DE19502574C2 - Röntgen-Computertomograph - Google Patents
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Description
Bei heute in der Medizintechnik verwendeten Computertomogra
phen werden die für ein Schnittbild notwendigen Projektions
daten aufgenommen, indem ein dünner Fächerstrahl aus dem
Strahlenbündel des Röntgenstrahlers ausgeblendet wird und die
durch das Objekt transmittierte Strahlung mit einer einzelnen
Detektorzeile nachgewiesen wird. Die Länge der einzelnen
Detektorelemente in z-Richtung (Richtung der Systemachse) ist
dabei so dimensioniert, daß diese die Strahlung für die
größte einstellbare Schichtdicke (üblicherweise 10 mm
Schicht) aufnehmen können.
Verschiedene Schichtdicken werden durch entsprechende Ein
stellungen der röhrennahen und einer detektorseitigen Blende
erzeugt. Da mit einer derartigen Anordnung nur jeweils Daten
für eine Schicht aufgenommen werden können, wird die vom
Röntgenstrahler emittierte Röntgenstrahlung nur sehr ineffi
zient genutzt. Für dreidimensionale Aufnahmetechniken ist das
erfaßbare Volumen daher in aller Regel durch die verfügbare
Dauerleistung des Röntgenstrahlers beschränkt. Entsprechend
lange sind die erforderlichen Aufnahme- bzw. Untersuchungs
zeiten.
Derartige Beschränkungen des Meßsystems werden weitgehend
überwunden, wenn gemäß US-PS 5 291 402 ein Flächendetektor
verwendet wird. Ein derartiger Flächendetektor ist ein zwei
dimensionales Array von Detektorelementen (Mosaik), d. h. er
ist von mehreren parallelen Detektorzeilen gebildet, so daß
anstelle eines dünnen Fächerstrahles ein auch in z-Richtung
ausgedehntes Röntgenstrahlbündel zur Abbildung verwendet wer
den kann. Im Gegensatz zu einem konventionellen Einzeilen
detektor besteht ein Flächendetektor aus auch in z-Richtung
separierten Detektorelementen. Bei einer Drehung des Meß
systems können dann je nach Ausdehnung des Flächendetektors
in z-Richtung viele Schichten simultan aufgenommen werden.
Benachbarte Zeilen des Flächendetektors erfassen dabei be
nachbarte Schichten. Die Summe der Längen der Detektorelemente in z-
Richtung ist so gewählt, daß sie der Breite der
kleinsten, darzustellenden Schicht (üblicherweise 1 mm Schicht)
entspricht, deren Profil durch die Überlagerung der von
den einzelnen Zeilen gelieferten Signale geschärft wird.
Ein Flächendetektor besteht also aus einer Anordnung von N-
Zeilen in z-Richtung, wobei in einer Zeile z. B. M-Detektor
elemente in der Richtung senkrecht zur z-Achse angeordnet
sein können, also aus N × M Detektorelementen. Die Anordnung
der Detektorelemente senkrecht zur z-Achse wird vorzugsweise
auf einen Kreisbogen ausgeführt, dessen Mittelpunkt der Rönt
genfokus bildet.
Ein flächenhafter Detektor, bestehend aus einem Mosaik von
N × M Detektorelementen, hat also den großen Vorteil einer
sehr effizienten Nutzung der Röntgenleistung durch simultane
Aufnahme eines Volumens oder eines Teilvolumens.
Dem stehen als Nachteile gegenüber:
- a) Bei der Auslesung der einzelnen Detektorelemente ist eine entsprechend große Anzahl von N × M Elektronikkanälen er forderlich.
- b) Die zu erfassende Datenrate steigt gegenüber heutigen Computertomographen mit Einzeilendetektoren proportional zur Anzahl N der Zeilen an.
- c) Für Schichten im Randgebiet des Strahlenbündels wird die für planare Tomogramme bekannte Rekonstruktion mit gefil terter Rückprojektion ungenau, zumindest sind sehr auf wendige und rechenintensive Cone-Korrekturen erforder lich. Alternativ ist die Anwendung echter 3D-Verfahren für die Bildrekonstruktion (E-PS 0 526 157 A1) möglich. In diesem Fall ist aber der Rechenaufwand gegenüber einer konventionellen gefilterten Rückprojektion oder einer direkten Fourierrekonstruktion erheblich gesteigert. Ent sprechend steigt die erforderliche Rechnerleistung.
In GB 2 005 955 A ist ein Computertomograph mit einer Detek
torzeile aus einer Reihe von Detektorelementen beschrieben,
bei dem die Ausgangssignale der Detektorelemente zu Gruppen
zusammengefaßt werden. Hierdurch ist es möglich, die Detek
torzeile trotz unterschiedlicher Auflösung in einzelnen
Bereichen aus lauter gleichen Detektorelementen aufzubauen.
Die simultane Anfertigung von Bildern mehrerer Schichten ist
bei diesem Computertomographen nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Röntgen-
Computertomographen mit Flächendetektor einen Kompromiß anzu
geben, bei dem die vollständige Komplexität des Flächendetek
tors bezüglich Auslesung, Datenrate und Rekonstruktion weit
gehend vermieden bzw. auf ein realisierbares Maß reduziert
wird und gleichzeitig wichtige Vorteile erhalten bleiben.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch den Patentan
spruch.
Die Grundidee dabei ist die folgende:
Der Flächendetektor mit N-Zeilen und M-Detektorelementen pro Zeile sei für Aufnahmen von N-Schichten der kleinsten Schichtdicke wo (z. B. wo = 1 mm) ausgelegt. Entsprechend dem aktuellen Aufnahmemodus, z. B. Schichtdicke w < wo, werden Gruppen von Ausgangssignalen der Detektorelemente einer Spalte geeignet zusammengefaßt, so daß sich eine Anzahl von n < N von erforderlichen Auslesekanälen ergibt. Es ist dabei natürlich wünschenswert, daß n konstant gehalten werden kann. Falls deshalb nicht alle N-Zeilen des Flächendetektors ge nutzt werden sollen, kann ein entsprechendes Röntgenprofil durch einstellbare Blenden erzeugt werden.
Der Flächendetektor mit N-Zeilen und M-Detektorelementen pro Zeile sei für Aufnahmen von N-Schichten der kleinsten Schichtdicke wo (z. B. wo = 1 mm) ausgelegt. Entsprechend dem aktuellen Aufnahmemodus, z. B. Schichtdicke w < wo, werden Gruppen von Ausgangssignalen der Detektorelemente einer Spalte geeignet zusammengefaßt, so daß sich eine Anzahl von n < N von erforderlichen Auslesekanälen ergibt. Es ist dabei natürlich wünschenswert, daß n konstant gehalten werden kann. Falls deshalb nicht alle N-Zeilen des Flächendetektors ge nutzt werden sollen, kann ein entsprechendes Röntgenprofil durch einstellbare Blenden erzeugt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zei
gen:
Fig. 1 die wesentlichen Teile eines Röntgen-Computertomogra
phen nach der Erfindung, und
Fig. 2 bis 5 den Detektor des Computertomographen gemäß
Fig. 1 mit dem zugeordneten Multiplexer für
verschiedene Schichtdicken.
In der Fig. 1 ist der Fokus 1 eines Röntgenstrahlers gezeigt,
von dem ein durch eine nicht dargestellte Blende eingeblende
tes pyramidenförmiges Röntgenstrahlenbündel 2 ausgeht, das ein
Objekt 3 durchsetzt und auf einem Detektor 4 auftrifft, der
aus mehreren parallelen Detektorzeilen besteht, von denen je
de von einer Reihe von Detektorelementen gebildet ist. Das
Meßsystem 1, 4 ist um eine Systemachse 6 drehbar, so daß das
Objekt 3 unter verschiedenen Projektionen durchstrahlt wird.
Aus den dabei gebildeten Detektorsignalen berechnet ein Rech
ner 7 ein Bild des Objektes 3, welches auf einem Monitor 8
wiedergegeben wird. Die Erfassung der Detektorsignale erfolgt
durch einen Multiplexer 9, der in Verbindung mit den Fig. 2
bis 5 näher erläutert ist.
Der Detektor 4 ist in Fig. 1 nur schematisch dargestellt. Die
Fig. 2 bis 5 zeigen, daß er bei dem diesen Figuren zugrunde
liegenden Beispiel aus 16 parallelen Detektorzeilen 4a bis 4q
besteht. In Strahlenrichtung gesehen vor dem Detektor 4 ist
eine in z-Richtung verstellbare Blende 10 vorgesehen. Durch
die Blende 10 kann die Anzahl der vom Röntgenstrahlenbündel
getroffenen Detektorzeilen 4a bis 4q ausgewählt werden. Der
Multiplexer 9 schaltet eine vorbestimmte Anzahl von Ausgangs
kanälen, bei dem Beispiel von vier Ausgangskanälen, an die
ausgewählten Detektorzeilen 4a bis 4q an. In dem Fall, in dem
die Zahl der ausgewählten Detektorzeilen 4a bis 4q größer als
die Zahl der Ausgangskanäle ist, faßt er die Ausgangssignale
aneinander angrenzender Detektorzeilen zu Gruppen zusammen.
In der Blendenstellung gemäß Fig. 2 sind die vier Detektor
zeilen 4g bis 4k an die vier Ausgangskanäle 11 bis 14 ange
schaltet. In der Blendenstellung gemäß Fig. 3 sind die Detek
torzeilen 4e bis 4n an die Ausgangskanäle 11 bis 14 ange
schaltet. Entsprechend der Erfassung der Ausgangssignale von
acht Detektorzeilen werden die Ausgangssignale von jeweils
zwei aneinander angrenzenden Detektorzeilen, z. B. 4e und 4f,
zu Gruppen zusammengefaßt. In der Blendenstellung gemäß
Fig. 4 werden die Ausgangssignale der Detektorzeilen 4c bis
4o erfaßt und entsprechend jeweils die Ausgangssignale von
drei aneinander angrenzenden Detektorzeilen zu einer Gruppe
zusammengefaßt. Schließlich ist in Fig. 5 die Blende 10 ganz
geöffnet, so daß die Ausgangssignale von jeweils vier anein
ander angrenzenden Detektorzeilen zu einer Gruppe zusammenge
faßt werden.
Bei dem Beispiel besteht der Detektor 4 aus N = 16 Detektor
zeilen 4a bis 4q, ist also geeignet zur Aufnahme von 16
Schichten mit 1 mm Schichtdicke. Zur Auslesung sollen aber
nur n = vier Kanäle pro Spalte eingesetzt werden. Die Gesamt
zahl der Kanäle ist also 4 × M.
Durch entsprechende Einblendung werden für 1 mm Schichten nur
die innersten vier Detektorzeilen 4g bis 4k benutzt, deren
Ausgänge einzeln auf die verfügbaren Kanäle 11 bis 14 ge
schaltet werden (Fig. 2).
Für einen Betrieb mit 2 mm Schichtdicke werden die innersten
acht Detektorzeilen 4e bis 4n benutzt und deren Ausgangs
signale jeweils paarweise summiert. Die so entstehenden vier
Summensignale der einzelnen Paare werden anschließend auf die
Kanäle 11 bis 14 geschaltet (Fig. 3).
Analog werden durch Summierung von je drei Signalen benach
barter Detektorelemente vier Schichten mit 3 mm Schichtdicke
(Fig. 4) bzw. durch Summierung von je vier Signalen benach
barter Detektorelemente Schichten von je 4 mm Schichtdicke
gebildet.
Aus diesen Basismoden mit den klinisch wichtigen Schicht
dicken von 1 mm bis 4 mm lassen sich größere Schichtdicken,
z. B. 6 mm oder 8 mm, durch weitere Summationsschritte gene
rieren. In solchen Fällen wird der Detektor 4 als effektiver
Zweizeilendetektor betrieben.
Für eine aktuelle Realisierung sind nach den Fig. 2 bis 5
Summationsglieder erforderlich, die mindestens vier Eingänge
aufweisen. Je nach gewählter Schichtdicke werden unterschied
liche, bis zu maximal vier Ausgangssignale von Detektorele
menten mit den Eingängen der Summierglieder verbunden. Die
Ausgänge der Summierglieder können fest mit den vier Kanälen
11 bis 14 der Ausleseelektronik verbunden sein.
Es versteht sich von selbst, daß das gewählte Zahlenbeispiel
nur exemplarischen Charakter besitzt und beliebig erweiterbar
ist (z. B. N = 32 Detektorzeilen und n = acht Auslesekanäle).
Die zeitlichen Anforderungen an die Schaltvorgänge von Detek
torsignalen zu Summiergliedern sind gering, da diese Ver
schaltung zu Beginn des Aufnahmemodus festgelegt wird und
während der Aufnahme unverändert beibehalten werden kann. Es
ist aber auch denkbar, daß während einer Volumenaufnahme in
Spiraltechnik eine Umschaltung bezüglich der Schichtdicke er
folgen kann.
Die vorgeschlagene Detektoranordnung weist im Vergleich zum
vollständig auslesbaren Flächendetektor die bereits erwähnten
Vereinfachungen bezüglich Ausleseelektronik, Datenrate und
Bildrekonstruktion auf. Im Vergleich zum Einzeilendetektor
konventioneller Computertomographen besitzt der vorgeschlage
ne Detektor eine Reihe wichtiger Vorteile:
- a) Je nach Wahl von n und N können simultan n-Schichten mit einer maximalen Schichtdicke, die durch N/n bestimmt ist, aufgenommen werden.
- b) Volumenaufnahme in Spiraltechnik
In einer der gewählten Summierschaltung entsprechenden Anordnung stehen n effektive Einzeldetektoren zur Schichtbreite w für die Datenerfassung zur Verfügung. Der Pitch P = (Liegenvorschub pro 360°Umdrehung des Meß systems in mm)/(Schichtdicke in mm) kann dann groß ge wählt werden, z. B. P = n oder P = n + 1, so daß vergli chen zur Einzeldetektorzeile eine um den Faktor n oder n + 1 schnellere Volumenabtastung erreicht wird. P = n (bzw. P = n + 1) entspricht dabei einem effektiven Pitch p1, bezogen auf eine effektive Detektorzeile von p1 = 1 (bzw. p1 = 1 + 1/n), so daß trotz der schnelleren Volu menabtastung praktisch die gleiche Abtastdichte in z- Richtung erreicht wird. - c) Die Wahl von P richtet sich nach praktischen Anforderun gen. Generell sollte für n gerade P ungerade (z. B. P = n + 1) gewählt werden, um Mehrfachabtastungen im Spi ralmode zu vermeiden. Bei n ungerade kann auch P = n ge wählt werden.
- d) Insbesondere für Dünnschichtaufnahmen kann eine Überab tastung in z-Richtung wünschenswert sein. Diese kann durch eine Wahl von 1 < P < n erreicht werden. Gegenüber einer Einzeldetektorzeile mit entsprechendem p1 < 1 ver bleibt der Zeitfaktor P/p1 » 1 bezüglich der Aufnahme zeit.
- e) Die vorgeschlagene Multiplexverschaltung der Detektor elemente ermöglicht unmittelbar die Anwendung von Metho den zur Reduzierung nichtlinearer Teilvolumeneffekte. So können etwa 2 mm Schichten dadurch erzeugt werden, daß der Detektor im 4 × 1 mm Modus betrieben wird und die Signale zu benachbarten 1 mm Schichten (digital) summiert werden. Bei gleichzeitig reduzierten Teilvolumenartefak ten wird damit ein entsprechend verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis in den Bildern erreicht. Entsprechendes gilt für andere Schichtdicken.
Claims (1)
- Röntgen-Computertomograph mit einem ein kegelförmiges Röntgenstrahlenbündel (2) aussendenden Röntgenstrahler (1), einem zweidimensionalen Detektor (4) und folgenden Merkmalen:
- 1. Das Röntgenstrahlenbündel (2) ist in einer XY-Ebene um eine in Z-Richtung weisende Systemachse (6) eines kartesischen XYZ-Koordinatensystems drehbar.
- 2. Der Detektor (4) besteht aus mehreren parallelen Detektorzeilen (4a bis 4q).
- 1. Jede Zeile des Detektors (4) wird von einer Reihe von Detektorelementen gebildet.
- 3. Die bei verschiedenen Projektionen des Röntgenstrahlenbündels (2) gebildeten Detektorsignale werden einem Rechner (7) zugeführt, welcher daraus ein Bild des untersuchten Objektes (3) berechnet.
- 4. In Strahlenrichtung gesehen vor dem Detektor (4) ist eine in Z-Richtung
verstellbare Blende (10) vorgesehen.
- 1. Die verstellbare Blende (10) dient zur Auswahl der Anzahl der vom Röntgenstrahlenbündel (2) getroffenen Detektorzeilen (4a bis 4q).
- 5. Es ist ein Multiplexer (9) zur Anschaltung einer vorbestimmten Anzahl von
Ausgangskanälen (11 bis 14) an die ausgewählten Detektorzeilen (4a bis 4q)
vorgesehen.
- 1. Die Ausgangssignale aneinander angrenzender Detektorzeilen (4a bis 4q) werden dabei zu Gruppen zusammengefaßt, wenn die Zahl der mit der verstellbaren Blende (10) ausgewählten Detektorzeilen (4a bis 4q) größer als die Zahl der Ausgangskanäle (11 bis 14) ist.
- 2. Das Zusammenfassen zu Gruppen geschieht durch Aufsummieren der Ausgangssignale benachbarter Detektorelemente der aneinander angrenzenden Detektorzeilen.
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