DE10036142B4

DE10036142B4 - Röntgen-Computertomographieeinrichtung

Info

Publication number: DE10036142B4
Application number: DE10036142A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. Dr. Stierstorfer; Mario Reinwand
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: DE10036142A1; US6430252B2; CN1334064A; CN1198538C; JP2002095657A; US20020015476A1

Abstract

Röntgen-Computertomographieeinrichtung, umfassend
– eine Strahler-Detektor-Anordnung (10, 12), welche für jede Röntgenprojektion einer Körperschicht eines zu untersuchenden Patienten einen Satz von Intensitätsmeßwerten liefert, wobei jeder Intensitätsmeßwert des Satzes repräsentativ für die Intensität der Röntgenstrahlung nach Durchdringen der Körperschicht in einem Teilbereich der Röntgenprojektion ist, und
– eine mit der Strahler-Detektor-Anordnung (10, 12) verbundene elektronische Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16), welche dazu ausgelegt ist:
a) zu jedem der Intensitätsmeßwerte einen Gesamtschwächungswert zu ermitteln, der für die in der Körperschicht im betreffenden Teilbereich der Röntgenprojektion tatsächlich hervorgerufene Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung repräsentativ ist,
b) ausgehend von den Gesamtschwächungswerten ein Gesamtbild der Körperschicht zu rekonstruieren,
c) aus diesem Gesamtbild ein erstes Teilbild von im wesentlichen dem Vorkommen einer ersten Substanz in der Körperschicht zu extrahieren,
d) aus diesem ersten Teilbild zu jedem Teilbereich der Röntgenprojektion einen ersten Teilschwächungswert zu ermitteln, der ein Maß für die in der ersten Substanz der...

Description

Die Erfindung befasst sich mit der Strahlaufhärtungskorrektur in einer Röntgen-Computertomographieeinrichtung.

Verschiedene Strahler-Detektor-Anordnungen für derartige Röntgen-Computertomographieeinrichtungen sind dargelegt zum Beispiel in "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", von H. Morneburg, Publicis MCD Verlag, Erlangen, ISBN 89578-002-02, 3. Auflage, 1995, insbesondere auf den Seiten 109 bis 119.

In der Röntgen-Computertomographie tritt infolge des polychromatischen Spektrums der von einer Röntgenquelle ausgesendeten Strahlung und der energieabhängigen Absorption der Röntgenstrahlung im Körper des zu untersuchenden Patienten eine Verschiebung der mittleren Energie der Röntgenstrahlung hin zu höheren Werten auf. Dieser Effekt wird Strahlaufhärtung genannt. Er ist um so stärker, je länger die durchstrahlte Strecke im Körper ist. Im rekonstruierten Bild der durchstrahlten Körperschicht führt dieser Strahlaufhärtungseffekt zu unerwünschten Bildartefakten, die die genaue medizinische Interpretation des Bilds beeinträchtigen.

Zur Korrektur solcher strahlaufhärtungsbedingter Bildartefakte sind Standardalgorithmen (etwa die sogenannte Polynomkorrektur) bekannt, die solange zufriedenstellende Ergebnisse produzieren, wie sich das spektrale Absorptions- bzw. Schwächungsverhalten der durchstrahlten Körpersubstanzen nicht wesentlich vom spektralen Schwächungsverhalten einer Referenzsubstanz unterscheidet, für die der Korrekturalgorithmus entwickelt wurde. Im Regelfall wird Wasser als Referenzsubstanz verwendet, da Wasser ein vergleichbares spektrales Schwächungsverhalten wie Weichteilgewebe im menschlichen Körper zeigt und der menschliche Körper zu einem großen Teil aus Weichteilgewebe besteht. In Körperregionen, wo im wesentlichen ausschließlich Weichteilgewebe anzutreffen ist, lassen sich Strahlaufhärtungsfehler dann weitestgehend beseitigen. Durchläuft die Röntgenstrahlung jedoch auch Knochengewebe, ist dies nicht mehr so, da Knochengewebe ein von Wasser erheblich abweichendes spektrales Schwächungsverhalten zeigt. Gleiches gilt beispielsweise auch für kontrastmittelgefüllte Gefäße. Da für die im Rahmen der Untersuchung eines Patienten gewonnen Messwerte zunächst nicht bekannt ist, in welchem Maße Weichteilgewebe und Knochengewebe für die Strahlschwächung verantwortlich waren, ist eine zufriedenstellende Strahlaufhärtungskorrektur allein aus Kenntnis der Messwerte heraus nicht möglich.

Es wurden daher sogenannte retrospektive Korrekturverfahren entwickelt, bei denen aus den gemessenen Gesamtschwächungswerten zunächst ein Gesamtbild der durchstrahlten Körperschicht rekonstruiert wird und dieses Gesamtbild daraufhin analysiert und in Teilbilder zerlegt wird. Jedes der Teilbilder zeigt nur einen Teil der verschiedenen Körpersubstanzen. Im Regelfall wird ein Knochenbild und ein Weichteilbild erzeugt. Aus den einzelnen Teilbildern werden dann durch Reprojektion Teilschwächungswerte berechnet, die die Strahlschwächung durch den betreffenden Teil der Körpersubstanzen, also beispielsweise Knochengewebe oder Weichteilgewebe, angeben. Diese Vorgehensweise ist allgemein als Segmentierung bekannt. Eine Übersicht über die gängigen Verfahren gibt beispielsweise Udo Jendrysiak in "Segmentierung von Schnittbildern", Spektrum der Wissenschaft Juni 1997, Seite 107 ff, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH.

Für die Teilschwächungswerte jedes Teilbilds werden daraufhin Korrekturwerte ermittelt, die zu den ursprünglich gemessenen Gesamtschwächungswerten addiert werden. Die Korrekturwerte werden beispielsweise Korrekturkennlinien entnommen, die im voraus für die jeweiligen Körpersubstanzen anhand schwächungsmäßig vergleichbarer Referenzmaterialien gesondert ermittelt wurden. Aus den so korrigierten Gesamtschwächungswerten wird ein zweites Mal ein – nun strahlaufhärtungskorrigiertes – Gesamtbild der durchstrahlten Körperschicht rekonstruiert.

Nähere Informationen zu retrospektiven Korrekturverfahren finden sich beispielsweise in „A Comparative Study of Two Postreconstruction Beam Hardening Correction Methods„ von G. T. Herman, S. S. Trivedi, IEEE Transactions on Medical Imaging, MI-2, 1983, S. 128 ff., und in „A Method for Correcting Bone Induced Artifacts in Computer Tomography Scanners„ von P. M. Joseph, R. D. Spital, Journal of Computer Assisted Tomography, Nr. 2, 1978, S. 100 ff.

In der Druckschrift US 5 953 444 ist beispielsweise ein Verfahren offenbart zur Korrektur von Computertomographie (CT) – Bildern mit folgenden Merkmalen:

i) Kalibrieren des Spektrums zum Erhalt der funktionellen Abhängigkeit des Gesamtschwächungswertes von der Dicke einer durchstrahlten Substanz entlang einer Projektionslinie,
ii) Rekonstruieren eines CT-Bildes,
iii) Extrahieren eines ersten Teilbildes einer ersten Substanz,
iv) Ermitteln der Dicke der ersten Substanz entlang den Projektionslinien aus dem ersten Teilbild,
v) Extrahieren eines zweiten Teilbildes einer zweiten Substanz,
vi) Ermitteln der Dicke der zweiten Substanz entlang den Projektionslinien aus dem zweiten Teilbild,
vii) Anwenden eines Korrekturalgorithmus,
viii) Reprojektion durch additive Korrektur des CT-Bildes mit einem Korrekturfaktor oder alternativ mit einem Zwischenbild, und
ix) Präsentation des korrigierten Bildes.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass die bekannten retrospektiven Korrekturverfahren strahlaufhärtungsbedingte Bildartefakte zwar deutlich im Vergleich zu herkömmlichen Standardalgorithmen reduzieren können. Es werden jedoch weiterhin Bildartefakte beobachtet, deren Beseitigung oder zumindest Reduzierung wünschenswert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Computertomographieeinrichtung mit verbesserter Strahlaufhärtungskorrektur bereitzustellen.

Bei einer ersten Lösungsvariante geht die Erfindung aus von einer Röntgen-Computertomographieeinrichtung, umfassend

– eine Strahler-Detektor-Anordnung, welche für jede Röntgen-Projektion einer Körperschicht eines zu untersuchenden Patienten einen Satz von Intensitätsmesswerten liefert, deren jeder für die Intensität der durch die Körperschicht hindurchtretenden Röntgenstrahlung in je einem Projektionsteilbereich des gesamten Projektionsbereichs repräsentativ ist, und
– eine mit der Strahler-Detektor-Anordnung verbundene elektronische Auswerte- und Rekonstruktionseinheit, welche dazu ausgelegt ist:
a) für jeden Intensitätsmesswert einen Gesamtschwächungswert zu ermitteln, der für die in der Körperschicht im betreffenden Projektionsteilbereich hervorgerufene tatsächliche Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung repräsentativ ist,
b) ausgehend von den Gesamtschwächungswerten ein Gesamtbild der Körperschicht zu rekonstruieren,
c) aus diesem Gesamtbild ein erstes Teilbild zu extrahieren, in welchem im wesentlichen nur solche Bildteile des Gesamtbilds enthalten sind, die einem ersten Teil der verschiedenen in der Körperschicht vorkommenden Substanzen entsprechen,
d) anhand dieses ersten Teilbilds in Zuordnung zu jedem Gesamtschwächungswert je einen ersten Teilschwächungswert zu ermitteln, welcher ein Maß für die Schwächung ist, die die Röntgenstrahlung im jeweiligen Projektionsteilbereich durch den ersten Teil der Substanzen erfährt,
e) aus dem Gesamtbild der Körperschicht ein zweites Teilbild zu extrahieren, in welchem im wesentlichen nur solche Bildteile des Gesamtbilds enthalten sind, die einem vom ersten Teil verschiedenen zweiten Teil der Substanzen in der Körperschicht entsprechen,
f) anhand dieses zweiten Teilbilds in Zuordnung zu jedem Gesamtschwächungswert je einen zweiten Teilschwächungswert zu ermitteln, welcher ein Maß für die Schwächung ist, die die Röntgenstrahlung im jeweiligen Projektionsteilbereich durch den zweiten Teil der Substanzen erfährt,
g) anhand von vorab ermittelten und in der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit gespeicherten Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen für jeden Gesamtschwächungswert einen Korrekturwert in Abhängigkeit von den jeweiligen beiden Teilschwächungswerten zu ermitteln und
h) für jeden Gesamtschwächungswert einen strahlaufhärtungskorrigierten Gesamtschwächungswert nach der folgenden Gleichung zu ermitteln: gcorr = g + k(t1, t2) (1),wobei g den Gesamtschwächungswert bezeichnet, g_corr den strahlaufhärtungskorrigierten Gesamtschwächungswert bezeichnet, t₁ den ersten Teilschwächungswert bezeichnet, t₂ den zweiten Teilschwächungswert bezeichnet und k(t₁, t₂) den von t₁ und t₂ abhängigen Korrekturwert bezeichnet.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass zur Ermittlung der Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen für eine Material kombination eines ersten Referenzmaterials und eines hiervon verschiedenen zweiten Referenzmaterials ein Satz von Referenz-Gesamtschwächungswerten g_ref(s₁, s₂) ermittelt wird, die für die durch diese Materialkombination hervorgerufene tatsächliche Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung bei verschiedenen Dicken des ersten und des zweiten Referenzmaterials repräsentativ sind, wobei s₁ einen ersten Einzelschwächungswert bezeichnet, der für die theoretische lineare Schwächung der Röntgenstrahlung durch das erste Referenzmaterial bei der jeweiligen Dicke des ersten Referenzmaterials repräsentativ ist, und s₂ einen zweiten Einzelschwächungswert bezeichnet, der für die theoretische lineare Schwächung der Röntgenstrahlung durch das zweite Referenzmaterial bei der jeweiligen Dicke des zweiten Referenzmaterials repräsentativ ist, und dass die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit dazu ausgelegt ist, für den Korrekturwert einen solchen Wert zu verwenden, dass folgende Gleichung gilt: k(t1, t2) = t1 + t2 – gref(s1, = t1, s2 = t2) (2)

Bei einer alternativen zweiten Lösungsvariante geht die Erfindung aus von einer Röntgen-Computertomographieeinrichtung, umfassend

– eine Strahler-Detektor-Anordnung, welche für jede Röntgen-Projektion einer Körperschicht eines zu untersuchenden Patienten einen Satz von Intensitätsmeßwerten liefert, deren jeder für die Intensität der durch die Körperschicht hindurchtretenden Röntgenstrahlung in je einem Projektionsteilbereich des gesamten Projektionsbereichs repräsentativ ist, und
– eine mit der Strahler-Detektor-Anordnung verbundene elektronische Auswerte- und Rekonstruktionseinheit, welche dazu ausgelegt ist:
a) für jeden Intensitätsmesswert einen Gesamtschwächungswert zu ermitteln, der für die in der Körperschicht im betreffenden Projektionsteilbereich hervorgerufene tatsächliche Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung repräsentativ ist,
b) ausgehend von den Gesamtschwächungswerten ein Gesamtbild der Körperschicht zu rekonstruieren,
c) aus diesem Gesamtbild ein Teilbild zu extrahieren, in welchem im wesentlichen nur solche Bildteile des Gesamtbilds enthalten sind, die einem ausgewählten Teil der verschiedenen in der Körperschicht vorkommenden Substanzen entsprechen,
d) anhand dieses Teilbilds in Zuordnung zu jedem Gesamtschwächungswert je einen Teilschwächungswert zu ermitteln, welcher ein Maß für die Schwächung ist, die die Röntgenstrahlung im jeweiligen Projektionsteilbereich durch den ausgewählten Teil der Substanzen erfährt,
e) anhand von vorab ermittelten und in der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit gespeicherten Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen für jeden Gesamtschwächungswert einen Korrekturwert in Abhängigkeit vom jeweiligen Teilschwächungswert zu ermitteln und
f) für jeden Gesamtschwächungswert einen strahlaufhärtungskorrigierten Gesamtschwächungswert nach der folgenden Gleichung zu ermitteln: gcorr = g + k(t) (3),wobei g den Gesamtschwächungswert bezeichnet, g_corr den strahlaufhärtungskorrigierten Gesamtschwächungswert bezeichnet, t den Teilschwächungswert bezeichnet und k(t) den von t abhängigen Korrekturwert bezeichnet.

Erfindungsgemäß ist bei der zweiten Lösungsvariante vorgesehen, dass zur Ermittlung der Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen für eine Materialkombination eines ersten Referenzmaterials und eines hiervon verschiedenen zweiten Referenzmaterials ein Satz von Referenz-Gesamtschwächungswerten g_ref(s₁, s₂) ermittelt wird, die für die durch diese Materialkombination hervorgerufene tatsächliche Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung bei verschiedenen Dicken des ersten und des zweiten Referenzmaterials repräsentativ sind, wobei s₁ einen ersten Einzelschwächungswert bezeichnet, der für die theoretische lineare Schwächung der Röntgenstrahlung durch das erste Referenzmaterial bei der jeweiligen Dicke des ersten Referenzmaterials repräsentativ ist, und s₂ einen zweiten Einzelschwächungswert bezeichnet, der für die theoretische lineare Schwächung der Röntgenstrahlung durch das zweite Referenzmaterial bei der jeweiligen Dicke des zweiten Referenzmaterials repräsentativ ist, und dass die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit dazu ausgelegt ist, den Korrekturwert auch in Abhängigkeit vom jeweiligen Gesamtschwächungswert zu ermitteln und für den Korrekturwert einen solchen Wert zu verwenden, dass folgende Gleichung gilt: k(g, t) = t + s2 – gref(s1 = t, s2) (4)wobei für g_ref(s₁= t, s₂) gilt: gref(S1 = t, s2) = g (5).

Zur Verbesserung der Klarheit der Darstellung weisen gleiche Merkmale in den Patentansprüchen 1 und 2 identische Aufzählungszeichen, von den Merkmalen des Patentanspruchs 1 abweichende Merkmale des Patentanspruchs 2 ein mit einem Apostroph versehenes Aufzählungszeichen auf.

Beiden Lösungsvarianten ist gemein, dass stets ein Korrekturwert verwendet wird, der die Schwächung durch eine Kombination zweier verschiedener Materialien berücksichtigt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass im menschlichen Körper nur schlecht die Voraussetzung erfüllt ist, dass die Strahlaufhärtung durch eine Substanz (etwa Knochengewebe) unabhängig davon ist, ob zusätzlich noch andere Substanzen (etwa Weichteilgewebe) im Strahlenweg vorhanden sind. Gerade von dieser Voraussetzung gehen jedoch die bekannten retrospektiven Korrekturverfahren aus, indem bei ihnen mehrere Korrekturwerte addiert werden, die jeweils nur die Schwächung durch eine einzelne Substanz berücksichtigen. Durch Verwendung eines von der Schwächung zweier Materialien abhängigen Korrekturwerts ist es möglich, den tatsächlichen Verhältnissen im menschlichen Körper sehr nahe zu kommen. Besonders bei Aufnahmen von Körperregionen mit vergleichsweise hohem Knochenanteil lassen sich so Bilder erzeugen, die sehr arm an störenden Bildartefakten sind.

Als Referenzmaterialien wird man zweckmäßigerweise solche Materialien wählen, deren spektrales Schwächungsverhalten dem der Körpersubstanzen ähnlich ist, die in den Teilbildern Berücksichtigung finden sollen. Für ein Teilbild, das im wesentlichen nur Weichteilgewebe zeigen soll, ist es zweckmäßig, Wasser als Referenzmaterial zu wählen. Für ein Teilbild, das im wesentlichen nur Knochensubstanz zeigen soll, kann man beispielsweise eine Mischung von K₂HPO₄ und Wasser (S.C.E. Cann, Radiology 166, S. 509–522, (1988)) als Referenzmaterial wählen.

Die Referenz-Gesamtschwächungswerte können entweder durch Simulation am Rechner oder durch Messung ermittelt werden. Für die Messung kann beispielsweise so vorgegangen werden, wie in der beigefügten 1 gezeigt. Dort erkennt man einen CT-Scanner mit einem Röntgenstrahler 10 und einer Detektoranordnung 12, welche aus einer Vielzahl längs eines Kreisbogens nebeneinander angeordneter Detektorzellen 14 aufgebaut ist. Der Röntgenstrahler 10 sendet Röntgenstrahlung in einer Ebene fächerförmig aus. Die Detektorzellen 14 decken einen sich über die Winkelbreite des Strahlenfächers erstreckenden Gesamtprojektionsbereich ab, wobei jede einzelne Detektorzelle 14 die Intensität der einfallenden Röntgenstrahlung in dem von ihr jeweils abgedeckten Projektionsteilbereich detektiert und ein entsprechendes Intensitätsmesssignal an eine elektronische Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 liefert. Der Röntgenstrahler 10 und die Detektoranordnung 12 sind normal zur Fächerebene ohne Rotation längs einer Achse 18 verfahrbar.

Im Strahlengang der Röntgenstrahlung befinden sich zwei Keile 20 und 22, die jeweils aus einem der beiden Referenzmaterialien bestehen. Die Keile 20, 22 sind so angeordnet, dass die Dicke des Keils 20 entlang der Achse 18 ansteigt und die Dicke des Keils 22 entlang der Richtung des Fächerwinkels ansteigt. Wenn nun der Röntgenstrahler 10 und die Detektor anordnung 12 entlang der Achse 18 verfahren werden, erhält man Messwerte für eine Vielzahl unterschiedlicher Dickenpaare der beiden Referenzmaterialien. Aus diesen Maßwerten berechnet die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 dann die Referenz-Gesamtschwächungswerte. Diese geben die tatsächliche, strahlaufhärtungsbehaftete Schwächung an, die die Röntgenstrahlung bei den jeweiligen Dicken der beiden Referenzmaterialien erfährt. Um individuelle Fehler der Detektorzellen 14 zu kompensieren, empfiehlt es sich, den Keil 22 auch mit entlang der Fächerwinkelrichtung umgekehrtem Dickengradienten einmal abzutasten, wie gestrichelt bei 22' angedeutet.

Nachdem die Referenz-Gesamtschwächungswerte mittels des Messaufbaus gemäß 1 oder durch Simulation ermittelt wurden, kann jedem Paar von Einzelschwächungswerten s₁ und s₂ eindeutig einer der Referenz-Gesamtschwächungswerte g_ref(s₁, s₂) zugeordnet werden (ggf. unter Zuhilfenahme von Interpolationen). Die Einzelschwächungswerte s₁, s₂ bezeichnen dabei die theoretische lineare Schwächung, die die Röntgenstrahlung im Fall energieunabhängiger Absorption im ersten bzw. zweiten Referenzmaterial erfahren würde. Sie sind mit der Materialdicke über den folgenden Zusammenhang verknüpft: s1,2 = d1,2·μ1,2 (6),wobei d_1,2 die Dicke des ersten bzw. zweiten Referenzmaterials bezeichnet und μ_1,2 einen für lineare Schwächung effektiven Absorptionskoeffizienten des ersten bzw. zweiten Referenzmaterials bezeichnet.

Darüber hinaus kann jedem Paar von Einzelschwächungswerten s₁ und s₂ dann auch eindeutig ein Referenz-Schwächungsfehler e_ref(s₁, s₂) zugeordnet werden, der sich gemäß der folgenden Gleichung eref(s1, s2) = s1 + s2 – gref(s1, s2) (7) aus der Differenz zwischen der Summe der Einzelschwächungswerte s₁ und s₂ und dem zugehörigen Referenz-Gesamtschwächungswert g_ref(s₁, s₂) ergibt. Dieser Referenz-Schwächungsfehler e_ref(s₁, s₂) stellt den Strahlaufhärtungsfehler dar, um den Referenz-Gesamtschwächungswert g_ref(s₁, s₂) infolge Strahlaufhärtung kleiner als die Summe der Einzelschwächungswerte s₁ und s₂ ist.

In analoger Weise kann zu jedem Paar eines Referenz-Gesamtschwächungswerts g_ref(s₁, s₂) und eines der Einzelschwächungswerte s₁, s₂ eindeutig der jeweils andere Einzelschwächungswert s₂ bzw. s₁ bestimmt werden. Dann lässt sich auch der zugehörige Referenz-Schwächungsfehler e_ref(s₁, s₂) eindeutig bestimmen.

Die vorstehenden Überlegungen werden bei der Erfindung ausgenutzt, um im Betrieb des CT-Scanners bei Untersuchung eines Patienten den jeweils richtigen Korrekturwert zu finden. Bei der ersten Lösungsvariante der Erfindung werden die beiden jeweils ermittelten Teilschwächungswerte t₁ und t₂ als Parameter hierzu verwendet, bei der zweiten Lösungsvariante der jeweils ermittelte eine Teilschwächungswert t und der Gesamtschwächungswert g. Setzt man bei der ersten Lösungsvariante s₁ = t₁ und s₂ = t₂, so kann man sofort eindeutig einen zugehörigen Referenz-Gesamtschwächungswert g_ref(s₁ = t₁, s₂ = t₂) und damit einen zugehörigen Referenz-Schwächungsfehler e_ref(s₁ = t₁, s₂ = t₂) ermitteln. Der Wert dieses Referenz-Schwächungsfehlers wird dann als Korrekturwert k(t₁, t₂) verwendet, also: k(t1, t2) = eref(s1 = t1, s2 = t2) = t1 + t2 – gref(s1 = t1, s2 = t2) (8).

Bei der zweiten Lösungsvariante der Erfindung gilt Vergleichbares. Setzt man dort s₁ = t und g_ref(s₁ = t, s₂) = g, so kann man sofort eindeutig einen zugehörigen Einzelschwächungswert s₂ und damit einen zugehörigen Referenz-Schwächungsfehler e_ref(g_ref = g, s₁ = t) ermitteln. Der Wert dieses Referenz-Schwä chungsfehlers wird dann als Korrekturwert k(g, t) verwendet, also: k(g, t) = eref(gref = g, s1 = t) = t + s2 – gref(s1 = t, s2) (9).

Um aus dem Gesamtbild die Teilbilder zu extrahieren, können beispielsweise eine oder mehrere Grauwertschwellen festgelegt werden, nach denen das Gesamtbild in seine verschiedenen Grauwertregionen zerlegt wird. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn bei der ersten Lösungsvariante eines der beiden Teilbilder bzw. bei der zweiten Lösungsvariante das Teilbild im wesentlichen nur Knochensubstanz zeigt, die in der jeweils durchstrahlten Körperschicht vorhanden ist. Bei der ersten Lösungsvariante wird dann der Korrekturwert in Abhängigkeit von der reprojizierten Knochenschwächung und einem weiteren durch Reprojektion gewonnenen Teilschwächungswert, vorzugsweise der Weichteilschwächung, ermittelt, während bei der zweiten Lösungsvariante der Korrekturwert in Abhängigkeit von der reprojizierten Knochenschwächung und dem Gesamtschwächungswert ermittelt wird. Bei den reprojizierten Teilschwächungswerten handelt es sich zweckmäßigerweise um Schwächungswerte, die die theoretische lineare Schwächung in der jeweiligen Körpersubstanz angeben. Details dazu, wie die Teilschwächungswerte durch Reprojektion aus den Teilbildern ermittelt werden können, sind beispielsweise der zuvor zitierten Literatur entnehmbar.

Was die konkrete Implementierung der Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen in der Computertomographieeinrichtung anbelangt, so gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei der ersten Lösungsvariante ist es denkbar, die ermittelten Referenz-Gesamtschwächungswerte g_ref(s₁, s₂) in Abhängigkeit von den Einzelschwächungswerten s₁ und s₂ tabellarisch in Form einer Look-up-Tabelle in einem Speicher der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 niederzulegen. In diesem Fall müsste die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 jeweils noch die arithmetische Operation gemäß Gleichung (2) ausführen, um den Korrekturwert zu erhalten. Alternativ ist es denkbar, statt der Referenz-Gesamtschwächungswerte unmittelbar den Referenz-Schwächungsfehler e_ref(s₁, s₂) in Abhängigkeit von den Einzelschwächungswerten s₁ und s₂ tabellarisch in der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 abzuspeichern.

Bei der zweiten Lösungsvariante ist es denkbar, in der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 eine Look-up-Tabelle abzuspeichern, die den zweiten Einzelschwächungswert s₂ in Abhängigkeit vom ersten Einzelschwächungswert s₁ und vom Referenz-Gesamtschwächungswert g_ref(s₁, s₂) angibt. Um dann nicht ständig die arithmetische Operation gemäß Gleichung (4) von der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 ausführen lassen zu müssen, ist es alternativ wiederum denkbar, unmittelbar den Referenz-Schwächungsfehler e_ref(g_ref, s₁) in Abhängigkeit vom Referenz-Gesamtschwächungswert g_ref(s₁, s₂) und vom ersten Einzelschwächungswert s₁ tabellarisch in der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 abzuspeichern.

Gemäß einer optionalen Weiterbildung der ersten Lösungsvariante kann zur Ermittlung der Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen eine von einer Variable x abhängige Funktion u(x) ermittelt werden, welche jedem Wert von x mit x = A(Bs1 + Cs2) (10)einen Funktionswert u(x) zuordnet, der zumindest annähernd der Differenz zwischen der Summe der jeweiligen beiden Einzelschwächungswerte und dem jeweiligen Referenz-Gesamtschwächungswert entspricht, wobei A, B und C Konstanten sind, wobei die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit dazu ausgelegt ist, den Korrekturwert nach folgender Gleichung zu ermitteln: k(t1, t2) = u(x = A(Bt1 + Ct2)) (11).

Die Linearkombination gemäß Gleichung (10) ermöglicht es, die Abhängigkeit des Korrekturwerts k(t1, t₂) von zwei Parametern auf die Abhängigkeit von einem Parameter zurückzuführen. Die Konstanten A, B und C wird man dabei so bestimmen, dass der Fehler zwischen dem Referenz-Schwächungsfehler e_ref(s₁ = t₁, s₂ = t₂) und dem Funktionswert u(x = A(Bt₁ + Ct₂)) möglichst klein wird.

In analoger Weise kann bei einer optionalen Weiterbildung der zweiten Lösungsvariante zur Ermittlung der Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen eine von einer Variable y abhängige Funktion v(y) ermittelt werden, welche jedem Wert von y mit Y = D(Egref + Fs1) (12)einen Funktionswert v(y) zuordnet, der zumindest annähernd der Differenz zwischen der Summe der jeweiligen beiden Einzelschwächungswerte und dem jeweiligen Referenz-Gesamtschwächungswert entspricht, wobei D, E und F Konstanten sind, wobei die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit dazu ausgelegt ist, den Korrekturwert nach folgender Gleichung zu ermitteln: k(g, t) = v(y = D(Eg + Ft)) (13)

Die Konstanten D, E und F wird man in diesem Fall so_bestimmen, dass der Fehler zwischen dem Referenz-Schwächungsfehler e_ref(g_ref = g, s₁= t) und dem Funktionswert v(y = D (Eg + Ft)) möglichst klein wird.

Beide Funktion u(x), v(y) können entweder als einparametrige Look-up-Tabelle in der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit 16 implementiert sein oder in Form eines mathematischen Algorithmus, sofern sich eine geeignete Approximationsformel für die Funktion u(x) bzw. v(y) finden lässt.

Es versteht sich im übrigen, dass an dem in 1 gezeigten CT-Scanner nicht nur die Kalibrierungsmessungen zur Ermitt lung der Referenz-Gesamtschwächungswerte durchgeführt werden können, sondern dass dort auch die Patientenuntersuchung erfolgen kann, wenn zusätzlich eine Rotationsmöglichkeit des Strahlers 10 und der Detektoranordnung 12 (sofern diese nicht als Ringdetektor ausgebildet ist) in Richtung des Fächerwinkels gegeben ist.

Nachzutragen ist außerdem, dass es ohne weiteres möglich ist, die bei Untersuchung eines Patienten gewonnenen Gesamtschwächungswerte a priori mit Hilfe eines Standardalgorithmus zu korrigieren und das Gesamtbild aus den so korrigierten Gesamtschwächungswerten zu rekonstruieren. Die retrospektiv ermittelten Korrekturwerte wird man dann entweder zu den ursprünglichen, unkorrigierten Gesamtschwächungswerten addieren oder man vermindert die Korrekturwerte um den Betrag der Standardkorrektur.

Claims

Röntgen-Computertomographieeinrichtung, umfassend – eine Strahler-Detektor-Anordnung (10, 12), welche für jede Röntgenprojektion einer Körperschicht eines zu untersuchenden Patienten einen Satz von Intensitätsmeßwerten liefert, wobei jeder Intensitätsmeßwert des Satzes repräsentativ für die Intensität der Röntgenstrahlung nach Durchdringen der Körperschicht in einem Teilbereich der Röntgenprojektion ist, und – eine mit der Strahler-Detektor-Anordnung (10, 12) verbundene elektronische Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16), welche dazu ausgelegt ist: a) zu jedem der Intensitätsmeßwerte einen Gesamtschwächungswert zu ermitteln, der für die in der Körperschicht im betreffenden Teilbereich der Röntgenprojektion tatsächlich hervorgerufene Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung repräsentativ ist, b) ausgehend von den Gesamtschwächungswerten ein Gesamtbild der Körperschicht zu rekonstruieren, c) aus diesem Gesamtbild ein erstes Teilbild von im wesentlichen dem Vorkommen einer ersten Substanz in der Körperschicht zu extrahieren, d) aus diesem ersten Teilbild zu jedem Teilbereich der Röntgenprojektion einen ersten Teilschwächungswert zu ermitteln, der ein Maß für die in der ersten Substanz der Körperschicht im betreffenden Teilbereich hervorgerufene Schwächung der Röntgenstrahlung ist, und diesen dem Gesamtschwächungswert des entsprechenden Teilbereichs zuzuordnen, e) aus diesem Gesamtbild ein zweites Teilbild von im wesentlichen dem Vorkommen einer zweiten Substanz in der Körperschicht zu extrahieren, f) analog zum Ermitteln des ersten Teilschwächungswertes zu jedem Teilbereich der Röntgenprojektion einen zweiten Teilschwächungswert zu ermitteln und diesen dem Gesamtschwächungswert des entsprechenden Teilbereichs zuzuordnen, g) anhand vorab ermittelter und in der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16) gespeicherten Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen zu jedem Gesamtschwächungswert aus dem ersten und zweiten Teilschwächungswert einen Korrekturwert zu ermitteln, h) zu jedem Gesamtschwächungswert einen zugehörigen strahlaufhärtungskorrigierten Gesamtschwächungswert gemäß der folgenden Gleichung zu ermitteln: gcorr = g + k(t1, t2)worin gcorr den strahlaufhärtungskorrigierten Gesamtschwächungswert, g den Gesamtschwächungswert, t₁ den ersten Teilschwächungswert, t₂ den zweiten Teilschwächungswert und k (t₁, t₂) den aus t₁ und t₂ ermittelten Korrekturwert bezeichnen, dadurch gekennzeichnet , daß zur Ermittlung des Korrekturwertes k(t₁, t₂) i) ein Satz von Referenz-Gesamtschwächungswerten für eine Materialabfolge bestehend aus einem ersten Referenzmaterial (20) und einem hiervon verschiedenen zweiten Referenzmaterial (22) bei unterschiedlichen Dickenkombinationen ermittelt wird, wobei jeder Referenz-Gesamtschwächungswert g_ref des Satzes repräsentativ für die Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung bei einer bestimmten Dickenkombination der Materialabfolge ist, j) die theoretische lineare Schwächung der Röntgenstrahlung für jede Dicke des ersten Referenzmaterials (20) aus den Dickenkombinationen der Materialabfolge repräsentiert durch einen ersten Einzelschwächungswert s1 berechnet wird, k) die theoretische lineare Schwächung der Röntgenstrahlung für jede Dicke des zweiten Referenzmaterials (21) aus den Dickenkombinationen der Materialabfolge repräsentiert durch einen zweiten Einzelschwächungswert s₂ berechnet wird, und l) für jede Dickenkombination der Materialabfolge der Korrekturwert nach der Gleichung k(t1, t2) = t1 + t2 – gref(s1 = t1, s2 = t2)ermittelt wird, worin g_ref(s₁ = t₁, s₂ = t₂) den Referenz-Gesamtschwächungswert bei einer Dickenkombination der Materialabfolge bezeichnet, für die s₁ = t₁ und s₂ = t₂ gilt.
Röntgen-Computertomographieeinrichtung, umfassend – eine Strahler-Detektor-Anordnung (10, 12), welche für jede Röntgenprojektion einer Körperschicht eines zu untersuchenden Patienten einen Satz von Intensitätsmeßwerten liefert, wobei jeder Intensitätsmeßwert des Satzes repräsentativ für die Intensität der Röntgenstrahlung nach Durchdringen der Körperschicht in einem Teilbereich der Röntgenprojektion ist, und – eine mit der Strahler-Detektor-Anordnung (10, 12) verbundene elektronische Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16), welche dazu ausgelegt ist: a) zu jedem der Intensitätsmeßwerte einen Gesamtschwächungswert zu ermitteln, der für die in der Körperschicht im betreffenden Teilbereich der Röntgenprojektion tatsächlich hervorgerufene Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung repräsentativ ist, b) ausgehend von den Gesamtschwächungswerten ein Gesamtbild der Körperschicht zu rekonstruieren, c') aus diesem Gesamtbild ein Teilbild von im wesentlichen dem Vorkommen einer ausgewählten Substanz in der Körperschicht zu extrahieren d') aus diesem Teilbild zu jedem Teilbereich der Röntgenprojektion einen Teilschwächungswert zu ermitteln, der ein Maß für die in der ausgewählten Substanz der Körperschicht im betreffenden Teilbereich hervorgerufene Schwächung der Röntgenstrahlung ist, und diesen dem Gesamtschwächungswert des entsprechenden Teilbereichs zuzuordnen, g') anhand vorab ermittelter und in der Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16) gespeicherten Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen zu jedem Gesamtschwächungswert aus dem Teilschwächungswert einen Korrekturwert zu ermitteln, h') zu jedem Gesamtschwächungswert einen zugehörigen strahlaufhärtungskorrigierten Gesamtschwächungswert gemäß der folgenden Gleichung zu ermitteln: gcorr = g + k(t)worin gcorr den strahlaufhärtungskorrigierten Gesamtschwächungswert, g den Gesamtschwächungswert, t den Teilschwächungswert und k (t) den aus t ermittelten Korrekturwert bezeichnen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Korrekturwertes k (t) i) ein Satz von Referenz-Gesamtschwächungswerten für eine Materialabfolge bestehend aus einem ersten Referenzmaterial (20) und einem hiervon verschiedenen zweiten Referenzmaterial (22) bei unterschiedlichen Dickenkombinationen ermittelt wird, wobei jeder Referenz-Gesamtschwächungswert g_ref des Satzes repräsentativ für die Gesamtschwächung der Röntgenstrahlung bei einer bestimmten Dickenkombination der Materialabfolge ist, j) die theoretische lineare Schwächung der Röntgenstrahlung für jede Dicke des ersten Referenzmaterials (20) aus den Dickenkombinationen der Materialabfolge repräsentiert durch einen ersten Einzelschwächungswert s₁ berechnet wird, k) die theoretische lineare Schwächung der Röntgenstrahlung für jede Dicke des zweiten Referenzmaterials (21) aus den Dickenkombinationen der Materialabfolge repräsentiert durch einen zweiten Einzelschwächungswert s₂ berechnet wird, und l') für jede Dickenkombination der Materialabfolge der Korrekturwert nach der Gleichung k(g, t) = t + s2 – gref(s1 = t, s2) ermittelt wird, worin g_ref(s₁ = t, s₂) den Referenz-Gesamtschwächungswert bei einer Dickenkombination der Materialabfolge bezeichnet, für die s₁ = t bei s₂ gilt und ferner die Beziehung gref(s1 = t, s2) = gerfüllt ist.
Computertomographieeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16) dazu ausgelegt ist, für das Teilbild bzw. für eines der beiden Teilbilder im wesentlichen nur solche Bildteile des Gesamtbilds zu extrahieren, die einer Knochensubstanz in der Körperschicht entsprechen.
Computertomographieeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16) dazu ausgelegt ist, für das andere der beiden Teilbilder im wesentlichen nur solche Bildteile des Gesamtbilds zu extrahieren, die einer Weichteilsubstanz in der Körperschicht entsprechen.
Computertomographieeinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen eine von einer Variable x abhängige Funktion u(x) ermittelt wird, welche jedem Wert von x mit x = A(Bs1 + Cs2)einen Funktionswert u(x) zuordnet, der zumindest annähernd der Differenz zwischen der Summe der jeweiligen beiden Einzelschwächungswerte und dem jeweiligen Referenz-Gesamtschwächungswert entspricht, wobei A, B und C Konstanten sind, und dass die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16) dazu aus gelegt ist, den Korrekturwert nach folgender Gleichung zu ermitteln: k(t1, t2) = u(x = A(Bt1 + Ct2))
Computertomographieeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Strahlaufhärtungs-Korrekturinformationen eine von einer Variable y abhängige Funktion v(y) ermittelt wird, welche jedem Wert von y mit y = D(Egref + Fs1)einen Funktionswert v(y) zuordnet, der zumindest annähernd der Differenz zwischen der Summe der jeweiligen beiden Einzelschwächungswerte und dem jeweiligen Referenz-Gesamtschwächungswert entspricht, wobei D, E und F Konstanten sind, und dass die Auswerte- und Rekonstruktionseinheit (16) dazu ausgelegt ist, den Korrekturwert nach folgender Gleichung zu ermitteln: k(g, t) = v(y = D(Eg + Ft)).