DE19806063A1 - Verfahren zur adaptiven Reduzierung der Dosis in einem Röntgen-Computertomographie-System - Google Patents

Verfahren zur adaptiven Reduzierung der Dosis in einem Röntgen-Computertomographie-System

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der von einem eine an einer mit einer Drehgeschwindigkeit drehbaren Gantry angebrachte Röntgenstrahlenquelle, Mittel zur Modula­ tion der Röntgenleistung der Röntgenstrahlenquelle und ein Detektorsystem für die von der Röntgenstrahlenquelle ausge­ hende Röntgenstrahlung aufweisenden Röntgen-CT-System an einen Patienten abgegebenen Röntgendosis durch Modulation der Röntgenleistung.
Ein solches Röntgen-CT-System ist in der US 5 379 333 be­ schrieben.
Im allgemeinen weist ein Röntgen-Computertomographie(CT)-System eine Röntgenstrahlenquelle auf, die einen kollimier­ ten, fächerförmigen Röntgenstrahl durch den Patienten auf eine reihenförmige Bank von Detektoren für Röntgenstrahlung richtet. Die Quelle und je nach Bauart des CT-Systems auch die Detektoren sind auf einer Gantry angebracht, die um den Patienten rotiert. Der Patientenlagerungstisch kann innerhalb der Gantry verschoben bzw. bewegt werden. Der Winkel und die Position, an der der Röntgenstrahl den Körper durchdringt, werden infolge der Rotation der Gantry ständig verändert. Je­ der Detektor produziert ein Signal, das ein Maß der Ge­ samttransparenz des Körpers auf dem Weg von der Quelle zu dem Detektor darstellt. Der Satz von Ausgangssignalen der Detek­ toren, der für eine bestimmte Position der Röntgenstrahlen­ quelle gewonnen wird, wird als Projektion bezeichnet. Ein so­ genannter Scan umfaßt einen Satz von Projektionen, die an verschiedenen Gantry- oder Tischpositionen gewonnen wurden. Das CT-System nimmt während einer Rotation der Gantry um 360° um den Patienten eine Vielzahl von Projektionen auf, um ein zweidimensionales Schnittbild durch den Körper, auch Schicht genannt, aufbauen zu können. Einige der neueren CT-Systeme bauen viele Schichten gleichzeitig auf, indem sie mehrere Reihen von Detektoren verwenden. Für jede Projektion mißt ein Monitor- oder Referenz-Detektor die ungeschwächte Intensität des Röntgenstrahls.
Es gibt zwei systematisch verschiedene Methoden, um die zur Erzeugung von CT-Bildern erforderlichen Daten von einem Pati­ enten aufzunehmen.
Bei der herkömmlichen "Schicht für Schicht"-Abtastung werden die Daten für eine vollständige Umdrehung der Gantry und da­ mit eine Schicht aufgenommen, während sich der Patient in einer festen Position befindet. Zwischen der Aufnahme aufein­ anderfolgender Schichten wird der Patient jeweils in eine neue Position bewegt, in der die nächste Schicht abgetastet werden kann. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis alle vor der Untersuchung festgelegten Schichten abgetastet wurden.
Bei der Spiralabtastung rotiert die Gantry mit der Röntgen­ strahlenquelle um den Patienten, während die Patientenliege kontinuierlich durch die Gantry transportiert wird. Die Rönt­ genröhre beschreibt so bezogen auf den Patienten eine Spiral­ bahn, bis das vor der Untersuchung festgelegte Volumen abge­ tastet wurde.
Bei jeder der beiden Abtastarten wird die Bildqualität durch das Quantenrauschen beeinträchtigt. Um das Rauschen unter einem gewissen Pegel zu halten, muß der momentane Pegel der Röntgenleistung für jede Projektion hoch genug sein, um zu gewährleisten, daß die minimale Intensität der aus dem Körper austretenden und zu einem Detektor gelangenden Strahlung hö­ her als der Rauschpegel ist. Die meisten der bisher verwende­ ten Verfahren zur Modulation der Röntgenleistung im Sinne eines Röntgenleistungsprofils, d. h. des Verlaufs der Röntgen­ leistung als Funktion der Winkelstellung der Gantry, während der CT-Abtastung deshalb benötigen zwei orthogonale Topo­ gramme (US 4 174 481) oder "Scout Views" (US 5 379 333), um gewisse Informationen bezüglich des Schwächungsprofils des Patienten, d. h. des Verlaufs des maximalen Schwächungswertes als Funktion der Winkelstellung der Gantry, zu gewinnen. Aus der Schwächungsinformation jeder Linie der Topogramme wird für jede Schicht ein sinusförmiges Röntgenleistungsprofil be­ stimmt. Diese Verfahren haben jedoch viele Nachteile:
  • - Es tritt zusätzliches Bildrauschen durch eine ungenügende Anpassung des Röntgenleistungsprofils an das tatsächliche Schwächungsprofil auf. Aufgrund der beiden orthogonalen Topogramme lassen sich nicht notwendigerweise der maximale und minimale Schwächungswert der jeweiligen Schicht fin­ den.
  • - Es tritt inhomogenes Bildrauschen aufgrund des Umstandes auf, daß das Röntgenleistungsprofil dem tatsächlichen Schwächungsprofil nicht entspricht.
  • - Bewegungen des Patienten oder atmungsbedingte Bewegungen, die zwischen der Aufnahme der Topogramme und der tatsäch­ lichen CT-Abtastung auftreten, verändern das Schwächungs­ profil und führen zu zusätzlichen Fehlern.
  • - Es muß zusätzliche Röntgendosis appliziert werden, um die Topogramme zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Dosismodula­ tion, d. h. durch Modulation der Röntgenleistung, die einem Patienten bei einer Untersuchung zugeführte Gesamtdosis zu reduzieren, ohne daß das Rauschen in dem abschließend erzeug­ ten Bild nennenswert zunimmt, und die wahrgenommene des Bild­ qualität zu verbessern, indem durch Rauschen bedingte Linien in bestimmten anatomischen Bereichen wie Schulter und Becken reduziert werden.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen CT-Bildgebungstechnik wird die Röntgenleistung auf Grundlage eines adaptiven Prozesses kon­ tinuierlich moduliert. Infolge dieses Modulationsverfahrens wird die einem Patienten während der Erzeugung eines Bildes zugeführte Dosis reduziert und die Bildqualität verbessert, und zwar dadurch, daß die momentane Röntgenleistung und damit die momentan zugeführte Dosis fortlaufend dem momentan vor­ handenen Schwächungswert angepaßt wird. Der maximale Schwä­ chungswert jeder Projektion wird berechnet und gespeichert. Der maximale Schwächungswert je Projektion als Funktion der Winkelstellung der Gantry wird als Winkelschwächungsprofil bezeichnet. Die notwendige Röntgenleistung für die jeweils nächste halbe Umdrehung der Gantry wird unter Benutzung eines extrapolierten Winkelschwächungsprofils berechnet. Das ent­ sprechende Extrapolationsverfahren verwendet den Schwächungs­ wert der vorhergehenden halben Umdrehung der Gantry und even­ tuell vorhandene Informationen über die dynamische Leistung der Röntgenröhre, um den Verlauf der Röntgenleistung als Funktion der Winkelstellung der Gantry, dem Winkelschwä­ chungsprofil des Patienten anzupassen.
Das Extrapolationsverfahren beruht dabei einfach auf der An­ nahme, daß das Winkelschwächungsprofil für die nächste halbe Umdrehung der Gantry wenigstens annähernd dem Winkelschwä­ chungsprofil für die letzte halbe Umdrehung der Gantry ent­ spricht. Dies bedeutet, daß der Modulationsprozeß erst nach einer halben Umdrehung der Abtastung beginnt, wobei es sich bei der Abtastung um eine Spiral- oder um eine Schicht für Schicht-Abtastung handeln kann.
Eine im folgenden erläuterte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Art, wie die Schwächungswerte während der Ab­ tastung bei stattfindender Dosismodulation berechnet werden.
Bei der Bildrekonstruktion werden Schwächungswerte Aobj des Patienten, d. h. des Objektes, verwendet, die abgeleitet sind nach:
wobei Udetector das von dem jeweiligen Detektor gelieferte Aus­ gangssignal und Umonitor Ausgangssignale des Monitor-Detektors bezeichnet. Der zusätzliche Index air beschreibt das Ausgangs­ signal einer Messung, bei der sich zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor kein schwächendes Objekt, sondern nur Luft befand. Der Index obj bezeichnet die laufende Messung, bei der sich ein Patient zur Untersuchung zwischen Röntgenröhre und Detektoren befindet.
Im Gegensatz zur Bildrekonstruktion wird für die Dosismodula­ tion ein globaler Schwächungswert Ag definiert:
Diese Definition erlaubt eine schnellere Berechnung des Schwächungswertes während des Abtastvorganges. Außerdem ist das Auftreten von inhomogenem Rauschen und Rauschen, bei dem es sich nicht um Quantenrauschen handelt, vermieden, wie es als Auswirkung der Verwendung von scharfen Filtern auftreten kann, wenn mit geringer Röntgenleistung gearbeitet wird, um Schichten geringer Schwächungswerte abzutasten.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft die bei der Dosismodulation verwendete Strategie. Der die Mo­ dulationstiefe kennzeichnende Modulationsindex ist begrenzt und hängt von der Drehgeschwindigkeit der Gantry ab. Das Win­ kelschwächungsprofil wird gedehnt bzw. gestaucht, um es dem zulässigen Modulationsbereich der Röntgenleistung anzupassen.
Bei der Dosismodulation wird die Steuerung für die Glühdraht­ temperatur der Röntgenröhre verwendet, um den Anodenstrom und damit die Röntgenleistung zu steuern. Es ist eine Lehre der vorliegenden Erfindung, daß der Modulationsindex durch die Abkühlzeit des Glühdrahtes begrenzt ist. Das Abkühlverhalten ruft einen exponentiellen Abfall des Röhrenstromes und damit der abgestrahlten Dosis aus. Die maßgebliche Zeitkonstante hängt nicht von dem Nennwert der Dosis (maximal möglicher Röhrenstrom während der Abtastung) ab. Der exponentielle Ab­ fall der fallenden Flanke der Dosis begrenzt den Modulati­ onsindex bei höheren Umlaufgeschwindigkeiten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Figuren dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein CT-System, wie es verwendet wird, um Quer­ schnittsbilder von einem Patienten zu erzeugen,
Fig. 2 ein typisches Signal, wie es an der Detektorbank des CT-Systems für eine Projektion gemessen wird,
Fig. 3 die zu der Projektion gemäß Fig. 2 gehörigen Schwä­ chungswerte,
Fig. 4 das typische Winkelschwächungsprofil für einen voll­ ständigen Umlauf um den Patienten im Bereich der Schulter,
Fig. 5 den Computertomographen gemäß Fig. 1 in teilweise blockschaltbildartiger Darstellung, und
Fig. 6 eine graphische Veranschaulichung des Extrapolations­ verfahrens.
Das in Fig. 1 dargestellte CT-System der dritten Generation weist eine Röntgenstrahlenquelle 1 auf, die einen kollimier­ ten, fächerförmigen Röntgenstrahl 14 in Richtung auf eine Bank 12 von Detektoren abstrahlt. Die Röntgenstrahlenquelle 11 und die Detektorbank 12 sind auf einer drehbaren Gantry 13 angeordnet, die kontinuierlich um den Patienten 10 rotieren kann.
Der Röntgenstrahl 14 durchdringt eine Schicht des Patienten 10 und die resultierenden Ausgangssignale an den einzelnen Detektoren 1 bis m der Detektorbank 12 werden von den Kanälen eines in Fig. 1 nicht dargestellten Datenerfassungs- und Meß­ systems erfaßt, um eine Projektion aufzubauen.
Die Fig. 2 zeigt das typische Signalprofil für eine Projek­ tion, wobei Fig. 2 die Amplitude U obj|detector des Ausgangssignals für die einzelnen Detektoren 1 bis m und Fig. 3 die zugehö­ rigen Schwächungswerte Ag in Abhängigkeit vom Detektor 1 bis m zeigt.
Für jede Projektion liefert derjenige Detektor der Detektor­ bank 22, der den niedrigsten Strahlungspegel empfängt, das Ausgangssignal mit der minimalen Amplitude U obj|detector und damit den maximalen Schwächungswert Ag für diese Projektion. Das Ausgangssignal dieses Detektors ist dasjenige, das sowohl für Quantenrauschen als auch für elektronisches Rauschen am emp­ findlichsten ist. Um das Rauschen unter einem gewissen Pegel zu halten, muß die Röntgenleistung für jede Projektion gerade so hoch gewählt werden, daß der geringste Strahlungspegel, der einen Detektor erreicht, größer als ein bestimmter vorge­ gebener Pegel ist. Diese Röntgenleistung wird als notwendige Röntgenleistung bezeichnet.
Für jede Projektion mißt ein in den Figuren nicht dargestell­ ter, zusätzlicher Monitor-Detektor in an sich bekannter Weise die ungeschwächte Röntgenstrahlenintensität in einem Bereich des Röntgenstrahls 14, der den Patienten 10 nicht durchdrun­ gen hat. Die Amplitude U obj|monitor des Ausgangssignals des Monitor-Detektors wird im Falle der Erfindung verwendet, um für jeden anderen Detektor der Detektorbank 12, wie beschrieben, die globalen Schwächungswerte Ag zu errechnen. Die maximalen Schwächungswerte der einzelnen Projektionen als Funktion der Winkelstellung ϕ der Gantry 13 ergeben das sogenannte Winkel­ schwächungsprofil. Fig. 4 zeigt ein typisches Winkelschwä­ chungsprofil für den Schulterbereich eines Patienten.
Gemäß Fig. 5 handelt es sich bei der erfindungsgemäßen adap­ tiven Leistungssteuerung für die Röntgenstrahlenquelle 11 um ein rückgekoppeltes System, das einen beispielsweise in Hard­ ware realisierten Kleinstwertdetektor 31, einen Dosismodula­ tor 27 und einen Dosissteiler 26 aufweist. Die Rückkopplungs­ schleife ist durch die Röntgenstrahlenquelle 25 mit dem Hoch­ spannungsgenerator 32, den Patienten 20, die Detektorbank 22, das Datenerfassungs- und Meßsystem 28 und eine Hochgeschwin­ digkeits-Datenverbindung 30 geschlossen.
Für jede aufgenommene Projektion analysiert der Kleinstwert­ detektor 31 die Ausgangssignale der Detektoren der Detektor­ bank 22 und ermittelt das minimale Ausgangssignal der jewei­ ligen Projektion auf folgende Weise:
Zuerst nimmt ein Vorprozessor-Modul eine Offset-Korrektur so­ wohl für die Ausgangssignale des Monitor-Detektors als auch die übrigen Detektoren der Detektorbank 22 vor. Dann ermit­ telt ein digitales Tiefpaßfilter den gleitenden Mittelwert über die Ausgangssignale der Detektoren für die jeweilige Projektion. Die Periodendauer des gleitenden Mittelwertes hängt von der Anzahl der Detektoren der Detektorbank 22 ab.
Im Falle eines CT-Systems mit einer Detektorbank mit mehreren Reihen von Detektoren erfolgt dieser Prozeß zweidimensional.
Anschließend verwendet der Dosismodulator 27 das Ausgangs­ signal des Monitor-Detektors und das minimale Ausgangssignal nach der Mittelwertbildung Uproj_min um für die momentane Pro­ jektion den maximalen Schwächungswert Aproj_max zu berechnen:
Die maximalen Schwächungswerte Aproj_max für eine halbe Umdre­ hung der Gantry 23, d. h. die maximalen Schwächungswerte Aproj_max der während einer halben Umdrehung der Gantry 23 auf­ genommenen Projektionen, werden für den Extrapolationsprozeß gespeichert.
Wie Fig. 6 in Verbindung mit Fig. 4 zeigt, nutzt diese Extra­ polationsmethode die Periodizität des Winkelschwächungspro­ fils innerhalb einer vollständigen Rotation der Gantry 23 aus, um die Schwächungswerte für die jeweils nächste halbe Umdrehung der Gantry auf Grundlage des für die zurückliegende halbe Umdrehung durch Messung bestimmten Winkelschwächungs­ profils durch Extrapolation zu bestimmen, wobei allerdings während der ersten halben Umdrehung einer Untersuchung die Basis für eine Extrapolation fehlt. Dies ist der Grund, wes­ halb die Röntgenstrahlenquelle in der in Fig. 6 veranschau­ lichten Weise mit dem Nennwert der Röntgenleistung, also mit Nenndosis, betrieben wird. Im Anschluß an die erste halbe Um­ drehung wird die Dosismodulation auf Grundlage des jeweils extrapolierten Winkelschwächungsprofils aktiv.
Um Extrapolationsfehler zu vermindern, bildet der Dosismodu­ lator 27 jeweils am Ende einer halben Umdrehung den gleiten­ den Mittelwert über das gemessene Winkelschwächungsprofil. Die Periodendauer des gleitenden Mittelwertes hängt von dem Typ des jeweiligen CT-Systems (Zeittriggerung oder Projekti­ onswinkeltriggerung) und der Umlaufzeit ab.
Der Modulationsindex, d. h. die Modulationstiefe µ, für die nächste halbe Umdrehung der Gantry 23 ist gegeben durch
wobei gilt:
  • - Amax = max{ A(ϕ) } für ϕ ∈ der vorhergehenden halben Umdrehung der Gantry 23
  • - Amin = min{ A(ϕ) } für ϕ ∈ der vorhergehenden halben Umdrehung der Gantry 23
  • - ϕ = Winkelstellung der Gantry 23
  • - q = vom Benutzer einstellbarer Optimierungsparameter.
Die Modulationstiefe µ ist jedoch als Funktion der Drehge­ schwindigkeit bzw. der Umlaufzeit der Gantry 23 begrenzt:
if(µ < µmax) then µ = µmax
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der Höchstwert der Modulationstiefe µmax nach folgender Tabelle in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit bzw. der Umlaufzeit der Gantry 23 gewählt:
Umlaufzeit [s]
µmax
2.0 0.9
1.5 0.8
1.0 0.7
0.75 0.6
Unter Verwendung der extrapolierten Winkelschwächungswerte ermittelt der Dosismodulator 27 die notwendige Röntgenlei­ stung für die nächste halbe Umdrehung, indem er das Winkel­ schwächungsprofil der zulässigen Modulationstiefe wie folgt anpaßt:
wobei gilt:
  • - Dnominal = Nennwert der Röntgenleistung (ohne Dosismodulation)
  • - A(ϕ) = gemitteltes der vorhergehenden halben Umdrehung der Gantry 23.
Für den Optimierungsparameter q gilt q = [0.5 bis 1]. Über diesen Optimierungsparameter wird die Wirksamkeit der Dosis­ modulation wie folgt eingestellt:
q = 1 minimale Röntgenleistung, d. h. maximale Dosiser­ sparnis,
q = 0,5 minimales Rauschen für eine gegebene Röntgenlei­ stung.
Die notwendige Röntgenleistung wird dadurch eingestellt, daß der Dosissteller 26 den Strom des Glühdrahtes 21 der Röntgen­ strahlenquelle 25 entsprechend steuert.
Am Beginn einer Abtastung oder wann immer notwendig, gibt der Bildrechner 29 ein Synchronisationssignal ab, das den Dosis­ modulator 27 veranlaßt, den Extrapolationsprozeß erneut zu beginnen. Die nachfolgende Anlaufperiode der Dosismodulation dauert eine halbe Umdrehung. Während dieser Anlaufperiode verwendet der Dosissteller 26 die Nenndosis.
Anders als zuvor beschrieben besteht auch die Möglichkeit die maximalen Schwächungswerte nicht für jede Projektion sonder nur für jede n-te Projektion, beispielsweise jede dritte Pro­ jektion, zu ermitteln und ein entsprechendes Winkelschwä­ chungsprofil für die letzte halbe Umdrehung zu speichern. Ein solches Vorgehen eignet sich besonders dann, wenn für einen zu untersuchenden Bereich von Projektion zu Projektion nur wenig schwankende maximale Schwächungswerte zu erwarten sind.
Im Rahmen der Erfindung können auch andere als die beschrie­ bene Extrapolationsmethoden verwendet werden. Beispielsweise kann das Winkelschwächungsprofil für eine vollständige Umdre­ hung für die jeweils nächste Umdrehung extrapoliert werden.
Die Erfindung ist vorstehend am Beispiel eines CT-Systems der dritten Generation beschrieben. Sie kann aber auch in CT-Systemen der vierten Generation Verwendung finden.
Obwohl die Erfindung am Beispiel einer medizinischen Anwen­ dung beschrieben ist, kann sie auch im nichtmedizinischen Be­ reich Anwendung finden.

Claims (8)

1. Verfahren zur adaptiven Reduzierung der von einem eine an einer mit einer Drehgeschwindigkeit drehbaren Gantry (23) an­ gebrachte Röntgenstrahlenquelle (25), Mittel (26, 27) zur Mo­ dulation der Röntgenleistung der Röntgenstrahlenquelle (25) und ein Detektorsystem (22) für die von der Röntgenstrahlen­ quelle (25) ausgehende Röntgenstrahlung aufweisenden Röntgen-CT-System an einen Patienten abgegebenen Röntgen-Dosis mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Berechnung des maximalen Schwächungswertes für jede Pro­ jektion oder jede n-te Projektion und Speichern eines ent­ sprechenden Winkelschwächungsprofils für die letzte halbe Umdrehung der Gantry (23);
  • - Extrapolieren des Winkelschwächungsprofils für die nächste halbe Umdrehung der Gantry (23) auf der Basis des gemesse­ nen Winkelschwächungsprofils der letzten halben Umdrehung der Gantry (23); und
  • - Modulation der Röntgenleistung derart, daß die Röntgenlei­ stung für die nächste Projektion auf Basis des zugehörigen Schwächungswertes des extrapolierten Winkelschwächungspro­ fils eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Röntgenleistung derart eingestellt wird, daß für jede Projektion die zur Ein­ haltung eines vorgebbaren gewünschten Signal/Rausch-Abstandes erforderliche Röntgenleistung eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 für ein CT-System mit einem Monitor-Detektor, auf den die von der Röntgenstrahlen­ quelle (25) ausgehende Röntgenstrahlung ungeschwächt auf­ trifft, wobei die Schwächungswerte unter Verwendung der Aus­ gangssignale des Detektorsystems (22) und des Monitor-Detek­ tors ermittelt werden.
4. Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das ge­ messene Winkelschwächungsprofil gespeichert und nach jeder halben Umdrehung aktualisiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem Extrapolationsfehler durch Tiefpaßfilterung des gemessenen Winkelschwächungsprofils vermieden werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Modulation der Röntgenleistung durch einen Optimierungs­ parameter gesteuert wird, der eine Optimierung zwischen mini­ maler Röntgenleistung und minimalem Rauschen erlaubt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Modulation der Röntgenleistung mit einem Modulationsindex durchgeführt wird, der in Abhängigkeit von der Drehgeschwin­ digkeit der Gantry (23) begrenzt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Winkelschwächungs­ profil zur Anpassung an den jeweiligen Modulationsindex hin­ sichtlich der Amplitude der Schwächungswerte gestaucht oder gestreckt wird.
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