DE19523090C1 - Röntgenuntersuchungsgerät - Google Patents

Description

Bei Röntgenuntersuchungsgeräten, z. B. Röntgen-Computertomo­ graphen tritt eine Objekt-Streustrahlung auf, die zu Bild­ artefakten führen kann, die eine ärztliche Diagnose erschwe­ ren können. Zur Reduzierung der Auswirkung der Streustrahlung können z. B. bei Röntgen-Computertomographen der dritten Gene­ ration mit rotierender Röhren-Detektor-Meßanordnung zwischen den Detektorelementen Kollimatorbleche vorgesehen werden, die auf den Röhrenfokus ausgerichtet sind und damit die schräg auftreffende Streustrahlung teilweise abschirmen. Solche Kol­ limatorbleche sind in Röntgen-Computertomographen der vierten Generation mit feststehendem Detektorring und rotierender Röntgenröhre nur sehr eingeschränkt verwendbar, da sie nicht nur Streustrahlung, sondern auch Teile der Meßstrahlung aus­ blenden. Bei Röntgen-Computertomographen der vierten Genera­ tion ist der Anteil an Streustrahlung in den Meßdaten be­ trächtlich und macht eine nachträgliche Korrektur für eine gute Bildqualität unumgänglich. Bei Röntgen-Computertomogra­ phen der dritten Generation ist die Datenverfälschung durch Streustrahlung zwar geringer, kann aber dennoch störende Ar­ tefakte zur Folge haben. Eine Korrektur ist daher auch hier sinnvoll.

Es ist bekannt, bei die Transmissionsstrahlung messenden Röntgenuntersuchungsgeräten die Streustrahlung zu korrigieren oder abzuschirmen (DE 27 04 784 A1, US 42 03 036, GB 20 21 896 A). Bei den in den beiden zuletzt genannten Do­ kumenten beschriebenen Computertomographen ist ein festste­ hender Detektorring vorgesehen (vierte Generation).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Röntgenunter­ suchungsgerät so auszubilden, daß eine optimale rechnerische Ermittlung der Intensität der Streustrahlung erfolgt, auf de­ ren Basis eine Korrektur vorgenommen werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Weiterbildungen, insbesondere hin­ sichtlich der Korrektur der Streustrahlung, ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung eignet sich allgemein für die Anwendung bei Röntgen-Computertomographen, aber auch bei anderen Röntgenuntersuchungsgeräten mit digitaler Datenverar­ beitung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die wesentlichen Teile eines Röntgen-Computertomogra­ phen der vierten Generation zur Erläuterung des Er­ findungsgedankens, und

Fig. 2 und 3 Kurven zur Erläuterung der Fig. 1.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Computertomographen ist der Fokus 1 einer Röntgenröhre gezeigt, von dem ein fächerförmig eingeblendetes Röntgenstrahlenbündel 2 ausgeht, das auf einem ringförmig ausgebildeten Detektor 3 auftrifft. Ein Detektor­ element des Detektors 3 ist mit 4 bezeichnet. Das Röntgen­ strahlenbündel 2 durchdringt ein in einem Meßfeld 5 angeord­ netes Objekt 6.

Die Grundidee der Filterungskorrektur bei der Erfindung liegt darin, die Verteilung der gesamten Streuintensität innerhalb einer Projektion durch eine Gewichtung der Intensitätswerte dieser Projektion und anschließende Faltung mit einem Kern zu gewinnen. Die Vorschriften für Gewichtung und Faltungskern folgen aus einem physikalischen Modell, das auf der sogenann­ ten Vorwärtsstreuung basiert.

Man betrachtet den Meßstrahl 7 des Röntgenstrahlenbündels 2, der ausgehend vom Fokus 1 in der dargestellten Position im Detektorelement 4 endet. Wie in Fig. 1 angedeutet, trifft er nach im Objekt 6 zurückgelegtem Weg 1 das Streuzentrum S(i) mit der Längenausdehnung dl in Strahlrichtung. Ein Teil der von S(i) ausgehenden Streuintensität wird unter so kleinen Winkeln abgestrahlt, daß sie wie die Intensität I_(F,D) des geschwächten Meßstrahls 7 das Detektorelement 4 erreicht. Für die Vorwärtsstreuintensität dI⁽⁰⁾ _{sc,forw,S(i),(F,D)}, die direkt hinter dem Streuzentrum S(i) vorliegt, wird angenommen, daß sie von der dortigen Elektronendichte und damit vom Schwächungswert µ_S(i), der Ausdehnung d1, sowie von der bei S(i) eintreffen­ den Intensität des Meßstrahls 7 abhängt. Mit der Proportiona­ litätskonstante K_sc,forw und der ungeschwächten Primärinten­ sität I₀ gilt dann

Bevor die vorwärtsgestreuten Quanten den Detektor 3 errei­ chen, müssen sie noch näherungsweise die Wegstrecke L-1 bis zum Austrittspunkt des Meßstrahls 7 aus dem Objekt 6 durch­ laufen. Dabei sollen keine erneuten Streuprozesse auftreten. Allerdings wird ein Teil der vorwärtsgestreuten Quanten ab­ sorbiert. Nach der Multiplikation von (1) mit dem Exponen­ tialterm des entsprechenden Linienintegrals über den Schwä­ chungswert resultiert für die vom Streuzentrum S(i) aus­ gehende und im Detektorelement 4 registrierte Vorwärts­ streuintensität dI_{sc,forw,S(i),(F,D)}

Wird nun im Objekt 6 von einer kontinuierlichen Streuzentren­ verteilung längs des Meßstrahls 7 ausgegangen, erhält man die gesamte Vorwärtsstreuintensität dI_{sc,forw,(F,D)} im Detektor 3 durch Integration der am Ort der Streuzentren vorliegenden Schwächungswerte µ_S(i) über den gesamten Weg des Meßstrahls 7 im Objekt 6.

Das Produkt der ungeschwächten Primärintensität I₀ mit dem Exponentialterm des Linienintegrals ist gleich der geschwäch­ ten Intensität I_(F,D) des Meßstrahls 7 nach seinem Austritt aus dem Objekt 6. Entsprechend kann man das Linienintegral mit dem natürlichen Logarithmus des Quotienten I_(F,D)/I₀ for­ mulieren.

Gemäß Fig. 1 liegt der Detektor 3 beim Zentralwinkel γ_D in­ nerhalb des Fokusfächers zur Fokusposition F. Ausgehend von I_{sc,forw, (F,D)} können die Streuintensitäten, die der Meß­ strahl 7 in allen Detektorelementen des Röntgenstrahlenbün­ dels 2 mit γε [-γ_max/2; γ_max/2] liefert, empirisch abgeschwächt werden.

Die prinzipiellen Streuwinkelabhängigkeiten der differentiel­ len Wirkungsquerschnitte und Streuenergien von Compton- und Rayleigh-Streuung für Streuwinkel Ψε[-π/2; π/2] bei axial­ symmetrischen Streuprozessen rechtfertigen die Annahme, daß die Streubeiträge vom Meßstrahl 7 mit dem Abstand vom Detek­ tor 3 im Röntgenstrahlenbündel 2 abnehmen. Eine zur Beschrei­ bung verwendbare Abstandsfunktion G(γ-γ_D), die in Fig. 2 qualitativ dargestellt ist, hat dann ein Maximum bei γ = γ_D und überstreicht den Winkelbereich [-γ_max + Γ_D; Γ_max + Γ_D]. Falls das betrachtete Detektorelement mit γ_D = ± γ_max/2 an einem Rand des Röntgenstrahlenbündels 2 liegt, erreicht die Abstandsfunktion dann auch noch die Detektorelemente am anderen Rand.

Die vorangegangenen Betrachtungen haben gezeigt, daß der Meß­ strahl 7 im Detektorelement 4 die Vorwärtsstreuintensität I_{sc,forw, (F,D)} verursacht. Man nimmt nun an, daß sich die Streubeiträge I_{sc, (F,D)} (γ) in den anderen Detektorelementen im Röntgenstrahlenbündel 2 bei den Zentralwinkeln γε[-γ_max/2; γ_max/2] aus dem Produkt der Vorwärtsstreuintensi­ tät und der Abstandsfunktion ergeben.

Um die Verteilung der gesamten Streuintensität I_sc(γ) im Röntgenstrahlenbündel 2 zur Fokusposition zu ermitteln, müs­ sen die Beiträge aller Strahlen im Fächer zu allen Detektor­ elementen aufsummiert werden. Bei der Annahme einer kontinu­ ierlichen Detektorverteilung und eines kontinuierlichen Fächerstrahls ist dazu eine Integration von (5) über alle möglichen Detektorpositionen mit den Zentralwinkeln γ_D nötig.

I_sc,forw (γ_D) ist hier die Vorwärtsstreuintensität in einem Detektorelement mit dem Zentralwinkel γ_D im Fokusfächer. Das Integral in (6) stellt eine Faltung der Verteilung der Vor­ wärtsstreuintensitäten im Fokusfächer mit der Abstandsfunk­ tion G(γ) dar.

Aus (4) kann unter Vernachlässigung des Streuenergieanteils in den gemessenen Daten die Verteilung der Vorwärtsstreu­ intensitäten mit (8) näherungsweise aus den gemessenen Pro­ jektionsdaten I_dist(γ) des Fokusfächers errechnet werden.

Die eigentliche Korrektur besteht darin, die errechneten Streuintensitäten von den Intensitätswerten der verstreuten Daten zu subtrahieren. (8) macht deutlich, daß dieses Verfah­ ren kein Referenzbild benötigt, sondern ausschließlich mit den gemessenen Projektionsdaten auskommt. Ein funktionstüch­ tiger Algorithmus verlangt aber eingehende Untersuchungen zur Form der Abstandsfunktion und zur Größe der Proportionali­ tätskonstante K_sc,forw, damit die physikalischen Gegebenhei­ ten mit diesem empirischen Modell möglichst gut wiedergegeben werden.

Die Korrekturgleichung (9), aus der die Streuintensitäten in den Kanälen aller Detektorfächer aus den gemessenen Intensi­ tätswerten I_dist(δ,γ) errechnet werden, beinhaltet außer der Faltung der Vorwärtsstreuverteilung mit der Abstandsfunktion noch eine von der Schichtdicke abhängige Gewichtung f(Δz_S1). Dazu kommt eine projektionsabhängige Gewichtung g(a(δ)) zur besonderen Behandlung exzentrischer Objekte und eine Skalie­ rung mit der Maschinenkonstante C_M.

(δ,γ) sind die kontinuierlichen Zentralwinkelkoordinaten der Fokusposition und der Kanäle in den Fokusfächerprojektionen. R(γ) ist aus (7) zu entnehmen.

In die Berechnung der Vorwärtsstreuintensität geht noch eine Fensterung W_ε{·} ein, die eine geeignete Schranke für die heranzuziehenden Intensitätswerte setzt. Auf der Basis empi­ rischer Untersuchungen erweist sich eine Potenzierung der ge­ fensterten Intensität sowie des Linienintegrals mit den Para­ metern p und q als sinnvoll.

Als Abstandsfunktion G kann z. B. (10) unter Anpassung des Formparameters A verwendet werden. Auch jede andere Funktion des zentralen Detektorwinkels γ mit dem prinzipiellen Charak­ ter aus Fig. 2 ist denkbar. Die Abstandsfunktion beschreibt die Form der Streuverteilung, die ein einzelner Meßstrahl in den Detektoren verursacht. Es bietet sich an, G durch Simula­ tion oder Messung der Streuung für einen sogenannten Nadel­ strahl bei der betrachteten Gerätegeometrie zu ermitteln.

Die Breite des Maximums der Abstandsfunktion kann mit der Ausdehnung des Objekts senkrecht zur Projektionsrichtung variiert werden. Für exzentrische Objekte ist die Gewich­ tungsfunktion g(a) vom Abstand a des Streukörperschwerpunktes zum Detektorbogen aus (11) zu berücksichtigen. a ist projek­ tionsabhängig und ändert sich daher mit δ. K_0,a, K_1,a und r sind empirisch zu bestimmende Konstanten.

K_sc,forw erweist sich als objektabhängig. Als objektcharakte­ risierende Parameter können dabei z. B. der minimale Intensi­ tätswert im gemessenen Datensatz oder die maximale Ausdehnung des Objekts gewählt werden. Es bietet sich an, für die in (12) definierte Größe K_sc Tabellen für verschiedene Schicht­ dicken anzulegen. In (12) wird das Objekt durch die minimale Intensität im Datensatz beschrieben, die auf die unge­ schwächte Primärintensität normiert ist.

Die Fig. 3 zeigt das prinzipielle Verhalten von K_sc für einen Computertomographen (CT) der vierten Generation mit einer Detektorzeile. Die Tabellen müssen für CTs unterschiedlicher Bauart experimentell durch Streustrahlmessungen oder Bildqua­ litätsoptimierungen ermittelt werden und können durchaus vom in Fig. 3 skizzierten Verlauf abweichen. Die Gewichtungsfunk­ tion f(Δz_S1) der Schichtdicke zeigt dabei näherungsweise lineares Verhalten.

Nachdem die Streuintensitäten I_dist(δ,γ) für alle Kanäle in allen Projektionen mit (9) bis (12) bestimmt wurden, sind sie von den gemessenen Daten zu subtrahieren. Nach der erneuten Logarithmierung der korrigierten Intensitäten führt die Rekonstruktion auf das korrigierte Bild.

Die obigen Betrachtungen basieren auf der Korrektur von Fo­ kusfächerprojektionen in einem CT der vierten Generation mit einer Detektorzeile. Im allgemeinen werden für einen CT der vierten Generation die Bilder aus Detektorfächerprojektionen rekonstruiert. Die Korrektur kann nach Modifikation der Para­ meter analog in den Detektorfächerdaten durchgeführt werden. Bei CTs der dritten Generation werden grundsätzlich Fokus­ fächerprojektionen aufgenommen. Die einsetzbaren Detektorkol­ limatoren haben Einfluß auf die Korrekturparameter, die ent­ sprechend anzupassen sind.

Manche Rekonstruktionsalgorithmen benötigen Paralleldaten, die durch eine geeignete Uminterpolation aus den Fächerdaten gewonnen werden. Die vorgestellte Streustrahlkorrektur kann dann auch in den Paralleldaten durchgeführt werden. Es steht darüber hinaus frei, die Korrektur auf mit der ungeschwächten Primärintensität normierte oder auf nicht normierte Intensi­ tätswerte anzuwenden.

Die Faltung der Vorwärtsstreuverteilung mit der Abstandsfunk­ tion wird man als Multiplikation der diskreten Spektren im Frequenzbereich durchführen. Die diskrete Fouriertransforma­ tion erfolgt mit FFTs. Unter der Annahme, daß sich die Streu­ beiträge von Projektion zu Projektion nicht sprunghaft än­ dern, ist es ausreichend, die Streubeiträge nur für eine be­ grenzte Anzahl von Projektionen explizit mit der Faltung aus­ zurechnen. Die Streuintensitäten in den verbleibenden Projek­ tionen können dann durch eine einfache Interpolationsvor­ schrift, wie z. B. eine lineare Interpolation, ermittelt wer­ den. Der Rechenaufwand der diskreten Faltung kann noch redu­ ziert werden, falls die Abstandsfunktion und die Vorwärts­ streuverteilung im Spektralbereich ausreichend bandbegrenzt sind. Die FFTs können dann nach einer Unterabtastung von Ab­ standsfunktion und Vorwärtsstreuverteilung verkürzt durchge­ führt werden. Eine einfache Interpolation in Kanalrichtung, wie wieder z. B. eine lineare Interpolation, liefert schließ­ lich alle notwendigen Werte der Faltung. Untersuchungen haben gezeigt, daß mit den erwähnten Maßnahmen Aufwandseinsparungen bis zu 95% erreicht werden können.

Die beschriebene Korrektur kann auch zweidimensional bei Com­ putertomographen mit Mehrzeilendetektoren durchgeführt wer­ den. Ferner eignet sich die Erfindung auch für die zweidimen­ sionale Korrektur bei konventionellen Röntgenanlagen mit flä­ chenhaften Detektoren, also mit als zweidimensionales Array aus Detektorelementen aufgebauten Detektoren.

Es kann eine Parametrierung der Korrektur durch Anlegen einer Schichtdicken- und objektabhängigen Tabelle einer Skalierkon­ stante K_sc erfolgen. Die Schichtdickenabhängigkeit erweist sich dabei näherungsweise als lineare Funktion. Die Objektab­ hängigkeit kann durch Mindestintensität oder Maximalschwä­ chung im Datensatz oder durch die maximale Objektausdehnung berücksichtigt werden. Ferner kann eine Durchführung der Kor­ rektur mit Daten in Fokusfächer- oder Parallelgeometrie bei CTs der dritten Generation oder mit Daten in Fokusfächer-, Detektorfächer- oder Parallelgeometrie bei CTs der vierten Generation erfolgen. Die Scanner können dabei über eine oder mehrere Detektorzeilen verfügen.

Je nach Anwendungsfall ist die numerische Berechnung der Ob­ jekt-Streustrahlung mit einer ein- oder zweidimensionalen Faltung der Vorwärtsstreuverteilung mit der Abstandsfunktion in einem geeigneten Koordinatensystem durchzuführen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Korrektur der Meßstrahlung um die Streu­ strahlungsanteile bei einem die Transmissionsstrahlung mes­ senden Röntgenuntersuchungsgerät mit einem Detektorarray (3), das aus einer Anzahl von Detektorelementen (4) besteht, aus deren Ausgangssignalen ein Röntgenbild berechnet wird, gekennzeichnet durch Ermittlung der Vorwärtsstreuintensität durch die Multiplikation der mit einer Fensterfunktion (W_ε{·}) gefensterten und potenzierten, gemessenen Intensitäten (I_dist) mit dem potenzierten Loga­ rithmus der mit der ungeschwächten Primärintensität (I₀) nor­ mierten Intensität (I_dist/I₀), wobei die Objekt-Streustrah­ lung durch Faltung der Vorwärtsstreuintensität mit einer Ab­ standsfunktion (G) berechnet wird und wobei eine Variation der Abstandsfunktion mit der Ausdehnung des Objektes (6) erfolgt, nach der Formel (δ,γ) sind die kontinuierlichen Zentralwinkelkoordinaten der Fokusposition und der Kanäle in den Fokusfächerprojektionen. mit einer von der Schichtdicke abhängigen Gewichtung f(Δz_S1, einer projektionsabhängigen Gewichtung g(a(δ)) zur besonderen Behandlung exzentrischer Objekte und einer Ska­ lierung mit der Maschinenkonstante C_M, mit der Abstands­ funktion G(γ).

2. Röntgenuntersuchungsgerät nach Anspruch 1, bei dem eine Gewichtung mit einer Funktion (g) erfolgt, die vom Abstand des Streukörperschwerpunktes zum Detektorarray (3) abhängt.

3. Röntgenuntersuchungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Parametrierung der Korrektur durch Anlegen einer Schichtdicken- und objektabhängigen Tabelle einer Skalierkon­ stante (K_sc).

4. Röntgenuntersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Durchführung der Streuintensitätsberechnung und Korrektur mit auf die ungeschwächte Primärintensität normierten oder unnormierten Intensitätswerten.

5. Röntgenuntersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Reduktion des Rechenaufwandes durch Unterabtastung des gemessenen Datenfeldes und der verwendeten Abstandsfunktion in allen Dimensionen vor der Faltung mit anschließender Interpolation des Faltungsergebnisses.