DE102006041033A1

DE102006041033A1 - Verfahren zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens und Röntgengeräte

Info

Publication number: DE102006041033A1
Application number: DE102006041033A
Authority: DE
Inventors: Benno Dr. Heigl; Stefan Hoppe; Joachim Prof. Hornegger; Ernst-Peter Rührnschopf; Holger Scherl; Bernhard Dr. Scholz; Michael Dr. Zellerhoff
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-09-02
Also published as: JP5546098B2; US20080089468A1; CN101133962A; US7711083B2; CN101133962B; JP2008055171A; JP2013066791A; DE102006041033B4; JP5744075B2

Abstract

Um auch im Falle großer interessierender Bereiche und bei Abtastbahnen unter 360° eine artefaktfreie Rekonstruktion zu ermöglichen, ist ein Verfahren, bei welchem ein dreidimensionales Bildvolumen aus mehreren zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs, welche während einer Rotation eines Aufnahmesystems, aufweisend eine Röntgenquelle mit einem Fokuspunkt und einen Detektor, um den interessierenden Bereich aufgenommen wurden, rekonstruiert wird, indem die Grauwerte der Voxel des Bildvolumens durch Rückprojektioon der Projektionsbilder berechnet werden, vorgesehen, bei dem jedes zweidimensionale Projektionsbild aus jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbildern zu einem erweiterten zweidimensionalen Projektionsbild zusammengesetzt wird, wobei die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder bei konstanter Relativposition zwischen dem Fokuspunkt und dem interessierenden Bereich aufgenommen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens aus zweidimensionalen Projektionsbildern eines Objekts gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Röntgengerät zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 18 und ein weiteres Röntgengerät zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 19.
Bei der derzeitigen dreidimensionalen Kegelstrahlrekonstruktion mit Hilfe von C-Bogen Anlagen tritt bei der Untersuchung gewisser Köperregionen (wie z.B. Abdomen oder Brust), welche eine durch die Aufnahmegeometrie (Detektorabmessung und Brennweite) festgelegte Maximalbreite überschreiten, das so genannte Wide Object Problem auf. Ein für die 3D Rekonstruktion mittels gefilterter Rückprojektion entscheidender Verarbeitungsschritt ist die Filterung der Projektionsdaten entlang von Linien, welche horizontal oder annähernd horizontal im Detektor verlaufen.
Aufgrund der nichtlokalen Natur des Filterkerns (wie z.B. Rampenfilter oder Hilbertfilter) müssen die Filterlinien die gesamte Projektion des Untersuchungsbereiches durchlaufen und dürfen dabei nicht abgeschnitten sein, selbst wenn nur ein Teil des interessierenden Bereichs (Region of Interest, ROI) rekonstruiert werden soll. Die beschränkte Detektorbreite führt jedoch in vielen Aufnahmen zu transaxial abgeschnittenen Projektionen des interessierenden Bereichs, da dieser vom Sichtfeld (Field of View = FoV) nicht vollständig abgedeckt werden kann. Dies zieht abgeschnittene Filterlinien in diesen Projektionen nach sich. Die Folge sind starke Rekonstruktionsartefakte, zum Beispiel so genannte Truncation Artefakte, welche das Ergebnis verfälschen und dessen qualifizierte Diagnose behindern, erschweren oder nicht möglich machen.
Das so genannte Wide Object Problem betrifft nahezu alle derzeitigen Rekonstruktionsalgorithmen, welche auf der Basis der gefilterten Rückprojektion arbeiten (FBP-Algorithmen), und das ist die große Mehrheit. Dies gilt insbesondere für den Feldkampalgorithmus, der für eine kreisförmige Abtastbahn des Fokuspunkts ausgelegt ist und aus L.A. Feldkamp, L.C. Davis, J.W. Kreis: Practical Cone-Beam Algorithm, J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 1, Nr. 6, S. 612–619, bekannt ist. Neuere exakte Rekonstruktionsverfahren (wie beispielsweise aus A. Katsevich: „Image Reconstruction for the Circle and Arc Trajectory", Physics in Medicine and Biology, Vol. 50, S. 2249–2265, April 2005 und aus J. Pack, F. Noo: „Cone-Beam Reconstruction Using 1D Filtering Along the Projection of M-Lines", Inverse Problems, Vol. 21, S. 1105–1120, April 2005 bekannt) fordern erweiterte Bahnkurven zur Abtastung (wie z.B. Kreis-und-Line, Kreis-und-Kreisbogen), weisen aber dieses Problem auch auf. Eine tragfähige Lösung für das Wide Object Problem wäre somit ein wichtiger und zentraler Beitrag zur Lösung von Rekonstruktionsproblemen in der Computertomographie.
Backprojection Filtration (BPF) Verfahren, welche die Filterung im Objektraum erst nach der Rückprojektion durchführen und nur lokale Berechnungsschritte auf den Projektionsdaten zulassen, können bis zu einem gewissen Grad mit abgeschnittenen Projektionen umgehen. Dies wurde am Beispiel einer helixförmigen (J. Pack, F. Noo, R. Clackdoyle: "Cone-Beam Reconstruction Using the Backprojection of Locally Filtered Projections" IEEE Transactions an Medical Imaging, Vol. 24, Nr. 1, S. 70–85, Januar 2005; E.Y. Sidky, Y. Zou, X. Pan: "Minimum Data Image Reconstmction Algorithrns with Shift-Invariant Filtering for Helical, Cone-Beam CT", Physics in Medicine and Biology, Vol. 50, S. 1643–1657, 2005) und einer kreisförmigen (L. Yu, D. Xia, Y. Zou, X. Pan, C. Pelizzari, P. Munro: "Region of Interest Reconstruction from Truncated Data in Circular Cone-Beam CT", Proceedings of the SPIE, Vol. 5747, S. 412–418, 2005) Bahnkurve zur Abtastung für die Kegelstrahlrekonstruktion demonstriert. Der BPF Ansatz löst in einigen Fällen das Problem der abgeschnittenen Projektionen und ermöglicht eine artefaktfreie Rekonstruktion einer ROI innerhalb des Untersuchungsbereiches.
Außerdem ist ein aus dem BPF Ansatz abgeleitetes FBP Verfahren bekannt (E.Y. Sidky, Y. Zou, X. Pan: „A Minimum Data FBP-Type Algorithm for Image Reconstruction in Cone-Beam CT", Eighth International Meeting an Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine, Salt Lake City, Utah, 6–9 Juli, 2005), welches ähnliche Eigenschaften aufweist. Die Region of Interest ist jedoch auf das Sichtfeld (FoV) beschränkt, so dass auch mit diesen Methoden häufig nicht der komplette interessierende Bereich (wie z.B. Abdomen eines großen Patienten) rekonstruiert werden kann.
Es existieren aber auch Verfahren, die das Sichtfeld (FoV) vergrößern. Als Beispiel sei hier die Detektorversatz-Methode genannt, bei der der Detektor nicht mehr symmetrisch bezüglich der optischen Achse, sondern mit einem gewissen Versatz angeordnet ist (V. Liu, N.R. Lariviere, G. Wang: „X-ray Micro-CT with a Displaced Detector Array: Application to helical cone-beam reconstruction", Medical Physics, Vol. 30, Nr. 10, S. 2758–2761, Oktober 2003). Allerdings fordert die Detektorversatz-Methode eine kreis- oder spiralförmige Bahnkurve zur Abtastung über einen Winkelbereich von mindestens 360 Grad. Darüber hinaus stellt dieses Verfahren bei Kegelstrahlgeometrie eine approximative Sichtfeld(FOV)-Vergrößerung dar und führt daher bei großen Kegelwinkeln zu Artefakten.
Ein ähnlicher Ansatz ist die Schätzung (Extrapolation) von abgeschnittenen Projektionsdaten. In P.S. Cho, A.D. Rudd, R.H. Johnson: „Cone-Beam CT from Width-Truncated Projections", Computerized Medical Imaging and Graphics, Vol. 20, Nr. 1, S. 49–57, 1996) werden die fehlenden Linienintegrale basierend auf approximativen Annahmen ergänzt (wie z.B. der Quasi-Redundanz gegenüberliegender Strahlen, wobei der Kegelwinkel ignoriert wird). Auch bei dieser Methode ist eine Bahnkurve zur Abtastung von 360° nötig. Im Speziellen wird das letztgenannte Verfahren als Erweiterung des FDK Algorithmus verstanden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens aus zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs bereitzustellen, welches auch im Falle großer interessierender Bereiche und auch bei Abtastbahnen unter 360° eine artefaktfreie Rekonstruktion ermöglicht; des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Röntgengerät bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens aus zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs gemäß dem Patentanspruch 1 und von einem Röntgengerät gemäß dem Patentanspruch 18 und von einem Röntgengerät gemäß dem Patentanspruch 19; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die begrenzte Detektorfläche und damit das begrenzte Sichtfeld (FoV) erweitert werden, indem zwei (oder mehr) sich unterscheidende einzelne Projektionsbilder gemacht werden, die zu einem erweiterten Projektionsbild zusammensetzbar sind. Dadurch ist der gesamte interessierende Bereich (ROI) darstellbar.
Die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder werden bei konstanter Relativposition zwischen dem Fokuspunkt und dem interessierenden Bereich aufgenommen. Unter konstanter Relativposition ist hierbei zu verstehen, dass ein Dreieck, welches durch zwei Punkte im interessierenden Bereich und den Fokuspunkt aufgespannt wird, eine konstante Größe aufweist.
Die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder sind außerdem derart, dass die jeweiligen Röntgenstrahlen zur Be lichtung der mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder zu einem zusammenhängenden, den interessierenden Bereich abdeckenden erweiterten Röntgenstrahl zusammensetzbar sind.
Nach einer ersten Alternative der Erfindung unterscheiden sich die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder hinsichtlich eines Drehwinkels, den das Aufnahmesystem um den Fokuspunkt oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt gedreht wird, während der Fokuspunkt und der interessierende Bereich ortsfest sind. So rotiert das Aufnahmesystem zur Aufnahme der zweidimensionalen Projektionsbilder nicht nur um ein erstes Rotationszentrum, welches im Allgemeinen in den interessierenden Bereich gelegt wird, um so für verschiedene Kurvenpunkte des Fokuspunkts ein Projektionsbild zu erstellen, sondern es existiert zusätzlich ein zweites Drehzentrum in der Röntgenquelle, insbesondere in deren Fokuspunkt, so dass für jeden Kurvenpunkt mindestens zwei einzelne Projektionsbilder aufnehmbar sind.
Dadurch wird auf einfache und aufwandsarme Weise der Bereich erweitert, der von allen Kurvenpunkten der Abtast-Bahnkurve aus in zweidimensionalen Projektionsbildern abgebildet und damit auch artefaktfrei dreidimensional rekonstruiert werden kann. Die Abtast-Bahnkurve oder Trajektorie wird dabei von der Bahn des Röntgenfokus definiert.
Es werden an jedem Kurvenpunkt der Trajektorie zwei (oder mehr) einzelne Projektionsbilder gemacht. Der Unterschied zwischen den einzelnen Aufnahmen besteht darin, dass das Aufnahmesystem unterschiedliche Drehwinkel um die Röntgenquelle, insbesondere den Fokuspunkt der Röntgenquelle, einnimmt. Die Drehung des Aufnahmesystems aus Röntgenquelle und Röntgendetektor um die Röntgenquelle erlaubt damit die Akquisition zusätzlicher Bildinformation aus der Röntgenstrahlung.
Zwischen den einzelnen Projektionsbildern entsteht dadurch ein homographischer Zusammenhang, welcher ausgenutzt werden kann, um die einzelnen Projektionsbilder mittels Rektifizie rung zu einem großen erweiterten Projektionsbild zusammenzusetzen. Dies gilt sowohl für die Fächerstrahl- als auch für die Kegelstrahlgeometrie. Auf diese Weise wird der Detektor virtuell erweitert, teilweise bis auf ein vielfaches seiner realen Breite. Durch den derart vergrößerten FoV können die betroffenen Körperregionen vollständig erfasst werden.
Eine Homographie ist dabei eine Abbildungsvorschrift, durch die Punkte von einem 2D-Koordinatensystem in ein anderes 2D-Koordinatensystem überführt werden. Immer dann, wenn zwei oder mehrere Ebenen ein Strahlenbündel schneiden, besteht zwischen den korrespondierenden Schnittpunkten der unterschiedlichen Ebenen ein homographischer Zusammenhang. Werden die Punkte in homogenen Koordinaten ausgedrückt, kann diese Beziehung als lineare Abbildung x' = H'x formuliert werden, wobei x den ursprünglichen Punkt, x' den transformierten Punkt und die 3×3 Matrix H' die homographische Transformation selbst bezeichnet. Das Zusammensetzen der mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder kann dabei auch als Aufbau eines gegenüber dem tatsächlichen Röntgendetektor erweiterten virtuellen Detektors bezeichnet werden. Dies gilt unabhängig davon, nach welcher Alternative der Erfindung die zwei oder mehreren einzelnen Projektionsbilder aufgenommen worden sind.
Nach einer zweiten Alternative der Erfindung unterscheiden sich die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder hinsichtlich eines Drehwinkels, den der interessierende Bereich um den Fokuspunkt oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt gedreht wird, während der Fokuspunkt und das Aufnahmesystem ortsfest sind.
Nach einer dritten Alternative der Erfindung unterscheiden sich die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder darin, dass sowohl der Fokuspunkt als auch der interessierende Bereich bei konstanter Relativposition zueinander unterschiedlich positioniert sind und das Aufnahmesystem um den Fokuspunkt oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt gedreht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. dessen alternative Ausgestaltungen erlauben zum einen die komplette artefaktfreie Rekonstruktion größerer Körperregionen wie Abdomen oder Brust, die aufgrund der beschränkten Detektorfläche bislang nicht möglich war. Andererseits kann vermieden werden, dass abgeschnittene Projektionsbilder bei der Rekonstruktion des interessierenden Bereichs, bei der nur ein Teil der gesamten Körperregion rekonstruiert wird, zu schweren Rekonstruktionsartefakten führen. Überdies ist das erfindungsgemäße Verfahren mit allen Rekonstruktionsalgorithmen, bei denen abgeschnittene Projektionsbilder Artefakte verursachen, sinnvoll kombinierbar und soll als Erweiterung dieser verstanden werden. Dies gilt insbesondere für den Algorithmus von Feldkamp, Davis und Kress, der in heutigen C-Bogen-Anlagen standardmäßig eingesetzt wird, da dieser bei einer kreisförmigen Abtastbahn (Trajektorie) horizontale Filterlinien aufweist.
Ein entscheidender Vorteil bei der Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit bekannten (approximativen oder exakten) Rekonstruktionsalgorithmen ist, dass diese dabei nicht modifiziert werden müssen. Der virtuelle Detektor kann als Vorverarbeitungsschritt aufgebaut werden, d.h. die für die Rekonstruktion verwendeten erweiterten Projektionsbilder werden vor der eigentlichen Rekonstruktion aus den zwei oder mehreren einzelnen Projektionsbildern zusammengesetzt und anschließend für die Rekonstruktion verwendet. Lediglich das Aufnahmeprotokoll, also die Aufnahme-Abfolge der einzelnen Projektionsbilder, ist entsprechend zu modifizieren. Zusätzlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für flache sowie gekrümmte Detektoren und ist sowohl bei Fächerstrahl- als auch bei Kegelstrahlgeometrie anwendbar.
In vorteilhafter Weise für ein aufwandsarmes Verfahren werden jeweils genau zwei einzelne Projektionsbilder erstellt und zu einem erweiterten Projektionsbild zusammengesetzt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die jeweiligen Drehwinkel der mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder in einer Ebene angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Zusammensetzen der Projektionsbilder zu dem erweiterten Projektionsbild erleichtert wird.
In vorteilhafter Weise für ein einfaches Zusammensetzen der mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder liegt die Drehung des Aufnahmesystems oder des interessierenden Bereichs um den Fokuspunkt oder eine Drehachse durch den Fokuspunkt im Wesentlichen in der Rotationsebene des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich, was gleichbedeutend mit einer Drehung (Kippung) um eine Drehachse, die orthogonal zur Rotationsebene des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich durch den Fokuspunkt führt, ist. Besonders vorteilhaft hat sich hierbei erwiesen, wenn ein erstes Projektionsbild bei einem ersten Drehwinkel des Aufnahmesystems um den Fokuspunkt oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt und ein zweites Projektionsbild bei einem zweiten Drehwinkel des Aufnahmesystems um den Fokuspunkt oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt aufgenommen wird, wobei der erste Drehwinkel dem negativen zweiten Drehwinkel entspricht. Bezugspunkt ist hierbei eine Mittelposition, die dadurch definiert ist, dass ein Lot vom Fokus der Röntgenquelle auf den Röntgendetektor die Rotationsachse des Aufnahmesystems schneidet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die einzelnen, jeweils zusammenzusetzenden Projektionsbilder eine Überlappung zueinander von mehr als 0% und weniger als 50%, insbesondere weniger als 10%, auf. Durch eine Überlappung von mehr als 0% wird ein Zusammensetzen der einzelnen Projektionsbilder erleichtert, da anhand von doppelt gemessenen Bildpunkten eine Anpassung und Glättung bei Unstetigkeiten oder Abweichungen vorgenommen werden kann. Gleichzeitig wird durch eine Überlappung von weniger als 50% und insbesondere von weniger als 10% vermieden, dass ein Patient unnötiger Strahlung ausgesetzt wird.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass eine Überlappung abhängig von dem Objekt, insbesondere dessen Größe, eingestellt wird. Hierdurch kann eine besonders gute Ausnutzung der Röntgenstrahlung erfolgen, wenn je nach Höhe und Breite des Objektes möglichst wenig Röntgenstrahlung ungenutzt an dem Objekt vorbeistrahlt.
Für die Aufnahme-Abfolge der einzelnen Projektionsbilder in Bezug auf verschiedene Kurvenpunkte sind wiederum zwei vorteilhafte Ausgestaltungen möglich: Nach einer ersten Ausgestaltung ist die Aufnahme-Abfolge der Projektionsbilder derart, dass bei einem ersten Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich alle ersten einzelnen Projektionsbilder und anschließend bei einem zweiten Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich alle zweiten einzelnen Projektionsbilder aufgenommen werden, wobei jedes erste Projektionsbild mit je einem zweiten Projektionsbild zusammengesetzt wird.
Nach einer zweiten Ausgestaltung ist die Aufnahme-Abfolge der Projektionsbilder derart, dass die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder, die zu jeweils einem erweiterten zweidimensionalen Projektionsbild zusammengesetzt werden, bei einem einzigen Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich jeweils in direkter Folge aufgenommen werden.
Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der ersten Alternative geeignetes Röntgengerät weist ein Aufnahmesystem, enthaltend eine Strahlungsquelle und einen Röntgendetektor, zur Aufnahme von zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs, wobei das Aufnahmesystem um ein erstes Rotationszentrum zwischen der Strahlungsquelle und dem Röntgendetektor und um ein zweites Drehzentrum in dem Fokuspunkt der Strahlungsquelle oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt der Strahlungsquelle, drehbar ist, und eine Steuer- und Recheneinheit zur Rekonstruktion eines drei dimensionalen Bildvolumens aus den zweidimensionalen Projektionsbildern, auf.
Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der zweiten Alternative geeignetes Röntgengerät weist ein Aufnahmesystem, enthaltend eine Strahlungsquelle und einen Röntgendetektor, zur Aufnahme von zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs, wobei das Aufnahmesystem um ein erstes Rotationszentrum zwischen der Strahlungsquelle und dem Röntgendetektor drehbar ist, eine räumlich dreidimensional verstellbare, insbesondere um den Fokuspunkt drehbare, Liegevorrichtung zur Lagerung des interessierenden Bereichs, und eine Steuer- und Recheneinheit zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens aus den zweidimensionalen Projektionsbildern, auf.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der dritten Alternative ist ein ähnliches Röntgengerät wie das zur Durchführung der zweiten Alternative geeignet, wobei die Liegevorrichtung nicht um den Fokuspunkt drehbar, sondern lediglich zweidimensional in der Rotationsebene des Aufnahmesystems verschiebbar sein muss.
Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Röntgengerät ausgeführt, bei dem das Aufnahmesystem direkt oder mittels eines Trägers an einem Industrieroboter bzw. Knickarmroboter angeordnet ist oder bei dem die Liegevorrichtung an einem Industrieroboter bzw. Knickarmroboter angeordnet ist. Mittels eines derartigen Röntgengerätes können beliebige Bewegungen im Raum auf einfache Weise durchgeführt werden.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein C-Bogen Röntgensystem nach dem Stand der Technik;
2 eine Geometrie einer abgeschnittenen Projektion eines Patienten unter Verwendung eines gekrümmten Röntgendetektors;
3 eine Geometrie einer abgeschnittenen Projektion eines Patienten unter Verwendung eines flachen Röntgendetektors;
4 eine Geometrie einer erfindungsgemäß aus zwei aneinandergrenzenden Projektionen zusammengesetzten erweiterten Projektion unter Verwendung eines gekrümmten Röntgendetektors;
5 eine Geometrie einer erfindungsgemäß aus zwei aneinandergrenzenden Projektionen zusammengesetzten erweiterten Projektion unter Verwendung eines flachen Röntgendetektors;
6 eine Geometrie einer erfindungsgemäß aus zwei überlappten Projektionen zusammengesetzten erweiterten Projektion unter Verwendung eines gekrümmten Röntgendetektors;
7 eine Geometrie einer erfindungsgemäß aus zwei überlappten Projektionen zusammengesetzten erweiterten Projektion unter Verwendung eines flachen Röntgendetektors;
8 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens aus zusammengesetzten Projektionsbildern;
9 ein Aufnahmeprotokoll für kreisförmige Kurvenbahnen zur Aufnahme der Projektionsbilder;
10 ein weiteres Aufnahmeprotokoll für kreisförmige Kurvenbahnen zur Aufnahme der Projektionsbilder;
11 ein weiteres Aufnahmeprotokoll für kreisförmige Kurvenbahnen zur Aufnahme der Projektionsbilder;
12 ein Ausschnitt aus einer Bahnkurve mit zwei Projektionsrichtungen des Aufnahmesystems mit unterschiedlichen Drehwinkeln;
13 ein erfindungsgemäßes Röntgensystem mit einem rotierbaren C-Bogen und drehbarem Aufnahmesystem;
14 ein weiteres erfindungsgemäßes Röntgensystem mit einem Knickarmroboter;
15 eine Projektionsgeometrie im Falle einer Bewegung des interessierenden Bereichs um den Röntgenfokus in dessen Rotationsebene, mit dem interessierenden Bereich in einer ersten Position;
16 eine Projektionsgeometrie im Falle einer Bewegung des interessierenden Bereichs um den Röntgenfokus in dessen Rotationsebene, mit dem interessierenden Bereich in einer zweiten Position
17 ein Ausschnitt aus einer Bahnkurve mit zwei Projektionsrichtungen des Aufnahmesystems mit unterschiedlichen Drehwinkeln des interessierenden Bereichs;
18 eine Projektionsgeometrie im Falle einer Bewegung sowohl des interessierenden Bereichs als auch des Aufnahmesystems zwischen zwei einzelnen zusammenzusetzenden Projektionsbildern;
19 eine weitere Projektionsgeometrie im Falle einer Bewegung sowohl des interessierenden Bereichs als auch des Aufnahmesystems zwischen zwei einzelnen zusammenzusetzenden Projektionsbildern;
20 ein Ausschnitt aus zwei Rotationsumläufen im Falle einer Bewegung sowohl des interessierenden Bereichs als auch des Aufnahmesystems zwischen zwei einzelnen zusammenzusetzenden Projektionsbildern
21 ein Zusammenhang zwischen den einzelnen Projektionsbildern und dem virtuellen Detektor;
22 eine räumliche Darstellung des detektorbasierten Ansatzes zum Aufbau des virtuellen Detektors;
23 eine räumliche Darstellung des filterlinienbasierten Ansatzes zum Aufbau des virtuellen Detektors.
In 1 ist schematisch ein C-Arm Röntgensystem 1 dargestellt, welches einen C-Bogen 2 aufweist, an dem einander gegenüberliegend eine Röntgenquelle 3 und ein Röntgendetektor 4 im Allgemeinen in fester Ausrichtung befestigt sind. Bei dem Röntgendetektor 4 kann es sich um einen flachen oder einen gekrümmten Röntgendetektor 4 zum Beispiel auf Festkörperbasis handeln. Ein solcher Röntgendetektor 4 kann zum Beispiel einen Szintillator und eine Detektormatrix mit Pixelelementen aufweisen. Die Röntgenquelle 3 erzeugt einen Röntgenstrahl 13. Der C-Bogen kann um einen auf einer Patientenliege 6 befindlichen interessierenden Bereich 5, zum Beispiel den Patienten, rotiert (anguliert) werden, zum Beispiel indem er um eine erste Rotationsachse 11 in Pfeilrichtung 12 rotiert wird. Dabei werden für verschiedene Winkelstellungen aus den jeweiligen Projektionsrichtungen des Aufnahmesystems 2-D Projektionsbilder aufgenommen. Der interessierende Bereich 5 wird hier derart angeordnet, dass sein Mittelpunkt auf der Rotationsachse 11 liegt.
Die so erhaltenen 2-D Projektionsbilder werden an eine Steuer- und Recheneinheit 7 weitergeleitet, welche mindestens ei nen Datenspeicher 8 und ein Rechenmodul 9 mit einem Prozessor oder dergleichen umfasst. Die Rekonstruktion der Projektionsbilder zu 3D Volumina erfolgt in der Steuer- und Recheneinheit zum Beispiel nach einem bekannten Verfahren mittels gefilterter Rückprojektion oder Rückprojektion und Filterung. Die aufgenommenen Projektionsbilder sowie die ggf. rekonstruierten Bildvolumina können auf einem Bildschirm 11 betrachtet werden.
2 und 3 zeigen am Beispiel eines gekrümmten Röntgendetektors 4.1 und eines flachen Röntgendetektors 4.2 jeweils das Problem der abgeschnittenen Projektionen des interessierenden Bereichs 5 bei einem Verfahren zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens aus zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs nach dem Stand der Technik. Dieses Problem führt dazu, dass aufgrund von abgeschnittenen Filterlinien eine artefaktfreie Rekonstruktion von 3D-Volumina des abzubildenden interessierenden Bereichs 5 nicht möglich ist. Der Röntgenstrahl 13 durchstrahlt von einem Fokuspunkt 15 der Röntgenquelle 3 aus in Strahlungsrichtung 16 den interessierenden Bereich 5 und trifft auf den Röntgendetektor 4 auf. Die Bahnkurve 14 beschreibt dabei die Trajektorie des Fokuspunkts 15 bei einer vollständigen Drehung des C-Bogens 2 um 360°. Teile des interessierenden Bereichs 5 werden nicht von jedem Kurvenpunkt der Bahnkurve 14 aus von dem Röntgenstrahl 13 erfasst, sondern werden für einige Kurvenpunkte abgeschnitten. Das Projektionszentrum 17 bezeichnet dabei die Bereiche, die an jedem beliebigen Kurvenpunkt von dem Röntgenstrahl 13 erfasst werden.
Anhand von 4 bis 12 wird die erste Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht. Bei dieser Alternative werden die zwei oder mehr einzelnen, zusammenzusetzenden Projektionsbilder bei einer festen Position des Fokuspunkts 15 auf der Abtastbahn 14 aufgenommen. 13 und 14 zeigen zwei zur Durchführung des Verfahrens in der ersten Alternative geeignete Röntgengeräte.
4 bis 7 zeigen die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete virtuelle Erweiterung des Röntgendetektors zu einem virtuell erweiterten Detektor 20 durch Zusammensetzen von zwei einzelnen Projektionsbildern, die sich hinsichtlich eines Drehwinkels des Aufnahmesystems um die Röntgenquelle 3 und insbesondere den Fokuspunkt 15 der Röntgenquelle 3 unterscheiden, zu einem erweiterten Projektionsbild für einen bestimmten Kurvenpunkt. Hierbei sind analog zu 2 und 3 die Beispiele des gekrümmten Röntgendetektors 4.1 (4 und 6) und des flachen Röntgendetektors 4.2 (5 und 7) dargestellt. Der jeweilige Röntgendetektor 4 und die Röntgenquelle 3 sind zueinander fest ausgerichtet.
4 zeigt das Aufnahmesystem aus Röntgenquelle 3 und gekrümmtem Röntgendetektor 4.1 für einen bestimmten Kurvenpunkt in zwei sich hinsichtlich des Drehwinkels des Aufnahmesystems um den Fokuspunkt 15 der Röntgenquelle 3 unterscheidenden Positionen. Die Drehung des Aufnahmesystems um den Fokuspunkt 15 der Röntgenquelle 3 erfolgt zum Beispiel in der zweiten Drehrichtung 18. Die jeweilige Projektionsrichtung 16 des Aufnahmesystems ist durch die entsprechenden Pfeile gezeigt. Für jede der beiden Projektionsrichtungen 16 des Aufnahmesystems wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Projektionsbild aufgenommen, die anschließend zu einem erweiterten Projektionsbild zusammengesetzt werden.
Durch diese virtuelle Erweiterung des Röntgendetektors 4 ist bei geeigneter Wahl der jeweiligen Projektionsrichtungen 16 des Aufnahmesystems der interessierende Bereich 5 von jedem Kurvenpunkt der Bahnkurve 14 aus komplett mit dem aus den beiden Röntgenstrahlen 13 zusammengesetzten, erweiterten Röntgenstrahl in dem Projektionszentrum 17 erfassbar, so dass es keine abgeschnittenen Projektionen mehr gibt. Es können auch mehr als zwei Projektionsbilder zu einem erweiterten Projektionsbild zusammengesetzt werden.
12 zeigt vergrößert die Drehung des Aufnahmesystems um den Fokuspunkt 15 der Röntgenquelle 3 in der zweiten Rotationsrichtung 18 und die jeweiligen Projektionsrichtungen 16 des Aufnahmesystems mit ihren unterschiedlichen Drehwinkeln, einem ersten Drehwinkel α des Aufnahmesystems und einem zweiten Drehwinkel β des Aufnahmesystems. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der erste Drehwinkel α des Aufnahmesystems gleich dem negativen zweiten Drehwinkel β in Bezug auf die Mittelposition (in 12 gestrichelt) ist.
4 zeigt im Gegensatz zu 6 den Fall von zwei einzelnen Projektionsrichtungen 16 des Aufnahmesystems, bei denen sich die Röntgenstrahlen 13 nicht oder fast nicht überlappen, sondern bündig aneinander stoßen. In einem derartigen Fall kann ein besonders großer interessierender Bereich abgebildet werden und ein Zusammensetzen der einzelnen Projektionsbilder zu einem erweiterten Projektionsbild wird erleichtert. In 6 sind die Projektionsrichtungen 16 des Aufnahmesystems so gewählt, dass sich die einzelnen Projektionsbilder überlappen. Dies ist beispielsweise für die Kalibrierung realer Bahnkurven mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen sinnvoll. Der Überlappungsbereich kann bei der Rekonstruktion durch geeignete Kollimation wieder auf Null reduziert werden, um die Strahlendosis gering zu halten.
5 und 7 zeigen analog zu 4 und 6 den Fall eines flachen Röntgendetektors 4.2. In diesem Fall müssen die einzelnen Projektionsbilder mit einer Rektifizierung zusammengesetzt werden. Im Gegensatz zu einem gekrümmten Röntgendetektor 4.1, der eine gleichmäßige Auflösung im zusammengesetzten Projektionsbild erlaubt, muss bei der Verwendung eines flachen Detektors beachtet und in eine Auswertung einbezogen werden, dass die Auflösung im erweiterten Projektionsbild zu den Rändern hin abnimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens werden die Grauwerte der Voxel des Bildvolumens durch Rückprojektion der erweiterten Projek tionsbilder berechnet. Hierfür kann jeder bekannte Rekonstruktionsalgorithmus verwendet werden, zum Beispiel der Feldkampalgorithmus. Durch die Verwendung der erweiterten Projektionsbilder kann der rekonstruierbare Bereich wesentlich vergrößert werden, so dass auch große Körperregionen ohne Artefakte dreidimensional darstellbar sind.
8 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren aus einem ersten Schritt 21, einem zweiten Schritt 22 und einem dritten Schritt 23. In dem ersten Schritt 21 werden für verschiedene Kurvenpunkte jeweils zwei Projektionsbilder aufgenommen und gespeichert, zum Beispiel nach der ersten Alternative, wobei die zwei Projektionsbilder sich hinsichtlich des Drehwinkels des Aufnahmesystems um den Fokus der Röntgenquelle unterscheiden. In dem zweiten Schritt 22 werden die beiden Projektionsbilder für jeden Kurvenpunkt zu einem erweiterten Projektionsbild zusammengesetzt. Dies kann zum Beispiel in der Steuer- und Recheneinheit 7 durchgeführt werden. Anschließend wird in einem dritten Schritt 23 eine Rekonstruktion des dreidimensionalen Bildvolumens des Patienten aus den erweiterten zweidimensionalen Projektionsbildern nach einem bekannten Rekonstruktionsalgorithmus durchgeführt. Dies kann ebenfalls in der Steuer- und Recheneinheit 7 durchgeführt werden.
9 bis 11 zeigen verschiedene mögliche Aufnahmeprotokolle für kreisförmige Kurvenbahnen zur Aufnahme der verschiedenen zweidimensionalen Projektionsbilder. In 9 ist ein Aufnahmeprotokoll gezeigt, bei dem bei der Rotation des Aufnahmesystems um 360° um den interessierenden Bereich 5 beispielhaft acht Kurvenpunkte 24 nacheinander in einem einzigen Rotationsumlauf angefahren werden und an jedem Kurvenpunkt in Abfolge ein erstes und ein zweites Projektionsbild aufgenommen wird. Hierzu ist an jeden Kurvenpunkt jeweils eine Drehung des Aufnahmesystems um den Fokuspunkt der Röntgenquelle notwendig. 11 zeigt ein ähnliches Aufnahmeprotokoll wie 9, wobei eine Rotation des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich um lediglich 225° oder weniger (wie z.B. Shortscan oder Super-Shortscan) durchgeführt wird. Die Möglichkeit, auch Teilkreise fahren zu können grenzt das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft gegenüber anderen Ansätzen (wie beispielsweise dem Detektorversatz) ab.
In 10 ist ein Aufnahmeprotokoll gezeigt, bei dem bei der Rotation des Aufnahmesystems um 360° um den interessierenden Bereich 5 beispielhaft acht Kurvenpunkte 24 nacheinander in einem ersten Rotationsumlauf angefahren werden und an jedem Kurvenpunkt ein erstes Projektionsbild aufgenommen wird. Anschließend wird eine Drehung des Aufnahmesystems um den Fokus der Röntgenquelle durchgeführt und es werden alle Kurvenpunkte 24 nacheinander in umgekehrter Reihenfolge in einem zweiten Rotationsumlauf angefahren und an jedem Kurvenpunkt wird ein zweites Projektionsbild aufgenommen. Das Prinzip lässt sich vorteilhaft auf weitere Bahnkurven (wie z.B. Helix, Kreis-und-Line, Kreis-und-Kreisbogen) übertragen.
Eine objektabhängige Überlappung kann zum Beispiel dann eingestellt werden, wenn die Abmessungen des interessierenden Bereichs zumindest ungefähr bekannt sind. Es kann zum Beispiel auch vorgesehen sein, die Abmessungen des interessierenden Bereichs durch einen oder mehrere Voraufnahmen mit geringer Röntgendosis zu bestimmen und anschließend die Überlappung manuell oder automatisch einzustellen. Im Überlappungsbereich der Projektionen können die Messdaten gemittelt werden, was zu einer Reduktion der Standardabweichung der Messwerte, also zu einer Rauschreduktion führt.
13 zeigt als Ausführung der Erfindung ein weiteres C-Bogen-Röntgengerät 30, welches sich von dem Röntgengerät 1 nach dem Stand der Technik dadurch unterscheidet, dass neben der Rotation des C-Bogens 2 um den interessierenden Bereich 5 das Aufnahmesystem bestehend aus der Röntgenquelle 3 und dem Röntgendetektor 4 gemeinsam um ein zweites Drehzentrum im Fokus 15 der Strahlungsquelle 3 rotierbar ist. Bevorzugt ist das Aufnahmesystem dabei in der Ebene der Rotation des C-Bogens 2 rotierbar.
13 zeigt neben der Ruheposition gestrichelt zwei weitere Positionen, bei denen das Aufnahmesystem jeweils um einen Winkel > 0° um den Fokus 15 der Röntgenquelle 3 in der C-Bogen-Ebene gedreht ist. Die Steuer- und Recheneinheit 7 kann für die Ansteuerung der Drehung verwendet werden. Die Röntgenquelle 3 kann zum Beispiel kippbar befestigt sein und der Röntgendetektor 4 kann derart auf Schienen 25 befestigt sein, dass er entlang dieser verfahrbar ist. Das Aufnahmesystem sollte für eine sinnvolle Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens um mindestens 5° in beiden Richtungen um die Röntgenquelle 3 rotierbar sein. In einem derartigen System muss darauf geachtet werden, dass die Röntgenquelle und der Röntgendetektor einen konstanten Abstand und eine gleich bleibende Orientierung zueinander aufweisen. Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung ist ein Computertomographie-Röntgengerät vorgesehen, bei dem das Aufnahmesystem um ein zweites Rotationszentrum in der Strahlungsquelle, insbesondere im Fokus der Strahlungsquelle, rotierbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise sowohl für Röntgenstrahlen in Kegelstrahlform, welche zum Beispiel durch ein C-Bogen-Röntgengerät erzeugt werden, als auch für Röntgenstrahlen in Fächerstrahlform, welche zum Beispiel durch ein Computertomographie-Röntgengerät erzeugt werden, anwendbar.
14 zeigt als Ausführung der Erfindung ein Roboter-Röntgengerät 31, bei dem ein das Aufnahmesystem tragender C-Bogen 2 an einem so genannten Knickarmroboter 32 angeordnet ist. Ein solcher Knickarmroboter 32, welcher zum Beispiel in der Industrieproduktion von Autos standardmäßig verwendet wird, weist zum Beispiel sechs Drehachsen auf, wodurch jede beliebige Bewegung im Raum möglich ist. Die Steuer- und Recheneinheit 7 wird wiederum für die Ansteuerung der Drehung des Aufnahmesystems um den Fokus 15 der Röntgenquelle 3 verwendet. So kann zum Beispiel durch eine Bedienperson die Höhe und Breite des interessierenden Bereichs an die Steuer- und Recheneinheit 7 übermittelt werden und diese berechnet die zur vollständigen Abbildung des interessierenden Bereichs notwendigen Drehwinkel. Anschließend steuert die Steuer- und Recheneinheit 7 die anschließende Bewegung des Knickarmroboters 32 und des C-Bogens 2.
Mit dem Roboter-Röntgengerät 31 sind Drehwinkel nicht nur in der Rotationsebene des C-Bogens 2, sondern zum Beispiel auch in einer Ebene senkrecht dazu oder in weiteren, das Lot der Röntgenquelle auf den Röntgendetektor bei der Mittelposition schneidende Ebenen möglich, je nachdem, welche Teile des interessierenden Bereichs aufgenommen werden sollen. Es ist im Allgemeinen vorteilhaft, dass die Drehwinkel der mindestens zwei einzelnen Projektionen, die anschließend zusammengesetzt werden, in einer Ebene liegen.
In der zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens unterscheiden sich die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder hinsichtlich eines Drehwinkels, den der interessierende Bereich 5 um den Fokuspunkt 15 oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt 15 gedreht wird, während der Fokuspunkt 15 und das Aufnahmesystem ortsfest sind. Es werden also wie auch bei der ersten Alternative bei jedem Kurvenpunkt des Fokuspunkts 15 zwei (oder mehrere) einzelne Projektionsbilder aufgenommen und anschließend zu einem erweiterten Projektionsbild zusammengesetzt. Für die verschiedenen einzelnen Projektionsbilder wird der interessierende Bereich 5 um den Fokuspunkt 15 der Röntgenquelle 3 gedreht, dabei bleibt die Relativposition des interessierenden Bereichs 5 relativ zu dem Fokuspunkt 15 gleich.
15 zeigt eine erste Position des interessierenden Bereichs 5, in der ein erstes einzelnes Projektionsbild aufgenommen wird und 16 eine zweite Position des interessierenden Bereichs, in der ein zweites einzelnes Projektionsbild aufgenommen wird. Die jeweiligen Drehwinkel beziehen sich im Fall der Drehung des interessierenden Bereichs 5 um den Fokuspunkt 15 auf die Projektionsrichtung 34 von dem Fokuspunkt 15 zu dem Mittelpunkt 33 des interessierenden Bereichs 5. Als Drehwinkel-Nullpunkt kann zum Beispiel das Lot des Fokuspunkts 15 auf den Röntgendetektor 4 verwendet werden.
17 zeigt beispielhaft die beiden Projektionsrichtungen 34 von dem Fokuspunkt 15 zu dem Mittelpunkt 33 des interessierenden Bereichs 5, wobei zum Beispiel in der ersten Position des interessierenden Bereichs 5 ein erster Drehwinkel x des interessierenden Bereichs 5 und in der zweiten Position ein zweiter Drehwinkel 6 des interessierenden Bereichs 5 auftritt. Anschließend werden die Projektionsbilder zusammengesetzt und wie üblich rekonstruiert.
Die Drehbewegung des interessierenden Bereichs 5 um den Fokuspunkt wird durch eine beliebig im Raum verstellbare Liegevorrichtung, zum Beispiel durch eine bewegbare Patientenliege 36, bewerkstelligt. Eine Bewegbarkeit der bewegbaren Patientenliege 36 im Raum, also mit sechs Freiheitsgraden, kann zum Beispiel durch einen, insbesondere 6-achsigen, Knickarmroboter erfolgen, an dem die bewegbare Patientenliege 36 angeordnet ist. Es ist zu beachten, dass ein Patient möglichst fest auf der bewegbaren Patientenliege 36 befestigt wird, da sich diese dreht.
Auch bei dieser Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens können entweder innerhalb eines Rotationsumlaufs an jedem angefahrenen Kurvenpunkt abwechselnd zwei einzelne Projektionsbilder mit dazwischen stattfindender Drehung des interessierenden Bereichs 5 um den Fokuspunkt 15 aufgenommen werden oder es kann zuerst das jeweils erste Projektionsbild für alle Kurvenpunkte in einem Rotationsumlauf und anschließend nach der Drehung das jeweils zweite Projektionsbild für alle Kurvenpunkte in einem zweiten Rotationsumlauf aufgenommen werden. Außerdem können auch hier Überlappungen der einzelnen Projektionsbilder vorgesehen sein.
In der dritten Alternative der Erfindung haben sowohl der interessierende Bereich 5 als auch das Aufnahmesystem bei dem ersten einzelnen Projektionsbild eine unterschiedliche Position im Vergleich zu dem zweiten einzelnen Projektionsbild inne, wobei die Relativposition zwischen dem Fokuspunkt 15 und dem interessierenden Bereich 5 konstant ist. Der Fokuspunkt 15 liegt bei beiden Positionen auf der Abtastbahn, allerdings nicht an derselben Stelle, eine Verbindungsstrecke 40 zwischen den beiden Positionen des Fokuspunkts 15 ist parallel zu einer Verbindungsstrecke 41 zwischen den beiden Positionen des Mittelpunkts 33 des interessierenden Bereichs 5 und besitzt dieselbe Länge. Entsprechendes gilt für weitere einzelnen Projektionsbilder, falls mehr als zwei zusammengesetzt werden.
18 zeigt den interessierenden Bereich 5 und das Aufnahmesystem, dargestellt durch den Fokuspunkt 15 und beispielhaft den flachen Röntgendetektor 4.2, in einer ersten Position (durchgezogene Linie), in der das erste einzelne Projektionsbild aufgenommen wird, und in einer zweiten Position (strichpunktiert), in der das zweite einzelne Projektionsbild aufgenommen wird, wobei das erste und das zweite einzelne Projektionsbild anschließend zu einem erweiterten Projektionsbild zusammengesetzt werden und zusammen mit den weiteren erweiterten Projektionsbilder wie üblich rekonstruiert werden.
Die Relativposition zwischen dem Fokuspunkt 15 und dem interessierenden Bereich 5 ist bei beiden Positionen gleich, das bedeutet, dass ein Dreieck, welches durch zwei beliebig gewählte, feste Punkte im interessierenden Bereich 5 und dem Fokuspunkt 15 aufgespannt wird, in der ersten Position (erstes einzelnes Projektionsbild) und der zweiten Position (zweites einzelnes Projektionsbild) die gleiche Größe aufweist. Die geometrischen Verhältnisse zwischen der ersten und der zweiten Position sind außerdem folgendermaßen: würde der interessierende Bereich 5 der ersten Position mit dem interessierenden Bereich 5 der zweiten Position zur Deckung gebracht werden, so resultierte das Aufnahmesystem in der zweite Position aus einer Drehung des Aufnahmesystems um den Fokuspunkt 15. 19 zeigt ebenfalls eine erste Position (durchgezogen) zur Aufnahme eines ersten einzelnen Projektionsbildes und eine zweite Position (strichpunktiert) zur Aufnahme eines zweiten einzelnen Projektionsbildes, wobei das erste und das zweite Projektionsbild anschließend zusammensetzbar sind.
Die dritte Alternative hat gegenüber der ersten Alternative den Vorteil, dass sie auch mit einem herkömmlichen C-Bogen-Röntgengerät, welches lediglich um eine Rotationsachse 11 rotierbar ist, durchgeführt werden kann, sofern zusätzlich eine verstellbare Patientenliege vorhanden ist. Gegenüber der zweiten Alternative besitzt sie den Vorteil, dass eine den interessierenden Bereich 5 aufnehmende Patientenliege lediglich in der C-Bogen-Ebene zweidimensional verschiebbar sein muss, aber nicht gekippt werden muss, wodurch auch die Lagerung eines Patienten deutlich vereinfacht ist.
20 zeigt je drei Ausschnitte aus zwei Rotations-Umläufen, wobei hier die Aufnahme-Abfolge der Projektionsbilder derart ist, dass zuerst bei einem ersten Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich (durchgezogene Linien; Bilder oben) alle ersten einzelnen Projektionsbilder und anschließend bei einem zweiten Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich (strichpunktierte Linien; Bilder unten) alle zweiten einzelnen Projektionsbilder aufgenommen werden, wobei anschließend an die Aufnahme jedes erste Projektionsbilder mit je einem korrespondierenden zweiten Projektionsbild zusammengesetzt wird. Die Rotationsumläufe können 360° oder weniger betragen.
Die Aufnahme-Abfolge der Projektionsbilder kann auch derart sein, dass die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder, die zu jeweils einem erweiterten zweidimensionalen Projektionsbild zusammengesetzt werden, bei einem einzigen Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich jeweils in direkter Folge aufgenommen werden.
Auch bei der zweiten und der dritten Alternative der Erfindung können die einzelnen, zusammenzusetzenden Projektionsbilder überlappen oder bündig aneinander stoßen.
Um die mindestens zwei Projektionsbilder zu einem erweiterten Projektionsbild zusammenzusetzen, ist es vorteilhaft, einen so genannten virtuellen Detektor aufzubauen, wobei der virtuelle Detektor zusätzlich die räumliche Lage und Anordnung von Aufnahmesystem und Objekt beschreibt. Für den Aufbau des virtuellen Detektors können zwei Verfahren verwendet werden, wobei das erste Verfahren detektorbasiert, also auf der Basis der kartesischen Anordnung der Detektormatrix des Röntgendetektors, und das zweite Verfahren filterlinienbasiert, also auf der Basis der Anordnung von Filterlinien, durchgeführt wird:
Zwischen den Punkten x_i und x_j im virtuellen Detektor 20, also in dem zusammengesetzten erweiterten Projektionsbild, und den Punkten x_i' und x_j'' in dem ersten einzelnen Projektionsbild I' und dem zweiten einzelnen Projektionsbild I'' werden durch die Homographien H' und H'', also die auf das erste einzelne Projektionsbild I' bezogene erste Homographie H' und die auf das zweite einzelne Projektionsbild I'' bezogene zweite Homographie H'', folgende Beziehungen definiert, wie in 21 gezeigt: xi' = H'xi (a) xj'' = H''xj (b)
In Hinblick auf die bei FBP Algorithmen durchzuführende Filterung entlang Linien im Detektor, so genannten Filterlinien, kann es sinnvoll sein, den virtuellen Detektor anhand der Anordnung der Filterlinien, ,filterlinienbasiert', und nicht anhand der kartesischen Anordnung der Detektormatrix, ,detektorbasiert', aufzubauen, da insbesondere neuere Rekonstruktionsverfahren gekippte Filterlinien definieren (23).
Ein filterlinienbasierter Aufbau des virtuellen Detektors hat den Vorteil, dass die Werte entlang der Filterlinien direkt mit Hilfe der Gleichungen (a) und (b) aus dem ersten einzelnen Projektionsbild I' und dem zweiten einzelnen Projektionsbild I'' ermittelt werden können, wodurch die nachträgliche Interpolation dieser Werte aus dem virtuellen Detektor 20 umgangen wird.
Die filterlinienbasierte Vorgehensweise kann im Gegensatz zur detektorbasierten Vorgehensweise nicht mehr als unabhängiger Vorverarbeitungsschritt der Rekonstruktion verstanden werden, weil die Lage der Filterlinien miteinbezogen werden muss und diese vom Rekonstruktionsalgorithmus abhängt. Der filterlinienbasierte Ansatz der Rekonstruktion führt jedoch bei gekippten Filterlinien zu einer verringerten Anzahl an Interpolationen und kann in vielen Fällen, sowohl in Hinblick auf die Rechenzeit als auch auf die erzielbare Ortsauflösung bei der Rekonstruktion, einer detektorbasierten Vorgehensweise vorgezogen werden. Bei dem FDK Algorithmus sind filterlinienbasiertes und detektorbasiertes Vorgehen gleichbedeutend, da hier die Detektorzeilen mit den Filterlinien zusammenfallen. Der detektorbasierte Ansatz kann somit als Spezialfall des filterlinienbasierten Ansatzes betrachtet werden, bei dem die Filterlinien auf dem Detektorraster zum Liegen kommen.
Die erste und die zweite Homographie H' und H'' definieren die geometrische Beziehung zwischen dem ersten Projektionsbild I' und dem virtuellen Detektor 20 sowie zwischen dem zweiten Projektionsbild I'' und dem virtuellen Detektor 20 – gezeigt in 21. Mit Hilfe der Homographien H' und H'' lassen sich die benötigten Grauwerte an den Positionen der Punkte x_i' des ersten Projektionsbildes und x_j'' des zweiten Projektionsbildes aus den einzelnen Projektionsbildern I' und I'' ,abgreifen'. Dabei kommen die Abbildungen x_i und x_j der Punkte x_i' und x_j'' im Allgemeinen nicht mehr auf dem Detektorraster zum Liegen weshalb die Grauwerte an diesen Positionen durch Interpolation, zum Beispiel bilineare Interpolation, aus vorhandenen Nachbarwerten ermittelt werden. Der Über lappungsbereich der einzelnen Projektionsbilder I' und I'' ist im virtuellen Detektor 20 schraffiert hervorgehoben.
22 zeigt einen detektorbasierten Ansatz am Beispiel einer beliebigen Detektorzeile und 23 einen filterlinienbasierten Ansatz am Beispiel einer beliebigen Filterlinie. Die schwarzen Punkte kennzeichnen jeweils die Positionen auf dem virtuellen Detektor 20, an denen die Grauwerte durch Interpolation aus den Grauwerten der einzelnen Projektionsbilder I' und I'' bestimmt werden, die hohlen Punkte kennzeichnen die Positionen auf den jeweiligen einzelnen Projektionsbildern. Im Überlappungsbereich des ersten einzelnen Projektionsbildes I' mit dem zweiten einzelnen Projektionsbild I'' (schraffiert dargestellt) ist eine geeignete Interpolationsstrategie anzuwenden, da hier Grauwerte aus beiden einzelnen Projektionsbildern vorliegen.
Die symbolische Verbindung der Punkte durch gestrichelte Linien veranschaulicht, dass die Homographien H' und H'' Linien wieder auf Linien abbilden. (Allerdings ändern sich die Abstände der Punkte (und damit die Abtastung) entlang der Linien.) Es wird ebenfalls deutlich, dass der detektorbasierte Ansatz ein Spezialfall des filterlinienbasierten Ansatzes ist, und zwar wenn die Filterung entlang horizontaler Linien erfolgt.
Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Um auch im Falle großer interessierender Bereiche und bei Abtastbahnen unter 360° eine artefaktfreie Rekonstruktion zu ermöglichen, ist ein Verfahren, bei welchem ein dreidimensionales Bildvolumen aus mehreren zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs, welche während einer Rotation eines Aufnahmesystems, aufweisend eine Röntgenquelle mit einem Fokuspunkt und einen Detektor, um den interessierenden Bereich aufgenommen wurden, rekonstruiert wird, indem die Grauwerte der Voxel des Bildvolumens durch Rückprojektion der Projektionsbilder berechnet werden, vorgesehen, bei dem jedes zweidimensionale Projektionsbild aus je weils mindestens zwei einzelnen Projektionsbildern zu einem erweiterten zweidimensionalen Projektionsbild zusammensetzt wird, wobei die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder bei konstanter Relativposition zwischen dem Fokuspunkt und dem interessierenden Bereich aufgenommen werden.

Claims

Verfahren, bei welchem ein dreidimensionales Bildvolumen aus mehreren zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs, welche während einer Rotation eines Aufnahmesystems (3; 4), aufweisend eine Röntgenquelle (3) mit einem Fokuspunkt (15) und einen Röntgendetektor (4), um den interessierenden Bereich (5) aufgenommen wurden, rekonstruiert wird, indem die Grauwerte der Voxel des Bildvolumens durch Rückprojektion der Projektionsbilder berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass jedes zweidimensionale Projektionsbild aus jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbildern zu einem erweiterten zweidimensionalen Projektionsbild zusammensetzt wird, wobei die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder bei konstanter Relativposition zwischen dem Fokuspunkt (15) und dem interessierenden Bereich (5) aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder sich hinsichtlich eines Drehwinkels, den das Aufnahmesystem (3; 4) um den Fokuspunkt (15) oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt (15) gedreht ist, unterscheiden, während der Fokuspunkt (15) und der interessierende Bereich (5) ortsfest sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder sich hinsichtlich eines Drehwinkels, den der interessierende Bereich (5) um den Fokuspunkt (15) oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt (15) gedreht ist, unterscheiden, während der Fokuspunkt (15) und das Aufnahmesystem (3; 4) ortsfest sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder sich darin unterscheiden, dass der Fokuspunkt (15) und der interessierende Bereich (5) bei konstanter Relativposition zueinander unterschiedlich positioniert sind und das Aufnahmesystem (3; 4) um den Fokus- Punkt (15) oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt (15) unterschiedlich gedreht ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeweils zwei einzelne Projektionsbilder erstellt werden und zu einem erweiterten Projektionsbild zusammengesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Drehwinkel der mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder in einer Ebene angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Drehung des Aufnahmesystems (3; 4) oder des interessierenden Bereichs (5) um den Fokuspunkt (15) im Wesentlichen in der Rotationsebene des Aufnahmesystems (3; 4) um den interessierenden Bereich (5) liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein erstes einzelnes Projektionsbild bei einem ersten Drehwinkel (α) des Aufnahmesystems (3; 4) um den Fokuspunkt (15) oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt (15), und ein zweites einzelnes Projektionsbild bei einem zweiten Drehwinkel (β) des Aufnahmesystems (3; 4) um den Fokuspunkt (15) oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt (15) aufgenommen wird, wobei der erste Drehwinkel (α) dem negativen zweiten Drehwinkel (β) entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die einzelnen, jeweils zusammenzusetzenden Projektionsbilder eine Überlappung zueinander von mehr als 0% und weniger als 50% aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die einzelnen, jeweils zusammenzusetzenden Projektionsbilder eine Überlappung zueinander von mehr als 0% und weniger als 10% aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Überlappung abhängig von dem Objekt, insbesondere dessen Größe, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufnahme-Abfolge der Projektionsbilder derart ist, dass zuerst bei einem ersten Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems (3; 4) um den interessierenden Bereich (5) alle ersten einzelnen Projektionsbilder und anschließend bei einem zweiten Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems (3; 4) um den interessierenden Bereich (5) alle zweiten einzelnen Projektionsbilder aufgenommen werden, wobei jedes erste Projektionsbilder mit je einem zweiten Projektionsbild zusammengesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufnahme-Abfolge der Projektionsbilder derart ist, dass die jeweils mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder, die zu jeweils einem erweiterten zweidimensionalen Projektionsbild zusammengesetzt werden, bei einem einzigen Rotations-Umlauf des Aufnahmesystems um den interessierenden Bereich (5) jeweils in direkter Folge aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein von der Röntgenquelle (3) erzeugter Röntgenstrahl zur Aufnahme der Projektionsbilder die Form eines Kegelstrahls aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein von der Röntgenquelle (3) erzeugter Röntgenstrahl zur Aufnahme der Projektionsbilder die Form eines Fächerstrahls aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder zusammengesetzt werden indem ein virtueller Detektor (20) auf der Basis der kartesischen Anordnung einer Detektormatrix des Röntgendetektors (4) aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei einzelnen Projektionsbilder zusammengesetzt werden indem ein virtueller Detektor (20) auf der Basis der Anordnung von Filterlinien aufgebaut wird.
Röntgengerät zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 17 mit – einem Aufnahmesystem (3; 4), enthaltend eine Strahlungsquelle (3) und einen Röntgendetektor (4), zur Aufnahme von zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs (5), wobei das Aufnahmesystem (3; 4) gleichzeitig um ein erstes Rotationszentrum zwischen der Strahlungsquelle (3) und dem Röntgendetektor (4) und um ein zweites Drehzentrum im Fokuspunkt (15) der Strahlungsquelle (3) oder um eine Drehachse durch den Fokuspunkt (15) der Strahlungsquelle (3) drehbar ist, – einer Steuer- und Recheneinheit zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens aus den zweidimensionalen Projektionsbildern.
Röntgengerät zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 17 mit – einem Aufnahmesystem (3; 4), enthaltend eine Strahlungsquelle (3) und einen Röntgendetektor (4), zur Aufnahme von zweidimensionalen Projektionsbildern eines interessierenden Bereichs (5), wobei das Aufnahmesystem (3; 4) um ein erstes Rotationszentrum zwischen der Strahlungsquelle (3) und dem Röntgendetektor (4) drehbar ist, – einer räumlich verstellbaren Liegevorrichtung zur Lagerung des interessierenden Bereichs, – einer Steuer- und Recheneinheit zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens aus den zweidimensionalen Projektionsbildern.
Röntgengerät nach Anspruch 18 oder 19, welches von einem C-Bogen Röntgengerät (30; 31) gebildet wird.
Röntgengerät nach Anspruche 18 oder 19, wobei das Aufnahmesystem (3; 4) direkt oder mittels eines Trägers an einem Knickarmroboter oder Industrieroboter (32) angeordnet ist.
Röntgengerät nach Anspruch 18 oder 19, welches von einem Computertomographen gebildet wird.