DE69114932T2 - Rechnergesteuertes Tomographiesystem. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Computer-Tomographie (CT)-Einrichtungen. Eine Darstellungsausführungsform betrifft eine CT- Einrichtung mit einer Röntgenröhre, deren Brennpunkt gesteuert entlang der Ebene der CT-Gestelldrehung verschoben werden kann.
• In einer Computer-Tomographie-Einrichtung ist eine Röntgenquelle so kollimiert, daß sie ein Fächerbündel mit einem definierten Fächerbündelwinkel erzeugt. Das Fächerbündel ist so orientiert, daß es in der x-y Ebene eines kartesischen Koordinatensystems liegt, welche als die Abbildungsebene bezeichnet wird, und durch ein abzubildendes Objekt auf ein Röntgendetektorarray gesendet wird, das in der Abbildungsebene ausgerichtet ist. Das Detektorarray besteht aus Detektorelementen, die an einem Teilungswinkel zentriert sind, wovon jedes die Intensität der entlang einem von der Röntgenquelle zu dem einzelnen Detektorelement gesendeten Strahlbündel mißt. Die Intensität des gesendeten Strahlung hängt von der Abschwächung des gesendeten Röntgenstrahlbündels längs dieses Strahls durch das abzubildende Objekt ab. Der Mittelpunkt eines Strahlbündels und dessen Intensitätsmessung können durch einen Strahl identifiziert werden, der durch die Linie beschrieben wird, die den Mittelpunkt der Röntgenquelle mit der Mitte des Detektorelementes verbindet.
• Die Röntgenquelle und das Detektorarray können auf einem Gestell in der Abbildungsebene und um das abzubildende Objekt herum so gedreht werden, daß der Winkel, in welchen das Strahlbündel das abzubildende Objekt schneidet, verändert werden kann. An jedem Gestellwinkel wird eine aus den Intensitätssignalen aller Detektorelementes bestehende Projektion gewonnen. Das Gestell wird dann zu einem neuen Winkel weitergedreht und der Vorgang wiederholt, um eine Anzahl von Projektionen entlang einer Anzahl von Gestellwinkeln zu sammeln, um einen tomographischen Projektionssatz zu erzeugen.
• Die gewonnenen tomographischen Projektionssätze werden üblicherweise in numerischer Form für eine Computerverarbeitung gespeichert, um mittels im Fachgebiet bekannter Rekonstruktionsalgorithmen eine Scheibenabbildung zu "rekonstruieren". Ein Projektionssatz von Fächerbündel-Projektionen kann direkt in eine Abbildung mittels Fächerbündel-Rekonstruktionsverfahren rekonstruiert werden, oder es können die Intensitätsdaten der Projektionen in parallele Bündel sortiert und nach Parallelbündel-Rekonstruktionsverfahren rekonstruiert werden. Die rekonstruierten tomographischen Abbildungen können auf einer herkömmlichen Kathodenstrahlröhre angezeigt werden, oder sie können mittels einer computergesteuerten Kamera in eine Filmaufzeichnung umgewandelt werden.
• Die räumliche Auflösung der rekonstruierten CT-Abbildung hängt zum Teil von der Breite jedes Röntgenstrahlbündels am Mittelpunkt des abzubildenden Objektes ab. Diese Strahlbreite wird primär von der Quellenbreite, der Größe des Brennpunktes der Röntgenröhre, und der Apertur des Detektorelementes bestimmt, und verändert sich mit der Distanz von der Quelle zum Detektor. Der Mittelungseffekt eines im allgemeinen rechteckigen Strahlbündels der Breite a schränkt die empfangene Abbildung von der Bandbreite her auf räumliche Frequenzen von 1/a und weniger ein.
• Der Bündelabstand, der in der Nähe des Mittelpunktes des abzubildenden Objektes definiert und von dem Detektorteilungswinkel bestimmt wird, bestimmt die räumliche Abtastfrequenz der CT-Einrichtung. Mit der obigen räumlichen Bandbreitenbegrenzung von 1/a muß nach dem Nyquist-Abtasttheorem die Abtastfrequenz etwa 2/a betragen, um Verfälschungseffekte (Aliasing-Effekte) in der rekonstruierten Abbildung zu vermeiden. Die Elimination von Verfälschungen erfordert daher, daß das Strahlbündel in Abständen abgetastet oder gelesen wird, die voneinander durch die Hälfte der Bündelbreite getrennt sind. Normalerweise ist die Bündelbreite so optimiert, daß sie im wesentlichen gleich dem Bündelabstand ist, und daher wird die Abtastung idealerweise nicht weniger als zweimal pro Bündelabstand durchgeführt. Dieses Abtastung wird anschließend als Doppelabtastung bezeichnet.
• Eine konzeptionell einfache Möglichkeit, eine Doppelabtastung zu erreichen, besteht darin, die Detektorelemente nach einer ersten Abtastung um die Hälfte ihres Teilungswinkels zu verschieben und eine zweite Abtastung vorzunehmen. Auf diese Weise wird jedes Strahlbündel zweimal in seiner Breite (und Abstand) abgetastet. Trotzdem machen die mit der schnellen und präzisen Verschiebung der Detektorelemente um ihren halben Teilungswinkel (typischerweise in der Größenordung von 1 mm) einhergehenden mechanischen Probleme dieses Verfahren in der Praxis nicht durchführbar. Stattdessen werden zwei andere Verfahren angewendet:
• Das erste Verfahren besteht darin, die Detektorelemente in der Ebene der Gestelldrehung um ein Viertel des Detektorteilungswinkels bezogen auf die Gestelldrehachse versetzt anzuordnen. Strahlbündel, die durch das abzubildende Objekt an Winkeln projiziert werden, die voneinander um 180º getrennt sind, werden damit voneinander um eine Hälfte des Detektorteilungswinkels und somit um die Hälfte des Bündelabstandes für einen optimierten Strahl versetzt.
• Obwohl dieses Verfahren relativ einfach ist, erfordert es einen vollen 360º-Scan und ist somit nicht bei Scanverfahren mit verringerten Winkeln anwendbar, die weniger als 360º an Scandaten benötigen. Ferner ist es für das korrekte Arbeiten dieses Verfahren erforderlich, daß sich das abzubildende Objekt während der Erfassung der Daten jedes versetzten Bündels nicht bewegt. Die Dauer der erforderlichen Zeit für eine Gestelldrehung um 180º kann in der Größenordnung einer Sekunde oder darüber liegen, und somit ist eine Bewegung des abzubildenden Objekts insbesondere bei Organen, wie z.B. dem Herz, unvermeidlich.
• Das zweite Verfahren zum Ausführen einer Doppelabtastung jedes Bündels besteht in einer Wobbelung der Röntgenquelle um einen Betrag, welcher jedes Strahlbündel um die Hälfte seines Abstandes verschiebt. Die Wobbelung erfolgt im allgemeinen innerhalb der Drehebene des Gestells und entlang der Tangente an die Gestelldrehung. Die Wobbelung der Röntgenquelle wird leicht auf elektronischeM Wege ohne mechanische Bewegung der Röntgenröhre erreicht. In einer Röntgenröhre wird ein Elektronenstrahlbündel gegen eine Anode an einem Brennpunkt hin beschleunigt, um eine von dem Brennpunkt ausgehende Röntgenstrahlung zu erzeugen. Der Brennpunkt kann auf der Oberfläche der Anode durch die Verwendung von Ablenkspulen oder -platten innerhalb der Röntgenröhre bewegt werden, welche das Elektronenstrahlbündel nach im Fachgebiet bekannter Art entweder durch die Erzeugung eines lokalen magnetischen oder elektrostastischen Feldes ablenken.
• Eine Doppelabtastung kann durchgeführt werden, indem ein erster Datensatz erfaßt wird, während sich der Röntgenbrennpunkt in einer ersten Position bei einem ersten 360º-Scan befindet, und indem ein zweiter Datensatz erfaßt wird, während sich der Röntgenbrennpunkt in einer zweiten Position bei einem zweiten 360º-Scan befindet. Bevorzugt wird jedoch zur Vermeidung von Bewegungsproblemen zwischen benachbarten Abtastpunkten das Röntgenstrahlbündel zwischen jeder Projektion von der einen Position in die andere verschoben.
• Die Rate, mit welcher der das Röntgenstrahlbündel gewobbelt werden kann, wird von der Erfassungszeit der Detektorelemente begrenzt. Diese Erfassungszeit hängt wiederum primär von zwei Faktoren ab: der Abfallzeit des Detektorsignals nach der Anregung durch ein Röntgenstrahlbündel und von dem gewünschten Signal/Rausch-Verhältnis der Projektionsdaten. Die Abfallzeit ist eine Funktion der Detektorauslegung. Das Signal/Rausch-Verhältnis ist prinzipiell eine Funktion der Detektorintegrationszeit, das heißt, wie lange dem Detektor das Sammeln von Röntgenstrahlungsenergie zugestanden wird.
• Die Erfassungszeit begrenzt die Rate, mit welcher das Röntgenstrahlbündel zwischen Brennpunkten gewobbelt werden kann, um verschobene Projektionen zu erzeugen. Demzufolge und aus Gründen, die nachstehend detaillierter erläutert werden, werden die gewobbelten Projektionen nicht nur um eine Hälfte des Strahlbündelabstandes mit der Bewegung des Brennpunktes der Röntgenröhre (wie gewünscht) verschoben, sondern auch aus dem idealen Erfassungspunkt durch eine Gestelldrehung während der Erfassungszeit gedreht. Daher besteht ein Nachteil der Wobbelung der Röntgenquelle darin, daß die Projektionsdaten nicht an den idealen Positionen für die Abbildungsrekonstruktion gesammelt werden. Eine solche Fehlausrichtung zwischen den Daten einer Projektion und ihrer gewobbelten Abbildung verschlechtert die Auflösung der rekonstruierten Abbildung an von ihrem Mittelpunkt entfernt liegenden Punkten.
• Die US-A-4,149,079 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5. Das Verfahren und die Einrichtung der vorliegenden Erfindung sind durch die Merkmale der kennzeichnenden Abschnitte der Ansprüche 1 und 5 gekennzeichnet.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für die Gewinnung tomographischer Projektionsdaten, die die räumliche Auflösung der Daten ohne die mit dem Wobbeln des Brennpunktes verbundenen vorstehenden Nachteile verbessern. Insbesondere weist eine tomographische Bildgebungseinrichtung eine Röntgenquelle und mehrere periodisch im Abstand angeordnete Röntgendetektorelemente, die auf einem Gestell angeordnet sind, das um einen Mittelpunkt drehbar ist. Die Röntgenquelle ist in Bezug auf das Gestell entweder durch Ablenkung des Brennpunktes oder durch ein anderes Verfahren im allgemeinen in der Ebene der Gestelldrehung und entlang einer Tangente an die Gestelldrehbahn bewegbar.
• Eine erste Projektion wird während einer Drehung des Gestells um einen Winkel dT gewonnen. Die Position der Röntgenquelle wird dann um einen Betrag w gewobbelt und eine zweite Projektion gewonnen. Der Winkel dT und die Strecke w sind so gewählt, daß sich die zweite Projektion mit der ersten Projektion überlagert.
• Die räumliche Auflösung einer CT-Projektion kann verbessert werden, ohne daß die geometrische Integrität beeinträchtigt wird. Durch eine geeignete Wahl des Gestelldrehwinkles dT und der Wobbeldistanz w können die gewobbelten Projektionsdaten zu den ersten Projektionsdaten so ausgerichtet werden, daß die kombinierte erste Projektion und gewobbelte Projektionen von einer Projektion nicht unterscheidbar sind, die einen verringerten Abstand zwischen Detektoren und somit eine verbesserte räumliche Auflösung aufweist.
• Die Röntgenquelle kann um einen Betrag w gewobbelt werden, der die räumliche Lage der Projektionsdaten um mehr als den Teilungswinkel der Detektoren verschiebt. Die Gestelldrehung dT ist so eingestellt, daß die Überlagerung der ersten Projektion und der gewobbelten Projektion erhalten bleibt. Diese vergrößerte Wobbelstrecke w reduziert die Gesamtanzahl der durch die Wobbelung der Röntgenquelle erzeugten Projektionen.
• Die räumliche Auflösung der Projektionsdaten kann gesteigert werden, ohne daß die Anzahl der Projektionen, die erfaßt werden müssen, und somit auch die Menge der Daten, die von der CT-Einrichtung verarbeitet werden müssen, signifikant ansteigt.
• Das Wobbeln der Röntgenquelle um einen Betrag, der die räumliche Lage der Projektionsdaten um mehr als einen Teilungswinkel der Detektoren verschiebt, vergrößert auch den Betrag der notwendigen Gestelldrehung für die Überlagerung der zwei Projektionen. Dieses erlaubt eine längere Integrationszeit der Daten für jede Projektion.
• Die zwei durch die Wobbelung der Röntgenquelle erzeugten Projektionen können verschachtelt (interlaced) sein, ohne die Erfassungszeit jeder Projektion wesentlich zu begrenzen. Eine längere Erfassungszeit erlaubt die Verwendung langsamerer Detektoren und verbessert das Signal/Rausch-Verhältnis der Projektionsdaten.
• Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung. In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Teil davon bilden und in welchen im Rahmen eines Beispiels eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer CT-Einrichtung , die für die Anwendung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
• Fig. 2 ist eine Detaildarstellung des von dem System von Fig. 1 erzeugten Röntgen-Fächerbündels, welche die relativen Winkel und die diesen zugeordneten Achsen zeigt;
• Fig. 3 ist eine graphische Darstellung eines Strahlwinkels T und Radius r der mit der CT-Einrichtung von Fig. 1 ohne Wobbeln der Röntgenquelle erfaßten Projektionsdaten;
• Fig. 4 ist eine Detaildarstellung des Fächerbündels von Fig. 2, welche die Beziehung zwischen dem Bündelabstand, dem Bündelwinkel und dem Detektorabstand zeigt;
• Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Strahlwinkels T und Radius r ähnlich der von Fig. 3, jedoch ohne Wobbeln der Röntgenquelle nach dem Stand der Technik;
• Fig. 6 ist eine graphische Darstellung ähnlich der von Fig. 5, wobei jedoch der Wobbelbetrag mit dem Winkel der Gestelldrehung koordiniert ist, um die so erzeugten zwei Projektionen zu verschachteln;
• Fig. 7 ist eine Detaildarstellung des Fächerbündels von Fig. 2, welche den Effekt des Wobbelns der Röntgenquelle auf die Geometrie der Fächerbündelstrahlen darstellt;
• Fig. 8 ist eine Detaildarstellung von Fig. 6, welche die Berechnung der Beziehung zwischen der Gestelldrehung dT und der notwendigen Röntgenquellenverschiebung zeigt, um die durch die Bewegung der Röntgenquelle erzeugten zwei Projektionssätze zu verschachteln;
• Fig. 9 ist eine graphische Darstellung ähnlich der von Fig. 6, wobei jedoch der Wobbelbetrag größer als der Detektorteilungswinkel ist, um die Anzahl der Projektionen zu verringern und die Erfassungszeit zu verlängern;
• Fig. 10 ist eine Detaildarstellung des Fächerbündels von Fig. 2, welche die Bewegung des Brennpunktes und des Detektorarrays für den Betrag der Wobbelung der vorhegenden Erfindung gemäß Darstellung in Fig. 9 zeigt; und
• Fig. 11 ist eine Detaildarstellung des Fächerbündels von Fig. 2, welche die Bewegung des Brennpunktes und des Detektorarrays für den Betrag der Wobbelung nach dem Stand der Technik gemäß Darstellung in Fig. 5 zeigt.
• Gemäß Fig. 1 enthält ein CT-Gestell 16 eines CT-Scanners der dritten Generation eine Röntgenquelle 10, die so ausgerichtet ist, daß sie ein Fächerbündel von Röntgenstrahlen 24 von einem Brennpunkt 11 durch ein abzubildendes Objekt 12 hindurch zu einem Detektorarray 18 projiziert. Das Detektorarray 18 besteht aus einer Anzahl von Detektorelementen 26, welche zusammen eine projizierte Abbildung detektieren, die sich aus dem Durchtritt von Röntgenstrahlen durch das abzubildende Objekt 12 ergibt. Das Gestell 16 dreht sich um einen innerhalb des abzubildenden Objektes 12 angeordneten Drehmittelpunkt 14.
• Das Steuerungssystem eines CT-Scanners, das für die Anwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, weist dem Gestell zugeordnete Steuermodule 28 auf, welche umfassen: eine Röntgensteuerung 30, welche Energie- und Zeittaktsignale an die Röntgenquelle 10 liefert und welche die Position des Brennpunktes 11 innerhalb der Röntgenröhre steuert, eine Ge stellmotorsteuerung 32, welche die Drehgeschwindigkeit und Position des Gestells 16 steuert, und ein Datenerfassungssystem (DES) 34, welches die Projektionsdaten von dem Detektorarray 18 empfängt und die Daten in digitale Wörter für eine spätere Computerverarbeitung umwandelt.
• Die Röntgensteuerung 30 und die Gestellmotorsteuerung 32 sind mit einem Computer 36 verbunden. Der Computer 36 ist ein Standard-Minicomputer, wie z.B der Data General Eclipse MV/7800C, und kann so programmiert werden, daß er die Gestellbewegung mit der Position des Röntgenstrahlbündels nach der vorliegenden Erfindung gemäß nachstehender detaillierter Beschreibung synchronisiert.
• Das Datenerfassungssystem 34 ist mit einer Bildrekonstruktionseinrichtung 38 verbunden, welche die abgetasteten und digitalisierten Signale von dem Detektorarray 18 über das Datenerfassungssystem 34 empfängt, um eine sehr schnelle Bildrekonstruktion nach im Fachgebiet bekannten Verfahren auszuführen. Die Bildrekonstruktionseinrichtung 38 kann ein Array-Prozssor sein, wie er von Star Technologies of Virginia hergestellt wird.
• Der Computer 36 erhält Befehle und Scan-Parameter über eine Bedienungskonsole, welche im allgemeinen ein Kathodenstrahlröhren-Bildschirm und eine Tastatur ist, welche es einer Bedienperson ermöglichen, Parameter für den Scanvorgang einzugeben und die rekonstruierte Abbildung und andere Information aus dem Computer 36 darzustellen. Ein Massenspeicher 42 stellt eine Einrichtung zum Speichern der Betriebsprogramme für die CT-Bildgebungseinrichtung sowie von Abbildungsdaten für eine spätere Verwendung durch die Bedienperson bereit.
• Gemäß Fig. 2 kann der einem einzelnen Detektorelement 26 zugeordnete Anteil des Fächerbündels 24 durch einen Strahl 20 entlang einer Linie durch den Mittelpunkt des Röntgenbrennpunktes 11 und den Mittelpunkt des einzelnen Detektorelementes 26 identifiziert werden. Der Strahl 20 wiederum wird durch eine Radiuslinie eines senkrechten Abstandes r von dem Drehmittelpunkt 14 zu dem Strahl 20 und von einem Drehwinkel T dieses Radius zu einer beliebigen Bezugsachse 22 beschrieben.
• Die r- und T-Werte für jeden Strahl 20 können einem r/T- Diagramm gemäß Darstellung in Fig. 3 mit einer horizontalen Achse T und einer vertikalen Achse r zugeordnet werden. An dem Beginn einer Datenerfassung für eine Projektion n befinden sich die Strahlen 20 der Projektion an den Positionen des r/T-Diagramms, die durch die ausgefüllten Kreise 44 dargestellt sind. Diese ausgefüllten Kreise 44 liegen entlang einer Projektionslinie 50, die den geometrischen Ort von Punkten in dem r/T-Diagramm für eine einzelne Projektion definiert. Diese Projektionslinie 50 ist von der Geometrie der CT-Einrichtung abhängig und kann durch eine gerade Linie für die Mittelpunktsstrahlen 20 des Fächerbündels 24 angenähert werden. Zur Vereinfachung sind die Startpunkte 44 von nur drei Strahlen 20 in Fig. 3 dargestellt, wobei jedoch, wie im Fachgebiet bekannt, eine Projektion normalerweise nahezu eintausend Strahlen 20 und deren entsprechenden Intensitäts-Meßdaten umfaßt.
• Wenn sich das Gestell 16 dreht, bewegen sich die Positionen der Strahlen 20 horizontal entlang dem r/T-Diagramm in dem von den ausgefüllten Kreisen 44 ausgehend. Die horizontalen Linien entsprechen der von der Drehung des Gestelles 16 bewirkten Vergrößerung von T. Die sich verändernde Intensität der Röntgentrahlung entlang den Strahlen 20 wird von den Detektorelementen 26 über den Winkel dT, dargestellt durch die Länge der horizontalen Linien in dem r/T-Diagramm und gleich der Gesamtgestelldrehung für jede Projektion, integriert. Nachdem sich das Gestell 16 um dT gedreht hat, ist die Projektion abgeschlossen, und es werden keine weiteren Daten mehr aufgenommen, bis sich das Gestell 16 zu der Startstelle der nächsten Projektion n + 1, dargestellt durch die Projektionslinie 51, gedreht hat. Die Startstellen für diese Projektion sind durch die ausgefüllten Kreise 46 dargestellt.
• Die Trennung der Strahlen 20 entlang der r-Achse in dem r/T-Raum bestimmt die räumliche Abtastfrequenz der Projektionsdaten. Wie vorstehend im Hinblick auf eine Verfälschung (Aliasing) beschrieben ist, wird diese Abtastfrequenz durch den Bündelabstand angenähert, welcher durch die Geometrie der Detektoren 18 und der Röntgenquelle 10 festgelegt ist. Gemäß Fig. 4 wird der Bündelabstand bs in der Nähe des Drehmittelpunktes 14 entlang einer Linie 48 senkrecht zu dem mittelsten Strahl 20 des Strahlbündels 24 bestimmt. Der Bündelabstand bs ist eine Funktion der Strecke Rs zwischen der Röntgenquelle 10 und dem Mittelpunkt 14, der Strecke Rd zwischen den Detektoren 18 und dem Mittelpunkt 14 und der Teilung zwischen den Detektorelementen P gemäß der nachstehenden Formel:
• bs = P Rs/Rs + Rd (1)
• Diese Größe ist unabhängig von der Bündelbreite bw, welche durch die Größe des Brennpunktes und die Apertur des Detektorelementes 26 bestimmt wird. Trotzdem wird im allgemeinen die Bündelbreite bw so optimiert, daß sie gleich dem Bündelabstand ist:
• bw bs (2)
• Die Bündelbreite bw kann von dem Bündelabstand bs ausgehend weiter durch Kollimation reduziert werden, während jedoch der Bündelabstand bs für eine einzelne Projektion durch die Teilung der Detektorelemente 26 festgelegt ist.
• Wie vorstehend erwähnt ist, kann eine zweite Projektion durch Wobbeln des Röntgenbrennpunktes 11 erzeugt werden, und der Abstand bs' zwischen den Bündeln der ersten Projektion und den Bündeln der zweiten Projektion kann beliebig in Abhängigkeit dem Betrag der Wobbelung des Brennpunktes 11 variiert werden. Dieser Bündelabstand bs' kann durch den Betrag der Wobbelung w so eingestellt werden, daß er eine s-fache räumliche Abtastrate der Bündelbreite bw liefert.
• Die Notwendigkeit der Elimination einer Verfälschung (Aliasing) gemäß vorstehender Beschreibung bedingt, daß die Abtastung mindestens das Doppelte für jede Bündelbreite oder s ≤ 1/2 beträgt. Als Folge der Periodizität der Detektorelemente 26 kann jedoch die gewünschte Abtastrate tatsächlich mit jedem ungeraden ganzzahligen Vielfachen dieser Abtastrate oder durch:
• s = (N + 1/n) (3)
• erzielt werden, wobei n = 2 für ein Doppelabtastung und N = 0, 1, 2, 3... ist.
• Wenn eine Projektion um eine Hälfte ihres Bündelabstandes gewobbelt wird, erzeugt jeder Strahl ein doppelt abgetastetes Paar mit dem entsprechenden Strahl der gewobbelten Projektion. Wenn jedoch eine Projektion um einen Betrag gewobbelt wird, der größer als eine Hälfte seines Bündelabstandes ist, z.B. um drei Hälften, dann erzeugt jedes Bündel ein doppelt abgetastetes Paar mit dem Strahl des gewobbelten Projektionssatzes, der einem Nachbarn entspricht.
• Gemäß Fig. 5 starten in einer Projektion n, die eine Brennpunktwobbelung einsetzt, die Strahlen 20 der Projektion an den Positionen, die durch ausgefüllte Kreise 44 entlang der Projektionslinie 50 dargestellt sind. Die Signale aus den Detektorelementen 26 werden integriert, wenn sich das Gestell 16 um einen Winkel dT dreht, der durch horizontale Linien dargestellt ist, die sich von den ausgefüllten Kreisen 44 aus erstrecken.
• Nach dem Abschluß dieser ersten Projektion n wird der Brennpunkt 11 in eine neue Position abgelenkt. Der Effekt der Wobbelung besteht in der schnellen Bewegung der r- und T-Lage der Strahlen 20 entlang der Wobbelbahn 52 (Wobbeltrajektorie) zu den durch die leeren Kreise 44' dargestellten Positionen entlang einer Wobbellinie 50'. Wenn sich das Gestell 16 in die Richtung wachsenden T's bewegt und die Wobbelrichtung zur Gestellrichtung entgegengesetzt ist, dann wobbelt der Strahlpunkt zu einer Position 44' mit niedrigerem T und höherem r. Der Betrag der Bewegung des Brennpunktes 11 kann so gesteuert werden, daß die durch die leeren Kreise 44' dargestellte neue Position jedes Strahls 20 in der Mitte zwischen den Lagen 44 liegt. Dieses liefert die für die Elimination der Verfälschung erforderliche doppelte Abtastung.
• Wie vorstehend erwähnt ist, muß die von der Gestelldrehung dT in Anspruch genommene Zeit vor der Wobbelung des Brennpunktes 11 größer oder gleich einem minimalen Betrag sein, der von Gesichtspunkten der Datenerfassung diktiert wird. Die erforderliche Datenerfassungszeit für die Detektoren 26 verzögert die Startpositionen 44' der gewobbelten Projektion, so daß sie nicht mit den Startpositionen 44 der anfänglichen Projektion übereinstimmen. Obwohl die in Fig. 5 dargestellte Abtastung bei einer Hälfte des Bündelabstandes bs liegt, wie sie für die Doppelabtastung erforderlich ist, sind die Startpositionen der gewobbelten Strahlen 44' um To von den ersten Strahlen 44 verschoben. Dieses ergibt sich aus dem Umstand, daß dT so gewählt ist, daß es die Gestelldrehung in die gewünschte Anzahl von Ansichten (Views) unabhängig von dem Betrag der Wobbelung unterteilt.
• Es ist möglich, die Daten aus der gewobbelten Projektion mit den Daten der vorhergehenden Projektion ohne Wobbelung abzustimmen, wenn es keine durch die Datenerfassung bei der Wobbelungsrate auferlegte Zeitbeschränkungen gibt. Gemäß Fig. 6 kann der Betrag der Gestelldrehung dT für eine erste Projektion n vor der Wobbelung in der Weise auf einen Betrag dT' begrenzt werden, daß die Projektionslinie 50 der Startpositionen 44 der ungewobbelten Projektion mit der Projektionslinie 50' der Startpositionen 44' der gewobbelten Projektionen identisch ist. Dieser Abstimmungszustand wird als "Verschachtelung" bezeichnet.
• Der für die Verschachtelung erforderliche Wert von dT' kann wie folgt ermittelt werden: Gemäß nochmaligem Bezug auf Fig. 4 ist für Strahlen 20 in der Nähe des Fächerbündelmittelpunktes die Änderung in r zwischen benachbarten Strahlen 20 in etwa der Bündelabstand bs = RsP/(Rs + Rd) gemäß der vorstehenden Gleichung (1). Die Änderung in T zwischen solchen Strahlen 20 ist etwa arctan(P/(Rd + Rs)) oder in diesem Falle, da P « (Rs + Rd), einfach P/(Rd + Rs).
• Die Steigung der Projektionslinie 50 in r/T ist daher:
• In ähnlicher Weise ändert gemäß Fig. 7 für Strahlen 20 in der Nähe des Fächerbündelmittelpunktes 24 ein Wobbeln des Brennpunktes 11 um eine Strecke gleich w (wobei w « (Rs + Rd)) das r eines Strahls 20 um einen Betrag gleich dem Wobbelabstand ws = wRd/(Rd + Rs) und um einen Winkel T gleich einem Wobbelwinkel wa = -w/(Rd + Rs). Die Steigung der Wobbelbahn (Trajektorie) 52 ist daher:
• Gemäß Fig. 8, welche einen vergrößerten Abschnitt von Fig. 6 darstellt, kann der zur Verschachtelung der Projektionslinien 50 und 50' der ungewobbelten und gewobbelten Projektionen erforderliche Gestelldrehwinkel dT' leicht aus den Steigungen der Projektionslinie 50 und der Wobbeltrajektorie 52 und der gewünschten Abtastrate berechnet werden. Mit der Kenntnis, daß sich die Wobbeltrajektorie 52 und die Projektionslinie 50 bei dem Abtastabstand sbs entlang der r-Achse von der vorhergehenden Linie ungewobbelter Projektionsdaten ausgehend aufeinandertreffen müssen, ergibt sich dann:
• oder durch Einsetzen des in Gleichung (1) gegebenen Wertes von bs:
• Der erforderliche Wobbelbetrag w des Brennpunktes 11 kann in ähnlicher Weise bestimmt werden. Anhand der in Fig. 7 dargestellten Gleichung für die Wobbelung ergibt sich:
• jedoch mit ws = sbs, um die gewünschte Abtastung zu erzeugen anhand von Gleichung (1):
• Für die in Fig. 6 dargestellte Doppelabtastung ist s = 1/2, wobei jedoch die vorstehenden Gleichungen für jede beliebige Abtastrate gelten.
• Wie erwähnt, kann die in Fig. 6 dargestellte Datenerfassungsrate zu schnell für die Abfallzeit der Detektoren 26 oder zu schnell für die Bereitstellung einer angemessenen Integrationszeit für ein akzeptables Signal/Rausch-Verhältnis in den Datenabtastwerten sein. Ferner wird die Gesamtanzahl von Projektionen durch eine solch schnelle Wobbelung merklich erhöht, was zu unnötigen Daten führt und zusätzliche Datenreduzierungsschritte erfordert.
• Daher wird in einer anderen Ausführungsform der Erfindung gemäß Darstellung in Fig. 9 der Gestelldrehwinkel dT'' im Vergleich zu der Wobbelstrecke w stark vergrößert, so daß die gewobbelten Projektionen 44 mit den ungewobbelten Projektionen bei 3bs/2 statt bei bs/2, wie in Fig. 6 dargestellt, verschachtelt werden. Die für diesen vergrößerten Wobbelbetrag erforderliche Gestelldrehung dT'' kann leicht aus dem Ausdruck der Gleichung (6) abgeleitet werden und ist gleich:
• und der sich durch Gleichung (9) ergebende Wobbelbetrag w ist:
• In der Praxis wird der Term N der Abtastrate s so gewählt, daß die gewünschte Anzahl von Projektionen erzeugt wird. Für ein gegebenes dT'' wird die Gesamtanzahl der Projektionen zu 2π/2dT''.
• Die Geometrie der Bewegung des Brennpunktes 11 in Bezug auf das Detektorarray 18 für der Zustand der Verschachtelung (Interlace) wird durch Bezugnahme auf Fig. 10 verständlich. Gemäß der vorstehenden Gleichung (7) dreht sich das Gestell 16 zuerst um einen Winkel dT' = sP/Rd, so daß sich jedes Detektorelement 26 um eine Strecke Rd(sP/Rd) = sP und der Brennpunkt 11 um eine Strecke Rs(sP/Rd) = sP/(Rs/Rd) verschiebt. Dann wird der Brennpunkt 11 um einen genauen Betrag w = sP(Rs/Rd) gemäß Gleichung (9) gleich der von der Drehung des Gestells 16 bewirkten obigen Bewegung des Brennpunkts 11 verschoben, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Demzufolge kehrt der Brennpunkt 11 zu derselben Absolutposition im Raum zurück, während die Detektorelemente 26 um sP, z.B eine Hälfte ihrer Teilung, wenn s = 1/2 ist, verschoben werden.
• Im Unterschied dazu ist die Geometrie der Bewegung des Brennpunktes 11 in Bezug auf das Detektorarray 18 für das nicht verschachtelnde Verfahren von Fig. 5 in Fig. 11 dargestellt. Hier wird keine Verschachtelung erzielt, da der Brennpunkt 11 nicht in dieselbe Absolutposition im Raum zurückkehrt und somit der geometrische Ort der von dem Brennpunkt 11 überstrichenen Punkte während der anschließenden Drehung des Gestells 16 und der Integrationsperiode, die ebenfalls in Fig. 5 dargestellt ist, sich von dem geometrischen Ort der während der vorhergehenden Periode der Gestelldrehung überstrichenen Punkt unterscheidet. Es sei angemerkt, daß bei Punkten nahe am Drehmittelpunkt 14 des Gestells 16 die Verschiebung der Strahlbündel 20 durch die Drehung des Gestells 16 und die Ablenkung des Brennpunktes 11 zum Erzeugen der verschobenen Strahlbündel 20' so ist, daß sie korrekt in den Raum zwischen die Strahlbündel 20 und 20' für Punkte nahe am Gestelldrehmittelpunkt 14 fällt. Da jedoch das verschobene und das unverschobene Strahlbündel nicht gemäß der vorliegenden Definition verschachtelt sind, geht der korrekte Abstand der Strahlbündel 20' verloren, wenn die Strahlbündel 20 und 20' auf den Mittelpunkt hin konvergieren oder davon divergieren.
• Viele Modifikationen und Varianten der bevorzugten Ausführungsform, welche trotzdem noch innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegen, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, werden dem Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein.

Claims (8)

1. Verfahren zum Gewinnen von Projektionsdaten in einem tomographischen Bildgebungssystem mit einer Röntgenquelle und einer gegenüberliegend angeordneten Anzahl von periodisch im Abstand angeordneten Röntgendetektorelementen, die auf einem Gestell angebracht sind, das in Gestellwinkeln um eine Mitte drehbar ist, wobei das System zum Gewinnen einer Reihe von Projektionen von einem abzubildenden Objekt verwendbar ist, wobei jede Projektion Projektionsdaten enthält, die entlang Strahlen mit Winkeln T und Radien r in Bezug zur Mitte gewonnen werden, wobei die Winkel T und Radien r einen geometrischen Ort von Punkten entlang einer Projektionslinie bilden und wobei die Röntgenquelle in Bezug auf das Gestell im allgemeinen in einer Ebene der Gestelldrehung entlang einer Tangente an die Gestelldrehbahn bewegbar ist,

gekennzeichnet durch die Schritte:

Gewinnen einer ersten Projektion an einem ersten Gestellwinkel, wobei die Röntgenquelle in einer ersten Position in Bezug auf das Gestell ist und die Strahlen der Projektion erste Werte von T und r entlang dem geometrischen Ort von einer ersten Projektionslinie haben,

Drehen des Gestells um einen Winkel dT während der ersten Projektion,

Wobbeln der Röntgenquelle um eine Strecke w in eine zweite Position in Bezug auf das Gestell und

Gewinnen einer zweiten Projektion an einem zweiten Gestellwinkel, wobei die Röntgenquelle in der zweiten Position in Bezug auf das Gestell ist, wobei der Winkel dT und die Strecke w so gewählt sind, daß die Strahlen der zweiten Projektion zweite Werte von T und r entlang dem geometrischen Ort der ersten Projektionslinie haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Winkel dT gleich sP/Rd und die Wobbelstrecke w gleich SP Rs/ Rd ist, wobei:

P der Abstand zwischen Detektorelementen ist,

s eine gewünschte räumliche Abtastfrequenz ist,

Rs der Abstand zwischen der Röntgenquelle und der Mitte ist und

Rd der Abstand zwischen dem Detektor und der Mitte ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei s = 1/2 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei s = 3/2 ist.

5. CT Einrichtung zum Abbilden eines Körpers, enthaltend:

ein Gestell (16), das um eine Mitte (14) drehbar ist,

eine auf dem Gestell angebrachte Röntgenquelle (10) zum Erzeugen von Röntgenstrahlung (24) von einer ersten und zweiten Stelle in Bezug auf das Gestell und im allgemeinen innerhalb der Drehebene des Gestells und entlang einer Tangente an die Gestelldrehung,

einen Detektor (18), der aus mehreren periodisch im Abstand angeordneten Detektorelementen (26) mit einem Trennabstand P gebildet ist zum Messen von Projektionsdaten aus Strahlung, die entlang Strahlen von der Röntgenquelle empfangen wird, wobei die Strahlen einen Winkel T und einen Radius r in Bezug auf die Mitte aufweisen, und

eine Röntgensteuereinrichtung (30), die bewirkt, daß sich die Strahlen von der Röntgenguelle zwischen den zwei unterschiedlichen Stellen verschieben, um erste und zweite Projektionsdaten mit ersten und zweiten Strahlen zu erzeugen,

gekennzeichnet durch eine Gestellsteuereinrichtung (32) zum Koordinieren der Verschiebung der Röntgenquelle durch die Röntgensteuereinrichtung mit der Drehung des Gestells, so daß sowohl die ersten Strahlen als auch die zweiten Strahlen Werte von r und T entlang einem geometrischen Ort von einer einzelnen Projektionslinie haben.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die Gestellsteuerung das Gestell um einen Winkel dT gleich sP/Rd zwischen der Verschiebung der Röntgenstrahlen von der ersten zu der zweiten Stelle um eine Wobbelstrecke w gleich PRs/ Rd dreht, wobei:

P der Abstand zwischen Detektorelementen ist,

s die gewünschte räumliche Abtastfrequenz ist,

Rs der Abstand zwischen der Röntgenquelle und der Mitte ist und

Rd der Abstand zwischen dem Detektor und der Mitte ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei wobei s = 1/2 ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei s = 3/2 ist.