DE19634821A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung von Bild-Artefakten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung von Bild-ArtefaktenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Computer-Tomographie-
Abbildung (CT-Abbildung) und insbesondere auf die Verringerung
von Bild-Artefakten in einem aus Wendel-Abtastdaten rekonstru
ierten Bild.
In zumindest einer bekannten Computer-Tomographie-System-An
ordnung projiziert eine Röntgenstrahlquelle einen fächerförmi
gen Strahl, der kollimiert ist, daß er innerhalb einer X-Y-
Ebene eines karthesischen Koordinatensystems zu liegen kommt,
die im allgemeinen als die "Abbildungsebene" bezeichnet wird.
Der Röntgenstrahl passiert das abzubildende Objekt, wie bei
spielsweise eine Patienten. Der Strahl fällt, nachdem er durch
das Objekt gedämpft wurde, auf ein Feld von Strahlungserfas
sungseinrichtungen. Die Intensität der gedämpften, von dem Er
fassungseinrichtungsfeld empfangenen Strahlung hängt von der
Dämpfung des Röntgenstrahls durch das Objekt ab. Jedes Erfas
sungseinrichtungselement des Felds erzeugt ein separates elek
trisches Signal, das ein Maß für die Strahldämpfung am Erfas
sungseinrichtungsort ist. Die Dämpfungsmaße von allen Erfas
sungseinrichtungen werden separat erfaßt, um ein Durchlaßprofil
zu erzeugen.
Bei bekannten Computer-Tomographie-Systemen der dritten Genera
tion werden die Röntgenstrahlquelle und das Erfassungseinrich
tungsfeld mit einem Faßlager bzw. Gantry innerhalb der Abbil
dungsebene und rund um das abzubildende Objekt gedreht, so daß
sich der Winkel, in dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet,
konstant verändert. Eine Gruppe von Röntgenstrahl-Dämpfungs
maßen, d. h. Projektionsdaten, von dem Erfassungseinrichtungs
feld bei einem Faßlagerwinkel werden als eine "Ansicht" be
zeichnet. Eine "Abtastung" des Objekts umfaßt einen Satz von
Ansichten, die bei verschiedenen Faßlagerwinkeln während einer
Umdrehung der Röntgenstrahlquelle und der Erfassungseinrichtung
erfaßt wurden. Bei einer axialen Abtastung werden die Projek
tionsdaten verarbeitet, um ein Bild herzustellen, das einem
zweidimensionalen, durch das Objekt aufgenommenen Schnitt
entspricht.
Ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Bilds aus einem Satz von
Projektionsdaten wird im Stand der Technik als gefilterte Rück
projektionstechnik bezeichnet. Dieses Verfahren wandelt die
Dämpfungsmaße von einer Abtastung in als "CT-Zahlen" oder
"Hounsfield-Einheiten" bezeichnete Integer um, die zur Steue
rung der Helligkeit eines entsprechenden Pixels bzw. Bildele
ments auf einer Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung verwen
det werden.
Zur Verringerung der gesamten, für eine Vielzahl von Schnitten
erforderlichen Abtastzeit kann eine "Helix"- bzw. "Wendel"-
Abtastung durchgeführt werden. Zur Durchführung einer "Wendel"-
Abtastung wird der Patient bewegt, während die Daten für eine
vorbestimmte Anzahl von Schnitten erfaßt werden. Ein derartiges
System erzeugt eine Einzel-Wendel aus einer Ein-Fächerstrahl-
Wendelabtastung. Die durch den Fächerstrahl abgebildete Wendel
ergibt Projektionsdaten, aus denen Bilder in jedem vorbestimm
ten Schnitt rekonstruiert werden können. Zusätzlich zur verrin
gerten Abtastzeit bietet die Wendelabtastung andere Vorteile,
wie beispielsweise eine verbesserte Bildqualität und eine bes
sere Steuerung des Kontrastes.
Bei der Wendelabtastung, und wie vorstehend erläutert, wird nur
eine Ansicht von Daten an jedem Schnittort erfaßt. Zur Rekon
struktion eines Bilds eines Schnitts werden die anderen An
sichtsdaten für den Schnitt auf der Grundlage der für andere
Ansichten gesammelten Daten erzeugt. Wendel-Rekonstruktions-
Rechenverfahren sind in C. Crawford und K. King "Computed Tomo
graphy Scanning with Simultaneous Patient Translation", Med.
Phys. 17(6), Nov./Dez. 1990, und der US-Patent-Anmeldung
Serien-Nr. 08/362 247 mit dem Titel "Helical Interpolative Al
gorithm For Image Reconstruktion in A CT System", eingereicht
am 22. Dezember 1994 und auf den vorliegenden Rechtsnachfolger
übertragen, beschrieben.
Wenn ein Bild für einen bestimmten Schnitt rekonstruiert wird,
nimmt, so wie der Abstand zwischen dem Schnittort und dem Ort,
an dem die aktuellen Projektionsdaten erfaßt werden, zunimmt,
die Anzahl von Fehlern in den erzeugten Daten für diesen
Schnitt auch zu. Diese Fehler in den Projektionsdaten verursa
chen gewöhnlich schattierende Artefakte mit niedriger Frequenz.
Bei sagittal er oder koronaler Bildumformung verursachen diese
Fehler auch dünne horizontale Streifen bzw. Striche oder Arte
fakte. So wie bei Streifen- bzw. Strich-Artefakten bei einer
axialen Abbildung sind die Streifen bzw. Striche in den umge
formten Bildern ärgerlich.
Da die Projektionsfehler sich im allgemeinen in der horizonta
len (Rückprojektions-) Richtung ausbreiten, besitzen die Strei
fen- bzw. Strich-Artefakte keine Korrelation von Schnitt zu
Schnitt. Das heißt, die Artefakte besitzen eine hohe Frequenz
in der z-Richtung. Derartige Artefakte können durch Filterung
der Daten in der z-Richtung entfernt werden, jedoch, wenn die
wirkliche Struktur schnelle Veränderungen in der z-Richtung
aufweist, wie beispielsweise Gewebe-Luft-Übergänge oder
Knochen-Gewebe-Übergänge, wird eine einfache Filterung der Da
ten in der z-Richtung in einem Verlust bei der Bildauflösung
resultieren.
Es ist natürlich wünschenswert, Rekonstruktions-Artefakte zu
verringern. Auch ist es wünschenswert, derartige
Rekonstruktions-Artefakte ohne nachteilige Wirkung auf die Bild
auflösung zu verringern.
Diese und andere Aufgaben können durch Verfahren und Einrich
tungen erreicht werden, die horizontale Striche bzw. Streifen
eines unter Verwendung von Wendelabtastdaten rekonstruierten
Bilds ohne Verringerung einer Bildauflösung entfernen. Entspre
chend einem Ausführungsbeispiel wird eine Wendelrekonstruktion
durchgeführt, um Bilddaten zu erzeugen. Die Bilddaten werden
dann gefiltert, um horizontale Striche bzw. Streifen zu ent
fernen. Eine derartige Filterung wird durchgeführt, indem die
Bilddaten in zwei Komponenten aufgeteilt werden. Auf eine Kom
ponente wird als Hintergrundkomponente Bezug genommen und auf
die andere Komponente wird als Scharf-Strukturkomponenten Bezug
genommen. Eine derartige Aufteilung kann unter Verwendung einer
Grauskala-Schwellenwertbildung durchgeführt werden.
Nachdem die Bilddaten wie vorstehend beschrieben aufgeteilt
wurden, werden die Hintergrundkomponenten-Bildaten unter Ver
wendung einer z-(Grau)Keilfiltereinrichtung gefiltert. Da der
artige Hintergrunddaten die meisten der durch Fehler in den
Wendelprojektionsdaten verursachten Artefakte enthalten, ent
fernt eine derartige Filterung im wesentlichen das den Strichen
bzw. Streifen entsprechende Fourierspektrum. Die gefilterten
Hintergrunddaten werden dann mit den Scharf-Strukturdaten kom
biniert, um einen vollständigen Satz von Bilddaten entsprechend
einem Bild mit weniger Artefakten zu bilden. Unter Verwendung
des vorstehend beschriebenen Rechenverfahrens werden
Rekonstruktions-Artefakte, wie beispielsweise horizontale Stri
che bzw. Streifen, verringert. Zusätzlich wird die Bildauflö
sung beibehalten.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung offen
sichtlich.
Es zeigen:
Fig. 1 eine zeichnerische Darstellung eines Computer-Tomogra
phie-Abbildungssystems,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Systems,
und
Fig. 3 eine Abfolge von Schritten, die entsprechend einem Aus
führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Gemäß den Fig. 1 und 2 enthält ein Computer-Tomographie-
Abbildungssystem (CT-Abbildungssystem) 10 ein Faßlager bzw.
Gantry 12, das für eine Computer-Tomographie-Abtasteinrichtung
"der dritten Generation" steht. Das Faßlager 12 weist eine
Röntgenstrahlquelle 14 auf, die einen Strahl von Röntgenstrah
len 16 auf ein Erfassungseinrichtungsfeld 18 auf der gegenüber
liegenden Seite des Faßlagers 12 projiziert. Das Erfassungsein
richtungsfeld 18 wird von Erfassungseinrichtungselementen 20
gebildet, die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen erfas
sen, die einen medizinischen Patienten 22 passieren. Jedes Er
fassungseinrichtungselement 20 erzeugt ein elektrisches Signal,
das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und daher
die Dämpfung des Strahls, so wie er den Patienten 22 passiert,
darstellt. Während einer Abtastung zur Erfassung von Röntgen
strahl-Projektionsdaten drehen sich das Faßlager 12 und die
daran befestigten Komponenten um einen Drehmittelpunkt 24.
Die Drehung des Faßlagers 12 und die Funktion der Röntgen
strahlquelle 14 werden von einer Steuereinrichtung 26 des
Computer-Tomographie-Systems 10 gesteuert. Die Steuereinrich
tung 26 enthält eine Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28, die
Leistungs- und Zeitpunktsignale für die Röntgenstrahlquelle 14
bildet, und eine Faßlagersteuereinrichtung 30, die die Drehge
schwindigkeit und die Position des Faßlagers 12 steuert. Ein
Datenerfassungssystem (DAS) 32 in der Steuereinrichtung 26 ta
stet analoge Daten von den Erfassungseinrichtungselementen 20
ab und wandelt die Daten für die nachfolgende Verarbeitung in
digitale Signale um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34
empfängt abgetastete und digitalisierte Röntgenstrahldaten von
der Datenerfassungseinrichtung 32 und führt eine Hochgeschwin
digkeits-Bildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird
als eine Eingabe an einen Computer 26 angelegt, der das Bild in
einer Massenspeichereinrichtung 38 speichert.
Der Computer 36 empfängt auch über eine Konsole 40 mit einer
Tastatur Befehle und Abtastparameter von einem Bediener. Eine
damit verbundene Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung 42
ermöglicht dem Beobachter eine Beobachtung des rekonstruierten
Bilds und anderer Daten vom Computer 36. Die vom Bediener zuge
führten Befehle und Parameter werden vom Computer 36 verwendet,
um Steuersignale und Informationen für die Datenerfassungsein
richtung 32, die Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28 und die Faß
lagermotorsteuereinrichtung 30 zu bilden. Zusätzlich betätigt
der Computer 36 eine Tischmotorsteuereinrichtung 44, die einen
motorisierten Tisch 46 zur Positionierung eines Patienten im
Faßlager 12 steuert. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Teile des
Patienten 22 durch die Faßlageröffnung 48.
Die folgende Diskussion, die eine Verringerung von Artefakten
beschreibt, bezieht sich manchmal vor allem auf sagittale und
koronale Bilder. Das Artefakt-Verringerungs-Rechenverfahren ist
jedoch nicht auf eine Anwendung in Verbindung mit nur sagitta
len und koronalen Bildern beschränkt und kann ebenso mit ande
ren Bildern verwendet werden. Es sollte weiterhin offensicht
lich sein, daß das Rechenverfahren in dem Computer 36 ausge
führt würde und beispielsweise in der Massenspeichereinrichtung
38 gespeicherte Bilddaten verarbeiten würden. Alternativ könnte
das Rechenverfahren in der Bildrekonstruktionseinrichtung 34
ausgeführt werden und dem Computer 36 gefilterte Bilddaten zu
führen. Natürlich sich auch andere alternative Ausführungen
möglich.
Im Hinblick auf Fig. 3 werden, wie vorstehend beschrieben, bei
der Durchführung einer Computer-Tomographie-Abtastung Projek
tionsdaten erhalten. Bei der Wendelabtastung wird die Wendelre
konstruktion 50 dann durchgeführt, um Bilddaten zu erzeugen. Im
Hinblick auf die Bildrekonstruktion sind viele Bildrekonstruk
tionsrechenverfahren bekannt und einige der bekannten Rechen
verfahren werden in herkömmlich verfügbaren Computer-Tomogra
phie-Einrichtungen ausgeführt. Das vorliegende Rechenverfahren
könnte in Verbindung mit vielen derartigen Rekonstruktionsre
chenverfahren ausgeführt werden und ist weder auf ein beson
deres Bildrekonstruktionsrechenverfahren gerichtet noch in der
Praxis darauf beschränkt.
Gemäß Fig. 3 werden folgend auf die Wendelrekonstruktion die
sich ergebenden Bilddaten in zwei Segmente aufgeteilt 52. Vor
allen werden eine Hintergrundkomponente 54 und eine Scharf-
Strukturkomponente 56 erzeugt. Diese Aufteilung wird in einem
Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer Grauskala-Schwellen
wertbildung durchgeführt. Die Grauskala-Schwellenwertbildung
bezieht sich auf den Vorgang des Vergleichs von CT-Zahlen mit
einem vorbestimmten Bereich, d. h. einem Schwellenwert, und des
Zuweisens jeder CT-Zahl zu einer besonderen Komponente basie
rend darauf, ob die jeweilige CT-Zahl über oder unter dem
Schwellenwert liegt. Weiter Einzelheiten in Bezug auf die
Grauskala-Schwellenwertbildung werden im US-Patent Nr. 5 400
377, "Artifact Reduction Method For Tomographic Image Recon
struction Using Cross-Plane Rays", das auf den vorstehenden
Rechtsnachfolger übertragen wurde, in seiner Gesamtheit darge
legt.
Wenn beispielsweise ein interessierendes Objekt schnelle Verän
derungen in seiner Struktur entlang der z-Richtung aufweist,
unterscheiden sich die CT-Zahlen für die Struktur gewöhnlich
wesentlich von den CT-Zahlen für den Bildhintergrund. Da die
CT-Zahlen oder Grauskalen für die schnelle Veränderung, oder
eine Scharf-Struktur und den Hintergrund, verschieden sind, ist
die Grauskala-Schwellenwertbildung für eine Aufteilung der
Bilddaten in Hintergrund- und Scharf-Strukturkomponenten wir
kungsvoll.
Nach der Aufteilung der Bilddaten wie vorstehend beschrieben
werden die Hintergrundbilddaten oder -komponente unter Verwen
dung einer z-(Grau)Keilfiltereinrichtung gefiltert 58. Weitere
Einzelheiten hinsichtlich der z-(Grau)Keilfilterung werden in
dem vorstehend erwähnten US-Patent Nr. 5 400 377 dargelegt.
Dann werden gefilterte Hintergrunddaten 60 mit den Scharf-
Strukturbilddaten oder der -komponente 56 kombiniert 62. Die
kombinierten Daten können dann zur Erzeugung eines Bilds 64 mit
wenigen horizontalen Strichen bzw. Streifen verwendet werden.
Die z-(Grau)Keilfiltereinrichtung, wie vorstehend erwähnt, ent
fernt die Hochfrequenz-Artefakte in der z-Richtung aus der Hin
tergrundkomponente. Jedoch wird mittels Aufteilung der Scharf-
Strukturkomponente vor der Filterung die Bildauflösung beibe
halten. Daher werden horizontale Striche bzw. Streifen und Ar
tefakte verringert, während die Bildauflösung beibehalten wird.
Aus der vorstehenden Beschreibung zahlreicher Ausführungsbei
spiele der vorliegenden Erfindung ist erkennbar, daß die Aufga
ben der Erfindung gelöst werden. Obwohl die Erfindung genau
beschrieben und dargestellt wurde, ist offensichtlich, daß dies
nur zur Veranschaulichung und lediglich als Beispiel und nicht
zur Beschränkung geschah. Obwohl beispielsweise das Computer-
Tomographie-System als ein System der "dritten Generation" be
schrieben wurde, können auch Systeme der "vierten Generation"
verwendet werden. Zusätzlich könnte eine z-(Grau)Keilfilter
einrichtung nicht bei allen Anwendungen nötig sein. Die Durch
führung einer einfachen Tiefpaßfilterung entlang der z-Richtung
könnte für einige Anwendungen ausreichend sein. Demgemäß ist
der Schutzbereich der Erfindung nur durch den Wortlaut der an
hängenden Ansprüche beschränkt.
Die vorliegende Erfindung ist in einer Form ein Verfahren zum
Verbessern der Bildqualität bei Computer-Tomographie-Wendel
abtastsystemen durch Verwendung eines Filter-Rechenverfahrens
nach der Rekonstruktion. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des
Rechenverfahrens werden Bilddaten in Scharf-Strukturbilddaten
(56) und Hintergrundbilddaten (56) aufgeteilt. Die Hintergrund
bilddaten (54) werden dann gefiltert (58), um Rekonstruktions-
und Daten-Artefakte zu entfernen. Die gefilterten Hintergrund
bilddaten (60) werden dann mit den Scharf-Strukturbilddaten
(56) kombiniert. Die kombinierten Daten können dann zur Erzeu
gung eines Bilds mit verringerten Artefakten verwendet werden.
Claims (8)
1. Verfahren zum Verringern von Artefakten in Bilddaten, die
aus bei einer Wendelabtastung gesammelten Projektionsabtastda
ten erzeugt werden, mit den Schritten:
Aufteilen der Bilddaten in Hintergrundbilddaten (54) und Scharf-Strukturbilddaten (56),
Filtern (58) der Hintergrundbilddaten (54), und Kombinieren (62) der gefilterten Hintergrundbilddaten (60) und der Scharf-Strukturbilddaten (56).
Aufteilen der Bilddaten in Hintergrundbilddaten (54) und Scharf-Strukturbilddaten (56),
Filtern (58) der Hintergrundbilddaten (54), und Kombinieren (62) der gefilterten Hintergrundbilddaten (60) und der Scharf-Strukturbilddaten (56).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
das Aufteilen (54) der Bilddaten in Hintergrundbilddaten (54)
und Scharf-Strukturbilddaten (56) unter Verwendung von Grau
skala-Schwellenwertbildung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
das Filtern (58) der Hintergrundbilddaten unter Verwendung ei
ner z-Keilfiltereinrichtung durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
das Kombinieren (62) der gefilterten Hintergrundbilddaten (60)
und Scharf-Strukturbilddaten (56) den Schritt des Addierens der
gefilterten Hintergrundbilddaten (60) zu den Scharf-Struktur
bilddaten (56) enthält.
5. Vorrichtung (36) zur Verringerung von Artefakten in Bildda
ten, die aus bei einer Wendelabtastung gesammelten Projektions
abtastdaten erzeugt sind, mit:
einer Einrichtung zur Aufteilung (52) der Bilddaten in Hinter grundbilddaten (54) und Scharf-Strukturbilddaten (56),
einer Einrichtung zur Filterung (58) der Hintergrundbilddaten (54), und
einer Einrichtung zur Kombination (62) der gefilterten Hinter grundbilddaten (60) und der Scharf-Strukturbilddaten (56).
einer Einrichtung zur Aufteilung (52) der Bilddaten in Hinter grundbilddaten (54) und Scharf-Strukturbilddaten (56),
einer Einrichtung zur Filterung (58) der Hintergrundbilddaten (54), und
einer Einrichtung zur Kombination (62) der gefilterten Hinter grundbilddaten (60) und der Scharf-Strukturbilddaten (56).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei
die Einrichtung zur Aufteilung (52) von Bilddaten einen Compu
ter (36) enthält, der programmiert ist, um die Bilddaten auf
der Grundlage einer Grauskala-Schwellenwertbildung aufzuteilen
(52).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei
die Einrichtung zur Filterung (58) der Hintergrundbilddaten
(54) einen Computer (36) aufweist, der programmiert ist, um die
Bildaten unter Verwendung einer z-Keilfiltereinrichtung zu fil
tern (58).
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei
die Einrichtung zur Kombination (62) der gefilterten Hinter
grundbilddaten (60) und der Scharf-Strukturbilddaten (56) einen
Computer (36) aufweist, der programmiert ist, um die gefilter
ten Hintergrundbilddaten (60) zu den Scharf-Strukturbilddaten
(56) hinzuzuaddieren.
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