DE19502574C2 - Röntgen-Computertomograph - Google Patents

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 w_o (z. B. w_o = 1 mm) ausgelegt. Entsprechend dem aktuellen Aufnahmemodus, z. B. Schichtdicke w < w_o, 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)

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.