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In der interventionellen Röntgendiagnostik werden in zunehmendem Maß mobile C-Bogen-Röntgengeräte eingesetzt. Ein solches mobiles C-Bogen-Röntgengerät ist auf dem Fußboden verfahrbar und trägt auf einem Fahrgestell eine mehrfach verstellbare Halterung in der ein kreisbogenförmiger C-Bogen längs seines Umfangs in einer Orbitalbewegung verstellbar ist, wobei der C-Bogen an seinem einen Ende eine Röntgenstrahlenquelle und an seinem anderen Ende einen bildgebenden Röntgenstrahlendetektor, vorzugsweise einen Flat Panel Detektor (FPD) trägt. Vorzugsweise sind alle Verstellachsen mit elektrisch steuerbaren Antrieben ausgestattet, so daß mittels einer Bewegungssteuerung die aus der Röntgenstrahlenquelle und dem Röntgenstrahlendetektor bestehende Röntgenaufnahmeeinheit im Raum positioniert und/oder längs einer Fokustrajektorie verfahren werden kann. Nach einer Positionierung der Röntgenaufnahmeeinheit oder auch während der Bewegung auf einer Fokustrajektorie werden Röntgenprojektionsaufnahmen angefertigt. Weist der Röntgenstrahlendetektor ein rundes Eingangsfenster auf, wie beispielsweise bei einem Röntgenbildverstärker oder bei einem runden FPD, so ist das Strahlenfeld zwischen dem Brennfleck der Röntgenröhre kegelförmig; bei Verwendung eines rechteckigen FPD ist das Strahlenfeld pyramidenförmig. In beiden Fällen wird in der Literatur der Begriff Kegelstrahlgeometrie (”cone beam”, abgekürzt ”CB”) verwendet. Das Strahlenfeld ist durch eine Primärstrahlenblende derart eingeblendet, daß alle Strahlen des Strahlenfeldes auf das Eingangsfenster des Röntgenstrahlendetektors fallen. Wird ein Untersuchungsobjekt in das Strahlenfeld eingebracht, so kann von dem Raumbereich des Untersuchungsobjektes, der sich innerhalb des Strahlenfeldes befindet, eine Röntgenprojektion aufgenommen werden. Zur Eingrenzung des Strahlenfeldes auf einen Bereich des Interesses (Region of Interest, ROI) ist zwischen dem Brennfleck und dem Untersuchungsobjekt vorzugsweise ein motorisch verstellbares Blendensystem angeordnet. Alle Vorgänge der Bildaufnahme werden von einer Bildaufnahmesteuerung gesteuert, die mit der Bewegungssteuerung synchronisiert ist. Die aufgenommenen Röntgenprojektionsaufnahmen werden zusammen mit Daten aus der Bewegungssteuerung und der Bildaufnahmesteuerung in einem Bildverarbeitungsrechner verarbeitet.
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Bei der interventionellen Röntgendiagnostik ist der Bereich um die Patientenliege herum durch eine Reihe von Geräten belegt und zusätzlich muß ein Arbeitsbereich für die Personen gewährleistet sein, die den Eingriff durchführen oder bei dem Eingriff assistieren. Ein für die interventionelle Diagnostik eingesetztes mobiles C-Bogen-Röntgengerät wird vorzugsweise annähernd senkrecht zur Längsachse der Patientenliege an das Untersuchungsobjekt herangefahren, so daß die C-Bogen-Ebene annähernd den ROI enthält. In dieser Arbeitsstellung werden die Räder des Fahrgestells vorzugsweise blockiert und die Röntgenaufnahmeeinheit des C-Bogen-Röntgengeräts wird mittels mehrerer, vorzugsweise motorisch gesteuerter Verstellachsen in die gewünschte Position und Ausrichtung gebracht. Werden während des Eingriffs Scans zur Aufnahme einer Bildfolge von Projektionsbildern angefertigt, so ist es wünschenswert, daß die Bewegung der Röntgenaufnahmeeinheit und des Zentralstrahls in einer ursprünglich eingestellten Ebene bleibt. Jede Bewegungskomponente senkrecht zur ursprünglichen C-Bogen-Ebene würde den Platzbedarf des C-Bogen-Röntgengeräts in Richtung der Längsachse der Patientenliege vergrößern und eine erhöhte Kollisionsgefahr mit anderen Geräten erzeugen oder/und den Arbeitsraum der an dem Eingriff beteiligten Personen einengen. Für die Handhabung des C-Bogen-Röntgengeräts ist es besonders vorteilhaft, wenn die C-Bogen-Ebene im Raum senkrecht steht. Dann ist für die Bewegung der Röntgenaufnahmeeinheit während eines Scans nur ein schmaler Korridor als Bewegungsraum freizuhalten. Bei kurzzeitigen Nichtgebrauch des mobilen C-Bogen-Röntgengeräts kann dieses auf Rädern an einem Fahrgestell längs des Fußbodens von der Patientenliege annähernd senkrecht zur Längsachse der Patientenliege von dieser in eine Parkposition bewegt und von dieser aus schnell wieder in die Arbeitsstellung verfahren werden.
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Zur Rekonstruktion des Röntgenvolumens eines ROI werden die Bilddaten einer Reihe von 2D-Röntgenprojektionen des ROI benötigt, die mit unterschiedlichen Röntgenprojektionsgeometrien aufgenommen wurden. Dabei bewegen sich die Röntgenstrahlenquelle und der bildgebende Röntgenstrahlendetektor, beispielsweise ein Flat Panel Detektor FPD, um den ROI herum, wobei während der Bewegung Röntgenprojektionsaufnahmen von dem Untersuchungsobjekt angefertigt werden.
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Mit mobilen C-Bogen-Röntgengeräten werden vorzugsweise Short-Scans aufgenommen, bei denen der Rotationswinkelbereich kleiner als 360° ist. Weist das C-Bogen-Röntgengerät einen isozentrischen C-Bogen auf, bei dem der Zentralstrahl durch den Kreismittelpunkt des C-Bogens verläuft, kann durch Rotation des C-Bogens um seien Mittelpunkt ein ebener Rotationsscan aufgenommen werden, dessen Rotationswinkelbereich von der Bogenlänge und dem Radius des C-Bogens abhängen.
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Weist das C-Bogen-Röntgengerät einen nicht-isozentrischen C-Bogen auf, bei dem der Kreismittelpunkt des C-Bogens innerhalb der vom Zentralstrahl und dem C-Bogen-Profil gebildeten Kreissegment liegt, so kann mit einem solchen nicht-isozentrischen C-Bogen-Röntgengerät ein Rotationsscan wie mit einem isozentrischen C-Bogen aufgenommen werden, wenn die Röntgenaufnahmeeinheit am C-Bogen derart um ein virtuelles Isozentrum herumgeführt wird, daß für jede Scanposition die Halterung des C-Bogens in der C-Bogen-Ebene derart verstellt wird, daß der Zentralstrahl durch das virtuelle Scanzentrum verläuft. Dabei kann die Verstellung der C-Bogen-Halterung in einer Weise erfolgen, daß der Abstand des Eingangsfensters des Röntgenstrahlendetektors zum virtuellen Scanzentrum für jede Projektionsgeometrie gleich ist. Es ist aber auch möglich, Scans mit variablem Abstand zwischen dem Eingangsfenster des Röntgenstrahlendetektors und dem virtuellen Scanzentrum bei gleichem Abstand zwischen dem Röntgenstrahler und dem Röntgenstrahlenempfänger aufzunehmen.
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Um aus einen Satz von Röntgenprojektionen mit einem analytischen Rechenverfahren ein 2D-Modell der Röntgenabsorption der Voxel eines scheibenförmigen ROI mit der Dicke eines Voxels ermitteln zu können, ist ein vollständiger Projektionsdatensatz erforderlich. Bei diesem liegen für jedes Voxel des ROI die Integrale der Röntgenabsorptionswerte für alle Projektionsgeraden in einem Winkelbereich von 0° bis 180° vor.
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Einen vollständigen Projektionsdatensatz erhält man für einen scheibenförmigen ROI in der C-Bogen-Ebene, wenn der ROI vollständig von einem Fächerstrahl erfaßt wird und die mit dem Fächerstrahl verbundene Röntgenaufnahmeeinheit um den Mittelpunkt des ROI mit einem Rotationswinkelbereich von 180° plus Fächerwinkel rotiert.
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Vollständige Projektionsdatensätze für die Rekonstruktion eines 3D-ROI können nur mit nicht-ebenen Trajektorien des Fokus der Röntgenstrahlenquelle aufgenommen werden. So sind beispielsweise kurze Spiralscans, circle + line-Scans oder circle-arc-Scans mit einem C-Bogen-Röntgengerät aufnehmbar, wenn die Verstellung der C-Bogen-Halterung eine Bewegung senkrecht zur C-Bogen-Ebene zuläßt.
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Ein für einen scheibenförmigen ROI in der Zentralschicht vollständiger Projektionsdatensatz, der mit einer Kegelstrahlgeometrie aufgenommen wurde, kann auch außerhalb der Zentralschicht approximativ durch einen Feldkamp-Algorithmus zur Rekonstruktion genutzt werden.
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Wird ein scheibenförmiges Röntgenvolumen aus einem nicht-vollständigen Projektionsdatensatz rekonstruiert, so treten im rekonstruierten Röntgenvolumen Artefakte auf, die eine Diagnose der Verhältnisse im ROI stark stören. Es ist daher wünschenswert, die Artefakte im ROI durch Aufnahme eines vollständigen Projektionsdatensatzes zu minimieren.
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C-Bogen-Röntgengeräte mit einem Scanwinkelbereich des Zentralstrahls von 180° plus Fächerwinklel sind bekannt und kommen vorwiegend in stationären Röntgendiagnostikeinrichtungen zum Einsatz. Typische Werte des Fächerwinkels in verbreiteten C-Bogen-Systemen sind Werte zwischen 10° und 20°. Um einen für die 3D-Rekonstruktion vollständigen Satz von Projektionsdaten zu erhalten, wäre bei einem Fächerwinkel vom 20° ein Rotationswinkelbereich der Orbitalbewegung von 200° notwendig. Bei C-Bogen-Geräten, bei denen der C-Bogen in einer Halterung längs seines Umfangs verschieblich gelagert ist, müßte der C-Bogen einen um den Winkelbereich der Halterung vergrößerte Bogenlänge, also 200° plus Winkelbereich der Halterung aufweisen. Gegenüber einem halbkreisförmigen C-Bogen mit einem mit einer 180°-Bogenlänge und gleichem Radius des C-Bogens weist ein C-Bogen mit einer Bogenlänge von 200° plus Winkelbereich der Halterung eine kleinere Öffnungsweite zwischen den Enden des C-Bogens auf. Zur Vergrößerung der Öffnungsweite bei gegebener Bogenlänge muß der Radius des C-Bogens vergrößert werden, was zur Erreichung einer hinreichenden Stabilität und Verwindungssteifigkeit eine Erhöhung des Gewichts des C-Bogens und eine stabilere und schwerere Konstruktion des C-Bogen-Fahrstativs zur Folge hat, um die vergrößerten Kippmomente des vergrößerten und schwereren C-Bogens sicher kompensieren zu können. Ein C-Bogen-Röntgengerät mit einem vergrößerten Radius ist sperriger und schwerer und dadurch schlechter zu handhaben und zu manövrieren als ein kompaktes, mobiles C-Bogen-Röntgengerät mit einer C-Bogenlänge von 180° und einem kleineren Radius bei gleicher Öffnungsweite. Auch ist der Vorteil der guten Mobilität eines kleinen C-Bogen-Röntgengeräts bei größeren und schwereren C-Bogen-Röntgengeräten nicht mehr gegeben.
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DE 20 2005 021 106 U1 betrifft ein C-Bogen-Röntgengerät zur automatischen Erzeugung von Projektionsaufnahmen für eine Volumenrekonstruktion, mit dem eine gespeicherte Abfolge von Verstellpositionen der elektromotorisch verstellbaren Horizontal-, Vertikal- und Orbitalverstellachsen nacheinander eingestellt wird, wobei bei jeder Einstellung eine Röntgenprojektionsaufnahme mit der entsprechenden Projektionsgeometrie aufgenommen wird.
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DE10153787B4 betrifft eine mobile Röntgendiasgnostikeinrichtung mit einem längs seines Umfangs verschiebbaren, nicht-isozentrischen C-Bogen, einer motorisch in wenigstens zwei Achsen verstellbaren C-Bogen-Halterung und einer Bewegungssteuerung, die die Einstellung der motorisch gesteuerten Achsen in Abhängigkeit von der Stellung des C-Bogens in der Orbitalachse derart vornimmt, daß mit dem Röntgenaufnahmesystem Röntgenprojektionsaufnahmen mit einer vorbestimmten Projektionsgeometrie aufgenommen werden können. Insbesondere ist es möglich, einen isozentrischen C-Bogen mit einem virtuellen Isozentrum nachzubilden.
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US4138721A betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines begrenzten 3D-Datensatzes mit einer Fokustrajektorie für einen Fächerstrahl, bei der der Röntgenfokus derart bewegt wird, daß der Fächerstrahl quer zum Zentralstrahl über den ROI bewegt wird und an den Endpunkten der Fokustrajektorie der Fächerstrahl vollständig außerhalb des ROI liegt. Die Fokustrajektorie kann aus einer Strecke oder aus einem Kreisbogen bestehen, dessen Radius wesentlich größer ist als der Abstand zwischen dem Röntgendetektor und dem Mittelpunkt der ROI. Der ROI wird dabei während der Aufnahme von Röntgenprojektionen in das Strahlenfeld ein- und wieder ausgefahren.
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DE 10 2009 031 165 A1 betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von Röntgenbildern eines ROI aus mehreren Bildwinkeln für eine 3D-Rekonstruktion unter Verwendung eines Röntgenbildaufnahmesystems bei dem die Röntgenstrahlenquelle und der Röntgendetektor getrennt voneinander positionier- und relativ zueinander ausrichtbar sind, wobei der Fokus der Röntgenstrahlenquelle unter Aufnahme von Röntgenprojektionen längs einer Fokustrajektorie, die aus einer Kombination von geraden Liniensegmenten und/oder Bogensegmenten besteht, derart bewegt wird, daß der ROI bei jeder Aufnahme vollständig auf den Röntgendetektor projiziert wird. Die Linien- und/oder Bogensegmente können miteinander verbunden sein und in einer Ebene liegen.
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DE10224011A1 offenbart ein rechnergestütztes Rekonstruktionsverfahren für ein dreidimensionales Objekt, bei dem die Projektionsdaten aus einem unvollständigen Scan mit einem Scanbereich von weniger als 180° gewonnen wurden. Für die Rekonstruktion werden Annahmen über die Röntgentransparenz des Untersuchungsobjekts getroffen.
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DE 10 2009 038 787 A1 offenbart ein Verfahren zur Aufnahme eines 3D-Datensatzes eines Untersuchungsobjekts zur Vermeidung von Abschneideeffekten, wobei ein erster Scan mit einem Scanwinkel von 180° plus halbem Fächerwinkel aufgenommen wird und bei einem zweiten Scan mit dem gleichen Scanbereich der Röntgendetektor in Scanrichtung versetzt ist.
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DE4016245C2 betrifft ein Verfahren zum Aufnehmen eines vollständigen Projektionsdatensatzes unter Verwendung eines Translations-Rotations-Scanners für ein Objekt, das die Größe des Strahlenfächers übersteigt.
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DE 10 2006 037 564 B3 betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines 3D-Projektionsdatensatzes, bei dem ein robotergeführter C-Bogen zur Vermeidung von Abschneideeffekten derart synchron zur Rotation in der C-Ebene nachgeführt wird, daß der interessierende Objektbereich zumindest bei jedem Rotationswinkel, bei dem eine Bildaufzeichnung erfolgt, innerhalb des Strahlenkegels eines Röntgenstrahlenbündels des Bildaufnahmesystems liegt.
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DE2604020C3 betrifft eine rotatorische Abtastung eines Objekts mit einem Fächerstrahl und einem Scanwinkelbereich von 180 plus Fächerwinkel zur Aufnahme eines vollständigen 3D-Projektionsdatensatzes, bei der eine von der Scanwinklelstellung abhängig verstellbare Blende zu Beginn des Scans zunächst einen ersten Randbereich des Fächerstrahls und zum Ende des Scans den zweiten Randbereich des Fächerstrahls ausblendet, wodurch Patientendosis eingespart wird.
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DE 10 2011 086 754 A1 betrifft ein C-Bogen-Röntgengerät und ein Verfahren zur rotatorischen Abtastung eines Objektes, bei dem die Rotation des C-Bogens von einer Verschiebungsbewegung zwischen dem Objekt und dem C-Bogen überlagert wird. Bei einem vollständigen Scan mit einem Scanwinkelbereich von 180 plus Fächerwinkel ist ein größeren Volumen rekonstruierbar als bei einer reinen rotatorischen Abtastung.
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US5032990A und der Artikel von K. C. Tam, ”Reducing the Fan-Beam Scanning Angular Range”, Phys. Med. Biol., Band 33 (1988), pp. 955–967 offenbaren, daß eine mathematisch fehlerfreie 3D-Rekonstruktion mit 2D-Projektionsdaten erreicht werden kann, die bei einem Halbscan mit einer ebenen kreisförmigen Trajektorie mit einem auf den Zentralstrahl bezogenen Rotationswinkelbereich 180° plus Fächerwinkel aufgenommen wurden.
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US8284892B2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Volumenrekonstruktion aus Projektionsdaten, die mit einem Short-Scan aufgenommen wurden. Redundante Projektionsdaten werden durch Gewichtung von rekonstruierten Teilvolumina vor der Addition zu einem Gesamtvolumen berücksichtigt.
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Aus dem Artikel F. Dennerlein, H. Kunze, J. Boese ”Cone-beam reconstruction from a variable-radius planar source trajectory” in 2009 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (2009) pp. 2496–2499 ist ein Rekonstruktionsverfahren vom Feldkamp-Typ bekannt, bei dem Projektionsdaten aus ebenen Fokus- und Detektortrajektorien eines Short-Scan mit einem Winkelbereich von 180° plus Fächerwinkel verwendet werden. Die Short-Scan-Trajektorien können offene Rechtecke oder offene Trajektorien mit unterschiedlichen Radien sein. Es ist vorgesehen, die Fokus- und Detektortrajektorien um eine rechteckige Trajektorie oszillieren zu lassen.
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Aus dem Artikel F. Noo, M. Defrise, R. Clackdoyle, H. Kudo ”Image reconstruction from fan-beam projections an less than a short scan”, Phys. Med. Biol. 47 (2002) 2525–2546, veröffentlicht im Juli 2002, ist ein super-short-Scan-Verfahren zur Aufnahme eines Projektionsdatensatzes und zur Rekonstruktion eines dezentral angeordneten ROI bekannt, wobei der Scanwinkel um das Drehzentrum weniger als 180° plus Fächerwinkel betragen kann.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Aufnahme eines Scans zur Gewinnung eines Projektionsdatensatzes mit einem C-Bogen-Röntgengerät mit Kegelstrahlgeometrie, das in der Ebene des C-Bogens eine Fächerstrahlgeometrie mit einem Fächerwinkel aufweist und dessen C-Bogen während des Scans in einer raumfesten Ebene bewegt wird, weisen den Nachteil auf, daß ein vollständiger Satz von Röntgenprojektionen zur analytischen Rekonstruktion eines in der Ebene des C-Bogens liegenden scheibenförmigen Röntgenvolumens einen Orbitalwinkel-Verstellbereich von wenigstens 180° erfordern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Aufnahme eines Scans zur Gewinnung von Röntgenprojektionsaufnahmen mit einem C-Bogen-Röntgengerät zu schaffen, wobei das C-Bogen-Röntgengerät eine Kegelstrahlgeometrie und in der Ebene des C-Bogens eine Fächerstrahlgeometrie mit einem Fächerwinkel und einen Orbitalwinkel-Verstellbereich aufweist, und dessen C-Bogen während des Scans in einer raumfesten Ebene bewegt wird, so daß mit den Röntgenprojektionsaufnahmen ein vollständiger Satz von Röntgenprojektionen zur analytischen Rekonstruktion eines in der Ebene des C-Bogens liegenden scheibenförmigen Röntgenvolumens der Zentralschicht bei einem Orbitalwinkelverstellbereich von weniger als 180° bereitgestellt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufnahme eines Scans aus einer Reihe von 2D-Röntgenprojektionen mit einem C-Bogen-Röntgengerät, die eine analytische Volumenrekonstruktion eines scheibenförmigen ROI der Zentralschicht erlauben, weist eine aus drei Abschnitten bestehende, zusammenhängende, ebene Fokustrajektorie auf, auf der der Fokus der Röntgenstrahlenquelle unter Aufnahme von Röntgenprojektionsaufnahmen verfahren wird, wobei die Röntgenstrahlenquelle einen Kegelstrahl in Richtung auf einen bildgebenden Röntgendetektor, insbesondere einen Flat Panel Detektor FPD emittiert. Der Kegelstrahl ist in der Ebene der Fokustrajektorie, die den ROI mit dem virtuellen Scanzentrum in seinem Mittelpunkt enthält, als Fächerstrahl mit einem Fächerwinkel ausgebildet, wobei der Zentralstrahl des Fächerstrahls auf der Winkelhalbierenden des Fächerwinkels liegt und auf dem Strahleneintrittsfenster senkrecht steht. Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, den für einen scheibenförmigen ROI in der Zentralschicht vollständiger Projektionsdatensatz, der mit einer Kegelstrahlgeometrie aufgenommen wurde, auch außerhalb der Zentralschicht approximativ durch einen Feldkamp-Algorithmus zur Rekonstruktion zu nutzen. Vor Beginn des Scans wird die C-Bogen-Ebene im Raum eingerichtet und der C-Bogen in der Orbitalbewegungsachse in eine erste Extremstellung positioniert, in der die Halterung an dem einen Ende des C-Bogens mit der Röntgenstrahlenquelle angreift und die verstellbare Halterung des C-Bogens derart positioniert, daß der ROI außerhalb des durch den C-Bogen und den Zentralstrahl gebildeten Kreissegments liegt und ein vom Fokuspunkt ausgehender, auf der dem C-Bogen abgewandten Seite des Zentralstrahls liegender erster Begrenzungsstrahl des Fächerstrahls den ROI tangiert. Die Ebene des C-Bogens bleibt während der Aufnahme des Scans raumfest.
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Im ersten der drei Abschnitte der Fokustrajektorie bleibt der C-Bogen in der ersten Extremstellung der Orbitalbewegungsachse positioniert und die Halterung des C-Bogens wird in der Ebene des C-Bogens kollisionsfrei parallel verlagert bis der Zentralstrahl durch das virtuelle Scanzentrum verläuft und der ROI vollständig innerhalb des Fächerstrahls liegt.
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In dem zweiten, an den ersten anschließenden Abschnitt der Fokustrajektorie wird der C-Bogen längs der Orbitalbewegungsachse von der ersten Extremstellung in die um den Orbitalwinkel 180° minus Fächerwinkel verdrehte zweite Extremstellung verfahren, in der die Halterung an dem anderen Ende des C-Bogens mit dem Röntgenstrahlendetektor angreift, wobei die Halterung im Falle eines nicht-isozentrischen C-Bogens oder im Fall eines isozentrischen C-Bogens mit einem nicht im Isozentrum liegenden ROI in der Ebene des C-Bogens derart parallel verlagert wird, daß der Zentralstrahl für jede Stellung der Orbitalbewegungsachse durch das virtuelle Scanzentrum verläuft und der ROI vollständig innerhalb des Fächerstrahls liegt.
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Im dritten Abschnitt, der an den zweiten Abschnitt der Fokustrajektorie anschließt, bleibt der C-Bogen in der zweiten Extremstellung der Orbitalbewegungsachse positioniert und die Halterung wird in der Ebene des C-Bogens kollisionsfrei parallel verlagert, bis ein auf der dem C-Bogen zugewandten Seite des Zentralstrahls liegender zweiter Begrenzungsstrahl des Fächerstrahls den ROI tangiert.
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Der Fokus der Röntgenstrahlenquelle kann auf der Fokustrajektorie zwischen einem Startpunkt und einem Endpunkt in beliebiger Richtung durchfahren werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen erläutert.
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In 1 ist ein C-Bogen-Röntgengerät 1 mit einem begrenzten Rotationsbereich in vier verschiedenen Phasen des Aufnahmeprozesses zur Aufnahme eines vollständigen Projektionsdatensatzes für einen ROI 50 dargestellt. Das beispielhafte C-Bogen-Röntgengerät 1 der 1 weist einen Gerätewagen 20 auf, der mittels Rädern 21, 21' längs des Fußbodens 22 verfahrbar ist. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch auch vorgesehen, den C-Bogen 2 an einem ortsfesten Boden- oder Deckenstativ verstellbar zu lagern.
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Bei dem C-Bogen der 1 handelt es sich um einen nicht-isozentrischen C-Bogen, bei dem der Kreismittelpunkt des C nicht auf dem Zentralstrahlvektor 11, 12, 13, 14 liegt. Um einen Rotationsscan eines Untersuchungsobjekts mit einem Bereich des Interesses (Region of Interest, ROI) aufnehmen zu können muß die Halterung 23 des C-Bogens 2 während des Scans korreliert mit der Orbitalbewegung in der Orbitalbewegungsachse 25 in der Ebene des C-Bogens 2 derart verstellt werden, daß der Zentralstrahlvektor 11, 12, 13, 14 stets durch das virtuelle Scanzentrum 51 verläuft.
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Das zu rekonstruierende Volumen hat die Form eines Zylinders mit einer Höhe H, wobei die Zylinderachse senkrecht auf der Ebene des C-Bogens 2 steht. In der Ebene des C-Bogens 2 stellt der Schnitt durch das zylindrische zu rekonstruierende Volumen einen kreisförmigen ROI 50 und der Duchstoßpunkt der Zylinderachse durch die Ebene des C-Bogens 2 das im Kreismittelpunkt des ROI 50 liegende virtuelle Scanzentrum 51 dar. Die Ebene des C-Bogens 2 bleibt während der Aufnahme der Röntgenprojektionen raumfest. Insbesondere ist es für den Raumbedarf eines C-Bogen-Röntgengeräts 1 während der Aufnahme eines Scans vorteilhaft, wenn die Ebene des C-Bogens vertikal im Raum steht. Es ist im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, den Scan mit einer anderen Stellung der raumfesten Ebene des C-Bogens 2 vorzunehmen. Dies ist insbesondere von Interesse, wenn eine nicht senkrecht im Raum stehende Schnittebene des Untersuchungsobjekts artefaktfrei rekonstruiert werden soll und das Untersuchungsobjekts nicht derart ausgerichtet werden kann, daß die gewünschte Schnittebene mit dem darin enthaltenen ROI 50 senkrecht im Raum steht.
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In 1b und 1c sind die Endstellungen eines Rotationsscans mit einem nicht-isozentrischen C-Bogen 2 dargestellt. Die Trajektorien des Fokus 5', 5'' und der Spitze des Zentralstrahlvektors 12, 13, der den Mittelpunkt des Strahleneintrittsfensters des Röntgenstrahlendetektors 4 darstellt, liegen auf zwei Kreisbögen von zwei raumfesten konzentrischen Kreisen mit dem ortsfesten virtuellen Scanzentrum als Mittelpunkt.
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Das in 1 dargestellte mobile C-Bogen-Röntgengerät 1 weist einen Gerätewagen 20 auf, der einen mehrfach verstellbaren C-Bogen 2 trägt, welcher an einem Ende eine Röntgenstrahlenquelle 3 mit einem Fokus 5 und dieser gegenüberliegend am anderen Ende des C-Bogens 2 angeordnet einen Röntgenstrahlendetektor 4 trägt. Zwischen dem Fokus 5 und dem Mittelpunkt des Röntgenstrahlendetektors 4 ist ein Zentralstrahlvektor 11 dargestellt, der in der durch den C-Bogen 2 aufgespannten Ebene liegt. Der C-Bogen 2 ist in einer Halterung 23 längs seines Umfangs verschiebbar gelagert. In 1b ist diese sogenannte Orbitalbewegungsachse 25 durch einen Doppelpfeil markiert. Die Halterung 23 ist bezüglich des Fußbodens 22 beziehungsweise bezüglich des Gerätewagens 20 in der durch den C-Bogen 2 aufgespannten Ebene verschiebbar. Im Beispiel der 1a ist die Halterung 23 mit einer Horizontalbewegungsachse 26 und mit einer Vertikalbewegungsachse 27 bewegbar. In einer vorgegebenen Winkelstellung des Zentralstrahlvektors 11 bezüglich des Fußbodens 22 ist der C-Bogen im Bewegungsbereich der Horizontalbewegungsachse 26 und der Vertikalbewegungsachse 27 in der Ebene des C-Bogens 2 unter Beibehaltung seiner Richtung parallel verschiebbar.
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Das C-Bogen-Röntgengerät 1 ist dazu bestimmt, für einen ROI mit einem virtuellen Scanzentrum 51 einen Projektionsdatensatz zur Verfügung zu stellen, der im Hinblick auf eine Feldkamp-3D-Rekonstruktion eines scheibenförmigen ROI vollständig ist. Bei dem in 1 beispielhaft dargestellten C-Bogen 2 handelt es sich um einen sogenannten nicht-isozentrischen C-Bogen, bei dem der Zentralstrahlvektor 10, 11, 12, 13 nicht durch den nicht dargestellten Mittelpunkt des C-Bogens verläuft. Bei einer Verschiebung des C-Bogens 2 in der Halterung 23 längs des Umfangs des C-Bogens 2 verlaufen die Zentralstrahlvektoren 10, 11, 12, 13 nicht durch einen raumfesten Punkt sondern tangieren jeweils einen Kreis um ein virtuelles Scanzentrum 51. Durch eine synchrone Nachführung des C-Bogens 2 in der Horizontalbewegungsachse 26 und der Vertikalbewegungsachse 27 während der Orbitalbewegung in der Orbitalbewegungsachse 25 wird ein isozentrischer C-Bogen simuliert.
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Die Bewegung in der Horizontalbewegungsachse 26, der Vertikalbewegungsachse 27 und der Orbitalbewegungsachse 25 erfolgt motorisch, wobei die Bewegungen mit einer Bewegungssteuerung 41 in 3 gesteuert wird.
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Der C-Bogen 2 in 1 weist einen begrenzten Rotationsbereich in der Orbitalbewegungsachse 25 von weniger als 180° auf. Mit einem derart begrenzten Rotationsbereich ist kein vollständiger Projektionsdatensatz für eine analytische Rekonstruktion des scheibenförmigen zylindrischen Röntgenvolumens vom Feldkamp-Typ aufnehmbar. Um einen vollständigen Projektionsdatensatz für den in der Ebene des C-Bogens 2 liegenden scheibenförmigen ROI 50 der Zentralschicht mit der Dicke eines Voxels zu erzeugen, müssen die fehlenden Projektionsdaten mit weiteren ebenen Trajektorien aufgenommen werden. Dazu wird der C-Bogen 2 in 1a zunächst in einer ersten extremen Rotationsstellung, in der die Halterung 23 an dem einen Ende des C-Bogens 2 mit der Röntgenstrahlenquelle 3 angreift, derart positioniert, daß der zwischen dem Fokus 5, 5', 5'', 5''' und dem Röntgenstrahlendetektor 4 verlaufende Kegelstrahl den ROI 50 gerade noch nicht durchdringt und ein auf der dem C-Bogen 2 abgewandten Seite des Zentralstrahlvektors 11, 12, 13, 14 liegender erster Begrenzungsstrahl des Fächerstrahls 32 den ROI 50 tangiert.
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Von dieser Ausgangsstellung ausgehend wird der C-Bogen 2 bei beibehaltener Richtung des Zentralstrahlvektors 11 in der ersten extremen Rotationsstellung des C-Bogens 2 durch Bewegungen in der Horizontalbewegungsachse 26 und der Vertikalbewegungsachse 27 auf das virtuelle Scanzentrum 51 hin bewegt, bis der Zentralstrahl 12 in der Stellung des C-Bogens 2 in 1b durch das virtuelle Scanzentrum 51 im Mittelpunkt des ROI 50 verläuft. Der gesamte ROI 50 ist in der Stellung des C-Bogens 2 der 1b vollständig im Kegelstrahl des C-Bogen-Röntgengeräts 1 enthalten.
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Zwischen der Stellung des C-Bogens 2 in 1b und der Stellung des C-Bogens 2 in 1c rotiert der Zentralstrahlvektor 12, 13 derart, daß er stets durch das virtuelle Scanzentrum 51 verläuft und dabei von der ersten extremen Rotationsstellung in 1b in die zweite extreme Rotationsstellung in 1c bewegt wird, in der die Halterung 23 an dem anderen Ende des C-Bogens 2 mit dem Röntgenstrahlendetektor 4 angreift. Die beiden extremen Rotationsstellungen der 1b und 1c charakterisieren die Endstellungen der Bewegung des C-Bogens 2 in der Halterung 23 längs der Orbitalbewegungsachse 25. Die beiden extremen Rotationsstellungen liegen auf der Orbitalbewegungsachse um einen Winkel von mindestens 180° minus Fächerwinkel auseinander.
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Ausgehend von der Stellung des C-Bogens 2 in 1c wird der C-Bogen 2 durch Bewegungen in der Horizontalbewegungsachse 26 und der Vertikalbewegungsachse 27 bei unveränderter Richtung des Zentralstrahls 13 in der zweiten extremen Rotationsstellung des C-Bogens 2 derart vom ROI 50 weg bewegt, bis der ROI 50 gerade vollständig außerhalb des Kegelstrahls liegt und ein auf der dem C-Bogen 2 zugewandten Seite des Zentralstrahlvektors 11, 12, 13, 14 liegender zweiter Begrenzungsstrahl des Fächerstrahls 32 den ROI 50 tangiert.
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Die Rotation des Zentralstrahlvektors 12, 13 zwischen den Stellungen des C-Bogens 2 in 1b und 1c kann bei einem isozentrischen C-Bogen einzig durch die Orbitalbewegung längs seines Umfangs in der Halterung 23 erfolgen, während bei einem nicht-isozentrischen C-Bogen wie in 1b und 1c eine Nachführung der Horizontalbewegungsachse 26 und der Vertikalbewegungsachse 27 während der Orbitalbewegung in der Orbitalbewegungsachse 25 erforderlich ist. Es kann bei einem isozentrischen C-Bogen vorteilhaft sein, das virtuelle Scanzentrum nicht im Isozentrum des C-Bogens zu plazieren sondern beispielsweise detektornah zwischen dem Isozentrum und dem FPD. In diesem Fall ist es auch bei einem isozentrischen C-Bogen nötig, die Halterung des C-Bogens in der Ebene des C-Bogens zu verlagern, um den Zentralstrahl auf dem virtuellen Scanzentrum zu halten.
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Gemäß der Beschreibung der 1a bis 1c wird in der praktischen Anwendung des Verfahrens der C-Bogen zunächst kollisionsfrei in die Stellung zu Beginn des Scans, wie in 1a dargestellt, gebracht. Diese Positionierbewegung erfolgt ohne Strahlung und die Projektionsaufnahmen des Scans werden erst nach dem Start der Scanbewegung aufgenommen. Beim Abschluß des Scans befindet sich der C-Bogen 2 in der in 1d dargestellten Stellung.
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Es ist für das Verfahren zur Aufnahme des Projektionsdatensatzes unerheblich, in welcher Richtung die Trajektorien der Röntgenstrahlenquelle und des Detektors durchfahren werden. Daher ist es gleichgültig, wenn sich der C-Bogen 2 zu Beginn des Scans in der in 1d gezeigten Stellung befindet. Beim Abschluß eines gegenüber der Beschreibung der 1a bis 1d in umgekehrter Richtung durchfahrenen Scans befindet sich der C-Bogen 2 in der in 1a dargestellten Stellung.
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In 2 sind zwei beispielhafte Fokustrajektorien des Fokus 5, 5', 5'', 5''' und die dazugehörigen Zentralstrahlvektoren 11, 12, 13, 14 mit denen ein vollständiger Projektionsdatensatz für den ROI 50 in der Ebene des C-Bogens 2 erzielt werden kann, dargestellt.
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In 2 ist ein Röntgenbildaufnahmesystem 9 mit einem Fokus 5, einem als Flat Panel Detektor (FPD) 7 ausgebildeten Röntgenstrahlendetektor und einem Zentralstrahlvektor 11 dargestellt, der sich vom Fokus 5 bis zum Mittelpunkt 6 des Strahleneintrittsfensters 6 erstreckt. Der Fokus 5, 5', 5'', 5''' wird längs einer Fokustrajektorie bewegt, die aus drei Abschnitten 181, 182, 183 besteht, wobei bei dem ersten Abschnitt 181 der ersten Fokustrajektorie und beim dritten Abschnitt 183 der ersten Fokustrajektorie der Zentralstrahlvektor 11, 12, 13, 14 parallel in einem ortsfesten Koordinatensystem bewegt wird. Der zweite Abschnitt 182 der ersten Fokustrajektorie ist durch eine Rotation des Zentralstrahlvektors 12, 13 um das virtuelle Scanzentrum 51 im Mittelpunkt des ROI 50 gekennzeichnet. In 2 ist der in der Ebene des C-Bogens 2 liegende ROI 50 und von dem zwischen dem Fokus 5' und dem FPD 7' sich erstreckenden Kegelstrahl in lediglich der in dieser Ebene liegende ebene Fächerstrahl 32 mit den ersten und zweiten Begrenzungsstrahlen 34, 33 dargestellt. Der erste Begrenzungsstrahl 34 des Fächerstrahls 32 liegt dabei auf der dem C-Bogen (2) abgewandten Seite des Zentralstrahlvektors (11, 12, 13, 14) und der zweite Begrenzungsstrahl 33 des Fächerstrahls 32 liegt dabei auf der dem C-Bogen (2) zugewandten Seite des Zentralstrahlvektors (11, 12, 13, 14. Alle Fächerstrahlen, mit denen während des Durchlaufens der ersten Fokustrajektorie die Projektionsaufnahmen aufgenommen werden, liegen in der Ebene des C-Bogens 2 und der gesamte Bereich des scheibenförmigen ROI 50 in der Zentralschicht mit kreisförmiger Querschnittsfläche ist bei jeder der eindimensionalen Projektion vollständig im Strahlenkegel enthalten. Der ROI des Beispiels besteht aus einer Anordnung von Voxeln, die eine Scheibe mit der Höhe eines Voxels repräsentieren.
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Betrachtet wird zunächst der Fokus 5' zu Beginn des zweiten Abschnitts 182 der ersten Fokustrajektorie. Der Fächerstrahl 32 mit einem Fächerwinkel 35 durchdringt den ROI 50 vollständig. Der Rotationswinkel in dem zweiten Abschnitt 182 der ersten Fokustrajektorie beträgt zwischen den Stellungen des Fokus 5' und 5'' 180° minus Fächerwinkel 35.
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Würden an den zweiten Abschnitt 182 der Fokustrajektorie zwei Abschnitte 191 und 193 einer zweiten Fokustrajektorie angeschlossen werden, wobei der Zentralstrahlvektor durch das virtuelle Scanzentrum 51 verlaufen würde, so läge die Situation eines Fächerstrahlscans mit einem Rotationswinkelbereich von 180° plus Fächerwinkel 35 vor. Dies stellt die bekannte Bedingung zur Gewinnung eines vollständigen Projektionsdatensatzes für die Rekonstruktion des ROI 50 in der Ebene des C-Bogens 2 dar, wenn der Fokus von dem Endpunkt 8 des ersten Abschnitts 191 der zweiten Fokustrajektorie bis zur Stellung des Fokus 5''' um das virtuelle Scanzentrum 51 mit einem Rotationswinkelbereich von 180° plus Fächerwinkel rotiert. Betrachtet man einen Fokus am Endpunkt 8 mit einem Zentralstrahl durch das virtuelle Scanzentrum 51, so ist der Fächerstrahl durch den zweiten Begrenzungsstrahl 33 begrenzt, wobei der Fächerstrahl in der Stellung des Fokus 5''' bei einem Zentralstrahl durch das virtuelle Scanzentrum 51 durch den ersten Begrenzungsstrahl 34 begrenzt wird, der mit dem zweiten Begrenzungsstrahl 33 zusammen fällt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufnahme eines vollständigen Projektionsdatensatzes für die Rekonstruktion des ROI 50 in der Ebene des C-Bogens 2 schließen an den zweiten Abschnitt 182 der ersten Fokustrajektorie ein erster Abschnitt 181 und ein dritter Abschnitt 183 der ersten Fokustrajektorie an, bei denen der Zentralstrahlvektor 11, 12, 13, 14 parallel verschoben wird. Der erste Begrenzungsstrahl 34 in der Stellung des Fokus 5 am Anfang des ersten Abschnitts 181 der ersten Fokustrajektorie fällt mit dem zweiten Begrenzungsstrahl 33 in der Stellung des Fokus 5''' zusammen.
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Die parallele Bewegung des Zentralstrahlvektors mit einer Bewegung des Fokus 5 bis zu einer Stellung des Fokus 5' im ersten Abschnitt 181 der ersten Fokustrajektorie und einer Bewegung des Fokus 5'' bis zu einer Stellung des Fokus 5''' im dritten Abschnitt 183 der ersten Fokustrajektorie ergänzt den unvollständigen Projektionsdatensatz, der im zweiten Abschnitt 182 der ersten Fokustrajektorie bei einer Rotation des Zentralstrahlvektors 12, 13 um einen Winkel von 180° minus Fächerwinkel 35 gewonnen wird, zu einem vollständigen Projektionsdatensatz. Jeder Punkt innerhalb des ROI 50 wird von Projektionsstrahlen unter Winkeln zwischen 0° und 180° bezüglich einer mit dem ROI verbundenen Koordinatenachse durch das virtuelle Scanzentrum durchkreuzt.
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Beim parallelen Bewegen des Zentralstrahlvektors 11, 12, 13, 14 wird der ROI 50 im ersten Abschnitt 181 der ersten Fokustrajektorie mit einem zunehmend größeren Teil des Fächerstrahls 32 bestrahlt, während beim parallelen Bewegen des Zentralstrahls 11, 12, 13, 14 im dritten Abschnitt 183 der ersten Fokustrajektorie der ROI 50 mit einem zunehmend kleineren Teil des Fächerstrahls 32 bestrahlt wird. Es ist vorgesehen, diejenigen Teile des Fächerstrahls 32, die nicht auf den ROI 50 treffen, durch eine bewegliche und automatisch gesteuerte Primärstrahlenblende zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem ROI auszublenden. Die vorzugsweise elektromotorisch gesteuerte Primärstrahlenblende wird vorzugsweise synchron mit der Bewegung der Halterung 23 bewegt.
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Die Pfade, auf denen der Fokus 5, 5', 5'', 5''' im ersten und im dritten Abschnitt der Fokustrajektorie bewegt wird, können weitgehend beliebig gewählt werden, solange der ROI 50 bzw. eine nicht dargestellte Patientenliege nicht mit der Röntgenstrahlenquelle 3, dem Röntgenstrahlenempfänger 4 oder dem C-Bogen 2 in 1 kollidiert. Insbesondere ist es gleichgültig in welcher Richtung die Fokustrajektorie durchlaufen wird. Das Durchlaufen der Fokustrajektorie in der einen oder in der anderen Richtung liefert identische Projektionsdatensätze.
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Aus 2 ist ersichtlich, daß im ersten Abschnitt 181 der ersten Fokustrajektorie bei der Bewegung des Fokus S in Richtung auf die Stellung des Fokus 5' der Abstand des Fokus 5, 5' zum virtuellen Scanzentrum 51 größer ist als der Abstand des Fokus 5, 5'' im Bereich des zweiten Abschnitts 182 der ersten Fokustrajektorie mit der Rotationsbewegung und daß im dritten Abschnitt 183 der ersten Fokustrajektorie bei der Bewegung des Fokus r in Richtung auf die Stellung des Fokus 5''' der Abstand des Fokus 5'', 5''' zum virtuellen Scanzentrum 51 kleiner ist als der Abstand des Fokus 5', 5'' im Bereich des zweiten Abschnitts 182 der ersten Fokustrajektorie mit der Rotationsbewegung des Zentralstrahlvektors. An den zweiten Abschnitt 182 der ersten Fokustrajektorie können sich beispielsweise die ersten und dritten Abschnitte 191, 193 der zweiten Fokustrajektorie anschließen, wobei der Fokus 5, 5', 5'', 5''' auf einer Kreisbahn mit einem Rotationswinkel von 180° plus Fächerwinkel bewegt und der Zentralstrahlvektor 11, 12, 13, 14 in den ersten und dritten Abschnitten 191, 193 der zweiten Fokustrajektorie mit unveränderter Richtung parallel verschoben werden würde.
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In 3 ist die Steuerungsarchitektur für ein C-Bogen-Röntgengerät 1 dargestellt, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aufnahme eines vollständigen Projektionsdatensatzes geeignet ist. Eine Bewegungssteuerung 41 steuert alle motorisierten Bewegungen des C-Bogen-Röntgengeräts 1. Im Beispiel der 1a bis 1d sind als motorisierte Achsen die Horizontalbewegungsachse 26, die Vertikalbewegungsachse 27 und die Orbitalbewegungsachse 25 vorgesehen. Mittels der Horizontalbewegungsachse 26, der Vertikalbewegungsachse 27 und der Orbitalbewegungsachse 25 ist es möglich bei einer senkrecht im Raum stehenden Ebene des C-Bogens 2 in der Bewegungsphase des Rotationsscans einen isozentrischen C-Bogen zu simulieren und die Halterung 23 des C-Bogens 2 in dieser Ebene parallel zu verschieben. Es ist vorgesehen, mittels der Bewegungssteuerung 41 die Bewegung der vorzugsweise elektromotorisch gesteuerten Primärstrahlenblende synchron mit der Bewegung der Halterung 23 derart zu steuern, daß im ersten Abschnitt 181, 191, 195 der Fokustrajektorie und im dritten Abschnitt 183, 193, 197 der Fokustrajektorie derjenige Teil des Fächerstrahls 32, der außerhalb des ROI 50 liegt, ausgeblendet wird. Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, das Verfahren zur Aufnahme eines Projektionsdatensatzes mit ebenen Fokus- und Detektortrajektorien mit einem C-Bogen-Röntgengerät 1 zu realisieren, dessen C-Bogen-Ebene im Raum gegen die Vertikale verschwenkt ist. Dafür ist eine weitere motorisierte Bewegungsachse vorgesehen, die eine motorisch gesteuerte Bewegung quer zur Horizontalbewegungsachse 26 und zur Vertikalbewegungsachse 27 ermöglicht. Diese weitere Bewegungsachse kann eine Querbewegungsachse sein, bei der die Halterung 23 des C-Bogens 2 senkrecht zu der durch die Richtungen der Horizontalbewegungsachse 26 und der Vertikalbewegungsachse 27 definierten Ebene verlagerbar ist.
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Es ist vorgesehen, in die Bewegungssteuerung eine Kollisionsschutzfunktion zu integrieren. Hierbei kann vorgesehen werden, daß bei drohender Kollisionsgefahr zwischen Teilen des C-Bogen-Röntgengeräts 1 mit Teilen der Patientenliege von der geplanten Fokustrajektorie abweichende alternative Fokustrajektorien für den Röntgenfokus durch die Bewegungssteuerung 41 autonom durchfahren werden. Alle Vorgänge, die mit der Röntgenbilderzeugung und Röntgenbildaufnahme während des Scans zusammenhängen werden von einer Bildaufnahmesteuerung 42 gesteuert. Die Synchronisation der beiden Steuerungen 41, 42 erfolgt durch die zentrale Recheneinheit 40, die über Eingabemittel 43 und Ausgabemittel 44 verfügt. Es ist vorgesehen, in die zentrale Recheneinheit Mittel für die Bildverarbeitung und für die 3D-Rekonstruktion aus den aufgenommenen Projektionsdaten zu integrieren.
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In 4 sind Fokustrajektorien und Detektortrajektorien des Mittelpunkts des Strahleneintrittsfensters des Röntgenstrahlendetektors für das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufnahme eines vollständigen Projektionsdatensatzes dargestellt.
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Die aus den Abschnitten 181, 182, 183 bestehende erste Fokustrajektorie des Fokus 5 wird in Pfeilrichtung durchfahren. Die dazugehörige erste Detektortrajektorie weist die Abschnitte 203, 202, 201 auf, die nacheinander durchfahren werden. Wird der Fokus 5 längs einer Fokustrajektorie verfahren, die aus dem ersten Abschnitt 191 der zweiten Fokustrajektorie, dem zweiten Abschnitt 182 der ersten Fokustrajektorie und dem dritten Abschnitt 193 der zweiten Fokustrajektorie besteht, so bewegt sich der Mittelpunkt des Strahleneintrittsfensters 6 und mithin die Spitze des Zentralstrahlvektors 11, 12, 13, 14 zunächst auf dem ersten Abschnitt 213 der zweiten Detektortrajektorie, dann auf dem zweiten Abschnitt 202 der ersten Detektortrajektorie und schließlich auf dem auf dem dritten Abschnitt 211 der zweiten Detektortrajektorie In 5 sind die Trajektorien des Fokus und des Mittelpunkts des Strahleneintrittsfensters des Röntgenstrahlendetektors nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt, wobei gegenüber den Trajektorien aus 4 die Beschleunigung des Röntgenstrahlendetektors bei konstanter Geschwindigkeit der Röntgenstrahlenquelle begrenzt ist.
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Die zweite Detektortrajektorie aus 4 weist sprunghafte Änderungen der Richtung der Bahnkurve an der Nahtstelle zwischen den Abschnitten 203 und 202 und an der Nahtstelle zwischen den Abschnitten 202 und 201 auf, was zu unerwünscht hohen Beschleunigungen und dadurch ausgelösten Schwingungen des C-Bogens führt. In 5 sind beispielhaft eine dritte Fokustrajektorie mit den Abschnitten 195, 196, 197 und eine dritte Detektortrajektorie mit den Abschnitten 221, 222, 223 dargestellt. Die Endpunkte der Abschnitte der jeweiligen Trajektorien sind durch Punkte markiert. In der ersten Bewegungsphase des C-Bogens, die durch den ersten Abschnitt 195 der dritten Fokustrajektorie und durch den ersten Abschnitt 221 der dritten Detektortrajektorie charakterisiert ist, wird der Zentralstrahlvektor im Bereich zwischen den strichpunktierten Linien senkrecht und parallel zu seiner Richtung bewegt. In der zweiten Bewegungsphase des C-Bogens, die durch den zweiten Abschnitt 196 der dritten Fokustrajektorie und den zweiten Abschnitt 222 der dritten Detektortrajektorie charakterisiert ist, rotiert der Zentralstrahlvektor um das virtuelle Scanzentrum 51, wobei am Anfang und am Ende der zweiten Bewegungsphase der Zentralstrahl zusätzlich parallel längs seiner Richtung verschoben wird. In der dritten Bewegungsphase des C-Bogens, die durch den dritten Abschnitt 197 der dritten Fokustrajektorie und den dritten Abschnitt 223 der dritten Detektortrajektorie charakterisiert ist, wird der Zentralstrahlvektor im Bereich zwischen den gestrichelten Linien senkrecht und parallel zu seiner Richtung bewegt. Die dritte Detektortrajektorie mit den Abschnitten 221, 222, 223 weist gegenüber den Detektortrajektorien aus 4 keine sprunghaften Richtungsänderungen auf. Dagegen weist die dritte Fokustrajektorie mit den Abschnitten 195, 196, 197 Abweichungen von der kreisbogenförmigen Fokustrajektorie aus 4 auf. Die Nahtstellen zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 195 und 196 und zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt 196 und 197 der dritten Fokustrajektorie sind im Beispiel so gestaltet, daß keine sprunghaften Richtungsänderungen in der abschnittsweise definierten Fokustrajektorie mit den Abschnitten (195, 196, 197) und in der abschnittsweise definierten Detektortrajektorie mit den Abschnitten (221, 222, 223) auftreten. Dazu muß die Fokustrajektorie an der Nahtstelle zwischen dem ersten Abschnitt (195) und dem zweiten Abschnitt (196) sowie an der Nahtstelle zwischen dem zweiten Abschnitt (196) und dem dritten Abschnitt (197) in radialer Richtung in Bezug auf das virtuelle Scanzentrum (51) verlaufen.
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Es ist wünschenswert, eine sprunghafte Richtungsänderung, wie sie beispielsweise an der Nahtstelle zwischen dem zweiten Abschnitt 182 und dem dritten Abschnitt 183 der ersten Fokustrajektorie vorliegt, zu vermeiden. Sprunghafte Richtungsänderung in der Fokustrajektorie oder in der Detektortrajektorie führt wegen der großen Massen an den Enden des C-Bogens 2 durch die damit verbundene sprunghafte Änderung des Geschwindigkeitsvektors zu einem Kraftstoß auf den C-Bogen, der zu unerwünschten Schwingungen des C-Bogens führen kann, zumal der Kraftstoß in der in 1c dargestellten Stellung des C-Bogens erfolgt, in welcher Stellung die Kippmomente des C-Bogens 2 auf die Halterung 23 und die Horizontalbewegungsachse 26 und die Vertikalbewegungsachse 27 des C-Bogens 2 von allen Stellungen des C-Bogens 2 maximal sind. Betrachtet man die Massen des Röntgenstrahlengenerators und des FPD, so weist der Röntgenstrahlengenerator gegenüber dem FPD eine wesentlich größere Masse auf. Um bei C-Bogen-Röntgengeräten 1, die neben der elektrisch gesteuerten Bewegung auch eine manuelle Bewegung ermöglicht, ist zum Ausgleich von Drehmomenten im Bereich des FPF eine Ausgleichsmasse vorgesehen, die auch den FPD empfindlich gegenüber Änderungen des Geschwindigkeitsvektors macht. Die Verwindungssteifigkeit des C-Bogens 2 ist in den Stellungen der 1a und 1b sowie in den Stellungen 1c und 1d ähnlich gering.
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In den einzelnen Bewegungsphasen sind Parallelverschiebungen des Zentralstrahlvektors längs seiner Richtung, beispielsweise zur Umgehung von Hindernissen und zur Vermeidung von Kollisionen vorgesehen. So kann die Fokustrajektorie aus 5 im Inneren der Abschnitte (195, 196, 197) Abweichungen von dem Kreisbogen mit dem Kreismittelpunkt im virtuellen Scanzentrum haben, solange der ROI 50 im zweiten Abschnitt (196) vollständig auf den Röntgenstrahlendetektor 4 abgebildet wird und solange im allen Abschnitten (195, 196, 197) der Fokustrajektorie das Röntgenbildaufnahmesystem 9 kollisionsfrei um das Untersuchungsobjekt mit dem ROI 50 herumgefahren wird. Es ist vorgesehen, die Fokustrajektorie (195, 196, 197) um einen Kreisbogen mit dem Mittelpunkt im virtuellen Scanzentrum 51 oszillieren zu lassen. Insbesondere kann es wünschenswert sein, den Abstand des zweiten Abschnitts (222) der Detektortrajektorie vom ROI 50 im Bereich der Nahtstellen zwischen dem ersten Abschnitt (221) und dem zweiten Abschnitt (222) der Detektortrajektorie sowie an der Nahtstelle zwischen dem zweiten Abschnitt (222) und dem dritten Abschnitt (223) der Detektortrajektorie zu vergrößern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufnahme eines Scans eines interessierenden Bereichs ROI (50) mit einem im Mittelpunkt des ROI (50) liegenden virtuellen Scanzentrum (51), weist einen Scan auf, der aus einer Reihe von Röntgenprojektionsaufnahmen besteht, die einen vollständigen Satz von Röntgenprojektionsdaten des ROI (50) in der Zentralschicht in der Ebene des C-Bogens (2) für eine 3D-Rekonstruktion zur Verfügung stellt. Dabei wird die Reihe von Röntgenprojektionsaufnahmen unter Verwendung eines C-Bogen-Röntgengeräts (1) aufgenommen, welches einen C-Bogen (2) mit einer raumfesten Ebene aufweist, in welcher der C-Bogen (2) mit einer mehrfach motorisch verstellbaren Halterung (23) parallel verlagerbar ist und in der Halterung (23) längs seines Umfangs in einer Orbitalbewegungsachse (25) zwischen einer ersten und einer zweiten Extremstellung motorisch verschieblich gelagert ist und wobei der C-Bogen (2) ein Röntgenbildaufnahmesystem (9) mit einer an einem Ende des C-Bogens (2) angeordneten Röntgenstrahlenquelle (3) und einem gegenüberliegend am anderen Ende des C-Bogens (2) angeordneten Röntgenstrahlendetektor (4) aufweist, wobei in der ersten Extremstellung die Halterung (23) an dem einen Ende des C-Bogens (2) mit der Röntgenstrahlenquelle (3) angreift und wobei in der zweiten Extremstellung die Halterung (23) an dem anderen Ende des C-Bogens (2) mit dem Röntgenstrahlendetektor (4) angreift und wobei das Röntgenbildaufnahmesystem (9) durch einen sich vom Fokus (5, 5', 5'', 5''') der Röntgenstrahlenquelle (3) zum Mittelpunkt des Strahleneintrittsfensters (6) des Röntgenstrahlendetektors (4) sich erstreckenden und auf dem Strahleneintrittsfenster (6) des Röntgenstrahlendetektors (4) senkrecht stehenden Zentralstrahlvektor (11, 12, 13, 14) charakterisiert ist und einen Kegelstrahl erzeugt, der in der Ebene des C-Bogens (2) einen Fächerstrahl (32) mit einem Fächerwinkel (35) enthält, wobei der Fokus (5, 5', 5'', 5''') der Röntgenstrahlenquelle (3) unter Aufnahme der Reihe von Röntgenprojektionsaufnahmen entlang einer ebenen zusammenhängenden Fokustrajektorie zwischen einem Startpunkt und einem Endpunkt in beliebiger Richtung bewegt wird.
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Am Startpunkt der Fokustrajektorie wird der C-Bogen (2) in der Orbitalbewegungsachse (25) in der ersten Extremstellung positioniert ist und die verstellbare Halterung (23) des C-Bogens (2) derart positioniert, daß ein auf der dem C-Bogen (2) abgewandten Seite des Zentralstrahlvektors (11, 12, 13, 14) liegender erster Begrenzungsstrahl (34) des Fächerstrahls (32) den ROI (50) tangiert,
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In einem ersten Abschnitt (181, 191, 195) der Fokustrajektorie wird die Halterung (23) in der Ebene des C-Bogens (2) parallel verlagert, bis der Zentralstrahlvektor (11, 12, 13, 14,) durch das virtuelle Scanzentrum (51) verläuft und der ROI (50) vollständig innerhalb des Fächerstrahls (32) liegt,
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In einem zweiten Abschnitt (182, 196) der Fokustrajektorie wird der C-Bogen (2) in der Orbitalbewegungsachse (25) aus der ersten Extremstellung in eine zweite Extremstellung verfahren, in der die Halterung (23) an dem anderen Ende des C-Bogens (2) mit dem Röntgenstrahlendetektor (4) angreift, wobei der Winkelbereich der Orbitalbewegung zwischen der ersten und der zweiten Extremstellung wenigstens 180° minus Fächerwinkel (35) beträgt und die Halterung (23) in der Ebene des C-Bogens (2) derart parallel verlagert wird, daß der Zentralstrahlvektor (11, 12, 13, 14) durch das virtuelle Scanzentrum (51) verläuft und der ROI (50) vollständig innerhalb des Fächerstrahls (32) liegt,
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In einem dritten Abschnitt (183, 193, 197) der Trajektorie bleibt der C-Bogen (2) in der Orbitalbewegungsachse (25) in der zweiten Extremstellung positioniert und die Halterung (23) wird in der Ebene des C-Bogens (2) parallel verlagert, bis ein auf der dem C-Bogen (2) zugewandten Seite des Zentralstrahlvektors (11, 12, 13, 14) liegender zweiter Begrenzungsstrahl (33) des Fächerstrahls (32) den ROI (50) tangiert.
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Es ist vorgesehen, die Abschnitte (181, 182, 183, 191, 193, 195, 196, 197) der Fokustrajektorie so zu wählen, daß die abschnittsweise zusammengesetzte Fokustrajektorie und eine die Bewegung des Mittelpunkts des Strahleneintrittsfensters (6) des Röntgenstrahlendetektors (4) charakterisierende, abschnittsweise aus den Abschnitten (201, 202, 203, 211, 213, 221, 222, 223) zusammengesetzte Detektortrajektorie keine sprunghaften Richtungsänderungen aufweisen.
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Es ist vorgesehen, die die Abschnitte (195, 196, 197) aufweisende Fokustrajektorie um einen Kreisbogen mit einem Kreismittelpunkt im virtuellen Scanzentrum (51) oszillieren zu lassen und die Fokustrajektorie an der Nahtstelle zwischen dem ersten Abschnitt (195) und dem zweiten Abschnitt (196) sowie an der Nahtstelle zwischen dem zweiten Abschnitt (196) und dem dritten Abschnitt (197) so zu wählen, daß sie in radialer Richtung bezüglich des virtuellen Scanzentrums (51) verläuft.
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Verzeichnis der Abbildungen
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1: C-Bogen-Röntgengerät mit begrenztem Rotationsbereich
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2: Fokustrajektorie und Projektionsgeometrien zur Aufnahme Eines vollständigen Projektionsdatensatzes
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3: Steuerungsarchitektur des C-Bogen-Röntgengeräts
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4: Zweite Fokustrajektorie und zweite Detektortrajektorie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufnahme eines vollständigen Projektionsdatensatzes
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5: Dritte Fokustrajektorie und dritte Detektortrajektorie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine begrenzte Detektorbeschleunigung
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Bezugszeichenliste
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- 1
- C-Bogen-Röntgengerät
- 2
- C-Bogen
- 3
- Röntgenstrahlenquelle
- 4
- Röntgenstrahlendetektor
- 5, 5', 5'', 5'''
- Fokus
- 6, 6'
- Strahleneintrittsfenster
- 7, 7'
- Flat Panel Detektor (FPD)
- 8
- Endpunkt
- 9
- Röntgenbildaufnahmesystem
- 11
- Zentralstrahlvektor am Anfang der Fokustrajektorie
- 12
- Zentralstrahlvektor am Anfang des Rotationsbereichs
- 13
- Zentralstrahlvektor am Ende des Rotationsbereichs
- 14
- Zentralstrahlvektor am Ende der Fokustrajektorie
- 18
- Fokustrajektorie
- 20
- Gerätewagen
- 21, 21'
- Rad
- 22
- Fußboden
- 23
- Halterung
- 25
- Orbitalbewegungsachse
- 26
- Horizontalbewegungsachse
- 27
- Vertikalbewegungsachse
- 32
- Fächerstrahl
- 33
- zweiter Begrenzungsstrahl
- 34
- erster Begrenzungsstrahl
- 35
- Fächerwinkel
- 40
- Zentrale Recheneinheit
- 41
- Bewegungssteuerung
- 42
- Bildaufnahmesteuerung
- 43
- Eingabemittel
- 44
- Ausgabemittel
- 50
- ROI (Interessierender Bereich)
- 51
- virtuelles Scanzentrum
- 181
- Erster Abschnitt der ersten Fokustrajektorie
- 182
- zweiter Abschnitt der ersten Fokustrajektorie
- 183
- dritter Abschnitt der ersten Fokustrajektorie
- 191
- erster Abschnitt der zweiten Fokustrajektorie
- 193
- dritter Abschnitt der zweiten Fokustrajektorie
- 195
- erster Abschnitt der dritten Fokustrajektorie
- 196
- zweiter Abschnitt der dritten Fokustrajektorie
- 197
- dritter Abschnitt der dritten Fokustrajektorie
- 201
- dritter Abschnitt der ersten Detektortrajektorie
- 202
- zweiter Abschnitt der ersten Detektortrajektorie
- 203
- erster Abschnitt der ersten Detektortrajektorie
- 211
- dritter Abschnitt der zweiten Detektortrajektorie
- 213
- erster Abschnitt der zweiten Detektortrajektorie
- 221
- erster Abschnitt der dritten Detektortrajektorie
- 222
- zweiter Abschnitt der dritten Detektortrajektorie
- 223
- dritter Abschnitt der dritten Detektortrajektorie
