NL193557C

NL193557C - Inrichting voor het herschikken van divergerende bundels.

Info

Publication number: NL193557C
Application number: NL8304091A
Authority: NL
Original assignee: Elscint Ltd
Priority date: 1982-11-29
Filing date: 1983-11-29
Publication date: 2000-02-02
Also published as: IL70212A0; JPS59151944A; US4570224A; DE3342075A1; FR2536862B1; DE3342075C2; IL70212A; JPH0696001B2; FR2536862A1; NL8304091A; NL193557B

Description

1 193557

Inrichting voor het herschikken van divergerende bundels

De uitvinding heeft betrekking op tomografie met divergerende bundelstraling en heeft meer in het bijzonder betrekking op een inrichting voor het herschikken van, van divergerende bundels afgeleide gegevens om 5 tomografische afbeeldingen met minimale artefacten te verkrijgen, waarbij de inrichting een snelle verwerking mogelijk maakt, welke inrichting omvat: a. middelen voor het richten van divergerende bundels van doordringende straling door een lichaam, dat onderzocht wordt, vanaf bronmiddelen aan een zijde van het lichaam, b. middelen voor het hoeksgewijs verplaatsen van de divergerende bundel ten opzichte van het lichaam, 10 c. middelen voor het detecteren van straling die door het lichaam is gegaan in een aantal hoeksgewijs gescheiden posities binnen de door de divergerende bundels onderspannen hoek teneinde stellen van gedetecteerde stralingsgegevens af te leiden die representatief zijn voor een aantal hoeksgewijs gescheiden schaduwgrammen die de absorptie van de straling door verschillende delen van het lichaam aanduiden, d. middelen voor het herordenen van de stellen van gedetecteerde stralingsgegevens uit te stellen van 15 gegevens die overeenkomen met divergerende projecties in stellen van gegevens die overeenkomen met evenwijdige projecties, waarbij de onderlinge afstand tussen monsters in de evenwijdige projecties dwars gezien ongelijk zijn.

Medische afbeeldingsinrichtingen, zoals CT-aftasters, maken gebruik van een aantal processoren om de gewenste tomograaf te verkrijgen. De wetenschappers die zulke apparatuur ontwerpen zijn voortdurend aan 20 het zoeken naar wegen en middelen om de hoeveelheid van voor het verkrijgen van de tomograaf vereiste berekeningen te verminderen terwijl toch een hoge beeldkwaliteit van goede resolutie met minimale artefacten behouden wordt. Deze ontwerpers sluiten voortdurend compromissen tussen de hoeveelheid vereiste berekeningen en de kwaliteit van de tomograaf.

Voorbeelden van dergelijke compromissen worden bijvoorbeeld gevonden in de Amerikaanse octrooi-25 schriften RE 30.947 en 4.075.492, die eveneens betrekking hebben op CT-scanners die waaiervormige of divergerende bundels toepassen. In plaats van dat deze octrooischriften voortgaan met het beduidend grotere aantal berekeningen nodig bij divergerende bundels, bieden de octrooischriften de compromisoplossing aan van het opnieuw of herordenen van de divergerende stralen van de waaierbundel in evenwijdige stralen. De onderlinge afstand tussen de door het herordeningsproces verkregen stralen is 30 echter dwars gezien ongelijk. De ongelijke dwarsafstand resulteert in artefacten (vermindering van beeldkwaliteit).

Om de artefacten te verwijderen leert het Amerikaanse octrooischrift RE 30.547 de interpolatie van alle schaduwgram gegevens teneinde de evenwijdige stralen te ’’repositioneren” tot een gelijke onderlinge dwarsafstand. Het geoctrooieerde stelsel voert beduidend minder berekeningen uit dan het aantal dat nodig 35 zou zijn wanneer de terugprojectie reconstructie de oorspronkelijke divergerende bundels zou gebruiken. Toch heeft het proces nog een groot aantal berekeningen nodig.

Dienovereenkomstig verschaft de uitvinding een inrichting voor het herschikken van, van divergerende bundels afgeleide gegevens onder toepassing van minder berekeningen terwijl desondanks de kwaliteit van de resulterende tomograaf verbeterd wordt. De inventieve inrichting van de bij aanhef gedefinieerde soort 40 omvat daartoe verder: e. middelen voor het celgewijs herordenen of opnieuw opslaan (rebinning) van alle of een deel van de stellen van gegevens die overeenkomen met de evenwijdige projecties om een ander stel van evenwijdige projecties met ongelijke dwarsafstand te vormen, waarbij de ongelijke dwarsafstand hebben, waarbij de ongelijke dwarsafstand gekozen is om artefacten, die normaal door de oorspronkelijke evenwijdige 45 projecties met ongelijke onderlinge dwarsafstand, te compenseren, en f. middelen voor het combineren van de celgewijs niet-herordende delen en de celgewijs herordende delen om door terugprojectie een tomografische afbeelding te vormen.

Bij een voorkeursuitvoering volgt de oorspronkelijke ongelijke onderlinge dwarsafstand in het algemeen een cosinus functie. De celgewijs herordende projecties zijn van elkaar gescheiden volgens een ’’reflectie” 50 van de cosinus functie.

De inrichting bewerkt derhalve slechts een deel van de herordende divergerende projecties maar verschaft desalniettemin een tomograaf met een afbeeldingskwaliteit gelijk aan tomografen verkregen in de bekende techniek waarbij een gelijk aantal of zelfs groter aantal berekeningen uitgevoerd wordt.

55 De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld met verwijzing naar de tekeningen, waarin: figuur 1 een blokschema geeft met schematisch een CT-aftaster die eén divergerende stralenbron heeft; 193557 2 figuur 1A geeft een diagram van de onderlinge dwarsafstanden tussen evenwijdige projecties na het herordenen; de figuren 2, 3 en 4 verschillende uitvoeringen geven van details van het blokschema van figuur 1; en figuur 5 de resultaten toont van het proces van het celgewijs herordenen of opslaan en combineren van 5 ten minste een voorkeursuitvoering van de uitvinding.

Een kenmerkende waaier- of divergerende bundelbron 12 is in de CT-aftastinrichting 11 van figuur 1 aangegeven. De met 13 aangeduide divergerende stralingsbundel gaat door een lichaam 14. De bundel wordt hoeksgewijs verplaatst ten opzichte van het lichaam door de bron 12 te bewegen. Volgens hoekswijze 10 stappen, aangegeven als de hoek ”theta” in het voorbeeld, worden schaduwgram gegevens opgenomen.

Bij de voorkeursuitvoering wordt de straling, die door het lichaam is gegaan, gedetecteerd door een reeks van hoeksgewijs gescheiden detectoren 16 die binnen de door de divergerende bundel onderspannen hoek ”psi” gelegen zijn. De reeks behoeft echter niet tot de hoek ”psi” beperkt te zijn. Deze voorwaarde verschaft een uitvoering waarin verschillende stellen detectoren voor elke waaier-bundelprojectie worden 15 gebruikt.

De detectoren worden gebruikt om stellen van hoeksgewijze schaduwgrammen af te leiden die de absorptie van straling door verschillende delen van het lichaam aanduiden. Op equivalente wijze kan de top van de waaier of de bron van straling of de afzonderlijke detectoren zijn.

De stellen van gedetecteerde stralingsgegevens worden in de voorprocessor 17 herordend teneinde 20 ondermeer de waaier-bundelprojecties om te zetten in evenwijdige projecties. Het herordenen kan worden teweeggebracht op een willekeurige manier die bekend is aan de deskundigen in de techniek. De herordende gegevens verschaffen projecties die monsters hebben welke overeenkomen met stralen die evenwijdig lopen, maar waarbij de onderlinge dwarsafstand tussen de stralen ongelijk is. De onderlinge afstand in de voorkeursuitvoering verloopt in het algemeen volgens een cosinus functie zoals aangegeven is 25 in figuur 1A.

De gegevens in de voorprocessor 17 worden verder behandeld om artefacten te reduceren zelfs terwijl een minimum aantal berekeningen wordt uitgevoerd.

Meer details van de voorprocessortrap 17 zijn in de figuren 2, 3 en 4 aangegeven. Zoals daarbij is aangeduid worden de van het ingangsdetectiestelsel 18 ontvangen stellen van divergerende schaduwgram 30 gegevens eerst zoals aangegeven door het blok 19 herordend tot stellen van schaduwgram gegevens die overeenkomen met absorptieschaduwgrammen van evenwijdige stralen. In het blok 21 werkt de celgewijze herordening (’’rebinning”) in op de projectiegegevens om artefacten te reduceren. De celgewijs opnieuw opgeslagen of herordende gegevens worden gefilterd zoals aangegeven door de filtermiddelen 22a. De filtermiddelen 22a en 22b kunnen met slechts één eenheid gerealiseerd worden in plaats van met de twee 35 in de figuren 2 en 3 aangegeven eenheden. De gefilterde celgewijs herordende en niet-herordende gegevens worden afzonderlijk door de terugprojectiemiddelen 23a en 23b teruggeprojecteerd teneinde afbeeldingen te verkrijgen die in een weergeefinrichting 24 ’’gemiddeld” worden. De terugprojectiemiddelen 23a en 23b kunnen met slechts één eenheid in plaats van met de twee in de figuren 2 en 3 aangegeven eenheden gerealiseerd worden.

40 De middelen 21 voor het celgewijs herordenen, zoals aangegeven in de uitvoeringsvorm van figuur 2, verwerken alle gegevens teneinde met ongelijke dwarsafstand gescheiden gegevens op te wekken van het type die samenwerken met de via het kanaal 26 verschafte oorspronkelijke gegevens om de normaal, door de ongelijke dwarsafstand veroorzaakte artefacten op te heffen. Wanneer derhalve de dwarsafstanden van de oorspronkelijke gegevens een cosinus regel volgen, volgen de dwarsafstanden van de celgewijs 45 herordende gegevens een ’’inverse" cosinus regel. De cosinus en de inverse cosinus zijn in figuur 5 aangeduid.

Bij een in figuur 3 aangegeven voorkeursuitvoering wordt slechts een deel van de gegevens celgewijs herordend. De even evenwijdige projecties in het kanaal 27 worden bijvoorbeeld celgewijs herordend terwijl de oneven evenwijdige projecties worden gelaten in de toestand van ongelijke dwarsafstand, waarin zij 50 vanaf de middelen 19 voor het herordenen aankomen. Zowel de celgewijs herordende als niet-herordende gegevens worden in 22 gefilterd en worden door de terugprojector gebruikt om op de weergeefmiddelen 24 de tomograaf te verkrijgen.

In de in figuur 4 aangegeven uitvoering worden door de voorprocessor de gegevens herordend om uit de divergerende projecties evenwijdige projecties te verkrijgen. Vervolgens worden de afzonderlijke schaduw-55 grammen verder verwerkt. Meer in het bijzonder worden de afzonderlijke monsters 36 van de afzonderlijke schaduwgrammen celgewijs herordend om artefacten op te heffen of tot een minimum te brengen.

Bij een uitvoeringsvorm worden de afzonderlijke monsters 36 van de detectoren in twee stellen 37 en 38 3 193557 onderverdeeld. Eén stel wordt bij 39 opnieuw celgewijs herordend teneinde een ’’reflectie” van het celgewijs niet-herordende stel te zijn op een wijze analoog aan de celsgewijze herordende bewerkingen van figuur 3.

Figuur 5 geeft aan dat de afstanden van de celgewijs niet-herordende gegevens bij 31 een cosinus functie volgen, terwijl de celgewijs herordende gegevens, die een ’’reflectie” van de cosinus functie volgen, 5 bij 32 zijn aangegeven. Het resultaat is dat er minder berekeningen nodig zijn in de voorprocessortrap en dat er relatief artefactvrije tomografen worden verkregen.

Het herschikkingsalgoritme beschreven in de bekende techniek kan in twee stappen gesegmenteerd worden: het herordenen en het celgewijs heropslaan of herordenen. De eerste stap resulteert in evenwijdige projecties die monsters bevatten die met ongelijke dwarsafstanden gescheiden zijn. Tomografische 10 reconstructies van bij deze fase verkregen gegevens leveren afbeeldingen op die een laagfrequente foutterm bevatten. De celgewijze herordeningsstap transformeert de monsters in elke evenwijdige projectie zodanig dat er evenwijdige projecties met gelijke dwarsafstanden worden verkregen. Reconstructies die met dit projectiestel worden uitgevoerd, hebben de laagfrequente foutterm niet.

De verbetering ten opzichte van de bekende techniek uit het Amerikaanse Reissue Patent 30.947 kan als 15 volgt aangeduid worden. Beschouwd worden de bemonsterintervallen van de celgewijs niet-herordende gegevens. In figuur 1 wordt de rechte lijn gaande door de top van de divergerende waaier en de oorsprong van de aftasting de ’’middenlijn” genoemd. Hierbij is de lijn 15 een straal die de bron en een detector verbindt. Hierbij is ”a" de hoek die door deze straal en de ’’middenlijn" wordt onderspannen. Hierbij is ”R" de afstand van de oorsprong ”0” van het aftastsysteem tot de top van de waaier. Hierbij is "t” de lood-20 rechte afstand vanaf de oorsprong ”0” tot de lijn 15, welke gegeven wordt door: t = R * sin(a). (1)

Bij een echt systeem bestaat er een eindig aantal afzonderlijke stralen. Aangenomen wordt er dat er ”N” stralen zijn. De hoek van elke straal wordt aangeduid als ”a(i)”, waarin i = 1, 2 ...N. Bij een voorkeursuitvoering is de hoek tussen aangrenzende stralen constant. Derhalve geldt: 25 a(i+1) - a(i) = d_a, (2) waarin: ”d_a” constant is. De monsters van de evenwijdige projecties die na het herordenen verkregen worden zijn gelegen in de posities gegeven door: t(i) = R ‘ sin(a(i)), (3) waarin ten behoeve van dit voorbeeld is aangenomen dat de hoek tussen de bronposities eveneens 30 gegeven wordt door ”a_a”. De afstand tussen aangrenzende monsters in de evenwijdige projectie ”d_t(i)” wordt gegeven door: d_t(i) = t(i+1) - t(i). (4) ”d_t(i)” kan geëvalueerd worden door de vergelijkingen (2) en (3) te substitueren in de vergelijking (4). Het resultaat is: 35 d_t(i) = R * [sin(a(i+1)) - sin(a(i))j (5) = R * [sin(a(i)+d_a) - sin(a(i))j = R * [sin(a(i))*cos(d_a) + cos(a(i))*sin(d_a) - sin(a(i))j = R * d_a * cos(a(i)).

40 waarin ”d_a" klein genoeg is zodat: cos(d_a) -1 en sin(d_a) -d_a.

45 Wanneer de herschikkingsmethode geïmplementeerd wordt zonder de celgewijze herordeningsstap leidt de cosinus term in (5) dan tot de eerdergenoemde laagfrequente foutterm in het resulterende tomogram. De laagfrequente foutterm resulteert in een komvormig ("cupping") artefact dat bij tomografische afbeeldings-technieken wel bekend is.

De beschreven nieuwe celgewijze herordening resulteert eveneens in evenwijdige projecties met 50 ongelijke dwarsafstanden. Aangenomen wordt dat de afstand tussen aangrenzende monsters in het celgewijze niet-herordende gegevensstel gegeven wordt door ”d-t(i)”. Het geval wordt beschouwd, waarin ”d_f (i)”, de onderlinge monsterafstand in een celgewijze herordend gegevensstel, gegeven wordt door de "reflectie” of het "negatief" van de oorspronkelijke onderlinge monsterafstanden. Derhalve is: d_t(i) = c - d_t(i), (6) 55 waarin ”c” een constante is zodanig gekozen dat de gemiddelde onderlinge monsterafstanden in de celgewijze niet-herordende en herordende gegevens bij benadering gelijk zijn.

Wanneer deze nieuwe celgewijze herordening op alle evenwijdige projecties wordt toegepast, wordt een

Claims

193557 4 afbeelding met een andere vorm van laagfrequente foutterm verkregen. Deze fout is eveneens een komvormige artefact die echter ten opzichte van de oorspronkelijke komvormige artefact met de bovenzijde omlaag is gekeerd. Door de twee afbeeldingen met de tegengestelde komvormige artefacten te middelen zullen deze artefacten elkaar opheffen en een afbeelding opleveren vrij van komvormige artefacten. Zoals 5 echter hier is aangegeven is deze werkwijze betrekkelijk langzaam. De bovenaangegeven methode kan versneld worden zodat een sneller algoritme kan worden verkregen. De snellere methode omvat de volgende stappen van: a. het herordenen van de divergerende waaierbundelgegevens zodat er evenwijdige projecties met ongelijke dwarsafstanden worden verkregen; 10 b. het segmenteren van de evenwijdige projecties in twee stellen, waarvan één stel alle even genummerde projecties en waarvan het andere stel alle oneven genummerde projecties bevat; c. het celgewijs herordenen van slechts één projectiestel zodat de onderlinge monsterafstand wordt gegeven door (6); d. het filteren van alle projecties; 15 e. het terugprojecteren van alle gefilterde projecties; en f. het weergeven van de resulterende afbeelding. Bij de bovenaangegeven methode is de stap c tweemaal zo snel als de equivalente stap in de genoemde bekende techniek. Daar de stap b een verwaarloosbare tijd inneemt, is deze nieuwe methode sneller dan de in de bekende techniek voorgestelde methode.

20 De uitvinding zoals hier beschreven kan uitgevoerd worden onder toepassing van variaties en permutaties van de bovenvermelde methode met zes stappen. Bijvoorbeeld kunnen er voor elk van de deelstellen afzonderlijke filters toegepast worden. Daarenboven kan het "middelen” van de verschillende deelstellen teweeggebracht worden door de gefilterde deelstellen afzonderlijk terug te projecteren. Bij een andere variant van de bovenbeschreven methode met zes stappen worden de stappen c en d door één stap 25 vervangen, die omvat: het celgewijs herordenen van elke evenwijdige projectie naar afstanden die afwisselend door de vergelijkingen (5) en (6) worden gegeven.

30 Conclusies

1. Inrichting voor het herschikken van, van divergerende bundels afgeleide gegevens om tomografische afbeeldingen met minimale artefacten te verkrijgen, waarbij de inrichting een snelle verwerking mogelijk maakt, welke inrichting omvat: 35 a. middelen voor het richten van divergerende bundels van doordringende straling door een lichaam, dat onderzocht wordt, vanaf bronmiddelen aan een zijde van het lichaam, b. middelen voor het hoeksgewijs verplaatsen van de divergerende bundel ten opzichte van het lichaam, c. middelen voor het detecteren van straling die door het lichaam is gegaan in een aantal hoeksgewijs gescheiden posities binnen de door de divergerende bundels onderspannen hoek teneinde stellen van 40 gedetecteerde stralingsgegevens af te leiden die representatief zijn voor een aantal hoeksgewijs gescheiden schaduwgrammen die de absorptie van de straling door verschillende delen van het lichaam aanduiden, d. middelen voor het herordenen van de stellen van gedetecteerde stralingsgegevens uit te stellen van gegevens die overeenkomen met divergerende projecties in stelten van gegevens die overeenkomen met 45 evenwijdige projecties, waarbij de onderlinge afstand tussen monsters in de evenwijdige projecties dwars gezien ongelijk zijn, met het kenmerk, dat de inrichting verder omvat: e. middelen voor het celgewijs herordenen van ten minste een deel van de stellen van gegevens die overeenkomen met de evenwijdige projecties om een ander stel van evenwijdige projecties te vormen die eveneens onderling ongelijke dwarsafstand hebben, waarbij deze onderlinge dwarsafstand gekozen is 50 om normaal door de ongelijke dwarsafstand van de evenwijdige projecties veroorzaakte artefacten te compenseren, en f. middelen voor het combineren van de celgewijs herordende en niet herordende delen teneinde door terugprojectie tomografische afbeeldingen te vormen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarin de ongelijke dwarsafstand van de herordende stellen in wezen 55 een cosinus regel volgt.

3. Inrichting volgens conclusie 2, waarin de middelen voor het celgewijs herordenen verder ingericht zijn 5 193557 voor het instellen van de onderlinge dwarsafstand van het andere stel van evenwijdige projecties opdat in wezen een ’’inverse” cosinus regel wordt gevolgd.

4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3 omvattende: a. middelen voor het celgewijs herordenen van al de stellen van gegevens die overeenkomen met de 5 evenwijdige projecties om een ander stel van evenwijdige projecties te vormen die eveneens ongelijke dwarsafstanden hebben, waarbij de onderlinge dwarsafstand gekozen is om normaal door de ongelijke dwarsafstand van de evenwijdige projecties veroorzaakte artefacten te compenseren, en b. middelen voor het combineren van de celgewijs niet-herordende evenwijdige projecties met het andere stel van evenwijdige projecties om door terugprojectie tomografische afbeeldingen te vormen.

5. Inrichting volgens een van de conclusies 1 t/m 4 voorzien van middelen voor het filteren voorafgaande aan de terugprojectie.

6. Inrichting volgens conclusie 5, waarin de filtermiddelen middelen omvatten voor het afzonderlijk filteren van de celgewijs herordende en de niet-herordende delen van stellen van evenwijdige projecties.

7. Inrichting volgens conclusie 5, waarin middelen zijn aangebracht voor het combineren van de gefilterde 15 celgewijs herordende en gefilterde celgewijs niet-herordende evenwijdige projecties tijdens de terugprojectie.

8. Inrichting volgens conclusie 1 voorzien van middelen voor het celgewijs herordenen van monsters van de afzonderlijke evenwijdige projecties.

9. Inrichting volgens conclusie 8 omvattende middelen voor het celgewijs herordenen van elke van de evenwijdige projecties opdat de dwarsafstand tussen de monsters in de evenwijdige projecties afwisselend 20 gegeven wordt door: d_t(i) = R * d_a cos (a(i)) en d_t(i) = c-I R * d_a * cos (a(i))“ 10. inrichting volgens conclusie 8 of 9 voorzien van: a. middelen voor het celgewijs herordenen van al de stellen van gegevens die overeenkomen met de evenwijdige projecties om stellen van evenwijdige projecties te vormen die eveneens ongelijke onderlinge dwarsafstand hebben, welke dwarsafstand zodanig gekozen is om normaal door de ongelijke dwarsafstand van de evenwijdige projecties veroorzaakte artefacten te compenseren, en 30 b. middelen voor het combineren van de celgewijs herordende evenwijdige projecties om door terugprojectie tomografische afbeeldingen te vormen.

11. Inrichting volgens een van de conclusies 8 t/m 10 voorzien van middelen voor het filteren voorafgaande aan de terug-projectie. Hierbij 3 bladen tekening