DE19929585A1 - Schnelle und wirksame Multiprozessor-Implementierung für eine schnelle Kegelstrahl-Bildrekonstruktion - Google Patents
Schnelle und wirksame Multiprozessor-Implementierung für eine schnelle Kegelstrahl-BildrekonstruktionInfo
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Abstract
Mit einem Computertomographie-Bildgerät wird eine dreidimensionale (3D) Bildrekonstruktion eines interessieren Bereiches eines Objektes unter Anwendung einer Mehrzahl von Prozessoren zur Verarbeitung von aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl-Meßdaten durchgeführt, die durch Abtastung des Objektes mit einer Kegelstrahl-Strahlungsquelle und einem Flächendetektor erfaßt werden. In einem zentralen Speicher ist eine Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen gespeichert, und die Anzahl von Prozessen spricht auf eine gegebene Folge von aufeinanderfolgenden Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen an, um die Kegelstrahl-Meßdaten in Radon abgeleitete Daten an einer Mehrzahl von Radon j-Ebenen zu konvertieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat jeder Prozessor einen ersten Eingang, der zur Aufnahme von gesendeten aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl-Meßdaten geschaltet ist, sowie einen zweiten Eingang, der zur Aufnahme der Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen mit einer gegebenen Folge geschaltet ist, so daß jeder der Prozessoren die zu seinem zweiten Eingang übertragenen Kegelstrahl-Meßdaten in Radon abgeleiteten Daten für einen entsprechenden Untersatz von Radon j-Ebenen konvertiert.
Description
Die Erfindung betrifft allgemein Computertomographie (CT)-Bildgeräte, mit denen
eine dreidimensionale (3D) Bildrekonstruktion durch Verarbeitung von Kegelsstrahl-
Meßdaten durchgeführt wird, die ein Objekt darstellen, sowie insbesondere eine
schnelle und wirksame Multiprozessor-Anordnung zur Ausführung der Verarbeitung
zur Bildrekonstruktion.
Es wurde bereits ein System entwickelt, bei dem eine Kegelstrahl-Geometrie zur
dreidimensionalen (3D), computertomographischen (CT)-Bilderzeugung verwendet
wird, das eine Kegelstrahl-Röntgenstrahlenquelle und einen 2D Flächendetektor
umfaßt. Ein abzubildendes Objekt wird vorzugsweise über einen Winkelbereich von
360° und entlang seiner gesamten Länge abgetastet, und zwar mit einem von
verschiedenen Verfahren, wobei die Position des Flächendetektors relativ zu der
Quelle fixiert ist und eine relative Rotations- und Translationsbewegung zwischen der
Quelle und dem Objekt die Abtastung (Bestrahlung des Objektes mit
Strahlungsenergie) bewirkt. Die Kegelstrahl-Lösung für die 3D CT eröffnet die
Möglichkeit, sowohl für medizinische, als auch für industrielle Anwendungen eine
3D-Bilderzeugung mit erhöhter Geschwindigkeit sowie verbesserter Dosisauswertung
im Vergleich zu konventionellen 3D CT-Geräten (das heißt dem Weg über eine Reihe
von Scheiben, die mit parallelen oder fächerartigen Röntgenstrahlen erzeugt werden)
zu erzielen.
Als ein Ergebnis der relativen Bewegung der Kegelstrahlquelle in eine
Mehrzahl von Quellenpositionen (das heißt "Ansichten") entlang des Abtastweges
wird mit dem Detektor eine entsprechende Anzahl von Sätzen von Kegelstrahl
projizierten Meßdaten (im folgenden einfach als Meßdaten bezeichnet)
gesammelt, wobei jeder Satz von Meßdaten eine Röntgenstrahlen-Dämpfung
darstellt, die durch das Objekt mit einer der Quellenpositionen bewirkt wird.
Nach dem Abschluß der Meßdaten-Erfassung werden die Meßdaten zur
Rekonstruktion eines 3D-Bildes des Objektes verarbeitet. Im Vergleich zu der
Verarbeitung, die zur Rekonstruktion eines Bildes bei Anwendung einer
Röntgenstrahlquelle mit parallelen oder Fächerstrahlen erforderlich ist, ist die
Verarbeitung der Meßdaten, die bei Anwendung einer Kegelstrahlquelle gesammelt
werden, vom Rechenaufwand wesentlich höher. Dies beruht darauf, daß bei
Anwendung einer parallelen oder Fächerstrahlquelle die Meßdaten bereits direkt eine
2D-Radon-Transformation eines Querschnitt des Objektes darstellen. Dies ist jedoch
nicht der Fall, wenn eine Kegelstrahlquelle eingesetzt wird, bei der eine aufwendige
Verarbeitung der gesamten Meßdaten erforderlich ist, um geeignete Radon-
Transformationsdaten zu entwickeln. Eine solche Verarbeitung zur exakten
Rekonstruktion eines Bildes eines Objektes umfaßt im allgemeinen:
- 1. eine Umwandlung der Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten. Dies kann mit den Verfahren vorgenommen werden, die in der US-PS 5.257.183 mit dem Titel "Method and apparatus for converting cone beam x-ray projection data to planar integral and reconstructing a three-dimensional computerized tomography (CT) image of an object" vom 26. Oktober 1993 beschrieben sind, die durch Bezugname zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll,
- 2. eine Umwandlung der Radon-abgeleiteten Daten in Radon-Daten an polaren Gitterpunkten zum Beispiel unter Anwendung der Verfahren, die in der US-PS 5.446.776 mit dem Titel "Tomography with generation of Radon data on polar grid points" vom 8. August 1995 beschrieben sind, die durch Bezugname zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll, und
- 3. Durchführung einer inversen 3D-Radon-Transformation mit den Radon-Daten unter Verwendung bekannter Verfahren zur Rekonstruktion von Bilddaten, die zum Beispiel in der oben genannten US-PS 5.257.183 beschrieben sind und mit denen bei Anwendung auf eine Anzeige eine Ansicht des 3D-CT Bildes des Objektes erzeugt wird.
Auch wenn die Theorie zur exakten Rekonstruktion eines Bildes unter Verwendung
der Kegelstrahl-Meßdaten zum Beispiel aus den oben genannten US-Patenten
allgemein bekannt ist, hat sich die praktische Realisierung der Verarbeitung als sehr
problematisch erwiesen. Einerseits ist die Menge der zu verarbeitenden Meßdaten sehr
hoch, und diese Daten werden entsprechend einer Zeitsteuerung, die hauptsächlich
durch die Geometrie des Abtastweges bestimmt ist, sehr schnell empfangen.
Andererseits sind, wie oben bereits erwähnt wurde, die mit den gesammelten Daten
durchzuführenden Berechnungen sehr aufwendig. Der Teil der Objekt-
Rekonstruktion, der den größten Rechenaufwand erfordert, ist die Berechnung der
Radon-abgeleiteten Daten (obige Schritte 1 und 2). Wie in den oben genannten US-
Patenten sowie in der US-PS 5.463.666 mit dem Titel "Helical and circle scan region
of interest computerized tomography" vom 31. Oktober 1995, die durch Bezugnahme
zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll, erläutert ist, ist es zur
Berechnung des Wertes der Radon-Daten an einem gegebenen Radon-Abtastpunkt im
allgemeinen erforderlich, die von mehreren Quellenpositionen erhaltenen Meßdaten
zu verarbeiten, wobei die Meßdaten von jeder Quellenposition durch
Datenkombination einen Beitrag zu dem endgültigen Wert des Abtastpunktes
beitragen. Im allgemeinen müssen etwa 100 × 106 Linienintegral-Ableitungen während
der Objekt-Rekonstruktion berechnet werden. Da jede Linienintegral-Ableitung eine
Berechnung von zwei einzelnen Linienintegralen erfordert (da eines die Differenz
zwischen zwei dicht beabstandeten Linienintegralen anwendet, um eine einzige
Linienintegral-Ableitung zu berechnen), sind 200 × 106 einzelne Linienintegral-
Berechnungen erforderlich. Bevor jedoch mit den Berechnungen dieser
Linienintegral-Ableitungen auch nur begonnen werden kann, muß für jede Radon-
Abtastung berechnet werden, welche Quellenpositionen die Meßdaten erzeugen, die
verarbeitet werden müssen, und es muß der Umfang von Linien auf den Meßdaten
bestimmt werden, entlang von denen die Integration durchgeführt werden muß. Um
die beitragenden Quellenpositionen zu berechnen, muß der Quellen-Abtastweg mit der
Radon-Integrationsebene gemäß der Erläuterung in der oben genannten US-PS
5.463.666 geschnitten werden. Wenn ein spiralförmiger Abtastweg verwendet wird,
erfordert dies die Lösung von transzendentalen Gleichungen, die rechnerisch sehr
aufwendig sind. Die Komplexität dieser oben genannten Berechnungen führt zu
erheblichen Einschränkungen bei der Verarbeitung der Meßdaten, so daß eine schnelle
und wirksame Bildrekonstruktion nicht möglich ist.
In der US-Patentanmeldung 08/940.489 mit dem Titel "A reduction of hitlist size in
spiral cone beam CT by use of local Radon origins" vom 30. September 1997, die
durch Bezugname zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll, wird ein
schnelles und wirksames Verfahren zur Verarbeitung der gesammelten Meßdaten zur
Entwicklung der Radon-abgeleiteten Daten beschrieben. Ein sphärisches
Koordinatensystem (r, Q, j), das einen durch eine Mehrzahl von vertikal gerichteten
axialen Ebenen unterteilten Radon-Raum definiert, wird verwendet, um die
nachfolgende Inversionsverarbeitung der Radon-Daten zu erleichtern. Anstelle einer
"on-the-fly" Durchführung aller Konversionsberechnungen macht dieses neue
Verfahren von einer vorberechneten "relativen Hitliste" zur Beschleunigung der
Konversion Gebrauch.
Kurz gefaßt weist diese relative Hitliste einen Speicher mit vorberechneten
Bildrekonstruktions-Verarbeitungsinformationen auf, die die Konversion der
Meßdaten zu Radon-Daten erheblich erleichtern. Die Informationen in der Hitliste
werden in erster Linie aus den Geometrie-Parametern des Bildgerätes bestimmt und
liegen somit bereits vor der Bildverarbeitung in dem Gerät vor. Diese Parameter sind
die Steigung und andere Eigenschaften des Quellen / Detektor-Abtastweges, die
Abmessungen des Objektes, die Detektorauflösung und die Abtastung des
Abtastweges und des Radon-Raums. Diese Parameter definieren die Linienintegrale,
die in den Meßdaten berechnet werden müssen, um die gewünschten Abtastwerte der
Radon-Daten zu entwickeln. Somit beinhalten die Hitlisten-Informationen den
Zusammenhang zwischen Punkten in dem Radon-Raum und den Quellenpositionen,
die dazu einen Beitrag leisten, die Parameter, die die Linienintegrale definieren, die an
den an jeder der Quellenpositionen gesammelten Meßdaten berechnet werden müssen,
sowie andere Informationen, die für den Ablauf der Bildrekonstruktion hilfreich sind.
Im allgemeinen wird der Hersteller des Bildsystems die Hitlisten-Informationen
vorberechnen und in einem Speicher speichern. Die Hitlisten-Information wird
während des Ablaufs der Bildverarbeitung in dem Gerät verwendet, um die
Konversionsverarbeitung der gesammelten Meßdaten zu den zahlreichen
Abtastwerten der Radon-abgeleiteten Daten zu unterstützen, die erforderlich sind, um
den Bereich der Radon-Unterstützung für eine geeignete Rekonstruktion des Objektes
aufzufüllen. Ferner können aufgrund einer Symmetrie, die in die nachfolgende Radon-
Inversionsverarbeitung eingeführt wird, die Informationen, die für nur eine der Radon-
Raum-j-Ebenen gespeichert sind, zur Berechnung der Radon-abgeleiteten Daten für
alle anderen Radon-Raum-j-Ebenen verwendet werden. Dadurch werden die
Speicheranforderungen für die Hitliste erheblich reduziert. Die Anwendung der
Hitliste mit vorberechneten Ergebnissen führt zu einer erheblichen Verbesserung der
Geschwindigkeit und Wirksamkeit der Bild-Rekonstruktionsverarbeitung im Vergleich
zu einer Konversionsverarbeitung ohne eine solche Hitliste.
Es ist somit wünschenswert, eine wirksame Multiprozessor-Anordnung zur
Ausführung einer Bildrekonstruktionsverarbeitung zu schaffen, die solche
vorberechneten Informationen nutzt.
In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Erfindung wird mit einem
Computertomographie-Bildgerät eine dreidimensionale (3D) Bildrekonstruktion eines
interessierenden Bereiches eines Objektes unter Anwendung einer Mehrzahl von
Prozessoren zur Verarbeitung von aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl-
Meßdaten durchgeführt, die durch Abtastung um das Objekt mit einer Kegelstrahl-
Strahlungsquelle und einem Flächendetektor erzeugt werden. In einem zentralen
Speicher ist eine Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten
Bildverarbeitungsinformationen gespeichert, und die Anzahl von Prozessoren reagiert
auf aufeinanderfolgende Untersätze von vorberechneten
Bildverarbeitungsinformationen zur Umwandlung der Kegelstrahl-Meßdaten in
Radon-abgeleitete Daten in einer Mehrzahl von Radon- j-Ebenen. Jeder Prozessor
umfaßt einen ersten Eingang, der zum Empfang der aufeinanderfolgenden Sätze von
Kegelstrahl-Meßdaten in einer übertragenen Weise geschaltet ist, sowie einen zweiten
Eingang, der zum Empfang der Untersätze von vorberechneten
Bildverarbeitungsinformationen in einer gegebenen Folge geschaltet ist, so daß jeder
der Prozessoren die zu seinem zweiten Eingang übertragenen Kegelstrahl-Meßdaten
zu Radon-abgeleiteten Daten für einen entsprechenden Untersatz der Radon- j-Ebenen
konvertiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl
von lokalen Speichern miteinander verbunden, um die Untersätze von vorberechneten
Bildverarbeitungsinformationen wie durch eine Rohrleitung untereinander zu
übertragen und ferner auch mit dem zweiten Eingang der entsprechenden Prozessoren
verbunden.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild und eine vereinfachte perspektivische Darstellung der
Abbildung eines Objektes unter Anwendung eines Kegelstrahl-Bildgerätes, wobei
eine Hitliste mit vorberechneten Informationen zur Bildrekonstruktionsverarbeitung
verwendet wird.
Fig. 2 zeigt eine inverse 3D-Radon-Transformationsverarbeitung.
Fig. 3a und 3b zeigen die Bestimmung der Quellenpositionen, die einen Beitrag zu
einem gegebenen Radon-Abtastpunkt leisten.
Fig. 4 zeigt die Bestimmung von Quellenpositionen, die einen Beitrag zu einem
Radon-Abtastpunkt leisten, der auf ausgewählten aufeinanderfolgenden j-Ebenen in
dem Radon-Raum ähnlich positioniert ist.
Fig. 5 zeigt die Anwendung des Verfahrens der lokalen Radon-Ursprünge frär
aufeinanderfolgende j-Ebenen gemäß Fig. 4 zum Einführen einer Symmetrie in die
darin gezeigten Bestimmungen und zur Anwendung einer relativen Hitliste mit
reduzierter Größe.
Fig. 6 zeigt eine Multiprozessor-Anordnung gemäß der Erfindung zur Verarbeitung
der Kegelstrahl-Meßdaten gemäß Fig. 1 zur Entwicklung von Radon-abgeleiteten
Daten.
Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multiprozessor-
Anordnung.
Fig. 8 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Multiprozessor-Anordnung
Fig. 9a und 9b zeigen weitere alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Multiprozessor-Anordnung.
Fig. 1 zeigt ein Kegelstrahl 3D CT Bildgerät, das gemäß den Grundsätzen der
Erfindung arbeitet. Mit Ausnahme von dem, was später mit Bezug auf die
Implementierung der Bildrekonstruktionsverarbeitung gemäß der Erfindung
beschrieben werden wird, ist das dargestellte Bildgerät im wesentlichen so konstruiert
und arbeitet in der Weise, wie es in den oben genannten US-PSen 5.257.183 und
5.446.776 beschrieben ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, bewirkt ein computergesteuerter Manipulator 6 in
Abhängigkeit von Steuersignalen von einem geeigneten programmierbaren Computer
8, daß eine Quelle 10 für Kegelsstrahl-Energie (wie zum Beispiel Röntgenstrahlen)
und ein zweidimensionaler Flächendetektor 12 an einer Mehrzahl von diskreten,
nacheinander auftretenden, benachbarten Quellenpositionen entlang eines
vordefinierten Quellen-Abtastweges, der als spiralförmiger, um eine vorbestimmte
Achse 15 eines Objektes 16 zentrierter Abtastweg 14 dargestellt ist, zur Abtastung
zusammenwirken. Als Ergebnis des Zusammenwirkens zwischen Quelle und Detektor
empfängt der Detektor 12 vollständige Kegelsstrahl-Meßdaten, die zur Rekonstruktion
eines Bildes des Objektes 16 verwendet werden. Alternativ dazu könnte das Objekt 16
auch ebenso gut gedreht und verschoben werden, um eine Abtastung mit einer festen
Positionen von Quelle und Detektor zu erreichen. Ferner kann die Abtastung
kontinuierlich oder schrittweise durchgeführt werden. Der Abtastweg kann
gleichmäßig beabstandete Schleifen (die zuweilen auch als Stufen bezeichnet werden)
oder Schleifen mit wachsender Steigerung an den oberen und unteren Kanten des
Bereiches des darzustellenden Objektes haben. Schließlich kann die Quelle 10, die als
Röntgenstrahlen-Quelle dargestellt ist, auch andere Arten von Strahlungsenergie wie
zum Beispiel Neutronen, Positronen usw. erzeugen.
Der Computer 6, der Manipulator 8, die Quelle 10 und der Detektor 12 wirken
zusammen, um eine Abtastung des Objektes in einer allgemein bekannten Weise zu
bewirken, wie sie zum Beispiel im Detail in dem oben genannten US-PS 5.463.666
beschrieben ist, so daß weitere detaillierte Erläuterungen dieses Teils der Arbeitsweise
des Kegelstrahl-Bildgerätes nicht erforderlich sind.
Wenn die Röntgenstrahlen-Energie durch das Gesichtsfeld des Bildgerätes fällt,
werden Meßsignale, die mit der erfaßten Röntgenstrahl-Energie korrespondieren, die
auf Elemente innerhalb des Detektor 12 fällt, einem Datenerfassungs-System (DAS)
17 zugeführt, das, ebenso wie die oben beschriebenen Teile der Fig. 1, in einer
allgemein bekannten Weise arbeiten kann, um die Meßdaten, die mit den gesammelten
Meßsignalen korrespondieren, zu digitalisieren, vorzuverarbeiten und zu speichern.
Die Meßdaten aus dem DAS 17 werden einem Pufferspeicher sowie einem Bild-
Rekonstruktionsprozessor 18 zugeführt, der im allgemeinen einen Computer umfaßt,
der zur Durchführung verschiedener Datenumwandlungen, mit denen die Meßdaten
zur Rekonstruktion eines Bildes verarbeitet werden, programmiert ist, wobei die
Funktionalität der Verarbeitung durch die Blöcke 20 bis 26 innerhalb des Prozessors
18 dargestellt ist. Im einzelnen werden mit einem Block 20 die Meßdaten so
verarbeitet, daß sie zu Radon-abgeleiteten Daten konvertiert werden. Zur
Erleichterung der Radon-Inversions-Verarbeitung wird vorzugsweise ein sphärisches
Koordinatensystem (r, Q, j) verwendet. Wie im Detail weiter unten noch beschrieben
werden wird, wird dies durch Anwendung einer "relativen" Hitliste (Hr) von
vorberechneten Bildrekonstruktions-Verarbeitungsinformationen erreicht, die in einer
Datenbank 21 gespeichert sind und während des laufenden Betriebs des Gerätes zur
Verarbeitung der gesammelten Meßdaten zur Entwicklung der Radon-abgeleiteten
Daten verwendet werden.
Mit dem Block 22 werden die Radon-abgeleiteten Daten an gleichmäßig
beanstandeten polaren Gitterpunkten zum Beispiel unter Verwendung eines
Verfahrens, das im Detail in Verbindung mit Fig. 5 in der oben genannten US-PS
5.446.776 beschrieben ist, in Radon-Daten konvertiert. Kurz gefaßt wird dort
beschrieben, daß die Radon-abgeleiteten Daten aus Block 20 in Radon-abgeleitete
Daten an gleichmäßig beabstandeten polaren Gitterpunkten unter Verwendung des
nächsten Nachbarn oder eines Interpolationsverfahrens konvertiert und anschließend
summiert werden, um die Radon-Daten an gleich beabstandeten polaren Gitterpunkten
zu entwickeln. Die in der Datenbank 21 gespeicherte Hitliste der Rekonstruktions-
Verarbeitungsinformationen stellt vorzugsweise auch vorberechnete Informationen
während dieses Teils der Rekonstruktionsverarbeitung zur Verfügung, wie zum
Beispiel Informationen zur Gewichtung, die zur Interpolationsverarbeitung (wie sie
durch die gestrichelte Linie zwischen Block 21 und Block 22 angedeutet ist)
verwendet werden, wodurch die Geschwindigkeit und die Wirksamkeit dieses Teils
der Rekonstruktionsverarbeitung ebenfalls verbessert wird.
Mit dem Block 24 werden die Radon-Daten einer inversen 3D Radon-
Transformationsverarbeitung unterworfen. Fig. 2 zeigt allgemein ein Beispiel für
einen Ablauf einer 3D Radon-Inversion in zwei Schritten, die in Verbindung mit der
Erfindung verwendet wird. Der Ablauf der 3D Radon-Inversion mit zwei Schritten
gemäß Block 24 ist, mit Ausnahme geringfügiger Modifikationen, die später
beschrieben werden sollen, allgemein bekannt und zum Beispiel in der oben
genannten US-PS 5.257.183 beschrieben. Kurz gefaßt wird mit den Radon-Daten aus
dem Block 22 begonnen, die in einem Radon-Raum 200 abgetastet wurden, der durch
ein sphärisches Koordinatensystem (r, Q, j) definiert ist, wobei eine j-Ebene 202 einer
Mehrzahl von vertikal gerichteten koaxialen j-Ebenen mit einer polaren
Gitterkoordinate dargestellt ist. Mit dem ersten Inversions-Verarbeitungsschritt
werden 2D Radon-Inversionen der Radon-Daten in jeder der j-Ebenen unter
Anwendung eines Verfahrens wie zum Beispiel einer gefilterten Rückprojektion
vorgenommen. Jede j-Ebene enthält dann eine 2D Projektion 204 des Objektes für
korrespondierende Sichtwinkel, die in einem kartesischen Koordinatensystem (r', z)
abgetastet sind. Nach dem Abschluß der ersten 2D Inversion sind Informationen über
das gesamte Objekt in einem zylindrischen Koordinatenraum 206 (r', j, z) enthalten.
Mit einem zweiten Inversionsschritt werden horizontale Ebenen 208 (z-Schnitte)
parallel zu der z-Achse in dem Raum 206 definiert und einer Inversionsverarbeitung
unterworfen, um nacheinander für jeden Schnitt die Daten zu entwickeln, die ein 3D
Bild des Objektes in dem Objektraum 210 beschreiben. Im einzelnen wird für jeden z-
Schnitt 208 ein 2D CT Rekonstruktionsablauf, wie zum Beispiel eine gefilterte
Rückprojektion, auf die Werte der 2D Projektionsbilder in der Ebene des z-Schnittes
angewendet, wodurch für jeden z-Schnitt ein 2D Bild 212 des Objektes berechnet
wird. Das letztendliche Ergebnis sind Bilddaten, die die räumliche Verteilung des 3D
Objektes, das in dem kartesischen Koordinatensystem (x, y, z) abgetastet wurde,
darstellen.
Gemäß Fig. 1 werden die durch den Block 24 entwickelten Bilddaten in einem Block
26 gespeichert und dann von dem Rekonstruktionsprozessor 18 einem Display 28
zugeführt, das in bekannter Weise arbeitet, um eine 3D CT Ansicht des Objektes 16 zu
erzeugen.
Mit Ausnahme der Bestimmung und der Anwendung der relativen Hitliste, die als
nächstes beschrieben werden soll, ist eine detaillierte Erläuterung der Blöcke gemäß
Fig. 1 in den oben genannten US-Patenten zu finden.
Wie bereits erläutert wurde und wie es auch in der oben genannten US-Anmeldung
Nr. 08/940.489 im Detail beschrieben ist, werden vor dem Betrieb des Kegelstrahl-
Bildgerätes zum Erfassen und Verarbeiten der Meßdaten zur Rekonstruktion eines
Bildes eines Objektes die zur Verarbeitung der gesammelten Meßdaten erforderlichen
Informationen vorberechnet und in der Datenbank 21 gespeichert, die alternativ auch
als Hitliste bezeichnet wird. Die vorberechneten Informationen werden dann während
des Abbildungsbetriebes des Kegelstrahl-Gerätes zur Verarbeitung der gesammelten
Meßdaten verwendet, um die Radon-abgeleiteten Daten zu entwickeln. Allgemein
formuliert enthält die Hitliste Verarbeitungsinformationen, die in erster Linie aus den
geometrischen Parametern des Bildgerätes bestimmt werden, die während seines
Abbildungsbetriebes vorbestimmt sind, wie zum Beispiel die Steigung und andere
Parameter des Quellen / Detektor-Abtastweges, die Abmessungen des Objektes, die
Detektorauflösung und eine gewünschte Abtastung des Abtastweges und des Radon-
Raums. Die Informationen in der Hitliste beinhalten eine Korrespondenz zwischen
Punkten in dem Radon-Raum und den Quellenpositionen, die dazu einen Beitrag
leisten, Parameter, die die Linienintegrale definieren, die an den an jeder
Quellenposition gesammelten Meßdaten berechnet werden müssen, sowie andere
Informationen, die zur Bild-Rekonstruktionsverarbeitung nützlich sind.
Eine Vorberechnung der Hitlisten-Informationen führt zu einer erheblichen Erhöhung
der Geschwindigkeit der laufenden (Bild-)Verarbeitung der Meßdaten und hat ferner
eine wesentlich verbesserte Wirksamkeit bei der Implementierung der Bild-
Rekonstruktionsverarbeitung zur Folge. Da jedoch, wie es im Detail in der oben
genannten US-Anmeldung 08/940.489 beschrieben ist, die Hitlisten-Informationen zur
Bestimmung von Daten für jeden der zahlreichen Punkte in dem Radon-Raum
erforderlich sind, der den Bereich der Objektunterstützung definiert, kann die Hitliste
sehr groß werden.
Folglich wird zur Verkleinerung der Hitliste eine Symmetrie in die Bild-
Rekonstruktionsverarbeitung eingeführt, die die Korrespondenz zwischen Punkten in
dem Radon-Raum und den Quellenpositionen bestimmt. Als ein Ergebnis dieser
eingeführten Symmetrie sind die Hitliste-Informationen, die zur Bestimmung der
Beiträge zu den Radon-Punkten von einer der j-Ebenen berechnet wurden, auch zur
Verarbeitung der Meßdaten geeignet, um die Beiträge zu den Radon-Daten für andere
j-Ebenen zu entwickeln. Die Art und Weise der Einführung dieser Symmetrie in die
Bild-Rekonstruktionsverarbeitung soll in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben werden.
Bevor jedoch beschrieben wird, wie die Symmetrie im Detail eingeführt wird, soll für
zusätzliche Hintergrundinformationen zunächst auf die Fig. 3 und 4 Bezug
genommen werden. Fig. 3 zeigt die Bestimmung von Quellenpositionen Sn1, Sn2 und
Sn3 entlang des Abtastweges 302, an denen Meßdaten gesammelt werden, die zum
Beitrag zu einem gegebenen Radon-Abtastpunkt zu verarbeiten sind. Wie allgemein
bekannt ist, kann das 3D Radon-Transformationsdatum an einem gegebenen Punkt (r,
Q, j) eindeutig durch das planare Integral des Röntgenstrahlen-
Dämpfungskoeffizienten des Objektes bestimmt werden, wobei die Integrationsebene
durch den Vektor (r, Q, j) bestimmt ist (nicht dargestellt). Die Meßdaten, die durch
den Detektor an den Quellenpositionen erfaßt werden, die auf der Integrationsebene
liegen, tragen zu dem betreffenden Radon-Wert bei. Fig. 3a zeigt diese Situation
dreidimensional. Die dargestellte beispielhäfte Integrationsebene 304 schneidet den
spiralförmigen Abtastweg 302 an den Positionen Sn1, Sn2 und Sn3. Die Schnittpunkte
liegen auf einer mit einer gestrichelten Linie 305 angedeuteten Ellipse, die durch
Projektion der Spirale in Richtung der z-Achse auf die Integrationsebene 304 erzeugt
wird. Zur Berechnung dieser Schnittpunkte wird lediglich sowohl der Abtastweg 302,
als auch die Integrationsebene 304 in die j-Ebene (bestimmt durch die j-Koordinate
des Radon-Punktes) gemäß der Darstellung in Fig. 3b projiziert. Anschließend muß
das 2D Problem des Schnittes einer Sinus-Funktion 306 (Projektion der Spirale 302 in
die j-Ebene) mit einer Linie 308 (Projektion der Ebene 304 in die j-Ebene) gelöst
werden, um die Positionen der Punkte Sn1, Sn2 und Sn3 zu bestimmen. Schließlich
werden diese Positionen auf der Basis der Kenntnis der Geometrie des Abtastweges
302 zurück in den 3D Raum übertragen. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis
die Quellen-Positionsinformationen für alle die Radon-Punkte entwickelt worden sind,
die zur Rekonstruktion eines Bildes des Objektes mit einer gewünschten Auflösung
gewünscht werden.
Fig. 4 zeigt die Bestimmung der Quellenpositionen, die zu den Radon-Abtastpunkten
beitragen, die auf ausgewählten, aufeinanderfolgenden j-Ebenen in dem Radon-Raum
ähnlich positioniert sind, das heißt Radon-Abtastpunkte, die die gleichen r- und Q-
Koordinaten aufweisen, wobei beispielhafte j-Ebenen 0°, 30° und 60° dargestellt sind.
Wie daraus deutlich wird, verschiebt sich die Projektion der Spirale entlang der z-
Achse, wenn man sich von j-Ebene zu j-Ebene bewegt und r und Q konstant hält, was
zu neuen Schnittpunkten führt. Unglücklicherweise sind die neuen Schnittpunkte nur
in sehr nichtlinearer Weise mit den vorhergehenden verknüpft. Wenn diese Ergebnisse
in der Hitliste gespeichert werden, benötigt man getrennte, das heißt eindeutige
Einträge für die Radon-Abtastpunkte für jede der zahlreichen j-Ebenen, die den
Radon-Raum aufteilen. Für eine detailliertere Beschreibung wird auf die oben
genannte US-PS 5.257.183 (Fig. 3 bis 10) und die oben genannte US-Anmeldung
Nr. 08/940.489 verwiesen.
Auch wenn sich die Position der Schnittpunkte der Projektionen der
Integrationsebenen mit dem spiralförmigen Abtastweg (das heißt die beitragenden
Quellenpositionen) zwischen den j-Ebenen in stark nichtlinearer Weise ändert, ändert
sich die Verschiebung der Projektionen der Spirale entlang der z-Achse in gut
vorhersehbarer und linearer Weise. Wie anhand der drei j-Ebenen in Fig. 4 deutlich
wird, "verschiebt" sich die Projektion des spiralförmigen Abtastweges in Richtung der
z-Achse mit einem Anstieg des j-Ebenen-Index (zum Beispiel für 0° ist 30° bis 60°).
Das Verfahren der relativen Hitliste macht in der Hinsicht von dem Vorteil dieser
Vorhersehbarkeit Gebrauch, daß die Hitlisten-Einträge, die für die Radon-
Abtastpunkte auf einer j-Ebene berechnet wurden, für die ähnlich positionierten
Radon-Abtastpunkte in anderen und tatsächlich in allen anderen j-Ebenen verwendet
werden können. Eine graphische Darstellung des Verfahrens, mit dem dieses Ergebnis
erzielt wird, ist in Fig. 5 gezeigt. Wie dort zu erkennen ist, wird der Radon-Ursprung
an jeder von aufeinanderfolgenden j-Ebenen (wobei nur die Ebenen bei 0°, 30° und
60° gezeigt sind) um einen Betrag (Dz) verschoben, der mit der Größe der z-
Achsenverschiebung korrespondiert, die die Projektion des Spiralweges 302 zwischen
aufeinanderfolgenden j-Ebenen erfährt. Das in Fig. 4 gezeigte Dz korrespondiert mit
Dz-mal der Anzahl von j-Ebenen zwischen 0° und 30°.
Als Ergebnis der Verschiebung des Ursprungs bei aufeinanderfolgenden j-Ebenen sind
die Schnittpunkte zwischen den Projektionen der Spirale und der Integrationsebene in
den lokalen Koordinatensystemen jeder j-Ebene die gleichen. Folglich tragen in einem
relativen Sinn die gleichen Quellenpositionen zu einer gegebenen r, Q Radon-Position
unabhängig von der j-Ebene bei, und die Rekonstruktionsinformationen in der Hitliste,
die für eine gegebene j-Ebene vorgesehen sind, können nun erneut zur Bestimmung
der Radon-Daten in jeder der aufeinanderfolgenden j-Ebenen verwendet werden. Das
einzige, was noch zu tun bleibt, ist eine Kompensation in der folgenden Verarbeitung,
um die Ursprungsverschiebungen der j-Ebenen zu berücksichtigen.
Somit ermöglicht die Zwei-Schritt Radon-Inversionsverarbeitung gemäß Block 24 in
Fig. 1, auf jeder der j-Ebenen, die die Radon-Transformationsdaten enthalten, einen
lokalen Radon-Ursprung zu setzen, der unabhängig von dem lokalen Ursprung jeder
anderen der j-Ebenen ist. Somit kann die Verschiebung der lokalen Radon-Ursprünge
der j-Ebenen des Radon-Raums verfolgt und während der Radon-
Inversionsverarbeitung kompensiert werden.
Im einzelnen kann die Kompensation während des ersten Schrittes der in Fig. 2
gezeigten Radon-Inversionsverarbeitung vorgenommen werden, und zwar durch
Rückprojektion der Radon-Daten (aus dem j-Ebenen) auf die Abtastgitter (z, r'), die
nicht verschoben werden, das heißt gegenüber den lokalen Radon-Ursprüngen versetzt
sind. Somit sind die Abtastgitter bereits in Richtung der z-Achse ausgerichtet und als
solche Teil eines globalen Gitters. Folglich wird der z-Achsenversatz der Radon-
Ursprünge in einfacher Weise durch Einführung eines korrespondierenden z-Achsen-
Delta in die Koordinaten-Variablen während der Radon-Inversions-Rückprojektion
berücksichtigt. Alternativ dazu ist auch eine Rückprojektion auf die z, r'-Gitter
möglich, die entlang der lokalen Radon-Ursprünge verschoben werden, wobei dann,
vor der Durchführung des zweiten Schrittes der Inversionsverarbeitung (2D Radon-
Inversion in den z-Ebenen) die Rückprojektionsergebnisse, d. h. die Bilder 204, um
einen entsprechenden Betrag in der Richtung der z-Achse verschoben werden, um die
vorherige z-Verschiebung zu kompensieren. Diese Verschiebung kann in einfacher
Weise unter Anwendung von bekannten Interpolationsverfahren vorgenommen
werden.
Anschließend folgt nun eine Beschreibung der Berechnung der in der "relativen"
Hitliste 21 enthaltenen Informationen sowie der Extraktion der Informationen über
alle j-Ebenen. Zunächst ist es jedoch erforderlich, die Nomenklatur zu erläutern.
Der spiralförmige Abtastweg ist in einem zylindrischen Koordinatensystem definiert,
in dem die z-Achse mit der Achse der Spirale zusammenfällt.
Der Radon-Raum ist in Bezug auf ein sphärisches Koordinatensystem definiert, bei
dem die Achse, um die der Winkel j gemessen wird, mit der z-Achse des zylindrischen
Koordinatensystems zusammenfällt.
Der spiralförmige Abtastweg wird mit gleichbeabstandeten j-Intervallen mit einer
Schrittweite DjQuelle abgetastet. Die entlang des Abtastweges abgetasteten
Quellenpositionen sind mit Sn, n = 0, Ns-1 bezeichnet. Die Anzahl von
Quellenpositionen Ns hängt von der Länge des Abtastweges und dem Abtastintervall
ab.
Die j-Ebenen in dem Radon-Raum werden mit gleichbeabstandeten j-Intervallen mit
einer Schrittweite DjRadon abgetastet. Die abgetasteten j-Ebenen sind mit jm, M = 0, . . . M-
1 bezeichnet. Die Anzahl von j-Ebenen ist durch M = p/DjRadon gegeben. Die
Schrittweite DjRadon ist so zu wählen, daß M eine ganze Zahl ist. Es ist vorteilhaft,
wenn M eine gerade ganze Zahl ist. Dies sollte im folgenden angenommen werden.
Ferner werden folgende Zuordnungen getroffen: j0 = -p/2 und jM-1 = p/2-DjRado", was zu
der Korrespondenz JM/2 = 0 führt.
Damit das System der lokalen Radon-Ursprünge in optimaler Weise läuft, wird
angenommen, daß DjQuelle = DjRadon.
Für jede der verschiedenen j-Ebenen wird ein anderer Radon-Ursprung verwendet.
Wenn man sich von einer j-Ebene mit dem Winkelabstand Dj = DjRadon zu der nächsten
Ebene bewegt, wird der lokale Radon-Ursprung um Dz verschoben. Diese
Verschiebung Dz ist durch die Steigung p des spiralförmigen Abtastweges und das
Abtast-Winkelintervall auf dem Abtastweg Dj = DjQuelle bestimmt. Die Steigung p der
Spirale drückt aus, um wieviel der Abtastweg in z-Richtung während einer vollen 2p
Drehung fortschreitet. Wenn man sich von einer Quellenabtastung auf der Spirale um
Dj (= DjQuelle = DjRadon) zu der nächsten bewegt, bewegt man sich in z-Richtung um
Dz = pDjQuelle/2p. Somit kann man durch Anwenden der gleichen Verschiebung Dz auf
die lokalen Ursprünge der j-Ebenen in dem Radon-Raum in bezug auf die lokalen
Koordinatensysteme bewirken, daß die Projektion des spiralförmigen Abtastweges auf
jeder j-Ebene gleich aussieht. Dadurch ist eine Verwendung der Informationen in der
relativen Hitliste zur Bestimmung der Radon-Daten für alle j-Ebenen möglich.
Zur Berechnung der Informationen in der Hitliste wird zunächst eine bestimmte j-
Ebene in dem Radon-Raum ausgewählt, die zur Berechnung der Informationen für die
relative Hitliste ausgewählt wird. Diese Ebene wird als jM/2-Ebene bezeichnet. Als
nächstes wird berechnet, wie jede abgetastete Quellenposition Sn zu den Radon-Daten
in der jM/2-Ebene, das heißt zu allen abgetasteten Radon-Positionen (ri, Q, jM/2), die in
dieser Ebene liegen, beiträgt. Es werden alle abgetasteten Radon-Positionen (ri, Q,
jM/2) betrachtet, und für jede solche Radon-Position werden die beitragenden
Quellenpositionen gemäß obiger Beschreibung in Verbindung mit Fig. 3 berechnet.
Im Idealfall werden Messungen vorgenommen, wenn sich die Quelle genau an diesen
Schnittpunkten befindet. Da jedoch der Abtastweg abgetastet wird, müssen die
aktuellen Quellenpositionen gewählt werden, die den Idealpositionen am nächsten
kommen. Dabei kann man entweder den nächstliegenden Nachbarn verwenden
(diejenige tatsächliche Quellenposition, die sich am nächsten an der idealen Position
befindet), oder es wird eine Interpolation vorgenommen, wobei zwei tatsächliche
Quellenpositionen, die am nächsten an der idealen Position liegen, in einer
gewichteten Weise einen Beitrag leisten.
Diese durch den Radon-Raum beaufschlagte Hitliste wird anschließend zu einer
gewünschten Quellenraum-beaufschlagten Version sortiert, bei der die Informationen
eine Reihenfolge entsprechend der einzelnen Quellenpositionen aufweisen. Diese
durch die Quelle bestimmte Version der relativen Hitliste wird zur Anwendung
während der Bild-Rekonstruktionsverarbeitung der gesammelten Meßdaten gemäß
obiger Beschreibung gespeichert.
Die in der relativen Hitliste gespeicherten Informationen seien wie folgt bezeichnet:
In || ∼In,M/2, n = 0, . . . NI.
Es ist möglich, daß die ganze Zahl NI größer sein muß, als die Anzahl von
Quellenpositionen, sie kann jedoch auch kleiner sein. Das genaue Verhältnis zwischen
NI und NS hängt von der relativen Größe des Objektes in Bezug auf die Parameter des
spiralförmigen Abtastweges ab. ∼In,M/2 bedeutet, daß die betreffende Information für
die Quellenposition Sn in Bezug auf die jM/2-Ebene in dem Radon-Raum vorgesehen
ist.
∼In,M/2 kann folgende Struktur haben, die eine Liste von Radon-Positionen (auf der jMC-
Ebene) umfaßt, zu der die Quelle Sn beiträgt, und die Parameter spezifizieren die
korrespondierenden Integrationslinien:
In || ∼In,M/2 = n,
Zur weiteren Verdeutlichung der Art und Weise der Anwendung der relativen Hitliste
sei nun betrachtet wie die von der Quellenposition Sn gesammelten Meßdaten zu den
jm-Ebenen für m M/2 beitragen. Wenn die lokalen Radon-Ursprünge wie oben
beschrieben verschoben werden, ergibt sich die folgende Situation: die Koordinaten
der Quellenposition Sn-1 sind mit Bezug auf das lokale Koordinatensystem der jM/2-
Ebene die gleichen, wie diejenigen der Quellenposition Sn, und zwar betrachtet von
dem lokalen Koordinatensystem der jM/2+i1-Ebene. Somit tragen die Meßdaten von der
Quellenposition Sn zu den Radon-Positionen in der jM/2+1-Ebene in gleicher Weise bei,
wie die Meßdaten von der Quellenposition Sn-1 zu den Radon-Positionen in der jM/2-
Ebene beitragen. Die entsprechende Information ist in In-1 gespeichert. Dies ist
zutreffend, solange die Indizes n und m in der gleichen Richtung ansteigen. Wenn der
Index n in einer Richtung steigt, in der der Index m abfällt, tragen die Meßdaten von
der Quellenposition Sn+1 zu den Radon-Positionen in der jM/2-Ebene in gleicher Weise
bei, wie die Meßdaten von der Quellenposition Sn zu den Radon-Positionen in der
jM/2+1-Ebene beitragen.
Wenn allgemein In,m die Bild-Rekonstruktionsinformationen zur Verarbeitung der
Meßdaten von der Quellenposition Sn zur Entwicklung der Beiträge zu den Radon-
Positionen in der jm-Ebene bezeichnet, gilt allgemein folgender Zusammenhang:
Dies bedeutet, daß die Information In,m in der relativen Hitliste dadurch gefunden
werden kann, daß geprüft wird, wie die Quelle Sn Dm zu der jM/2-Ebene beiträgt. Es sei
noch einmal darauf hingewiesen, daß das Pluszeic en gilt, wenn die Indizes n und m
in der gleichen Richtung abfallen, und daß das Minuszeichen gilt, wenn die Indizes n
und m in der gleichen Richtung ansteigen.
Wie bereits oben angenommen wurde, sei davon ausgegangen, daß M eine gerade
ganze Zahl ist, so daß es M Werte von Dm im Bereich von -M/2+1, -M/2+2, . . ., M/2-1,
M/2 gibt. Zur Verarbeitung der Meßdaten, die von einer gegebenen Quellenposition Sn
erhalten wurden, ist also die relative Hitlisten-Information
heranzuziehen, und zu erfahren, wie dieser Meßdatensatz zu den Radon-Positionen in
jeder der j-Ebenen beiträgt.
Während des laufenden Betriebes (Abbildungsbetrieb des Gerätes) werden die
gemessenen Projektionsdaten (die durch Normalisierung, Skalierung, Korrektur von
Detektor-Nichtlinearitäten usw. vorverarbeitet werden können) durch das DAS 17
dem Prozessor 18 zur Bild-Rekonstruktionsverarbeitung zugeführt. Wie bereits
beschrieben wurde, müssen als nächstes zahlreiche Linienintegral-Berechnungen mit
den Projektionsdaten durchgeführt werden, um die Radon-Daten des Objektes zu
berechnen.
In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Erfindung wird eine Beschleunigung
der Radon-Daten-Berechnungen unter Anwendung einer wirksamen parallelen
Verarbeitungsanordnung erzielt. Die in den Fig. 6 bis 9 gezeigte Anordnung hat
folgende Eigenschaften:
- - Die Anzahl von diskreten Prozessoren Np des Mikroprozessor-Systems ist gleich der Anzahl von j-Ebenen in dem Radon-Raum, dividiert durch eine ganze Zahl q. Somit ist jeder Prozessor einer bestimmten j-Ebene (in dem Fall, in dem q = 1) oder einem festen Satz von q j-Ebenen zur Verarbeitung zugeordnet.
- - Die Meßdaten werden an alle Prozessoren gesendet (das heißt die Daten befinden sich in einem gemeinsamen Speicher, auf den alle Prozessoren Zugriff haben). Jeder Prozessor erhält und speichert lokal Kopien der Meßdaten, die zur Verarbeitung zu verwenden sind.
- - Jeder Prozessor speichert die Hitlisten-Information, die er für den laufenden Task benötigt (Verarbeitung der Daten von der Quelle Sn, um einen Beitrag zu dem festen Satz von j-Ebenen zu leisten) in seinem eigenen lokalen Speicher.
- - Die relativen Hitlisten-Daten (Informationen Jn,m) werden dem Multiprozessor- System wie durch eine Rohrleitung zugeführt. Nachdem die Daten vor der Quelle Sn verarbeitet worden sind, bewegt sich die Hitlisten-Information "stromabwärts", so daß jeder Prozessor in seinem zugeordneten lokalen Speicher die Informationen zur Verfügung hat, die zur Verarbeitung der an der nächsten Quellenposition Sn+1 erhaltenen Meßdaten erforderlich sind.
Es sei angenommen, daß der Prozessor für die Radon jm-Ebene zuständig ist und daß
die Indizes n und m in gleicher Richtung ansteigen. Um die Daten von der
Quellenposition Sn zu verarbeiten, benutzt dieser Prozessor die Hitlisten-Information
In+(M/2-m). Für die nächste Quellenposition Sn+1 benötigt der Prozessor die
Informationen In+1+(M/2-m) = In+(M/2-(m-1)), d. h. diejenigen Informationen, die der
Prozessor, der für die Radon jm-1-Ebene (der "jm-1-Prozessor") verantwortlich ist,
benutzt, um die Daten von der Quellenposition Sn zu verarbeiten. Nachdem dann die
Daten von der Quellenposition Sn verarbeitet worden sind, muß der "jm-1-Prozessor"
seine gegenwärtigen Hitlisten-Informationen weiter zu dem "jm-Prozessor"
übergeben, der wiederum seine gegenwärtigen Hitlisten-Informationen dem "jm-1-
Prozessor" zuführt usw.. An einem Ende der Rohrleitung erhält der "jM+1-Prozessor"
die Hitlisten-Informationen, die neu sind (das heißt während des gegenwärtigen
Rekonstruktionslaufes noch nicht durch einen anderen Prozessor verwendet wurden),
und der "jM-1-Prozessor" löscht seine gegenwärtige Hitlisten-Information, da sie für
die nachfolgenden Quellenpositionen nicht mehr benötigt wird. Die "Speisung" kann
an jedem Speichermedium wie zum Beispiel an einem RAM, ROM Festplatte, usw.
beginnen, das die vollständige relative Hitliste enthält.
- - In dem Fall, in dem q<1 ist, d. h. in dem gemäß Fig. 7 jeder Prozessor für mehr als eine j-Ebene verantwortlich ist, werden die j-Ebenen dem Prozessor in verschachtelter (interlaced) Weise zugeordnet. Jeder Prozessor arbeitet auf jeder (Np)ten j-Ebene (anstelle an einem Block von q aufeinanderfolgenden j-Ebenen). Dadurch wird die Belastung zwischen den Prozessoren ausgeglichen.
- - Die Prozessoren sind vorzugsweise auf den speziellen numerischen Task, den sie auszuführen haben, zum Beispiel auf eine Linienintegration, spezialisiert (d. h. sie enthalten spezialisierte Verarbeitungseinheiten).
Die durch die Prozessoren berechneten Radon-Daten werden gesammelt und in einem
lokalen Speicher gespeichert, bis sie für alle Radon-Positionen berechnet worden sind.
An den gleichen Prozessoren können an einer j-Ebene durch eine j-Ebenen-Basis oder
an einer anderen Stufe des Prozessors weitere Verarbeitungen auftreten. In diesem
letztgenannten Fall werden Daten entweder zu diesen anderen Prozessoren übertragen
oder dieses anderen Prozessoren teilen korrespondierende lokale Speicher mit den
vorhergehenden Prozessoren.
Mit der beschriebenen Architektur werden somit verschiedene Prozessoren
verschiedenen j-Ebenen in dem Radon-Raum zugewiesen. Die Meßdaten werden zu
den lokalen Speichern der Prozessoren über einen globalen Übertragungs-Bus
übertragen. Die Hitlisten-Daten werden zu den (lokalen Speichern der) Prozessoren
über lokale Verbindungen wie durch eine Rohrleitung gesendet. Die berechneten
Radon-Daten werden in lokalen Speichern der Prozessoren gespeichert, bis sie für
eine weitere Verarbeitung benötigt werden. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung
wird nicht nur der Umfang des erforderlichen Datenverkehrs gering gehalten, sondern
dieser auch in wirksamer Weise organisiert.
Im einzelnen zeigt Fig. 6 eine Ausführungsform einer wirksamen Multiprozessor-
Implementierung gemäß der Erfindung. Mit dieser Anordnung wird jeder Radon-
Raum j-Ebene ein anderer Prozessor 602 zugewiesen. Die Meßdaten (Sj) werden über
einen globalen Übertragungs-Bus 606 denjenigen der Anzahl von lokalen Speichern
604 zugeführt, die mit einer korrespondierenden Anzahl von j-Ebenen-Prozessoren
602 verbunden sind. Untersätze von Hitlisten-Daten (Ij, i = 0 . . . NI-1) werden von dem
zentralen Speicher (Datenbank 21) über eine entsprechende Anzahl von zusätzlichen
lokalen Speichern 608 zu jeder der j-Ebenen-Prozessoren 602 übertragen. Die lokalen
Speicher 608 sind über lokale Verbindungen 610 wie über eine Rohrleitung
verbunden. Als Antwort darauf berechnen die Prozessoren 602 Abtastwerte der
Radon-abgeleiteten Daten, die für eine weitere Verarbeitung 612 in weiteren lokalen
Speichern (nicht gezeigt) der j-Ebenen-Prozessoren 602 gespeichert werden, so daß
die. radialen Ableitungen der Radon-Transformation des Objektes für jede j-Ebene
ausgegeben werden. Die dargestellte Multiprozessor-Anordnung könnte auch die
nachfolgende Verarbeitung, das heißt die Integration der Radon-Ableitungen, um die
Radon-Transformation, die Radon-Inversion in den j-Ebenen und die Radon-Inversion
in den z-Ebenen zu erhalten, durchführen.
Im Betrieb erhält jeder j-Ebenen Prozessor 602 lokale Kopien der Meßdaten und
speichert diese. Es sei darauf hingewiesen, daß bei einer alternativen
Ausführungsform die lokale Speicherung der Meßdaten möglicherweise nicht
erwünscht ist.
In einem weiteren lokalen Speicher werden die Hitlisten-Informationen gespeichert,
die für den gegenwärtigen Task des Prozessors (der die Daten von der Quelle Sn
verarbeitet, um die Beiträge zu den Radon-Daten eines festen Satzes von j-Ebenen zu
entwickeln) relevant sind. Die relativen Hitlisten-Daten werden durch die weiteren
lokalen Speicher dem Multiprozessor-System wie durch eine Rohrleitung zugeführt.
Nachdem die Daten von der Quelle Sn verarbeitet worden sind, bewegt sich die
Hitlisten-Information "stromabwärts", so daß jeder j-Ebenen-Prozessor 602 in seinem
lokalen Speicher nun die Information zur Verfügung hat, die zur Verarbeitung der
Meßdaten von der nächsten Quellenposition Sn+1 relevant ist. Eine Start- oder
Initialisierungsbedingung ist abhängig von den spezifischen Grenzbedingungen an
dem Abtastweg. Eine entsprechende Berechnung kann durch einen einschlägigen
Fachmann vorgenommen werden.
Fall 1: jeder der Np Prozessoren behandelt q verschiedene j-Ebenen in verschachtelter
(interlaced) Weise, d. h. q<1.
Eine Ausführungsform dieser ersten Alternative ist in Fig. 7 gezeigt. Da jeder
Prozessor 702 nun für q j-Ebenen verantwortlich ist, erfordert jeder Prozessor auch
eine entsprechende Anzahl q von Hitlisten-Informations-"Packeten" Ii für jeden Satz
von Projektionsdaten. Demgemäß werden die Hitlisten-Daten in "Bündeln" von q
Informationspaketen Ii über die lokalen Speicher 704 wie durch eine Rohrleitung
durch die Reihe von Prozessoren 702 geführt. Die Projektionsdaten werden wiederum
an alle Prozessoren übertragen, und zwar für eine Quellenposition zur Zeit und in
gleicher Weise wie zuvor, und in den lokalen Speichern 706 gespeichert.
Mit der dargestellten Index-Verteilung wird angenommen, daß n und m in gleicher
Richtung steigen. Der gegenwärtige Quellen-Index j_, der für die laufende Situation
dargestellt ist, ist j_current = n+M/2.
Fall 2: DjQuelle = k DjRadon, wobei k eine ganze Zahl ist.
Bei dieser in Fig. 8 gezeigten Alternative ist der Winkelabstand zwischen den
abgetasteten Quellenpositionen auf dem Abtastweg k mal größer, als der
Winkelabstand der j-Ebenen in dem Radon-Raum (im allgemeinen als
"Unterabtastung der Quellenposition" bezeichnet). Diesem Fall kann durch
Berechnung von k relativen Hitlisten Rechnung getragen werden. Die in jeder
relativen Hitliste gespeicherte Information betrifft den Beitrag aller Quellenpositionen
zu einem von k Untersätzen von j-Ebenen. Wenn zum Beispiel k = 2 ist, würde eine
relative Hitliste alle j-Ebenen mit geraden Indizes abdecken, während die anderen die
j-Ebenen mit ungeraden Indizes abdecken.
Folglich wird dieser Fall durch k getrennte ("Rohr-") Leitungen 802 zur Zuführung
der Hitlisten-Informationen zu den Prozessoren 804 implementiert. Folglich sind k
Untergruppen von Prozessoren vorhanden, die mit k getrennten Untergruppen von j-
Ebenen arbeiten.
Die Quelle Sn trägt zu der jm-Ebene wie folgt bei:
mit D = Boden ((M/2-m)/k), t = m+kD-M/2,
wobei die gleichen Vorzeichen-Vereinbarungen wie oben gelten, das heißt ein
Pluszeichen, wenn die Indizes n und m in gleicher Richtung abfallen.
Die relative Hitliste (beziehungsweise die k relativen Hitlisten) enthalten die
Informationen It n für n = 0 . . . NS-1, t = 0 . . . k-1, die wie durch eine Rohrleitung über lokale
Speicher 806 den Prozessoren 804 zugeführt werden.
Erneut sei darauf hingewiesen, daß Fig. 8 nur die Verteilung der Hitlisten-
Informationen und nicht die Verteilung der Meßdaten zeigt. Jeder der Prozessoren hält
zu einer gegebenen Zeit den gleichen Satz von Meßdaten.
Fall 3: DjRadon = fDjQuelle, wobei f eine ganze Zahl ist.
In diesem Fall ist der Winkelabstand zwischen den j-Ebenen in dem Radon-Raum f
mal größer, als der Winkelabstand der abgetasteten Quellenpositionen auf dem
Abtastweg ("Überabtastung der Quellenpositionen"). Dieser Fall erfordert eine
Hitliste, die durch Verschachtelung von f relativen Hitlisten zusammengesetzt werden
kann, wobei jede dieser relativen Hitlisten die Informationen über einen Untersatz von
Quellenpositionen in bezug auf alle j-Ebenen enthält. Für das Beispiel von f=2 würde
eine relative Hitliste alle Quellenpositionen mit geraden Indizes und die andere alle
Quellenpositionen mit ungeraden Indizes abdecken.
Wie in Fig. 9a gezeigt ist, kann man die große einzige Hitliste den Prozessoren 902
in einer einzigen "Rohr-" Leitung zuführen. In diesen Fall wird nur ein f-ter Teil der in
einem lokalen Speicher 904, der jedem Prozessor 902 zugeordnet ist, gespeicherten
Informationen zur Verarbeitung der Daten von jeder gegebenen Quellenposition
verwendet. Alternativ dazu kann gemäß Fig. 9b für jeden Untersatz von
Quellenpositionen ein anderer Satz von Prozessoren vorgesehen sein (das heißt wenn
f = 2 ist, so behandelt ein Satz von Prozessoren die Quellenpositionen mit geraden
Indizes und ein anderer Satz von Prozessoren die Quellenpositionen mit ungeraden
Indizes), zu dem zu einem entsprechenden der Speicher 906 nur die
korrespondierenden Unter-Hitlisten zugeführt werden. In diesen Fall würden nun f
Prozessoren auf jeder j-Ebene arbeiten. Die Quelle Sn trägt zu der j-Ebene wie folgt
bei:
mit Dm = M/2-m, wobei die gleiche Vorzeichenregelung
wie oben getroffen ist, das heißt ein Pluszeichen wird angewendet, wenn die Indizes n
und m in der gleichen Richtung abfallen.
Es ist also ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur wesentlichen
Beschleunigung und Verbesserung der Wirkungsweise einer Bild-
Rekonstruktionsverarbeitung in einem Kegelstrahl-3D-CT Bildgerät gezeigt und
beschrieben worden. Über die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen hinaus
sind zahlreiche Änderungen, Modifikationen, Abwandlungen und andere
Verwendungen und Anwendungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes möglich, die
sich für einen Fachmann aus der Beschreibung und den Zeichnungen ergeben. Hierzu
gehören zum Beispiel:
- 1. Die vorberechneten Informationen können den Prozessoren nicht nur durch eine
Übertragung nach Art einer Rohrleitung, das heißt indem diese über lokale
Verbindungen von einem lokalen Speicher zu einem anderen lokalen Speicher
übertragen werden, zugeführt werden, sondern die vorberechneten Informationen
können in einem zentralen Speichern gespeichert werden, auf den alle Prozessoren
zugreifen können. Vorzugsweise können alle Prozessoren parallel auf den Speicher
zugreifen. Ein solcher paralleler Zugriff kann wie folgt implementiert werden:
Der Speicher wird so aufgeteilt, daß jeder "Speicherabschnitt" die Informationen enthält, die für einen Prozessor relevant sind, um einen Satz von Meßdaten (beziehungsweise f Sätze von Projektionsdaten für den Fall f<1) zu verarbeiten. Jeder Speicherabschnitt hat seine eigene Schnittstelle, über die auf ihn zugegriffen werden kann. Die Prozessoren sind mit diesen Schnittstellen über nichtblockierende VerbindungsNetzwerke wie zum Beispiel Crossbarsysteme verbunden, so daß zu jeder gegebenen Zeit jeder Prozessor Zugriff zu den vorberechneten Daten hat, die er benötigt, um deren laufende Meßdaten verarbeiten zu können. Die Struktur des Verbindungs-Netzwerkes kann vereinfacht werden, wenn berücksichtigt wird, daß es keine willkürlichen Permutationen zwischen den Eingangs- und den Ausgangskanälen zur Verfügung stellen muß. Vielmehr werden von einem Satz von Meßdaten zu dem nächsten die Prozessoren zu den Speicherteilen umgeschaltet, mit denen die Nachbar- Prozessoren zuvor verbunden waren, das heißt der gesamte Satz von Ausgangskanälen wird nur um einen Eingangskanal nach vorne bewegt. - 2. Die vorgeschlagene parallele Architektur kann nicht nur dann vorteilhaft verwendet werden, wenn die vorberechneten Informationen die oben beschriebene Struktur haben. Die parallele Architektur ist zum Beispiel auch dann sehr gut anwendbar, wenn anstelle der Hitlisten-Informationen Listen-Informationen bezüglich einer Detektor- Gewichtung verwendet werden. In der US-Anmeldung Nr. 08/994.605 mit dem Titel "Fast cone beam image reconstruction using a detector weight list" vom 19. Dezember 1997 wird der Aufbau und die Anwendung einer Detektor-Gewichtungsliste beschrieben. Für jedes Bit von gesammelten Meßdaten (das heißt für jedes Bildelement einer 2D Detektoranordnung, an jeder Meßposition der Detektor- Quellen-Kombination) werden Gewichtungsfaktoren, die den Beitrag dieses Bits der Pixel-Meßdaten zu den Abtastwerten der radialen Ableitung der 3D Radon- Transformation des Objektes bestimmen, vorberechnet und gespeichert. Diese Gewichtungsfaktoren repräsentieren im wesentlichen die Punkt-Spreizungsfunktion zwischen dem Detektor-Raum und dem 3D Radon-Raum. Die vorberechneten Pixel- Gewichtungen werden mit Quellenpositionen zu einer "Detektor-Gewichtungsliste" organisiert, wobei für jede Quellenposition ein Untersatz der Gewichtungsliste vorgesehen ist. Die vorberechneten Gewichtungen der Detektor-Gewichtungsliste werden in einer Datenbank gespeichert, die während des Betriebes des Gerätes zum Zuführen von Gewichtungsfaktoren verwendet wird, die mit vorverarbeiteten Meßdaten multipliziert werden, die durch die Detektorpixel an jeder Quellenposition gesammelt wurden, so daß die Radon-abgeleiteten Daten einfacher und schnell entwickelt werden können. Wenn zur Bild-Rekonstruktion der Weg über die Verwendung einer Detektor-Gewichtungsliste gewählt wird, besteht keine Notwendigkeit, Kopien von Meßdaten in lokalen Speichern des Prozessors zu speichern, da die Projektionsdaten pixelweise, das heißt nacheinander (seriell) verarbeitet werden. Somit ist es ausreichend, die Meßdaten in einem Datenstrom zu den Prozessoren zu führen, während die entsprechenden Untersätze der Detektor- Gewichtungsliste individuell wie durch eine Rohrleitung von einem lokalen Speicher zu dem nächsten geführt werden, die mit den entsprechenden parallelen Prozessoren verbunden bzw. diesen zugeordnet sind.
Ein wesentliches Prinzip besteht darin, Informations-"Pakete" zu benutzen, wobei
jedes Paket Informationen darüber enthält, in welcher Weise die Meßdaten von einer
Quellenposition zu einer j-Ebene in dem Radon-Raum beitragen. Diese Pakete werden
an die parallelen Prozessoren (wobei jeder Prozessor für einem festen Satz von j-
Ebenen in dem Radon-Raum zuständig ist) in einer Weise verteilt, durch die der
Datenverkehr gering gehalten wird. Die Verfügbarkeit dieser Informationspakete
ermöglicht eine schnelle Verarbeitung der Meßdaten, die zu den parallelen
Prozessoren übertragen werden.
In Abhängigkeit von der Art der vorberechneten Information in diesen Paketen kann
der numerische Task für die Prozessoren variieren, wobei verschiedene Arten von
spezialisierten Prozessoren, die einschlägig bekannt sind, für eine optimale Leistung
sorgen können. Für die Verarbeitung der Meßdaten auf der Basis der Hitlisten-
Information gemäß der Beschreibung in dem obigen Abschnitt der Beschreibung mit
dem Titel "Details der Hitlisten-Struktur" sollten die Prozessoren spezialisierte
Linienintegratoren und Addierer enthalten. Bei der alternativen Ausführungsform, bei
der die Listeninformationen mit Detektor-Gewichtung verarbeitet werden, sind
spezialisierte Multiplizierer und Addierer besonders effizient.
Alle diese Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen sowie andere
Verwendungen und Anwendungen, die nicht von der allgemeinen Lehre der Erfindung
abweichen, werden vom Schutz der Erfindung erfaßt, der durch die folgenden
Ansprüche unter Berücksichtigung der Beschreibung definiert ist.
Claims (7)
1. Computertomographie-Bildgerät zur Durchführung einer dreidimensionalen (3D)
Bildrekonstruktion eines interessierenden Bereiches (ROI) eines Objektes mit:
Abtastmitteln mit einer Kegelsstrahl-Strahlungsquelle und einem Flächendetektor zum Abtasten einer Mehrzahl von Quellenpositionen um den ROI des Objektes zum Entwickeln von aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl-Meßdaten, die eine durch den ROI des Objektes bewirkte Strahlungsdämpfung darstellen;
einem zentralen Speicher, in dem eine Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bild-Verarbeitungsinformationen gespeichert ist, die zur Umwandlung der Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten nützlich sind; und
einer Mehrzahl von Prozessoren, die jeweils einen ersten Eingang, der zur Aufnahme von gesendeten, aufeinanderfolgenden Sätzen von Meßdaten geschaltet ist, sowie einen zweiten Eingang aufweisen, der auf eine gegebene Folge von aufeinanderfolgenden Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen anspricht, zum Konvertieren der Meßdaten in Radon abgeleitete Daten an einer Mehrzahl von Radon j-Ebenen.
Abtastmitteln mit einer Kegelsstrahl-Strahlungsquelle und einem Flächendetektor zum Abtasten einer Mehrzahl von Quellenpositionen um den ROI des Objektes zum Entwickeln von aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl-Meßdaten, die eine durch den ROI des Objektes bewirkte Strahlungsdämpfung darstellen;
einem zentralen Speicher, in dem eine Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bild-Verarbeitungsinformationen gespeichert ist, die zur Umwandlung der Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten nützlich sind; und
einer Mehrzahl von Prozessoren, die jeweils einen ersten Eingang, der zur Aufnahme von gesendeten, aufeinanderfolgenden Sätzen von Meßdaten geschaltet ist, sowie einen zweiten Eingang aufweisen, der auf eine gegebene Folge von aufeinanderfolgenden Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen anspricht, zum Konvertieren der Meßdaten in Radon abgeleitete Daten an einer Mehrzahl von Radon j-Ebenen.
2. Bildgerät nach Anspruch 1,
bei dem die Prozessoren zur Aufnahme der Untersätze von vorberechneten
Bildverarbeitungsinformationen in einer Folge geschaltet sind, die dazu führt, daß die
Prozessoren die Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten für einen entsprechenden
Untersatz der Radon j-Ebenen konvertieren.
3. Bildgerät nach Anspruch 1,
das weiterhin eine Mehrzahl von lokalen Speichern aufweist, die miteinander zur
gegegenseitigen Übertragung der Untersätze von vorberechneten
Bildverarbeitungsinformationen nach Art einer Rohrleitung verbunden sind, wobei ein
Ausgang der lokalen Speicher auch mit entsprechenden der Anzahl von Prozessoren
verbunden ist, so daß ein gegebener Untersatz von vorberechneten
Bildverarbeitungsinformationen synchron mit dem Senden der Meßdaten zu den
Prozessoren von einem Prozessor zu einem nächsten der Anzahl von Prozessoren
geführt wird.
4. Bildgerät nach Anspruch 1,
bei dem die gegebene Folge mit einer Folge von Quellenpositionen korrespondiert, die
zur Abtastung des Objektes verwendet werden.
5. Verfahren zum Betrieb eines Computertomographie-Bildgerätes zur Durchführung
einer dreidimensionalen (3D) Bildrekonstruktion eines interessierenden Bereiches
(ROI) eines Objektes mit folgenden Schritten:
Betreiben einer Kegelsstrahl-Strahlungsquelle und eines Flächendetektors zum Abtasten eine Mehrzahl von Quellenpositionen um den ROI des Objektes, um aufeinanderfolgende Sätze von Kegelstrahl-Meßdaten zu entwickeln, die eine durch den ROI des Objektes bewirkte Strahlungsdämpfung darstellen;
Bereitstellen eines zentralen Speichers mit einer Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen, die zum Konvertieren der Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten nützlich sind; und
Verarbeiten der Meßdaten, um diese zu Radon-abgeleiteten Daten an eine Mehrzahl von Radon j-Ebenen zu konvertieren, wobei die Verarbeitung ein Senden von aufeinanderfolgenden Sätzen von Meßdaten zu einer Mehrzahl von Prozessoren umfaßt, und zwar gleichzeitig mit dem Beaufschlagen der Prozessoen mit einer gegebenen Folge von aufeinanderfolgenden der Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen.
Betreiben einer Kegelsstrahl-Strahlungsquelle und eines Flächendetektors zum Abtasten eine Mehrzahl von Quellenpositionen um den ROI des Objektes, um aufeinanderfolgende Sätze von Kegelstrahl-Meßdaten zu entwickeln, die eine durch den ROI des Objektes bewirkte Strahlungsdämpfung darstellen;
Bereitstellen eines zentralen Speichers mit einer Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen, die zum Konvertieren der Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten nützlich sind; und
Verarbeiten der Meßdaten, um diese zu Radon-abgeleiteten Daten an eine Mehrzahl von Radon j-Ebenen zu konvertieren, wobei die Verarbeitung ein Senden von aufeinanderfolgenden Sätzen von Meßdaten zu einer Mehrzahl von Prozessoren umfaßt, und zwar gleichzeitig mit dem Beaufschlagen der Prozessoen mit einer gegebenen Folge von aufeinanderfolgenden der Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem die Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen an die
Prozessoren unter Verwendung einer Mehrzahl von lokalen Speichern nach Art einer
Rohrleitung angelegt werden, so daß ein gegebener Untersatz von vorberechneten
Bildverarbeitungsinformationen von einem Prozessor zu einem nächsten der Anzahl
von Prozessoren synchron mit dem Senden der Meßdaten zu den Prozessoren geführt
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem die gegebene Folge mit einer Folge der Quellenpositionen korrespondiert, die
zur Abtastung des Objektes verwendet wird.
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