat (x,y) 3 U i . ^ o •i ».

6 van een in het referentieframe van de detector verzameld voorval opgezet te worden in een (x^y’) coördinaat in het referentieframe van de projectiegegevens overeenkomstig de volgende betrekking: 5 x’ = x + Δχ(Θ) y’ = y + Ay(0) waarin Δχ(Θ) de offset in de x richting voor de waarneemhoek 0 en Ay(0) de offset in de y richting voor diezelfde waarneemhoek 0 10 representeert.

In feitelijk bedrijf wordt eerst een opzoektabel, zoals aangegeven in fig. 7, opgewekt voor elke bepaalde machine die de systematische baanafwijkingen daarvan representeert. Een voorbeeld van de werkwijze voor het opwekken van deze calibratiewaarden zal hieronder 15 gegeven worden, ofschoon de bepaalde werkwijze beheerst behoort te worden door het gemak en de geschiktheid in afhankelijkheid van het bepaalde toegepaste systeem. Wanneer eenmaal de calibratiewaarden zijn opgewekt, worden zij in een opslaggeheugengebied opgeslagen. Dan worden bij elke hoek 6, voorafgaande aan de gegevensverzameling, het 20 aangepaste paar van x(0), y(0) offsets teruggewonnen uit het geheugen en in twee registers en R£ opgeslagen.

Wanneer het aantal gebruikte waarneemhoeken groter blijkt te zijn dan het aantal voor de opzoektabel opgewekte offset paar- invoeren, wordt het offset paar voor elke dergelijke 25 tussengelegen waarneemhoek geïnterpoleerd uit de beschikbare waarden in de opzoektabel. Vervolgens wordt tijdens de gegevensverzameling elke op het detectorvlak 52 door middel van x en y coördinaten gedetecteerde plaats van binnenkomend voorval in ware tijd binnen de camera in de projectiecoördinaten (x*,y') digitaal omgezet overeenkomstig de 30 volgende betrekking: x' = x + y* y + r2 35 waarin R^ zoals boven vermeld de x offset is voor de hoek 0 van de detector op het moment dat het voorval gedetecteeerd wordt, en R2 de offset is in de y richting voor dezelfde hoek.

Wanneer het de bedoeling is dat de draaiing van de camerakop cirkelvormig is, dan wordt de verwachte baan van het 3301700

r C

7 middelpunt van het cameravlak 52 bepaald door een vaste straal.

Teneinde echter aangepast te zijn aan patiënten van verschillende afmetingen kan de draaistraal bij dergelijke ECT systemen, zoals de Omega 500, door de bediener geselecteerd worden. Een afzonderlijke 5 opzoektabel kan voor geselecteerde stralen gegenereerd worden. Het is eveneens voor een verbeterde resolutie vaak gewenst om de earnerakop een niet-cirkelvormige baan te laten doorlopen teneinde daardoor continu een minimale afstand aan te houden tussen de camera en de fotonen-emitterende patiënt, waarvan de doorsnede omtrek in het algemeen meer 10 elliptisch dan cirkelvormig is. Elke baan van dergelijke voorgeschreven banen zal over het gehele stel van waarneemhoeken voor het verzamelen van gegevens voorspelbare fouten hebben en in het algemeen kan voor elke baan een opzoektabel gegenereerd worden. Het aantal van dergelijke tabellen zal door de ernst van het probleem en de verschillen in de 15 berekende coördinatenverschuivingen voor een waarneemhoek van de ene geselecteerde baan naar de andere beheerst worden.

Calibratie.

Voor de voorkeurswerkwijze voor het genereren van de

20 y offset waarden voor elke hoek 0 moeten de puntspreidingsfuncties PSV

vanuit een binnen het zichtveld gelegen bron in elke waarneemhoek verzameld worden. Met andere woorden, de responsie van het systeem voor een enkelvoudig punt of puls in elke waarneemhoek Θ. In het algemeen is de puntspreidingsfunctie of de pulsresponsfunctie van een systeem de 25 resulterende bundel van eindige breedte die door het systeem in antwoord op het zien van een puntpuls geproduceerd wordt. Toevalliger wijze voeren de centra van het PSF stel de detectorcoördinaat verschuivingsinformatie. Wanneer we aannemen dat (x]_, y^) (x2, * Y2) ... ( y±) .·· (xn, yn) de centra van de hoeken 0]_, .

30 ©2» ... Oi» ... Θη zijn, dan wordt de axiale verschuiving in de y richting gevonden door het y^ stel gemiddelde (Y) en y^ afwijking uit het gemiddelde in elke hoek als volgt te berekenen;

N

Y e ( E Yi)/N, en 35 1 = 1 ΔΥ± - Ϋ - yt

De boven gegeven berekening zal zeker stellen dat ƒ* P» Λ Λ "V ƒ* Λ Λ I» ; g * · i l 8 alle hoek PSF centra bij Y zodanig zijn gelegen dat : 7i + Ayi « yi + Y - y* = Ϋ.

5 De verschuivingen in de dwars of x richting in elke hoek kunnen eveneens uit de puntbroncentragegevens (x^, X2, ...

Xa) in elke hoek (0]_, 02, ... 0n) gevonden worden uitgaande van. het feit dat voor evenwijdige bundelafbeelding de verwachte bronpositievariatie met de hoek sinusvormig is met geen doorbuiging van 10 de steunstruktuur. Wanneer de puntbron buiten de draai-as is gelegen wordt de afstand tot de draai-as in elke hoek in het geval dat geen buiging aanwezig is gegeven door: :¾ s . cos0i + u . sin0£ 15 waarin s en u de afstanden zijn die gemeten worden in een vaste orthogonale coördinaat die gecentreerd is op de draai-as in een dwarsvlak. Aangenomen wordt dat de afstanden van de verzamelde tot de profielmiddenpunten gemeten centra gelijk zijn aan Dan worden 20 de x offsets door hun afwijkingen Δχ^ gevonden: Δχ^ * (s . cos0£ + u . sin0i) - x-jl waarin s en u gevonden worden door de eerste harmonische componenten in 25 de Fourier reeks van het x^(0) stel te nemen, gegeven door: 1 _ s = “ . lx i · cos0i . ΔΘ-l i i r- 30 u = . x i * sinQ^ . Δβ-^ i

Wanneer s en u enigszins fout zijn ten opzichte van de ware waarden is de enige invloed daarvan op de evenwijdige 35 straalreconstructie de beeldverschuiving in de s, u richtingen met de overeenkomstige foutgroottes.

De bovengegeven beschrijving van de voorkeursuitvoering representeert een zuiver digitale benadering om de plaats van elke scintillatie op een voorval per voorval basis te 8501700 9 corrigeren. Op andere wijze kunnen alle in een hoek Θ verzamelde voorvallen verschoven worden over de waarde van de centrumverschuiving berekend voor die hoek Θ in beide x en y richtingen zoals bijvoorbeeld bij de bovenbeschreven calibratietechnieken.

ssü17o e

Claims

1. Werkwijze voor het corrigeren van voorspelbare fouten in de plaats van gedetecteerde scintillatievoorvallen die 5 verworven zijn tijdens emissieberekende tomografie door een draaiscin-tillatiecamerastelsel van het type met een detectorkop met een planair vlak, waarbij plaatsen op het vlak door x en y coördinaten in het referentieframe van het vlak gedefinieerd worden, waarbij de kop in een voorgeschreven baan rond een lengte-as kan draaien, waarin fouten uit 10 natuurlijk bijbehorende afwijkingen in de draaibaan van die kop ten opzichte van de voorgeschreven baan resulteren, omvattende de stappen van a) het calibreren van het stelsel door de natuurlijk bijbehorende afwijkingen in de x en y richting van het planaire vlak voor een 15 geselecteerde waarneemhoek te meten en door deze metingen voor een aantal waarneemhoeken te herhalen totdat een paar van x en y verschuivingswaarden voor elke belangwekkende waarneemhoek zijn berekend; b) het opslaan in een geheugen van de x en y verschuivingswaarden voor 20 elke waarneemhoek; c) het verzamelen van emissiegegevens wanneer de detectorkop rond de lengte-as wordt gedraaid, waarbij elk uitgangsgegeven representatief is voor een enkelvoudig scintillatievoorval; en d) het corrigeren van de plaats van elk voorval, gedetecteerd in een 25 gegeven waarneemhoek, door de plaats van detectie in de x en y coördinaat resp. te wijzigen met de voor die waarneemhoek in het geheugen opgeslagen x en y verschuivinginswaarden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waaim de calibra-tiestap voor het meten van de y verschuivingswaarden omvat het verzame- 30 len van een puntresponsfunctie van het stelsel in elke belangwekkende waarneemhoek.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de verzamel-stap in ware tijd op een voorval-per-voorval basis teweeg wordt gebracht.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de verzamel- stap binnen de camera wordt teweeggebracht.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de voorgeschreven baan voor draaiing van de detectorkop een cirkel is met een vooraf gekozen straal, en waarin de calibratiestap een aantal malen herhaald wordt, eenmaal voor elke cirkel van verschillende straal.

3. Q 1 7 ·! ft