DE19953613A1 - Computer tomography apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein CT-Gerät mit einer Strahlenquelle, welche zur Abtastung eines Untersuchungsobjekts um eine Sy stemachse verlagerbar ist und einen Fokus aufweist, von dem ein Strahlenbündel ausgeht, das auf ein Detektorsystem trifft. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Be trieb eines solchen CT-Geräts.The invention relates to a CT device with a radiation source, which is used to scan an examination object by one sy stem axis is displaceable and has a focus from which a beam of rays emanates from a detector system meets. The invention also relates to a method for loading drove such a CT device.
Es sind CT-Geräte bekannt, die eine Strahlenquelle aufweisen, z. B. eine Röntgenröhre, die ein kollimiertes, pyramiden förmiges Strahlenbündel durch das Untersuchungsobjekt, z. B. einen Patienten, auf ein aus mehreren Detektorelementen auf gebautes Detektorsystem richten. Die Strahlenquelle und je nach Bauart des CT-Geräts auch das Detektorsystem sind auf einer Gantry angebracht, die um das Untersuchungsobjekt ro tiert. Eine Lagerungseinrichtung für das Untersuchungsobjekt kann entlang der Systemachse relativ zur Gantry verschoben bzw. bewegt werden. Die Position, ausgehend von welcher das Strahlenbündel das Untersuchungsobjekt durchdringt, und der Winkel, unter welchem das Strahlenbündel das Untersuchungs objekt durchdringt, werden infolge der Rotation der Gantry ständig verändert. Jedes von der Strahlung getroffene Detek torelement des Detektorsystems produziert ein Signal, das ein Maß der Gesamttransparenz des Untersuchungsobjekts für die von der Strahlenquelle ausgehende Strahlung auf ihrem Weg zum Detektorsystem darstellt. Der Satz von Ausgangssignalen der Detektorelemente des Detektorsystems, der für eine bestimmte Position der Strahlenquelle gewonnen wird, wird als Projektion bezeichnet. Eine Abtastung (Scan) umfaßt einen Satz von Projektionen, die an verschiedenen Positionen der Gantry und/oder verschiedenen Positionen der Lagerungsein richtung gewonnen wurden. Das CT-Gerät nimmt während eines Scans eine Vielzahl von Projektionen auf, um ein zweidimen sionales Schnittbild einer Schicht des Untersuchungsobjekts aufbauen zu können. Mit einem aus einem Array von mehreren Zeilen und Spalten von Detektorelementen aufgebauten Detek torsystem können mehrere Schichten gleichzeitig aufgenommen werden.CT devices are known which have a radiation source, e.g. B. an x-ray tube that is a collimated, pyramid shaped beam of rays through the object under examination, e.g. B. a patient, on one of several detector elements Straighten built detector system. The radiation source and each depending on the design of the CT device, the detector system are also on attached to a gantry, which ro animals. A storage device for the examination object can be moved along the system axis relative to the gantry or be moved. The position from which the Beam penetrates the object under examination, and the Angle at which the beam of rays examines object penetrates due to the rotation of the gantry constantly changing. Every detection hit by the radiation Gate element of the detector system produces a signal that Measure of the total transparency of the examination object for the radiation emanating from the radiation source on its way to the Detector system represents. The set of output signals from the Detector elements of the detector system designed for a specific Position of the radiation source is obtained as Projection called. A scan comprises one Set of projections in different positions of the Gantry and / or various positions of the storage direction were won. The CT scanner picks up during a Scans a variety of projections to a two-dim sional sectional view of a layer of the object under examination to be able to build. With one out of an array of several Rows and columns of detector elements constructed by Detek door system can take several layers at the same time become.
Aus der US 4,637,040 ist ein CT-Gerät mit einer Röntgenröhre bekannt, welche eine Drehanode aufweist und deren Fokus sich während der Abtastung eines Patienten periodisch relativ zum Gehäuse der Röntgenröhre in Umfangsrichtung der Drehanode bzw. tangential zur Umfangsrichtung von einer Anfangs- in eine Endposition bewegen läßt. Infolge der periodischen Bewe gung des Fokus lassen sich die zur Berechnung eines Bildes einer Körperschicht zur Verfügung stehenden Daten verdoppeln und damit eine Verbesserung der Bildqualität erzielen.A CT device with an X-ray tube is known from US Pat. No. 4,637,040 known, which has a rotating anode and whose focus periodically relative to the patient's scan X-ray tube housing in the circumferential direction of the rotating anode or tangential to the circumferential direction from an initial in can move an end position. Due to the periodic movement focus can be used to calculate an image double the data available to a body layer and thus achieve an improvement in the image quality.
Ferner ist aus der EP 0 062 219 A2 eine Drehanoden-Röntgen röhre bekannt, die eine Vielzahl von Kathoden aufweist. Jeder der Kathoden ist ein Brennfleck auf der Anode zugeordnet. Die einzelnen Kathoden können dem jeweiligen Verwendungszweck der Röntgenröhre entsprechend selektiv aktiviert werden. Eine Verlagerung einzelner oder mehrerer Brennflecke in der Weise, daß sich eine periodische Bewegung des jeweiligen Brennflecks von einer Anfangs- in eine Endposition ergibt, ist nicht vor gesehen.Furthermore, EP 0 062 219 A2 is a rotating anode X-ray tube known which has a plurality of cathodes. Everyone a focal spot on the anode is assigned to the cathode. The individual cathodes can be used for the respective purpose X-ray tubes can be activated selectively accordingly. A Displacement of one or more focal spots in the way that there is a periodic movement of the respective focal spot from a start to an end position is not before seen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit einem CT- Gerät der eingangs genannten Art erzielbare Bildqualität zu verbessern. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen CT-Geräts anzugeben.The object of the present invention is that with a CT Device of the type mentioned attainable image quality improve. It is also an object of the invention to provide a method to operate such a CT device.
Nach der Erfindung wird die das CT-Gerät betreffende Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die das Ver fahren betreffende Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 14.According to the invention, the task relating to the CT device solved by the features of claim 1. Die Ver driving problem is solved by the features of Claim 14.
Mit dem erfindungsgemäßen CT-Gerät läßt sich vorteilhaft die Auflösung in z-Richtung erhöhen. Hierzu nimmt der Fokus rela tiv zum Gehäuse der Strahlenquelle während der Abtastung ei nes Untersuchungsobjekts periodisch unterschiedliche z-Posi tionen längs der Systemachse ein. Bei zwei unterschiedlichen z-Positionen nimmt ein erfindungsgemäßes CT-Gerät während ei ner vollständigen Umdrehung der Strahlenquelle um das Unter suchungsobjekt um 360° beispielsweise doppelt so viele Pro jektionen auf wie ein herkömmliches CT-Gerät. Neben der ver besserten Auflösung werden weiterhin Abtastartefakte redu ziert. Darüber hinaus verbindet sich mit dem erfindungsgemä ßen CT-Gerät der Vorteil, daß bei einer Röntgenröhre, die wechselnde Fokuspositionen zuläßt, durch die unterschiedli chen Fokuspositionen die Brennbahnfläche auf der Anode ver größert ist. Damit erhöht sich die thermische Belastbarkeit der Röntgenröhre, wodurch vorteilhaft die Abtastzeiten ver längert bzw. die Röhrenleistung erhöht werden können. Die Er findung grenzt sich hierbei ab von bekannten Röntgenstrahlen quellen, bei denen die Fokusposition auf der Anode zur Erzie lung einer gesteigerten thermischen Belastbarkeit geringfügig verstellbar sind, wobei diese Verstellbarkeit auch eine Kom ponente in z-Richtung umfassen kann. Eine periodische Ver stellung der Fokusposition, so daß Projektionen aus unter schiedlichen Richtungen aufnehmbar sind, ist bei diesen be kannten Röntgenröhren nicht vorgesehen.With the CT device according to the invention, the Increase resolution in the z direction. The focus rela tiv ei to the housing of the radiation source during the scan periodically different z-posi tion along the system axis. With two different ones A CT device according to the invention takes z positions during egg ner complete rotation of the radiation source around the lower Search object by 360 °, for example twice as many pros injections like a conventional CT scanner. In addition to the ver better resolution will continue to reduce scan artifacts graces. In addition, combines with the invention ß CT device the advantage that in an X-ray tube, the allows changing focus positions, through the differ focal positions verify the focal path area on the anode is larger. This increases the thermal resilience the X-ray tube, which advantageously ver lengthened or the tube output can be increased. The he The invention differs from known x-rays sources where the focus position on the anode to educate slightly increased thermal resilience are adjustable, this adjustability also a com Component can include in the z direction. A periodic ver position of the focus position so that projections from under different directions are recordable, is with these be X-ray tubes were not intended.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wechselt der Fokus schlagartig von einer ersten in eine zweite z-Position. In den unterschiedlichen z-Positionen verharrt der Fokus jeweils für ein bestimmtes Zeitintervall. Ausgehend von der zuletzt eingenommenen z-Position kann der Fokus weitere z-Positionen einnehmen oder in die Ausgangsposition zurückkehren.According to one embodiment of the invention, the focus changes abruptly from a first to a second z position. In the focus remains at the different z positions for a certain time interval. Starting from the last one occupied z-position, the focus can be further z-positions take or return to the starting position.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorge sehen, daß der Fokus in Bezug auf das Gehäuse der Strahlen quelle kontinuierlich, vorzugsweise mit konstanter Geschwin digkeit, von einer ersten z-Position in eine zweite z-Posi tion bewegt wird. Infolge der dann auftretenden "Verwischung" ist eine besonders gute Unterdrückung von Artefakten möglich. According to a further embodiment of the invention is pre see that the focus is in relation to the housing of the rays source continuously, preferably at constant speed from a first z position to a second z position tion is moved. As a result of the "blurring" that then occurs particularly good suppression of artifacts is possible.
Für die Bewegung des Fokus zurück in die erste z-Position, diese Bewegung erfolgt vorzugsweise während einer wesentlich kürzeren Zeitspanne als die Bewegung von der ersten in die zweite z-Position, muß die Strahlenerzeugung nicht notwendi gerweise unterbrochen werden. In der Regel wird dies aber der Fall sein.For moving the focus back to the first z position, this movement preferably occurs during a substantial period shorter period than the movement from the first to the second z position, the radiation generation need not necessarily sometimes interrupted. As a rule, however, this is the case Case.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einer Strahlenquelle der Abstand zweier in z-Richtung versetzter Fokuspositionen so gewählt, daß die davon ausge henden Strahlenbündel auf der Systemachse um eine halbe Schichtdicke in Richtung der Systemachse versetzt sind. Dies entspricht bei einem CT-Gerät mit mehrzeiligem Detektor in etwa einem Versatz der Strahlenbündel um die Hälfte der Er streckung eines Detektorelements in z-Richtung. Bei dieser Konfiguration haben alle aufgenommenen Schichten die gleiche Schichtdicke und den gleichen Abstand voneinander, was sich positiv auf die Auflösung und den Rechenaufwand bei der Be rechnung von Bildern des Untersuchungsobjekts auswirkt. Ge genüber herkömmlichen CT-Geräten, bei denen die aufgenommenen Schichten in der Regel aneinandergrenzen, erfaßt, das erfinde rische CT-Gerät zwischen zwei benachbarten Schichten eine dritte Schicht, welche die beiden benachbarten Schichten je zur Hälfte überdeckt. Dies bedeutet eine Verdoppelung der Ab tastrate in z-Richtung.According to a preferred embodiment of the invention in the case of a radiation source, the distance between two in the z direction offset focus positions selected so that the out rays on the system axis by half Layer thickness are offset in the direction of the system axis. This corresponds to a CT device with a multi-line detector in about an offset of the rays by half of the Er Extension of a detector element in the z direction. At this Configuration, all recorded layers have the same Layer thickness and the same distance from each other, whichever positive for the resolution and the computing effort for loading calculation of images of the object to be examined. Ge compared to conventional CT devices, in which the recorded Layers usually adjoin each other, grasp that invent tical CT device between two adjacent layers third layer, which the two neighboring layers each half covered. This means a doubling of the Ab Duty cycle in the z direction.
Werden der Abstand zwischen zwei Fokuspositionen innerhalb der Strahlenquelle und die röhrenseitige Strahlenblende so eingestellt, daß die entstehenden Strahlenbündel auf der Sy stemachse um eine Schichtbreite versetzt sind (die abgetaste ten Schichten also direkt aneinandergrenzen), so werden bei einem vollständigen Umlauf der Strahlenquelle um 360° um das Untersuchungsobjekt gleichzeitig zwei Schichten aufgenommen. Der periodische Wechsel zwischen den beiden Schichten während der Abtastung erfordert dabei nur eine Detektorzeile. So kön nen beispielsweise mit einem CT-Gerät mit Einzeilendetektor pro Umlauf gleichzeitig zwei Schichten erfaßt werden. Insbe sondere bei der Sequenzabtastung führt dies zu einer Verkür zung der Abtastzeit bzw. einer verbesserten Auflösung. Analog läßt sich dieses Vorgehen im Rahmen der Erfindung auch auf drei und mehr versetzte Fokuspositionen und die entsprechende Anzahl erfaßbarer Schichten erweitern.The distance between two focus positions within the radiation source and the tube-side diaphragm so set that the resulting beams on the Sy stem axis are offset by a layer width (the scanned adjacent layers), so at a complete rotation of the radiation source by 360 ° around the Examination object recorded two layers at the same time. The periodic alternation between the two layers during scanning only requires one detector line. So can with a CT scanner with a single-line detector, for example two shifts can be recorded simultaneously per revolution. In particular this leads to a shortening, especially in the case of sequence scanning the sampling time or an improved resolution. Analogous this procedure can also be carried out within the scope of the invention three or more shifted focus positions and the corresponding one Extend the number of detectable layers.
Soll bei einem CT-Gerät nach der Erfindung in vorteilhafter Weise neben der Auflösung in z-Richtung auch die Auflösung in ϕ-Richtung erhöht werden, so kann hierzu der Fokus relativ zum Gehäuse der Strahlenquelle periodisch auch unterschiedli che Positionen in Drehrichtung der Strahlenquelle (ϕ-Rich tung) einnehmen. Kombiniert mit der Verstellung in z-Richtung nimmt der Fokus damit bezogen auf die Strahlenquelle während der Abtastung periodisch wenigstens vier unterschiedliche Po sitionen innerhalb der Strahlenquelle ein. Um die Auflösung zu optimieren und den Rechenaufwand zu minimieren, werden bei einem Fokus mit vier unterschiedlichen Fokuspositionen diese vorteilhaft in den Eckpunkten eines Rechtecks liegen. Zweck mäßigerweise wird auch hier der Abstand zwischen verschiede nen Fokuspositionen in z-Richtung bzw. in ϕ-Richtung so ge wählt, daß die davon ausgehenden Strahlenbündel auf der Sy stemachse um die Hälfte der Erstreckung eines Detektorele ments in z-Richtung bzw. in ϕ-Richtung versetzt sind. Prinzi piell können die Fokuspositionen jedoch auch in Form eines Trapez, einer Sinus-Linie oder frei angeordnet sein.Should be advantageous in a CT device according to the invention In addition to the resolution in the z direction, also the resolution in ϕ direction can be increased, so the focus can be relative periodically different to the housing of the radiation source positions in the direction of rotation of the radiation source (ϕ-Rich tung). Combined with the adjustment in the z direction the focus takes on the radiation source during periodically sampling at least four different Po sitions within the radiation source. About the resolution to optimize and minimize the computational effort are at a focus with four different focus positions advantageously lie in the corner points of a rectangle. Purpose the distance between different ones is also moderate here so focus positions in the z direction or in the ϕ direction chooses that the outgoing beams on the Sy stem axis by half the extent of a detector element are offset in the z direction or in the ϕ direction. Prince However, the focus positions can also take the form of a Trapezoid, a sine line or freely arranged.
Der einfachen Realisierbarkeit halber weist das erfindungsge mäße CT-Gerät eine Röntgenröhre als Strahlenquelle auf mit wenigstens einer Elektronenstrahlenquelle, einer Drehanode sowie elektrischen und/oder magnetischen Mitteln zur Ablen kung des Elektronenstrahls. Der Bereich der Drehanode, von dem die Röntgenstrahlung ausgeht, ist unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Systemachse geneigt. Zum Verlagern des Fokus relativ zum Gehäuse der Röntgenröhre wird der Elektro nenstrahl abgelenkt. Der Wechsel von einer Fokusposition in eine andere vollzieht sich vorzugsweise schlagartig. Zwischen dem periodischen Wechsel der Fokusposition verbleibt der Fo kus für ein bestimmtes Zeitintervall in der jeweiligen Posi tion.For the sake of simple feasibility, the fiction shows According to the CT device, an X-ray tube is used as the radiation source at least one electron beam source, a rotating anode and electrical and / or magnetic means for deflection kung of the electron beam. The area of the rotating anode, from which the X-rays emanate from is below a certain one Angle inclined to the system axis. To move the The focus relative to the housing of the X-ray tube is the electric deflected. The change from a focus position in another takes place suddenly. Between the periodic change of focus position leaves the Fo kus for a certain time interval in the respective position tion.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin dungsgemäßen CT-Geräts weist die Strahlenquelle mehrere Elek tronenstrahlenquellen auf, wobei die von diesen erzeugten Elektronenstrahlen auf unterschiedliche Positionen auf der Drehanode treffen. Auch auf diese Weise lassen sich voneinan der beabstandete Fokuspositionen erzeugen. Zu jedem Zeitpunkt ist im wesentlichen nur eine Elektronenstrahlenquelle aktiv bzw. auf die Drehanode gerichtet. Das Verlagern des Fokus ist durch Umschalten zwischen den einzelnen Elektronenstrahlen quellen bzw. durch Ablenken einzelner, von diesen erzeugter Elektronenstrahlen erreichbar.In a further advantageous embodiment of the inventions According to the CT device, the radiation source has several elec on radiation sources, the generated by them Electron beams to different positions on the Hit the rotating anode. In this way too, they can be separated which create spaced focus positions. Anytime essentially only one electron beam source is active or directed at the rotating anode. The focus is shifting by switching between the individual electron beams swell or by deflecting individual ones generated by them Electron beams reachable.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Drehanode ist diese in radialer Richtung abgestuft. Dies ermöglicht einen größe ren Abstand der Fokuspositionen in z-Richtung. Außerdem wird die mit dem Anodenmaterial zur Erzeugung von Strahlung, z. B. Röntgenstrahlung, zu versehene Auftrefffläche der Anode redu ziert, was die Herstellungskosten verringert.In an advantageous embodiment, the rotating anode is graduated in the radial direction. This allows a size Ren distance of the focus positions in the z direction. Besides, will which with the anode material for generating radiation, for. B. X-ray radiation, target area of the anode redu adorns, which reduces the manufacturing costs.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung leuchtet ein von einer Fokusposition ausgehendes Strahlenbündel das Detektorsystem nur teilweise aus. Dadurch ist ein nicht di rekt von dem Strahlenbündel getroffener Bereich des Detektor systems vorteilhaft zur Messung von Streustrahlung verwend bar. Das so gemessene Signal läßt sich vorteilhaft zur Kor rektur der von den übrigen Detektorelementen erzeugten Si gnale heranziehen. Streustrahlungsartefakte sind somit ver meidbar oder zumindest reduzierbar. Darüber hinaus kann der nicht direkt vom Strahlenbündel getroffene Bereich des Detek torsystems zur Bestimmung der Fokusposition relativ zum Ge häuse der Strahlenquelle verwendet werden. Dies ermöglicht eine exakte Regelung der Fokusposition. Ist die Strahlengeo metrie so eingestellt, daß das eingeblendete Strahlenbündel vollständig von dem Detektorsystem erfaßt wird, aber nicht zu jedem Zeitpunkt die gesamte Detektorfläche genutzt wird, dann ist dafür einerseits eine verhältnismäßig große Detektorflä che erforderlich, andererseits ist die applizierte Strahlen dosis gut verwertbar. Alternativ wird das Detektorsystem wäh rend der Abtastung teilweise überstrahlt, wodurch die gesamte Detektorfläche zu jedem Zeitpunkt genutzt werden kann. Dann ist jedoch nicht die gesamte Strahlung, die das Untersu chungsobjekt durchdrungen hat, vom Detektorsystem erfaßbar.According to a further embodiment of the invention lights up a beam of rays emanating from a focus position Detector system only partially. This makes a non-di area of the detector hit directly by the beam systems used advantageously for measuring scattered radiation bar. The signal measured in this way can advantageously be used with the cor rectification of the Si generated by the other detector elements pull gnale. Scattered radiation artifacts are thus ver avoidable or at least reducible. In addition, the Area of the detector not directly hit by the beam torsystems for determining the focus position relative to the Ge housing of the radiation source can be used. this makes possible an exact regulation of the focus position. Is the ray geo metry set so that the superimposed beam is completely detected by the detector system, but not too the entire detector area is used at any time, then is on the one hand a relatively large detector area che required, on the other hand, the applied radiation dose well usable. Alternatively, the detector system is selected partially overexposed during the scan, which means the entire Detector area can be used at any time. Then however, is not all of the radiation that the subs Object penetrated, detectable by the detector system.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beige fügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:The invention is illustrated below with reference to the beige added drawings. Show it:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes CT-Gerät in teilweise block schaltbildartiger Darstellung, Fig. 1 shows an inventive CT apparatus, in partial block diagram, of
Fig. 2 das Meßsystem eines CT-Geräts gemäß Fig. 1, Fig. 2, the measurement system of a CT apparatus according to Fig. 1,
Fig. 3 einen Ausschnitt einer Röntgenröhre mit Drehanode, Fig. 3 shows a detail of a X-ray tube with rotating anode,
Fig. 4 einen Ausschnitt einer Röntgenröhre mit Drehanode, bei der die Fokusposition in z-Richtung sowie ϕ-Richtung ver stellbar ist, Fig. 4 shows a detail of a X-ray tube with rotating anode, in which the focus position in the z direction, and φ-direction is adjustable ver,
Fig. 5 einen Ausschnitt einer Röntgenröhre mit abgestufter Drehanode, Fig. 5 shows a detail of a X-ray tube with graduated rotary anode,
Fig. 6 ein Meßsystem zur gleichzeitigen Aufnahme zweier Schichten und Fig. 6 shows a measuring system for the simultaneous recording of two layers and
Fig. 7 ein Meßsystem, dessen Detektorsystem nicht vollstän dig ausgeleuchtet ist. Fig. 7 shows a measuring system, the detector system is not fully illuminated dig.
In Fig. 1 ist grob schematisch ein erfindungsgemäßes CT-Gerät dargestellt, das eine Strahlenquelle 1, z. B. eine Röntgen röhre, mit einem Fokus F aufweist, von dem ein durch eine röhrenseitige Strahlenblende 2 eingeblendetes, pyramiden förmiges Strahlenbündel S ausgeht, das ein Untersuchungsob jekt 3, beispielsweise einen Patienten, durchsetzt und auf ein Detektorsystem 4 trifft. Dieses weist ein Array aus meh reren zueinander parallelen Zeilen 5 und mehreren zueinander parallelen Spalten 6 von Detektorelementen 7 auf. Die Strah lenquelle 1 und das Detektorsystem 4 bilden ein Meßsystem 1, 4, das um eine Systemachse 8 verlagerbar ist. Das Meßsystem 1, 4 und das Untersuchungsobjekt 3 sind entlang der System achse relativ zueinander verschiebbar, so daß das Untersu chungsobjekt 3 unter verschiedenen Projektionswinkeln α und verschiedenen z-Positionen längs der Systemachse 8 durch strahlt wird. Aus den dabei auftretenden Ausgangssignalen der Detektorelemente 7 des Detektorsystems 4 bildet ein Datenerfassungssystem 9 Meßwerte, die einem Rechner 10 zuge führt werden, der ein Bild des Untersuchungsobjekts 3 be rechnet, das auf einem Monitor 11 wiedergegeben wird.In Fig. 1, a CT device according to the invention is shown roughly schematically, which a radiation source 1 , z. B. has an X-ray tube, with a focus F, from which a faded in through a tube-side radiation diaphragm 2 , pyramid-shaped beam of rays S, which passes through a test object 3 , for example a patient, and strikes a detector system 4 . This has an array of a plurality of mutually parallel rows 5 and a plurality of mutually parallel columns 6 of detector elements 7 . The radiation source 1 and the detector system 4 form a measuring system 1 , 4 which can be displaced about a system axis 8 . The measuring system 1 , 4 and the examination object 3 can be displaced relative to one another along the system axis, so that the examination object 3 is radiated through at different projection angles α and different z positions along the system axis 8 . From the resulting output signals of the detector elements 7 of the detector system 4 , a data acquisition system 9 forms measured values which are fed to a computer 10 , which calculates an image of the examination object 3 , which is displayed on a monitor 11 .
Gemäß der Erfindung ist der Fokus F während der Abtastung re lativ zum Gehäuse der Strahlenquelle 1 periodisch unter schiedlichen z-Positionen längs der Systemachse zugeordnet. Von den Fokussen F(Z1), F(Z2) an unterschiedlichen z-Positio nen geht je ein Strahlenbündel S(Z1), S(Z2) aus, so daß das Meßsystem 1, 4 unabhängig von der Relativbewegung zwischen der Strahlenquelle 1 und dem Untersuchungsobjekt 3 während der Abtastung in z-Richtung versetzte, jedoch dicht beieinan derliegende bzw. sich überlappende Körperschichten aufnimmt.According to the invention, the focus F is periodically assigned to the housing of the radiation source 1 periodically under different z positions along the system axis during the scanning. From the foci F (Z1), F (Z2) at different z positions, one beam S (Z1), S (Z2) is emitted, so that the measuring system 1 , 4 is independent of the relative movement between the radiation source 1 and the Examination object 3 displaced in the z direction during the scan, but takes up body layers lying close to or overlapping one another.
Das Röntgen-CT-Gerät nach Fig. 1 kann sowohl zur Sequenzabta stung als auch zur Spiralabtastung eingesetzt werden. Bei der Sequenzabtastung erfolgt eine schichtweise Abtastung des Un tersuchungsobjekt 3. Dabei wird die Strahlenquelle 1 bezüg lich der Systemachse 8 um das Untersuchungsobjekt 3 verla gert, und das Meßsystem 1, 4 nimmt eine Vielzahl von Projek tionen auf, um ein zweidimensionales Schnittbild einer Schicht des Untersuchungsobjekts 3 aufbauen zu können. Zwi schen der Abtastung aufeinanderfolgender Schichten wird das Untersuchungsobjekt 3 relativ zum Meßsystem 1, 4 jeweils in eine neue z-Position bewegt. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis alle Schichten, die den zu rekonstruierenden Bereich einschließen, erfaßt sind.The X-ray CT device according to FIG. 1 can be used both for sequence scanning and for spiral scanning. During the sequence scanning, the examination object 3 is scanned in layers. The radiation source 1 is bezüg Lich the system axis Gert 8 verla about the examination object 3, and the measuring system 1, 4 assumes a plurality of functions on projek to be able to build a two-dimensional sectional image of a slice of the examination object. 3 Between the scanning of successive slices, the examination object 3 is moved relative to the measuring system 1 , 4 in each case into a new z position. This process is repeated until all layers, which enclose the area to be reconstructed, are covered.
Während der Spiralabtastung bewegt sich das Meßsystem 1, 4 relativ zum Untersuchungsobjekt 3 kontinuierlich auf einer Spiralbahn, so lange, bis der zu rekonstruierende Bereich vollständig erfaßt ist. Dabei wird ein Volumendatensatz gene riert. Der Rechner 10 berechnet daraus mit einem Interpolati onsverfahren einen planaren Datensatz, aus dem sich dann wie bei der Sequenzabtastung die gewünschten Bilder rekonstruie ren lassen.During the spiral scanning, the measuring system 1 , 4 moves continuously on a spiral path relative to the examination object 3 until the area to be reconstructed is completely covered. A volume data record is generated. From this, the computer 10 uses an interpolation method to calculate a planar data set, from which the desired images can then be reconstructed as in the sequence scanning.
In Fig. 2 ist das Meßsystem 1, 4 mit zwei in z-Richtung ver setzten Fokussen F(Z1) und F(Z2) dargestellt, von denen die Strahlenbündel S(Z1) und S(Z2) ausgehen und auf das Detektor system 4 treffen. Aus der Zeichnung ist nur eine von mehreren Spalten 6 von Detektorelementen 7 eines fünfzeiligen Detek torsystems 4 ersichtlich. Bei der Abtastung ist zunächst der Fokus F(Z1) für ein bestimmtes Zeitintervall Ausgangspunkt der Röntgenstrahlung. Darauffolgend geht die Röntgenstrahlung für ein bestimmtes Zeitintervall vom Fokus F(Z2) aus. Während der Abtastung wird zwischen den beiden Fokussen periodisch hin- und hergeschaltet, so daß bei einer vollständigen Umdre hung der Röntgenröhre um 360° um das Untersuchungsobjekt 3 gleichzeitig zehn Schichten des Untersuchungsobjekts 3 auf nehmbar sind, die sich teilweise überlappen.In Fig. 2, the measuring system 1 , 4 with two ver in the z-direction set foci F (Z1) and F (Z2) is shown, from which the beams S (Z1) and S (Z2) emanate and on the detector system 4th to meet. From the drawing, only one of several columns 6 of detector elements 7 of a five-line detector system 4 can be seen. During the scanning, the focus F (Z1) is the starting point of the X-ray radiation for a specific time interval. The X-rays then emanate from the focus F (Z2) for a specific time interval. During the scanning is reciprocated periodically between the two foci and hergeschaltet so that when a complete Flip Cellphone ray tube hung by 360 ° around the examination object 3 at the same time ten layers of the object 3 to be detachable, which overlap partially.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand zwischen den beiden Fokussen in z-Richtung so gewählt ist, daß die ausge hend von den beiden Fokussen F(Z1) und F(Z2) erfaßten Schich ten jeweils um eine halbe Schichtdicke d in z-Richtung gegen einander versetzt sind. Die auf diese Weise verdoppelte Abtastrate führt zu einer erhöhten Auflösung in z-Richtung und zu einer Verringerung von Artefakten.It when the distance between the two foci in the z direction is selected so that the out based on the two foci F (Z1) and F (Z2) each by half a layer thickness d in the z direction are offset from one another. The one doubled in this way Sampling rate leads to an increased resolution in the z direction and a reduction in artifacts.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Variante der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Strahlenquelle 1 mit einer Kathode 12 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 13, Mitteln 14 zur Ablen kung des Elektronenstrahls sowie einer Drehanode 15. Diese Anordnung bietet eine erste Möglichkeit zur Verstellung des Fokusses F in z-Richtung. Hierzu geht von der Kathode 12 der Elektronenstrahl 13 aus, der auf die tellerförmige Drehanode 15 gerichtet ist. Die Drehanode 15 rotiert während der Abta stung kontinuierlich um die Achse 16. Die Auftrefffläche 17 des Elektronenstrahls 13 auf der Drehanode 15 ist unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Systemachse geneigt. Wird der Elektronenstrahl 13 durch die Mittel 14 zur Ablenkung des Elektronenstrahls in der gezeigten Weise abgelenkt, so hat dies eine Verschiebung der z-Position des Fokus F innerhalb der Röntgenröhre zur Folge. Beispielsweise kann durch peri odisches Aus- und Einschalten der Mittel 14 der Fokus peri odisch zwischen den Fokuspositionen F(Z1) und F(Z2) springen. Außer der Möglichkeit, mittels der Verstellung des Fokus die Abtastrate zu erhöhen, bietet dies noch den weiteren Vorteil, daß dadurch die effektive Anodenfläche vergrößert ist. Dies führt zu einer erhöhten thermischen Belastbarkeit der Rönt genröhre und ermöglicht so längere Abtastzeiten bzw. höhere Röhrenleistungen. Bei den Mitteln 14 zur Ablenkung des Elek tronenstrahls handelt es sich im Ausführungsbeispiel um zwei parallel angeordnete Platten, die mit unterschiedlichen Polen einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden sind und daher unterschiedlich geladen werden können. Die Steuerung der Spannungsquelle erfolgt mittels eines Rechners (nicht dargestellt). Fig. 3 shows a variant schematically shows the radiation source 1 shown in Figs. 1 and 2 with a cathode 12 for generating an electron beam 13, means 14 for Ablen effect of the electron beam and a rotating anode 15. This arrangement offers a first possibility for adjusting the focus F in the z direction. For this purpose, the cathode 12 emits the electron beam 13 , which is directed onto the plate-shaped rotating anode 15 . The rotary anode 15 rotates continuously around the axis 16 during scanning. The impact surface 17 of the electron beam 13 on the rotating anode 15 is inclined at a certain angle with respect to the system axis. If the electron beam 13 is deflected by the means 14 for deflecting the electron beam in the manner shown, this results in a shift in the z position of the focus F within the X-ray tube. For example, by periodically switching the means 14 off and on, the focus can jump periodically between the focus positions F (Z1) and F (Z2). In addition to the possibility of increasing the scanning rate by adjusting the focus, this has the further advantage that the effective anode area is increased as a result. This leads to an increased thermal resilience of the X-ray tube and thus enables longer scanning times or higher tube outputs. The means 14 for deflecting the electron beam are, in the exemplary embodiment, two plates arranged in parallel, which are connected to different poles of a voltage source (not shown) and can therefore be charged differently. The voltage source is controlled by means of a computer (not shown).
Aus der Fig. 4 ist eine Drehanoden-Anordnung ersichtlich, bei der der von der Kathode 12 ausgehende Elektronenstrahl 13 mit Hilfe zweier senkrecht zueinander angeordneter Platten paare 14 und 14' ablenkbar ist. Das Plattenpaar 14' bewirkt gegenüber Fig. 3 im wesentlichen eine zusätzliche Ablenkung des Fokus F in ϕ-Richtung. Der Elektronenstrahl 13 läßt sich innerhalb eines Bereiches der Auftrefffläche 17 frei positio nieren. In der Figur ist dies durch die Positionen F(Z1, ϕ1), F(Z1, ϕ2), F(Z2, ϕ1) und F(Z2, ϕ2) veranschaulicht. Der Wech sel zwischen je zwei Positionen kann schlagartig oder konti nuierlich erfolgen, wobei mit dem Elektronenstrahl 13 prinzi piell beliebige Funktionen (z. B. Sinus-Funktion) auf der Auf trefffläche 17 beschreibbar sind. Die Auflösung der mit einem CT-Gerät erzeugten Bilder, das mit einer derartigen Röntgen röhre ausgestattet ist, kann somit sowohl in z-Richtung als auch in ϕ-Richtung erhöht werden.From Fig. 4 is a rotating anode assembly is shown, in which the outgoing of the cathode 12 the electron beam 13 couples by means of two perpendicular to each other arranged panels 14 and 14 'deflected. Compared to FIG. 3, the plate pair 14 'essentially causes an additional deflection of the focus F in the ϕ direction. The electron beam 13 can freely position within a range of the impingement surface 17 . In the figure, this is illustrated by the positions F (Z1, ϕ1), F (Z1, ϕ2), F (Z2, ϕ1) and F (Z2, ϕ2). The change between two positions can be abrupt or continuous, with the electron beam 13 in principle any functions (e.g. sine function) on the contact surface 17 can be described. The resolution of the images generated with a CT device that is equipped with such an x-ray tube can thus be increased both in the z direction and in the ϕ direction.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausgestaltungsmöglichkeit der Dreh anode 15. Bei dieser ist die Auftrefffläche 17 in radialer Richtung stufenförmig ausgebildet. Dadurch ist bereits bei einer geringfügigen Ablenkung eines Elektronenstrahls durch entsprechende Mittel eine verhältnismäßig große Verstellung des Fokus in z-Richtung erreichbar. Aus dem Vergleich mit Fig. 3 wird aus der Fig. 5 eine weitere Ausgestaltungsvari ante der Röntgenröhre deutlich. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind nämlich zwei Elektronenstrahlenquellen 12 und 12' vorhanden, von denen die Elektronenstrahlen 13 und 13' ausgehen, die auf je eine Stufe der Drehanode 15 gerichtet sind. Die Mittel 15 zur Ablenkung des Elektronenstrahls gemäß Fig. 3 entfallen somit. Durch periodisches Umschalten zwi schen den Elektronenstrahlenquellen 12 und 12', beispiels weise gesteuert durch einen Rechner (nicht dargestellt), ist damit auch die z-Position des Fokus in Bezug auf das Gehäuse der Röntgenröhre veränderbar. In der Fig. 5 sind weiterhin die beiden von den Fokuspositionen F(Z1) und F(Z2) ausgehende Strahlenbündel S(Z1) und S(Z2) angedeutet. Fig. 5 shows another embodiment of the rotary anode 15th In this case, the impingement surface 17 is stepped in the radial direction. As a result, a relatively large adjustment of the focus in the z direction can be achieved even with a slight deflection of an electron beam by appropriate means. From the comparison with FIG. 3, a further embodiment variant of the X-ray tube becomes clear from FIG. 5. In the embodiment of FIG. 5, namely two electron beam sources 12 and 12 ', one of which the electron beams 13 and 13' go out that are directed to a respective stage of the rotary anode 15. The means 15 for deflecting the electron beam according to FIG. 3 are thus dispensed with. By periodically switching between the electron beam sources 12 and 12 ', for example controlled by a computer (not shown), the z position of the focus with respect to the housing of the X-ray tube can also be changed. In FIG. 5, the two beams S (Z1) and S (Z2) emanating from the focus positions F (Z1) and F (Z2) are also indicated.
Die Erfindung ist hinsichtlich der Ausgestaltung der Strah lenquelle und der Verstellung des Fokus nicht auf die gezeig ten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind noch eine Reihe weiterer Ausgestaltungsmöglichkeiten denkbar. Bei spielsweise kann eine Röntgenröhre mehr als zwei Elektronen strahlenquellen aufweisen, die auf unterschiedliche Positio nen einer Anode gerichtet sind. Durch periodisches Umschalten zwischen den Elektronenstrahlenquellen ist damit auch die Po sition des Fokus veränderbar. Weiterhin kann auch eine Rönt genröhre mit mehreren Elektronenstrahlenquellen Mittel zur Ablenkung der Elektronenstrahlen aufweisen. Die Verstellbar keit kann darüber hinaus auch mehr als zwei mögliche Fokuspo sitionen umfassen, in denen der Fokus jeweils für ein be stimmtes Zeitintervall verweilt. Auch bei der Ausgestaltung der Kathode und der Anode gibt es eine Vielzahl weiterer Mög lichkeiten, die gegenüber bekannten Anordnungen dahingehend zu erweitern sind, daß bei diesen die Verstellung des Fokus in z-Richtung gegeben ist. So kann die Anode auch scheiben förmig oder zylindermantelförmig ausgebildet sein. Auch muß es sich nicht notwendigerweise um eine Drehanode handeln.The invention is in terms of the configuration of the beam lenquelle and the adjustment of the focus not on the shown th embodiments limited. Rather, there are still one A number of other design options are conceivable. At for example, an x-ray tube can hold more than two electrons have radiation sources that point to different positions an anode. By switching periodically between the electron beam sources there is also the Po sition of focus changeable. An X-ray can also be used Gen tube with several electron beam sources Have deflection of the electron beams. The adjustable speed can also do more than two possible focus points sitions, in which the focus is for one be correct time interval lingers. Even with the design the cathode and the anode there are a variety of other possibilities similarities compared to known arrangements are to be expanded that in these the adjustment of the focus is given in the z direction. So the anode can also be disc be shaped or cylindrical jacket. Also must it is not necessarily a rotating anode.
Aus Fig. 6 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ei nes erfindungsgemäßen CT-Geräts ersichtlich. Bei dieser sind der Abstand zweier in z-Richtung versetzter Fokuspositionen F(Z1) und F(Z2) sowie die Strahlenblende 2 so eingestellt, daß die beiden Strahlenbündel S(Z1) und S(Z2) auf der System achse 8 direkt aneinandergrenzen. Damit werden bei jedem Um lauf des Meßsystems 1, 4 um 360° um das Untersuchungsobjekt 3 gleichzeitig zwei benachbarte Schichten des Untersuchungsob jekts 3 aufgenommen. Dies ist insbesondere bei der Sequenzab tastung vorteilhaft, wenn durch die Verstellbarkeit des Meß systems 1, 4 in z-Richtung im Anschluß an zwei gleichzeitig abgetastete Schichten jeweils die beiden darauffolgenden Schichten abgetastet werden. Es resultiert eine erhöhte Ab tastgeschwindigkeit bzw. Auflösung. Wie der Fig. 6 weiterhin zu entnehmen ist, weist das dargestellte Detektorsystem 4 nur eine Zeile von Detektorelementen auf (aus der gewählten Per spektive ist daher nur ein Detektorelement 7 ersichtlich). Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß trotz des Detektorsystems 4, das gemäß dem Ausführungsbei spiel nur eine Detektorzeile aufweist, gleichzeitig zwei Schichten des Untersuchungsobjekts aufnehmbar sind, indem im zeitlichen Wechsel jeweils Projektionen aus in z-Richtung versetzten Schichten gewonnen werden. From Fig. 6, a further advantageous embodiment of the inventive egg nes CT apparatus can be seen. In this, the distance between two focal positions F (Z1) and F (Z2) offset in the z direction and the beam diaphragm 2 are set so that the two beams S (Z1) and S (Z2) on the system axis 8 directly adjoin one another. In order to be added at every order of 360 ° around the examination object 3 at the same time two adjacent layers of the Untersuchungsob jekts 3 4 run of the measuring system 1,. This is particularly advantageous in the case of sequence scanning if, due to the adjustability of the measuring system 1 , 4 in the z direction following two simultaneously scanned layers, the two subsequent layers are scanned. The result is an increased scanning speed or resolution. As can also be seen from FIG. 6, the illustrated detector system 4 has only one row of detector elements (therefore, only one detector element 7 can be seen from the perspective chosen). Another advantage of this arrangement can be seen in the fact that despite the detector system 4 , which according to the exemplary embodiment has only one detector line, two layers of the examination object can be recorded simultaneously by alternating projections from layers offset in the z direction.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten, erfindungsgemäßen CT-Gerät mit einem Meßsystem 1, 4 sind zwei Fokuspositionen F(Z1) und F(Z2) ersichtlich, von denen die von der Strahlenblende 2 eingeblendeten Strahlenbündel S(Z1) bzw. S(Z2) ausgehen. Diese leuchten jedoch das Detektorsystem 4 nur zum Teil aus. Dann ist ein nicht direkt ausgeleuchteter Bereich des Detek torsystems 4 dazu verwendbar, um einerseits die Streustrah lung zu erfassen und zu messen und andererseits, um die exakte Position des Fokus zu bestimmen. Mittels der zuletzt genannten Möglichkeit kann eine Regelung der Fokusposition erfolgen. Hierzu wird von einem Rechner (nicht dargestellt) erfaßt, welche Detektorelemente zu einem gegebenen Zeitpunkt von dem Strahlenbündel S getroffen werden und welche nicht getroffen werden. Aufgrund der geometrischen Anordnung von Strahlenquelle 1, Strahlenblende 2 und Detektorsystem 4 be stimmt der Rechner die augenblickliche Position des Fokus F und korrigiert diese gegebenenfalls, beispielsweise durch Be einflussung der Mittel 14 zur Ablenkung des Elektronenstrahls wie in der Fig. 3 veranschaulicht.In the example shown in Fig. 7, CT device according to the invention with a measuring system 1, 4 two focus positions F are visible (Z1) and F (Z2), of which the on-screen by the radiation diaphragm 2 beam S (Z1) or S (Z2 ) going out. However, these only partially illuminate the detector system 4 . Then a not directly illuminated area of the detector system 4 can be used to detect and measure the scattered radiation on the one hand and on the other hand to determine the exact position of the focus. The last position can be used to regulate the focus position. For this purpose, a computer (not shown) detects which detector elements are hit by the beam S at a given time and which are not hit. Due to the geometrical arrangement of radiation source 1 , beam aperture 2 and detector system 4 , the computer determines the current position of focus F and corrects it if necessary, for example by influencing means 14 for deflecting the electron beam, as illustrated in FIG. 3.
Im Falle der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele handelt es sich um CT-Geräte der dritten Generation, d. h. die Röntgenstrahlenquelle und der Detektor rotieren während der Bilderzeugung gemeinsam um die Systemachse. Die Erfindung kann aber auch bei CT-Geräten der vierten Generation, bei de nen nur die Röntgenstrahlenquelle rotiert und mit einem fest stehenden Detektorring zusammenwirkt, Verwendung finden.In the case of the exemplary embodiments described above are third generation CT devices, i.e. H. the X-ray source and the detector rotate during the Imaging together around the system axis. The invention can also be used with fourth generation CT devices, de only the x-ray source rotates and with a solid standing detector ring interacts, find use.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen die medizinische Anwendung von erfindungsgemäßen CT-Geräten. Die Erfindung kann jedoch auch außerhalb der Medizin, bei spielsweise bei der Gepäckprüfung oder bei der Materialunter suchung, Anwendung finden.The exemplary embodiments described above relate to the medical application of CT devices according to the invention. However, the invention can also be used outside of medicine for example, when checking baggage or with material sub search, find application.
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