DE19650529A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Mehrfach-Schnitt-Wendel-Bildrekonstruktion in einem Computer-Tomographie-System - Google Patents

Verfahren und Vorrichtungen zur Mehrfach-Schnitt-Wendel-Bildrekonstruktion in einem Computer-Tomographie-System

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Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Computer-Tomogra­ phie(CT)-Abbildung und insbesondere auf Bildrekonstruktion in einem Mehrfach-Schnitt-Computer-Tomographie-System.
Bei zumindest einem bekannten Computer-Tomographie-System- Aufbau projiziert eine Röntgenstrahlquelle einen Fächer­ strahl, der kollimiert ist, innerhalb einer X-Y-Ebene ei­ nes karthesischen Koordinatensystems zu liegen und allge­ mein als die "Abbildungsebene" bezeichnet wird. Der Rönt­ genstrahl passiert das abzubildende Objekt, wie beispiels­ weise einen Patienten. Nach der Dämpfung durch das Objekt trifft der Strahl auf ein Feld von Strahlungserfassungs­ einrichtungen. Die Intensität der gedämpften, am Erfas­ sungseinrichtungsfeld empfangenen Strahlung des Strahls hängt von der Dämpfung des Röntgenstrahls durch das Objekt ab. Jedes Erfassungseinrichtungselement des Felds erzeugt ein separates elektrisches Signal, das ein Maß für die Strahldämpfung am Erfassungseinrichtungsort ist. Die Dämp­ fungsmaße von allen Erfassungseinrichtungen werden separat erfaßt, um ein Durchlaßprofil zu erzeugen.
Bei bekannten Computer-Tomographie-Systemen der dritten Generation werden die Röntgenstrahlquelle und das Erfas­ sungseinrichtungsfeld mit einem Faßlager bzw. Gantry bzw. Drehrahmen innerhalb der Abbildungsebene und rund um das abzubildende Objekt gedreht, so daß sich der Winkel, in dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet, fortwährend ändert. Eine Gruppe von Röntgenstrahl-Dämpfungsmaßen, d. h. Projektionsdaten, von dem Erfassungseinrichtungsfeld bei einem Drehrahmenwinkel wird als eine "Ansicht" bezeichnet. Eine "Abtastung" des Objekts umfaßt einen Satz von bei verschiedenen Drehrahmenwinkeln während einer Umdrehung der Röntgenstrahlquelle und der Erfassungseinrichtung er­ faßten Ansichten. Bei einer axialen Abtastung werden die Projektionsdaten zur Konstruktion eines Bilds verarbeitet, das einem zweidimensionalen Schnitt durch das Objekt ent­ spricht. Ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Bilds aus einem Satz von Projektionsdaten wird im Stand der Technik als die gefilterte Rückprojektionstechnik bezeichnet. Die­ ses Verfahren wandelt diese Dämpfungsmaße von einer Abta­ stung in als "CT-Zahlen" oder "Hounsfield"-Einheiten be­ zeichnete Integer um, die zur Steuerung der Helligkeit eines entsprechenden Pixels bzw. Bildelements auf einer Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung verwendet werden.
Zur Verringerung der Gesamtabtastzeit kann eine "Helix"- bzw. "Wendel"-Abtastung durchgeführt werden. Zur Durchfüh­ rung einer "Wendel"-Abtastung wird der Patient bewegt, während die Daten für die vorbestimmte Anzahl von Schnit­ ten erfaßt werden. Ein derartiges System erzeugt eine Ein­ zel-Wendel auf einer Ein-Fächerstrahl-Wendel-Abtastung. Die durch den Fächerstrahl beschriebene Wendel ergibt Pro­ jektionsdaten, aus denen Bilder in jedem vorbestimmten Schnitt rekonstruiert werden können.
Rekonstruktions-Rechenverfahren bzw. -Algorithmen für eine Wendelabtastung verwenden typischerweise Wendel-Gewich­ tungs("HW")-Rechenverfahren bzw. -Algorithmen, die die gesammelten Daten als eine Funktion des Ansichtswinkels und des Erfassungseinrichtungskanal-Index gewichten. Ins­ besondere werden die Daten vor der gefilterten Rückprojek­ tion entsprechend einem Wendel-Gewichtungsfaktor gewich­ tet, der eine Funktion sowohl des Drehrahmenwinkels als auch des Erfassungseinrichtungswinkels ist. Obwohl die bekannten Rechenverfahren bzw. Algorithmen kompakte Schnittprofile erzeugen, können einige bemerkenswerte Ar­ tefakte in dem rekonstruierten Bild erzeugt werden.
Es wäre wünschenswert, ein Rechenverfahren bzw. einen Al­ gorithmus zu schaffen, das bzw. der die Verringerung von Artefakten vereinfacht und bemerkenswerte Kompromisse zwi­ schen einer Artefaktverringerung und einem Schnittprofil bei Wendel-Bildrekonstruktion bietet. Es würde auch wün­ schenswert sein, ein derartiges Rechenverfahren bzw. einen derartigen Algorithmus zu schaffen, das bzw. der die Ver­ arbeitungszeit nicht bedeutend verringert.
Diese und andere Aufgaben können in einem System erreicht werden, das in einem Ausführungsbeispiel ein z-Glättungs- Rechenverfahren bzw. einen -Algorithmus für eine Projekti­ onsdomäne enthält, das bzw. der einen modifizierten Ge­ wichtungsfaktor erzeugt. Insbesondere wird entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Wendelrekonstruktions-Rechenverfahren-Gewichtungsfaktor in der Ansichtswinkel-Richtung verschoben und gewichtet, um den modifizierten Gewichtungsfaktor in einem Mehrfach- Schnitt-Computer-Tomographie-System zu erzeugen. Wie hier verwendet, bezieht sich die Bezeichnung "Mehrfach-Schnitt- Computer-Tomographie-System" typischerweise auf ein Compu­ ter-Tomographie-System mit einem Erfassungseinrichtungs­ feld mit mehr als einer, z. B. zwei oder vier, Reihen von Erfassungseinrichtungszellen. Natürlich können mehr oder weniger Erfassungseinrichtungszellen-Reihen verwendet wer­ den. Ein Beispiel für ein Bildrekonstruktions-Rechenver­ fahren, das bei der Rekonstruktion eines Bilds aus bei einer Wendel-Abtastung erhaltenen Daten verwendet werden kann, ist in der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 08/436 176, die am 9. Mai 1995 eingereicht und an den vorliegenden Rechtsnachfolger übertragen wurde, beschrieben.
Insbesondere wird entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Wendel-Gewichtungsfaktor entsprechend dem Drehrahmen­ winkel (β) und dem Erfassungseinrichtungswinkel (γ) ent­ sprechend dem folgenden modifiziert:
wobei
γ der Erfassungseinrichtungswinkel,
β der Drehrahmenwinkel,
m der Erfassungseinrichtungs-Reihenindex,
Wm(β, γ) der durch das Wendel-Rekonstruktions-Re­ chenverfahren erzeugte Original-Gewich­ tungskoeffizient,
Δβ die Verschiebung entlang der Ansichts­ winkel-Richtung, und
h(i) die an die i-te verschobene Version an­ gelegte Gewichtung
ist.
Der modifizierte Gewichtungsfaktor ist somit eine verscho­ bene und gewichtete Mittelwertsversion des Original-Ge­ wichtungsfaktors für jeden Ansichtswinkel und Drehrahmen­ winkel.
Durch Modifikation des Gewichtungsfaktors, wie vorstehend beschrieben, kann die Verringerung von Artefakten bei der Mehrfach-Schnitt-Wendel-Bildrekonstruktion erreicht wer­ den. Ein derartiges Rechenverfahren erhöht die Verarbei­ tungszeit nicht wesentlich und bietet bemerkenswerte Kom­ promisse zwischen Artefaktverringerung und Schnittprofil.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Er­ findung werden aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.
Es zeigt:
Fig. 1 eine zeichnerische Darstellung eines Computer-Tomo­ graphie-Abbildungssystems, und
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild des in Fig. 1 veranschaulichten Systems.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Computer-Tomographie(CT)-Ab­ bildungs-System 10 gezeigt, das ein Faßlager bzw. Gantry bzw. einen Drehrahmen 12 enthält, das bzw. der für eine Computer-Tomographie-Abtasteinrichtung der "dritten Gene­ ration" steht. Der Drehrahmen 12 besitzt eine Röntgen­ strahlquelle 14, die eine Strahl von Röntgenstrahlen 16 auf ein Erfassungseinrichtungsfeld 18 auf der gegeüberlie­ genden Seite des Drehrahmens 12 projiziert. Das Erfas­ sungseinrichtungsfeld 18 wird von Erfassungseinrichtungse­ lementen 20 gebildet, die zusammen die einen medizinischen Patienten 22 passierenden Röntgenstrahlen erfassen. Jedes Erfassungseinrichtungselement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgen­ strahls und damit die Dämpfung des Strahls, wie er den Patienten 22 passiert, darstellt. Während einer Abtastung zur Erfassung von Röntgenstrahl-Projektionsdaten drehen 25 sich der Drehrahmen 12 und die daran befestigten Komponen­ ten um einen Drehmittelpunkt 24.
Die Drehung des Drehrahmens 12 und der Betrieb der Rönt­ genstrahlquelle 14 werden von einer Steuereinrichtung 26 des Computer-Tomographie-Systems 10 gesteuert. Die Steuer­ einrichtung 26 enthält eine Röntgenstrahl-Steuereinrich­ tung 28, die Leistungs- und Zeitpunktsignale für die Rönt­ genstrahlquelle 14 erzeugt, und eine Drehrahmenmotor-Steu­ ereinrichtung 30, die die Drehgeschwindigkeit und Position des Drehrahmens 12 steuert. Eine Datenerfassungseinrich­ tung (DAS) 32 in der Steuereinrichtung 26 tastet 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 Röntgen­ strahldaten von der Datenerfassungseinrichtung 32 und führt eine Hochgeschwindigkeits-Bildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als ein Eingangssignal an einen Computer 36 angelegt, die das Bild in einer Massen­ speichereinrichtung 38 speichert.
Der Computer 36 empfängt auch Befehle und Abtastparaineter von dem Bediener über eine Konsole 40 mit einer Tastatur. Eine zugehörige Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung 42 ermöglicht dem Bediener eine Beobachtung des rekonstruier­ ten Bilds und anderer Daten vom Computer 36. Die vom Be­ diener zugeführten Befehle und Parameter werden vom Compu­ ter 36 zur Erzeugung von Steuersignalen und Informationen zur Datenerfassungseinrichtung 32, Röntgenstrahl-Steuer­ einrichtung 28 und Drehrahmenmotor-Steuereinrichtung 30 verwendet. Zusätzlich bedient der Computer 36 eine Tisch­ motor-Steuereinrichtung 44, die einen motorisierten Tisch 46 zur Positionierung des Patienten 22 im Drehrahmen 12 steuert. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Teile des Pati­ enten 22 durch eine Drehrahmenöffnung 48.
Die bekannten Helix- bzw. Wendel-Rekonstruktions-Algo­ rithmen bzw. -Rechenverfahren können im allgemeinen als Helix- bzw. Wendel-extrapolierende (HE) oder Helix- bzw. Wendel-interpolierende (HI) Algorithmen bzw. Rechenverfah­ ren klassifiziert werden. Diese Algorithmen bzw. Rechen­ verfahren legen typischerweise einen Gewichtungsfaktor an Projektionsdaten an, um ein Bild zu rekonstruieren. Dieser Gewichtungsfaktor basiert im allgemeinen sowohl auf dem Fächerwinkel als auch dem Ansichtswinkel.
Die folgende Diskussion eines z-Glättungs-Algorithmus bzw. -Rechenverfahrens und einer Bildqualität bezieht sich be­ sonders auf Mehrfach-Schnitt-Computer-Tomographie-Abtast­ einrichtungen, die typischerweise Erfassungseinrichtungs­ felder mit zwei oder vier Reihen von Erfassungseinrich­ tungszellen enthalten. Der z-Glättungs-Algorithmus bzw. das z-Glättungs-Rechenverfahren ist jedoch nicht auf eine Anwendung in Verbindung mit nur Zwei- und Vier-Schnitt-Ab­ tasteinrichtungen beschränkt und kann mit anderen Compu­ ter-Toinographie-Abtasteinrichtungen verwendet werden. Dar­ überhinaus ist die vorliegende Gewichtungsfaktor-Modifi­ zierung nicht auf irgendeinen besonderen Wendel-Bildre­ konstruktions-Algorithmus gerichtet. Eher kann die vorlie­ gende Gewichtungsfaktor-Modifizierung in Verbindung mit vielen verschiedenen Arten von Wendel-Gewichtungsfaktoren verwendet werden. Desweiteren würde in einem Ausführungs­ beispiel der z-Glättungs-Algorithmus bzw. das z-Glättungs- Rechenverfahren in einem Computer 36 angewendet und würde beispielsweise die in der Massenspeichereinrichtung 38 gespeicherten Daten verarbeiten. Viele andere alternative Anwendungen sind natürlich möglich.
Als ein besonderes Ausführungsbeispiel wird in einem Mehr­ fach-Schnitt-System mit m Reihen von Erfassungseinrichtun­ gen der Wendel-Rekonstruktions-Algorithmus bzw. das Wen­ del-Rekonstruktions-Rechenverfahren auf Rekonstruktionsda­ ten während der Rekonstruktion angewendet und der Gewich­ tungsfaktor an jeden Drehrahmenwinkel (β) und Erfassungs­ einrichtungswinkel (γ) ist überstimmend Wm(β, γ). Entspre­ chend der vorliegenden Erfindung ist der modifizierte Ge­ wichtungsfaktor m(β, γ):
wobei
γ der Erfassungseinrichtungswinkel,
β der Drehrahmenwinkel,
m der Erfassungseinrichtungs-Reihenindex,
Wm(β, γ) der durch das Wendel-Rekonstruktions-Re­ chenverfahren angelegte oder nachfolgen­ de Gewichtungskoeffizient,
Δβ die Verschiebung entlang der Ansichts­ winkel-Richtung, und
h(i) die an die i-te verschobene Version an­ gelegte Gewichtung ist.
Dieser modifizierte Gewichtungsfaktor m(β, γY) ist eine ver­ schobene und gewichtete Mittelwertversion einer Wendel-Ge­ wichtungsfunktion. Eine Gesamtheit von 2n + 1 Formelaus­ drücken wird gemittelt. Der modifizierte Gewichtungsfaktor m(β, γY) wird dann an die Projektionsdaten angelegt.
Bekannte Mehrfach-Schnitt-Abtasteinrichtungen besitzen typischerweise eine Vielzahl von Reihen von Erfassungsein­ richtungen 20 pro Schnitt. Beispielsweise besitzt eine Zwei-Schnitt-Erfassungseinrichtung zwei Reihen von Erfas­ sungseinrichtungen 20 und eine Vier-Schnitt-Erfasssungs­ einrichtung besitzt vier Reihen von Erfassungseinrichtun­ gen 20. Demgemäß hängt die an die durch die Erfassungsein­ richtungen 20 gesammelten Projektionsdaten angelegte Wen­ delgewichtung von dem Erfassungseinrichtungs-Reihenindex ab, von dem die Daten erhalten werden. Daher hängt der Gewichtungsfaktor m(β, γ) auch von dem Erfassungseinrich­ tungs-Reihenindex m ab.
Die Profilbreite des sich ergebenden z-gemittelten Schnitts steht in Bezug zu sowohl dem intrinsischen Schnittprofil, d. h. dem Original-Schnittprofil ohne irgendeine z-Glättung, und dem Glättungsbereich. Der Glät­ tungsbereich wird durch 2πΔβ dargestellt. Die genaue Form des Profils des sich ergebenden Schnitts wird auch durch den Kern h(i) beeinflußt, der auf 1 normiert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden n, Δβ und h(i) in der letzten Stufe der Bildqualitäts-Bestimmung gewählt. Demgemäß können diese Werte durch einen Bediener an der Konsole 40 eingegeben werden oder können in dem Computer 36 gespeichert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird dann angenommen, wenn die Breite des Profils der z-geglät­ teten Schnitts nicht mehr als zweimal die intrisische Breite sein wird, daß n 5 ausreichend ist, um sich aus der Wendelabtastung ergebende Bildartefakte zu entfernen. Die Last zur Berechnung von m(β, γ) ist nur (2π + 1)t + (2n + 1) Multiplikationen + 2n Additionen, wobei t die Last zur Berechnung der Original-Gewichtungsfunktion Wm(B, γ) ist.
Der vorstehend beschriebene Algorithmus bzw. das vorste­ hend beschriebene Rechenverfahren erleichtert eine Verrin­ gerung von Artefakten bei der Mehrfach-Schnitt-Wendel- Bildrekonstruktion. Ein derartiger Algorithmus bzw. ein derartiges Rechenverfahren erhöht auch die Verarbeitungs­ zeit nicht bedeutend und bietet bemerkenswerte Kompromisse zwischen Artefaktverringerung und Schnittprofil.
Aus der vorstehenden Beschreibung von zahlreichen Ausfüh­ rungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist erkennbar, daß die Aufgaben der Erfindung gelöst werden. Obwohl die Erfindung genau beschrieben und veranschaulicht wurde, ist deutlich zu verstehen, daß dasselbe zur Veranschaulichung und nur als Beispiel und nicht zur Beschränkung geschah. Beispielsweise ist das hier beschriebene Computer-Tomogra­ phie-System ein System der "dritten Generation", in dem sich sowohl die Röntgenstrahlquelle als auch die Erfas­ sungseinrichtung mit dem Drehrahmen drehen. Viele andere Computer-Tomographie-Systeme einschließlich Systemen der "vierten Generation", bei denen die Erfassungseinrichtung eine stationäre Vollring-Erfassungseinrichtung ist und sich nur die Röntgenstrahlquelle mit dem Drehrahmen dreht, können verwendet werden. Ähnlich können, während hier die Werte von n, Δβ und h(i) als in der letzten Stufe der Bildqualitäts-Bestimmung gewählt beschrieben werden, ir­ genwelche oder alle dieser Werte vorgewählt oder im Compu­ ter gespeichert werden. Darüberhinaus kann, während sich die Beschreibung auf Zwei- und Vier-Schnitt-Abtasteinrich­ tungen bezieht, der vorliegende Algorithmus bzw. das vor­ liegende Rechenverfahren in Verbindung mit anderen Abta­ steinrichtungen verwendet werden. Demgemäß wird der Schutzumfang der Erfindung nur durch den Wortlaut der An­ sprüche beschränkt.
Die vorliegende Erfindung ist in einer Form ein System zur Durchführung einer Bildrekonstruktion aus bei einer Mehr­ fach-Schnitt-Wendel-Abtastung erfaßten Projektionsdaten. Insbesondere wird ein Wendel-Gewichtungsfaktor erzeugt und dann wird ein modifizierter Gewichtungsfaktor m(β, γ), der eine verschobene und gewichtete Mittelwertversion des Wen­ del-Gewichtungsfaktors ist, erzeugt. Der modifizierte Ge­ wichtungsfaktor wird dann auf die Projektionsdaten angewendet.

Claims (12)

1. System (10) zur Erzeugung eines tomographischen Bilds eines Objekts unter Verwendung von bei einer Wendelabta­ stung erfaßten Projektionsdaten, wobei das System (10) ein Erfassungseinrichtungsfeld (18) mit einer Vielzahl von Reihen von Erfassungseinrichtungen (20),
eine Einrichtung zur Bestimmung eines Wendel-Gewichtungs­ faktors,
eine Einrichtung zur Bestimmung eines modifizierten Ge­ wichtungsfaktors auf der Grundlage des bestimmten Wendel- Gewichtungsfaktors, und
eine Einrichtung zum Anlegen des identifizierten modifi­ zierten Gewichtungsfaktors an die Projektionsdaten umfaßt.
2. System (10) nach Anspruch 1, wobei der modifizierte Gewichtsfaktor m(β, γ) lautet: wobei
γY der Erfassungseinrichtungswinkel,
β der Drehrahmenwinkel,
m der Erfassungseinrichtungs-Reihenindex,
Wm(β, γ) der Wendel-Gewichtungskoeffizient,
Δβ die Verschiebung entlang der Ansichts­ winkel-Richtung und
h(i) die an die i-te verschobene Version angelegte Gewichtung
ist.
3. System (10). nach Anspruch 2, wobei n 5 ist.
4. System nach Anspruch 2, wobei eine Einrichtung zur Auswahl von n, Δβ und i in der letz­ ten Stufe einer Bildqualitäts-Bestimmung ausgebildet ist.
5. System (10) nach Anspruch 2, mit einem Computer (36) mit einer Speichereinrichtung (38) zur Speicherung von Werten von n, Δβ und i.
6. System (10) nach Anspruch 2, mit einer Konsole (40) zum Empfang von Eingaben hinsichtlich n, Δβ und i.
7. Verfahren zur Erzeugung eines tomographischen Bilds eines Objekts unter Verwendung von bei einer Wendelabta­ stung erfaßten Projektionsdaten mit einem System (10), das ein Erfassungseinrichtungsfeld (18) mit einer Vielzahl von Reihen von Erfassungseinrichtungen (20) umfaßt, mit den Schritten:
Bestimmen eines Wendel-Gewichtungsfaktors;
Bestimmen eines modifizierten Gewichtungsfaktors auf der Grundlage des bestimmten Wendel-Gewichtungsfaktors; und Anlegen des identifizierten modifizierten Gewichtungsfak­ tors an die Projektionsdaten.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der modifizierte Gewichtungsfaktor m(β, γ) lautet: wobei
γ der Erfassungseinrichtungswinkel,
β der Drehrahmenwinkel,
m der Erfassungseinrichtungs-Reihenindex,
Wm(β, γ) der Wendel-Gewichtungskoeffizient,
Δβ die Verschiebung entlang der Ansichts­ winkel-Richtung, und
h(i) die an die i-te verschobene Version angelegte Gewichtung
ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei n 5 ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8, mit dem Schritt Auswählen von n, Δβ und i in der letzten Stufe einer Bildqualitäts-Bestimmung.
11. Verfahren nach Anspruch 8, mit dem Schritt Speichern von Werten von n, Δβ und i in eine Speicherein­ richtung (38) in einem Computer (36).
12. Verfahren nach Anspruch 8, mit dem Schritt Empfangen von Eingaben hinsichtlich n, Δβ und i über eine Konsole (40).
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