DE60202225T2

DE60202225T2 - Verfahren zur Abschätzung von gestreuter Strahlung, insbesondere zur Korrektur von Röntgenaufnahmen

Info

Publication number: DE60202225T2
Application number: DE60202225T
Authority: DE
Inventors: Michel Darboux; Jean-Marc Dinten
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: FR2820965B1; FR2820965A1; EP1232726A1; DE60202225D1; US20020141541A1; EP1232726B1; US6594338B2

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung zum Gegenstand, dessen hauptsächliches Anwendungsgebiet die Korrektur von Röntgenaufnahmen ist.
Die Benutzung eines Strahlenbündels in Verbindung mit einem zweidimensionalen
Sensor – sehr üblich in der Radiographie – hat bei Röntgenaufnahmen den Nachteil, dass die das untersuchte Objekt durchquerende Strahlung sehr gestreut wird. Mit anderen Worten empfängt jeder der hinter dem Objekt befindlichen Detektoren nicht nur eine Primärstrahlung, die auf einem geradlinigen Weg direkt von der Quelle kommt und dabei einen genau definierten Bereich des Objekts durchquert hat, sondern auch eine Streustrahlung unbestimmter Herkunft, die die Messung beeinflusst, und die zu korrigieren folglich wünschenswert wäre.
Es werden schon mehrere Verfahren praktiziert. So kann die Primärstrahlung nur gemessen werden, wenn es eine genaue Kollimation der Detektoren und der Quelle gibt, um die Streustrahlung abzufangen, aber dieses Verfahren erfordert in der Praxis eine Ablenkung (balayage) des Strahls, die langsam auszuführen ist und während der man sich den Bewegungen des Patienten anpassen muss, wenn man lebende Wesen untersucht.
Es gab auch die konträre Idee, nur die Streustrahlung zu messen. Dazu benutzt man ein diskontinuierliches Gitter aus Absorbern – zum Beispiel Bleikugeln – zwischen dem Objekt und den Detektoren, um die Primärstrahlung lokal aufzuhalten, so dass die hinter diesen Absorbern befindlichen Detektoren nur die Streustrahlung messen. Dieses "beam stop" genannte Verfahren liefert zweidimensionale von Streustrahlungswerte-Tabellen bzw. -Tafeln oder -Lagen bzw. -Schichten, die man durch Interpolation zwischen den Detektoren vervollständigt, die sich hinter den Absorbern befinden. Die derart geschätzte Streustrahlung wird von der separat gemessenen Gesamtstrahlung abgezogen. Dieses Verfahren ist genau, hat aber den Nachteil, dass es zwei Bestrahlungen des Objekts erfordert, für den Patienten also eine Verdoppelung der Strahlungsdosis bedeutet. Ein letztes Beispiel einer Streustrahlungs-Korrekturmethode durch materielle Mittel umfasst die Verwendung von Antistreugittern, die aber nur eine partielle Wirkung haben; sie ist für einen konischen Strahl ungenügend, wo die Streustrahlung um ein Mehrfaches größer sein kann als die Primärstrahlung.
Schließlich gibt es eine gewisse Anzahl numerischer Methoden zur Schätzung der Streustrahlung, zum Beispiel aufgrund von Faltungen oder Entfaltungen bzw. Glättungen (déconvolutions) der Messungen; für ein anderes, analytisches numerisches Verfahren könnte man auch das französische Patent 2 759 800 nennen. Ihre Anwendung ist generell schwierig, denn sie hängen von durch den Benutzer ausgewählten Parametern (Faltungskern zum Beispiel) ab, die nur in günstigen Situationen gute Resultate liefern, zum Beispiel in kleinen Zonen, wo die Streustrahlung schwach ist, oder bei Objekten, deren Inhalt relativ homogen ist. Es gibt kein einfaches Verfahren, das zum Beispiel ermöglicht, die durch den Brustkorb oder andere große anatomische Zonen gestreute Strahlung zu korrigieren, die häufig untersucht werden, aber für eine Korrektur der gestreuten Strahlung ungünstig sind, eben wegen ihres Volumens und der Heterogenität aufgrund des Vorhandenseins einer komplexen Knochenstruktur, und deren Strahlungsdämpfungskapazität sich sehr von derjenigen der Weichteilgewebe unterscheidet.
Zu erwähnen ist noch das US-Patent 6 018 565 für die Darstellung eines gemischten Verfahrens mit "beam stop" und Faltung.
Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Schätzung und Korrektur von Streustrahlung vorzuschlagen, das sich für schwierige Radiographiesituationen eignet.
Das erfindungskonforme Verfahren ist in seiner allgemeinsten Form ein Schätzverfahren einer Streustrahlung, die von einer ursprünglichen Strahlung oder Anfangsstrahlung stammt, die ein sie dämpfendes Objekt durchquert, das eine Gesamtmessstrahlung passieren lässt, wobei dieses Verfahren gekennzeichnet ist durch:

– die Realisierung einer Messtabelle einer Streustrahlung, die man erhält, indem man die Anfangsstrahlung ein Simulationsobjekt durchqueren lässt,
– die Berechnung von Transpositionskoeffizienten zwischen dem Simulationsobjekt und dem Objekt gemäß der Anfangsstrahlung, der Gesamtmessstrahlung durch das Objekt hindurch und einer Gesamtmessstrahlung durch das Simulationsobjekt hindurch,
– und eine Gewichtung der Messtabelle mit den Transpositionskoeffizienten.

Vorteilhafterweise wird das Simulationsobjekt durch einen Block von konstanter Dicke und aus homogenem Stoff gebildet, der eine ähnliche Dämpfung wie ein Basisstoff des Objekts hat.
Der Messtabellenauszug wird im Allgemeinen durch eine Selektion aus einer Serie vorher erstellter Streustrahlungsmesstabellen realisiert, die man erhalten hat, indem man die Anfangsstrahlung sukzessive durch eine Serie von Simulationsobjekten gesendet hat, mit jeweils unterschiedlichen Dicken, aber konstant; und die Selektion erfolgt dann durch den Vergleich eines Gesamtstrahlungsmesswerts nach Durchquerung des Objekts und eines Gesamtstrahlungsmesswerts nach Durchquerung des Simulationsobjekts.
Die Gewichtungskoeffizienten sind generell Verhältnisse von Werten eines selben für das Objekt und für das Simulationsobjekt berechneten Funktionals. Das benutzte Funktional kann gleich dem Produkt aus Gesamtmessstrahlung mal Logarithmus des Verhältnisses von Gesamtmessstrahlung zu Anfangsstrahlung sein.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben:
die 1 ist eine allgemeine Ansicht einer Messwerterfassung;
die 2 ist eine Ansicht einer Kalibrierungserfassung;
und die 3 zeigt die Schritte des Verfahrens.
In der 1 sieht man eine Röntgenröhre 1, die einen konischen Strahl 2 in Richtung eines zu untersuchenden Objekts 3 (hier ein auf einem Tisch liegender Patient) und – durch dieses hindurch – ein ebenes Gitter mit matrixförmig angeordneten Detektoren 6 sendet. Die Detektoren 6 sind mit einem Erfassungsgerät 7 verbunden und messen eine Streustrahlung, die der einzig für die Röntgenaufnahme nützlichen Primärstrahlung überlagert ist.
Die Schätzung der Streustrahlung durch einen Patienten 3 hindurch besteht vor allem darin, zweidimensionale Streustrahlungstabellen oder -lagen bzw. -schichten unter vergleichbaren Umständen zu erhalten. Dazu realisiert man Eichbestrahlungen, durch die Simulationen 8 des zu untersuchenden Objekts 3 hindurch, entsprechend der 2, wobei die Bestrahlungsbedingungen dieselben sind, das heißt, dass wieder die Röntgenröhre 1, der Strahl 2, das Gitter 5 aus Detektoren 6 und das Erfassungsgerät 7 benutzt werden, wobei jedoch die Simulation 8 den Patienten ersetzt. Außerdem wurde über der Simulation 8 und dem Gitter 5 ein Gitter 9 aus Bleikugeln 10 angebracht. Aus dieser Anordnung resultiert, dass diejenigen Strahlen 11, die auf Bleikugeln 10 treffen, von diesen vollkommen absorbiert werden, und dass die Bereiche 12 des Gitters 5, die sich in der Verlängerung besagter Strahlen 11 befinden, Detektoren 6 umfassen, die nur die in diese Stellen gestreute Streustrahlung messen. Es genügt dann, diese gemessenen Werte festzuhalten und zwischen den Bereichen 12 zu interpolieren, um für alle Detektoren 6 des Gitters 5 eine gute Schätzung der aus der Simulation 8 stammenden Streustrahlung zu erhalten.
Die Simulation 8 sollte dem Objekt entsprechen, damit die von beiden verursachten Streustrahlungen möglichst gleich sind. Eine vollkommene Gleichheit ist nicht realisierbar, das heißt, dass man sich mit einer Simulation 8 zufrieden gibt, die dem Objekt 3 ähnlich ist und deren Streustrahlungslage bzw. -schicht später korrigiert wird, um die des Objekts zu bewerten. In der Praxis kann die Simulation 8 ein Block aus einem homogenen Stoff sein, der denselben Dämpfungskoeffizienten aufweist wie der Grundstoff des Objekts 3: im Falle des menschlichen Körpers – im Wesentlichen aus Weichteilgewebe bestehend – weiß man, dass Plexiglas (Polymethacrylat) geeignet ist.
Um unterschiedliche Messungen zu ermöglichen, verfügt man in Wirklichkeit über mehrere Streustrahlungslagen bzw. -schichten, erhalten mit ebenso vielen Simulationen 8, die sich nur durch ihre Dicke unterscheiden und folglich durch die Länge des von den Strahlen 11 durchlaufenen Wegs. Diese Lagen bzw. Schichten werden vor den nutzbaren Messungen für die Röntgenaufnahmen der Objekte 3 in Datenbanken eingespeichert. Um eine Streustrahlungsschicht bzw. -lage zu erhalten, die mit der eines Objekts 3 vergleichbar ist, selektiert man in der Praxis eine der Lagen bzw. Schichten der Datenbank oder, noch besser, eine Schicht, die man durch Interpolationsrechnungen zwischen zwei dieser Schichten erhält. Das Selektionskriterium kann mit Hilfe eines speziellen Strahls 13 definiert werden, der in einem Bereich 14 des Gitters 5 endet und weder die Absorber der 2 durchquert noch die Knochengewebe des Patienten (oder allgemeiner die Teile des Objekts 3, deren Absorptionseigenschaften sich von denen des die Simulation 8 bildenden Stoffs unterscheiden) in der 1. Die Gesamtstrahlung aus Primär- und Streustrahlung, empfangen durch den Bereich 14 nach Durchquerung jeder Simulation 8, dient als Index in der entsprechenden Streustrahlungstabelle bzw. -tafel, und die selektierte Tabelle bzw. Tafel hat den Index mit einem Wert, der mit der Gesamtstrahlung identisch ist, gemessen in dem Bereich 14, durch das Objekt 3 hindurch. All dies entspricht dem Übergang aus dem Zustand E1 in den Zustand E2 in dem Organigramm der 3, den man zu kommentieren beginnt.
Die Folge des Verfahrens besteht im Wesentlichen in der Korrektur der derart selektierten Streustrahlungstabelle, um sie bestmöglich an die wirklich durch das Objekt 3 gestreute Strahlungslage bzw. -schicht anzupassen. Dazu bedient man sich aller verfügbaren Informationen, das heißt der Gesamtstrahlung, empfangen durch die Detektoren 6 jenseits des Objekts 3 ebenso wie der selektierten Simulation 8. Diese Gesamtstrahlung wird mit Φ_t bezeichnet, die Streustrahlung mit Φ_d, die von der Röhre 1 stammende Anfangsstrahlung mit Φ_o und die Primärstrahlung mit Φ, wobei die Relation Φ_t = Φ + Φ_d eingehalten wird.
Man befindet sich dann in den Zuständen E3 und E4 des Organigramms der 3. Anschließend transformiert man die Werte der für das Objekt 3 und die gewählte Simulation 8 gemessenen Gesamtstrahlung Φ_t. Noch genauer weiß man aus dem Stand der Technik, dass Φ_d in erster Ordnung proportional ist zu Φlog(Φ/Φ_o); diese Relation, die abgeleitet ist von dem Gesetz von Klein und Nishina, liefert eine generelle Leistung bzw. Gesamtleistung der Streustrahlung in Ermangelung ihrer Intensität.
Die Anfangsstrahlung Φ_o ist bekannt; die Primärstrahlung Φ ist es nicht, aber man wendet diese Relation auf angenäherte Weise an, indem man sie durch die Gesamtstrahlung Φ_t ersetzt, das heißt, dass das benutzte Funktional jedem gemessenen Wert der Gesamtstrahlung Φ_t den berechneten Wert Φlog(Φ/Φ_o) zuordnet, der an dieser Stelle, wie angenommen, der Streustrahlung Φ_d nahe kommt. Man hat nun die Zustände E5 und E6 des Organigramms erreicht.
Der folgende Schritt besteht darin, für jeden Detektor 6 das Verhältnis der Werte zu berechnen, die durch das Funktional für das Objekt 3 und die Simulation 8 geliefert werden, selektiert nach der Formel
Die so erhaltenen Gewichtungskoeffizienten K dienen dazu, die im Zustand E2 selektierte Strahlungsschicht bzw. -lage zu verformen, um die des Objekts 3 zu schätzen. Die Resultate bilden wieder eine zweidimensionale Tabelle oder eine Matrix mit denselben Dimensionen wie die Strahlungstabellen, da sie dem Gitter 5 der Detektoren 6 zugeordnet ist. Es ist folglich möglich und vorteilhaft, mit dieser Matrix eine räumliche digitale Filtration durchzuführen, indem ein Tiefpassfilter benutzt wird, das die Koeffizienten K korrigiert und dabei nur die niedrigsten Frequenzen ihrer Schwankung zurückhält und sie so wahrscheinlich besser an die Wirklichkeit anpasst, da die Streustrahlung von einem Punkt zum anderen ziemlich langsam variiert.
Wenn die Tabelle der definitiven Gewichtungskoeffizienten, mit K' bezeichnet, erstellt ist (im Zustand E7), dient sie dazu, die vorher im Zustand E2 selektierte Streustrahlungstabelle zu gewichten, um eine Tabelle der Streustrahlung des Objekts 3 zu erhalten (Zustand E8, der die gesuchte Schätzung bildet); die angewandte Formel ist Φd_Objekt = K' Φd_Simulation. Diese geschätzten Φd_Objekt-Werte können dann von der durch die Detektoren 6 gemessenen Gesamtstrahlung Φt abgezogen werden, um die Primärstrahlung Φ zu schätzen und ein genaueres Röntgenbild von dem Objekt 3 zu erhalten.
Dieses Verfahren betrifft die Röntgenaufnahmen mit einfacher oder multipler Bestrahlungsenergie; im letzteren Fall wird es für jede der benutzten Energien separat angewendet.
Das hier vorgeschlagene Funktional ist nicht das Einzige, das man benutzen kann, und das einfachere Funktional Φd = kΦ (hier wieder an Φd = kΦt angenähert) – wobei k eine Konstante ist -, könnte auch gute Resultate liefern, um Φd zu schätzen.

Claims

Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung, die abstammt von einer Anfangsstrahlung, welche ein sie abschwächendes Objekt (3) durchquert, das eine Gesamtmessstrahlung passieren lässt, gekennzeichnet durch: – die Realisierung einer Messtabelle einer Streustrahlung, die man erhält, indem man die Anfangsstrahlung eine Simulation (8) des Objekts durchqueren lässt, – eine Berechnung von Transpositionskoeffizienten (K') zwischen der Simulation und dem Objekt gemäß der Anfangsstrahlung (Φ_o), der Gesamtmessstrahlung durch das Objekt hindurch (Φ_t _Objekt) und einer Gesamtmessstrahlung durch die Simulation hindurch (Φ_t _Simulation), – und eine Gewichtung der Messtabelle mit den Transpositionskoeffizienten.
Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulation (8) ein Block von konstanter Dicke und aus einem homogenen Stoff ist, der eine Ähnliche Schwächung wie ein Basisstoff des Objekts bewirkt.
Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Realisierung der Messtabelle eine Selektion aus einer Serie von Streustrahlungs-Messtabellen ist, die man erhält, indem man nacheinander die Anfangsstrahlung eine Serie von Simulationen des Objekts durchqueren lässt, die jeweils Blöcke von unterschiedlicher aber konstanter Dicke und aus einem homogenen Stoff sind, der eine ähnliche Schwächung wie ein Basisstoff des Objekts bewirkt.
Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektion eine Interpolation zwischen zwei Messtabellen umfasst.
Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektion durch Vergleich eines Messwerts der gesamten das Objekt durchquerenden Strahlung und eines Messwerts der gesamten die Simulationen durchquerenden Strahlung erfolgt.
Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich für identische, das Objekt und die Simulationen durchquerende Strahlen (13) der Anfangsstrahlung durchgeführt wird, die nur den Basisstoff des Objekts durchqueren.
Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungskoeffizienten identische, für das Objekt und für die Simulation berechnete Funktionalenverhältnisse sind.
Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionalen gleich dem Produkt von Gesamtmessstrahlung mal Logarithmus des Verhältnisses von Gesamtmessstrahlung zu Anfangsstrahlung sind.
Verfahren zur Abschätzung einer Streustrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Tiefpass-Filterschritt der Transpositionskoeffizienten umfasst, die in einer Tabelle angeordnet sind, die man in die Messtabelle einblenden kann.
Radiographieverfahren, einen Schritt zur Korrektur von Radiographiemessungen durch eine Subtraktion einer Streustrahlung umfassend, die abgeschätzt wird gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Schritte.