WO1999036885A1 - Computertomographie-verfahren mit helixförmiger abtastung eines untersuchungsbereichs - Google Patents

Computertomographie-verfahren mit helixförmiger abtastung eines untersuchungsbereichs Download PDF

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WO1999036885A1
WO1999036885A1 PCT/IB1999/000027 IB9900027W WO9936885A1 WO 1999036885 A1 WO1999036885 A1 WO 1999036885A1 IB 9900027 W IB9900027 W IB 9900027W WO 9936885 A1 WO9936885 A1 WO 9936885A1
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WO
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rotation
axis
measurement data
examination area
radiation source
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PCT/IB1999/000027
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Inventor
Per-Erik Danielsson
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics N.V.
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Priority to DE59902252T priority patent/DE59902252D1/de
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T11/00—2D [Two Dimensional] image generation
    • G06T11/003—Reconstruction from projections, e.g. tomography
    • G06T11/006—Inverse problem, transformation from projection-space into object-space, e.g. transform methods, back-projection, algebraic methods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus for radiation diagnosis, e.g. combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/02—Devices for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis
    • A61B6/027—Devices for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis characterised by the use of a particular data acquisition trajectory, e.g. helical or spiral
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2211/00—Image generation
    • G06T2211/40—Computed tomography
    • G06T2211/421—Filtered back projection [FBP]

Definitions

  • the invention relates to a computed tomography method with helical scanning of an examination area by a scanning unit, which comprises a radiation source and a detector unit, an object contained in the examination area and the scanning unit rotating relative to one another simultaneously about an axis of rotation and one parallel to the direction of the axis of rotation Execute movement so that there is a relative movement in the form of a helix (17), and with a reconstruction of the spatial distribution of the absorption within the examination area from the measurement data acquired by the detector unit.
  • the invention also relates to a computer tomograph for performing such a method.
  • Such a method and such a computer tomograph are known from DE-OS 195 45 778 (Tarn). With this known method, it is possible to scan an examination area extended in the direction of the axis of rotation with a conical beam (cone beam) and to reconstruct the absorption distribution in the examination area even if the object contained therein - for example a patient - is longer than the part the area of investigation for which data has been acquired.
  • a conical beam cone beam
  • a prerequisite for this method is that the so-called "region of interest” (ROI) is determined beforehand and that at the beginning and at the end of the ROI (in relation to the direction of rotation) the area to be examined is additionally scanned on a circular path perpendicular to the axis of rotation
  • ROI region of interest
  • the reconstruction of the absorption distribution can only begin when the scanning of the examination area has ended.
  • the transition from a circular to a helical and from this again to a circular scanning of the examination area requires a jerky acceleration or deceleration of either the scanning unit or the object in the Examination area, which can result in unsharpness.
  • Another disadvantage is that the scanning area must be determined beforehand.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method of the type mentioned at the outset which does not require any additional circular scanning movement and which makes reconstruction possible even during the acquisition of the measurement data.
  • this task is solved by the following steps:
  • rebinning is understood to mean the re-sorting of the measurement data from the sequence resulting from the acquisition and the re-interpolation of the measurement data to a different grid).
  • the rebinning takes place in planes parallel to the axis of rotation.
  • Each level comprises a single fan beam. This is composed of rays that penetrated the examination area at the same time during the acquisition and starting from the same radiation source position. This will make the following
  • the filtering could also be carried out, for example, by subjecting the data generated by the rebinning to convolution with a suitable filter kernel.
  • the filtering defined in claim 4 requires less computing time.
  • Claim 6 describes a cornput tomograph for performing the method according to the invention
  • claim 7 defining an advantageous embodiment.
  • the shape of the collimator arrangement and / or the shape of the detector unit ensures that each point within the examination area "sees" the radiation source as it emerges from the radiation beam generated by it at an angle that is opposite the angle when it enters the radiation beam is offset by exactly 180 ° ( ⁇ ).
  • the advantage of this measure is that all measurement data - and only this measurement data - are measured, which are required for an exact reconstruction. Sorting out or weighting redundant measurement data is not necessary.
  • FIG. 2 shows the helical scanning path that describes the scanning unit and an object located in the examination area relative to one another
  • FIG. 3 shows the scanning unit and the examination area in perspective
  • FIG. 4 is a plan view of FIG. 3
  • FIG. 5 is a development of the detector unit
  • FIG. 7 the development of a detector unit located on a cylinder around the radiation source
  • FIG. 9 shows a flowchart for processing the measurement data
  • FIG. 10 shows a side view of the detector unit with a few beams
  • FIG. 11 shows a plan view of the arrangement according to FIG. 10
  • FIG. 12 shows the same view as FIG. 11, but after partial rebinning of measurement data.
  • the computer tomograph shown in FIG. 1 comprises a gantry 1 which can rotate about an axis of rotation 14 running parallel to the z direction.
  • the gantry is driven by a motor 2 with a preferably constant angular velocity.
  • a radiation source S for example an X-ray tube, is attached to the gantry and is provided with a collimator arrangement 3, which blocks a conical beam 4 from the radiation generated by the radiation source S, i.e. a beam which has a finite extension both in the direction of the z-axis and in a direction perpendicular thereto (i.e. in the x-y plane of the Cartesian coordinate system shown in FIG. 1).
  • the beam of rays penetrates an examination area 13 or - not shown in detail - an object, for example a patient, on a patient positioning table.
  • the X-ray beam 4 strikes a two-dimensional detector unit 16 fastened to the gantry 1, which has several detector lines each comprises a plurality of detector elements. Each detector element detects a beam from the beam bundle 4 in each radiation source position.
  • the detector unit 16 can be arranged on a circular arc which coincides with the circular path of the radiation source S during rotation.
  • the opening angle of the beam 4 designated as ⁇ ma ⁇ (as
  • Opening angle is the angle that a beam of the bundle 4 lying in the xy plane at the edge describes with the beam that perpendicularly intersects the axis of rotation 14) determines the diameter of the examination area 13 concentric to the axis of rotation 14, within which the object to be examined is located the acquisition of the measured values with the detector unit.
  • the examination area 13 - or the patient located therein, for example on a patient positioning table, can be moved parallel to the direction of the axis of rotation 14 or the z-axis by means of a motor 5.
  • the measurement data acquired thereby by the detector unit 16 are fed to an image processing computer 10, which uses it to determine the distribution of the absorption of the emitted radiation in the part of the beam detected by the beam cone 4
  • Examination area 13 determined and e.g. reproduced on a monitor 11.
  • the two motors 2 and 5, the image processing computer 10, the radiation source S and the transfer of the measurement data from the detector unit 16 to the image processing computer 10 are controlled by a suitable control unit 7.
  • the control unit 7 controls the motors 2 and 5 so that the ratio of the
  • the speed v of the examination area 13 and the angular speed of the gantry 1 are in a constant relationship.
  • the radiation source S and the examination area move relative to one another on a helical path.
  • the scanning unit or the examination area carries out the rotational or translational movement; only the relative movement is essential.
  • FIG. 2 shows - likewise in perspective - the radiation source S symbolized by the point from which the radiation originates, the detector unit 16 and the cylindrical examination area 13 with the radius r.
  • a cylinder 12 concentrically enclosing the examination area 13 with the radius R, on which the helical scanning path (17 in FIG. 2) is located and which is therefore also referred to below as a helical cylinder. It is assumed that the radiation source S and the detector unit 16 are at rest, while the examination area 13 with the object in it shifts in the direction of the axis of rotation 14 and at the same time rotates counterclockwise about this axis of rotation 14; the cylinder 13 would thus slide up out of the helix cylinder 12.
  • the detector unit 16 which - as indicated in FIG. 1 - is composed of a mosaic of detector elements, which can be arranged in columns (parallel to the axis of rotation 14) and in rows, is located on the circumference of the helix cylinder 12 between two on top of one another following turns of the helix 12; their dimensions in the z direction thus correspond to the winding spacing h of the helix 17.
  • FIG. 3 also shows two beams 18a and 18b which hit the lower and upper edge of the detector unit and penetrate the edge of the examination area 13 at the points Qi and Q 2 .
  • the point Q between these points on the beam is the point on the beam that is the smallest distance from the axis of rotation 14.
  • the beams 18a and 18b hit the points Q ⁇ -QQ 2 when they enter the beam cone and when they leave the beam cone. They are therefore detected by the detector unit at different times.
  • FIG. 4 shows the arrangement according to FIG. 3 from above, ie in a view parallel to the z axis or to the axis of rotation 14.
  • the radius r can also be larger than R / V2 (but always smaller than R) or - as shown in FIG. 1 - smaller.
  • the projection of the two beams 18a and 18b onto the xy plane includes an angle ⁇ with the x-axis - ie a beam emanating from S through the axis of rotation 14.
  • the lower beam 18a merges into the upper beam 18b after the examination area 13 has rotated through the angle ⁇ + 2 ⁇ and shifted in proportion to it in the z direction.
  • the point Qi lies between the radiation source S and Q 2 when entering the beam cone, it is exactly the opposite when it exits. This means that the points Qi and Q 2 and all other points on the straight line through Qi and Q 2 have been irradiated or projected onto the detector unit 16 over an angular range of exactly 180 °, as seen from the respective point.
  • a line with points which in this way enter the examination area 13 at the same time and exit from it at the same time is referred to below as a ⁇ line.
  • Line 18 in FIGS. 3 and 4 is such a ⁇ line, and it is clear that a ⁇ line is a line connecting two points on the same turn of helical scan path 17. It can be shown that every point in the examination area belongs to one - and only one - ⁇ line. Therefore, as seen from this point, each point is irradiated over an angular range of 180 °. This is sufficient - and necessary - to be able to reconstruct every point within the examination area 13 that has entered and exited the beam cone.
  • the detector unit 16 thus supplies the measurement values required for the exact reconstruction, but no redundant measurement values, which considerably simplifies the reconstruction.
  • FIG. 5 shows the development of a detector unit 16 from the helix cylinder 12 into the plane of the drawing.
  • the development of the detector unit does not necessarily have to have the parallelogram form shown in FIG. 5.
  • a larger one e.g. Rectangular detector can be used if the collimator 3 (Fig.1) limits the conical beam of the radiation source S so that the development of the area of the detector unit hit by the beam has exactly the shape shown in Fig. 5.
  • the measurement data can be disregarded by those detector elements of the detector which are located on the detector outside the parallelogram according to FIG. 5.
  • the detector unit can also describe a helical circular arc 16b or 16a around the radiation source S, which affects the examination area 13 or the Helix cylinder.
  • the detector unit can also have a flat surface 16c or be of any shape.
  • edges of the detector unit coincides with the central projection of two helical sections 17 of the helical scanning path 17 at a distance h or that each point in its passage the radiation source in sees an angular range of exactly 180 °.
  • each measurement value from each detector element is first divided by a reference value, and the resulting quotient is logarithmized.
  • the measurement data created in this way represent the line integral of the absorption of the radiation along a beam connecting the radiation source to the respective detector element. It is then it is the task of the subsequent processing steps to determine the spatial distribution of the absorption from these line integrals of the absorption.
  • a rebinning After the rebinning or before, the measurement data is weighted by multiplying the measurement data by a factor that corresponds to the cosine of the angle of the rays belonging to the measurement data (e.g. 18) with a plane perpendicular to the axis of rotation.
  • this weighting step can be omitted in cases in which the distance between two helical turns is small compared to their radius. This step is therefore not shown separately in FIG. 9.
  • a first step 102 groups of beam fans lying in planes parallel to one another and to the axis of rotation 14 or of measurement data are formed, which belong to the beams from which these beam fans are composed. This is first explained with reference to FIG.
  • 10 which represents a side view of the arrangement according to FIG. 3.
  • 10 shows six beams from the conical beam 4, of which three beams 401 ... 403 hit the upper edge and three beams 411 ... 413 hit the lower edge of the detector unit.
  • the rays 402 and 412 pass through the axis of rotation 14, while the rays 401 and 403 or 411 and 413 pass left and right of the axis of rotation.
  • two of these rays are the marginal rays of a fan of rays, the rays of which lie in a plane parallel to the z-axis or to the axis of rotation 14, e.g. rays 401 and 411, rays 402 and 412 and rays 403 and 413.
  • FIG. 11 shows a top view of the arrangement according to FIG. 10. Since the beams 401 ... 403 and 411 ... 413 each lie in the same plane perpendicular to the drawing plane of FIG. 11, they appear in FIG. 11 as single beam. The planes defined by these fan beams intersect in the radiation source position S ⁇ . The level with the
  • Beam fan 401.411 includes an angle + ⁇ with the central plane containing the axis of rotation, while an angle - ⁇ i lies between the center plane and the planes of the beam fan 403.413.
  • the beam fan 402, 412 is identical to the central plane (this is the xz plane in FIG. 11).
  • Fig. 11 there are two further radiation source positions S ⁇ . ⁇ ⁇ and S ⁇ + ⁇ ⁇ are shown on both sides of the central radiation source position S ⁇ and one beam each, which, starting from this beam position, passes through the axis of rotation 14 with the beam fans 420 and 430, respectively. It can be seen that the fan beams 420 and 403,413 are parallel to one another - just like the beam fans 401,411 and 430.
  • the step 102 from different radiation source positions, the radiation fans which lie in planes parallel to one another (and to the axis of rotation 14) - or the measurement data belonging to the rays from which these radiation fans are composed - are combined into a group.
  • Those radiation fans (and the associated measurement data) are thus combined in a group in which the sum of the angle characterizing the radiation source position ( ⁇ , or - ⁇ i or oc + ⁇ i) and the fan angle ⁇ (this is the angle, which includes the plane of the beam fan with a plane containing the axis of rotation 14; in FIG. 11 these are, for example, the angle - ⁇ t or + ⁇ i) constant.
  • the angle ⁇ of the radiation source positions or - due to the finite dimensions of the
  • Detector elements - the fan angle ⁇ These discrete values differ from each other by increments da or d ⁇ , where da ⁇ can be d ⁇ .
  • da ⁇ can be d ⁇ .
  • the sum of these two angles cannot always have exactly the same value at different radiation source positions; there may be fan beam, in which the sum is slightly greater than or slightly less than the ⁇ belonging to the central radiation source position S ⁇ angle, ie, the associated fan beam are not in paralleln levels.
  • FIG. 12 shows such a family of radiation fans which are produced in different radiation source positions and are located in parallel planes and which penetrate the examination region 13.
  • a virtual detector 72 is arranged perpendicular to the planes in which these fan beams are located and in the axis of rotation. The dimensions of this virtual detector in the x-y plane correspond to the diameter of the
  • FIG. 8 explains the conditions in a perspective representation, it being assumed that the radiation source moves on the helical path 17.
  • the top and left sides of the virtual detector 72 are represented by solid lines, while the bottom side is represented by a dotted line.
  • the top and bottom The edge of the virtual detector 72 is extended by dashed lines 72 and supplemented to form a rectangle 720, from the lower right corner of which the helical path 17 extends to the upper corner.
  • the fan beams emanating from different radiation source positions on the helical path and running in mutually parallel planes are shown as triangles, the upper and lower sides of which are intended to indicate the upper and lower marginal beams of the fan beam and the vertical side of which represent the position of the column of the detector unit hit by this fan beam should.
  • the radiation source position to the left and right of the center is higher and lower (measured in the direction of the axis of rotation) than the central radiation source position, the upper and lower edge rays penetrate the upper and lower edges of the plane virtual detector 72. This is due to the fact that the to the right or left of the center of the beam fan are detected by detector columns which are higher or lower in the z direction than the column which detects the beam fan starting from the central radiation source position and passing through the axis of rotation 14.
  • each beam fan covers one column of the virtual detector.
  • all of the beam fans (located in planes parallel to the axis of rotation) are each assigned to one of the different groups, so that - if applicable. after interpolation - within each group the fan beams are located in parallel planes that perpendicularly intersect the virtual detector 72 belonging to this group.
  • the second part of the rebinning takes place in step 103.
  • step 103 the data supplied after step 102 are interpolated in such a way that the associated beams and the associated line integrals for the regular Cartesian grid on the virtual detector
  • a one-dimensional filtering then takes place in step 104.
  • all that is required is a simple one-dimensional, location-independent, preferably ramp-shaped filter in the row direction (the row direction runs vertically in the illustration in FIG. 12 or in the perspective illustration in FIG. 8 in the longitudinal direction of the rectangle 720 or 72 and thus perpendicular to the axis of rotation 14).
  • the filtering can in principle be carried out by subjecting the data resulting from the rebinning to a convolution with a suitable one-dimensional filter kernel.
  • a simpler option is to first subject the data resulting from the rebinning to a Fourier transformation in step 104.
  • step 105 the data transformed in this way into the spatial frequency space are subjected to a ramp-shaped filtering (in the row direction), the attenuation decreasing linearly with increasing frequency.
  • step 106 the data filtered in this way in the spatial frequency space are subjected to an inverse Fourier transformation, so that filtered projection data result.
  • the virtual detector on which the rebinning is based is flat and contains the axis of rotation. If these requirements are not met, the penetration points of the individual beams with the (virtual) detector no longer describe straight lines perpendicular to the axis of rotation, but rather - possibly curved - straight lines. In this case, the measurement data must be used for the filtering, which are assigned to the corresponding beams (e.g. the topmost, the top two, the bottom) within the beam fan belonging to the same group. In the next step 107, the filtered data of each
  • each voxel receives contributions from different groups of rays (or the associated data) that enclose an angle of 180 ° with respect to this voxel. It is generally not necessary to multiply the filtered data by any weighting factors. This results in a complete reconstruction of part of the examination area as soon as the measurement data, which result from the scanning unit rotating around an angle of 180 ° + 2 ⁇ max relative to the examination area, have been processed in accordance with steps 101-107. The area reconstructed in this way
  • the examination area can then be ended at any time (block 108).

Abstract

Die Erfindung betrifft ein CT-Verfahren mit helixförmiger Abtastung eines Untersuchungsbreiches durch ein kegelförmiges Strahlenbündel. Dabei werden Meßdaten für die dreidimensionale tomographische Abbildung beliebig langer Objekte vollständig und nicht redundant erhalten. Für die Rekonstruktion ist lediglich eine eindimensionale Filterung erforderlich. Besonders einfache Verfahrensschritte ergeben sich bei einem Rebinning, bei dem Strahlenfächer zusammengefaßt werden, die in zueinander und zur Rotationsachse parallelen Ebenen liegen.

Description

Computertomographie- Verfahren mit helixförmiger Abtastung eines Untersuchungsbereichs.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Computertomographie-Verfahren mit helixförmiger Abtastung eines Untersuchungsbereiches durch eine Abtasteinheit, die eine Strahlenquelle und eine Detektoreinheit umfaßt, wobei ein in dem Untersuchungsbereich enthaltenes Objekt und die Abtasteinheit relativ zueinander gleichzeitig um eine Rotationsachse rotieren und eine zur Richtung der Rotationsachse parallele Bewegung ausführen sodaß sich eine Relativbewegung in Form einer Helix (17) ergibt, und mit einer Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Absorption innerhalb des Untersuchungsbereiches aus den von der Detektoreinheit akquirierten Meßdaten. Außerdem betrifft die Erfindung einen Computertomographen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren und ein derartiger Computertomograph sind aus der DE-OS 195 45 778 (Tarn) bekannt. Mit diesem bekannten Verfahren ist es möglich, einen in Richtung der Rotationsachse ausgedehnten Untersuchungsbereich mit einem kegelförmigen Strahlenbündel (cone beam) abzutasten und die Absorptionsverteilung in dem Untersuchungsbereich auch dann zu rekonstruieren, wenn das darin enthaltene Objekt - beispielsweise ein Patient - länger ist als der Teil des Untersuchungsbereichs, für den Daten akquiriert worden sind. Voraussetzung für dieses Verfahren ist allerdings, daß die sogenannte „region of interest" (ROI) zuvor festgelegt wird und daß am Anfang und am Ende der ROI (bezogen auf die Rotationsrichtung) zusätzlich eine Abtastung des Untersuchungsbereichs auf einer kreisförmigen, zur Rotationsachse senkrechten Bahn erfolgt. Erst wenn die Abtastung des Untersuchungsbereichs beendet ist, kann die Rekonstruktion der Absorptionsverteilung beginnen. Der Übergang von einer kreisförmigen zu einer helixförmigen und von dieser wieder zu einer kreisförmigen Abtastung des Untersuchungsbereichs erfordert eine ruckartige Beschleunigung bzw. Verzögerung entweder der Abtasteinheit oder des Objekts in dem Untersuchungsbereich, was Unscharfen zur Folge haben kann. Von Nachteil ist weiterhin, daß der Abtastbereich schon vorher festgelegt werden muß.
BESTATIGUNGSKOPIE Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das keine zusätzliche kreisförmige Abtastbewegung erfordert und die Rekonstruktion schon während der Akquisition der Meßdaten möglich macht. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch die folgenden Schritte:
a) Verwendung lediglich solcher Meßdaten für die Rekonstruktion, die sich ergeben , wenn die Strahlenquelle die Punkte innerhalb des Untersuchungsbereiches in einem Winkelbereich von 180° bestrahlt, sodaß die zu den Meßdaten gehörigen Strahlen gerade den Bereich zwischen benachbarten Windungen der Helix durchsetzen, b) Rebinning der Meßdaten und der zugehörigen Strahlen zu einer Anzahl von Gruppen, wobei jede Gruppe mehrere zur Rotationsachse parallele Ebenen umfaßt, in denen sich je ein Strahlenfächer befindet, c) Filterung der durch das Rebinning erzeugten Daten einer jeden Gruppe, d) Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Absorption aus den gefilterten Daten verschiedener Gruppen.
Bei der Erfindung werden nur Meßdaten verwendet, bei deren Akquisition die Strahlenquelle die Punkte innerhalb des Untersuchungsbereichs aus einem Winkelbereich von exakt 180° - vom jeweiligen Punkt aus gesehen - bestrahlt; die zu den Meßdaten gehörigen Meßdaten durchsetzen dann genau den Bereich zwischen zwei benachbarten Windungen der Helix. Dieser Winkelbereich ist einerseits ausreichend, um eine exakte Rekonstruktion zu ermöglichen und vermeidet andererseits die Benutzung von redundanten Meßdaten. Wesentlich ist in Verbindung mit diesen Meßdaten, die Art des vorgenommenen Rebinnings (unter "Rebinning" wird das Umsortieren der Meßdaten aus ihrer sich aus der Akquisition ergebenden Folge verstanden sowie das Uminterpolieren der Meßdaten auf ein anderes Raster). Das Rebinning erfolgt in zur Rotationsachse parallelen Ebenen. Jede Ebene umfaßt dabei einen einzigen Strahlenfächer. Dieser setzt sich aus Strahlen zusammen, die den Untersuchungsbereich bei der Akquisition gleichzeitig und von derselben Strahlenquellenposition ausgehend durchsetzt haben. Dadurch werden die nachfolgenden
Verarbeitungsschritte - das (vorzugsweise eindimensionale) Filtern und die Rekonstruktion - ganz wesentlich erleichtert. Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, die zur Rotationsachse parallelen Ebenen (mit je einem Strahlenfächer) in Gruppen zusammenfassen. Dabei wird es in der Regel aber erforderlich sein, die Meßdaten mit geeignet gewählten Gewichtungsfaktoren zu gewichten (die vom Detektortyp und von der Art des Rebinning abhängen können). Dieses Erfordernis entfällt jedoch bei der bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 2, wobei jede Gruppe nur zueinander parallele Ebenen umfaßt, was die weitere Verarbeitung ganz wesentlich erleichtert. Vor allem ergibt ergibt sich dabei eine hervorragende Bildqualität. Mit der weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 5 erfolgt das Rebinning für jede Gruppe dabei auf einen virtuellen Detektor, der zu den zu dieser Gruppe gehörenden Ebenen senkrecht steht und eine rechteckige Fläche hat. Dies erleichtert die für die nachfolgenden Verarbeitungsschritte erforderliche Uminterpolation auf ein äquidistantes Meßpunktgitter erheblich.
Grundsätzlich könnte man mittels der gefilterten Daten verschiedener Gruppen die Absorptionsverteilung mittels sogenannter generalisierter Projektionen rekonstruieren, wie in dem Dokument von Schaller et al in SPIE, Vol. 3032, Seiten 213 bis 224 beschrieben. Eine bevorzugte Art der Rekonstruktion erfolgt demgegenüber jedoch durch eine Rückprojektion der gefilterten Daten gemäß Anspruch 3.
Die Filterung könnte beispielsweise auch dadurch durchgeführt werden, daß die durch das Rebinning erzeugten Daten einer Faltung (Konvolution) mit einem geeigneten Filterkernel unterzogen werden. Die in Anspruch 4 definierte Filterung benötigt demgegenüber weniger Rechenzeit.
Anspruch 6 beschreibt einen Cornputertomographen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei Anspruch 7 eine vorteilhafte Ausgestaltung definiert. Bei dieser Ausgestaltung ist durch die Form der Kollimatoranordnung und/oder durch die Form der Detektoreinheit sichergestellt, daß jeder Punkt innerhalb des Untersuchungsbereichs die Strahlenquelle beim Austritt aus dem von dieser erzeugten Strahlenbündel unter einem Winkel "sieht" der gegenüber dem Winkel beim Eintritt in das Strahlenbündel um exakt 180° (π) versetzt ist. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß alle Meßdaten - und nur diese Meßdaten - gemessen werden, die für eine exakte Rekonstruktion erforderlich sind. Ein Aussortieren oder ein Mitgewichten redundanter Meßdaten ist dabei nicht nötig.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Computertomographen in schematischer Darstellung,
Fig. 2 die helixförmige Abtastbahn, die die Abtasteinheit und ein im Untersuchungsbereich befindliches Objekt relativ zueinander beschreiben, Fig.3 die Abtasteinheit und den Untersuchungsbereich in perspektivischer
Darstellung,
Fig.4 eine Draufsicht auf Fig 3, Fig. 5 eine Abwicklung der Detektoreinheit,
Fig. 6 verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung der Detektoreinheit, Fig. 7 die Abwicklung einer auf einem Zylinder um die Strahlenquelle befindlichen Detektoreinheit
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung von zur gleichen Gruppe gehörenden Strahlenfächern,
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm zur Verarbeitung der Meßdaten, Fig.10 eine Seitenansicht der Detektoreinheit mit einigen Strahlen,
Fig. 11 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 10, Fig.12 die gleiche Ansicht wie Fig. 11, jedoch nach einem teilweisen Rebinning von Meßdaten.
Der in Fig. 1 dargestellte Computertomograph umfaßt eine Gantry 1, die um eine parallel zur z-Richtung verlaufende Rotationsachse 14 rotieren kann. Dazu wird die Gantry von einem Motor 2 mit einer vorzugsweise konstanten Winkelgeschwindigkeit angetrieben. An der Gantry ist eine Strahlenquelle S, beispielsweise eine Röntgenröhre befestigt, die mit einer Kollimatoranordnung 3 versehen ist, die aus der von der Strahlenquelle S erzeugten Strahlung ein kegelförmiges Strahlenbündel 4 ausblendet, d.h. ein Strahlenbündel, das sowohl in Richtung der z- Achse als auch in einer dazu senkrechten Richtung (d.h. in der x-y - Ebene des in Fig. 1 dargestellten kartesischen Koordinatensystems) eine endliche Ausdehnung hat.
Das Strahlenbündel durchdringt einen Untersuchungsbereich 13 bzw. - nicht näher dargestellt - ein Objekt, z.B. einen Patienten, auf einem Patientenlagerungstisch. Nach dem Durchsetzen des Untersuchungsbereichs 13 trifft das Röntgenstrahlenbündel 4 auf eine an der Gantry 1 befestigte zweidimensionale Detektoreinheit 16, die mehrere Detektorzeilen mit jeweils einer Vielzahl von Detektorelementen umfaßt. Jedes Detekorelement erfaßt in jeder Strahlenquellen-Position einen Strahl aus dem Strahlenbündel 4. Die Detektoreinheit 16 kann auf einem Kreisbogen angeordnet sein, der mit der kreisförmigen Bahn der Strahlenquelle S bei der Rotation zusammenfällt. Der mit γmaχ bezeichnete Öffnungswinkel des Strahlenbündels 4 (als
Öffnungswinkel ist der Winkel bezeichnet, den ein in der x-y- Ebene am Rande liegender Strahl des Bündels 4 mit dem die Rotationsachse 14 senkrecht schneidenden Strahl beschreibt) bestimmt dabei den Durchmesser des zur Rotationsachse 14 konzentrischen Untersuchungsbereichs 13, innerhalb dessen das zu untersuchende Objekt sich bei der Akquisition der Meßwerte mit der Detektoreinheit befinden muß. Der Untersuchungsbereich 13 - bzw. der darin beispielsweise auf einem Patientenlagerungstisch befindlicher Patient kann mittels eines Motors 5 parallel zur Richtung der Rotationsachse 14 bzw. zur z- Achse verschoben werden. Die dabei von der Detektoreinheit 16 akquirierten Meßdaten werden einem Bildverarbeitungsrechner 10 zugeführt, der daraus die Verteilung der Absorption der emittierten Strahlung in dem von dem Strahlenkegel 4 erfaßten Teil des
Untersuchungsbereichs 13 ermittelt und z.B. auf einem Monitor 11 wiedergibt. Die beiden Motoren 2 und 5, der Bildverarbeitungsrechner 10, die Strahlenquelle S und der Transfer der Meßdaten von der Detektoreinheit 16 zum Bildverabeitungsrechner 10 werden von einer geeigneten Kontrolleinheit 7 gesteuert. Die Kontrolleinheit 7 steuert die Motoren 2 und 5 so, daß das Verhältnis der
Geschwindigkeit v des Untersuchungsbereichs 13 und die Winkelgeschwindigkeit der Gantry 1 in einem konstanten Verhältnis stehen. In diesem Fall bewegen sich die Strahlenquelle S und der Untersuchungsbereich relativ zueinander auf einer helixförmigen Bahn. Im Prinzip ist es dabei gleichgültig, ob die Abtasteinheit oder der Untersuchungsbereich die Rotations- bzw. Translationsbewegung ausführt; wesentlich ist allein die Relativbewegung.
Deshalb ist bei Fig. 2 angenommen, daß sich die Strahlenquelle S (und die mit ihr über die Gantry verbundene Detektoreinheit 16) auf der in Fig. 2 gezeigten helixförmigen Bahn 17 bewegen, während der in Fig. 2 nicht dargestellte Untersuchungsbereich 13 (bzw. das Objekt darin) ruht. Das von S emittierte kegelförmige Strahlenbündel 4 trifft auf die jenseits des Untersuchungsbereichs angeordnete Detektoreinheit 16. Das kegelförmige Strahlenbündel 4 ist so dargestellt, als enthielte es in einer Vielzahl von zur Rotationsachse 14 (bzw. zur z- Richtung) parallelen Ebenen je einen Strahlenfächer. Alle diese ebenen Strahlenfächer gehen von der jeweiligen Position der Strahlenquelle S aus bzw. schneiden sich in dieser Position. Fig. 3 zeigt - ebenfalls in perspektivischer Darstellung - die durch den Punkt, von dem die Strahlung ausgeht, symbolisierte Strahlenquelle S, die Detektoreinheit 16 und den zylinderförmigen Untersuchungsbereich 13 mit dem Radius r. Außerdem ist ein den Untersuchungsbereich 13 konzentrisch umschließenden Zylinder 12 mit dem Radius R dargestellt, auf dem sich die helixförmige Abtastbahn (17 in Fig. 2) befindet und der im folgenden daher auch als Helix-Zylinder bezeichnet wird. Dabei ist angenommen, daß die Strahlenquelle S und die Detektoreinheit 16 ruhen, während sich der Untersuchungsbereich 13 mit dem Objekt darin in Richtung der Rotationsachse 14 verschiebt und gleichzeitig um diese Rotationsachse 14 im Gegenuhrzeigersinn rotiert; der Zylinder 13 würde sich also nach oben aus dem Helix-Zylinder 12 herausschieben.
Die Detektoreinheit 16, die sich - wie in Fig. 1 angedeutet - aus einem Mosaik von Detektorelementen zusammensetzt, die in Spalten (parallel zur Rotationsachse 14) und in Zeilen angeordnet sein können, befindet sich auf dem Umfang des Helix-Zylinders 12 zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen der Helix 12; ihre Abmessungen in z- Richtung entsprechen also dem Windungsabstand h der Helix 17.
In Fig. 3 sind außerdem zwei Strahlen 18a und 18b eingezeichnet, die den unteren bzw. oberen Rand der Detektoreinheit treffen und den Rand des Untersuchungsbereichs 13 an den Punkten Qi und Q2 durchstoßen. Der zwischen diesen Punkten auf dem Strahl befindliche Punkt Q ist derjenige Punkt auf dem Strahl, der den geringsten Abstand von der Rotationsachse 14 aufweist. Die Strahlen 18a und 18b treffen die Punkte Qι-Q-Q2 bei deren Eintritt in den Strahlenkegel und beim Verlassen des Strahlenkegels. Sie werden also zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Detektoreinheit erfaßt.
Fig. 4 zeigt die Anordnung nach Fig. 3 von oben, d.h. in einer Ansicht parallel zur z- Achse bzw. zur Rotationsachse 14. Der Offhungswinkel γma des Strahlenkegels in Richtung der x-y - Ebene beträgt hierbei 45°, was gleichbedeutend damit ist, daß der Radius r=R 2 ist. Der Radius r kann aber auch größer sein als R/V2 (aber stets kleiner als R) oder - wie in Fig. 1 dargestellt - kleiner.
Die Projektion der beiden Strahlen 18a und 18b auf die x-y - Ebene schließt mit der x- Achse - d.h einem von S ausgehenden Strahl durch die Rotationsachse 14 - einen Winkel γ ein. Der untere Strahl 18a geht in den oberen Strahl 18b über, nachdem sich der Untersuchungsbereich 13 um den Winkel π+2γ gedreht und proportional dazu in z-Richtung verschoben hat. Während aber beim Eintritt in den Strahlenkegel der Punkt Qi zwischen der Strahlenquelle S und Q2 liegt, ist es beim Austritt genau umgekehrt. Das bedeutet, die Punkte Qi und Q2 und alle anderen Punkte auf der Geraden durch Qi und Q2 sind über einen Winkelbereich von genau 180° - vom jeweiligen Punkt aus gesehen - bestrahlt bzw. auf die Detektoreinheit 16 projiziert worden. Eine Linie mit Punkten, die in dieser Weise gleichzeitig in den Untersuchungsbereich 13. eintreten und gleichzeitig aus ihm austreten, wird im folgenden als π-Linie bezeichnet. Die Linie 18 in Fig. 3 und Fig. 4 ist eine solche π-Linie, und es ist klar, daß eine π-Linie eine Linie ist, die zwei Punkte auf der gleichen Windung der helixförmigen Abtastbahn 17 verbindet. Es läßt sich zeigen, daß jeder Punkt im Untersuchungsbereich zu einer - und nur einer - π-Linie gehört. Daher wird jeder Punkt - von diesem Punkt aus gesehen -über einen Winkelbereich von 180° bestrahlt. Dies ist hinreichend - und notwendig - um jeden Punkt innerhalb des Untersuchungsbereichs 13, der in den Strahlenkegel ein- und wieder ausgetreten ist, rekonstruieren zu können. Die Detektoreinheit 16 liefert somit die zur exakten Rekonstruktion erforderlichen Meßwerte, aber keine redundanten Meßwerte, was die Rekonstruktion erheblich vereinfacht.
Fig. 5 stellt die Abwicklung einer Detektoreinheit 16 von dem Helix-Zylinder 12 in die Zeichenebene dar. Die Abwicklung hat die Form eines Parallelogramms mit zur z- Richtung parallelen Seiten, während die obere und untere Seite mit der Rotationsachse entsprechend der Steigung der Helix einen Winkel ε einschließen, der sich aus der Beziehimg tanε=h/2πR berechnen läßt. Dabei ist angenommen, daß die Translations- und Rotationsgeschwindigkeit (bzw. die Winkelgeschwindigkeit) konstant sind und daß in der gleichen Zeit, in der in z- Richtung ein Vorschub um die Strecke h erfolgt, eine volle Umdrehung um die Rotationsachse 14 ausgeführt wird.
Während ein Punkt den Strahlenkegel passiert, ändert seine Projektion auf die Detektoreinheit 16 fortlaufend ihre Lage. Beginnend am unteren Rand (bzw. bei der unteren Detektorzeile) der Detektoreinheit beschreibt er eine Kurve auf der Detektoreinheit, die am oberen Rand endet. In Fig. 5 sind die Kurven für die Punkte Qi, Q und Q2 dargestellt. Außerdem zeigt Fig. 5 noch die Kurven für die Punkte auf einer anderen π-Linie mit den Punkten Pj, P, P2, deren Projektion in z- Richtung beim Eintritt (d.h. wenn deren Verbindungsgerade mit der Strahlenquelle den unteren Rand der Detektoreinheit - vgl. Fig. 3 - schneidet) in das Strahlenbündel mit dem oberen Strahl 18b in Fig. 4 zusammenfällt. Diese Punkte liegen dichter bei der Strahlenquelle S als die Punkte Qι-Q-Q2 während ihrer Passage durch den Strahlenkegel, und sie passieren den Strahlenkegel während einer Rotation um den Winkel π-2γ um die Rotationsachse 14. Gleichwohl „sehen" auch diese Punkte bei ihrer Passage durch den Strahlenkegel 4 die Strahlenquelle S aus einem Winkel von genau 180°. Je größer die Entfernung zwischen zwei Punkten auf der gleichen π-Linie ist, desto größer ist die Abweichung zwischen den beiden Kurven, die diese Punkte auf dem Detektor beschreiben.
Die Abwicklung der Detektoreinheit muß nicht notwendigerweise die in Fig. 5 dargestellte Parallelogrammform haben. Es könnte auch ein größerer, z.B. rechteckiger Detektor verwendet werden, wenn der Kollimator 3 (Fig.1 ) das kegelförmige Strahlenbündel der Strahlenquelle S so begrenzt, daß die Abwicklung des von dem Strahlenbündel getroffenen Bereichs der Detektoreinheit genau die in Fig. 5 dargestellte Form hat. Statt dieser Maßnahme - oder in Kombination damit - können die Meßdaten von denjenigen Detektorelementen des Detektors unberücksichtigt bleiben, die sich auf dem Detektor außerhalb des Parallelogramms nach Fig. 5 befinden.
Es ist auch nicht erforderlich, daß sich die Detektorelemente auf dem Umfang des Helix-Zylinders 12 (Fig. 3) befinden. Wie in Fig. 6 angedeutet, die eine Parallelprojektion der Anordnung nach Fig.3 in Richtung der z- Achse schematisch darstellt, kann die Detektoreinheit auch einen helixförmigen Kreisbogen 16b bzw. 16a um die Strahlenquelle S beschreiben, der den Untersuchungsbereich 13 tangiert bzw. den Helix-Zylinder. Ebenso kann die Detektoreinheit auch eine ebene Fläche 16c aufweisen oder beliebig geformt sein. Wesentlich ist bei all diesen Varianten nur, daß die Ränder der Detektoreinheit (bzw. der jeweils vom Strahlenbündel 4 getroffene Bereich der Detektoreinheit) mit der Zentralprojektion zweier im Abstand h befindlicher Wendelabschnitte der helixförmigen Abtastbahn 17 zusammenfällt bzw daß jeder Punkt bei seiner Passage die Strahlenquelle in einem Winkelbereich von genau 180° sieht.
Fig. 7 zeigt demgemäß die Abwicklungen der den Helix-Zylinder 12 auf einem Kreisbogen um die Strahlenquelle tangierenden Detektoreinheiten 16 und 16a in die Zeichenebene. Man erkennt, daß sich die Höhe dieser Abwicklung, d.h. die Abmessung in Richtung der z- Achse, - und in gleicher Weise die Abmessungen der Detektorzeilen - ändern, und zwar nach der Funktion h/cosγ, wobei γ der Winkel ist, den die Projektion eines Strahles in die x-y - Ebene mit der z- Achse einschließt (vgl. z.B. Fig. 4).
Im folgenden wird erläutert, wie die von der mehrzelligen Detektoreinheit 16 akquirierten Daten in dem Bildverarbeitungsrechner 10 weiterverarbeitet werden, wozu auf das in Fig. 9 dargestellte Ablaufdiagramm Bezug genommen wird. Nach der Initialisierung (Block 100) wird zunächst jeder Meßwert von jedem Detektorelement durch einen Referenzwert dividiert, und der daraus resultierende Quotient wird logarithmiert. Die auf diese Weise entstehenden Meßdaten stellen das Linienintegral der Absorption der Strahlung längs eines die Strahlenquelle mit dem jeweiligen Detektorelement verbindenden Strahls dar. Es ist dann Aufgabe der nachfolgenden Verarbeitungsschritte, aus diesen Linienintegralen der Absorption die räumliche Verteilung der Absorption zu bestimmen.
Dazu erfolgt zunächst ein Rebinning. Nach dem Rebinning oder auch davor erfolgt eine Gewichtung der Meßdaten, indem die Meßdaten mit einem Faktor multipliziert werden, der dem Kosinus des Winkels der zu den Meßdaten gehörenden Strahlen (z.B.18) mit einer die Rotationsachse senkrecht schneidenden Ebene entspricht. Dieser Gewichtungs- Schritt kann aber in den Fällen entfallen, in denen der Abstand zweier Helixwindungen klein im Vergleich zu deren Radius ist. Deshalb ist dieser Schritt in Fig. 9 nicht gesondert dargestellt. Bei dem Rebinning werden in einem ersten Schritt - 102 - Gruppen von in zueinander und zur Rotationsachse 14 parallelen Ebenen liegenden Strahlenfächern bzw von Meßdaten gebildet, die zu den Strahlen gehören, aus denen sich diese Strahlenfächer zusammensetzen . Dies wird zunächst anhand von Fig. 10 erläutert, die eine Seitenansicht der Anordnung nach Fig. 3 darstellt. Fig. 10 zeigt sechs Strahlen von dem kegelförmigen Strahlenbündel 4, wovon drei Strahlen 401...403 den oberen Rand und drei Strahlen 411...413 den unteren Rand der Detektoreinheit treffen. Die Strahlen 402 und 412 gehen dabei durch die Rotationsachse 14, während die Strahlen 401 und 403 bzw. 411 und 413 links bzw. rechts an der Rotationsachse vorbeigehen. Jeweils zwei dieser Strahlen sind die Randstrahlen eines Strahlenfächers, dessen Strahlen in einer zur z- Achse bzw. zur Rotationsachse 14 parallelen Ebene liegen, z.B. die Strahlen 401 und 411, die Strahlen 402 und 412 und die Strahlen 403 und 413.
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 10. Da die Strahlen 401 ...403 und 411...413 jeweils in der gleichen, zur Zeichenebene der Fig. 11 senkrechten Ebene liegen, erscheinen sie in Fig. 11 als einzelner Strahl. Die durch diese Strahlenfächer definierten Ebenen schneiden sich in der Strahlenquellenposition Sα. Die Ebene mit den
Strahlenfächern 401,411 schließt mit der die Rotationsachse enthaltenden Mittelebene einen Winkel +γι ein, während zwischen der Mittelebene und der Ebenen des Strahlenfächers 403,413 ein Winkel -γi liegt. Der Strahlenfächer 402, 412 ist mit der Mittelebene (in Fig 11 ist das die x-z- Ebene) identisch. In Fig. 11 sind zwei weitere Strahlenquellenpositionen Sα.γι und Sα+Υι beiderseits der mittleren Strahlenquellenposition Sα dargestellt und je ein Strahl enfächer, der von dieser Strahlenposition ausgehend die Rotationsachse 14 mit den Strahlenfächern 420 bzw. 430 durchsetzt. Man erkennt, daß die Strahlenfächer 420 und 403,413 zueinander parallel sind - genauso wie die Strahlenfächer 401,411 und 430. Bei der Erfindung werden im Schritt 102 aus verschiedenen Strahlenquellenpositionen die Strahlenfächer, die in zueinander (und zur Rotationsachse 14) parallelen Ebenen liegen - bzw die Meßdaten, die zu den Strahlen gehören, aus denen sich diese Strahlenfächer zusammensetzen - zu jeweils einer Gruppe zusammengefaßt. Es werden somit diejenigen Strahlenfächer (und die zugehörigen Meßdaten) in einer Gruppe zusammengefaßt, bei denen die Summe aus dem die Strahlenquellenposition kennzeichnenden Winkel (α, bzw. -γi bzw. oc+ γi) und dem Fan- Winkel γ (das ist der Winkel, den die Ebene des Strahlenfächers mit einer die Rotationsachse 14 enthaltenden Ebene einschließt; in Fig. 11 sind dies z.B. die Winkel -γt, bzw. + γi) konstant ist. In der Praxis gibt es nur diskrete Werte des Winkels α der Strahlenquellenpositionen bzw. - bedingt durch die endlichen Abmessungen der
Detektorelemente - des Fan- Winkels γ. Diese diskreten Werte unterscheiden sich durch Inkremente da bzw. dγ voneinder, wobei da ≠ dγ sein kann. Infolge dieser Ungleichheit kann die Summe dieser beiden Winkel bei verschiedenen Strahlenquellenposition nicht immer exakt den gleichen Wert haben; es kann Strahlenfächer geben, bei denen die Summe etwas größer oder etwas kleiner ist als der zur mittleren Strahlenquellenposition Sα gehörende Winkel α, d.h. Die zugehörigen Strahlenfächer befinden sich nicht in paralleln Ebenen. In diesem Fall kann man durch Interplolation der zu diesen ursprünglichen Strahlenfächern mit einem leicht abweichenden Winkel α gehörenden Meßdaten die Meßdaten eines Strahlenfächers ermitteln, der in einer exakt parallelen Ebene liegt, bzw. für den die Summe exakt α ist.
Fig. 12 zeigt eine solche Schar von in verschiedenen Strahlenquellenpositionen erzeugten, in parallelen Ebenen befindlichen Strahlenfächern, die den Untersuchungsbereich 13 durchsetzen. Senkrecht zu den Ebenen, in denen sich diese Strahlenfächer befinden, und in der Rotationsachse ist ein virtueller Detektor 72 angeordnet. Die Abmessungen dieses virtuellen Detektors in der x-y - Ebene entsprechen dem Durchmesser des
Untersuchungsbereichs 13 (2r). In z- Richtung betragen die Abmessungen des virtuellen Detektors h/2. Es läßt sich nämlich zeigen, daß die oberen und unteren Randstrahlen sämtlicher Strahlenfächer exakt mit dem (in z- Richtung) oberen bzw. unteren Rand dieses ebenen, virtuellen und exakt rechteckigen Detektors zusammenfallen. Fig. 8 erläutert die Verhältnisse in einer perspektivischen Darstellung, wobei angenommen ist, daß sich die Strahlenquelle auf der helixförmigen Bahn 17 bewegt. Die obere und die linke Seite des virtuellen Detektors 72 sind durch ausgezogene Linien dargestellt, während die untere Seite durch eine gepunktete Linie dargestellt ist. Die obere und untere Rand des virtuellen Detektors 72 sind durch gestrichelte Linien 72 verlängert und zu einem Rechteck 720 ergänzt, von dessen unteren rechten Eckpunkt die helixförmige Bahn 17 bis zum dessen oberen Eckpunkt verläuft. Die von verschiedenen Strahlenquellenpositionen auf der helixförmigen Bahn ausgehenden und in zueinander parallelen Ebenen verlaufenden Strahlenfächer sind als Dreiecke dargestellt, deren obere und untere Seite den oberen und unteren Randstrahl des Strahlenfächers andeuten sollen und dessen vertikale Seite die Lage der von diesem Strahlenfächer getroffenen Spalte der Detektoreinheit darstellen soll.
Obwohl die Strahlenquellenposition links und rechts von der Mitte höher bzw. tiefer (in Richtung der Rotationsachse gemessen) liegen als die mittlere Strahlenquellenposition, durchstoßen die oberen und unteren Randstrahlen den oberen und den unteren Rand des ebenen virtuellen Detektors 72. Dies beruht darauf, daß die rechts bzw. links von der Mitte befindlichen Strahlenfächer von Detektorspalten erfaßt werden, die in z- Richtung höher bzw. niedriger liegen als die Spalte, die den von der mittleren Strahlenquellenposition ausgehenden, die Rotationsachse 14 durchsetzenden Strahlenfächer erfaßt.
Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß jeder Strahlenfächer eine Spalte des virtuellen Detektors bedeckt. Im Schritt 102 werden alle (in zur Rotationsachse parallelen Ebenen befindlichen) Strahlenfächer je einer der verschiedenen Gruppen zugeordnet, so daß sich -ggf. nach Interpolation - innerhalb jeder Gruppe die Strahlenfächer in parallelen Ebenen befinden, die den zu dieser Gruppe gehörenden virtuellen Detektor 72 senkrecht schneiden. Nachdem auf diese Weise für wenigstens eine Gruppe alle Meßdaten und die zugehörigen Strahlenfacher erfaßt worden sind, erfolgt im Schritt 103 der zweite Teil des Rebinning. Dies ist ein weiteres Interpolationsverfahren, das aus den folgenden Gründen nötig ist: Die Strahlenfächer belegen zwar einen vertikalen Streifen bzw. eine Spalte in dem virtuellen Detektor, und die zu einem Strahlenfächer gehörenden Strahlen können an äquidistanten Punkten auf den virtuellen Detektor auftreffen, aber die Spalten bzw. vertikalen Streifen haben voneinander unterschiedliche Abstände (aus geometrischen Gründen sind sie außen dichter beieinander als innen). Deshalb werden im Schritt 103 die nach dem Schritt 102 gelieferten Daten so interpoliert, daß sich für ein regelmäßiges kartesisches Gitter auf dem virtuellen Detektor die zugehörigen Strahlen und die zugehörigen Linienintegrale der
Absorption ergeben. Damit ist ein Rebinning mit einer parallelen Fächergeometrie auf eine rechteckige Detektorfläche mit regelmäßig verteilten Gitterpunkten erfolgt, was die nachfolgende Verarbeitung ganz wesentlich erleichtert. Das in den Schritten 102 und 103 erfolgte Rebinning liefert somit Gruppen von Meßdaten und die zugehörigen Strahlen, die sich ergeben würden, wenn ein ebener rechteckiger Detektor in einer die Rotationsachse 14 enthaltenden Ebene (d.h. der virtuelle Detektor) die Meßdaten einer sich entlang eines Abschnitts der Linie 17 erstreckenden Strahlenquelle erfassen würde, die zur Detektorebene senkrechte und zur Rotationsachse 14 parallele Strahlenfächer emittiert.
Anschließend erfolgt im Schritt 104 eine eindimensionale Filterung. Bei dem vorgegebenen Rebinning ist dafür lediglich ein einfaches eindimensionales ortsunabhängiges, vorzugsweise rampenförmiges Filter in Zeilenrichtung erforderlich (die Zeilenrichtung verläuft in der Darstellung der Fig. 12 vertikal bzw. in der perspektivischen Darstellung der Fig. 8 in Längsrichtung des Rechtecks 720 bzw. 72 und somit senkrecht zur Rotationsachse 14). Die Filterung kann im Prinzip dadurch erfolgen, daß die sich aus dem Rebinning ergebenden Daten einer Faltung mit einem geeigneten eindimensionalen Filterkernel unterzogen werden. Eine einfachere Möglichkeit besteht jedoch darin, die durch das Rebinning entstandenen Daten im Schritt 104 zunächst einer Fourier-Transformation zu unterziehen. Im Schritt 105 werden die auf diese Weise in den Ortsfrequenzraum transformierten Daten einer rampenförmigen Filterung (in Zeilenrichtung) unterzogen, wobei die Dämpfung linear mit zunehmendem Betrag der Frequenz abnimmt. Im Schritt 106 werden die auf diese Weise im Ortsfrequenzraum gefilterten Daten einer inversen Fourier-Transformation unterzogen, so daß sich gefilterte Projektionsdaten ergeben.
Es ist nicht wesentlich, daß der virtuelle Detektor, der dem Rebinning zugrundegelegt wird, eben ist und die Rotationsachse enthält. Wenn diese Voraussetzungen nicht gegeben sind, beschreiben die Durchstoßpunkte der einzelnen Strahlen mit dem (virtuellen) Detektor nicht mehr zur Rotationachse senkrechte Geraden, sondern - ggf. gekrümmte - Geraden. In diesem Fall müssen für die Filterung die Meßdaten herangezogen werden, die innerhalb der zur gleichen Gruppe gehörenden Strahlenfächer den einander entsprechenden (z.B den jeweils obersten, den zweitobersten den untersten ) Strahlen zugeordnet sind. Im nächsten Verfahrensschritt 107 werden die gefilterten Daten einer jeden
Gruppe entlang den aus dem Rebinning resultierenden Strahlen in den Ortsraum rückprojiziert. Die gefilterten Daten werden also den Voxeln im Untersuchungsbereich zugeordnet (d.h. sie werden auf diese Voxel „verschmiert"), die bei der Akquisition von dem zugehörigen Strahl getroffen wurden. Jedes Voxel erhält auf diese Weise Beiträge von verschiedenen Gruppen von Strahlen (bzw. den zugehörigen Daten), die bezüglich dieses Voxels einen Winkel von 180° miteinander einschließen. Eine Multiplikation der gefilterten Daten mit irgend welchen Gewichtungsfaktoren ist dabei in der Regel nicht notwendig. Dabei ergibt sich bereits eine vollständige Rekonstruktion eines Teils des Untersuchungsbereichs, sobald die Meßdaten, die sich bei einem Umlauf der Abtasteinheit relativ zum Untersuchungsbereich über einen Winkel von 180° +2γmax ergeben, entsprechend den Schritten 101-107 verarbeitet worden sind. Der auf diese Weise rekonstruierte Bereich
kann unmittelbar danach schon auf dem Monitor wiedergegeben werden, wobei weiterhin Meßdaten akquiriert und entsprechend den Schritten 101 bis 107 verarbeitet werden können. Die Akquisition der Meßdaten und die Rekonstruktion der Absorptionsverteilung im
Untersuchungsbereich kann dann zu einem beliebigen Zeitpunkt beendet werden (Block 108).

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Computertomographie- Verfahren mit helixförmiger Abtastung eines
Untersuchungsbereiches durch eine Abtasteinheit, die eine Strahlenquelle (S) und eine Detektoreinheit (16) umfaßt, wobei ein in dem Untersuchungsbereich (13) enthaltenes Objekt und die Abtasteinheit relativ zueinander gleichzeitig um eine Rotationsachse rotieren und eine zur Richtung der Rotationsachse parallele Bewegung ausführen sodaß sich eine Relativbewegung in Form einer Helix (17) ergibt, und mit einer Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Absorption innerhalb des Untersuchungsbereiches aus den von der Detektoreinheit akquirierten Meßdaten, gekennzeichnet durch folgende Schritte a) Verwendung lediglich solcher Meßdaten für die Rekonstruktion, die sich ergeben , wenn die Strahlenquelle die Punkte innerhalb des Untersuchungsbereiches in einem Winkelbereich von 180° bestrahlt, sodaß die zu den Meßdaten gehörigen Strahlen gerade den Bereich zwischen benachbarten Windungen der Helix (17) durchsetzen, b) Rebinning der Meßdaten und der zugehörigen Strahlen zu einer Anzahl von Gruppen, wobei jede Gruppe mehrere zur Rotationsachse parallele Ebenen umfaßt, in denen sich je ein Strahlenfächer befindet, c) Filterung der durch das Rebinning erzeugten Daten einer jeden Gruppe, d) Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Absorption aus den gefilterten Daten verschiedener Gruppen.
2. Computertomographie- Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein solches Rebinning der Meßdaten, daß die jeweils einen Strahlenfächer enthaltenden Ebenen einer jeden Gruppe zueinander und zur Rotationsachse parallel sind.
3. Computertomographie- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekonstruktionsschritt die Rückprojektion der gefilterten Daten von mehreren Gruppen umfaßt.
4. Computertomographie- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung folgende Schritte umfaßt a) Eindimensionale Fourier-Transformation der Daten einer jeden Gruppe in Richtung senkrecht zur Rotationsachse, b) Anwendung eines rampenförmigen Filters auf die aus der Fourier-Transformation resultierenden Werte, c) inverse Fourier-Transformation der gefilterten Daten.
5. Computertomographie-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rebinning auf je einen zu den Ebenen einer jeden Gruppe senkrechten, ebenen virtuellen Detektor erfolgt, der die Rotationsachse enthält .
6. Computertomograph zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruchs 1 mit einer Abtasteinheit, die eine Strahlenquelle und eine damit verbundene Detektoreinheit umfaßt, mit einer Antriebsanodnung, um ein im Untersuchungsbereich enthaltenes Objekt und die Abtasteinheit relativ zueinander gleichzeitig um eine Rotationsachse rotieren und in Richtung der Rotationsachse eine Bewegung ausführen zu lassen und mit einer Rekonstruktionseinheit zur Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Absorption innerhalb des Untersuchungsbereiches aus den von der Detektoreinheit akquirierten Meßdaten, gekennzeichnet durch a) Mittel zur Verwendung lediglich solcher Meßdaten für die Rekonstruktion, bei deren Akquisition die Strahlenquelle die Punkte innerhalb des Untersuchungsbereiches aus einem Winkelbereich von 180° bestrahlt, b) Mittel zum Rebinning der Meßdaten zu mehreren Gruppen, wobei jede Gruppe mehrere zur Rotationsachse parallele Ebenen umfaßt, in denen sich je ein Strahlenfächer befindet, c) Mittel zur eindimensionalen Filterung der durch das Rebinning erzeugten Daten einer jeden Gruppe in Richtung senkrecht zur Rotationsachse d) Mittel Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Absorption aus den gefilterten Daten verschiedener Gruppen (umfaßt auch generalisierte Projektionen).
7. Computertomograph nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine solche Gestaltung der Kollimatoranordnung und/oder der Detektoreinheit, daß alle Verbindungsgeraden der Strahlenquelle mit den beiden in Rotationsrichtung gegeneinander versetzten Rändern des vom kegelförmigen Strahlenbündel getroffenen Bereichs der Detektoreinheit bzw der Detektoreinheit zwei in Rotationsrichtung benachbarte Abschnitte der Wendel der Helix schneiden, auf der die Strahlenquelle und das Objekt relativ zueinander bewegbar sind.
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